Бумажно-масляная изоляция состоит из слоев пропитанной маслом бумаги и масляных прослоек, заполняющих зазоры между слоями бумаги. Слой бумажной изоляции может быть выполнен из сплошных листов бумаги, как, например, в изоляции конденсаторов пакетного или рулонного типа, или путем намотки бумажной ленты с положительным или отрицательным перекрытием (рис. 1).
Ленточная изоляция с положительным перекрытием используется для изоляции отводов в силовых трансформаторах, изоляции трансформаторов тока, напряжения и других аппаратов. Намотка ленты осуществляется не менее чем вполнахлеста вручную или на машине с максимально возможным натяжением, обеспечивающим высокую плотность прилегания слоев.
В электрических силовых кабелях намотка выполняется с зазором (с отрицательным перекрытием) для обеспечения необходимой гибкости кабеля. Ширина зазора пропорциональна ширине ленты и составляет обычно 1,5 - 3,5 мм при ширине ленты 15 - 30 мм, толщина бумажных лент 14 - 120 мкм. Намотку стремятся выполнять так, чтобы избежать наложения зазоров, допустимое число совпадающих зазоров нормируется, так как масляные прослойки значительной толщины являются участками с пониженной электрической прочностью.
Рис. 1. Бумажно-масляная ленточная изоляция с положительным и отрицательным перекрытием
Бумажно-масляная изоляция пропитывается под вакуумом, перед пропиткой готовое изделие тщательно высушивается в вакуумных камерах при повышенной температуре (до 130 °С). Остаточное давление при пропитке и сушке обеспечивает устранение пустот в бумаге и почти полную дегазацию масла. Оставшийся в масле воздух при этом составляет менее сотой доли количества воздуха, растворенного в масле в равновесном состоянии при нормальных условиях (растворимости воздуха в масле), равного 10 - 11 % по объему.
Бумажно-масляная изоляция имеет весьма высокую кратковременную прочность Епр, равную 50 - 120 кВ/мм при переменном напряжении и 100 - 250 кВ/мм при постоянном, и поэтому используется в конструкциях с высокими напряженностями электрического поля.
Электрическая прочность бумажно-масляной изоляции зависит от количества слоев бумаги. Для листовой изоляции из конденсаторной бумаги вначале с ростом числа слоев прочность увеличивается, вследствие того что уменьшается вероятность совпадения слабых, дефектных мест в листах, а затем снижается, так как ухудшается теплоотвод и возникает возможность теплового пробоя, увеличивается также влияние неоднородности поля у краев электродов. Максимальная пробивная напряженность наблюдается при 6 - 10 бумажных слоях (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость пробивной напряженности бумаги 10 мкм от толщины изоляции
Прочность изоляции из кабельной бумаги в однородном и слабонеоднородном полях определяется максимальной напряженностью поля и мало зависит от толщины d. В резконеоднородных полях, например у острого края электрода, пробивная напряженность уменьшается с ростом толщины изоляции.
При переменном напряжении пробой многослойного бумажно-масляного диэлектрика всегда начинается с частичных пробоев масляных прослоек. Поэтому при конструировании изоляции стремятся сделать масляные прослойки более тонкими, так как в тонких слоях пробивная напряженность в масле возрастает. Достигается это увеличением плотности намотки, опрессовкой и прежде всего уменьшением толщины бумаги. Применение тонкой бумаги приводит к заметному росту электрической прочности изоляции (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость пробивной напряженности от толщины бумаги при промышленной частоте
Рост плотности бумаги приводит к увеличению электрической прочности листов бумаги. Поэтому кратковременная прочность бумажно-масляной изоляции возрастает с увеличением плотности бумаги, однако при этом увеличиваются напряженности в масле, что приводит к снижению прочности и уменьшению срока службы изоляции при длительных воздействиях напряжения, которые связаны с частичными разрядами в масляных прослойках.
Кратковременная и длительная прочность бумажно-масляной изоляции значительно увеличивается при увеличении давления. С ростом давления возрастает прочность масла в прослойках и, кроме того, затрудняется развитие разряда в воздушных включениях.
Заметное снижение кратковременной и длительной электрической прочности бумажно-масляной изоляции наблюдается при ее увлажнении. Особенно сильно влияет влага при повышенной температуре.
Импульсная прочность бумажно-масляной изоляции возрастает при уменьшении длительности импульса. Влияние плотности бумаги, толщины и количества бумажных слоев на импульсную прочность бумажно-масляной изоляции такое же, как и для напряжения промышленной частоты. Однако рост давления незначительно увеличивает напряжение пробоя при стандартных апериодических импульсах.
Кратковременная прочность бумажно-масляной изоляции при развитии разряда вдоль слоев в 2 - 3 раза меньше, чем при напряженностях поля, нормальных к поверхности твердого диэлектрика.
Вместо масла для пропитки бумаги могут использоваться другие жидкости. Для пропитки конденсаторов применяются хлорированные дифенилы. Полихлордифенилы (совол, совтол) и специальные пропиточные смеси на их основе совместимы с бумагой, имеют повышенную диэлектрическую проницаемость и достаточно высокую электрическую прочность. При промышленной частоте поле между слоями бумаги и жидкостью в этом случае распределяется более равномерно, чем у аналогичных конструкций изоляции, пропитанной маслом. Главные ограничения в применении хлорированных жидкостей связаны с их высокой токсичностью.
Для пропитки кабельной изоляции также применяются синтетические жидкие углеводороды (октол, додецебензол и др.). Кроме этого в кабелях и конденсаторах вместо бумаги используются синтетические пленки или комбинированная бумажно-пленочная изоляция, пропитанная маслом или другими изолирующими жидкостями. Бумага в таких системах играет роль фитиля, втягивающего пропиточную массу в глубь изоляции. Пропитка чисто полимерных пленок затруднена вследствие их плохой смачиваемости.