ЕТМ_т_студ / ЕТМ_лк_pdf / ЕТМ_лк3-Ізоляційні матеріали

Л е к ц і я 3

ЕЛЕКТРОІЗОЛЯЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

План лекції

1Газоподібні діелектрики.

2Рідкі діелектрики.

2.1Природні рідкі діелектрики.

2.2Штучні рідкі діелектрики.

3Електроізоляційні матеріали, що твердіють.

3.1Смоли.

3.2Електроізоляційні лаки та емалі.

3.3Електроізоляційні компаунди.

Література: 1. ст. 62-86, 94-99; 2 ст. 40-57; 3. ст. 106-159; 4. ст. 26-36; 5. ст.193200. 210-227; 6. ст. 146-153, 164-178.

1 Газоподібні діелектрики

Основними перевагами газів у порівнянні із іншими видами діелектрич-

них матеріалів є: високий питомий опір, малий тангенс кута діелектричних втрат, низька діелектрична проникність. Основним недоліком газоподібних діе-

лектриків є низька електрична міцність.

До газоподібних діелектриків відноситься повітря, азот, вуглекислий газ,

водень, гелій, неон, фреон, елегаз та ін.

Найбільш важливим і поширеним газоподібним діелектриком є повітря.

Повітря використовується в сухих трансформаторах, кабелях, конденсаторах,

високовольтних вимикачах, в лініях електропередач. При напругах до кількох

При зменшенні електричної міцності повітря на проводах ліній електропередач може виникати “корона” (пробій газу). “Корона” має вигляд голубуватого сві-

тіння і супроводжується потріскуванням, вона може переходити у іскровий ро-

35

зряд, а потім і в дугу. Явище “корони” пов’язане із значними втратами енергії.

Азот – газ без кольору та запаху, має однакову з повітрям електричну міцність та діелектричну проникність. Завдяки цьому він часто застосовується для заповнення газових конденсаторів. Також азот використовується в масло наповнених трансформаторах для захисту масла від контакту з повітрям (кис-

нем) і вологою (азотний захист).

Водень – дуже легкий газ без кольору та запаху, має високу питому теп-

лопровідність і теплоємність. Електрична міцність водню становить 60% від міцності повітря. Використовується як охолоджуюче середовище в електричних машинах великої потужності. При цьому, також, помітно зменшуються втрати на тертя ротору машини в газі, та уповільнюється старіння органічної ізоляції обмоток машини. Водень також використовується в якості відновлювального середовища при паянні та термічній обробці.

Гелій – інертний газ. Гелій не горить та не підтримує горіння. Електрич-

на міцність гелію в 17 разів менша міцності повітря. Застосовується в якості низькотемпературного хладогену.

Елегаз (SF6, шести фториста сірка) – не токсичний, хімічно стійкий газ,

не розкладається при нагріванні до 8000 С, має в 2,5 рази більшу електричну мі-

цність у порівнянні із повітрям ( = 2,5). Використовується у газонаповнених конденсаторах, кабелях та у високовольтних вимикачах. Має значні переваги при підвищеному тиску.

Для зменшення вартості елегаз часто використовують у суміші із азотом.

Для заповнення електровакуумних приладів та ламп застосовуються іне-

ртні гази аргон, неон та інші.

2 Рідкі діелектрики

Рідкі діелектрики використовуються у якості: просочувального середо-

вища для волокнистих матеріалів, складової частини електроізоляційних лаків,

охолоджуючого та дугогасного середовища.

36

Рідкі діелектрики діляться на природні і синтетичні, а природні в свою чергу ділять на рослинні олії та нафтові масла. Олії діляться на ті, що висиха-

ють і ті що не висихають.

2.1 Природні рідкі діелектрики

Рослинні олії. До олій, що висихають відносять лляну та тунгову олії.

Ці олії під впливом освітлення, нагрівання, або взаємодії із повітрям переходять у твердий стан. При цьому вони утворюють тверду ізоляційну плівку із висо-

кими ізоляційними властивостями. Для прискорення процесу висихання олій застосовують сиккативи. Перелічені олії використовуються для виготовлення ізоляційних лаків та лакотканин, вони міцні та вологостійкі. Недоліком цих олій є їх здатність до старіння та низька стійкість до ароматичних вуглеводнів

(бензол).

До олій що не висихають відноситься рицинова олія. Вона використову-

ється для просочування паперових конденсаторів. Рицинова олія не розчиня-

ється в бензині та в етиловому спирті, не викликає набухання резини. Недолі-

ком рицинової олії є низька термічна стабільність і здатність до загусання.

Нафтові масла розділяють на трансформаторні, кабельні та конденса-

торні. Останні відрізняються більш якісним очищенням та поліпшеними харак-

теристиками. Нафтові масла одержують внаслідок перегонки нафти із наступ-

ним його очищенням.

Трансформаторне масло розділяють на чисте сухе (свіже) та експлуата-

ційне, те, що знаходиться у роботі.

Основні характеристики свіжого трансформаторного масла:

Загальний вигляд масла. Свіже масло має світло-жовтий колір. Під час експлуатації воно темніє. Швидке і сильне потемніння під час експлуатації зумовлене його перегріванням. Якісне масло повинно мати легкий запах

керосину.

Присутність сірки в маслі не допустима – вона сприяє корозії металів.

37

Густина трансформаторного масла повинна бути якомога меншою

(D = 850 ... 900 кг/м3), якщо це не впливає на інші характеристики. При змен-

шенні густини, домішки, що присутні в маслі опускаються на дно баку транс-

форматора, а при її збільшенні вони піднімаються на поверхню масла. При цьому можуть утворюватися струмопровідні містки.

Кислотність свіжого масла повинна бути не більше 0,05 мг/г.

Діелектрична проникність – 2,2...2,3. Питомий об’ємний опір = 1012 ...1013 Ом∙м.

Електрична міцність – Епр = 25...62,5 кВ/2,5 мм (10…25 МВ/м). Температура спалаху – не нижче 135 0С.

Температура застигання – –350С (-700С). Кінематична в’язкість – 17...18,5 м2/с.

Електроізоляційне масло забезпечує надійну ізоляцію, поліпшує охоло-

дження обмоток і магнітопроводу силових трансформаторів.

Умасляних вимикачах масло охолоджує дугу і сприяє її швидкому

гасінню.

Укабелях із паперово-масляною ізоляцією і паперових конденсаторах масло поліпшує ізоляцію та збільшує ємність конденсаторів.

Основні недоліки нафтових масел це низька температура спалаху, висо-

ка горючість, та мала діелектрична проникність. При роботі в електричних апа-

ратах, внаслідок окислення масло старіє. Властивості експлуатаційного масла відновлюють шляхом очищення (регенерації).

2.2 Штучні рідкі діелектрики.

Синтетичні рідкі діелектрики застосовують в тих випадках, коли необ-

хідно забезпечити тривалу роботу електричних апаратів при підвищених тепло-

вих навантаженнях та напруженості електричного поля в пожежота вибухоне-

безпечному середовищі. До синтетичних рідких діелектриків відносяться ріди-

ни на основі хлорованих вуглеводнів, кремнійта фторорганічних з’єднань.

Совол (С12Н5Cl5, пентахлордифеніл) – це не горюча, полярна, в’язка,

прозора і безбарвна, токсична та біологічно шкідлива рідина з діелектричною

38

проникністю = 5,2. Широко застосовується для просочування паперових ни-

зьковольтних конденсаторів, ємність останніх підвищується на 50 % у порів-

нянні із масляними.

Переваги: не горючий, не окислюється на повітрі.

Недоліки: токсичність та висока в’язкість, велика вартість.

Совтол – це суміш соволу із трихлорбензолом. За діелектричними влас-

тивостями та в’язкістю він наближається до трансформаторного масла. Совтол вибухота пожежобезпечний, допускає робочу температуру до 150 0С. Елект-

рична міцність при 20 0С не перевищує 14…18 МВ/м.

Совтол застосовується в силових трансформаторах. Об’єм таких транс-

форматорів на 30-50 % менший ніж масляних, вони пожежота вибухонебезпе-

чні, не потребують додаткових огороджень.

Недоліки: совтол дуже добре розчиняє органічні матеріали, тому може застосовуватись лише в комплексі із спеціальною ізоляцією із скла або слюди.

Кремнійорганічні рідини – полімери із низьким ступенем полімериза-

ції, в молекулах яких є сілоксанна група (Si2O). Ці рідини не токсичні та еколо-

гічно безпечні. До них відносяться полідиметилсилоксанові, полідиетилсилок-

санові та поліметилфенилсилоксанові рідини.

Кремнійорганічні рідини не горючі, хімічно інертні, мають низьку тем-

пературу застигання (-80 0С), низьку гігроскопічність та підвищену нагрівостій-

кість (можуть працювати довго при температурі 2500С і короткочасно при

350 0С). Вони характеризуються незначною залежністю в’язкості від темпера-

тури. Для цих рідин = 2,5...3,5, а їх електрична міцність Епр = 50...65

кВ/2,5мм.

Кремнійорганічні рідини застосовуються в імпульсних трансформато-

рах, в конденсаторах, які працюють при низьких та високих температурах.

Фторорганічні рідини – це похідні вуглеводнів у яких атоми водню, ча-

стково, або повністю, заміщені фтором (фреони).

39

Фторорганічні рідини мають підвищену нагрівостійкість (до 300 0С),

повністю не горючі, хімічно стабільні, не гігроскопічні, пожежота вибухобезпечні.

Застосовуються для просочування та заливки конденсаторів, трансфор-

маторів. Фторорганічні рідини здатні значно підвищити відвід тепла силових трансформаторів. При заміні трансформаторного масла на фтророрганічну охо-

лоджуючу рідину одержується покращення відводу тепла в декілька разів.

Недолік: при високих температурах вони токсичні, а це потребує додат-

кової герметизації апаратів де ці рідини використовуються.

3 Електроізоляційні матеріали, що твердіють

Електроізоляційні лаки та компаунди займають проміжне положення між рідкими та твердими ізоляційними матеріалами, вони складають групу матеріа-

лів, які рідкі у вихідному стані (під час застосування) і тверді після застосування.

3.1 Смоли

Основою лаків та компаундів є смоли. За походженням вони діляться на природні та на синтетичні.

Природні смоли – це продукт життєдіяльності рослин та живих організ-

мів. До них відносяться каніфоль, шелак та копали.

Каніфоль – це суміш органічних кислот, яку одержують шляхом відгон-

ки рідких складових часток живиці (смоли хвойних дерев).

Каніфоль застосовується у складі покривних та заливних лаків з метою уповільнення їх старіння, прискорення висихання та підвищення діелектричних характеристик. Каніфоль добре розчиняє окис міді при підвищеній температурі,

тому вона широко застосовується для паяння міді у якості флюсу.

Шелак – матеріал, який одержують шляхом очищення гумілаку (виді-

лення деяких тропічних комах на деревах).

Шелак добре розчиняється у спирті, частково розчиняється в ацетоні,

майже не розчиняється в бензині. Розплавлений шелак сумісний із каніфоллю,

копалами, гліфталями та бітумами.

40

Шелак застосовують у складі лаків для склеювання, для виготовлення ізоляції на основі слюди.

Копали (буршт ин) – викопна смола рослин, які існували десятки ти-

сяч років тому. Основною перевагою полірованого бурштину є те, що його по-

верхневий опір майже не залежить від вологості. Він практично не розчиняєть-

ся в будь-яких розчинниках. Температура плавлення Т пл = 300 0С.

Застосовують бурштин в якості добавки до лаків, його застосування ду-

же обмежене із-за високої вартості.

Синтетичні смоли діляться на термопластичні та термореактивні.

Термопластичні смоли характеризуються двома стадіями стану – вихі-

дним та під час нагрівання. При нагріванні вони розплавляються, їх хімічний склад при цьому не змінюється, вони легко розчиняються в розчинниках. При подальшому нагріванні вони випаровуються і руйнуються.

Основними представниками синтетичних термопластичних смол є: полі-

аміди, полііміди, поліуретани та ін.

Поліаміди – термопластичні полярні діелектрики із лінійною структу-

рою. Вони мають високу механічну міцність, малий коефіцієнт тертя, високу еластичність, хімічно стійкі. Але вони мають не високі діелектричні властивос-

ті, які сильно залежать від підвищення температури ( = 1011 Ом∙м; = 3,5).

Найбільш поширені поліаміди – капрон, найлон. Їх застосовують для ви-

готовлення волокон, текстилю, гвинтів, шайб та ін.

Полііміди – органічні полімери із високою нагрівостійкістю (3000С, та

5000С короткочасно) та високими діелектричними властивостями ( =1016Ом ∙м).

Використовують полііміди для виготовлення плівок, лаків та емалей.

Поліуретани – лінійні термопластичні матеріали, які після затвердіння перетворюються в термореактивні полімери. Стійкі до окислення, впливу кис-

лот, розчинників, вологи та морозу. Діелектричні характеристики дещо вищі ніж у полдіамідів ( = 1012 Ом∙м, = 4,5).

Поліуретани застосовуються для виготовлення тканин, покривних лаків,

компаундів, клеїв плівок.

41

Термореактивні смоли при нагріванні розплавляються, а потім зазнають безповоротних змін – вони запікаються і набувають значної механічної міцності.

При цьому вони втрачають властивість плавитися і розчинятися в розчинниках.

Основні представники синтетичних термореактивних смол: епоксиди,

поліефіри, фенолформальдегіди та кремнійорганічні смоли.

Епоксидні смоли представляють собою термопластичні низько плавкі рідкі матеріали, які легко розчиняються у розчинниках, не розчиняються у воді,

мало розчиняються у спирті, мають значний термін зберігання без втрати властивостей.

Після додавання отверджувачів вони швидко твердіють. Після затвердін-

ня вони стають термореактивними. Епоксидні смоли в рідкому стані токсичні.

Епоксидні смоли використовують для виготовлення лаків, клеїв,

компаундів.

Кремнійорганічні смоли – кремнійорганічні полімери із просторовою структурою. Вони мають високу нагрівостійкість (до 2000С), високу холодо-

стійкість (до -600С), малу гігроскопічність, хімічно інертні.

Кремнійорганічні смоли використовують для виготовлення слюдяного паперу, компаундів, лаків, покривних емалей, лакотканин.

Поліефірні смоли за властивостями близькі до природних смол. До них відносяться лавсанова, гліфталева смоли та полікарбонати.

Питомий електричний опір поліефірних смол = 1011 Ом∙м, = 4.

Лавсан використовують для виготовлення волокон, тканин та плівок.

Гліфталеву смолу використовують в якості основи для лаків пластмас та клеїв.

Полікарбонати використовують для виготовлення шаруватих пластиків,

компаундів, плівок.

Фенолформальдегідні смоли – це продукт поліконденсації фенолу у во-

дному розчині формальдегіду. Основною їх особливістю є здатність разом із наповнювачами утворювати фенопласти яки мають високу міцність та добрі електроізоляційні властивості ( = 1012 Ом∙м; = 5,5).

42

Фенолформальдегідні смоли застосовують для виготовлення шаруватих пластиків, корпусів електротехнічних виробів, лаків, клеїв, для заміни шелаку.

3.2 Електроізоляційні лаки та емалі

Лаки – це колоїдні розчини смол, бітумів або масел, що становлять лакооснову і летких розчинників. Крім цього до складу лаків можуть входити сиккативи, пластифікатори, інгібітори та розріджувачі.

Лаки класифікують за цілим рядом ознак:

– за застосуванням – для склеювання, покривні, просочувальні, спеціальні;

– за складом – олійні, олійно-бітумні, олійно-смоляні, олійногліфталеві, гліфталеві та ін.;

–за умовами експлуатації – нормальні, маслостійкі, бензостійкі, вологостійкі та кислотостійкі;

–за нагрівостійкістю – нормальної (1050С) , підвищеної (1350С), високої (1800С);

–за впливом температури – термопластичні та термореактивні;

–за режимом сушіння – холодного, та гарячого сушіння. Електроізоляційні лаки застосовуються при виготовленні, експлуатації

та ремонті електричних машин та апаратів.

Покривні лаки служать для утворення механічно міцної, гладенької, вологостійкої плівки на поверхні твердої ізоляції. Ця плівка підвищує напругу поверхневого розряду та поверхневий опір ізоляції, захищає лакований виріб від впливу вологи, розчинників та хімічно активних речовин.

До покривних лаків відносять кремнійорганічні лаки, лаки на полівінілацитатній основі, олійні, поліамідні, поліамідні, целюлозні та ін.

Основні характеристики: = 1011 …1012 Ом∙м, Е пр = 55…75 МВ/м. Просочувальні лаки служать для просочування пористої та волокнистої

ізоляції. Після просочування пори в ізоляції виявляються заповнені не повітрям а висушеним лаком. Результатом просочування є підвищення електричної міцності, теплопровідності, нагрівостійкості, зменшення гігроскопічності.

До просочувальних лаків відносяться кремнійорганічні, бітумно-олійні, олійно-алкідні та ін. Основні характеристики: = 1011 …1013 Ом∙м,

Епр = 55…90 МВ/м.

Лаки для склеювання застосовують для склеювання твердих електроізоляційних матеріалів між собою, або для приклеювання їх до металу.

43

До клеючих лаків відносяться поліуретанові та епоксидні клеї, клеї на основі фенол формальдегідної смоли, гліфталевий лак та ін.

Олійні лаки утворюють після висихання гнучкі еластичні плівки, стійкі проти вологи та нагрітого трансформаторного масла. Для виробництва цих лаків використовують лляну та тунгову олії. Олійні лаки виготовляють під номе-

рами 152, 202, 302, 802.

Олійно-бітумні лаки утворюють гнучкі плівки чорного кольору, стійкі проти вологи, але легкорозчинні в мінеральних маслах. Такі лаки широко застосовують для просочування електричних машин, сухих трансформаторів та ін. апаратів. Їх виготовляють під номерами 317, 318, 441, 447, 458, 460, 662.

Гліфталеві та олійно-гліфталеві лаки мають підвищену нагрівостій-

кість та масло стійкість, але вимагають гарячого сушіння (100-1300С). Їх використовують для склеювання слюди, паперу, тканин та пластмас. Основні представники даної групи: 1155, 1154, 1229, Г-627, НФ-95, МЛ-92 та ін.

Кремнійорганічні лаки характеризуються високими електроізоляційними властивостями, підвищеною вологостійкістю та значною нагрівостійкістю (1800С). Їх використовують у поєднанні із скловолокнистою, слюдяною та азбестовою ізоляцією. Виготовляють такі лаки: К -43, К- 44, К- 55, К- 57 та ін.

Емалі – це спеціальні лаки, до складу яких введені пігменти (окиси цинку, титану та ін.). Це збільшує міцність, теплопровідність нагрівота дугостійкість лакового покриття. З електроізоляційних емалей широко використовують гліфталево-олійні (СПД, СВД, КПЛ, КВД), нітрогліфталеві (1201, 2450), кремнійорганічні (ПКЭ-15, ПРЕЭ-13 та ін).

3.3 Електроізоляційні компаунди

Електроізоляційні компаунди – це просочувальні та заливні суміші, які не мають у своєму складі розчинників і знаходяться у момент застосування при нормальній або підвищеній температурі в рідкому стані та твердіють після застосування внаслідок охолодження, або хімічних процесів. Внаслідок відсутності розчинників компаунди краще за лаки забезпечують герметизацію вузлів електричних машин та апаратів.

Залежно від складу компаунди бувають термопластичними та термореактивними. До термопластичних належать компаунди на основі бітумів, воскоподібних речовин та термопластичних смол. Термореактивні компаунди виго-

44