Электротехнические материалы, их свойства и применение

Эффективная и долговечная работа электрических машин и установок напрямую зависит от состояния изоляции, для устройства которой применяют электротехнические материалы. Они характеризуются набором определенных свойств при помещении в условия электромагнитного поля, и устанавливаются в приборах с учетом этих показателей.

Классификация электротехнических материалов позволяет разделить на отдельные группы электроизоляционных, полупроводниковых, проводниковых и магнитных материалов, которые дополняются основными изделиями: конденсаторами, проводами, изоляторами и готовыми полупроводниковыми элементами.

Материалы работают как в отдельных магнитных или электрических полях с определенными свойствами, так и подвергаются действию нескольких излучений одновременно. Магнитные материалы условно подразделяют на магнетики и слабомагнитные вещества. В электрической технике наиболее широко применяют сильномагнитные материалы.

Наука о материалах

Материалом называется субстанция, характеризующаяся отличным от других объектов химическим составом, свойствами и структурой молекул и атомов. Вещество находится в одном из четырех состояний: газообразном, твердом, плазменном или жидком. Электротехнические и конструкционные материалы выполняют в установке разнообразные функции.

Проводниковые материалы осуществляют передачу потока электронов, диэлектрические компоненты обеспечивают изоляцию. Применение резистивных элементов преобразовывает электрическую энергию в тепловую, конструкционные материалы сохраняют форму изделия, например, корпуса. Электротехнические и конструкционные материалы обязательно выполняют не одну, а несколько сопутствующих функций, например, диэлектрик в работе электроустановки испытывает нагрузки, что приближает его к конструкционным материалам.

Электротехническое материаловедение – это наука, занимающаяся определением свойств, изучением поведения вещества при воздействии электричества, тепла, мороза, магнитного поля и др. Наука изучает специфические характеристики, необходимые для создания электрических машин, приборов и установок.

Проводники

К ним относят электротехнические материалы, основным показателем которых является выраженная проводимость электрического тока. Это происходит потому, что в массе вещества постоянно присутствуют электроны, слабо связанные с ядром и являющиеся свободными носителями заряда. Они перемещаются с орбиты одной молекулы на другую и создают ток. Основными проводниковыми материалами считают медь, алюминий.

К проводникам относятся элементы, которые имеют удельное электрическое сопротивление ρ < 10^-5, при этом отличным проводником является материал с показателем 10^-8 Ом*м. Все металлы хорошо проводят ток, из 105 элементов таблицы только 25 не являются металлами, причем из этой разнородной группы 12 материалов проводят электрический ток и считаются полупроводниками.

Физика электротехнических материалов позволяет использование их в качестве проводников в газообразном и жидком состоянии. В качестве жидкого металла с нормальной температурой применяется только ртуть, для которой это естественное состояние. Остальные металлы используются как жидкие проводники только в разогретом состоянии. Для проводников применяют и токопроводящие жидкости, например электролит. Важными свойствами проводников, позволяющими различать их по степени электропроводности, считаются характеристики теплопроводности и способности к термальной генерации.

Диэлектрические материалы

В отличие от проводников, в массе диэлектриков содержится малое число свободных электронов продолговатой формы. Основным свойством вещества является его способность получать полярность под действием электрического поля. Это явление объясняется тем, что под действием электричества связанные заряды перемещаются в сторону действующих сил. Расстояние смещения тем больше, чем выше напряженность электрического поля.

Изоляционные электротехнические материалы тем ближе стоят к идеалу, чем меньше показатель удельной проводимости, и чем меньше выражена степень поляризации, которая позволяет судить о рассеивании и выделении тепловой энергии. Проводимость диэлектрика основана на действии незначительного количества свободных диполей, смещающихся в сторону действия поля. После поляризации диэлектрик образует субстанцию с разной полярностью, то есть на поверхности образуются два разных знака зарядов.

Применение диэлектриков наиболее обширно в электротехнике, так как используются активные и пассивные характеристики элемента.

К активным материалам, с поддающимся управлению свойствами, относят:

• пироэлектрики;
• электролюминофоры;
• пьезоэлектрики;
• сегнетоэлектрики;
• электреты;
• материалы для излучателей в лазере.

Основные электротехнические материалы — диэлектрики с пассивными свойствами, используют в качестве изоляционных материалов и конденсаторов обычного типа. Они способны отделить два участка электрической цепи один от другого и не допустить перетекания электрических зарядов. С их помощью осуществляется изоляция токоведущих частей, чтобы электрическая энергия не уходила в землю или на корпус.

Разделение диэлектриков

На органические и неорганические материалы делят диэлектрики, в зависимости от химического состава. Неорганические диэлектрики не содержат в своем составе углерода, тогда как органические формы имеют основным элементом углерод. Неорганические вещества, такие как керамика, слюда, имеют высокую степень нагревания.

Электротехнические материалы по способу получения делят на естественные и искусственные диэлектрики. Широкое применение синтетических материалов основано на том, что изготовление позволяет придать материалу заданные свойства.

По строению молекул и молекулярной решетки диэлектрики подразделяются на полярные и неполярные. Последние называют еще нейтральными. Отличие состоит в том, что атомы и молекулы до начала действия на них электрического тока обладают или нет электрическим зарядом. К нейтральной группе относятся фторопласт, полиэтилен, слюда, кварц и др. Полярные диэлектрики состоят из молекул с положительным или отрицательным зарядом, примером служит поливинилхлорид, бакелит.

Свойства диэлектриков

По состоянию диэлектрики делят на газообразные, жидкие и твердые. Наиболее часто применяются твердые электротехнические материалы. Их свойства и применение оцениваются с помощью показателей и характеристик:

• объемное удельное сопротивление;
• диэлектрическая проницаемость;
• поверхностное удельное сопротивление;
• коэффициент термической проницаемости;
• диэлектрические потери, выраженные тангенсом угла;
• прочность материала под действием электричества.

Объемное удельное сопротивление зависит от способности материала сопротивляться протеканию по нему тока постоянного значения. Показатель, обратный удельному сопротивлению, называется объемной удельной проводимостью.

Поверхностное удельное сопротивление определяется возможностью материала сопротивляться постоянному току, протекающему по его поверхности. Поверхностная удельная проводимость является обратной величиной к предыдущему показателю.

Коэффициент термической проницаемости отражает степень изменения удельного сопротивления после повышения температуры вещества. Обычно при увеличении температуры уменьшается сопротивление, следовательно, значение коэффициента становится отрицательным.

Диэлектрическая проницаемость определяет применение электротехнических материалов в соответствии со способностью материала создавать электроемкость. Показатель относительной проницаемости диэлектрика входит в понятие абсолютной проницаемости. Изменение емкости изоляции показывается предыдущим показателем коэффициента термической проницаемости, который одновременно показывает увеличение или уменьшение емкости с изменением температурного режима.

Тангенс угла потерь диэлектрика отражает степень потери мощности цепи относительно материала диэлектрика, подверженного действию электрического переменного тока.

Электротехнические материалы характеризуются показателем электрической прочности, который определяет возможность разрушения вещества под действием напряжения. При выявлении механической прочности существует ряд испытаний для установления показателя предела прочности на сжатие, растяжение, изгиб, кручение, при ударе и раскалывании.

Физические и химические показатели диэлектриков

В диэлектриках содержится определенное число высвобожденных кислот. Количество едкого калия в миллиграммах, необходимое для избавления от примесей в 1 г вещества, носит название кислотного числа. Кислоты разрушают органические материалы, оказывают отрицательное действие на изоляционные свойства.

Характеристика электротехнических материалов дополняется коэффициентом вязкости или трения, показывающим степень текучести вещества. Вязкость делят на условную и кинематическую.

Степень водопоглощения определяется в зависимости от массы воды, впитанной элементом испытательного размера после суток нахождения в воде при заданной температуре. Эта характеристика указывает на пористость материала, повышение показателя ухудшает изоляционные свойства.

Магнитные материалы

Показатели оценки магнитных свойств носят название магнитных характеристик:

• магнитная абсолютная проницаемость;
• магнитная относительная проницаемость;
• термический магнитный коэффициент проницаемости;
• энергия максимального магнитного поля.

Магнитные материалы подразделяются на твердые и мягкие. Мягкие элементы характеризуются небольшими потерями при отставании величины намагниченности тела от действующего магнитного поля. Они более проницаемы для магнитных волн, имеют небольшую коэрцитивную силу и повышенную индукционную насыщаемость. Используют их при устройстве трансформаторов, электромагнитных машин и механизмов, магнитных экранов и других приборов, где нужно намагничивание с малыми энергетическими упущениями. К ним относят чистое электролитное железо, железо – армко, пермаллой, электротехническую сталь в листах, никелево-железные сплавы.

Твердые материалы характеризуются значительными потерями при отставании степени намагниченности от внешнего магнитного поля. Получив один раз магнитные импульсы, такие электротехнические материалы и изделия намагничиваются, и долгое время сохраняют накопленную энергию. Они обладают большой коэрцитивной силой и большой емкостью остаточной индукции. Элементы с такими характеристиками применяют для изготовления стационарных магнитов. Представителями элементов служат сплавы на железной основе, алюминиевые, никелевые, кобальтовые, кремниевые компоненты.

Магнитодиэлектрики

Это смешанные материалы, на 75-80% содержащие в составе магнитный порошок, остаток массы заполняется органическим высокополимерным диэлектриком. У ферритов и магнитодиэлектриков повышенные значения объемного удельного сопротивления, маленькие вихревые потери тока, что позволяет применять их в высокочастотной технике. Ферриты обладают стабильностью показателей при различных частотных полях.

Область использования ферромагнетиков

Их используют наиболее эффективно для создания сердечников трансформаторных катушек. Применение материала позволяет намного увеличить магнитное поле трансформатора, при этом, не изменяя показания силы тока. Такие вставки из ферритов позволяют экономить расход электричества при работе прибора. Электротехнические материалы и оборудование после выключения внешнего магнитного воздействия сохраняют магнитные показатели, и поддерживает поле в соседнем пространстве.

Элементарные токи не проходят после выключения магнита, таким образом, создается стандартный постоянный магнит, который эффективно работает в наушниках, телефонах, измерительных приборах, компасах, звукозаписывающих устройствах. Очень популярны в применении постоянные магниты, не проводящие электричество. Получают их соединением железных окислов с другими различными оксидами. Магнитный железняк относится к ферритам.

Полупроводниковые материалы

Это элементы, которые имеют значение удельной проводимости, находящееся в промежутке этого показателя для проводников и диэлектриков. Проводимость этих материалов напрямую зависит от проявления примесей в массе, внешних направлений воздействия и внутренних дефектов.

Характеристика электротехнических материалов группы полупроводников говорит о существенном отличии элементов друг от друга по структурной решетке, составу, свойствам. В зависимости от указанных параметров, материалы подразделяют на 4 вида:

1. Элементы, содержащие в себе атомы одного вида: кремний, фосфор, бор, селен, индий, германий, галлий и др.
2. Материалы, содержащие в составе металлические окислы – медь, окись кадмия, цинка и др.
3. Материалы, объединенные в группу антимонид.
4. Материалы органики – нафталин, антрацен и др.

В зависимости от кристаллической решетки, полупроводники подразделяют на поликристаллические материалы и монокристаллические элементы. Характеристика электротехнических материалов позволяет разделять их на немагнитные и слабомагнитные. Среди магнетических компонентов различают полупроводники, проводники и непроводящие элементы. Четкое распределение выполнить затруднительно, так как многие материалы по-разному ведут себя в изменяющихся условиях. Например, работу некоторых полупроводников при пониженных температурах можно сравнить с действием изоляторов. Те же диэлектрики при нагревании работают, как полупроводники.

Композиционные материалы

Материалы, которые подразделяются не по функционированию, а по составу, называются композиционными материалами, это тоже электротехнические материалы. Их свойства и применение обусловлены сочетанием применяемых при изготовлении материалов. Примером служат листовые стекловолокнистые компоненты, стеклопластик, смеси электропроводного и тугоплавкого металлов. Применение равноценных смесей позволяет выявить сильные стороны материала и применять их по назначению. Иногда сочетание композитных составляющих приводит к созданию абсолютно нового элемента с другими свойствами.

Пленочные материалы

Большую область применения в электротехнике завоевали пленки и ленты, как электротехнические материалы. Свойства их отличаются от других диэлектриков гибкостью, достаточной механической прочностью и отличными изоляционными характеристиками. Толщина изделий варьируется в зависимости от материала:

• пленки делают толщиной 6-255 мкм, ленты выпускают 0,2-3,1 мм;
• полистирольные изделия в виде лент и пленок производят толщиной 20-110 мкм;
• полиэтиленовые ленты делают толщиной 35-200 мкм, шириной от 250 до 1500 мм;
• фторопластовые пленки изготавливают толщиной от 5 до 40 мкм, ширину предусматривают 10-210 мм.

Классификация электротехнических материалов из пленки позволяет выделить два вида: ориентированные и неориентированные пленки. Первый материал применяется наиболее часто.

Лаки и эмали для электрической изоляции

Растворы веществ, образующих при застывании пленку, представляют собой современные электротехнические материалы. К этой группе относят битумы, высыхающие масла, смолы, целлюлозные эфиры или соединения и сочетания этих компонентов. Превращение вязкого компонента в изолятор происходит после испарения из массы нанесенного растворителя, и образования плотной пленки. По способу нанесения пленки подразделяют на клеящие, пропиточные и покрывающие.

Пропиточные лаки используют для обмоток электроустановок с целью повысить коэффициент теплопроводности и сопротивление влаге. Покрывающие лаки создают верхнее защитное покрытие от влаги, мороза, масла для поверхности обмоток, пластмассы, изоляции. Клеящие компоненты способны склеивать пластинки слюды с другими материалами.

Компаунды для электрической изоляции

Эти материалы представляются жидким раствором в момент использования с последующим застыванием и отвердеванием. Вещества характерны тем, что в составе не содержат растворителей. Компаунды также относятся к группе «электротехнические материалы». Виды их бывают заливочные и пропиточные. Первый вид применяют для заполнения полостей в муфтах кабелей, а вторая группа используется для пропитки обмоток двигателя.

Компаунды производят термопластичными, они размягчаются после повышения температур, и термореактивными, стойко сохраняющими форму отвердевания.

Волокнистые непропитанные электроизоляционные материалы

Для производства таких материалов используют волокна органики и искусственно созданные составляющие. Природные растительные волокна натурального шелка, льна, дерева переделывают в материалы органического происхождения (фибра, ткань, картон). Влажность таких изоляторов колеблется в пределах 6-10%.

Органические материалы из синтетики (капрон) содержат влаги только от 3 до 5%, такое же насыщение влагой и у неорганических волокон (стекловолокно). Неорганические материалы отличаются неспособностью к возгоранию при значительном нагревании. Если материалы пропитать эмалями или лаками, то горючесть повышается. Поставка электротехнических материалов производится на предприятие по изготовлению электрических машин и приборов.

Летероид

Тонкая фибра выпускается в листах и скатывается в рулон для транспортировки. Применяется как материал для изготовления прокладок изоляции, фасонных диэлектриков, шайб. Бумагу с асбестовой пропиткой и асбестовый картон делают из хризолитового асбеста, расщепляя его на волокна. Асбест обладает сопротивлением к щелочной среде, но разрушается в кислотной.

В заключение следует отметить, что с применением современных материалов для изоляции электрических приборов значительно увеличился срок их службы. Для корпусов установок применяют материалы с выбранными характеристиками, что дает возможности для выпуска новой функциональной техники с улучшенными показателями.

электроизоляционные свойства — это… Что такое электроизоляционные свойства?



электроизоляционные свойства

электроизоляционные свойства; отрасл. диэлектрические свойства

Совокупность технически важных электрических характеристик электроизоляционного материала или электрической изоляции.

Политехнический терминологический толковый словарь. Составление: В. Бутаков, И. Фаградянц. 2014.

• электроизоляционная синетическая жидкость
• диэлектрические свойства

Смотреть что такое «электроизоляционные свойства» в других словарях:

• Электроизоляционные свойства — 7.2.3. Электроизоляционные свойства Электроизоляционные свойства по ГОСТ Р 50030.1, пункт 7.2.3 со следующим дополнением. Требования к аппаратам для цепей управления класса II, залитым в капсулы, в соответствии с приложением F. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Электроизоляционные свойства армированных пластиков — Показатели Пластики на основе органических наполнителей Стеклопластики Асбопластики гетинакс текстолит Диэлектрическая проницаемость при 50 Гц …   Химический справочник

• ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ — вещества, служащие для изоляции токоведущих частей электрических устройств, напр., обмоток машин и аппаратов, проводов, линий электропередачи и т. п. Э. м. обеспечивают прохождение электрического тока по намеченным в электрических устройствах… …   Российская энциклопедия по охране труда

• Электроизоляционные материалы —         материалы, применяемые в электротехнических и радиотехнических устройствах для разделения токоведущих частей, имеющих разные потенциалы, для увеличения ёмкости конденсаторов, а также служащие теплопроводящей средой в электрических машинах …   Большая советская энциклопедия

• ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ — изоляторы газообразные, жидкие или твердые материалы, которые не проводят электрический ток. Газообразные изоляторы. Коронный разряд. Одним из наиболее известных и распространенных изоляторов является воздух при атмосферном давлении и нормальной… …   Энциклопедия Кольера

• диэлектрические свойства — электроизоляционные свойства; отрасл. диэлектрические свойства Совокупность технически важных электрических характеристик электроизоляционного материала или электрической изоляции …   Политехнический терминологический толковый словарь

• диэлектрические свойства — Ндп. электроизоляционные свойства электроизолирующие свойства Совокупность свойств диэлектрика, связанных с явлением поляризации. Примечание Диэлектрические свойства характеризуются такими параметрами, как диэлектрическая восприимчивость,… …   Справочник технического переводчика

• Диэлектрические свойства — 3. Диэлектрические свойства Ндп. Электроизоляционные свойства Электроизолирующие свойства Совокупность свойств диэлектрика, связанных с явлением поляризации. Примечание. Диэлектрические свойства характеризуются такими параметрами, как… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• Список пластмасс — Название Сокращение Вид Тип Хим.прочность Свойства Применение Фирменное наименование Поликапролактон PCL термопласт ударопрочность, эластичность, влагостойкость, биодеградируемость медицина, прототипирование Поликапролактан, Протопласт, ShapeLock …   Википедия

• Перечень пластмасс — Название Сокращение Вид Тип Хим.прочность Свойства Применение Фирменное наименование Сополимер акрилонитрила, бутадиена и стирола/ АБС пластик ABS сополимер термопласт ударопрочность, эластичность, влагостойкость от −40 °C до +85 °C, как… …   Википедия

Книги

• Свойства бумаги, Фляте Д.М.. 384 стр. В книге рассматриваются основные свойства различных видов бумаги (прочность, влагопрочность, долговечность, гигроскопические свойства, деформация при увлажнении и остаточная;… Подробнее  Купить за 2766 грн (только Украина)
• Свойства бумаги, Д. М. Фляте. В книге рассматриваются основные свойства различных видов бумаги (прочность, влагопрочность, долговечность, гигроскопические свойства, деформация при увлажнениии остаточная; оптические… Подробнее  Купить за 1657 руб

Другие книги по запросу «электроизоляционные свойства» >>

Электроизоляционные материалы и их классификация. Волокнистые электроизоляционные материалы

Некоторые материалы, используемые в электрических приборах и схемах электроснабжения, обладают диэлектрическими свойствами, то есть имеют большое сопротивление току. Эта способность позволяет им не пропускать ток, а поэтому их используют для создания изоляции токоведущих частей. Электроизоляционные материалы предназначены не только для разделения токоведущих частей, но и для создания защиты от опасного воздействия электрического тока. Например, шнуры питания электрических приборов покрыты изоляцией.

Электроизоляционные материалы и их применение

Электроизоляционные материалы широко применяются в промышленности, радио- и приборостроении, развитии электрических сетей. Нормальная работа электрического прибора или безопасность схемы электроснабжения во многом зависит от используемых диэлектриков. Некоторые параметры материала, предназначенного для электрической изоляции, определяют его качество и возможности.

Применение изоляционных материалов обусловлено правилами безопасности. Целостность изоляции является залогом безопасной работы с электрическим током. Весьма опасно использовать приборы с поврежденной изоляцией. Даже незначительный электрический ток может оказать воздействие на организм человека.

Свойства диэлектриков

Электроизоляционные материалы должны иметь определенные свойства, чтобы выполнять свои функции. Главным отличием диэлектриков от проводников является большая величина удельного объемного сопротивления (109–1020 ом·см). Электрическая проводимость проводников в сравнении с диэлектриками раз в 15 раз больше. Это связано с тем, что изоляторы по своей природе имеют в несколько раз меньше свободных ионов и электронов, которые обеспечивают токопроводимость материала. Но при нагревании материала их становится больше, что способствует увеличению токопроводимости.

Различают активные и пассивные свойства диэлектриков. Для изоляционных материалов наиболее важны пассивные свойства. Диэлектрическая проницаемость материала должна быть как можно меньшей. Это позволяет изолятору не вносить в схему паразитные емкости. Для материала, который используется в качестве диэлектрика конденсатора, диэлектрическая проницаемость должна быть, наоборот, как можно большей.

Параметры изоляции

К основным параметрам электроизоляции относят электрическую прочность, удельное электрическое сопротивление, относительную диэлектрическую проницаемость, угол диэлектрических потерь. При оценке электроизоляционных свойств материала учитывается также зависимость перечисленных характеристик от величин электрического тока и напряжения.

Электроизоляционные изделия и материалы обладают большей величиной электрической прочности в сравнении с проводниками и полупроводниками. Важна также для диэлектрика стабильность удельных величин при нагревании, повышении напряжении и других изменениях.

Классификация диэлектрических материалов

В зависимости от мощности тока, проходящего по проводнику, используют разные типы изоляции, которые отличаются своими возможностями.

По каким же параметрам делят электроизоляционные материалы? Классификация диэлектриков основана на их агрегатном состоянии (твердые, жидкие и газообразные) и происхождению (органические: естественные и синтетические, неорганические: природные и искусственные). Наиболее распространен тип твердых диэлектриков, которые можно увидеть на шнурах бытовой техники или любых других электрических приборов.

Твердые и жидкие диэлектрики, в свою очередь, делятся на подгруппы. К твердым диэлектрикам относятся лакоткани, слоистые пластики и различные виды слюды. Воски, масла и сжиженные газы представляют собой жидкие электроизоляционные материалы. Специальные газообразные диэлектрики используются намного реже. К этому типу также относится естественный электрический изолятор – воздух. Его использование обусловлено не только характеристиками воздуха, которые делают его прекрасным диэлектриком, но и его экономичностью. Применение воздуха в качестве изоляции не требует дополнительных материальных затрат.

Твердые диэлектрики

Твердые электроизоляционные материалы – наиболее широкий класс диэлектриков, которые применяются в разных областях. Они имеют различные химические свойства, а величина диэлектрической проницаемости колеблется от 1 до 50000.

Твердые диэлектрики делятся на неполярные, полярные и сегнетоэлектрики. Их главные отличия состоят в механизмах поляризации. Этот класс изоляции обладает такими свойствами, как химическая стойкость, трекингостойкость, дендритостойкость. Химическая стойкость выражается в способности противостоять влиянию различным агрессивным средам (кислота, щелочь и т.д.). Трегингостойкость определяет возможность противостоять воздействию электрической дуги, а дендритостойкость – образованию дендритов.

Твердые диэлектрики применяются в различных сферах энергетики. Например, керамические электроизоляционные материалы наиболее часто используются в качестве линейных и проходных изоляторов на подстанциях. В качестве изоляции электрических приборов используют бумагу, полимеры, стеклотекстолит. Для машин и аппаратов чаще всего применяют лаки, картон, компаунд.

Для применения в различных условиях эксплуатации изоляции придают некоторые особые свойства путем сочетания разных материалов: нагревостойкость, влагостойкость, радиационная стойкость и морозостойкость. Нагревостойкие изоляторы способны выдерживать температуры до 700 °С, к ним относятся стекла и материалы на их основе, органосилиты и некоторые полимеры. Влагостойким и тропикостойким материалом является фторопласт, который негигроскопичен и гидрофобен.

Изоляция, стойкая к радиации используется в приборах с атомными элементами. К ней относятся неорганические пленки, некоторые виды полимеров, стеклотекстолит и материалы на основе слюды. Морозостойкими считаются изоляции, которые не теряют своих свойств при температуре до -90 °С. Особые требования предъявляются к изоляции, предназначенной для приборов, работающих в космосе или условиях вакуума. Для этих целей применяются вакуумно-плотные материалы, к которым относится специальная керамика.

Жидкие диэлектрики

Жидкие электроизоляционные материалы часто применяются в электрических машинах и аппаратах. В трансформаторе роль изоляции играет масло. К жидким диэлектрикам также относят сжиженные газы, ненасыщенные вазелиновые и парафиновые масла, полиорганосилоксаны, дистиллированная вода (очищенная от солей и примесей).

Основными характеристиками жидких диэлектриков являются диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность и электропроводность. Также электрические параметры диэлектриков во многом зависят от степени их очистки. Твердые примеси могут увеличивать электропроводность жидкостей за счет разрастания свободных ионов и электронов. Очистка жидкостей путем дистилляции, ионным обменом и т.д. приводит к возрастанию величины электрической прочности материала, тем самым снижая его электропроводность.

Жидкие диэлектрики разделяют на три группы:

Наиболее часто используются нефтяные масла, такие как трансформаторное, кабельное и конденсаторное. Синтетические жидкости (кремнийорганические и фторорганические соединения) также используются в аппаратостроении. Например, кремнийорганические соединения морозоустойчивы и гигроскопичны, поэтому применяются в качестве изолятора в небольших трансформаторах, но их стоимость выше цены нефтяных масел.

Растительные масла практически не используются в качестве изоляционных материалов в электроизоляционной технике. К ним относятся касторовое, льняное, конопляное и тунговое масло. Эти материалы представляют собой слабополярные диэлектрики и используются в основном для пропитки бумажных конденсаторов и в качестве пленкообразующего вещества в электроизоляционных лаках, красках, эмалях.

Газообразные диэлектрики

Наиболее распространенными газообразными диэлектриками являются воздух, азот, водород и элегаз. Электроизоляционные газы делятся на естественные и искусственные. К естественным относится воздух, которые применяется в качестве изоляции между токоведущими частями линий электропередач и электрических машин. В качестве изолятора воздух имеет недостатки, которые делает невозможным его использование в герметичных устройствах. Из-за наличия высокой концентрации кислорода воздух является окислителем, и в неоднородных полях проявляется низкая электрическая прочность воздуха.

В силовых трансформаторах и высоковольтных кабелях в качестве изоляции используют азот. Водород, кроме электроизоляционного материала, также представляет собой принудительное охлаждение, поэтому часто используется в электрических машинах. В герметизированных установках чаще всего применяют элегаз. Заполнение элегазом делает устройство взрывобезопасным. Применяется в высоковольтных выключателях благодаря своим дугогасящим свойствам.

Органические диэлектрики

Органические диэлектрические материалы делятся на естественные и синтетические. Естественные органические диэлектрики в настоящее время используются крайне редко, так все больше расширяется производство синтетических, тем самым снижая их стоимость.

К естественным органическим диэлектрикам относят целлюлозу, каучук, парафин и растительные масла (касторовое масло). Большую часть синтетических органических диэлектриков представляют различные пластмассы и эластомеры, часто используемые в электрических бытовых приборах и другой технике.

Неорганические диэлектрики

Неорганические диэлектрические материалы делят на природные и искусственные. Наиболее распространенным из природных материалов является слюда, которая обладает химической и термической стойкостью. Также для электроизоляции используют флогопит и мусковит.

К искусственным неорганическим диэлектрикам относят стекло и материалы на его основе, а также фарфор и керамику. В зависимости от области применения искусственному диэлектрику можно придать особые свойства. Например, для проходных изоляторов используют полевошпатовую керамику, которая имеет высокий тангенс диэлектрических потерь.

Волокнистые электроизоляционные материалы

Волокнистые материалы часто применяются для изоляции в электрических аппаратах и машинах. К ним относят материалы растительного происхождения (каучук, целлюлозу, ткани), синтетический текстиль (нейлон, капрон), а также материалы из полистирола, полиамида и т.д.

Органические волокнистые материалы обладают высокой гигроскопичностью, поэтому редко используются без специальной пропитки.

В последнее время взамен органических материалов применяют синтетические волокнистые изоляции, которые обладают более высоким уровнем нагревостойкости. К ним относится стеклянное волокно и асбест. Стеклянное волокно пропитывают различными лаками и смолами для повышения его гидрофобных свойств. Асбестовое волокно обладает малой механичной прочностью, поэтому нередко в него добавляют хлопчатобумажное волокно.

Виды электроизоляционных материалов, все о видах электроизоляционных материалов

Электроизоляционные материалы или диэлектрики – это материалы, которые используют для изоляции электрического тока или препятствуют его утечке между разными токопроводящими частями. Все виды электроизоляционных материалов характеризуются высоким электрическим сопротивлением.

Какие существуют виды электроизоляционных материалов

В зависимости от химического состава существуют следующие основные виды электроизоляционных материалов:

• Органического состава;
• Неорганического состава.

В молекулах органических диэлектриков основной составляющей является углерод, соответственно в неорганических материалах его нет. Неорганические диэлектрики, такие как слюда и керамика, обладают наибольшей нагревостойкостью.

В зависимости от способа получения диэлектрики делятся на естественные и синтетические. Синтетические используются более часто, потому что создаются с необходимыми физико-химическими свойствами, которые можно менять в зависимости от потребности.

Еще одним фактором, который делит виды электроизоляционных материалов на неполярные и полярные, является строение молекул. Материалы с электрически нейтральными атомами и молекулами, до воздействия на них электрического поля не обладают никакими подобными свойствами. К таким относится фторопласт-4 и полиэтилен. В пределах нейтральных электроизоляционных материалов выделяют ионные кристаллические диэлектрики, такие как кварц и слюда, в составе которых каждая пара ионов представляет собой электрически нейтральную частицу. Полярные диэлектрики имеют начальный электрический элемент до начала воздействия на него электричества и по сравнению с нейтральными у них повышенная проводимость и большое значение диэлектрической проницаемости. К ним относится поливинилхлорид и бакелит.

Подробнее о свойствах эбонита вы можете прочитать здесь.

Классификация видов электроизоляционных материалов по происхождению

Агрегатное состояние, в котором находится электроизоляционный материал, делит его на следующие основные виды:

• Газообразные;
• Жидкие;
• Твердые.

Газообразные материи имеют естественное происхождение, и к ним относится:

• Азот;
• Атмосферный воздух;
• Углекислый газ;
• Гелий;
• Неон;
• Аргон;
• Криптон.

Используют такие вещества крайне редко, даже в взрывозащищенном электрооборудовании.

Жидкие электроизоляционные материалы обладают высокими электрофизическими свойствами. Они делятся на невысыхающие растительные масла, нефтяные масла и синтетические жидкие диэлектрики. Главным недостатком является то, что все нефтяные масла пожароопасные, а синтетические жидкости очень токсичные. Поэтому, как диэлектрики, их практически не используют.

Количество твердых диэлектриков — самое большое, и они наиболее часто используются по назначению. Твердые электроизоляционные материалы делятся на следующие группы:

• Органические;
• Неорганические;
• Элементоорганические.

Органические твердые диэлектрики представлены природными (шеллак, янтарь, канифоль), искусственными (этилцеллюлоза, шелк, бетоилцеллюлоза) и синтетическими (полиамиды, эпоксидные смолы) материалами. Все перечисленные твердые материалы могут использоваться для производства электроизоляционных деталей и конструкций не только в чистом виде, но и как производные. К производным материалам принадлежат слоистые пластики, пластмассы, лаки, слоистые пластики, микалекс и другие.

Важно заметить, что в производстве качественных продуктов используется одновременно несколько

видов электроизоляционных материалов для достижения максимального эффекта. Единственной или классической формулы для сочетания пропорций разных материалов не существует, чтобы создать новый продукт проводят эксперименты.

XuMuK.ru — Электроизоляционные материалы — Большая Советская Энциклопедия

Электроизоляционные материалы, материалы, применяемые в электротехнических и радиотехнических устройствах для разделения токоведущих частей, имеющих разные потенциалы, для увеличения ёмкости конденсаторов, а также служащие теплопроводящей средой в электрических машинах, аппаратах и т. п. В качестве электроизоляционных материалов используют диэлектрики, которые по сравнению с проводниковыми материалами обладают значительно большим удельным объёмным электрическим сопротивлением r v = 109—1020 ом·см (у проводников 10-6—10-4 ом·см). Основные характеристики электроизоляционных материалов: удельное объёмное и поверхностное сопротивления rv и rs, относительная диэлектрическая проницаемость e, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости 1/e·de/dTград-1, угол диэлектрических потерь d, электрическая прочность Епр (напряжённость электрического поля, при которой происходит пробой, см. Пробой диэлектриков). При оценке электроизоляционных материалов учитывают также зависимость этих характеристик от частоты электрического тока и величины напряжения.   Электроизоляционные материалы можно классифицировать по нескольким признакам: агрегатному состоянию, химическому составу, способам получения и т. д. В зависимости от агрегатного состояния различают твёрдые, жидкие и газообразные электроизоляционные материалы. Твёрдые электроизоляционные материалы составляют наиболее обширную группу и в соответствии с физико-химическими свойствами, структурой, особенностями производства делятся на ряд подгрупп, например слоистые пластики, бумаги и ткани, лакоткани, слюды и материалы на их основе, электрокерамические и др. К этим же материалам условно можно отнести лаки, заливочные и пропиточные составы, которые, хотя и находятся в жидком состоянии, но используются в качестве электроизоляционных материалов в затвердевшем состоянии. Электрическая прочность твёрдых электроизоляционных материалов (при 20 °С и частоте электрического тока 50 гц) лежит в пределах от 1 Мв/м (например, для некоторых материалов на основе смол) до 120 Мв/м (например, для полиэтилентерефталата). (О применении и получении твёрдых электроизоляционных материалов см. в ст. Изоляция электрическая, Изолятор, Лаки, Слюда, Стеклопластики, Пластические массы, Компаунды полимерные, Смолы синтетические.) Жидкие электроизоляционные материалы — электроизоляционные масла, в том числе нефтяные, растительные и синтетические. Отдельные виды жидких электроизоляционных материалов отличаются друг от друга вязкостью и имеют различные по величине электрические характеристики. Лучшими электрическими свойствами обладают конденсаторные и кабельные масла. Электрическая прочность жидких электроизоляционных материалов при 20 °С и частоте 50 гц обычно находится в пределах 12—25 Мв/м, например для трансформаторных масел 15—20 Мв/м (см. также Жидкие диэлектрики). Существуют полужидкие электроизоляционные материалы — вазелины. Газообразные электроизоляционные материалы — воздух, элегаз (гексафторид серы), фреон-21 (дихлорфторметан). Воздух является естественным изолятором (воздушные промежутки в электрических машинах, аппаратах и т. п.), обладает электрической прочностью около 3 Мв/м. Элегаз и фреон-21 имеют электрическую прочность около 7,5 Мв/м, применяются в качестве электроизоляционных материалов в основном в кабелях и различных электрических аппаратах.   По химическому составу различают органические и неорганические электроизоляционные материалы. Наиболее распространённые электроизоляционные материалы — неорганические (слюда, керамика и пр.). В качестве электроизоляционные материалы используют природные (естественные) материалы и искусственные (синтетические) материалы. Искусственные электроизоляционные материалы можно создавать с заданным набором необходимых электрических и физико-химических свойств, поэтому такие электроизоляционные материалы наиболее широко применяют в электротехнике и радиотехнике. В соответствии с электрическими свойствами молекул вещества различают полярные (дипольные) и неполярные (нейтральные) электроизоляционные материалы. К полярным электроизоляционным материалам относятся бакелиты, совол, галовакс, поливинилхлорид, многие кремнийорганические материалы; к неполярным — водород, бензол, четырёххлористый углерод, полистирол, парафин и др. Полярные электроизоляционные материалы отличаются повышенной диэлектрической проницаемостью и несколько повышенной электрической проводимостью и гигроскопичностью.   Для твёрдых электроизоляционных материалов большое значение имеют механические свойства: прочность при растяжении и сжатии, при статическом и динамическом изгибе, твёрдость, обрабатываемость, а также тепловые свойства (теплостойкость и нагревостойкость), влагопроницаемость, гигроскопичность, искростойкость и др. Теплостойкость характеризует верхний предел температур, при которых электроизоляционные материалы способны сохранять свои механические и эксплуатационные свойства. Нагревостойкость электроизоляционных материалов — способность выдерживать воздействие высоких температур (от 90 до 250 °С) без заметных изменений электрических характеристик материала. В электромашиностроении принято деление электроизоляционных материалов на 7 классов. Наиболее нагревостойкие электроизоляционные материалы — неорганические материалы (слюда, фарфор, стекло без связующих или с элементоорганическими связующими). Для хрупких материалов (стекло, фарфор) важна также способность выдерживать перепады температур. Осуществляя электрическое разделение проводников, электроизоляционные материалы в то же время не должны препятствовать отводу тепла от обмоток, сердечников и других элементов электрических машин и установок. Поэтому важным свойством электроизоляционных материалов является теплопроводность. Для повышения коэффициента теплопроводности в жидкие электроизоляционные материалы добавляют минеральные наполнители. Большинство электроизоляционных материалов в той или иной мере поглощают влагу (гигроскопичны). Для повышения влагонепроницаемости пористые электроизоляционные материалы пропитывают маслами, синтетическими жидкостями, компаундами. К абсолютно влагостойким можно отнести лишь глазурованный фарфор, стекло и т. п.     Лит.: Электротехнический справочник, 5 изд., т. 1, М., 1974.   А. И. Хоменко.

Использование электроизоляционных материалов в промышленности

Библиографическое описание:

Соломатин А. С., Мирзоян А. Г. Использование электроизоляционных материалов в промышленности // Молодой ученый. — 2016. — №6. — С. 194-197. — URL https://moluch.ru/archive/110/26789/ (дата обращения: 02.02.2020).



Данная статья будет посвящена материалам, без которых представить себе современную электроустановку просто невозможно. Эти материалы — электроизоляция. Стоит начать с того, что электроизоляционный материал — материал, не пропускающий через себя электрический ток. С развитием электропромышленности люди стали все большее внимание уделять изоляции в связи с тем, что в ее отсутствии люди, работающие на электроустановках, получали удары током или, что еще хуже, умирали. В настоящее время существует множество ГОСТов, касающихся качеств и свойств электроизоляционных материалов. Итак, приступим к рассмотрению.

Асботекстолит — электроизоляционный материал на основе асбестовых тканей, пропитанных фенолформальдегидными смолами или лаками. Может подвергаться обтачиванию, сверлению, сколам, при этом не образуя трещин, что говорит о его хорошей механической прочности. Температура самовоспламенения 500 °С. Используется в качестве материала для создания непроводящих электрический ток прокладок. В частности, прокладки между составными частями сердечника маломощных катушек индуктивности.

Рис.1. Асботестолит

Гетинакс электротехнический — несколько прессованных листов бумаги, пропитанных формальдегидной или эпоксидной смолами. Используется для изоляции токопроводящих частей электроустановки, при производстве трансформаторов, так как данный материал может использоваться даже в трансформаторном масле. Так же используется при работах на воздушных линиях при нормальных климатических условиях. Существует несколько марок текстолита, которые выпускаются в зависимости от области применения материала. Ниже приведена таблица некоторых характеристик гетинакса.

Таблица 1

Миканит гибкий — электроизоляционный материал повышенной гибкости. Применяется в качестве межвитковой изоляции и изоляции в труднодоступных местах. Выпускается в виде листов шириной 390 мм и длиной 855 мм. Основные технические характеристики данного материала приведены в таблице 2.

Таблица 2

Существует много различных марок миканитов. В их обозначении встречаются следующие буквы:

Г — гибкий;

Ф — флогопит;

ББ — оклеенный бумагой с двух сторон;

М — мусковит;

С — масляно-глифталевый лак;

К — кремнийорганический лак.

Электрокартон — служит для производства работ в воздушной среде, используется в производстве электрических машин и аппаратов. Выпускается в виде рулонов и листов. Особенностью производства является то, что получают его из небеленой фосфатной целлюлозы при добавлении хлопковой целлюлозы, что и обеспечивает диэлектрические свойства данного материала. Электрокартон хорош еще тем, что его можно использовать как самостоятельный изоляционный материал, так и в сочетании с другими материалами: различными изоляционными лаками, маслами. На рисунке 2 показан рулон электрокартона.

Рис. 2. Электрокартон

Одной из новейших разработок в мире электротехнической изоляции является стеклотекстолит. К его необычным особенностям стоит отнести большую плотность и при этом относительную мягкость, способен работать в большом ареале температур, в том числе и высоких, выдерживает большие перегрузки. Помимо основой отрасли применения (изоляционные материалы) используется при изготовлении плат в радиотехнике, трубопровода в химической промышленности, служит основой для изготовления различных строительных материалов. Данный композитный материал легко гнуть, сворачивать в различные формы, изламывать, но при этом он остается твердым как сталь. Существует несколько разновидностей данного материала:

1. Стеклотекстолит листовой — получается при слиянии стеклоткани с вязкой синтетической смолой при горячем плавлении. Обычно прессуется сразу несколько листов стеклоткани для получения стеклотекстолита.
2. Стеклотекстолит СТЭФ — листовой электроизоляционный материал, являющийся основой для изготовления некоторых других электротехнических изделий, таких как печатные платы.
3. Стеклотекстолит СТЭФ-1 — производится так же, как и его аналог СТЭФ, но в отличие от него, в процессе изготовления СТЭФ-1 используется более мелкоячеистая стеклоткань, что позволяет сделать композитный материал еще более гибким и эластичным для изготовления более мелких деталей.

Стоит так же отметить, что по сравнению с обычным текстолитом, стеклотекстолит обладает гораздо лучшими изоляционными свойствами. И существенное превосходство над гетинаксом. В следующей таблице приведены основные характеристики стеклотекстолита.

Таблица 3

Стеклотекстолит представлен на рисунке 3.

Рис. 3. Стеклотекстолит

Пленка полиэтилентерефталатная представляет собой прочную, гибкую, влагостойкую, термоустойчивую пленку, которая может использоваться как самостоятельный изоляционный материал, так и в синтезе с другими твердыми материалами. Ее преимущество заключается в эластичности и способности проникать в труднодоступные места. Широкое потребление в отрасли машиностроения, потому как, помимо изоляционных качеств, обладает еще и фрикционными. Способна работать в диапазоне температур от -70 до +150 °С.

Выпускается в рулонах массой до 200 кг, намотанная на плотную втулку.

Основные характеристики представлены в таблице 4.

Таблица 4

Литература:

1. Справочник по электротехническим материалам. Том 1. Ю.Корицкий, В.Пасынков, Б.Тареев. 1986г.
2. Обмотки и изоляция силовых трансформаторов. Герасимова Л. С., Майорец А. И. 1969г.

Основные термины (генерируются автоматически): материал, таблица, электроизоляционный материал, композитный материал, самостоятельный изоляционный материал, стеклотекстолит.

10.2. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ. История электротехники

10.2. 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 [10.3].

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

Основные классы нагревостойкости характеризуются следующими предельными температурами:

Класс нагревостойкости — Предельная длительно допустимая рабочая температура, °С

А — 105

В — 130

С — 180

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

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 [10.4].

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

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. Бакеланд 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 1908–1910 гг.

В 1904 г. A.M. 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 1912 г. Г.С. 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 разнообразные требования электротехники.

Исследовательские работы, проведенные в лабораториях СССР, США и Англии по синтезу полиэфирных смол с непредельными группами (акриловыми, матакриловыми, малеиновыми), показали 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, стеклотекстолита. 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, отказавшись от герметизации обмоток при помощи применявшегося ранее метода помещения обмотки в металлический корпус.

По мере развития электротехники номенклатура полиэфирных смол резко увеличивается.

Начиная с 30-х годов большое значение приобрели полимеры, полученные методом полимеризации (полистирол, поливинилхлорид, поливинилацетат, полиметилметакрилат и др.). 40-е годы характеризуются получением поли конденсационных 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 полипропилена.

Начиная с 50-х годов промышленностью выпускаются новые электроизоляционные материалы: стеклопластмассы, стеклолакоткани, синтетические лакоткани, стеклотканиты, фольгированные 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), СКБ синтетической изоляции, Всесоюзный научно-исследовательский институт стекловолокна (ВНИИстекловолокна), Всесоюзный научно-исследовательский институт бумаги (ВНИИБ), научно-исследовательские институты химической промышленности и Академии наук СССР, лаборатории заводов «Электроизолит», «Изолит», «Электросила», «Динамо» и др. [10.5, 10.6].

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», в которой были обобщены материалы по изучению диэлектриков.

В ВЭИ проводились исследования, связанные с синтезом различных полимеров: полиэфиров, полиуретанов, эпоксидных, фенолформальдегидных и карбамидных смол, поливинилацеталей, полиамидов, полиорганосилоксанов, полиорганометаллосилоксанов 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 1932–1940 гг. 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 нагревостойкостью.

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 нагревостойкости 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 полиорганометаллосилоксанов, 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 нагревостойких 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 анилиноформальдегидные 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 поликонденсации 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. Нагревостойкость полиэфирных смол 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. Полиуретаны обладают высокой химо-, масло- и влагостойкостью, прочностью на 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 эпоксидные 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 стекло лакочулок, 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 ЭП-9], стеклолакоткань ЛСП, а также компаунд ЭК. Эта группа лаков и материалов рекомендуется для изоляции кранового, тягового электрооборудования и электродвигателей прокатных станов.

Большой интерес представляют органические полимеры с ароматическими и гетероциклами в основной цепи, обладающие высокой нагревостойкостью. К таким полимерам относятся полиимиды — продукты взаимодействия ангидридов поликарбоновых кислот (пиромеллитовой, тримеллитовой) 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. Полиоксидифенилы 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 ацетилированные бумаги. По сравнению с аналогичными материалами, изготовленными на обычной целлюлозе, нагревостойкость 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. В ВЭИ, ВНИИЭМ и ряде других организаций интенсивно ведутся работы по синтезу электроизоляционных жидкостей различного химического состава (хлор- и фторсодержащие углеводороды, жидкие полиизобутилены, кремнийорганические жидкости).

Наибольший интерес для электротехнической промышленности представляют жидкие хлордифенилы — смеси индивидуальных хлорпроизводных 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 нагревостойкостью, 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 [10.6].

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 полиуретановых смол.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >