2.10. Слюда як діелектрик

Слюда – це мінерал з кристалічною структурою, який легко розчеплюється на пластинки товщиною до 5 мкм. Завдяки її цінним якостям: високій електричній міцності, нагрівостійкості, волого-стійкості, механічної міцності слюду застосовують в якості ізоляції електричних машин високих напруг і потужностей (турбогене-ратори, гідрогенератори, тягові електродвигуни) і в якості діелект-рика в деяких конструкціях конденсаторів. Недивлячись на велику кількість різновидів слюд, для електричної ізоляції застосовують тільки дві: мусковит – K₂O·3Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O і флогопіт – K₂O·6MgO·Al₂O₃·6SiO₂·2H₂O. Слюди є широко розповсюдженими мінералами і складають 3,8% маси земної кори. Першоначальна обробка слюди складається з її очистки від домішок. Потім слюду розколюють на пластини товщиною 0,1-0,6 мм. В подальшому слюду розчеплюють на листки товщиною 5-50 мкм. Таку слюду називають щипаною. Щипану слюду застосовують для клеючої ізоляції в конденсаторах. Конденсаторну слюду застосовують для виготовлення слюдяних конденсаторів постійної ємності типів: КСО (конденсатори слюдяні опресовані), КГС (конденсатори слюдяні герметизовані), СГМ (конденсатори слюдяні гермети-зовані малогабаритні).

Рис.2.7.

Рис.2.8.

Рис.2.7. Залежність електричної міцності слюди мусковит

від товщини пластинки в неоднорідному полі.

Рис.2.8. Залежність tgб слюди мусковит від температури

при частоті 50 Гц (крива 1), і 2 МГц (крива 2).

Слюду також застосовують у вигляді штампованих виробів для кріплення електричної ізоляції, в якості теплового захисту цоколів потужних електричних ламп накалювання. Слюдяні елект-роізоляційні матеріали виготовляють на основі пластинок синте-тичної слюди. До них відносять мікалекси, міканіти, слюдопласти.

Мікалекс є твердим матеріалом, що отримують шляхом гарячого пресування суміші порошкоподібної природної слюди і легкоплавильного скла. Для виробництва мікалексу застосовують мусковит та борно-свинцеві види скла. Пресування проводять при температурі біля 600⁰С і тиску 60 МПа. Мікалекс – матеріал, що володіє високою нагрівостійкістю, дугостійкістю, механічною міцністю. Він застосовується для виготовлення ізоляційних матері-алів, деталей коливальних контурів потужних радіопередавачів, каркасів індуктивних котушок, плат перемикачів, різноманітних деталей вакуумних приладів та ін. Так як технологічний процес виготовлення мікалексу складний і потребує спеціальних електрич-них печей і пресів із нагрівостійкої нержавіючої сталі, матеріал досить дорогий і не набув широкого застосування. Він може бути замінений спеціальними видами керамічних матеріалів.

Міканіти і слюдопласти мають обмежене застосування в радіоелектронних пристроях. Їх відносять до основних видів ізоля-ції електричних машин і називають слюдяним папером.

Маркування міканіту:

К – колекторний, П – прокладковий, Ф – формувальний, Г – гнучкий, М – мікафолій, Л – мікастрічка. Це перша буква мар-кування. Друга буква маркування – тип слюди для виготовлення міканіту: М – мусковит, Ф – флогопіт, С – суміш мусковиту і флогопіту. Третя та наступні букви і цифри – вид клеючої речо-вини і додаткові характеристики матеріалу.

Внаслідок високого вмісту (не менше 50% по масі) слюди міканіти нагрівостійкі і відносяться до класу ізоляції В. При використанні неорганічних підложок (склотканини) нагріво-стійкість зростає зі 130⁰С (клас В) до більш ніж 180⁰С (клас С). Міканіт утворюється просочуванням порошку сухої слюди клею-чим розчином.

Тверді міканіти: до них відносять колекторний і прокладковий міканіти. Колекторний міканіт застосовують у виді штампованих заготовок, які прокладаються між мідними пласти-нами колекторів електричних машин постійного струму. Завдяки високому тиску під час пресування цей міканіт має хороші механічні властивості. Це забезпечує міцність колектора під час роботи машини. Товщина від 0,4 до 1,5 мм.

Прокладковий міканіт застосовують для електроізоляцій-них прокладок, шайб. Виготовляється з мусковиту, флогопіту та їх суміші. Містить від 80% до 97% слюди.

Формувальні міканіти при нормальній температурі тверді, але при нагріві набувають властивість приймати ту чи іншу форму, яку зберігають і при охолодженні. Їх застосовують при виготов-ленні манжетів (ізоляція колектора від валу електричної машини). Товшина – 0,1-0,5 мм. Вміст слюди від 80% до 95%, все інше (5-20%) – зв’язуючі речовини – гліфталь та кремнійорганічна смола.

Гнучкі міканіти призначаються для ізоляції різноманітних частин електричних машин (обмотка секцій, пазова ізоляція). Виго-товляється з мусковиту чи флогопіту на масляно-бітумному лаці.

Інший різновид гнучкого міканіту – мікастрічка. З обох сторін – підложки із склотканини. Товщина 0,1;0,12;0,15;0,17 мм. Вона утворює основну ізоляцію обмоток електричних машин. При пересиханні стрічки її необхідно витримати у парах розчинника.

Нагрівостійкий (термоупорний) міканіт, що не містить органічних речовин застосовують для ізоляціїелектронагрівальних приладів та у інших випадках, де температура сягає кілька сот градусів Цельсія. Товщина – 0,2-1 мм.

Фторфлогопіт – синтетична слюда, що має вищу хімічну стійкість, нагрівостійкість ніж природний флогопіт. По складу фторфлогопіт відрізняється від флогопіту тим, що в ньому гідроксильні групи ОН замінені іонами фтору. Виготовлення наба-гато дорожче, але завдяки високим електричним властивостям є перспективним матеріалом. Застосовується для виготовлення шта-мпованих деталей, що працють при температурі (-200÷800⁰С), а також для виготовлення мікалексу, що має вищі властивості, ніж звичайний. Електричні властивості слюдяних матеріалів наведені в таблиці 2.9.

Табл.2.9.

Види слюди				Епр, МВ/м (h = 0,025-0,05 мм)
Мусковит	1012-1013	6-8,5	(1-4)·10-4	100-250
Флогопіт	1011-1012	5-7	30·10-4	70-150
Фторфлогопіт	1012-1014	6-7,5	3·10-4	100-400

2.11. Запитання до самоконтролю

1. В чому полягає різниця між термопластичними та термореактивними елементами?

2. Суть електропровідності рідких діелектриків.

3. Електрофізичні властивості твердих полімерів.

4. Способи очистки трансформаторного масла.

5. Властивості та області застосування шарових пластиків.

Розділ 3. Дослідження ізоляції обмоток

та методи діагностики електричних машин

3.1. Вплив температури на якість ізоляції

електротехнічних пристроїв

Вирішальним фактором при розрахунку та правильному ви-борі електротехнічного пристрою (електричного мотора, трансфор-матора і т.д.) є його нагрів.

Найбільш уразливою з точки зору нагріву є ізоляція обмо-ток електричних машин. Вказані робочі температури для кожного класу ізоляції встановлені, виходячи із терміну роботи електро-двигунів 15-20 років при номінальному навантаженні. При збіль-шенні температури на 25% номінальний термін роботи скорочує-ться до 1,5 місяця, а при збільшенні температурного навантаження на 50% двигун виходить з ладу через 3 години. Навантажувальна здатність електричних машин визначається умовами нагріву, оскі-льки температура є головною причиною, що обмежує потужність машини при тривалих і короткочасних навантаженнях.

Процеси нагріву та охолодження у всіх типах електричних машин підпорядковані загальним законам, оскільки електричну машину можна в першому наближенні розглядати як однорідне тверде тіло. Незважаючи на складний характер розподілу тепла в електричній машині, заміна реальної машини однорідним тілом дає можливість встановити деякі загальні закономірності зміни темпе-ратури машини в процесі нагріву і охолодження.

Втрати енергії, що виникають у машині, виділяються у вигляді тепла, яке підвищує температуру обмоток і магнітопроводу. За проміжок часу dt в електричній машині виділяється теплова енергія dQ = ΔPdt, яка витрачається на підвищення температури на величину d і частково відводиться у навколишнє середовище. У будь-який момент часу в електричній машині має місце баланс теплової енергії, що виражається рівнянням:

(3.1)

– частина теплової енергії, що нагромаджується у машині і призводить до підвищення її температури; – частина теплової енергії, що розсіюється у навколишнє середовище; с – питома теплоємність машини (кількість тепла, що викликає підвищення температури 1 кг маси машини на 1 ⁰С); m – маса машини, кг; k_ТВ – коефіцієнт тепловіддачі з поверхні (кількість тепла, що розсіюється з 1м² поверхні охолодження машини протя-гом 1с при різниці температур в 1 ⁰С), який визначає інтенсивність охолодження електричної машини; S_ОХ – поверхня охолодження машини; – перевищення температури машини над температу-рою навколишнього середовища.

При деякій температурі наступає усталений процес, при якому все виділене в машині тепло віддається навколишньому середовищу. В цьому випадку величина і рівняння балан-су матиме вигляд

(3.2)

Величину називають усталеним перевищенням темпера-тури

(3.3)

Рівняння теплового балансу з урахуванням (3.3) можна за-писати у вигляді

(3.4)

Розв'язком диференціального рівняння (3.4) за умови, що при t = 0 електрична машина вже мала деяке перевищення тем-ператури над навколишнім середовищем, буде

, (3.5)

де – стала часу нагріву.

Із (3.5) випливає, що величина в процесі нагрівання і охолодження змінюється за експоненційним законом. При нагріванні зростає (рис.3.1, а крива 1), асимптотично наближаючись до усталеного значення При охолодженні температура змен-шується (рис.3.1, а крива 2) до усталеної величини У початковій точці при t = 0 похідна Отже, сталу часу Т можна представити у вигляді відрізка АВ, що відсікає дотична, проведена до кривої нагріву в початку координат, на прямій, що від-повідає усталеному перевищенню температури

Якщо машину ввімкнути після відносно довгого перебуван-ня у вимкненому стані, то рівняння нагріву матиме вигляд:

(3.6)

Коли ж машина вимикається з мережі, то відбувається її охолодження до температури навколишнього середовища за експо-ненціальним законом:

(3.7)

де – температура нагрітої машини.

Рис.3.1. Криві нагріву та охолодження електричних машин.

Для електричних машин різних потужностей величина Т = = (0,3-2) години, для мікромашин Т = (3-10) хвилин.

У процесі роботи електричної машини відбуваються необо-ротні зміни ізоляції, які називають старінням ізоляції. У першу чергу змінюються механічні властивості ізоляції, вона стає крихк-ою і утворюються тріщини, що понижує її електричну міцність.

Головними причинами старіння ізоляції є температура. Висока температура викликає окислення складових частин ізоляції. Тому для забезпечення заданого терміну служби електричних мА-шин температура нагріву окремих її частин повинна бути обмеже-на. Експериментальні дослідження показали, що термін служби ізоляції в роках може визначатись за формулою:

(3.8)

де K і α – коефіцієнти, що залежать від класу ізоляції; – темпера-тура, ⁰С.

З цієї формули випливає, що із збільшенням температури різко скорочується термін служби ізоляції. Наприклад, для ізоляції класу А (α = 0,088, К = 71500) при температурі 95⁰С термін служби ізоляції t_із = 16 років; при Т = 110 ⁰С термін служби ізоляції скорочується до декількох днів. Для орієнтовних розрахунків прий-мають, що підвищення температури приблизно на 10 ⁰С знижує термін служби ізоляції класу А у два рази.