Электроизоляционными материалами называют материалы, с помощью которых осуществляют изоляцию токопроводящих частей. Они обладают: высоким удельным сопротивлением, электрической прочностью - способностью материала противостоять разрушению его электрическим напряжением и электрическими потерями, характеризующимися тангенсом угла потерь, нагревостойкостыо, характеризующейся температурой, предельно допустимой для данного диэлектрика при его длительном использовании в электрооборудовании.
Электроизоляционные материалы - диэлектрики могут быть твердыми, жидкими и газообразными.
Назначение электроизоляционных материалов в электрических заключается в создании между частями, имеющими разные электрические потенциалы, такой среды, которая препятствовала бы прохождению тока между этими частями.
Различают электрические, механические, физико-химические и тепловые характеристики диэлектриков.
Электрические характеристики диэлектриков
Объемное сопротивление — сопротивление диэлектрика при прохождении через него постоянного тока. Для плоского диэлектрика оно равно:
Rv = ρv (d / S), Ом
где ρv - удельное объемное сопротивление диэлектрика, представляющее собой сопротивление куба с ребром 1 см при прохождении постоянного тока через две противоположные грани диэлектрика, Ом-см, S — площадь сечения диэлектрика, через которое проходит ток (площадь электродов), см2, d - толщина диэлектрика (расстояние между электродами), см.
Поверхностное сопротивление диэлектрика
Поверхностное сопротивление - сопротивление диэлектрика при прохождении тока по его поверхности. Это сопротивление составляет:
Rs = ρs (l / S), Ом
где ps - удельное поверхностное сопротивление диэлектрика, представляющее собой сопротивление квадрата (любых размеров) при прохождении постоянного тока от одной его стороны к противоположной, Ом, l- длина поверхности диэлектрика (в направлении прохождения тока), см, S — ширина поверхности диэлектрика (в направлении, перпендикулярном прохождению тока), см.
Диэлектрическая проницаемость.
Как известно, емкость конденсатора - диэлектрика, заключенного между двумя параллельно расположенными и находящимися друг против друга металлическими обкладками (электродами), составляет:
С = (ε S) / (4π l), см,
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, равная отношению емкости конденсатора с данным диэлектриком к емкости конденсатора таких же геометрических размеров, но диэлектриком которого является воздух (вернее вакуум); S - площадь электрода конденсатора, см2, l - толщина диэлектрика, заключенного между электродами, см.
Угол диэлектрических потерь
Потеря мощности в диэлектрике при приложении к нему переменного тока составляет:
Pa = U х Ia, Вт
где U - приложенное напряжение, Ia - активная составляющая тока, проходящего через диэлектрик, А.
Как известно: Ia = Iр / tgφ = Iрх tgδ, А, Iр = U2πfC
где Iр - реактивная составляющая тока, проходящего через диэлектрик, А, С - емкость конденсатора, см, f - частота тока, гц, φ - угол, на который вектор тока, проходящий через диэлектрик, опережает вектор напряжения, приложенного к этому диэлектрику, град, δ - угол, дополняющий φ до 90° (угол диэлектрических потерь, град).
Таким образом, величина потери мощности определяется:
Pa = U22πfCtgδ, Вт
Большое практическое значение имеет вопрос зависимости tgδ от величины приложенного напряжения (кривая ионизации).
При однородной изоляции, не имеющей расслоений и растрескиваний, tgδ почти не зависит от величины приложенного напряжения; при наличии расслоений и растрескиваний с увеличением приложенного напряжения tgδ резко возрастает из-за ионизации промежутков, заключенных внутри изоляции.
Периодическое измерение угла диэлектрических потерь (tgδ) и его сравнивание с результатами предыдущих замеров характеризуют состояние изоляции, степень и интенсивность ее старения.
Электрическая прочность диэлектрика
В электроустановках диэлектрики, образующие изоляцию обмоток, должны противостоять действию электрического поля. Интенсивность (напряженность) тюля возрастает с увеличением напряжения, создающего это поле, и, когда напряженность поля достигает критической величины, диэлектрик теряет свои электроизоляционные свойства происходит так называемый пробой диэлектрика.
Напряжение, при котором происходит пробой, называется пробивным напряжением, а соответствующая ему напряженность поля - электрической прочностью диэлектрика.
Численное значение электрической прочности равно отношению величины пробивного напряжения к толщине диэлектрика в месте пробоя:
Eпр = Uпр / l, кВ / мм,
где Uпр - пробивное напряжение, кВ, l - толщина изоляции в месте пробоя, мм.
Электроизоляционные материалы
Физико-химические характеристики диэлектриков
Помимо электрических, различают следующие физико-химические характеристики диэлектриков.
Кислотное число — определяет количество (мг) гидроксида калия (КОН), необходимое для нейтрализации свободных кислот, содержащихся в жидком диэлектрике и ухудшающих его электроизоляционные свойства.
Вязкость - определяет степень текучести жидкого диэлектрика, от которой зависит проникающая способность лаков при пропитке обмоточных проводов, а также конвекция масла в трансформаторах и т. д.
Различаются кинематическая вязкость, измеряемая капиллярными вискозиметрами (U-образными стеклянными трубками), и так называемая условная вязкость, определяемая по скорости истечения жидкости из калиброванного отверстия в специальной воронке. Единицей кинематической вязкости является стокс (ст).
Условная вязкость измеряется градусами Энглера.
Нагревостойкость — способность материала выполнять свои функции при воздействии рабочей температуры в течение времени, сравнимого с расчетным сроком нормальной эксплуатации электрооборудования.
Под влиянием нагрева происходит тепловое старение электроизоляционных материалов, в результате которого изоляция перестает удовлетворять предъявляемым к ней требованиям.
Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов (ГОСТ 8865-70). Буква обозначает класс нагревостойкости, а цифры в скобках - температуру, °С
| Y (90) | Волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка и натурального шелка, не пропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный материал |
| А(105) | Волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или натурального, искусственного и синтетического шелка, пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал |
| Е (120) | Синтетические материалы (пленки, волокна, смолы, компаунды) |
| В (130) | Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами |
| F (155) | Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами |
| Н (180) | Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами |
| С (свыше 180) | Слюда, керамические материалы, стекло, кварц или их комбинации без связующих составов или с неорганическими связующими |
Температура размягчения, при которой начинается размягчение твердых диэлектриков, имеющих в холодном состоянии аморфное состояние (смол, битумов). Температура размягчения определяется при выдавливании разогретой изоляции из кольца или трубки с помощью стального шарика или ртути.
Температура каплепадения, при которой из чашки (имеющей на дне отверстие диаметром 3 мм), в которой разогревается испытуемый материал, отделяется и падает первая капля.
Температура вспышки паров, при которой смесь паров электроизоляционной жидкости и воздуха воспламеняется от преподнесенного пламени горелки. Чем ниже температура воспламенения жидкости, тем больше ее испаряемость.
Влагостойкость, химстойкость, морозостойкость и тропикостойкость диэлектриков - стабильность электрических и физико-химических характеристик электроизоляционных материалов при воздействии соответственно влаги, кислот или щелочей низкой температуры в пределах от -45° до -60° С, а также тропического климата, характеризуемого высокой и резко изменяющейся в течение суток температурой воздуха, его высокой влажностью и загрязненностью, наличием плесневых грибков, насекомых и грызунов.
Дугостойкость и короностойкость диэлектриков - стойкость электроизоляционных материалов к воздействию озона и азота, выделяющихся при тихом разряде - короне, а также стойкость к действию электрических искр и устойчивой дуги.
Термопластичные и термореактивные свойства диэлектриков
Термопластичными электроизоляционными материалами являются такие, которые, будучи твердыми в исходном, холодном состоянии, размягчаются при нагреве и растворяются в соответствующих растворителях. После охлаждения эти материалы вновь отвердевают. При повторном нагреве сохраняется их способность к размягчению и растворению в растворителях. Таким образом, нагрев таких материалов не вызывает каких-либо изменений в их молекулярной структуре.
В противоположность этому так называемые термореактивиые материалы после тепловой обработки при соответствующем режиме отвердевают (запекаются). При повторном нагреве не размягчаются и не растворяются в растворителях, что свидетельствует о прошедших при нагреве необратимых изменениях в их молекулярном строении.
Механическими характеристиками изоляционных материалов являются: пределы прочности при растяжении, сжатии, статическом и динамическом изгибе, а также твердость.