Глава 3. Твердая изоляция. Тепловой, электрический и ионизационный пробой твердой изоляции

§3.1. Твердая изоляция

Любое вещество, как известно, может находиться в газообразном, жидком или твердом состоянии. В твердом диэлектрике, как и вообще в твердом веществе, атомы и молекулы сильно сближены и плотно упакованы, что обеспечивает сохранность формы образца. Тепловое движение атомов проявляется в их колебаниях около положения равновесия. Твердые вещества, в частности диэлектрики, подразделяются на кристаллические и аморфные. Первые отличаются упорядоченным расположением атомов, образующих кристаллическую решетку. В аморфных телах атомы расположены хаотично.

Границы между рассматриваемыми состояниями вещества задаются критическими температурами плавления и газообразования, которые зависят от давления. Аморфные вещества не имеют резко выраженной температуры плавления. По мере повышения температуры аморфное твердое тело постоянно размягчается; обратный переход происходит также постепенно путем загустения жидкости.

Аморфное твердое тело с его неупорядоченной атомной структурой можно формально представить как переохлажденную жидкость. Существуют вещества типа смол и компаундов, которые занимают промежуточное положение между жидкостью и твердым телом: они сохраняют свою форму в течение некоторого промежутка времени, но растекаются в течение длительного времени под действием собственного веса.

Важнейшими характеристиками диэлектриков являются:

1. электрическая прочность при минутном испытании Е_пр (кВ/см);

2. относительная диэлектрическая проницаемость ;

3. тангенс угла диэлектрических потерь tg ;

4. удельное сопротивление , МОм см, или удельная проводимость , 1/(МОм см);

5. класс нагревостойкости, характеризующий максимальную длительную температуру допустимую для изоляции в эксплуатации.

Классы нагревостойкости приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Класс нагревостойкости	Y	A	E	B	F	H	C
Максимальная рабочая температура,	90	105	120	130	155	180	Выше 180

§3.2. 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.