Церезин 1,5-10'19 Полистирол 6,2-10"1?1- Триацетат целлюлозы . . . 2,ь10-в

Для уменьшения гигроскопичности и влагопроницаемости пори­стых изоляционных материалов широко применяется их пропитка. Необходимо иметь в виду, что пропитка целлюлозных волокнистых материалов и других органических диэлектриков лишь замедляет увлажнение материала, не влияя на удельное объемное сопротивле­ние после длительного воздействия влажности. Это объясняется тем, что молекулы пропиточных веществ, имеющие весьма большие раз­меры по сравнению с размерами молекул воды, не в состоянии соз­дать полную непроницаемость пор материала для влаги, а в наиболее мелкие поры пропитываемого материала они вообще не могут про­никнуть.

При длительном использовании электроаппаратуры, особенно в тропических условиях, на органических диэлектриках развивается плесень. Появление плесени уменьшает удельное поверхностное сопротивление диэлектриков, приводит к росту потерь, может снизить механическую прочность изоляции и вызвать коррозию со­прикасающихся с ней металлических частей. Плесень развивается чаще всего в канифоли, масляных лаках, целлюлозных материалах, в том числе и в пропитанных (гетинакс, текстолит). Наиболее стой­кими к образованию плесени являются неорганические диэлектрики; керамика, стекло, слюда, кремнийорганические материалы и неко­торые органические, например эпоксидные смолы, фторопласт-4, полиэтилен, полистирол.

В тропиках приходится считаться с опасностью повреждения электрической изоляции, кабельных оболочек насекомыми (терми­тами) и животными. В некоторых случаях весьма опасны для электро­изоляционных и других материалов даже транспортировка и хра­нение на складах.

Испытывая на тропикостойкость, электроизоляционные мате­риалы и различные электротехнические изделия длительно выдер­живают при температуре 40—50 °С в воздухе, насыщенном парами воды, и при воздействии культур плесневых грибков (точные усло­вия этих испытаний установлены Международной электротехниче­ской комиссией), после чего определяется степень ухудшения элект­рических и других свойств исследуемых образцов и отмечается ин­тенсивность роста плесени на них.

С целью улучшения плесенестойкости органической электриче­ской изоляции в ее состав вводят добавки фунгицидов, т. е. веществ, ядовитых для плесневых грибков и задерживающих их развитие, или же покрывают изоляцию лаком, содержащим фунгициды. Имеется большое число рецептур фунгицидов, пригодных для введения в те или иные электроизоляционные материалы. К числу сильно дейст­вующих фунгицидов принадлежат, в частности, некоторые органи­ческие соединения, содержащие азот, хлор, ртуть.

Поскольку детали нз электроизоляционных материалов подвергаются воздей­ствию механических нагрузок, большое практическое значение имеют механическая прочность этих материалов и способность их не деформироваться под действием механических напряжений.

Прочность при растяжении, сжатии и изгибе. Простейшие вилы статических механических нагрузок — растягивающих, сжимающих и изгибающих — изучаются на основании элементарных закономерностей, известных из курса прикладной механики (сопротивления материалов).

Значения пределов прочности при растяжении а_р, сжатии о_с и изгибе а_и в си­стеме единиц СИ выражаются в паскалях (1 Па = 1 Н/м* т 10'“ К1с/см^г).

Для электроизоляционных материалов анизотропного строения (слоистых, волокнистых) значения механической прочности сильно зависят от направления приложения нагрузки. Важно отметить, что для некоторых диэлектриков (стекло, керамические материалы, многие пластмассы) предел прочности при сжатии значи­тельно больше, чем при растяжении и изгибе (в то время как у металлов а_р, а_с и а_и имеют один и тот же порядок). Так, иапример, у кварцевого стекла при сжи­мающих напряжениях можно получить а₀ « 200 МПа, а при растяжении о_п « «г 50 МПа. ^Р

Механическая прочность ряда диэлектриков сильно зависит от площади по­перечного сечения образцов.

Предел прочности стеклянного волокна увеличивается при уменьшении его диаметра, при диаметрах порядка 0,01 мм он становится равным пределу прочности бронзы (см. § 6-16).

Механическая прочность электроизоляционных м териалов сильно зависит от температуры, как правило, уменьшаясь с ее ростом (рис. 5- 5). Прочность гигро­скопичных материалов нередко существенно зависит от влажности.

О пределение предела прочности и относительной деформации при разрушении дает некоторое представление о механической прочности материала и его способ­ности деформироваться под нагрузкой (о пластических свойствах материала). Однако эти испытания еще не дают исчерпывающих сведений о поведении материала под действием механической нагрузки. Так, некоторые материалы (в особенности термо­пластичные) способны деформироваться при длительном воздействии. Это так назы­ваемое пластическое, или холодное, течение материала. Пластическое течение весьма нежелательно, если изделие в эксплуатации должно длительно сохранять неизмен­ными форму и размеры. При повышении температуры и приближении ее к темпера­туре размягчения данного материала пластическое течение материала сильно уве­личивается.

Рис. 5*5 Рис. 5-6

Рис, 5-5. Зависимость от температуры предела прочности при растяжении полиэти­лена низкой плотности

I — необлученяый материал; 2 — облученный материал

Рис. 5-6. Зависимость относительного удлинения.при растяжении от удельной на- грузки для керамики (кривая /) и металла (кривая 2)

Рис. 5-7. Зависимость вязкости жидкости от температур ы _i

В некоторых случаях большое практическое значе­ние имеют хрупкость, вязкость и другие механические характеристики электроизоляционных материалов.

Хрупкость — способность разрушаться без заметной пластической деформации. Хрупкость зависит от струк­туры материала я условий испытания; увеличивается при увеличении скорости нагружения и при понижении температуры, при повышении степени концентрации на­пряжений. Хрупкость материала, наблюдающаяся только при ударных нагрузках, называется ударной хрупкостью. L Многие материалы хрупки, т. е. обладая сравнительно ^и высокой прочностью по отношению к статическим нагрузкам, в то же время легко разрушаются динамическими (внезапно прилагаемыми) усилиями.

Из рис. 5-6 следует, что у керамики предел упругости и предел прочности при статическом растяжении практически совпадают, а у металла перед разруше­нием обнаруживается пластическое течение.

Распространенный прием для оценки способности материала выдерживать динамические нагрузки (хрупкости материала) — испытание на ударный ивгиб (определение ударной вязкости). Ударная вязкость а_уд материала — это затрачен­ная на излом образца энергия IF, отнесенная к площади поперечного сечения об­разца S. Ударная вязкость в системе СИ измеряется в Дж/м² (1 Дж/м^а fa 10 ⁹ кге X X см/см²).

Очень высокой ударной вязкостью обладает полиэтилен, у которого о_уд пре­вышает 100 кДж/м², для керамических материалов и микалекса а_уд составляет всего 2—5 кДж/м².

В некоторых случаях проверяют способность электроизоляционных материалов выдерживать без разрушения длительное воздействие вибраций, т. е. повторя­ющихся колебаний определенной частоты и амплитуды. Такая проверка чаще всего производится на готовых изделиях, которые для этой цели крепятся на платформах (вибростендах), подвергающихся вибрациям по заданному режиму от соответству­ющего приводного механизма. Определение вибропрочности важно, например, для оценки изоляции ракетного и самолетного электрооборудования.

Вязкость. Для жидких и полужидких электроизоляционных материалов, ма­сел, лаков, заливочных и пропиточных компаундов важной механической характе­ристикой является вязкость. Вязкость (внутреннее трение) — свойство жидкостей и газов оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. Количественно вязкость характеризуется значением величины щ, называемой коэ!р- фициентом динамической вязкости, или коэффициентам, внутреннего трения. Вяз­кость представляет собой величину, входящую во многие законы гидродинамики вязких сред, а именно в закон Пуазейля — истечения вязких жидкостей через капиллярные трубки, в закон Стокса — движения шарика в вязкой среде под дей­ствием небольшой постоянной силы [см. формулу (2-6)]. Динамическая вязкость П в системе СИ измеряется в паскалях, умноженных на секунды, а в системе СГС — в сантипуазах:

1 Па-с = 10 П= 1000 сП.

Кинематическая вязкость v равна отношению динамической вязкости жидкости к ее плотности р:

v = ц/ р. (5-3)

В системе СИ кинематическая вязкость измеряется в м²/с, а в системе СГС в сто- ксах (1 м*/с = WCt).

Вязкость всех веществ, не претерпевающих при нагреве химических изменений, сильно уменьшается с повышением температуры (рис. 5-7).

Как правило, закон изменения вязкости с температурой соответствует уравне­нию экспоненты

ч = A exp WlkT, (5-4)

где Л — постоянная, характеризующая данную жидкость; W — энергия активации, равная работе перехода молекулы из одного устойчивого положения в другое.

К важнейшим тепловым свойствам диэлектриков относятся на- гревостойкость, холодостойкость, теплопроводность и тепловое рас­ширение.

Нагревостойкость. Способность диэлектрика выдерживать воз­действие повышенной температуры в течение времени, сравнимого со сроком нормальной эксплуатации, без недопустимого ухудшения его свойств. В зависимости от значений допустимых в эксплуатации температур диэлектрики различают по классам нагревостойкости. Нагревостойкость неорганических диэлектриков определяют, как правило, по началу существенного изменения электрических свойств, например, по заметному росту tg б или снижению удельного электри­ческого сопротивления. Нагревостойкость оценивают соответству­ющими значениями температуры, при которой появились эти изме­нения. Нагревостойкость органических диэлектриков часто опре­деляют по началу механических деформаций растяжения или из­гиба, погружению иглы в материал под давлением при нагреве. Од­нако и для них возможно определение нагревостойкости по электри­ческим характеристикам.

В качестве примера давно существующего способа оценки нагревостойкости электроизоляционных материалов можно отметить способ Мартенса. По этому спо­собу нагревостойкость синтетических веществ органического происхождения (пласт­масс) характеризуют таким значением температуры, при котором изгибающее напря­жение, равное 5 МПа, вызывает заметную деформацию испытуемого образца. При этом скорость повышения температуры должна составлять около 1 К/мин. Как видим, метод Мартенса является условным методом определения кратковременной нагревостойкости по изменению механических свойств материала. Для различных диэлектриков по этому методу получаются следующие численные значения нагрево- стойкости:

Полистирол . . . 70—85 °С Гетинакс .... 150—180 °С

Существуют другие способы оценки температуры размягчения электроизоля­ционных материалов, например способ кольца и шара. Испытуемый материал (битум или другие подобные ему пластичные легкоплавкие вещества) заливают в метал­лическое кольцо и помещают на него стальной шарик определенного диаметра; отмечается температура, при которой испытуемый материал настолько размягчается, что шарик может его продавить и пройти сквозь кольцо. Легко видеть,, что этот способ определения температуры размягчения условный, так как форма и размеры образца, характер и значение механической нагрузки, скорость возрастания темпе­ратуры и предельные деформации выбираются произвольно.

Температурой вспышки называют температуру жидкости, при нагреве до ко­торой смесь паров ее с воздухом вспыхивает при поднесении к ней небольшого пла­мени. Температура воспламенения — еще более высокая температура, при которой при поднесении пламени испытуемая жидкость загорается.

Эти характеристики представляют особый интерес при оценке качества транс­форматорного масла, а также растворителей, применяемых в производстве электро­изоляционных лаков.

Наивысшая допустимая рабочая температура определяется на основании тщательного изучения кратковременной и длительной нагревостойкости материала с учетом коэффициента запаса, завися­щего от условий эксплуатации, необходимой степени надежности и срока службы изоляции.

V

400

300

200

150

100

г

л-

Рис. 5-8. Зависимость продолжительности старе­ния т пленок до появления трещин при изгибе от температуры масляно-битумного лака (кривая 3), кремнийорганического лака (кривая 2) и полиимид- ного лака (кривая 1)

Н

50

10

■«Г

1В 17 18 19 20 21 22 23 2*ь К'¹

300 250 220 т М°С

(5-5)

еобратимое ухудшение качества изо­ляции лишь при длительном воздействии повышенной температуры вследствие мед­ленно протекающих химических процес­сов называется тепловым старением изо­ляции. Старение может проявляться, например, у лаковых пленок и целлю­лозных материалов в виде повышения твердости и хрупкости, образования тре­щин и т. п. Дл япроверки стойкости элек­троизоляционных материалов к тепловому старению образцы этих материалов дли­тельно выдерживают при сравнительно не­высокой температуре, не вызывающей немедленного разрушения мате­риала, а затем их свойства сравнивают со свойствами исходного ма­териала. При прочих равных условиях скорость теплового старения органических и элементоорганических полимеров значительно воз­растает с повышением температуры, подчиняясь общим закономер­ностям температурного изменения скорости химических реакций (теория Аррениуса—Эйринга). Продолжительность старения т (считая, например, от момента начала снижения механической прочности до момента получения заданной доли ее начального значе­ния) связана с температурой старения Т следующей зависимостью:

1п Т —

где Л и Б — величины, постоянные для данного материала и дан­ных условий теплового старения.

Таким образом, зависимость т (в логарифмическом масштабе) от величины, обратной температуре старения, должна выражаться прямой линией (рис. 5-8). В большинстве случаев наклон этих прямых таков, что уменьшение вдвое продолжительности старения х соответствует повышению температуры старения в среднем на 10 К. Аналогичные зависимости наблюдаются для срока жизни (т. е. про­должительности работы до выхода из строя) изоляции электрических машин и других электроизоляционных конструкций.

Помимо температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать изменение давления воздуха или концентрации кисло­рода, присутствие озона, являющегося более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоря­ющих или замедляющих старение. Тепловое старение образца ускоряется под действием ультрафиолетовых лучей, электрического поля, механических нагрузок и т. п.

Возможность повышения рабочей температуры изоляции для практики чрезвычайно важна. В электрических машинах и аппаратах повышение нагревостойкости, которая обычно определяется нагрево- стойкостью электрической изоляции, позволяет получить более высокую мощность при неизменных габаритах или же при сохра­нении мощности достичь уменьшения габаритных размеров и стои­мости изделия. Повышение рабочей температуры особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрообору­дования и других передвижных устройств, где, в первую очередь, необходимо уменьшить массу и габаритные размеры. С вопросами о допустимой температуре тесно связаны меры пожарной безопас­ности и взрывобезопасности (масляные хозяйства электрических под­станций, электрооборудование для нефтяной и угольной промышлен­ности и др.). Наконец, в электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в осветительных устрой­ствах, электронных и ионных приборах значительной мощности высокая рабочая температура электрической изоляции определяется особенностями работы всего устройства.

ГОСТ 8865—70 предусматривает в соответствии с рекомендаци­ями Международной электротехнической комиссии разделение элект­роизоляционных материалов для электрических машин, трансфор­маторов и аппаратов на классы нагревостойкости, для которых фик­сируются наибольшие допустимые рабочие температуры при исполь­зовании этих материалов в электрооборудовании общего применения, длительно (в течение нескольких лет) работающего в нормальных для данного вида электрооборудования эксплуатационных условиях:

Класс нагревостойкости Y А Е В F Н С

Наибольшая допустимая рабочая тем­пература, °С 90 105 120 130 155 180 >180

При указанных температурах обеспечиваются технико-экономи­чески целесообразные сроки службы электрооборудования. В осо­бых случаях (электрооборудование с весьма коротким сроком служ­бы) возможно некоторое повышение рабочих температур соответ­ствующих электроизоляционных материалов по сравнению с при­веденными.

К классу Y относятся волокнистые материалы на основе целлю­лозы и шелка (пряжа, ткани, ленты, бумаги, картоны, древесина), если они не пропитаны и не погружены в жидкий электроизоляцион­ный материал.

К классу А относятся те же самые органические волокнистые ма­териалы, будучи пропитанными лаками, либо компаундами, или же погруженными в жидкий электроизоляционный материал, т. е. за­щищенными от непосредственного соприкосновения с кислородом воздуха, который ускоряет тепловое старение материалов (провод с хлопчатобумажной изоляцией в пропитанной лаком обмотке элект- трической машины или же в погруженной в электроизоляционное масло обмотке маслонаполненного трансформатора; лакоткани на хлопчатобумажной или шелковой основе и масляных или битумно­

масляных лаках; лакобумаги на тех же лаках). К классу А отно­сятся также полиамидные пленки, литые полиамидные смолы, изо­ляция эмаль-проводов на масляно-смоляных и поливинилацетале- вых лаках и т. п.

К классу Е принадлежат пластические массы с органическим на­полнителем и термореактивным связующим типа фенолформальде- гидных и подобных им смол (гетинакс, текстолит, пресс-порошки с наполнением древесной, мукой), полиэтилентерефталатные пленки, эпоксидные, полиэфирные и полиуретановые смолы и компаунды, изоляция эмалированных проводов на полиурегановых и эпоксидных лаках и т. д. Таким образом, к классам нагревостойкости У, А и Е относятся главным образом чисто органические электроизоляцион­ные материалы.

В класс В входят материалы, для которых характерно большое содержание неорганических компонентов, например щепаная слюда, асбестовые и стекловолокнистые материалы в сочетании с органиче­скими связующими и пропитывающими материалами; таковы боль­шинство миканитов (в том числе с бумажной или тканевой органиче­ской подложкой), стеклолакоткани, стеклотекстолиты на фенол- формальдегидных термореактивных смолах, эпоксидные компаунды с неорганическими наполнителями и т. п.

К классу Р принадлежат миканиты, изделия на основе стекло­волокна без подложки или с неорганической подложкой, с примене­нием органических связующих и пропитывающих материалов по­вышенной нагревостойкости: эпоксидных, термореактивных поли­эфирных, кремнийорганических.

Материалы класса Н получаются при использовании кремний­органических смол особо высокой нагревостойкости.

К классу нагревостойкости С относятся чисто неорганические материалы, не содержащие склеивающих или пропитывающих органических составов (слюда, стекло и стекловолокнистые ма­териалы, кварц, асбест, микалекс, непропитанный асбоцемент, нагревостойкие (на неорганических связующих) миканиты и т. п.). Из всех органических электроизоляционных материалов к классу нагревостойкости С относятся только политетрафторэтилен (фторо­пласт-4) и материалы на основе полиимидов (пленки, волокна, изо­ляция эмалированных проводов и т. п.).

Вопрос об отнесении того или иного электроизоляционного материала или комбинации электроизоляционных материалов к определенному массу нагрево­стойкости требует длительных и трудоемких испытаний образцов материалов на тепловое старение в условиях, наиболее приближающихся к тем условиям, в которых эти материалы будут находиться в эксплуатации.

Для некоторых электроизоляционных материалов, в особенности хрупких (стекла, керамические материалы), весьма важна стойкость по отношению к резким сменам температуры (термоударам), в результате которых в материале могут обра­зовываться трещины.

В качестве примера определения нагревостойкости материала по электрическим свойствам могут быть использованы зависимости tg 6 от температуры, приведенные ¹¹³ рис. 3-8. Допустимый для материала или изделия температурный режим может определяться различными факторами. Например, из рис. 1-8 видно, что температура,

Материал	Ут- Вт/(м- К)	Материал	VI. Вт/(м-Ю
Воздух (в небольших		Плавленый кварц	1,25
зазорах)	0,05		1,6
Битумы	0,07	Стеатит	2,2
Бумага	0,10	Диоксид титана	6,5
Лакоткань	0,13	Кристаллический кварц . . .	12,5
Текстолит	0,25	Алюмооксид	30,0
Г етинакс	0,35	Оксид магния	36,0
Вода	0,58	Оксид бериллия	218,0

Таблица 5-1

п

Значения коэффициентов теплопроводности некоторых диэлектриков

ри которой наблюдается быстрый рост диэлектрической проницаемости, зависит И от частоты воздействующего иа диэлектрик электрического поля.

В результате испытаний устанавливается стойкость материала к тепловым воз­действиям, причем она в различных случаях может быть неодинаковой: например, материал, выдерживающий кратковременный нагрев до некоторой температуры, может оказаться неустойчивым по отношению к тепловому старению при длительном воздействии даже более низкой температуры и т. п Как указывалось, испытания на действие повышенной температуры иногда проводятся при одновременном воздей­ствии повышенной влажности воздуха (тропические условия) или электрического поля.

Холодостойкость. Во многих случаях эксплуатации изоляции, скажем, изоля­ции оборудования открытых подстанций, полевой аппаратуры связи, важна холодо­стойкость, т. е. способность изоляции выдерживать воздействие низких темпе­ратур (например, от —60 до —70°С) без недопустимого ухудшения ее свойств. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных мате­риалов улучшаются, однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся весьма хрупкими и жесткими, что создает затруднения для работы изоляции. Испытания электроизоляционных мате­риалов и изделий из них на действие низких температур нередко проводятся при одновременном воздействии вибраций.

Теплопроводность. Теплопроводность — один из видов переноса теплоты от более нагретых частей к менее нагретым, приводящий к выравниванию темпера­туры. Практическое значение теплопроводности объясняется тем, что теплота, вы­деляющаяся вследствие потерь мощности в окруженных электрической изоляцией проводниках в магнитопроводах, а также вследствие диэлектрических потерь в изо­ляции, переходит в окружающую среду через различные материалы. Теплопровод­ность влияет на электрическую прочность при тепловом пробое (см. § 4-5) и на стой­кость материала к импульсным тепловым воздействиям. Теплопроводность мате­риалов характеризуют коэффициентом теплопроводности 7_Т (табл. 5-1), входящим в уравнение Фурье:

Л^т = 7т-^-Л5, (5-6)

где ДР_Т — мощность теплового потока сквозь площадку Д5, нормальную к потоку; 11Т/(И — градиент температуры.

Значения 7_Т электроизоляционных материалов за исключением оксида бериллия меньше, чем большинства металлов. Наименьшими значениями 7т обладают по­ристые электроизоляционные материалы с воздушными включениями. При пропитке, а также при уплотнении материалов давлением Ут увеличивается. Как правило, кристаллические диэлектрики имеют более высокие значения Ут» чем аморфные. Кроме того, 7_Т зависит от температуры.