Физико-химические и механические свойства диэлектриков.

Для оценки свойств электротехнических материалов кроме электрических характеристик необходимо знать также и механические и физико-химические свойства.

С помощью механических свойств оценивают материалы на прочность при растяжении «сжатии, изгибе, ударе. К основным механическим свойствам относятся:
предел прочности материала при сжатии при растяжении предел прочности при статическом изгибе и удельная ударная вязкость материала.

Изоляционные материалы имеют физико-химические свойства, из которых
основными являются: кислотное число, вязкость, кинематическая вязкость,
водопоглощаемость, химическая стойкость, тропическая стойкость и
радиационная стойкость.

Кислотное число это количество миллиграммов едкого калия (KOH) которое необходимо для нейтрализации свободных кислот содержащихся в 1 грамме жидкого диэлектрика. Кислотное число определяется у электроизоляционных жидкостей, а также у лаков, эмалей, компаундов. Чем выше кислотное число, тем больше свободных кислот в жидком диэлектрике, а значит тем выше его проводимость, так как кислоты под действием электрического напряжения легко распадаются на ноны. Кроме
того кислоты могут разрушать изоляционные материалы, например - бумагу
и другие, с которыми соприкасается жидкий диэлектрик.

В ГОСТе для кислоты строго установлены допустимые пределы, например для
трансформаторного масла 0,05 мг КОН на 1гр масла.

Вязкость представляет собой коэффициент внутреннего трения при относительном перемещении частиц жидкости. Вязкость определяет пропитывающую способность жидких диэлектриков. Чем меньше вязкость, тем глубже проникают частицы лаков и компаундов в поры волокнистой изоляции обмоток и наоборот.
В технике используются кинематической и условной вязкостью. Кинематическая вязкость измеряется в стоксах. Сотая доля стокса санистокс. Для определения кинематической вязкости используют прибор капиллярный вискозиметр, изготовленный из стекла. Искомую кинематическую вязкость вычисляют по формуле:

v =C · τ

где С - постоянная вискозиметра; τ - время истечения испытуемой жидкости.
Водопоглащаемость позволяет оценить способность диэлектрика
противостоять воздействию воды, которая, проникая в поры материала,
вызывает снижение его электрических, характеристик. Для оценки образцы
диэлектриков сушат 24 часа, потом взвешивают, после чего опускают на 24
часа в воду, потом опять взвешивают. Водопоглащение находят по следующей
формуле:

где G – масса диэлектрика после опускания в воду; G _Т – масса высушенного диэлектрика
Водопоглащаемость позволяет определить степень устойчивости диэлектрика
к воздействию на него паров воды при работе электроизоляционного материала во влажной атмосфере.

Химическая стойкость позволяет оценить степень стойкости диэлектриков при воздействии на них растворителей, окислителей и других разрушающих реагентов (кислоты, щелочи их растворы и пары). Для определения стойкости диэлектрика подробно исследуют изменения механических и электрических характеристик, его образцов, находившихся долгое время под воздействием тех или иных реагентов. Резкое падение прочности свидетельствует о низкой стойкости диэлектрика
к этому растворителю.

Тропическая стойкость определяется у электроизоляционных материале в
применяемых в тропическом климате. Их испытывают на влагоустойчивость,
теплоустойчивость, на устойчивость к плесневым грибкам, на устойчивость
к солнечной радиации.

Радиационная стойкость – характеристика позволяющая оценить степень стойкости диэлектриков к воздействию жестких излучений радиоактивных веществ ядерных установок и других источников. Под действием радиации многие твердые вещества размягчаются. Очень немногие из материалов оказываются устойчивыми к радиации. К таким относится фарфор, слюда, кварцевое стекло.

14.5. Изоляционные лаки, эмали, компаунды, асбест.

Изоляционные лаки. Лаки представляют собой коллоидные растворы различных пленкообразующих веществ в специально подобранных органических растворителях. Пленкообразующими называют такие вещества, которые в результате испарения растворителей процессов отвердевания (полимеризации) способны образовывать твердую пленку. К пленкообразующим веществам относятся смолы природные и синтетические.
Чтобы создать электроизоляционный лак, удовлетворяющий ряду требований,
подбирают несколько пленкообразующих веществ, которые составляют основу лака. Для полного растворения и высыхания лака применяют растворители. Для разбавления загустевших лаков в них вводят разбавители, которые отличаются от растворителей меньшей испаряемостью, кроме того, они могут
растворять лаковую основу только в смеси с растворителем. В качестве
разбавителей применяют бензин, лаковый керосин, скипидар. В состав лака
еще могут входить пластификаторы и сиккативы.

Пластификаторы – вещества, придающие луковой пленке пластичность. К ним относятся: касторовое масло, жирные кислоты и другие малообразованные
жидкости.
Сиккативы – представляют собой жидкие или твердые вещества, вводимые в
некоторые лаки, чтобы ускорить их высыхание. При сушке лака нанесенного
на поверхность содержащиеся в нем органические вещества улетучиваются
(растворители), а пленкообразующие вещества в результате процесса
полимеризации образуют твердую лаковую пленку. Эта пленка в зависимости
от свойств пленкообразующих веществ может быть гибкой или не гибкой, или
хрупкой. По своему назначению лаки делятся на: пропиточные, покровные и
клеящие.
Пропиточные лаки - применяют для пропитки обмоток в электрических машинах и аппаратах с целью цементации витков обмотки, а также с целью устранения
пористости в изоляции обмоток.

Покровные лаки – применяют для создания на поверхности уже пропитанных
обмоток влагостойких и маслостойких лаковых покрытий.

Клеящие лаки – применяют для склеивания различных электроизоляционных
материалов, пластических масс, керамики.

Следует заметить, что один и тот же лак может применяться в качестве
пропиточного и покровного.

По способу сушки лаки бывают воздушной и печной сушки. По лаковой основе лаки делятся на: смоляные, масляные, маслобитумные и эфироцеллюлозные.
Основные характеристики некоторых электроизоляционных лаков.

Масляные лаки: Марка лака № 152, время сушки - 1час при температуре
150 ⁰С; термоэластичная пленка образуется за 1÷3 часа при температуре
105 ⁰С; Электрическая характеристика при 20 ⁰С: удельное объёмное сопротивление Р =1012÷1014 ом·см; электрическая прочность – Е _пр = 50 ÷ 60 кВ/мм. Применяют при ремонтах электрических машин.

Маслобитные лаки: Марка БТ-95, время сушки 16÷18 часов при
температуре 150⁰С, термоэластичная пленка образуется через 15÷18 часов
при температуре 150 ⁰С; электрическая характеристика при 20 ⁰С: удельное объёмное сопротивление Р =1013÷1014 ом·см; электрическая прочность Е _пр = 70 ÷75кВ/мм. Применяется для клейки слюды.

Глифталевые лаки: Марка лака ГФ-95, время сушки 2 часа при температуре 105 ⁰С, термоэластичная пленка образуется за период от 10 до 48 часов при температуре 105 ⁰С. Электрическая характеристика: при 20 ⁰С: удельное объёмное сопротивление Р =1014 до 1015 ом·см; электрическая прочность Е _пр 70÷75 кВ/мм. Это пропиточный и покровной лак для обмоток трансформаторов, работающих в масле.

Кремнийорганические лаки: Марка К-35, время сушки 2÷З часа при
температуре 20 ⁰С и 10 часов при 105 ⁰С, термоэластичная пленка образуется при
температуре 200 ⁰С за 75÷90 часов. Электрическая характеристика: при
20⁰С: удельное объёмное сопротивление Р =1014 ÷1015 ом·см; электрическая прочность Е _пр = 50÷100 кВ/мм. Применяется как покровный и пропиточный лак высокой нагревостойкости для обмоток тропического исполнения.

Электроизоляционные эмали представляют собой лаки с введенными в них мелко раздробленными веществами - пигментами. В качестве пигментов применяют неорганические вещества преимущественно окислы металлов (окись цинка, железный сурик и др.) и их смеси. Пигментирующие вещества, введенные в лак, тщательно перемешивают в краскотерочных машинах до получения однородной массы. В процессе высыхания эмалей пигменты вступают в химические реакции с лаковой
основой, образуя плотное покрытие с повышенной твердостью. Изоляционные
эмали являются покровными материалами. Ими покрывают любые части обмоток
электрических машин и аппаратов с целью защиты их от смазочных масел,
влаги и других воздействий, 0сновой многих эмалей являются
масляно-глифталевые лаки, характеризующиеся высокой клеящей способностью
и высокой нагревостойкостью.

Некоторое применение находят эмали на основе перхлорвиниловых смол. В отличие от поливинилхлоридных смол перхлорвиниловые смолы обладают хорошей растворимостью во многих растворителях (ацетон, хлорбензол, толуол). Эмалевые покрытия на основе перхлорвиниловых смол отличаются стойкостью к воде, минеральным маслам, бензинам, кислотам, щелочам. Они отличаются также атмосферостойкостью и обладают хорошими электроизоляционными свойствами. Применяют для лобовых частей обмоток в электромашинах, а так же пластмассовых деталей для
защиты от влаги. Сушатся 2 часа при температуре 20 ⁰С. Недостатки перхлорвиниловых покрытий являются слабое прилипание к металлам и низкая нагревостойкость – 85 ⁰С. Эмали на эпоксидных лаках отличаются хорошим прилипанием и повышенной нагревостойкостью.

Основные характеристики некоторых эмалей. Марка эмали СПД, изготовленная на глифталевом лаке, время высыхания 3 часа при температуре 150 ⁰С, термопластичная пленка образуется за 10 часов при температуре 150 ⁰С, электрические характеристики при 20 ⁰С: удельное объёмное сопротивление Р = 1013÷1014 ом·см; электрическая прочность Е _пр = 50÷60 кВ/мм. Применяются для покрытия вращающихся и неподвижных обмоток.

Эмаль ЭП-91 изготовлена на основе эпоксидного лака, высыхает за 2 часа
при температурере 180 ⁰С, термопластичность обеспечивается за 6 часов при 150 ⁰С, электрические характеристики при 20 ⁰С: удельное объёмное сопротивление Р =1014÷1015 ом·см; электрическая прочность Е _пр = 50 ÷ 70 кВ/мм. Эмаль обладает повышенной стойкостью к влаге и минеральному маслу.

Эмаль ПЭК-14 изготовлена на основе кремнийорганического лака высыхает за 2 часа при температуре 200 °С, термопластичность 120 часов при температуре 200 °С, электрические характеристики при 20 ⁰С: удельное объёмное сопротивление Р = 1013÷1015 ом·см; электрическая прочность Е _пр = 40÷80 кВ/мм. Применяется для покрытия обмоток (электрических машин и аппаратов) пропитанных кремнийорганическими лаками.

Компаунды - это электроизоляционные составы, изготовляемые из некоторых
исходных веществ: смол, битумов. В момент применения компаунды представляют собой жидкости, которые постепенно отвердевают, превращаясь в монолитный твердый диэлектрик. В отличие от лаков и эмалей компаунды не содержат летучих растворителей. Отсутствие в компаундах растворителей обеспечивает ему монолитность после его отвердевания. Согласно своему назначению компаунды разделяются
на пропиточные, заливочные и обмазочные.

Пропиточные применяются для пропитки обмоток электрических машин и
аппаратов с целью цементации витков обмотки и защиты от влаги.
Обмазочные применяются с целью защиты витков обмотки от влаги и масла.
Заливочные компаунды применяются для заливки полостей в кабельных муфтах и воронках, а также в корпусах электрических аппаратов, трансформаторах
тока, дросселей.

Компаунды могут быть термоактивными материалами не способные
размягчаться после своего отвердевания или термопластичными могущими
размягчаться при последующем нагреве. К термопластичным относятся
компаунды на основе битума, воскообразных диэлектриков (парафин,
церезин) и термопластичных полимеров (полистирол).

Широкое применение получили компаунды на основе битумов, так как
последние являются дешевыми материалами стойкими к воде и обладающими
хорошими электроизоляционными свойствами. Например: для пропитки обмоток
электрических машин широко применяется битумный пропиточный компаунд
№225, его характеристика: плотность 0,92÷1,10 г/см³ температура размягчения (по методу кольца и шара) 98 ÷112 °С, морозостойкость – 25 °С, объемная усадка 7 ÷ 8%, электрические характеристики при 20⁰С: удельное объёмное сопротивление P = 1013 ÷ 1014 ом·см; электрическая прочность Е _пр = 18 ÷ 20 кВ/мм. В результате пропитки получается монолитная изоляция обмоток с повышенной механической и электрической прочностью и стойкая к парам воды.

Большой практический интерес представляют термоактивные компаунды,
которые не размягчаются при последующем нагревании. К таким компаундам
относится компаунд марки МБК являвшимся одновременно пропиточным и
заливочным. Их применяют в интервале температур от – 60 до 110 °С. При
введении наполнителя от –60 до 120 °С. В отвердевшем виде компаунды МБК
обладают следующими характеристиками; плотность 1,0 г/см³, предел прочности Gв = 70 / 80 кГс/см²; удельное объёмное сопротивление Р =1013 ÷ 1014 ом·см; относительное удлинение Δl = 0,03 ÷ 0,09; электрическая прочность Е _пр = 10 ÷15 кВ/мм; Объемная усадка 5÷6%.

Асбест представляет собой природный материал, характерным свойством
которого является его волокнистое строение. Волокна легко расщепляются
на тонкие отдельные волоски диаметром в тысячные доли миллиметра и
длиной до несколько сантиметров. Для изготовления различных
электроизоляционных материалов (пряжи, лент, картона) используется
преимущественно хризолитовый асбест представляющий собой силикат
магния (3MgO*2SiO₂*2H₂O). Волокна асбеста не впитывают воду, но
покрываются водяной пленкой. Он содержит химически связанную воду и
является гигроскопичным материалом. В результате этой гигроскопичности и
наличие в асбесте различных примесей электрические свойства асбестовых
материалов не высоки. Основным достоинством асбеста является его высокая
нагревостойкость и не горючесть. При температуре выше 450 °С из асбеста начинает удаляться вода и волокна его теряют механическую прочность. Основные характеристики асбеста: удельное объёмное сопротивление Р=109 ом·см; электрическая прочность Е _пр = 1÷2 кВ/мм; плотность 2,3÷2,6 г/см³; предел прочности G _в =300÷400 кГ/см², температура плавления 1150 °С, рабочая температура 450°С, влагопоглощение составляет 3÷4% за 24 часа. Из асбестовой пряжи делают асбестовые ткани и ленты. Ткани бывают толщиной 1,2 ÷ 1,9 мм, ширина 1040 мм, длина не менее 25м.
Ленты бывают толщиной 0,25 ÷ 0,6 мм, ширина 13 ÷ 38 мм. Они служат для изоляции в катушках полюсов и секциях обмоток электрических машин высокого напряжения. Все асбестовые материалы применяют в пропитанном (лаками и компаундами) виде. В результате пропитки устраняется гигроскопичность асбестовых материалов (бумаги, тканей), и улучшаются их электрические характеристики.