Твердые диэлектрики
Твердые диэлектрики можно разделить по происхождению на природные (естественные) и искусственные, по химическому составу — на органические, под которыми подразумеваются вещества на основе соединений углерода (но в них также могут входить и другие элементы) и неорганические. Последние, как правило, обладают большей нагревостойкостью, чем органические. По строению диэлектрики делятся на волокнистые, кристаллические и аморфные. По исходному состоянию при производстве изоляции отдельную подгруппу составляют твердеющие материалы.
• Волокнистые электроизоляционные материалы в не- пропитанном состоянии. К ним относятся органические и неорганические материалы, состоящие из частиц удлиненной формы (волокон). Их достоинства: достаточно большая механическая прочность, гибкость, как правило, хорошо обрабатываются, доступны и дешевы. Недостатки: малая электрическая прочность из- за воздуха в порах волокон, плохая теплопроводность, гигроскопичность.
Волокнистые органические электроизоляционные материалы: дерево, бумага, электрокартон, ткани, ленты и т.п.
Дерево — природный, легко доступный материал. Класс нагревостойкости — У (без пропитки) и А (после пропитки), электрическая прочность зависит от состояния древесины и породы, например, для бука в непропитанном состоянии Еп = 3—4 МВ/м, в пропитанном — 5-7 МВ/м. Материал делят по породам на твердые (дуб, бук, береза) и мягкие (сосна, ясень). Легко обрабатывается, но вместе с тем он особо гигроскопичный, склонен к короблению, растрескиванию, изменению линейных размеров (усушке), следовательно, механические характеристики, как и электрические, нестабильны. Область применения весьма широкая: опоры линий электропередач, пазовые клинья, прокладки в электрических машинах, трансформаторах и пр. В последнее время вытесняется более качественными диэлектриками (пластмасса, стекло).
Бумаги и картоны. Класс нагревостойкости в непропитанном состоянии — У. Эти материалы вырабатываются из целлюлозы, главным образом древесной. Для получения электротехнических бумаг и картонов — лигнин (вещество, придающее древесине хрупкость) удаляется из целлюлозы щелочными растворами, что придает им желтоватый цвет; но зато эти же растворы обеспечивают повышенную механическую прочность и нагревостойкость. Основные достоинства картонов и бумаг — экономичность и недефицитность; выпускаются в листах и рулонах.
Электротехнические бумаги по применению делят на:
кабельную, в марках (например, К-120), буквами обозначаются: К— кабельная, М — многослойная, В — высоковольтная,
У — уплотненная; цифра показывает толщину бумаги в микронах (мкм). Без пропитки Епр = 8-10 МВ/м (при 20°С и 50 Гц);
телефонную (изготавливается разных цветов). Без пропитки Епр = 10-12 МВ/м (при 20°С и 50 Гц);
конденсаторную, она самая тонкая, повышенной механической прочности. Без пропитки Епр = 12-15 МВ/м (при 20°С и 50 Гц);
пропиточную, идет на изготовление листового гетинакса; разновидность — намоточная бумага, которая используется при изготовлении цилиндрических слоистых пластиков; она обладает повышенной пористостью и пониженной плотностью;
микалентную, используется в качестве подложки при производстве микафолия и микалент; механическая прочность их мала;
хлопковую, применяется при изготовлении лакобумаг, имеет хорошие механические характеристики;
Еир — трех последних бумаг, зависит от пропиточных материалов.
Электрокартоны отличаются от бумаг в основном только толщиной. В электротехнике они используются для работы на воздухе, в этом случае их подвергают специальному уплотнению, поэтому механически более прочны, имеют глянцевую поверхность; а также для работы в масле, тогда они более мягки и рыхлы, обладают повышенной впитываемостью. Первые применяются для прокладок электрических машин, изготовления каркасов катушек и т.п., без пропитки Епр = 8-13 МВ/м (при 20°С и 50 Гц), вторые — для изоляционных деталей масляных трансформаторов. Эти картоны в зависимости от аппаратов, для которых предназначены, дополнительно подразделяются на четыре вида (А, Б, В, Г). Епр = 40-85 МВ/м в пропитанном состоянии (при 20°С и 50 Гц).
Ткани и ленты на основе хлопчатобумажной и натуральной шелковой пряжи. Из последней делается значительно более тонкая изоляция, однако она намного дороже и в последнее время почти полностью вытеснена искусственными волокнами типа вискозного и ацетатного шелка, а также синтетическими волокнами: лавсан, терилен, дакрон, капрон, нейлон и др. Электрическая прочность этих изоляций определяется ЕПР воздуха и приблизительно равна 3-5 МВ/м.
Неорганические волокнистые электроизоляционные материалы: асбест, стекловолокно, плавленый кварц, материалы на их основе и т.п.
Асбест — естественный минеральный материал волокнистого строения. Класс нагревостойкости С, только при температуре более +300~400°С теряет молекулярную воду и, как следствие, механическую прочность. К недостаткам асбеста относится повышенная толщина волокон. Из него изготовляется бумага, ткани, шнуры, ленты и пр. Изоляционные свойства асбеста значительно улучшаются пропиткой его изоляционными лаками.
Стеклянное волокно получается путем пропускания расплавленной стеклянной массы через тонкие отверстия (фильеры). Оно обладает повышенной гибкостью, при диаметре 3-7 мкм волокна можно обрабатывать приемами текстильной технологии. Имеет повышенную механическую прочность и нагревостойкость (класс С), его рабочая температура в зависимости от состава колеблется от +450 до +1000°С. Недостаток — низкая устойчивость к истиранию, хрупкость.
Волокно и нити из стекла широко используются для производства лент, тканей, изоляции проводов, шнуров и т.п.
Стеклоткань применяется и как исходный материал для изготовления многих видов изоляционных изделий: лакотканей, текстолита и др.
Стеклянная лента (ЛСП) вытесняет кабельную бумагу при изоляции кабелей.
Электроизоляционный шнур (ШЭС) используется для банда- жировки лобовых частей обмоток электрических машин и пр.
Электрическая прочность этих материалов определяется наличием воздуха в порах и составляет 3-5 МВ/м (при 20°С, 50 Гц).
• Волокнистые электроизоляционные материалы в пропитанном состоянии. Они представляют собой органические и неорганические волокнистые материалы, пропитанные электроизоляционными лаками, вследствие чего, по сравнению с непропитанными, имеют повышенную электрическую и механическую прочность, теплопроводность и нагревостойкость, пониженную гигроскопичность.
К ним относятся лакоткани, изоляционные ленты, лакобумаги, лакированные трубки и т.п.
Лакоткани. Повышение их механической прочности обеспечивается тканью, а электрической — лаковой пленкой.
По основе лакоткани подразделяют на хлопчатобумажные, шелковые, стеклянные, капроновые и пр.; по пропитывающим лакам — на светлые (желтые), пропитанные в основном масляными лаками, и черные — пропитанные в основном масляно-битумными лаками. Кроме указанных, пропитка тканей проводится и другими лаками.
Основа и пропиточный лак указываются в марках лакотканей: ЛХМС (Л — лакоткань, X — хлопчатобумажная, М — пропитка масляными лаками, С — светлая). Для большинства лакотканей после марки указывается ее нагревостойкость: ЛШМ-105 — класс нагревостойкости А (105°С).
Светлые хлопчатобумажные лакоткани имеют электрическую прочность 35-40 МВ/м, шелковые — 55-90 МВ/м, черные хлопчатобумажные — 50-60 МВ/м. К тому же последние значительно менее гигроскопичны и склонны к тепловому старению, но и менее устойчивы к органическим растворителям.
Массовое применение для изоляции электрических машин, аппаратов, кабельных и других изделий получили следующие лакоткани:
хлопчатобумажные, марок ЛХМ, ЛХМС, обладают относительно повышенной стойкостью к действию органических растворителей, но, как и все хлопчатобумажные ткани, имеют относительно высокую толщину;
шелковые — МШМ, ЛШМС, значительно тоньше по сравнению с хлопчатобумажными, что позволяет уменьшить габариты изделия, обладают высокими электрическими характеристиками, но значительно дороже;
капроновые — ЛКМ, ЛКМС — лакоткани повышенной гибкости, но с более значительной усадкой при нагреве;
стеклолакоткани марок ЛСМ, ЛСБ (С—на основе стеклоткани, Б — пропитаны битумно-масляно-алкидными лаками) обладают характеристиками, соответствующими материалам пропитки. Ткани марок ЛСП, ЛСК (пропитанные, соответственно, полиэфирно-эпоксидными и кремнийорганическими лаками). Первые имеют повышенную электрическую прочность, устойчивы к органическим растворителям, класс нагревостойкости F. Вторые — устойчивы к влажной среде, обладают стабильными электрическими характеристиками при изменении температуры, класс Н, но лаковая пленка неустойчива к органическим растворителям. Стеклолакоткани марок ЛСЛ, ЛСЭ, ЛСКР — резиностеклолакоткани (соответственно латексная, эскапоновая, кремнийорганическая, резиновая) имеют повышенную эластичность, но латексная и эскапоновая лакоткани обладают склонностью к ускоренному старению и имеют пониженную водостойкость, класс нагревостойкости Е. Класс нагревостойкости стеклолакотканей зависит от пропитывающего состава и колеблется от А до Н.
Особую группу составляют липкие и самосклеивающиеся стеклолакоткани и резиностеклолакоткани (ЛСЭПЛ, ЛСКЛ, ЛСТР и др.). Они с одной или с двух сторон покрыты липким слоем, способным к самосклеиванию. Эти материалы в электрооборудовании нередко используются вместо слюдяных изделий (микалент).
Лакированные трубки отличаются от лакотканей тем, что представляют собой шнур-чулки, пропитанные и покрытые в несколько слоев изоляционными лаками. Их характеристики и области применения зависят от основы (хлопчатобумажные, шелковые, лавсановые, стеклянные и др.) и пропиточного материала. Классы нагревостойкости от А до Н, электрическая прочность в среднем равна 35-90 МВ/м. Применяются для изоляции в обмотках электрических машин, трансформаторов и пр.
Лакобумага получается пропиткой бумаг (обычно длинноволокнистых) изоляционными лаками (чаще всего масляными). Материалы используются как заменители лакотканей, где это возможно, так как значительно дешевле и обладают достаточно близкими к ним электроизоляционными свойствами, но они менее механически прочные, класс нагревостойкости А. Лакобумаги, как и лакоткани, в последнее время вытесняются гибкими пленками.
Липкие ленты применяются при различного рода ремонтных работах. Промышленностью они выпускаются в виде кругов соответствующей ширины и диаметра. К ним относятся:
монтерская прорезиненная лента, которая получается пропиткой хлопчатобумажной основы специальными составами, включающими эластомеры. Еш около 15-20 МВ/м (при 20°С), нагревостойкость менее класса Y, рабочая температура не выше +60-65°С; широко применяются для изоляции проводок в местах соединений;
липкая изоляционная стеклолента — лента на основе стеклоткани, пропитанная нагревостойким кремнийорганическим лаком. ЕПр = 20-30 МВ/м (при 20°С), нагревостойкость до класса F, отличается повышенной эластичностью; используется чаще всего для изоляции лобовых частей обмоток электрических машин, работающих в режимах повышенных температур;
липкие ленты на основе гибких пленок, покрытые липким специальным составом. Электрическая их прочность и классы нагревостойкости зависят от основы и покрытия, обладают повышенной эластичностью. Области применения весьма широкие: от изоляции мест сращивания проводов внутренних электрических сетей до изоляции обмоток электрических машин и аппаратов.
Пластические массы —это материалы, способные в пресс- формах под действием внешнего давления принимать требуемый вид. Большая часть изоляционных пластмасс (например, с органическими связующими) требуют также повышенной температуры. К достоинствам их, в первую очередь, относится высокая экономичность.
Пластмассы, используемые в электротехнике, — это чаще всего изоляционные материалы, состоящие из двух основных составляющих: связующего и наполнителя. К первым относятся смолы, битумы, цемент и др. Ко вторым — порошкообразные материалы (древесная или каменная мука), волокнистые (хлопчатобумажное, асбестовое или стеклянное волокно и пр.), а также листовые изделия (бумага, текстиль и т.п.).
Наполнитель в основном улучшает механические характеристики изоляции, но снижает электрические, к тому же повышает гигроскопичность. Вот почему для пластмасс, от которых требуются высокие электроизоляционные свойства, нередко от наполнителей отказываются, хотя они значительно их удешевляют. В пластмассы вводятся еще пластификаторы (для повышения гибкости) и красители (для получения нужного внешнего вида).
Электрические и механические характеристики, а также нагреостойкость пластмасс зависят от связующего и от наполнителя. EПР в среднем составляет 3,0-40 МВ/м (при 20°С), нагревостойкость колеблется от А до Н.
Промышленностью пластмассовые изделия выпускаются в виде заготовок и готовых фасонных деталей часто сложной конфигурации.
Область применения пластмасс очень большая: от корпусов бытовых электроприборов до изоляционных деталей сложной конфигурации для электрических машин и аппаратов.
• Слоистые пластики. Они отличаются от пластмасс только наполнителем, в качестве которых используются листовые волокнистые материалы. Слоистые пластики образуются путем пропитки наполнителя (нужного количества слоев для получения требуемой толщины материала) бакелитовой смолой с горячей прессовкой. При этом, если основой служит бумага, получается гетинакс, если ткани (хлопчатобумажная, шелковая и др.) — текстолит. Последний во много раз дороже гетинакса (5-6 раз), поэтому делается комбинация наполнителя: внутренние слои выполняются из бумаги, а наружные — с двух сторон из хлопчатобумажной ткани, такой материал называется текстогетинакс. Изготавливаются и другие виды слоистых пластиков: древеснослоистые (ДСП) - типа фанеры на бакелитовой смоле, асботекстолит, стеклотекстолит и др.
Все слоистые пластики анизотропны: электрическая прочность их при приложении напряжения перпендикулярно к слоям в 5-8 раз выше, чем вдоль слоев. Текстолиты, как правило, имеют значительно лучшие механические характеристики, чем гетинаксы. Например, лучше работают на истирание. Все слоистые пластики хорошо обрабатываются режущими инструментами (фрезой, резцом и пр.). Однако места обработок резко повышают гигроскопичность и снижают влагостойкость материала, поэтому не следует (если нет необходимости) снимать с них поверхностный слой, наоборот, целесообразно место обработки покрыть лаком.
Серьезный недостаток этих пластиков — плохая дугостойкость — при проскакивании искры на их поверхности остается науглероженный след, проводящий электрический ток.
Основные характеристики некоторых пластиков:
гетинакс — Епр в направлении, перпендикулярном слоям, равна 20-40 МВ/м (при 20°С) и 12-35 МВ/м (при 90°С), нагревостойкость класса А;
текстолит (на основе хлопчатобумажной и шелковой ткани) Eпр в направлении, перпендикулярном слоям, равна 5-10 МВ/м (при 90°С), нагревостойкость класса А;
стеклотекстолит — ЕпР в направлении, перпендикулярном слоям, равна 6-27 МВ/м (при 90°С), нагревостойкость класса В;
асботекстолит — Епр в направлении, перпендикулярном слоям, равна 1,0-1,5 МВ/м (при 90°С), нагревостойкость класса С;
древеснослоистый пластик (ДСП) — Епр в направлении, перпендикулярном слоям, равна 3—4 МВ/м (при 90°С), нагревостойкость класса А.
Промышленностью слоистые пластики выпускаются в виде досок, а также фасонных изделий: намотанные бакелитовые (гетинаксовые) трубки, цилиндры. Свойства намотанных изделий уступают листовым.
К числу слоистых электроизоляционных материалов следует отнести и фибру.
Фибра — бумага, пропитанная хлористым цинком, сложенная в несколько слоев и спрессованная. Электрическая прочность невысока, ЕПр— 1,0-3,5 МВ/м (при 20°С и 50 Гц), механическая прочность достаточно большая, очень гигроскопична, при этом теряет форму и диэлектрические свойства. Выпускается в виде досок и фасонных изделий, применяется для прокладок, панелей, в трубчатых разрядниках и пр.
Гибкие пленки — это особый вид пластмасс, изготавливаемых из органических полимеров. Характерны малой толщиной (могут быть даже менее 0,02 мм) и большой гибкостью при высокой электрической и механической прочности. Они обладают малой гигроскопичностью, а также хорошими изоляционными свойствами. Епр составляет 60-300 МВ/м (при 20°С), нагревостойкость 90-240°С (классы — от К до С). Полиэтилентерефталатиые пленки дополнительно имеют повышенную химическую стойкость. Недостаток всех гибких пленок — высокая чувствительность к надрывам.
Выпускаются в виде рулонов, применяются в изоляции электрических машин, обмоточных проводов, кабелей и т.п., а также в качестве диэлектриков конденсаторов.
• Комбинированные электроизоляционные материалы. Их можно рассматривать как особого рода слоистые материалы из гибких пленок или пластмасс, оклеенных или спрессованных с волокнистыми материалами, в пропитанном или непропитанном состоянии, что дает возможность объединить их достоинства и устранить многие недостатки.
Электрическая прочность таких материалов зависит от вида и колеблется в широких пределах (5 МВ/м (при 20°С) для электронита панельного и 100-130 МВ/м (при 20°С) для пластика электроизоляционного с полиэтилентерефталатной пленкой). То же и нагревостойкость их — от К до Н, а рулонный электроизоляционный материал (РЭМ) имеет рабочую температуру только 15-35°С.
Выпускается в виде рулонов, досок и других изделий для изоляции электрических машин, аппаратов и прочих устройств.
• Эластомеры. К ним относятся материалы на основе каучука и близких к нему веществ. Главное их достоинство — высокая эластичность, кроме того, они практически непроницаемы для влаги и газов, как правило, обладают хорошими изоляционными качествами.
Резина мягкая получается путем вулканизации каучука (нагрева его с добавкой 3-10% серы), нередко в них добавляются наполнители, красители и другие вещества. Однако такая резина содержит остатки свободной серы, которая вредно воздействует на медь и другие материалы. Поэтому для изоляции меди используют тиурамовую резину, она представляет собой каучук, вулканизированный не чистой серой, а тиурамом (соединением серы).
Резины — материалы термореактивные (т.е. при нагревании не размягчаются), обладают высокой растяжимостью, упругостью.
Eпр = 20-30 МВ/м (при 20°С), нагревостойкость 55°С (для тиура- мовой резины 65°С, при зашите ее оболочками даже до 80°С).
Резины с сажевым наполнителем (черного цвета) имеют повышенные механические характеристики, но пониженные электрические. Общие недостатки резин: относительно малая рабочая температура, при t > 60-80°С идет ускоренное ее старение, она становится хрупкой, растрескивается; малая стойкость к органическим растворителям и маслам, к свету и озону.
Применяется для изготовления различных изоляционных изделий (перчаток, ковриков, калош и пр.), а также изоляции монтажных, установочных проводов, гибких кабелей.
Эбонит получается, как и резина, но при содержании серы 30- 35 %. Материал твердый с высокой устойчивостью к ударным нагрузкам, хорошо обрабатывается. Eпр = 15 МВ/м (при 20°С), нагревостойкость — до +50°С.
Выпускается в листах, палках и трубках, применяется в основном в качестве изоляционных изделий.
• Неорганические электроизоляционные материалы. К ним, в частности, относятся слюда (и изделия из нее), стекло, керамические диэлектрики и др.
Слюда - природный минерал слоистого строения с повышенной электрической и механической прочностью, нагревостойкостью, влагостойкостью, достаточной гибкостью. По химическому составу ее подразделяют на мусковит и флогопит. Мусковит—бесцветные пластинки с лучшими изоляционными показателями, чем флогопит, механически более твердый, гибкий и упругий, лучше работает на истирание. Флогопит — пластинки более темные (от янтарных до почти черных), по сравнению с мусковитом более нагревостойкий. Если мусковит ухудшает изоляционные свойства при температуре 200-600°С, то флогопит — при 800-900°С.
Применяются в виде листочков щипаной слюды там, где изоляция работает при особо повышенных температурах: нагревательные электрические изделия (паяльники, плитки, печи и т.п.).
Миканиты - материалы из отдельных пластинок слюды, склеенных лаками или смолами, иногда с использованием бума-
ги или ткани, которые подклеиваются к слоям слюды с одной или двух сторон. Такая подложка увеличивает механическую прочность материала при изгибах. Выпускаются в виде листов и рулонов.
По назначению они делятся на коллекторные (в марках обозначается буквой К), прокладочные (П), формовочные (Ф), гибкие (Г), микафолий (М), микаленты (JI). Отличаются в основном клеящим веществом и технологией изготовления. Вторая буква марки показывает вид слюды: М — мусковит, Ф — флогопит, С — их смесь. Третья буква или цифра показывает дополнительные характеристики материала. Основные изоляционные характеристики: Eпр (МВ/м при 20°С) и нагревостойкосгь — С. Н. В: коллекторный— 15-18, С; прокладочный— 16-20, С; формовочный — 14—18, Н, гибкий — 16-28, В, Н; микафолий — 14-18, Н; микалента — 9-20, В.
Слюдиниты, слюдопласты (слюдяные бумаги) — материалы на основе слюды, чаще отходов (щипки слюды) со специальной технологией изготовления. На их основе выпускается много различных изоляционных изделий, например, стеклослюденитовые непропитанные ленты. Eпр — 10-20 МВ/м (при +20°С), нагревостойкосгь — В, с повышенной гибкостью при комнатной температуре.
Микалекс — материал твердый с увеличенным содержанием слюды, в качестве связующего применяется легкоплавкое стекло. Из данного материала прессованием получают фасонные изоляционные изделия, отличающиеся высокой нагревостойкостью, дугостойкостью, большой механической прочностью, материал можно обрабатывать и шлифовать. Однако следует иметь в виду, что он дорогой. Eпр — 10-20 МВ/м (при 20°С), нагревостойкосгь — С.
Область применения миканитов и других слюдяных изделий обширна: прокладки, шайбы, детали изоляций электрических машин, аппаратов и многое другое. Но при выборе их следует учитывать, что экономичны детали из слюды только там, где требуется повышенная нагревостойкость, поскольку они значительно дороже, чем из других материалов (волокнистых и пр.).
Фарфор относится к керамическим диэлектрикам. Он содержит специальные глины, кварц, полевой шпат и воду. Изделия из него получаются после сушки готовых фасонных деталей, глазуровки и обжига. Глазурь - специальная масса, которая наносится на поверхность фарфора, при обжиге она расплавляется и покрывает его тонким, гладким, блестящим слоем, это необходимо для защиты фарфора от проникновения в него влаги, так как он пористый. Материал влаго- водо- химо-дугостойкий, механически твердый, Eпр— 10-30 МВ/м (при 20°С), нагревостойкость — класс С. Применяется в основном для изготовления различного вида электрических изоляторов.
Стекло —- прозрачный, аморфный, неорганический материал, получаемый переплавкой различных исходных материалов и представляющий собой сложные системы различных окислов. Свойства стекол зависят от их состава и термической обработки, они колеблются в широких пределах. В среднем Eрр — 25-50 МВ/м (при 20°С), нагревостойкость — С, температура размягчения для большинства составов стекол — 400-1600°С. Наиболее применимы в электротехнике прозрачные и непрозрачные кварцевые стекла. Они механически прочны, особенно хорошо работают на сжатие, но хрупкие, химически влаго-водо-короно-дугостойкие.
Применяется, как и фарфор, для изготовления различного вида электрических изоляторов, а также для получения стекловолокна и других изделий.