Электроизоляционные и вспомогательные материалы

Основное назначение электроизоляционных материалов— надежно изолировать токоведущие части устройств трансформатора друг от друга и от заземленных частей, для чего они должны обладать определенными свойствами. Наиболее важными из них являются электрическая прочность, диэлектрические потери, диэлектрическая проницаемость, электропроводность, гигроскопичность, механическая прочность и нагревостойкость [Л. 2, 18, 21].

Электрическая прочность. Каждый диэлектрик, находясь в электрическом поле, теряет свойства изоляционного материала, если напряженность поля превысит некоторое критическое для данного диэлектрика значение. Это явление называется пробоем диэлектрика или нарушением его электрической прочности.

Значение напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называется пробивным напряжением, а соответствующее значение напряженности поля — пробивной напряженностью или электрической прочностью диэлектрика.

При пробое изоляции в трансформаторах, где мощность достаточно велика, происходит сильное разрушение изоляции, сопровождаемое мощной электрической дугой и оплавлением проводников.

толщины диэлектрика где Е_пр — пробивная напряженность диэлектрика, кв/мм; U_пр — пробивное напряжение, кв; h — толщина изоляционного материала, мм.

Электрическая прочность является одной из главных характеристик изоляционного материала и определяет возможность его применения в устройствах высокого напряжения. Она зависит от предварительной обработки изоляционного материала, температуры, влажности и других факторов. Материалы, применяемые в трансформаторах в зависимости от места их установки и назначения имеют электрическую прочность при температуре 20° С от 5 до 90 кв/мм.

Диэлектрические потери. Диэлектрическими потерями называют потери энергии, возникающие в толще электроизоляционного материала (диэлектрика), находящегося в переменном электрическом поле. Вызываемое потерями нагревание материала приводит к ухудшению изолирующих свойств и преждевременному его старению.

Диэлектрические потери принято оценивать величиной тангенса угла диэлектрических потерь tg 6. Величина tg 6 определяет мощность, теряемую в диэлектрике, и зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного напряжения. Чем больше tg б, тем больше диэлектрические потери, т. е. нагрев диэлектрика и его старение.

Диэлектрическая проницаемость. Под действием приложенного напряжения в диэлектрике возникает электрическое поле, вызывающее его поляризацию. Для характеристики способности диэлектриков поляризоваться служит величина, называемая диэлектрической проницаемостью диэлектрика. Величина диэлектрической проницаемости е зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения.

Применяемые в трансформаторах электроизоляционные материалы имеют диэлектрическую проницаемость в пределах от 2 до 8 при температуре 20° С и частоте 50 гц. При выборе изоляционных материалов, работающих совместно, необходимо стремиться к тому, чтобы соотношение диэлектрических проницаемостей обеспечивало распределение напряжений между последовательно включенными диэлектриками соответственно их прочности.

Электропроводность. Электроизоляционные материалы обладают малой электропроводностью. Способность диэлектриков проводить ток характеризуется их удельными объемными и поверхностными — электрическими сопротивлениями. Чем выше удельные объемные и поверхностные сопротивления диэлектрика, тем выше его качество.

При изготовлении трансформаторов качество изоляции проверяют приложением повышенного напряжения. При этом в изоляции возникает, хотя и очень малый, электрический ток, называемый током утечки или током проводимости. Его величина зависит от электрического сопротивления изоляции трансформатора Rиз. Величина сопротивления изоляции зависит от температуры, наличия влаги и загрязнений.

Повышение температуры и увлажненности резко понижают электрическое сопротивление изоляционного материала, увеличивают ток утечки и снижают качество изоляции. Большинство изоляционных материалов, применяемых в трансформаторах, обладает значительной гигроскопичностью, поэтому после изготовления трансформаторы подвергают тщательной сушке, в результате которой сопротивление их изоляции резко повышается.

Нагревостойкость. Различные материалы, применяемые в трансформаторостроении, по-разному реагируют на высокие температуры. Раньше всего при работе трансформатора разрушается его изоляция и в первую очередь — бумажная. Поэтому часто срок службы трансформатора определяется сроком службы той части его изоляции, которая подвергается наибольшему нагреву.

Все электроизоляционные материалы разделяют по их нагревостойкости на классы (ГОСТ 8865-58). Для каждого класса изоляции установлена предельно допустимая температура нагрева, при которой материал может длительно работать. Большинство изоляционных материалов, применяемых в трансформаторах, относится к классу А, предельно длительно допустимая температура которого составляет 105° С. К ним относятся волокнистые электроизоляционные материалы из целлюлозы или шелка, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик, изоляция эмалированных проводов на основе масляных или полиамидных лаков, полиамидные пленки, а также дерево и древесные слоистые пластики. Пропитывающими веществами для изоляции класса А обычно являются трансформаторное масло, масляные лаки, битумные составы с температурой размягчения не ниже 105° С и другие вещества соответствующей нагревостойкости.

В современных силовых трансформаторах применяется твердая изоляция в сочетании с изоляционным (минеральным) маслом. Жидкая изоляция, т. е. минеральное трансформаторное масло или синтетические жидкости, кроме изоляции, служат также охлаждающей средой.

В качестве основной твердой изоляции масляных трансформаторов в настоящее время применяют волокнистые материалы из целлюлозы. К ним относятся электрокартоны и бумаги.

Особенности конструкции трансформаторов, механические и электрические воздействия, имеющие место при их эксплуатации, приводят к необходимости применять в трансформаторах электрокартон с различными характеристиками. Так, для цилиндров главной изоляции трансформаторов и изоляционных перегородок нужен мягкий картон. Он должен быть эластичен, иметь повышенную масловпитываемость и минимальную усадку по длине при высокой механической прочности на разрыв. Основными электрическими характеристиками мягкого электрокартона должны быть его стойкость к поверхностному разряду и высокая электрическая прочность на пробой по толщине.

Для элементов продольной изоляции — дистанционных прокладок, ярмовой и уравнительной изоляции, нужен твердый картон, хорошо работающий на сжатие. Он должен иметь минимальную усадку по толщине, улучшенную механическую прочность на сжатие и хорошо обрабатываться методом вырубки (штамповкой) и резанием.

Кроме электрокартонов, обрабатываемых методом резки и вырубки, нужно иметь специальные формуемые марки картона для изготовления деталей сложной конфигурации методом горячей формовки на прессах или вытяжки в прессформах с предварительным увлажнением заготовки.

Электротехнический картон, выпускаемый нашей промышленностью, изготовляется в соответствии с ГОСТ 4194-62 марок ЭМИ, ЭМЦМ, ЭМЦС, ЭМТ в зависимости от состава по волокну следующих толщин и размеров: в рулонах — толщиной до 0,5 мм и шириной 1000 мм (марки ЭМЦ); в листах— (все марки) толщиной 1; 1,5; 2; 2.5 и 3 мм; размеры листов — 1850X3 850; 1650x3 800; 850X110 и 850x950 мм (табл. 3-1).

Поверхность картона должна быть ровной и чистой, без сдиров поверхностного слоя, включений инородных материалов. Электрокартон не должен расслаиваться при штамповке и резке.

За последние годы основной поставщик электрокартона в стране — Серпуховская бумажная фабрика — стала изготовлять электрокартон повышенного качества марки ЭМЦП, а также склеенный картон повышенного качества марки ЭМЦП-К. Номинальные толщины листов электрокартона ЭМЦП составляют: 1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0 и 5,0 мм; марки ЭМЦП-К —6—10 мм и 11—30 мм. Картон марки ЭМЦП изготовляется в листах размером 3x4 м; марки ЭМЦП-К — в листах размером 0,95X1,45 м. При согласовании с фабрикой возможно изготовление листов электрокартона других размеров (табл. 3-2).

Изоляционные бумаги и ткани. Изоляционные бумаги применяются в трансформаторах в качестве витковой изоляции обмоточного провода, дополнительной катушечной изоляции и изоляции отводов в виде лент различной ширины.

Наиболее важной характеристикой изоляционных бумаг (кроме диэлектрической проницаемости, угла диэлектрических потерь и электрической прочности) является стойкость бумаг к старению под воздействием температуры электрического поля, влаги, кислорода и каталитического воздействия металлов и масел.

Применяемые в мировой практике изоляционные бумаги (а также картон), улучшенные с помощью специальной обработки (ацетилирование и цианэтилирорание) позволяют повысить температуру на поверхности проводникового материала на 15—20° С против температуры, допускаемой для обычной кабельной бумаги.

Кабельные бумаги (ГОСТ 645-59) вырабатываются из сульфатной целлюлозы натурального цвета следующих марок: К-080, К-120, К-170, толщиной соответственно 0,08; 0,12; 0,17 мм; и КВУ (уплотнения) толщиной 0,08 мм; поставляется в рулонах шириной 500, 650 к 750 мм.

Кабельную бумагу пропитывают трансформаторным маслом, что придает ей малую пористость и большую плотность и повышает электрическую прочность бумаги. Электрическая прочность кабельной бумаги в воздухе колеблется от 6 до 9 кв/мм, а пропитанной в сухом трансформаторном масле, в зависимости от толщины — 70—90 кв/мм. Диэлектрическая проницаемость сухой бумаги равна 2,2—2,7; объемный вес 0,8 г/см3. Она обладает достаточно высокой маслостойкостью при работе в горячем трансформаторном масле. Благодаря высокой электрической и достаточной механической прочности кабельной бумаги ее применяют как изоляцию между слоями обмоток трансформаторов и для изолирования концов обмоток и отводов.

Телефонная бумага (ГОСТ 3553-60) изготовляется из сульфатной целлюлозы натурального цвета марок КТ-04 и КТ-05 толщиной соответственно 0,04 и 0,05 мм. Бумага выпускается в рулонах шириной 500 мм. Механические свойства телефонной бумаги ниже, чем кабельной. Ее применяют для витковой изоляции между слоями обмоток трансформаторов.