Виды твердых изоляционных материалов

Как и к жидким изоляционным материалам, к твердым диэлектрикам, применяемым в технике высоких напряжений, предъявляется ряд требований. Они должны выполнять функции механического крепления токоведущих частей, например в трансформаторах, для чего применяются рейки, трубы, пластины. В некоторых конструкциях твердая изоляция выполняет роль бака. Это, например, фарфоровые рубашки или бакелитовые цилиндры. Твердая изоляция с высокой диэлектрической проницаемостью применяется в конденсаторах. Твердые диэлектрики используются в качестве барьеров в жидкой и газовой изоляции. Внутри твердой изоляции могут быть размещены электроды или обмотки.

3.2.1. Керамические изоляционные материалы

Эти материалы получают из глинистых продуктов путем спекания при высокой температуре. Они представляют собой кристаллическую фазу и нерастворимы в воде. Формируются керамические изделия из пластичной массы при комнатной температуре. Дальнейший обжиг, сопровождающийся объемной усадкой, приводит к тому, что утрачиваются пластичные свойства исходного сырья, изделие становится твердым и стабильным по форме.

Фарфор и стеатит. Фарфор представляет собой силикат алюминия, в его состав входят 40 - 50 % каолина и глины (пластификатора), 20 - 30% оксида алюминия и 30% полевого шпата. Эта смесь дает высокопрочный фарфор (глинистый или глиноземистый фарфор) с лучшими механическими свойствами, чем применявшийся ранее кварцевый фарфор.

Стеатит представляет собой силикат магния. Затруднительная обработка, вызванная отсутствием связующего материала, является причиной того, что изделия из стеатита имеют малые размеры, и поэтому для изготовления больших изоляторов на высокие напряжения предпочитают использовать фарфор. Стеатит по сравнению с фарфором обладает лучшими механическими характеристиками и меньшими диэлектрическими потерями.

Фарфор в электроэнергетике используется в качестве изоляции воздушных линий электропередачи, газовых выключателей. Из фарфора изготавливаются опорные изоляторы разъединителей и сборных шин, вводы силовых трансформаторов, изоляционные конструкции измерительных трансформаторов напряжения и тока, изоляционные корпуса оборудования и т.д.

3.2.2. Стекла

Они получаются путем спекания различных оксидов. Наибольшее значение при изготовлении стекол имеют диоксид кремния Si0₂ в виде кварцевого песка, триоксид бора В₂О₃ и оксиды металлов PbO, А1₂0₃, Na₂O, К₂0, ВаО и др. При изготовлении стекол широко применяются более 500 видов разнообразных добавок. С их помощью получают и бесщелочное электротехническое стекло (содержание щелочи менее 0,8%), обладающее малой электропроводностью.

Е-стекло имеет преимущества при использовании в электротехнике по сравнению со щелочными стеклами. Стекла применяются в концевых разделках кабелей, при изготовлении вводов, конденсаторов, тарельчатых изоляторов воздушных линий электропередачи.

Е-стекло используется прежде всего в виде волокна для изготовления стеклопластиков. Волокна в электротехнических материалах содержат в зависимости от способа их вытягивания защитную оболочку с хорошим сцеплением эпоксидного основания и заполнителя.

Так как модуль упругости и прочность на разрыв стеклянных нитей гораздо выше, чем у эпоксидных смол, то материалы на основе стекловолокна обладают хорошими механическими свойствами. Стекловолоконными нитями бандажируются, например, обмотки электрических машин и укрепляются пакеты стали в трансформаторах. Стеклоткань используется для механического упрочнения изоляционных плат и труб для камер выключателей; стекловолоконный стержень является несущей частью стеклоэпоксидных подвесных изоляторов.

3.2.3. Слюда

Это природный минерал, образованный различными химическими соединениями. Важнейшими видами слюды, применяемыми в электротехнике, являются мусковит (калиевая слюда, расщепляемая на тонкие слои) и флогопит (магниевая слюда). Кристаллы слюды обладают способностью под действием механической нагрузки расщепляться по определенным кристаллографическим плоскостям. Это объясняется тем, что их кристаллическая структура представляет собой решетку с очень прочными связями в одной плоскости и со слабыми связями в плоскости, перпендикулярной первой.

В технике высоких напряжений преимущественно используется только такая слюда, которая при расщеплении дает крупные пластинки овальной или многоугольной формы толщиной от 0,02 до 0,10 мм. Для изготовления конденсаторов применяется так называемая блочная слюда с пластинами толщиной от 0,18 до 0,76 мм.

Слюда обладает термостойкостью вплоть до 600°С, ее температура плавления составляет 1200 - 1300°С. Слюда стойка к воздействию дуги, масла, облучения, противостоит тлеющим разрядам.

Применяемые в технике высоких напряжений пластинки слюды скрепляются, например, силиконовой или эпоксидной смолой, в результате чего образуются пластины или трубы стабильной формы (миканит), или наклеиваются на подложку из бумаги или стеклошелка - образуются гибкие полоски (микафолий).

Миканит применяется для изоляции коллекторных пластин электрических машин, цоколей ламп, элементов крепления электродов в электронных лампах, каркасов и т. д.

Микафолий представляет собой гибкую подложку - полоску бумаги или стеклошелка, на которую с нахлестом наклеены пластинки слюды с помощью шеллака, силиконовой или эпоксидной смолы.

Высокие теплостойкость, механическая прочность, негорючесть, устойчивость при воздействии масла и влаги позволяют использовать микафолий при изготовлении изоляции асинхронных двигателей, обмоток генераторов и сухих трансформаторов.

3.2.4. Высокомолекулярные полимерные изоляционные материалы

Эти материалы состоят из макромолекул, представляющих собой объединение по меньшей мере многих сотен атомных групп. Объединение атомных групп в макромолекулы может существовать в трех формах.

Одномерные группы образуют молекулы в виде более или менее длинных нитей - термопластов. Двумерные группы дают плоские макромолекулы. Трехмерные группы формируют пространственные макромолекулы, и материалы с такими молекулами называют дуропластами.

Формирование групп называют полиреакциями, при этом различают следующие процессы: полимеризацию, поликонденсацию и ступенчатую полимеризацию.

Полимеризация. Этим термином обозначают полиреакции, при которых одинаковые или похожие так называемые мономеры (конструкционные элементы), имеющие двойные химически активные связи, объединяются друг с другом, причем увеличение молекул происходит без образования побочных продуктов.

Благодаря такому цепочечному объединению элементов возникают линейные молекулы. Если полимеризация происходит с участием мономеров одного вида, то ее называют гомополимеризацией. Если же в реакции принимают участие два и более вида мономеров, то речь идет о кополимеризации.

Таблица 2.2

Сводный перечень применяемых в технике высоких напряжений пластмасс

Поликонденсация. В противоположность полимеризации в поликонденсации участвуют неодинаковые мономеры, образующие цепочечные или разветвленные макромолекулы. Мономеры должны иметь две, три и т. д. активные связи. Соединение функциональных групп сопровождается выделением побочных продуктов, таких, как вода, аммиак и др. Эти продукты в процессе полиреакции приводят к образованию пустот, и поэтому материалы, полученные поликонденсацией, могут быть использованы, как правило, при низких напряжениях.

Ступенчатая полимеризация. Это реакция полиприсоединения маломолекулярных элементов с двумя и более связями в вещество с активными атомами водорода путем отдельных, не зависящих друг от друга единичных реакций, при этом объединение групп происходит без образования побочных продуктов, чаще всего за счет смещения атомов водорода. Появляющиеся таким образом материалы обладают высокими диэлектрическими свойствами. Их называют полиаддуктами или продуктами ступенчатой полимеризации.

3.2.5. Эластомеры

К эластомерам относится силиконовая резина. Силиконовая резина - это материал, получаемый путем вулканизации силиконового каучука.

Силиконовый каучук не окисляется, стоек к воздействию озона, света, жиров и хлорированных дифенилов. Пары воды силиконовая резина впитывает лишь при температуре выше 130°С и разрушается только при больших временах воздействия паров. Силиконовая резина набухает в бензине, алифатических углеводородах, в ароматических растворителях и маслах и теряет свою механическую прочность.

Силиконовая резина горячей вулканизации применяется в качестве изоляции жил и оболочек кабелей, используемых в технике связи и электроснабжении, для уплотнений вводов в аппараты с жидкой средой и изготовления изоляции проводов и защитных колпаков распределителей в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания. Самоклеящиеся ленты из борсодержащей силиконовой резины используются в качестве изоляции кабелей.

Важнейшей областью применения силиконовой резины в технике высоких напряжений является изготовление подвесных изоляторов для воздушных линий электропередачи, состоящих из стеклотекстолитового стержня, устойчивого к растяжению, и экранов. Расширяется применение силиконовой резины при производстве штепсельных разъемов с регулированием поля для кабелей с пластмассовой изоляцией, работающих при средних напряжениях.

Твердеющие при низкой температуре материалы используются преимущественно для заливки обмоток и изготовления деталей, работающих при повышенных температурах.

Существуют также другие виды эластомеров, такие, как этиленпропилен-кополимеризат (ЕРМ) и фторкаучук.