2. Материалы для изготовления изоляторов

Конструкция изолятора, а также его электрические и механические характеристики в значительной мере зависят от применяемых для его изготовления материалов.

Изоляторы состоят из диэлектрика, металлической арматуры, служащей для их механического крепления, и материалов, связывающих арматуру с диэлектриком.

Диэлектрические материалы, из которых изготовляются изоляторы, должны иметь высокую электрическую прочность на пробой, достаточную механическую прочность и хорошо противостоять неблагоприятным атмосферным воздействиям. Всем этим требованиям удовлетворяет электротехнический фарфор, являющийся наиболее распространённым диэлектриком, применяемым для изготовления изоляторов. Электрическая прочность фарфора в однородном поле при толщине образца 1,5 мм составляет 22 - 28 кВ/мм.

С увеличением толщины фарфора средние пробивные градиенты его уменьшаются. В изоляторах поле неоднородно, поэтому средняя электрическая прочность фарфора в них меньше. На рис. 1.3 приведена средняя электрическая прочность фарфора в неоднородном поле при переменном напряжении в зависимости от толщины образца. При импульсных напряжениях электрическая прочность фарфора на 50 - 70% выше, чем при промышленной частоте.

Механическая прочность фарфора зависит от вида деформации. Очень хорошо фарфор работает на сжатие и значительно хуже на изгиб и, особенно, на растяжение. Временное сопротивление глазурованных стандартных образцов диаметром 2-3 мм при сжатии равно 4500кГ/см а при изгибе и растяжении значительно меньше:700 и 300кГ/см соответственно. Механическая прочность фарфора в изоляторах зависит от конструкции арматуры и способа её соединения с фарфором и всегда уменьшается с увеличением площади сечения фарфора. При сжатии это уменьшение механической прочности меньше, чем при изгибе и растяжении (рис. 1.4). Толщина фарфоровых стенок в изоляторах обычно не превышает 30-40 см. Если такая толщина по электрической и механической прочности оказывается недостаточной, применяются составные конструкции. Только в стержневых изоляторах, где пробой фарфора невозможен, допускается большая толщина фарфора.

В проходных изоляторах из фарфора делаются только наружные покрышки. Для внутренней изоляции этих изоляторов применяются трансформаторное масло, бумага, изоляционные массы, которые предохраняются от атмосферных воздействий фарфоровыми покрышками.

В последнее время для изготовления тарелочных и штыревых изоляторов всё шире применяется стекло.

Стеклянные изоляторы значительно дешевле фарфоровых, вместе с тем по своим электрическим и механическим характеристикам они не уступают последним. Характеристики в значительной мере зависят от химического состава стекла, особенно от содержания в стекле щелочей. Наличие в составе стекла растворимых щелочей повышает гигроскопичность поверхности изоляторов, а следовательно, увеличивает поверхностную проводимость. В результате электрические свойства изоляторов из щелочного (обычного) стекла хуже, чем из мало щелочного стекла или фарфора. Электрическая пробивная прочность щелочного стекла составляет 17,9 кВ/мм, а мало щелочное стекло имеет прочность 48 кВ/мм, т.е. в 2 раза больше, чем фарфор.

Ионный характер электрической проводимости стекла с большим содержанием щелочей приводит к электролизу при работе стекла под напряжением. Вследствие этого изоляторы из щелочного стекла не могут применяться в установках постоянного напряжения. При переменном напряжении электролиз практически отсутствует и старение изоляторов происходит много медленнее.

Механическая прочность отожженных образцов из стекла больше, чем фарфоровых. Внутренние механические напряжения в стекле относительно легко снимаются при отжиге. В фарфоре внутренние напряжения практически всегда остаются, и это снижает его прочность.

Щелочное стекло обладает высоким температурным коэффициентом расширения, поэтому изоляторы из такого стекла под влиянием резких перепадов температуры во время эксплуатации разрушаются. Это ограничивает область применения их внутренними установками, не подверженными резким изменениям температуры.

Изоляторы для наружных установок изготовляются из малощелочного стекла с последующим отжигом. Щелочное стекло может быть использовано только в том случае, если изоляторы подвергаются закалке, которая сообщает им высокую механическую прочность.

При закалке стекло нагревают до высокой температуры (650°С – для щелочного стекла, 780°С – для малощелочного), затем обдувают холодным воздухом. При этом внешние слои изолятора затвердевают, а внутренние при последующем охлаждении продолжают уменьшаться в объёме. Внешние слои стекла получают при этом напряжение сжатия, внутренние – напряжение растяжения. При приложении к такому изолятору растягивающей нагрузки разрушение наступает лишь тогда, когда будут преодолены или скомпенсированы сжимающие усилия во внешних слоях. В результате прочность закалённого изолятора оказывается значительно больше, чем отожженного изолятора.

Закаленные изоляторы из мало щелочного стекла хорошо противостоят динамическим нагрузкам, способны выдерживать удары и падения с большой высоты. Однако такие изоляторы дороже и их применяют в тех случаях, когда требуются весьма высокая механическая прочность и термическая устойчивость.

В таблице 1.2 приведены сравнительные электрические и механические характеристики электротехнического фарфора, отожженного стекла и труб из бакелизированной бумаги.

Таблица 1.2 – Электрические и механические характеристики диэлектрических материалов, применяемых для изготовления изоляторов

	Диэлектрик
Характеристики	Электротехнический фарфор	Стекло		Трубы из бакелизированной бумаги
		малощелочное	щелочное
Пробивная прочность образцов,квдейст/мм	22-28	48	17,9	10-15
Диэлектрическая проницаемость,	5,5-7	5,5-10		4-5
tg при температуре 20 С	2-4%	2-3%	6-7%	6%
Удельное поверхностное сопротивление, при влажности 65%,Ом	3*10	4*10	1,5*1012	1010
Удельное объемное сопротивление при 200С,Ом см	1013	4,5*1014	4*1012	1012
Коэффициент линейного термического расширения	4*10 - 6	5*10 - 6	9,4*10 - 6	_
Временное сопротивление, кГ/см2
на сжатие	4500	7000		400
на изгиб	700	650(закаленные	до 2500)	800
на растяжение	300	600		500

Опорные и проходные изоляторы могут выполняться из бакелизированной бумаги. При высокой температуре бумага покрывается бакелитовым лаком и наматывается в трубы. После намотки изоляторы подвергаются термической обработке, в результате которой бакелит переходит в нерастворимое и не размягчаемое под влиянием тепла состояние. Поверхность изолятора лакируется. Изготовленная таким образом бумажно-бакелитовая изоляция имеет довольно высокие электрические и механические характеристики (таблица 4.2.1).

Арматура изоляторов изготовляется из чугуна (простого или ковкого) или стали, а при больших токах, чтобы избежать чрезмерного ее нагревания из-за перемагничивания, применяется немагнитный чугун или цветные металлы. Конструкция арматуры и способ ее соединения с диэлектриком существенно влияют на механическую прочность изоляторов, так как арматура, передавая внешние усилия на диэлектрик, обусловливает распределение в нем механических напряжений. Соединение арматуры с диэлектриком осуществляется в большинстве случаев с помощью портланд­цемента. Применяется также механическое крепление без цементирующих связок.