Волокнистые электроизоляционные материалы

Изучить теоретический материал.

Выполнить задания из раздела «Содержание отчета»

Ответы отправляйте по электронной почте: gruppa221.231-2020@mail.ru

Тема: Волокнистые материалы, пластмассы, керамические материалы.

Волокнистые электроизоляционные материалы.

Волокнистыми называют материалы, состоящие из частиц удлиненной формы – волокон. К ним относят дерево, бумагу, картон, фибру, текстильные материалы, синтетические волокна, стеклоткани.

Волокнистые материалы имеют высокую электрическую прочность и относительно невысокую стоимость. Однако они гигроскопичны и имеют низкий класс нагревостойкости: в непропитанном состоянии – класс Y, в пропитанном состоянии – класс A.

К синтетическим относятся материалы, изготовленные из неорганических волокон - стекла, асбеста. Основным отличительным признаком волокнистых материалов является их структура, а основным веществом − целлюлоза.

Эти материалы обладают высокой гидрофильностью и гигроскопичностью, что обусловлено их волокнистым строением. В непропитанном состоянии они отличаются низкими электрическими параметрами и низкой термостойкостью (устраняется пропиткой нефтяными маслами, синтетическими смолами, лаками и компаундами).

Дерево. Одним из первых электроизоляционных материалов, применявшихся в электротехнике, является дерево. В непропитанном состоянии древесина обладает очень низкими и нестабильными изоляционными свойствами. Поэтому она применяется в качестве электроизоляционного или конструкционно-изоляционного материала только в пропитанном состоянии. В качестве пропитывающих веществ используют парафин, олифу, нефтяное масло, смолы. Однако пропитка не устраняет полностью гигроскопичность древесины. В связи с чем, для улучшения влагостойкости детали из древесины покрывают изоляционным лаком или олифой с последующим запеканием при высокой температуре.

На сегодняшний день наибольшее применение имеют следующие породы дерева: бук, береза, дуб, ольха, клен. Древесина, как правило, используется для изготовления изолирующих штанг, различных опор и крепежных деталей. Несмотря на дешевизну, высокие электроизоляционные и механические качества, легкость обработки, дерево имеет ограниченное применение из-за своей горючести и гигроскопичности. Все деревянные детали должны применяться только после сушки и последующей пропитки, которые значительно уменьшают гигроскопичность. Сушка и пропитка древесины в олифе, парафине, трансформаторном масле, компаундах и др. повышают ее электрическую прочность и объемное сопротивление в 1,5-2 раза. Особенно интенсивно дерево впитывает влагу вдоль волокон. Поэтому дополнительно к пропитке следует по возможности торцы деталей покрывать водостойким лаком или эмалью. В масляных трансформаторах дерево применяется для изготовления крепежных и конструкционных деталей — ярмовых балок, прокладок и клиньев, в электрических машинах — для пазовых клиньев, дистанцирующих прокладок и деталей крепления лобовых частей обмотки. При конструировании и изготовлении деталей следует учитывать, что прочность древесины вдоль волокон значительно выше, чем поперек.

Бумаги. Электрические изоляционные бумаги изготовляются из волокон целлюлозы, хлопка, тростника и асбеста, применяются как для работы на воздухе, так и в масле. Наибольшее применение получили кабельная и телефонная бумаги, изготовленные из волокон органического происхождения, обладающие сравнительно высокими механическими качествами и воздухонепроницаемостью, но малой нагреваемостью и низкой электрической прочностью. Пропитка бумаг маслом, лаком, компаундами значительно повышает ее электрическую прочность и в меньшей степени — нагревостойкость. Механическая прочность бумаги вдоль рулона всегда больше, чем поперек.

 

Кабельная бумага применяется для изоляции жил силовых кабелей на напряжение 35, 110 и 220 кВ. Отличается количеством слоев, толщиной, объёмной массой, воздухопроницаемостью. Маркируется буквами К (кабельная однослойная), КМ (многослойная), КВМ (высоковольтная многослойная), КВМСУ (высоковольтная, многослойная стабилизированная многослойная).

Конденсаторная бумага − наиболее тонкий и качественный вид электротехнической бумаги, применяется в сочетании с синтетическими пленками.

Пропиточная бумага выпускается толщиной 0,9, 0,11, 0,13 мм. Воздухопроницаемость и впитываемость пропиточных бумаг выше, чем других.

Намоточная бумага изготовляется толщиной 50, 60, 70 мкм.

Электротехнический картон отличается от бумаг на основе целлюлозы повышенной толщиной, высокой механической прочностью, достаточной гибкостью, низкой стоимостью.

Как заменитель лакоткани при изготовлении и ремонте обмоток масляных трансформаторов малой мощности получила применение крепированная бумага — нелощенная изоляционная мелкогофрированная бумага. Бумага из волокон органического происхождения, дополнительно обработанная водным раствором хлористого цинка, после промывки и опрессовки при высоком давлении образует плотный, поддающийся механической обработке и формованию материал — фибру. Тонкие сорта фибры носят название летероид. Нагревостойкую бумагу изготовляют из волокон асбеста, применяя для этого его наиболее эластичный сорт — хризотиловый асбест. Серьезным недостатком, ограничивающим применением асбестовой бумаги, являются ее невысокая механическая прочность Для повышения прочности к волокнам или нитям асбеста добавляют хлопчатобумажные волокна или нить, хотя эта добавка влечет за собой значительное снижение нагревостойкости бумаги. Применяются кабельная и телефонная бумаги как основная витковая и корпусная изоляция обмоток масляных трансформаторов, защитный слой пазовой изоляции электрических машин низкого напряжения общепромышленного применения, дополнительная изоляция обмоток электрических машин высокого напряжения и для временных технологических оберток при выпечке изоляции обмоток и электроизоляционных деталей.
Асбестовая бумага, фибра и летероид применяются для изоляции катушек возбуждения машин постоянного тока и синхронных машин и как дополнительная изоляция обмоток статоров синхронных и асинхронных машин. Фибра и летероид, кроме того, применяются для изготовления прокладок, шайб и формования манжет, колпачков и других деталей, имеющих фасонную форму. Поставляемая бумага не должна иметь надрывов, отверстий, складок и включений посторонних тел, кромки ее должны быть ровными. На просвет бумага должна быть однородной.
Бумаги выпускаются в рулонах. Снаружи рулон упаковывается в несколько слоев оберточной бумаги.

Фибра – это многослойный пергаментированный картон. Фибру используют в качестве изоляционного и дугогасящего материала. При воздействии электрической дуги фибра разлагается, выделяя большое количество газов, способствующих гашению дуги. В связи с этим, фибровые трубки применяются для изготовления «стреляющих» разрядников. Фибра − электроизоляционный и конструкционный материал, получаемый на основе целлюлозы. Фибру изготавливают из непроклеенной бумаги, имеющей в своём составе хлопковое волокно и древесную целлюлозу (по 50%). Используют в качестве электроизоляционного материала в электрооборудовании низкого напряжения; применяют для изготовления разрядников высокого напряжения. Фибра и летероид выпускаются в листах, обертываются в бумагу и упаковываются в деревянные ящики или обрешетку. Хранение бумаги, фибры и летероида должно производиться на подкладках в сухом (желательно отапливаемом) помещении с хорошей вентиляцией, защищенном от проникновения прямых солнечных лучей. При разгрузке на складе не допускается сбрасывание рулонов на пол, а их перекатку следует производить по стрелке, показывающей направление намотки бумаги в рулоне. Основные характеристики бумаг, фибры и летероида, применяемые при ремонте, приведены в табл. 5. В таблице не указаны виды электроизоляционных бумаг, имеющих ограниченное применение, намоточной, конденсаторной, для обклейки листов стали, для изготовления микаленты и др. Картоны по сравнению с электроизоляционными бумагами имеют большую толщину и плотность. Для изготовления некоторых особо прочных сортов картона частично или полностью применяется тряпичное волокно.

Ко второй группе относятся материалы из асбестовых, стеклянных и синтетических волокон. Отличительные особенности волокнистых материалов неорганического происхождения — высокая нагревостойкость (удовлетворяющая классу С) и негорючесть.

При ремонте электрических машин низкого напряжения предварительно просушенный и пропитанный картон применяется как основная пазовая и межслонная изоляция. Для электрических машин высокого напряжения картон применяется также в просушенном и пропитанном виде как дополнительная изоляция, для наружного защитного слоя, для изготовления дистанирующих прокладок в лобовых частях обмоток. При ремонте масляных трансформаторов картон также предварительно просушивается. Для изготовления деталей главной изоляции трансформаторов напряжением до 750 кб применяется картон марки А, а для трансформаторов напряжением до 220 кВ включительно— марки Б.
Картон марки В применяется для изготовления деталей продольной изоляции. Картон марки Г применяется для изготовления изоляционных деталей в трансформаторах и как основа для получения склеенного картона.
При раскрое картона для изготовления деталей следует учитывать, что его механическая прочность вдоль рулона или листа больше, чем поперек.
Асбестовый картон имеет применение, аналогичное асбестовым бумагам, и, кроме того, для подбандажной изоляции и изоляции обмоткодержателей роторов и якорей электрических машин. Поставляемый картон не должен иметь каких-либо механических повреждений и вкраплений посторонних тел, поверхность должна быть ровной и гладкой, кромки без надрывов. Выпускается картон в рулонах и листах. Листовой картон предварительно обертывается плотной бумагой или некондиционным картоном и упаковывается в ящики, щиты или рамки.
Упаковка рулонного картона аналогична упаковке бумаги.
Хранение картона на складе должно производиться в тех же условиях, что и хранение бумаг.

Ленты. Хлопчатобумажные, асбестовые и стеклянные ленты нашли широкое применение при изготовлении обмоток электрических машин и трансформаторов. Хлопчатобумажные ленты применяются главным образом как монтажный материал для скрепления проводов и изоляционных материалов при изготовлении обмоток. Для электрических машин низкого напряжения с изоляцией класса А хлопчатобумажные ленты применяются для витковой изоляции обмоток, но ввиду высокой гигроскопичности применение этих лент допустимо после предварительной сушки и пропитки в лаке. Асбестовые ленты изготовляются из волокон хризотилового асбеста, обладающих эластичностью и способностью скручиваться в нити. Гигроскопичность асбестовых лент меньше, чем у хлопчатобумажных, так как количество внутренних капилляров в асбестовых нитях очень невелико. В волокнах асбеста содержатся окислы железа и адсорбционная вода. При содержании окислов до 3-4% асбестовые ленты применяются как электроизоляционные, несмотря на невысокое объемное сопротивление 108-109 Ом*см. При содержании окислов до 8-9% лента находит применение как полупроводящая для выравнивания электрического поля на поверхности обмоток электрических машин высокого напряжения. Для упрочнения лент, в асбестовые нити добавляют хлопчатобумажные волокна.

Стеклянные ленты изготовляются из нитей бесщелочного и малощелочного стекла. По сравнению с асбестовыми, а тем более с хлопчатобумажными эти ленты обладают меньшей гигроскопичностью и большей нагревостойкостью. Прочность стеклянных лент на разрыв выше, а на истирание ниже, чем хлопчатобумажных и асбестовых. Стеклянные ленты широко применяются для изоляции обмоток электрических машин нагревостойкого исполнения. Поставляемые ленты должны иметь ровные прямые кромки без повреждений.

При изготовлении высоковольтных конденсаторов используют конденсаторную бумагу – высококачественную тонкую (порядка 10 мкм) бумагу с хорошими изоляционными свойствами.

В кабельной технике применяют кабельную бумагу в качестве изоляции силовых высоковольтных кабелей высокого и низкого напряжений (толщина 0,1 мм). Кабельная полупроводящая бумага применяется для экранирования изоляции силовых высоковольтных кабелей. Слой лент этой бумаги накладывается поверх токопроводящей жилы и поверх изоляции кабелей с напряжением 20 кВ и выше.

Картон отличается от бумаги большей толщиной. Картон используют в пропитанном состоянии в качестве межобмоточной и межфазовой изоляции в трансформаторостроении.

Органический текстиль применяется в качестве защитных покровов кабелей и в изоляции электрических машин. Органический текстиль включает: материалы из натуральных волокон, материалы из искусственных волокон и материалы из синтетических волокон.

Материалы из натуральных волокон бывают следующих разновидностей: хлопчатобумажная пряжа, кабельная пряжа, хлопчатобумажные изоляционные ленты, изоляционный шелк. Данные материалы применяются в качестве верхних защитных покровов изоляции.

Материалы из искусственных волокон бывают следующих разновидностей: вискозный шелк, ацетатный шелк. Ткани из этих волокон прочны и эластичны.

Материалы из синтетических волокон бывают следующих разновидностей: полиамидное волокно (капрон), лавсановый шелк. Данные материалы применяются для изоляции обмоточных проводов.

Пропитанные волокнистые материалы получают путем пропитки в электроизоляционных лаках или составах различных материалов из натуральных органических волокон. Сочетание высокой механической прочности пропитываемой ткани с высокими изоляционными свойствами пропитывающих составов позволяет получать материалы, обладающие комплексом свойств, обусловившим их широкое применение для целей электрической изоляции.

К пропитанным волокнистым материалам относят: лакоткани, лакобумаги, лакированные трубки и изоляционные ленты (изоленты).

Лакоткани широко применяют для изоляции в электрических машинах, аппаратах, кабельных изделиях в виде обмоток, оберток, прокладок и т.д. Разновидностью лакотканей является стеклоткань, у которой в качестве основы используется стекловолокно. Недостаток лакотканей – повышенное тепловое старение.тПри пропитке бумаги лаками получают лакобумаги, которые дешевле лакотканей и в ряде случаев являются их альтернативой. Недостаток лакобумаг – низкая механическая прочность.

Лакированные трубки используются в качестве уплотнителей и дополнительной изоляции.

Изоляционные ленты бывают односторонние и двухсторонние, в зависимости от наличия резиновой смеси на одной или двух сторонах.

Электроизоляционные лакированные ткани (лакоткани)
Лакированные ткани представляют собой гибкие материалы, состоящие из ткани, пропитанной лаком или каким-либо электроизоляционным составом. Пропиточный лак или состав после отвердевания образует гибкую пленку, которая обеспечивает хорошие электроизоляционные свойства лакоткани. В зависимости от тканевой основы лакоткани делятся на хлопчатобумажные, шелковые, капроновые и стеклянные (стеклоткани). В качестве пропиточных составов для лакотканей применяют масляные, масляно-битумные, эскапоновые и кремнийорганические лаки, а также кремнийорганические эмали, растворы кремнийорганических каучуков и др. Наибольшей растяжимостью и гибкостью обладают шелковые и капроновые лакоткани. Они могут работать при нагреве не выше 105° С (класс А). К этому же классу нагревостойкости относятся все хлопчатобумажные лакоткани.
Основными областями применения лакотканей являются: электрические машины, аппараты и приборы низкого напряжения. Лакоткани используют для гибкой витковой и пазовой изоляции, а также в качестве различных электроизоляционных прокладок.

Электроизоляционные стеклянные ленты и ткани производят из стеклянных нитей, получаемых из бесщелочных или малощелочных стекол. Преимущество стеклянных волокон перед растительными и асбестовыми состоит в их гладкой поверхности, понижающей поглощение влаги из воздуха. Нагревостойкость стеклянных тканей и лент выше асбестовых.

Пластические массы

Пластическими массами (пластмассами) называются твердые материалы, которые на определенной стадии изготовления приобретают пластические свойства и в этом состоянии из них могут быть получены изделия заданной формы. Данные материалы представляют собой композиционные вещества, состоящие из связующего вещества, наполнителей, красителей, пластифицирующих и других компонентов. Исходными материалами для получения пластмассовых изделий являются прессовочные порошки и прессовочные материалы. По нагревостойкости пластмассы бывают термореактивные и термопластичные.

Слоистые электроизоляционные пластмассы. Слоистые пластмассы — материалы, состоящие из чередующихся слоев листового наполнителя (бумага или ткань) и связующего. Важнейшими из слоистых электроизоляционных пластмасс являются гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Они состоят из листовых наполнителей, располагающихся слоями, а в качестве связующего вещества использованы бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические смолы и их композиции. В качестве наполнителей применяют специальные сорта пропиточной бумаги (в гетинаксе), хлопчатобумажные ткани (в текстолите) и бесщелочные стеклянные ткани (в стеклотекстолите). Перечисленные наполнители сначала пропитывают бакелитовыми или кремнийорганическими лаками, сушат и режут на листы определенного размера. Подготовленные листовые наполнители собирают в пакеты заданной толщины и подвергают горячему прессованию, в процессе которого отдельные листы при помощи смол прочно соединяются друг с другом.
Гетинакс и текстолит устойчивы к минеральным маслам, поэтому широко используются в маслонаполненных электроаппаратах и трансформаторах. Наиболее дешевым слоистым материалом является древесно-слоистая пластмасса (дельта-древесина). Она получается горячим прессованием тонких листов березового шпона, предварительно пропитанных бакелитовыми смолами. Дельта-древесина применяется для изготовления силовых конструкционных и электроизоляционных деталей, работающих в масле. Для работы на открытом воздухе этот материал нуждается в тщательной защите от влаги. Асбестотекстолит представляет собой слоистую электроизоляционную пластмассу, получаемую горячим прессованием листов асбестовой ткани, предварительно пропитанных бакелитовой смолой. Его выпускают в виде фасонных изделий, а также в виде листов и плит толщиной от 6 до 60 мм. Асбогетинакс — слоистая пластмасса, получаемая горячим прессованием листов асбестовой бумаги, содержащей 20% сульфатной целлюлозы или асбестовой бумаги без целлюлозы, пропитанных эпоксидно-фенолоформальдегидным связующим.

Из рассмотренных слоистых электроизоляционных материалов наибольшей нагревостойкостью, лучшими электрическими и механическими характеристиками, повышенной влагостойкостью и стойкостью к грибковой плесени обладают стеклотекстолиты на кремнийорганических и эпоксидных связующих.

Намотанные электроизоляционные изделия. Намотанные электроизоляционные изделия представляют собой твердые трубки и цилиндры, изготовленные методом намотки на металлические круглые стержни каких-либо волокнистых материалов, предварительно пропитанных связующим веществом. В качестве волокнистых материалов применяют специальные сорта намоточных или пропиточных бумаг, а также хлопчатобумажные ткани и стеклоткани. Связующими веществами являются бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические и другие смолы. Намотанные электроизоляционные изделия вместе с металлическими стержнями, на которые они намотаны, сушат при высокой температуре. С целью гигроскопичности намотанных изделий их лакируют. Каждый слой лака сушат в печи. К намотанным изделиям можно отнести и сплошные текстолитовые стержни, потому что их тоже получают путем намотки заготовок из текстильного наполнителя, пропитанного бакелитовым лаком. После этого заготовки подвергают горячему прессованию в стальных пресс-формах. Намотанные электроизоляционные изделия применяют в трансформаторах с воздушной и масляной изоляцией, в воздушных и масляных выключателях, различных электроаппаратах и узлах электрооборудования.

Минеральные электроизоляционные материалы. К минеральным электроизоляционным материалам относятся горные породы: слюда, мрамор, шифер, талькохлорит и базальт. Также к этой группе относятся материалы, получаемые из портландцемента и асбеста (асбестоцемент и асбопласт). Вся эта группа неорганических диэлектриков отличается высокой стойкостью к электрической дуге и обладает достаточно высокими механическими характеристиками. Минеральные диэлектрики (кроме слюды и базальта) поддаются механической обработке, за исключением нарезания резьбы.
Электроизоляционные изделия из мрамора, шифера и талькохлорита получают в виде досок для панелей и электроизоляционных оснований для рубильников и переключателей низкого напряжения. Точно такие же изделия из плавленого базальта можно получить только методом литья в формы. Чтобы базальтовые изделия обладали необходимыми механическими и электрическими характеристиками, их подвергают термической обработке с целью образования в материале кристаллической фазы. Электроизоляционные изделия из асбестоцемента и асбопласта представляют собой доски, основания, перегородки и дугогасительные камеры. Для изготовления такого рода изделий используют смесь, состоящую из портландцемента и асбестового волокна. Изделия из асбопласта получают холодным прессованием из массы, в которую добавлено 15% пластичного вещества (каолина или формовочной глины). Этим достигается большая текучесть исходной прессовочной массы, что позволяет получать из асбопласта электроизоляционные изделия сложного профиля. Основным недостатком многих минеральных диэлектриков (за исключением слюды) является невысокий уровень их электрических характеристик, вызванный большим количеством имеющихся пор и наличием оксидов железа. Такое явление позволяет использовать минеральные диэлектрики только в устройствах низкого напряжения. В большинстве случаев все минеральные диэлектрики, кроме слюды и базальта, перед применением пропитывают парафином, битумом, стиролом, бакелитовыми смолами и др. Наибольший эффект достигается при пропитке уже механически обработанных минеральных диэлектриков (панели, перегородки, камеры и др.).
Мрамор и изделия из него не переносят резких изменений температуры и растрескиваются. Шифер, базальт, талькохлорит, слюда и асбестоцемент более устойчивы к резким сменам температур.