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

стекла от его химического состава весьма сложно, но общий характер изменения этой зависимости исследован и описан многими авторами [Л. 30, 33—35].

Естественно предположить, что коль скоро основны­ ми переносчиками электрических зарядов в щелочных стеклах являются ионы щелочных металлов, то их со­ держание в стекле главным образом будет определять электрическое сопротивление такого диэлектрика.

Уже небольшой добавки щелочных окислов в кварце­ вое стекло достаточно для уменьшения его сопротивле­

мость. И тем не менее одновременное введение в опреде­ ленных пропорциях в состав щелочных стекол двух или трех различных окислов щелочных металлов не только не увеличивает проводимость такого стекла, но, наобо­ рот, снижает ее. Этот эффект, изученный и описанный Г. И. Сканави [Л. 36], носит название «нейтрализацион­ ного», или полищелочного эффекта. Физический смысл этого эффекта состоит в следующем. В стекле, содержа­ щем два или три щелочных иона, перенос зарядов осу­ ществляют ионы, которые перемещаются внутри решет­ ки по вакантным местам, освобожденным ионами одноименного щелочного металла. Основная доля пе­ реносимого электричества падает на ионы того метал­ ла, концентрация которого в данном стекле максималь­ на. Поэтому введение в состав щелочного стекла одного или двух других щелочных окислов приводит, во-первых, к уменьшению концентрации основного носителя и, во-

20

вторых, затрудняет ионам основного щелочного металла перемещение внутри решетки. Экспериментально уста­ новлено, что для стекла, содержащего в своем составе натрий и калий, максимальное значение удельного объ­ емного сопротивления достигается при соотношении щелочных металлов, равном

(рис. 1-5).

Картина изменения сопротивления щелочных стекол с введением в их состав еще одного щелочного окисла сохраняется и у стекол, содержащих окислы щелочно­

ионов двухвалентных металлов, обладающих большими размерами по сравнению с ионами щелочных металлов, затрудняет свободное перемещение последних и тем са­ мым препятствует переносу электрических зарядов через диэлектрик.

На рис. 1-6 и 1-7 приведены кривые, характеризую­ щие изменение сопротивления щелочных стекол (началь­ ное содержания Si20 = 82%’, R20 = —18%) с введением в их состав окислов двухвалентных и трехвалентных ме­ таллов. Своеобразно влияет на проводимость щелочных стекол введение в их состав вместо Si02 окиси алюми­

21

достигает максимума, то дальнейшее увеличение окиси алюминия приводит к уменьшению сопротивления, кото­ рое достигает минимума при соотношении АІаОз/КгО = 1. Поэтому в состав щелочных стекол, содержащих около 12—14% щелочей, введение окиси алюминия в больших количествах нежелательно. В то же время с уменьше­

Рис. 1-6. Влияние замены части Si02 ® щелочном -стекле окислами двухвалентных .металлов на удельное электрическое сопротивление.

алюминия в состав малощелочных и бесщелочных сте­ кол, хотя в целом сопротивление бесщелочных стекол в меньшей степени зависит от состава, чем сопротивле­ ние щелочных стекол. Это можно объяснить тем, что в отличие от щелочных стекол переносчиками электри­ ческих зарядов у бесщелочных и малощелочных стекол являются малоподвижные ноны двухвалентных метал­ лов. Поведение стеклянных изоляторов при длительной работе под постоянным напряжением еще недостаточно изучено. На невозможность применения изоляторов из стекла с большим содержанием натрия для линий элек­ тропередачи постоянного тока указывается в [Л. 8], где рекомендуется для этих целей использовать специ­ альный состав стекла. В то же время французская фир­ ма Sediver и итальянская фирма Fidenza Vetraria утверждают, что их изоляторы, изготовленные из обыч­ ных щелочных стекол, успешно эксплуатируются на ли­ ниях электропередачи постоянного тока. Можно пред­ положить, что использование полищелочного эффекта снизит вероятность ускоренного старения щелочных

22

стекол под воздействием постоянного напряжения, ііо пока можно лишь утверждать, что наиболее надежно в этих условиях будут работать бесщелочные и мало­

щелочные стекла.

Заканчивая рассмотрение вопроса об электрическом сопротивлении стекол, необходимо отметить, что оно из­ меняется также в зависимости от величины напряжен­

Рис. 1-7. Влияние замены части SiC>2 в щелочном стекле окислами трехвалентных металлов на удель­ ное электрическое сопротивление.

противления последнего. Однако практического значе­ ния эта зависимость для условий работы стеклянных изоляторов не имеет, так как уменьшения сопротивления стекла примерно на один порядок можно ожидать толь­ ко при напряженности электрического поля, равной ІО3 кв!см. Что касается тепловой обработки стекла, то известно, что закаленные образцы стекла обладают мень­ шим электрическим сопротивлением по сравнению с ана­ логичными образцами, изготовленными из отожженного стекла.

Поверхностное электрическое сопротивление. В обыч­ ных условиях удельное поверхностное сопротивление сте­ кол различных составов колеблется в пределах ІО13— ІО16 ом. Поверхностная электропроводность стекла вызывается главным образом образованием на увлаж­ ненной поверхности стеклянных изоляторов пленки электролита, состоящей из растворенных в воде окислов, входящих в состав стекла. Поэтому изменение влажно­ сти окружающего воздуха влияет на изменение поверх­ ностного электрического сопротивления стекла. Стекла

23

с низкой гидролитической стойкостью (например, ще­ лочные) имеют большую поверхностную проводимость. Как правило, у таких стекол при достижении макси­ мальной влажности воздуха удельное поверхностное со­

мость при повышении температуры окружающего возду­ ха. Особенно заметно это изменение в пределах 20 — 100°С, т. е. в диапазоне рабочих температур стеклянных изоляторов. По сравнению с щелочными стеклами бес­ щелочные стекла обладают удельным поверхностным сопротивлением на 2—3 порядка выше. Учитывая, что поверхностная проводимость стекла в значительной сте­ пени может влиять на работу стеклянных изоляторов, особенно тех, которые работают в условиях высокой влажности и повышенной температуры (например, влажные тропики), необходимо рассмотреть вопрос о возможной стабилизации поверхностного сопротивле­ ния стеклянных изоляторов.

Для тех изоляторов, которые работают в условиях незагрязненной атмосферы, по-видимому', целесообразно поддерживать неизменным высокое поверхностное сопро­ тивление, сохранять при повышении влажности и тем­ пературы окружающего воздуха. В этих целях может быть рекомендовано покрытие поверхности стекла спе­ циальными гидрофобными покрытиями. Изестны полу­ чаемые на поверхности стекла пленки из хлорснланов и продуктов окисления парафина. Эти пленки обладают высокими химостойкостыо п нагревостойкостыо. Пленки эти независимо от степени влажности обеспечивают ста­ бильность поверхностного сопротивления стекол. Одна­ ко органическая природа этих пленок создает опасность их уничтожения на поверхности изоляторов при работе на открытом воздухе под воздействием ультрафиолето­ вых лучей, озона, а также в случае перекрытия изоля­ торов электрической дугой. Стабилизация высокого по­ верхностного сопротивления стеклянных изоляторов может быть достигнута также путем огневой полировки их поверхности или обработки ее специальными кислот­ ными составами (второй способ только для отожжен­ ных изоляторов). Для улучшения работы изоляторов в условиях интенсивного загрязнения целесообразно, наоборот, несколько снизить поверхностное сопротивле­ ние изоляторов до ІО7—ІО8 ом. Поверхностное сопротив-

24

лемме стекла может быть снижено путем нанесения па его поверхность тонких металлических пленок. Однако такие пленки, как правило, механически и химически непрочны, а технология их нанесения не приемлема для массового производства изоляторов.

Более удобным представляется использование на поверхности стекла окисно-металлнческих пленок. По­

водородом слоев окиси титана, нанесенных на стекло; г) окиси индия — обработкой нагретого стекла горя­

чими парами ІпСЬ; д) двуокиси олова — окислением слоя металлическо­

го олова в воздухе; гидролизом спиртовых растворов хлористого олова или обработкой стекла парами хлори­ стого олова.

Для приведенных выше окисно-металлических пле­

Исходя из значений удельных поверхностных сопро­ тивлений различных окисно-металлических пленок, а также технологии их нанесения на поверхность стек­ лодеталей изоляторов, можно предположить, что наибо­ лее приемлемыми для указанных выше целей являются пленки из двуокиси олова.

Однако и в этом случае пока нельзя достичь абсо­ лютно стабильных величин поверхностного сопротивле­ ния стеклянных изоляторов.

35

Т а б л и ц а 1-4

частях СССР можно не опасаться увеличения диэлектри­ ческих потерь в стекле до критических значений. В то же время возможность возникновения теплового пробоя стеклянных изоляторов при длительной эксплуатации их в районах с рабочей температурой выше 50 °С необходи­ мо учитывать при выборе марки стекла, из которого должны изготавливаться изоляторы для этих условий эксплуатации.

Упорядочение структуры стекла, т. е. отжиг, сопро­ вождается снижением уровня потерь, и, наоборот, зака­ ленному стеклу с менее упорядоченной структурой со­ ответствуют более высокие диэлектрические потери.

В табл. 1-4 приведены зависимость угла диэлектриче­ ских потерь стекол от способа их термической обработ-' ки (данные Пасынкова, Богородицкого, Тареева).

Таким образом, можно предположить, что при экс­ плуатации отожженных стеклянных изоляторов тепло­ вой пробой менее вероятен, чем при эксплуатации за­ каленных изоляторов.

Величина tgö изоляторов из щелочного стекла в от­ личие от фарфоровых резко возрастает с ростом на­ пряжения (рис. 1-10). Диэлектрические потери боль­ шинства стекол растут также с увеличением частоты. Например, при номинальной температуре tgö силикат­ ного тугоплавкого стекла при 1 МГц равен 0,0036, а при 3 000 МГц 0,0065, для свинцового стекла при тех же частотах-—соответственно 0,0009 и 0,0044. Только tgö кварцевого стекла не меняется с частотой, составляя около 0,0002 как при 1 МГц, так и при 3 000 МГц [Л. 37].

27

пользуемых в технике, ве­ личина е лежит в пределах от 4 до 16. Для стекол, приме­ няемых при производстве изоляторов, этот диапазон сужа­ ется и составляет при нормальной температуре 6—8. Рез­ ким увеличением (до 25%) в составе стекла щелочных окислов, особенно ИагО, можно добпться'увеличения едо 9—10. Таким же образом влияет на увеличение е введе­ ние в состав стекла окислов тяжелых металлов РЬО и ВаО, ионы которых имеют высокую поляризуемость и активно участвуют в диэлектрическом смещении. Стекло с содержанием 80% РЬО имеет е= 16,2. Диэлектриче­ ская проницаемость всех стекол возрастает с повыше­ нием температуры (рис. 1-11). Так как Т1\ е стекол в интервале температур 20—100°С колеблется от +30Х ХЮ~6 до +500 • 10—6°С—1, то практического значения для улучшения работы стеклянных изоляторов при по­ вышении температуры это свойство не имеет.

Электрическая прочность стекла. Пробой стекла свя­ зан со многими факторами, среди которых необходимо учитывать не только химический состав стекла, но и од­ нородность электрического поля, в котором работает диэлектрик, длительность приложения напряжения, а также термические и механические напряжения в са­ мом стекле.

Поэтому пробой стекла, как и других твердых ди­ электриков, может представлять собой электрический или тепловой пробой в зависимости от преобладания факторов, вызывающих ту или другую форму пробоя.

28

Кратковременная электрическая прочность стекла мало зависит от состава. В однородном электрическом поле электрическая прочность стекол колеблется в пре­

делах 100—300 кв)мм и мало зависит от толщины об­ разца.

В неоднородном электрическом поле толщина ди­ электрика сказывается в большей степени и это обстоя­ тельство необходимо учитывать при разработке реаль­ ных конструкций изоляторов. Большой разброс значе­ ний электрической прочности стекол, определенных различ­ ными исследователями, объяс­ няется, по-видимому, примене­ нием для испытаний масел раз­ личного качества. Известно, что величина электрической прочности диэлектрика в зна­ чительной степени зависит от электрических свойств испыта­ тельной среды. Так, испытания стеклянных образцов, прове­

денные фирмой Sediver в мас­ лах с различной электрической прочностью, дали совершенно различные величины электри­ ческой прочности стекла. При этом все результаты отличались от тех, которые были получены при испытании образцов сте­ кол в воздухе [Л. 7]. Поэтому фирма считает нерациональ­

ным испытание стеклянных изоляторов в условиях, при которых прооои диэлектрика происходит в среде, отли­ чающейся от его естественной среды. Фирмой разрабо­ тана специальная жидкость, которая имеет удельное объемное сопротивление 3 -10s ом-см; диэлектри­ ческую проницаемость 4,2 и электрическую прочность 20 л.е/2,54 мм. Испытание стеклянных изоляторов в та­ кой среде дает значение электрической прочности, пре­ вышающее значение электрической прочности фарфоро­ вых изоляторов, обладающих идентичной толщиной диэлектрика. В то же время испытание фарфоровых и стеклянных изоляторов в трансформаторном масле по методике ГОСТ 6490-67 и ГОСТ 14197-69 приводит

29