Различных частотах

б)

в)

а)

Рнс. 6-21. Схематическое изображение строения жидких кристаллов: а — нема­тический (от греческого нитевидный), у которого молекулы расположены парал­лельно друг другу, но их продольные СДВИ­ГИ беспорядочны; б — смектический (от греческого — мыло), у которого молеку­лы расположены слоями; в — холестери­ческий, у которого молекулы расположе­ны слоями, винтообразно повернутыми от­носительно друг друга по вертикальной

оси

минают вязкие жидкости, но при этом проявляют анизотропию опти­ческих, электрических и магнитных свойств. Жидкие кристаллы начали исследовать еще в 1888 г., когда австрийский ботаник Ф. Рай- нитцер заметил, что бензойнокислый холестерин из состояния твер­дого (очень вязкого) при 145 °С переходит в мутную жидкость, кото­рая при температуре 179 °С просветляется и становится прозрачной. Вещества с подобным изменением состояний в зависимости от температуры получили название термотропных жидких кристаллов. Примером такого вещества может служить параазоксианизол строе­ния:

Кроме термотропных различают лиотропные жидкие кристаллы, представляющие собой растворы мыла в воде и некоторых органи­ческих веществ в дихлорэтане и других полярных растворителях.

Анизотропия и связанные с этим особенности свойств жидких кристаллов обусловлены закономерностями в расположении моле­кул, по которым их подразделяют на нематические, смектические, холестерические. На рис. 6-21 показано расположение молекул в этих разновидностях жидких кристаллов. В практике жидкие кристаллы используют в виде тонких пленок.

Жидкие кристаллы весьма чувствительны (десятые доли градуса) к температуре и при этом меняют свою окраску. Подбирая различные по составу вещества, можно получить индикаторы в пределах тем­пературы —204-+250 ^СС. Они также сильно реагируют на изменения напряженности электрического и магнитного полей, изменяя при этом свою прозрачность и другие оптические характеристики, что используется в технике. Анизотропия электропроводности жидких кристаллов связана с анизотропией их вязкости, определяющейся закономерностями в расположении молекул. Большое число свето­вых эффектов, таких, как поворот плоскости поляризации луча, двойное лучепреломление, спектральное изменение поглощения н отражения «световая память», делает их интересными и для приме­нения в оптике. Жидкие кристаллы реагируют также и на пары различных химических веществ. При использовании жидких кри­сталлов в качестве световых индикаторов следует помнить, что они

требуют внешнего освещения, а индикация может зависеть от угла зрения. Большая чувствительность к различным энергетическим воздействиям обязывает не забывать о соотношениях сигнал-помеха. Как и во всех органических материалах, в жидких кристаллах на­блюдаются процессы старения.

6-12. ВОЛОКНИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

В электротехнике весьма широко применяются волокнистые ма­териалы, т. е. материалы, которые состоят преимущественно (или целиком) из частиц удлиненной формы —волокон. В некоторых материалах, а именно в текстильных, волокнистое строение совер­шенно очевидно. В других волокнистых материалах, таких, как дерево, бумага, картон, волокнистое строение может быть изучено с помощью микроскопа при небольшом увеличении.

Преимущества многих волокнистых материалов: дешевизна, до­вольно большая механическая прочность и гибкость, удобство об­работки. Недостатками их являются невысокие электрическая проч­ность и теплопроводность (из-за наличия промежутков между волок­нами, заполненными воздухом); гигроскопичность — более высокая, чем у массивного материала того же химического состава (так как развитая поверхность волокон легко поглощает влагу, проникающую в промежутки между ними). Свойства волокнистых материалов могут быть существенно улучшены путем пропитки (см. § 6-10) —ВОТ почему эти материалы в электрической изоляции обычно применякт в пропитанном состоянии.

Большая часть волокнистых материалов —органические ве­щества. К ним принадлежат материалы растительного происхожде­ния (дерево, хлопчатобумажное волокно, бумага и прочие материалы, состоящие в основном из целлюлозы) и животного происхождения (шелк, шерсть), искусственные волокна, получаемые путем химиче­ской переработки природного волокнистого (в основном целлюлоз­ного) сырья и, наконец, приобретающие особо важное значение в последнее время синтетические волокна, изготовляемые из синте­тических полимеров.

Целлюлозные волокнистые материалы имеют сравнительно боль­шую гигроскопичность, что связано как с химической природой целлюлозы, содержащей большое число полярных гидроксильных групп (см. ее структурную формулу на стр. 125), так и особенно­стями строения растительных волокон, а также невысокую нагре- востойкость (в непропитанном состоянии —класс У, а в пропитан­ном — А, см. стр. 82). Некоторые искусственные, и в особенности синтетические, волокнистые материалы имеют значительно меньшую гигроскопичность и повышенную нагревостойкость по сравнению с целлюлозными материалами.

В тех случаях, когда требуется особо высокая рабочая темпера­тура изоляции, которую органические волокнистые материалы обеспечить не могут, применяют неорганические волокнистые ма­териалы — на основе стеклянного волокна и асбеста (§ 6-16 и 6-19).

ДЕРЕВО

Благодаря своей распространенности, дешеЕизне и легкости механической обработки дерево явилось одним из первых электроизоляционных и конструкцион­ных материалов, получивших применение в электротехнике. Дерево обладает не­плохими механическими свойствами, в особенности если учесть его легкость: проч­ность дерева, отнесенная не к геометрическим размерам, а к массе, не ниже, чем у стали. Более тяжелые породы деревьев прочнее, чем более легкие. Прочность дерева в различных направлениях различна: прочность поперек волокон меньше, чем вдоль; плохо работает дерево на раскалывание вдоль волокон.

Недостатки дерева: 1) высокая гигроскопичность, обусловливающая резкое сни­жение электроизоляционных свойств дерева при его увлажнении, а также коробле­ние и растрескивание деталей, изготовленных из влажного дерева, при его высу­шивании (вследствие того, что влажное дерево при сушке дает уменьшение размеров, неодинаковое в различных направлениях); 2) нестандартность свойств дерева даже одной и той же породы; неоднородность свойств образцов дерева в зависимости от направления их выпиливания, наличие сучков и других дефектов; 3) низкая нагрево- стойкость, а также горючесть.

Свойства дерева улучшаются при его пропитке льняным маслом, различными смолами и т. д. Для плотных пород дерева (наиболее широко в электротехнике применяется береза, бук и граб) увеличение массы при пропитке составляет 60— 70 %. Пропитку дерева следует производить только после окончания всей механи­ческой обработки (распиловки, сверления и пр.). Наиболее интенсивно дерево всасывает влагу вдоль волокон, и поэтому торцы досок должны быть защищены особенно тщательно, их следует после пропитки дополнительно лакировать. Если деревянные детали предназначаются для работы в трансформаторном масле, то их после сушки пропитывают тем же маслом.

Дерево в электротехнике применяется для изготовления штанг приводов разъ­единителей и масляных выключателей, рукояток рубильников, опорных и крепеж­ных деталей трансформаторов высокого и низкого напряжения, пазовых клиньев электрических машин, фанерного шпона для производства клееных материалов, деревянных опор линий электропередачи и связи и т. п.

БУМАГА И КАРТОН

Бумага и картон — это листовой или рулонный материал коротковолокнистого строения, состоящий в основном из целлюлозы. Для производства бумаги обычно применяют древесную целлюлозу. В состав древесины помимо целлюлозы и воды входят различные вещества, которые рассматриваются как примеси: лигнин (при­дающий древесине хрупкость), смолы (особенно в древесине хвойных пород), соли и др. Для удаления примесей размельченная в щепу древесина подвергается варке в котлах, содержащих водные растворы щелочей или кислот, которые переводят в растворимые в воде соединения; затем целлюлоза тщательно отмывается водой от примесей. Обычная писчая и печатная бумага, в том числе и бумага, на которой напечатана настоящая книга, изготавливаются из сульфитной целлюлозы, получен­ной в результате варки древесины в растворе, содержащем сернистую кислоту Н₂80₃; такая целлюлоза в процессе ее изготовления легко приобретает белый цвет.

При изготовлении же бумаги, применяемой в качестве электрической изоляции, а также особо прочной упаковочной и тому подобной бумаги применяется суль­фатная и натронная целлюлоза, получаемая путем варки древесины в растворах, содержащих едкий натрий №ОН. Щелочная целлюлоза обычно не отбеливается и сохраняет желтоватый цвет, обусловленный неудаленными красящими веществами древесины. Щелочная целлюлоза дороже сульфитной. Однако, поскольку в процессе щелочной варки исходная целлюлоза древесины в меньшей мере подвергается де­струкции (разрушению макромолекул) и сохраняет более высокую молекулярную массу и длину волокон, чем в процессе кислотной варки, щелочные бумаги имеют более высокую механическую прочность и более стойки к тепловому старению, что для технических бумаг, в частности электроизоляционных, чрезвычайно важно. Для изготовления бумаги механически обработанная (размолотая) целлюлоза с боль­шим количеством воды отливается сплошным слоем на движущуюся бесконечную сетку бумагоделательной машины. При удалении воды сквозь ячейки сетки, уплот­нении и сушке при пропускании между стальными валками, некоторые из которых

Рис. 6-22. Разрывающее усилие кабельной бумаги марки К-080 толщиной 80 мкм для полоски шириной 15 мм в на­правлении вдоль рулона (кривая I) и поперек рулона (кри­вая 2) в зависимости от относительной влажности возду­ха ф

и

в го *0 во во 100%

меют обогрев, получается бумага в виде рулона. Проч­ность бумаги при растяжении больше в направлении вдоль рулона, т. е. вдоль длины сеткн бумажной машины, чем поперек, так как вероятность ориентации волокон вдоль рулона больше, чем поперек него. Прочность также сильно зависит от влажности бумаги: как слишком сухая, так и увлажненная бумага имеет пониженную механическую прочность (рис. 6-22).

Кабельная бумага согласно ГОСТ 645—77 выпус­кается различных марок, обозначаемых буквами К, КМ, КВ, КВУ, КВМ и К.ВМУ (эти буквы обозначают: К — кабельная, М — многослойная, В — высоковольтная, У — уплотненная) н цифрами от 15 до 240 (обозначающими номинальную толщину бумаги — от 15 до 240 мкм). Бумаги марок К н КМ применяются для силовых кабелей напряже­нием до 35 кВ, КВ н КВУ — 35 кВ и выше, КВМ и КВМУ — 110 кВ и более. Объемная масса неуплотненных кабельных бумаг двух различных марок составляет

1. 76 или 0,87 Мг/м⁸, а уплотненных бумаг 1,09—1,10 Мг/м⁹. Уплотненные бумаги, пропитанные нефтяным маслом, имеют более высокую диэлектрическую .проница­емость (примерно 4,3), чем неуплотненные (примерно 3,5). В связи с этим в кон­струкциях кабелей на напряжение выше 35 кВ используется следующая комбина­ция уплотненных и неуплотненных бумаг: ближайшие к жиле слон ее выполняются из уплотненной бумаги, а последующие слои — из неуплотнениой, поэтому при удалении от жилы е, изоляции уменьшается, что (имеется в виду работа кабеля при переменном напряжении) обеспечивает более равномерное распределение напря­женности электрического поля в изоляции.

В бумажной изоляции силового кабеля слабыми местами — очагами развития пробоя — являются зазоры между отдельными лентами бумаги в каждом повиае. В кабелях с вязкой пропиткой (например, масляно-канифольным компаундом, стр. 133) в эксплуатации после многократных последовательных нагревов и охла­ждений кабеля часть зазоров, ближайших к жиле, оказывается не заполненной про­питочным компаундом. В этих зазорах возникает ионизация, разрушающая как компаунд, так и бумагу и способствующая постепенному прорастанию ветвистого разряда от жилы к свинцовой оболочке кабеля. Старение кабельной изоляции заставляет принимать для кабелей с вязкой пропиткой невысокую рабочую (дли­тельную) напряженность электрического поля, равную 3—4 МВ/м. Кабели такого типа используют лишь при сравнительно небольших рабочих напряжениях, не превышающих 35 кВ. При более высоких напряжениях применяют масло- и газо­наполненные кабели, в которых рабочая напряженность поля доходит до 10— 12 МВ/м.

Телефонная бумага марок КТ и КТУ согласно ГОСТ 3553—73 имеет толщину 50 мкм. Объемная масса телефонных бумаг должна быть малой (не более 0,80—

1. 82 Мг/м³), чтобы уменьшить емкость изоляции телефонных кабелей (в этих ка­белях, работающих при сравнительно низком напряжении, бумага находится в не- пропитанном состоянии). Телефонная бумага выпускается как натурального цвета (желтоватого, свойственного сульфатной целлюлозе), так и окрашенной в красный, синий или зеленый цвет; различная расцветка служит для различения жил теле­фонных кабелей.

Пропиточная бумага марок ЭИП-50, ЭИП-63 и ЭИП-75 (числа обозначают массу 1 м^а бумаги в граммах; толщины этих бумаг 0,09; 0,11 и 0,13 мм соответ­ственно) употребляется для изготовления листового гетинакса (стр. 152).

Намоточная бумага марок ЭН-50 и ЭН-70 (числа обозначают номинальную тол­щину в микронах) — более тонкая и плотная по сравнению о пропиточной.

Конденсаторная бумага — весьма важный и ответственный материал: в пропи­танном виде она используется как диэлектрик бумажных конденсаторов. Выпу­скается двух видов: КОН — обычная конденсаторная бумага и силкон — бумага

для силовых конденсаторов. По объемной массе различают марки: 0,8 (только сил- кон), I и 2. Бумаги марки 0,8 имеют объемную массу около 0,8 Мг/м³; марки I— 1,0 Мг/м³ и марки 2— от 1,17 до 1,25 Мг/м³. Номинальные толщины различных марок этих бумаг — от 4 до 30 мкм. Конденсаторная бумага выпускается в рулонах (бобинах) шириной от 12 до 750 мм. Помимо механических свойств, химического состава (так, «разрывная длина» должна быть не менее 8000—8500 м, зольность — не более 0,4 % для бумаг КОН и не более 0,3 % для бумаг силкон) ГОСТ норми­рует электроизоляционные свойства, в том числе наибольшее число токопроводящих включений (от 5 включений на 1 м² для бумаги силкон-1 толщиной 30 мкм до 1800 включений на 1 м² для бумаги КОН-2 толщиной 4 мкм) и наименьшее пробивное напряжение (от 240 В для бумаги КОН-2 толщиной 4 мкм до 600 В для бумаги силкои-1 толщиной 30 мкм).

Малая толщина конденсаторной бумаги позволяет получить высокую удельную (на единицу объема) емкость конденсатора, поскольку в первом приближении, при невысоких рабочих напряжениях удельная емкость обратно пропорциональна ква­драту толщнны диэлектрика.

Как уже отмечалось, бумага используется в конденсаторе в пропитанном со­стоянии. Поэтому весьма важно иметь расчетные формулы, позволяющие определить электроизоляционные свойства (е_г, и £_Пр) пропитанной бумаги, исходя из заданных свойств бумаги и пропиточного состава. Такие (|юрмулы получил В. Т. Ренне, исходя из эквивалентной схемы диэлектрика, предусматривающей последовательное соединение слоев целлюлозы, пропиточной массы и воздуха, оставшегося при пропитке в порах бумаги.

Приведем лишь одну из формул Рение, определяющую диэлектрическую про­ницаемость пропитанной бумаги:

е_г ^2 . ₍₆.₀

* (1 — У) ~ + * — 1) + 1

^Ьг1

Здесь обозначено: е_Т1 — диэлектрическая проницаемость пропиточной массы; е_г2 = 6,6 — диэлектрическая проницаемость целлюлозы; де = 1 — р₁/р₂ — объемное содержание пор в непропитанной бумаге (р! — объемная масса сухой непропитанной бумаги, р₂ = 1,55 Мг/м^а — плотность целлюлозы); у — объемная усадка пропиточ-

ной массы при ее застывании или отверждении.

При пропитке жидким диэлектриком, полностью вытесняющим воздух из пор

5)

*)

9

8

7

6,6

6

5

4

3

2

80%

0 2 4 6 8 10 12 0 2 4

€г
				т
					%

еГ			Р=	0,8Мф*
					>/ I2
■—		—
			I I
1Л-			I
	Г0,8		I I
Г/			I |		£г!

10 12

вер

Рис. 6-23 Рис. 6-24

Рис. 6-23. Зависимости диэлектрической проницаемости е,. пропитанной конден­саторной бумаги от диэлектрической проницаемости е_п пропиточной массы: а — влияние типа массы; б — влияние плотности бумаги при пропитке жидкой массой

1 — жидкая масса; 2 — твердая масса с усадкой 10 %

Рис. 6-24. Зависимости б обычной (кривая 1) и ацетилированной (кривая 2) бу­маги от относительной влажности воздуха <р при нормальной температуре

бумаги, формула (6-1) упрощается, так как в ней можно принять у = 0. Еще более упрощается формула (6-1) для расчета е_г сухой непропитанной бумаги, так как в этом случае не только у — 0, но и е_п = 1.

На рис. 6-23 представлено влияние диэлектрической проницаемости е_Г| про­питочной массы на диэлектрическую проницаемость пропитанной конденсаторной бумаги. Учитывая старение пропитанной бумаги при длительном воздействии элек­трического поля, рабочую напряженность для бумажных конденсаторов с жидкой пропиткой обычно принимают 25—35 МВ/м при постоянном напряжении и 12—