книги из ГПНТБ / Цимберов, А. И. Стеклянные изоляторы

ш

товляется арматура, обеспечивает надежность работы изоляторов при резких колебаниях температуры.

В табл. 1-2 приведены основные характеристики сте­ кол, применяемых для изготовления изоляторов.

их электрофизических свойств, могут быть рекомендо­ ваны области их применения для изготовления изоля­ торов.

Из малощелочных стекол могут изготовляться изоля­ торы:

а) низковольтные отожженные; б) высоковольтные аппаратные и штыревые отож­

женные; в) высоковольтные, линейные подвесные, закаленные

всех типов на все виды нагрузок; г) высоковольтные, линейные подвесные, закаленные

всех типов для работы на линиях электропередачи по­ стоянного тока.

И

Из щелочных составов стекол изготовляются все ти­ пы закаленных изоляторов для линий электропередачи переменного тока. _

1-2. ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКОЛ

Основные физико-технические свойства стекол в зна­ чительной степени зависят от их состава и от режимов тепловой обработки, при этом абсолютные значения тех пли иных характеристик стекол различных марок колеблятся в широких пределах.

Плотность стекол. Наибольшей плотностью облада­ ют стекла с большим содержанием окиси свинца. Та­ кие стекла имеют плотность 6—8 г/см3. Плотность сте­ кол, используемых для производства изоляторов, нахо­ дится в пределах 2,4—2,6 г/см3. С повышением темпе­ ратуры плотность стекла уменьшается. Плотность за­ каленного стекла ниже, чем у отожженного.

Механическая прочность. Стекло, как все силикатные материалы, работает на изгиб и растяжение значитель­ но хуже, чем на сжатие. Прочность стекла па растяже­ ние ограничивает возможность использования его в раз­ личных конструкциях, в том числе и в электроизоляци­ онных. Предел прочности при растяжении отожженных стекол в зависимости от их химического состава ко­ леблется в пределах 350—900 кгс/см2. В то же время прочность стекла, рассчитанная теоретическим путем, исходя из сил межмолекулярного воздействия, почти в 200 раз выше. Объясняется это наличием мельчайших поверхностных дефектов, около которых концентриру­ ются напряжения. Со временем эти дефекты развива­ ются и приводят к разрушению стеклянных деталей. Поэтому, как доказывает У. Хоупвуд [Л. 8], при дли­ тельном приложении нагрузки предел прочности стекла может снизиться почти в 3 раза по сравнению с проч­ ностью, существующей при кратковременном нагру­ жении.

Повышение прочности стеклянных изделий дости­ гается путем полировки их поверхности или их химиче­ ской обработкой, которая позволяет устранить дефекты поверхности. Наиболее значительные результаты дает закалка стекла. Прочность закаленных стеклоизделий в 4—10 раз выше, чем этих же изделий в отожженном

12

состоянии. На повышении прочности стекла сказывает­

лежит в пределах 5—7. К наиболее твердым сортам сте­ кол относятся малощелочные боросиликатные с содер­ жанием В20з до 12%. Увеличение в составе стекла ще­ лочных окислов уменьшает их твердость.

Хрупкость стеклянных изделий зависит в основном от их формы, размеров и термической обработки. С уве­ личением толщины стенки изделия и степени его за­ калки ударная прочность возрастает. Введение в состав стекла окиси магния, кремнезема и борного ангидрида также увеличивает ударную прочность изделий.

Тепловые свойства. Теплоемкость стекла зависит от его химического состава и температуры. В среднем теп­ лоемкость различных составов стекол при комнатной температуре колеблется в пределах 0,3—1,05 кДжІ(кгХ. Х°С). Повышению теплоемкости, способствует введение в состав стекла окислов лития, натрия, магния. По­ вышение температуры приводит к повышению теплоем­ кости.

Теплопроводность стекол различных составов изме­ няется в небольших пределах {0,7—1,3 вт/(м-°С)]. Теплопроводность стекол пропорциональна их теплоем­ кости. Большое значение для определения практических свойств стекла имеет температурный коэффициент рас­ ширения. По его значению определяют термостойкость стекла, возможность соединения стеклянных деталей с металлом, керамикой и другими материалами. Темпе­ ратурный коэффициент (ТК) линейного расширения стекла в большой степени зависит от химического со­ става. Наиболее низкий ТК имеет кварцевое стекло (5,8 • 10-7°С-1) . Самый большой ТК у щелочных стекол, при этом ТК растет пропорционально количеству щелоч­ ных окислов, введенных в состав стекла. Так, щелочные стекла, применяемые для изготовления изоляторов, имеют ТК, равный (85-г-ЭО) • 10-7°С_1.

Термическая стойкость стеклянного изделия характе­ ризуется разностью температур, между которыми оно /может быть резко охлаждено без повреждения. Вполне

.понятно, что для стеклянных изоляторов, работающих на открытом воздухе, эта характеристика является одной из главных. При внезапном изменении темпер а-

13

туры в поверхностных слоях стекла возникают термиче­ ские напряжения, которые могут явиться причиной быст­ рого разрушения изделия. При резком нагреве эти напряжения носят сжимающий характер, а при охлаж­ дении— растягивающий. Так как стекла менее устой­ чивы к растягивающим усилиям, резкое охлаждение стеклодетален более опасно. Термостойкость стекла является функцией многих его свойств: температурного коэффициента расширения, упругости, прочности при растялеейии и др.

Приближенно термостойкость стекла может быть оценена коэффициентом термостойкости, который опре­ деляют по формуле

( 1- 1)

где Цр — предел прочности стекла при растяжении; а — температурный коэффициент линейного расшире­ ния; Е — модуль упругости; X— коэффициент теплопро­

висимости от состава) только температурный коэффи­ циент линейного расширения. Благодаря этому можно качественно определять термостойкость стекла, исходя из значения а. Как указывалось выше, наиболее низкий а имеет кварцевое стекло. Благодаря этому изделия из этого стекла, будучи нагретыми до красна, могут быть без опасения опущены в холодную воду. В то же время стекла с большим содержанием щелочных окис­ лов и большим а обладают наименьшей термостой­ костью. Промежуточное положение занимают малоще­ лочные стекла. Термостойкость стеклодеталей зависит также от толщины изделия: чем тоньше стенка стеклян­ ного изделия, тем выше его термостойкость. Термостой­ кость стекла может быть повышена путем закалки, т. е. резкого охлаждения разогретой до определенной темпе­ ратуры стеклянной детали. Во время этого процесса наружные слон стекла охлаждаются и твердеют значи­ тельно быстрее внутренних. Охлаждение и соответствен­ но усадка внутренних слоев происходят уже после обра­ зования жесткого «панциря» на поверхности стеклоде­ тали. Это приводит к образованию растягивающих

14

усилий во внутренних слоях стекла и сжимающих —

внаружных. Схематически распределение напряжений

впластине закаленного стекла представлено на рис. 1-1. Где-то в глубине стекла напряжение сжатия проходит

через нулевое значение и дальше начинают возрастать напряжения растяжения. В равновесном состоянии при

Рис. 1-1. Схема распределения внутренних напряже­ нии в листовом стекле.

нормальных температурах и при отсутствии механиче­ ских нагрузок внутренние напряжения растяжения пол­ ностью уравновешиваются напряжением сжатия в по­ верхностных слоях. Такое положение предварительного напряженного состояния позволяет стеклу противосто­

15

больше усилии сжатия, созданных в наружном слое стекла во время закалки. Таким же образом, ме­ ханическая нагрузка, действующая на стеклянную де­ таль, должна для ее разрушения превышать сумму на­ пряжений, созданных в наружном слое стекла во время закалки, и собственную механическую прочность стекла.

Разработанный в 1935 г. метод закалки стеклянных изделий сложной конфигурации нашел широкое приме­ нение в производстве стеклянных изоляторов. Подробно свойства закаленных стеклянных изоляторов и техноло­ гия закалки будут рассмотрены ниже.

1-3. ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТЕКОЛ

К диэлектрическим характеристикам стекла, характе­ ризующим его как материал для производства изолято­ ров, должны быть отнесены: проводимость, диэлектриче­ ская проницаемость, диэлектрические потери и электри­ ческая прочность.

Рассматривая диэлектрические свойства стекла, не­ обходимо отметить, что наиболее подробно' с этой точки зрения изучены стекла щелочных составов. Диэлектри­ ческие свойства стекол малощелочных составов и влия­ ние на эти свойства различных факторов изучены в зна­ чительно меньшей степени. Поэтому в настоящей главе в основном описываются электрические свойства щелоч­ ных стекол и их зависимость от состава, температуры, вида электрического поля и т. д.

Электропроводность. Электрический ток возникает в любом веществе под воздействием прилагаемого элек­ трического напряжения. При этом действие сил элек­ трического поля вызывает упорядоченное движение за­ ряженных частиц этого вещества, так называемых носителей тока. Объемная электропроводность стекол обусловливается направленным перемещением ионов ве­ ществ, входящих в состав стекол, а также ионов приме­ сей. Основными переносчиками электрических зарядов являются ионы щелочных металлов, обладающие наи­ меньшими размерами, благодаря чему они могут переме­ щаться внутри структурной решетки более свободно,

16

щелочных стекол, Li и Na определяет проводиМосіЬ этих стекол.

Что касается бесщелочных стекол, то основным пере­ носчиком электрических зарядов здесь являются ионы двухвалентных металлов (например, Mg) или электроны [Л. 30 и 31].

Изменение удельного объемного сопротивления, т. е. величины, обратной проводимости стекла, в зависимости от температуры имеет большое значение для определе­ ния работоспособности электроизоляционных конструк­ ций в требуемом диапазоне температур. У стекол, пред­ назначенных для производства изоляторов, в первую очередь важна зависимость удельного электрического сопротивления в интервале температур от 0 до 100°С. Желательно, чтобы в этом интервале удельное объемное сопротивление стекла не изменялось резко и не вызы­

потенциальными ямами структурной решетки; ѵ — часто­

Расчет удельного объемного сопротивления стекла может быть произведен следующим образом [Л. 30].

суммы MgO и ZnO; bc— содержание CaO; bbv — содержание суммы ВаО и РЬО; с — содержание А120 3; d — со­ держание В20 3.

Все величины выражены в молярных процентах. Одновременно рассчитывается IgA, равный величине

отрезка, отсекаемого продолжением прямой, характери­

Опыт показывает, что удельные объемные сопротив­ ления стекла одного и того же химического состава, определенные экспериментальным или расчетным пу­ тем, совпадают с большой степенью точности.

На рис. 1-3 показам характер изменения удельного объемного сопротивления щелочных и малощелочных стекол. Если у щелочных стекол зависимость lg р= =/(1/7’) носит прямолинейный характер, т. е. сопротив­ ление резко уменьшается с ростом температуры, то у ма­ лощелочных стекол в интервале температур от 20 до 100—150°С удельное сопротивление изменяется незначи­ тельно.

Если известно сопротивление стекла хотя бы при двух температурах, то можно рассчитать значение р при любой температуре, соответствующей твердому состоя­ нию стекла [Л. 30]:

_I_____ 1_

~7\ Т\

где рі и р2 — удельные сопротивления стекла при тем­ пературах Ті и Г2; Ті и Т2— соответствующие абсолют­ ные температуры; рж— удельное сопротивление, опреде­ ляемое при абсолютной температуре х.

18

В табл. 1-3 приведены значения удельных объем­ ных сопротивлений ряда стекол, составы которых близ­

Сопоставляя приведенные в табл. 1-3 данные, мож­ но отметить, что малощелочные стекла в этих условиях снижают свое сопротивление в меньшей степени, чем стекла с содержанием большого количества щелочных окислов. Это свойство малощелочных стекол дает осно­ вание полагать, что при длительной эксплуатации изо­