39 Электроизоляционные материалы

Электроизоляционные материалы в электро­технике выполняют незаменимые функции, и их наличие является необходимым условием функ­ционирования каждого электротехнического устройства. Особенно велико значение электро­изоляционных материалов в силовой электро­технике, где от их качества в решающей степени зависит срок службы и надежность большинства видов оборудования. Так, появление генератора трехфазного тока, трансформатора и асинхрон­ного двигателя, а также развитие радиотехники и электроники потребовали электроизоляционных материалов, обладающих малыми диэлектриче­скими потерями при различных частотах и высо­ких напряжениях. Возникла потребность в обес­печении надежности работы машин и аппаратов в условиях высокой влажности и воздействия химических реагентов. Повысились рабочие температуры электроизоляционных материалов и ужесточились требования к их морозостойко­сти. Все это заставляло работать над повышени­ем качества электрической изоляции, улучшени­ем отдельных ее свойств, привело к созданию и применению синтетических диэлектриков, кото­рые могли удовлетворять новым запросам элек­тротехники.

Важнейшей характеристикой электроизоля­ционных материалов является нагревостойкость, которая показывает уровень и устойчи­вость электрических и механических характери­стик изоляционных материалов при длительном нагреве и временных перегрузках.

Эта характеристика также предрешает срок службы изоляции в агрегате, т.е. срок службы са­мого агрегата в условиях эксплуатации (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Зависимость времени жизни изоляции классов А, В и С от температуры.

Особую роль среди разнообразия электро­изоляционных материалов играют различные пластические материалы. Основой любой пласт­массы, за исключением пластмассы на основе битумов и дегтей, является полимер — высоко­молекулярное вещество, молекула которого со­стоит из многократно повторяющихся элемен­тарных звеньев одинаковой структуры.

Появление первых электроизоляционных пластических масс было связано с использовани­ем синтетических смол. Важнейшим изобрете­нием в области электрической изоляции являет­ся синтез фенольно-формальдегидных смол.

Немецкий ученый А. Байер в 1872 г. наблю­дал, что при действии на бензол уксуснокислым метиленом и крепкой серной кислотой получа­ются сложные смолообразные вещества. Однако эти продукты не имели технически ценных свойств. В Германии в 1891 г. И. Клееберг, а в 1895 г. А. Сторн, развивая исследования А. Байе­ра, применили вместо бензола фенол, а вместо уксуснокислого метилена — формальдегид. При этом оказалось, что реакция альдегида с фено­лом протекает весьма активно, а получаемые смолы представляют собой твердые неплавкие продукты. Этим ученым не удалось получить смолы в растворимой и плавкой форме, а следо­вательно, сделать их технически ценными веществами.

А. Бакелаид и О. Лебах, развивая исследова­ния своих предшественников, независимо друг от друга установили, что реакция фенола с фор­мальдегидом может быть проведена и так, что получаются продукты реакции в растворимой и плавкой форме. В связи с тем, что реакция фено­ла с формальдегидом протекает с большим выде­лением теплоты, они предложили при развитии экзотермического процесса отводить ее, это и позволило остановить процесс конденсации на такой стадии, когда смола находится в раствори­мой форме. Ученые показали, что процесс кон­денсации фенола с формальдегидом может быть управляемым. Эти работы послужили основой для создания промышленного способа получе­ния синтетических высокомолекулярных соеди­нений из простых низкомолекулярных веществ, А. Бакеланд опубликовал свои исследования в 1908—1910гг.

В 1904г. А.М. Настюковым была открыта ре­акция конденсации нефти с формальдегидом, в результате которой получены неоформолитовые смолы. Исследования Е.И. Орлова (1910 г.) обо­гатили изоляционную технику новым пластиче­ским материалом, названным карболитом, кото­рый был получен в результате конденсации фе­нолов с формальдегидом, В 1932 г, ГС. Петро­вым были открыты каталитические свойства сульфонафтеновой кислоты при конденсации фенола с формальдегидом.

Организация производства фенольно-фор­мальдегидных смол в 1915 г. явилась началом развития промышленности пластических масс в России. Особенно большое значение эти смолы имели для электротехники. Они явились новым интересным материалом, который превосходил по своим свойствам все известные до того време­ни натуральные и искусственные полимеры, В них гармонично представлено сочетание различ­ных технически ценных свойств, характерных для твердого каучука, эбонита, кости и дерева. Важным преимуществом фенольно-формальде­гидных смол по сравнению с известными в то время натуральными и искусственными полиме­рами являлись их высокие технологичность и нагревостойкость. Сочетание комплекса техниче­ски ценных свойств и сравнительно высоких электроизоляционных характеристик обеспечи­ло на основе этих смол широкое развитие произ­водства диэлектриков.

В результате конденсации формальдегида с фенолом, крезолами и ксиленолами промышлен­ность получает различные смолы для производ­ства пластических масс и слоистых диэлектри­ков и удовлетворяет разнообразный требования пектротехники.

Исследовательские работы, проведенные в лабораториях СССР, США и Англии но синтезу полиэфирных смол с непредельными группами (акриловыми, матакриловыми, малеиновыми), покачали способность этих полимеров пере­ходить в неплавкое и нерастворимое состояние за счет двойных связей без применения давле­ния. Это весьма важное свойство позволяет ши­роко использовать эти продукты для изготовле­ния с применением малых давлений слоистых диэлектриков: гетинакса,текстолита, стеклогек-столита. Кроме того, способность этих смол от­вердевать в толстом слое при отсутствии кисло­рода дает возможность использовать их для изо­ляции трансформаторов тока. В этом случае со­вершенно по-новому решается конструкция трансформаторов тока. Полиэфир образует ос­нову изоляции трансформаторов тока различных напряжений (3—35 кВ и выше) и одновременно выполняет функцию корпуса трансформатора, Появление полиэфирных и эпоксидных смол по­зволило создавать монолитную изоляцию транс­форматоров и различных блоков питания, отка-{автись от герметизации обмоток при помощи применявшегося ранее метода помещения об­мотки в металлический корпус.

По мери развития электротехники номенкла­тура полиэфирных смол резко увеличивается.

Начиная с 30-х годов большое значение при­обрели полимеры, полученные метком полиме­ризации (полистирол, поливинилхлорид, ноли-винилацетат, полиметилметакрилат и др.). 40-е годы характеризуются получением поликонден­сационных полимеров: кремнийорганических, полиамидных, полиуретановых.

В 1940 г. начинается производство полиэти­лена при давлении до 250 МПа — одного из наи­более распространенных в настоящее время по­лимеров, В 1955 г. К. Циглером (Россия) был раз­работан метод полимеризации этилена и при низком давлении, который в настоящее время получил весьма широкое распространение. Вслед за этим на основе работ итальянского уче­ного В. Натта был разработан технологический процесс получения пропилена.

Начиная с 50-х годов промышленностью вы­пускаются новые электроизоляционные мате­риалы: стеклопластмассы, етеклолакоткани, синтетические лакоткани, стеклотканиты, фоль-гированные и асбестовые слоистые материалы, слюдопласты, материалы на основе кремнийор­ганических, эпоксидно-фенольных и эпоксидно-полиэфирных связующих и др.

Бурное развитие электротехнической про­мышленности, а в связи с этим и повышение ра­бочих напряжений оборудования потребовали проведения глубоких теоретических и экспери­ментальных исследований. Для этих целей на предприятиях, выпускающих электроизоляци­онные материалы, открылись специальные лабо­ратории.

Важную роль в разработке и изготовлении электроизоляционных материалов и в освобож­дении нашей страны от иностранной зависимо­сти сыграли организованные Государственный экспериментальный электротехнический инсти­тут, затем переименованный во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ), Всесоюз­ный научно-исследовательский институт элек­тромеханики (ВНИИЭМ), Всесоюзный научно-исследовательский институт кабельной про­мышленности (ВНИИКП), СКВ синтетической изоляции. Всесоюзный научно-исследователь­ский институт стекловолокна (ВИИИстеклово-локна), Всесоюзный научно-исследовательский институт бумаги (ВНИИБ), научно-исследова­тельские институты химической промышленно­сти и Академии наук СССР, лаборатории заводов «Электроизолит», «Изолит», «Электросила», «Динамо» и др.

В исследованиях ВЭИ тех лет закладывались основы важнейших для электротехники научных направлений. Под руководством П.А. Флорен­ского проводились исследования электрофизи­ческих свойств электроизоляционных материа­лов. В 1924 г. П.А. Флоренским была издана мо­нография «Диэлектрики и их техническое при­менение», к которой были обобщены материалы по изучению диэлектриков.

В ВЭИ проводились исследования, связан­ные с синтезом различных полимеров: полиэфи­ров, цолиуретанов, эноксидных, фенол форм аль­дегидных и карбамидныхсмол, цоливинилацета-лей, полиамидов, полиорганосилоксанов, поли-органометаллосилоксапов и др. В ВЭИ и ряде других организаций (ВНИИЭМ, ВНИИКП) раз­рабатывались различные электроизоляционные лаки, компаунды и материалы на основе новых полимеров.

Особого внимания заслуживают работы по изысканию новых путей синтеза полимерных кремнийорганических соединений, связанных с фундаментальными исследованиями механизма образования этих соединений. Эти теоретиче­ские исследования были начаты в ВЭИ под руко­водством К.А. Андрианова в 1935 г. В то время в мире еще не были известны высокополимерные соединения, содержащие молекулы, построен­ные из силоксанных группировок атомов и обла­дающие хорошими технологическими свойства­ми (гибкостью, растворимостью, способностью полимеризоваться и т.д.), характерными для ор­ганических смол.

Развитие электроизоляционных материалов и электроизоляционной техники можно условно разбить на несколько этапов.

Первым этапом (1920—1928 гг.), способст­вовавшим развитию электроизоляционной тех­ники, явились систематические электрофизиче­ские исследования диэлектриков, которые были начаты в лабораториях Ленинградского физико-технического института.

Руководителем института А.Ф. Иоффе было открыто явление высоковольтной поляризации, имеющее большое значение для понимания про­цессов, происходящих в изоляции электрообору­дования. Сотрудники этого института Н.Н. Се­менов и В.В. Фок создали оригинальные теории пробоя диэлектриков. Тогда же, в конце 30-х го­дов, проводили испытания природы диэлек­трических потерь, электропроводности при больших напряженностях электрического поля И.В. Курчатов и А.П. Александров. Эти исследо­вания, положившие начало новой науке — физи­ке диэлектриков, заслужили самую высокую оценку как в нашей стране, так и за рубежом. В дальнейшем работы в области физики диэлек­триков были продолжены в Физическом инсти­туте АН СССР, в Томском и Ленинградском по­литехнических институтах, в ВЭИ, МЭИ, а так­же заводских лабораториях крупных электротех­нических заводов (ХЭМЗ, «Электросила», «Ди­намо», Московский электрозавод и др.). Не­сколько позднее (в 30-е годы) получила развитие химия диэлектриков.

Вторым этапом, способствовавшим раз­витию электроизоляционной техники (1928— 1935 гг.), явились работы по созданию более совершенных электроизоляционных материа­лов, проводившиеся в ВЭИ, а также в лаборато­риях заводов ХЭМЗ, «Электросила», «Динамо», Московского электрозавода, завода им. Лепсе, «Изолит».

В результате этих исследований электротех­ническая промышленность получила новые электроизоляционные материалы; глифталевые смолы и лаки, битумно-масляные и масляно-смоляные пропиточные, клеящие и покровные лаки, битумные пропитывающие компаунды, покровные эмали, синтетические жидкости, большую номенклатуру слюдяных материалов, слоистые пластики, разные виды электроизоля­ционных бумаг и картонов, намотанные бумажно-бакелитовые изделия, светлые и черные лакоткани, асбоцемент непропитанный и пропи­танный и др.

Третьим этапом развития электроизоляцион­ной техники явилось создание в 1932—1940гг. специальных видов изоляции — влаго-, водо-и химостойкой с повышенной теплопроводностью и нагревостойкостью. Сочетание стекловолокнистых материалов, щипаной слюды и модифи­цированных глифталевых электроизоляционных лаков позволило получить изоляцию электриче­ских машин с повышенной нагревосто и костью.

Качественный скачок в повышении нагревостойкости изоляции стал возможен в результате разработки гаммы высоконагревостойких электроизоляционных материалов на основе крем­нийорганических полимеров, созданных под ру­ководством К.А. Андрианова.

В 1948 г. под его руководством в ВЭИ были начаты систематические исследования пагревостойкости кремнийорганической изоляции, син­тетических пленок и других полимерных ди­электриков. В результате было доказано наличие связи между структурой диэлектриков и их нагревостойкостью, а также установлены количе­ственные зависимости срока службы изоляции электродвигателей от температуры для кремний-органических и других полимерных диэлектри­ков. Следует также отметить систематические исследования связи между строением полимер­ных диэлектриков и их электрофизическими и механическими свойствами, проводимые в ВЭИ с конца сороковых годов.

Возросший спрос на слюдяные материалы для изоляции обмоток турбо- и гидрогенерато­ров, высоковольтных машин, тяговых, шахтных, металлургических, морских и других электро­двигателей с рабочей температурой 130—180 °С увеличивал расход дорогостоящей и остродефи­цитной щипаной слюды. В связи с этим возникла необходимость более рационального использо­вания добываемых слюд, а также замены слюдя­ных материалов менее дефицитными.

В 1948—1951 гг. развитие электроизоляцион­ной техники шло главным образом по пути зна­чительного сокращения потребления слюд высо­ких номеров и щипаных из очищенных слюд, Исследования, проведенные в ВЭИ и на заводе «Электросила», очищенных и колотых слюд по­зволили значительно сократить удельный рас­ход остродефицитного сырья.

Современный этап развития электроизоляци­онной техники характеризуется разработкой и применением термореактивных смол для изоля­ции электротехнического оборудования. Созда­на и успешно внедряется термореактивная изо­ляция в турбо- и гидрогенераторах, синхронных компенсаторах и высоковольтных машинах: ли­тая изоляция в измерительных трансформато­рах, электробурах, тяговых и других электродви­гателях. а также в высоковольтных аппаратах.

В ВЭИ осуществлен синтез полиорганометаллосилокеанов, что дало возможность вводить в цепь полиорганосилоксанов алюминий, титан, олово, кобальт, никель. Наибольшее развитие получили полимеры, содержащие в главной це­пи алюминий. Кремнийорганические лаки нахо­дят применение в качестве добавок для изготов­ления нагре во стойких лаков и композиционных пластических масс, а также для повышения вла­гостойкости фенолформальдегидных смол, ис­пользуемых в производстве гетинакса и стеклотекстолита.

Одновременно с разработкой методов синте­за полиорганосилоксанов в довоенные годы на­чались исследования в области различных высо­кополимерных соединений, являющихся основ­ными веществами для изготовления лаков, ком­паундов- пластических масс, лакотканей. слои­стых пластиков. В 50-е годы в ВЭИ были прове­дены работы по синтезу 100-процентных маслорастворимых смол (гексилфенолформальдегидных, оксидифенолформальдегидных), обладаю­щих высокой влагостойкостью, стойкостью к ки­слотам и слабым растворам щелочей, т.е. свойст­вами, необходимыми для создания высококаче­ственных электроизоляционных пропиточных лаков. Синтезированы также новые эластичные растворимые в маслах анилиноформальдегид-ные смолы для изготовления лаков, стойких к щелочам, щелочным эмульсиям, бензину, керо­сину, хорошо совмещающиеся с полихлорвини­лом и улучшающие его адгезию к металлам.

В конце 30-х — начале 40-х годов одним из важнейших направлений в области полимеров являлся синтез полиэфирных смол, главным об­разом алкидных, на основе продуктов поликон-денеации фталевого ангидрида и глицерина. Глифталевые смолы широко применяются в изо­ляционном производстве, и особенно для изго­товления изоляционных лаков. Были синтезиро­ваны немодифицированные глифталевые смолы, а также глифталевые смолы, модифицированные жирными кислотами, маслами и продуктами окисления парафина. Наиболее широко распро­странены полиэфирные смолы, представляющие собой продукты поликонденсации многооснов­ных кислот и многоатомных спиртов. Общие свойства полиэфирных смол — высокие элек­трические характеристики, хорошая адгезия к металлам и различным изоляционным материа­лам, значительная стойкость к действию масел и различных растворителей. Нагре востой кость по­лиэфирных смйл зависит от кислот и спиртов, примененных для их синтеза.

В середине 50-х годов отечественной про­мышленностью был создан ряд полимеров, в том числе полиуретаны и эпоксидные смолы. Поли-уретаны обладают высокой химо-, масло- и вла­гостойкостью, прочностью па истирание, эла­стичностью, адгезией к металлам и хорошими электрическими свойствами. Полимеры на осно­ве полиуретанов используются при изготовле­нии лаков для эмальпроводов, заливочных ком­паундов и лаков для стеклолакотканей.

Для изоляции различных электротехниче­ских изделий широко применяются эноксидные смолы. Благодаря высокой адгезии к большинст­ву электроизоляционных материалов и к метал­лам эпоксидные смолы являются хорошими клеями. Они применяются для изготовления стеклопластиков, отличающихся большой меха­нической прочностью, и в качестве связующего в слюдяных изоляционных материалах. Способ­ность эпоксидных смол отверждаться в толстых слоях без давления с малой усадкой позволила широко использовать их для изготовления литой изоляции.

Для заливки трансформаторов тока и напря­жения, предназначенных для работы при низких температурах, разработаны компаунды на осно­ве эпоксидных смол с отвердителями ангидрид­ного типа (малеиновый ангидрид, смесь малеинового и фталевого ангидридов), а также пласти­фицированные полиэфирами компаунды. Введе­ние в эпоксидную смолу до 20 % полиэфира улучшает физические свойства полимера, прак­тически не снижая электрических свойств компаунда. Эпоксидно-полиэфирные компа­унды К-168 и К-293 и другие применяются для защиты полупроводниковых приборов и схем от влаги.

Среди электроизоляционных лаков различ­ного назначения особое место занимают разра­ботанные в ВЭИ под руководством К.А. Андриа­нова в начале 60-х годов композиции эпоксидных смол с полиэфирами и полиорганосилоксанами, позволившие создать комплекс электро­изоляционных материалов высокой нагревостойкости. К ним относятся: пропиточный лак ПЭ-933, лак ПЭ-942 для стеклоткани и стеклолакочулок, лак ПЭ-948 для гибких слюдяных мате­риалов, смола ТФП-18 для формовочного и кол­лекторного миканитов, лаки ПЭ-935 и ПЭ-936 для гибких слюдинитовых материалов, эмаль ЭГТ-91, стеклолакоткань ЛСП, а также компаунд ЭК. Эта группа лаков и материалов рекоменду-. ется для изоляции кранового, тягового электро­оборудования и электродвигателей прокатных станов.

Большой интерес представляют органиче­ские полимеры с ароматическими и гетероциклами в основной цепи, обладающие высокой на-гревостойкостью. К таким полимерам относятся полиимиды — продукты взаимодействия ангид­ридов поликарбоновых кислот (пиромеллитовой, три мел лито вой) и ароматических диаминов (диаминодифенилоксид, диаминодифенилсульфид и др.), полимеры на основе ароматических амидов (типа фенилона), а также полиоксидифенилы. Полиимиды наиболее огнестойкие среди органических полимеров, отличаются хороши­ми электроизоляционными и механическими свойствами при температурах 250—350 °С, чрез­вычайно устойчивы к воздействию атмосферы, радиации и химических реактивов. Полиоксиди-фенилы обладают хорошей цементирующей способностью при температуре от 120 до 300 °С, что свидетельствует об их низкой термопластич­ности и высокой твердости лаковых пленок. Эти свойства позволяют использовать полиоксидифенилы для получения пропиточных лаков и бандажных лент.

В настоящее время в ВЭИ разрабатываются новые электроизоляционные лаки и материалы на основе полиимидов (эмаль-лаки для эмаль-проводов, пропиточные лаки, стеклолакоткани). Ведутся работы по созданию полимеров на осно­ве оксидифенила.

Разработаны и проходят стадию технологи­ческого опробования цианэтилированные цел­люлозные материалы, а также ацетилировапные бумаги. По сравнению с аналогичными материа­лами, изготовленными на обычной целлюлозе, нагревостой кость цианэтилированных целлю­лозных материалов приблизительно на 20 °С вы­ше, водопоглощение ацетилированных целлюлозных бумаг примерно на 50 % ниже, удельное сопротивление на два-четыре порядка выше, Снижается также зависимость сопротивления от температуры, В ВЭИ созданы стеклянные бума­ги, изготовляемые сухим формованием и мето­дом растяжки срезов стекловолокон. Новые ма­териалы обладают высокой нагревостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, высокой прочностью на разрыв. Качество асбе­стовых бумаг, выпускаемых промышленностью, не отвечает основным требованиям, предъявляе­мым к электроизоляционным материалам, В свя­зи с этим ВЭИ разработана технология изготов­ления тонких асбестовых бумаг на основе хризотилового асбеста с повышенными электрически­ми характеристиками. Нагревостойкость различ­ных электроизоляционных материалов, в кото­рых применены эти бумаги, 400 °С.

В электротехнике (в трансформаторостроении, кабельной технике) широко применяются нефтяные масла. Однако они имеют существен­ный недостаток — способны окисляться при по­вышенных температурах, в результате чего об­разуются осадки, изменяющие физико-химиче­ские и электрические характеристики масел. Кроме того, нефтяные масла горючи и взрыво­опасны, имеют низкую диэлектрическую прони­цаемость. Все это обусловило необходимость форсирования работ, связанных с получением синтетических жидких диэлектриков. К ВЭИ, ВНИИЭМ и ряде других организаций интенсив­но ведутся работы по синтезу электроизоляци­онных жидкостей различного химического со­става (хлор- и фторсодержащис углеводороды, жидкие полиизобутилены, кремнийорганические жидкости).

Наибольший интерес для электротехниче­ской промышленности представляют жидкие хлордифенилы — смеси индивидуальных хлор-производных дифенила. Хлордифенилы негорю­чи, взрывобезопасны, имеют высокие электриче­ские характеристики и термически стабильны. К таким электроизоляционным материалам отно­сятся: совол, хлордифенил и совтол, производст­во которых уже освоено промышленностью.

Для заполнения малогабаритных трансфор­маторов, рассчитанных на работу при высоких температурах, применяются фторорганические жидкости,-имеющие наряду с высокими электри­ческими характеристиками хорошие охлаждаю­щие свойства. Для пропитки силовых кабелей широко используется масло октол (смесь поли­меров изобутилена), обладающее высокой тер­мической стабильностью и стабильностью в электрическом поле- Для силовых высоковольтных трансформаторов создан специальный цел­люлозный картон.

В 50-е годы разработаны жидкие кремнийорганические диэлектрики, которые отличаются высокой нагревостой костью, имеют низкую тем­пературу застывания, малый температурный ко­эффициент вязкости, хорошие электрические свойства в широком интервале частот и темпера­тур, химически инертны. Отечественной про­мышленностью освоен выпуск нескольких раз­новидностей полиорганосилоксановых жидко­стей. Наибольший интерес представляют полиметил- и полиэтилсилоксановые жидкости с вы­сокими температурами кипения.

Наиболее важным из числа газообразных электроизоляционных материалов является воз­дух. В силу своей всеобщей распространенности воздух часто входит в состав электротехниче­ских установок и играет в них роль электроизо­ляционного материала дополнительно к жидким и твердым электротехническим материалам. Од­нако электрическая прочность воздуха весьма невелика.

В 1941—1942 гг. Б.М. Гохберг опубликовал результаты исследования электрофизических характеристик гексафторида серы. Это соедине­ние оказалось наиболее перспективным для изо­ляции электроустановок и было названо Б.М. Гохбергом элегазом. Само название «элегаз» указывает на то, что это газ, предназначен­ный для целей электротехники.

Современное развитие электротехники идет в направлении повышения напряжений, роста мощностей и увеличения частот. К электротех­ническим материалам, применяемым в электро- и радиотехнике, предъявляются более высокие, чем прежде, требования.

Повышение уровня характеристик может быть достигнуто как путем усовершенствования известных материалов, так и посредством синте­за новых диэлектриков. Так, для высокочастот­ной техники может представить интерес синтез керамических материалов с малыми потерями и высокой добротностью. В области электроизоля­ционных материалов, предназначенных для ра­боты при промышленной частоте, очень важно повысить их нагрево- и влагостойкость. Большие перспективы в этом отношении имеют электро­изоляционные композиции на основе кремний-органических полимеров, эпоксидных и полиуретаиовых смол.