4.9. Электроизоляционные материалы (эим)

В электрических машинах и аппаратах все токоведущие части надежно изолируют одну от другой и от окружающих деталей материалами, не проводящими электрического тока (т.н. диэлектриками) – электроизоляционные материалы.

Применяют большое количество разнообразных изоляционных материалов, отличающихся друг от друга электрическими, механическими и химическими свойствами.

Важнейшими электрическими характеристиками ЭИМ являются:

1. – электрическая прочность, характеризующаяся пробивным напряжением «Uпр». Uпр в несколько раз больше «Uном». Отношение Uпр/Uном определяет запас прочности изоляции;

2. – удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное).→ [Ом·м];→ [Ом]. Изменение изоляционных свойств под влиянием атмосферных воздействий и света, а так же от механического повреждения называютсястарением изоляции;

3. – диэлектрическая проницаемость и значение диэлектрических потерь – (эпсилон).– характеризует степень поляризации диэлектрика, а следовательно, и влияние поля его поляризованных молекул на результирующую напряженность.→ [Ф/м];

4. – угол диэлектрических потерь (для ~ тока).

Однако для практических целей большее значение имеют и другие характеристики этих материалов:

– механическая прочность;

– гибкость и эластичность;

– нагревостойкость;

– морозостойкость;

– гигроскопичность;

– химическая стойкость и др.

Нагревостойкость – одно из самых важных качеств электроизоляционных материалов, так как оно определяет допустимую нагрузку электрических машин и аппаратов. При повышении температуры многие из этих материалов начинают обугливаться и становятся проводниками, но задолго до обугливания приобретают хрупкость и теряют свои изоляционные свойства – это и есть процесс теплового старения.

Способность электроизоляционных материалов выдерживать без вреда для них воздействие повышенной температуры, а также резкие смены температуры называются – нагревостойкостью.

Электроизоляционные материалы по нагревостойкости делят на семь классов (см. табл. 4.1).

В табл. 4.2. приведены в качестве примера предельно допускаемые превышения температуры для отдельных частей тяговых электрических машин при продолжительном режиме работы при измерении температуры обмоток по методу сопротивления (т.е. по измерению сопротивления соответствующей обмотки в результате нагрева), а температура коллектора и контактных колец с помощью термометров при t _окр.ср. = 25 °С.

Волокнистые ЭИМ – растительного происхождения (бумага, картон, хлопчатобумажные и шелковые волокна, ткани и ленты), а также некоторые синтетические текстильные материалы, получаемые химической переработкой отдельных веществ: искусственный шелк, синтетические волокна (капрон, нейлон), материалы из полистирола, полихлорвинила, полиамидные и триацетатные пленки (Y, A, E). Их недостаток – высокая гигроскопичность (т.е. легко поглощают влагу). Преимущество – высокая механическая прочность.

Таблица 4.1

Класс изоляции	Предельно-допустимая температура при длительной работе, ° С	Краткая характеристика основных электроизоляционных материалов данного класса
Y	90	Волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка и натурального шелка, не пропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный материал
A	105	Волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или натурального, искусственного или синтетического шелка, пропитанные жидким электроизоляционным материалом или погруженные в них: лакоткани, ленты, электрокартон, гетинакс, текстолит.
		Окончание табл. 4.1
E	120	Синтетические органические материалы (пленки, волокна, смолы, компаунды и др.)
B	130	Материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, содержащие органические связующие и пропитывающие составы (миканиты, микафолии, стеклоленты, стеклоткани)
F	155	Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие синтетические связующие и пропитывающие составы.
H	180	Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, содержащие кремнийорганические связующие и пропитывающие составы (миканиты, слюдиниты, стекломиканиты, стеклослюдиниты, стеклолакоткани и стеклотекстолиты)
C	Более 180	Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов или с неорганическими или элементоорганическими связующими составами

Таблица 4.2

Предельно-допустимые превышения температур, ºС

Части машин	Предельно-допустимые превышения температур, ºС при классе изоляции
	A	E	B	F	H
Обмотки якоря машин постоянного тока и обмотки переменного тока синхронных машин	85	105	120	140	160
Многослойные обмотки возбуждения машин постоянного и переменного тока, компенсационные обмотки	85	115	130	155	180
Однорядные обмотки возбуждения с неизолированными поверхностями	85	115	130	155	180
Коллекторы и контактные кольца	95	95	95	95	105

Для улучшения изоляционных свойств волокнистых ЭИМ их поры заполняют различными твердеющими влагонепроницаемыми веществами. Процесс заполнения воздушных пор волокнистых ЭИМ твердеющими электроизоляционными веществами называют пропиткой.

Для пропитки применяют лаки и эмали, различающиеся и по составу, и по назначению. Каждый из них имеет свою технологию применения. Эти подробности детально указываются в стандартах и технических условиях на соответствующие лаки.

Наибольшее распространение получили следующие сорта лаков:

1. Светлые масляные лаки; имеют в качестве основы высыхающие масло, а в качестве растворителя – бензин, обычный или лаковый керосин или же их смеси (служит для покрытия листов электротехнической стали и проволоки с эмалевой изоляцией, для изготовления светлых лакотканей и пр). Имеют высокие изолирующие и защитные св-ва, но не маслостойки;

2. Черные битумные лаки холодной сушки; изготавливают из асфальтов и нефтяных битумов, растворенных в бензоле, толуоле или скипидаре или же в смеси их с бензином и лаковом керосином. Применяют в качестве антикоррозийных покрытий стальных деталей;

3. Черные масляно-битумные лаки; применяются в качестве пропиточных и покровных лаков при производстве и ремонте электрических машин;

4. Шеллачный лак – раствор шеллака в спирте; применяется как клеящий лак при изготовлении миканитов и при различных электромонтажных и ремонтных работах. Требуют горячей сушки, но могут быть использованы и как лаки холодной сушки. (Шеллак – воскоподобное вещество, выделяемое тропическими насекомыми);

5. Глифталевые лаки, содержащие в качестве основы глифталевые синтетические смолы, а в качестве растворителя – ацетон, смесь толуола и бензина и др. Маслостойки, обладают хорошими изоляционными и защитными свойствами и являются лаками печной сушки.

Применяют для изготовления серых эмалей, используемых для покрытия деталей электрических машин и аппаратов. (ГФ – 95);

6. Бакелитовые лаки – синтетические смолы бакелита в спирте. Пропиточный и клеящий лак горячей сушки, дающий механически прочную, но мало эластичную и склонную к тепловому старению пленку;

7. Нитроцеллюлозные лаки (нитролаки); представляют собой раствор целлюлозы в различных растворителях. Дают хорошую быстросохнущую защитную, но не теплостойкую пленку.

В последнее время для изоляции эл. машин и аппаратов широко применяют различные волокнистые ЭИМ неорганического происхождения: стеклянное волокно и асбест. Для их склеивания и пропитки применяют кремнийорганические лаки и смолы большей нагревостойкости.

Минеральная изоляция более нагревостойка, чем волокнистые органические изоляционные материалы, лаки и смолы.

В электроизоляционной технике нашли применение только слюдяные, асбестовые, стеклянные и керамические изделия.

Слюду не применяют непосредственно, а используют в виде клееных слюдяных изделий, называемых миканитами.

Миканиты – это листовые или рулонные материалы, склеенные из отдельных лепестков слюды клеящими лаками или смолами. Иногда используют подложку волокнистую из бумаги или ткани с одной или с двух сторон. Подложка увеличивает механическую прочность материала и затрудняет отставание лепестков слюды при изгибе.

В электромашиностроении применяют различные сорта миканита:

– коллекторный;

– прокладочный;

– формовочный;

– гибкий;

– микалента;

– микафолий – (тонкая бумага, на которую наклеены пластинки слюды);

– стекломикафолий – (подложка из стеклоткани).

Листовые и рулонные миканитовые материалы, у которых в качестве подложки использованы стеклоткани или стеклоленты, называют стекломиканитом, стекломиколентой, стекломикафолием.

Якорные обмотки относят к наиболее ответственным частям ТЭД. Применяют только шаблонные обмотки, состоящие из отдельных катушек (секций), которые изготовлены в специальных шаблонах и закладываются в пазы в готовом виде. Для размещения в пазах каждая катушка имеет 2 стороны: верхнюю и нижнюю.

Обмотки ТЭД изготовлены только из меди прямоугольного сечения. Выбирая сечение проводников, исходят прежде всего из условия нагревания, принимают удельную плотность тока как (– фактор нагрева якоря [А / см·А / мм²]; – линейная нагрузка [А / см]).

Таблица 4.3

Факторы нагрева для ТЭД

Исполнение машины	Класс изоляции
	A	B	F	H
Закрытое	1000-1100	1300-1400	–	–
С самовентиляцией	1400-1500	1700-2000	2000-2400	2500-3000
С независимой вентиляцией	–	2200-2300	2500-3200	3000-3600

Допустимые значения устанавливают с учетом сроков службы изоляции. В зависимости от структуры изоляции каждого класса сроки службы Тслнепостоянны.

В ТЭД обычно принимают Sп = 6 ÷ 14. Изоляция этих проводников работает в наиболее тяжелых условиях. На нее действуют центробежные и динамические силы, резко изменяющиеся температуры, интенсивное загрязнение и увлажнение.

Вы знаете 3 вида изоляции (витковая, корпусная, покровная).

Все эти виды должны обладать:

а) высокой теплоемкостью;

б) механической прочностью;

в) хорошими диэлектрическими свойствами;

г) иметь высокую стабильность этих свойств (а, б, в).

Продолжительное время применяли изоляцию класса «В» в виде композиции из неорганических составляющих (лепестковая слюда) и органических (бумага, ткань) на битумных или других органических лаках. Но у этой изоляции неоднородные свойства за счет неоднородности структуры.

В настоящее время заменяют органические составляющие неорганическими. Широко применяют стекловолокно и стеклоткани для замены бумаги, шелка, хлопчатой бумаги. Органические лаки заменяют кремнийорганическими с высокой теплостойкостью и стабильностью свойств.

Лепестковую слюду заменяют слюдинитами (однородный материал из мелкочешуйчатой слюды), эмалевыми пленками, защищенными стеклообмотками (провод ПЭТВСД), стеклоэскапоновой лентой (стеклолента, покрытая хлапоновым компаундом).

По мере исключения органических составляющих повышается теплостойкость изоляции (из «В» переходит в «F» и «H»).

Пример марки микаленты, применяемой в тепловозной передаче.

ЛФЧ-ББ: Л – микалента; Ф – флогопит; Ч – масляно-битумный лак (черный); ББ – двусторонняя с подложками из миканита.

Флогопит – минерал группы слюд подкласса смолистых силикатов;

Мусковит – породообразующий минерал гр. слюд подкласса смолистых силикатов;

Ф и М – чешуйчатые массы. Расщепляются на тончайшие листочки, обладающие высокими диэлектрическими свойствами.

1Л117. Изоляция класса «С» для тяговых двигателей!

(РЖ «Электротехника» 21л. Электрооборуд. тр-та 1986, № 1)

Для применения в качестве изоляции обмоток ТЭД разработана ЭИ, выполненная на основе селикон-каучукового компаунда и соответствующая классу «С» по нагревостойкости – макс. температура 240 ºС.

Эта ЭИ обладает высокой электрической и механической прочностью, близкой к прочности меди. Она сохраняет удовлетворительные механические и электрические свойства при нагреве её до t = 250 ºС в течение 30 мин.

ЭИ была использована при изготовлении 4000 ТЭД для электропоездов скоростного сообщения и 1000 ТЭД для метрополитена в г. Париж (Франция).