Электроизоляционные материалы. Виды, классы нагревостойкости, температура нагрева электроизоляционных материалов
1. Основные определения и классификация диэлектриков
Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества, с помощью которых осуществляется изоляция элементов или частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами. По сравнению с проводниковыми материалами (проводниками) диэлектрики обладают значительно большим электрическим сопротивлением. Характерным свойством диэлектриков является возможность создания в них сильных электрических полей и накопления электрической энергии. Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах.
Согласно агрегатному состоянию диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые. Особенно большой является группа твердых диэлектриков (высокополимеры, пластмассы, керамика и др.).
Согласно химическому составу диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основным элементом в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).
По способу получения диэлектрики делятся на естественные (природные) и синтетические. Наиболее многочисленной является группа синтетических изоляционных материалов.
Многочисленную группу твердых диэлектриков обычно делят на ряд подгрупп в зависимости от их состава, структуры и технологических особенностей этих материалов. Так, выделяют керамические диэлектрики, воскообразные, пленочные, минеральные и др.
Все диэлектрики, хотя и в незначительной степени, обладают электропроводностью. В отличии от проводников у диэлектриков наблюдается изменение тока со временем вследствие спадания тока абсорбции. С некоторого момента под воздействием постоянного тока в диэлектрике устанавливается только ток проводимости. Величина последнего определяет проводимость диэлектрика.
При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.
Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением Uпр, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Епр.
Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока.
Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:
· независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения;
· электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин 10–4—10–5 см);
· электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: 106—107 В/см; причем она больше, чем при тепловой форме пробоя;
· перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока;
· при наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).
Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительное количество тепла. Это повлечет за собой
еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине — по ослабленному месту.
Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:
· пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду;
· пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды;
· пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения;
· электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика;
· электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.
При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика.
2. Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов
Электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, аппаратах и трансформаторах, разделяются по их нагревостойкости на семь классов.
Таблица 1. Нагревостойкость электроизоляционных материалов
| Класс нагревостойкости | Температура, °C | Характеристика основных групп электроизоляционных материалов, соответствующих данному классу нагревостойкости |
| Y | 90 | Непропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка и шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов |
| A | 105 | Пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов |
| E | 120 | Некоторые синтетические органические пленки, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов |
| B | 130 | Материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связывающими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов |
| F | 155 | Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с синтетическими связывающими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов |
| H | 180 | Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов |
| C | Более 180 | Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связывающих составов или с неорганическими или элементоорганическими связывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов |
Нагревостойкость — способность электроизоляционного материала выполнять свои функции при воздействии рабочей температуры в течение времени, сравнимого с расчетным сроком нормальной эксплуатации электрооборудования, в котором применяется данный электроизоляционный материал.
Указанные в таблице температуры являются предельно допустимыми для электроизоляционных материалов при их длительном использовании (в течение ряда лет) в электрических машинах, трансформаторах и аппаратах, работающих в нормальных эксплуатационных условиях.
Температуры в наиболее нагретом месте изоляции не должны превышать указанных предельно допустимых величин температуры при работе электрооборудования в нормальном режиме при предусмотренной для этого режима максимальной температуре охлаждающей среды.
С электроизоляционными материалами соответствующего класса допускается совместное применение материалов предшествующего класса при условии, что под действием температуры, допускаемой для материалов более высокого класса, электрические и механические свойства комплексной изоляции не должны претерпевать изменений, могущих сделать изоляцию непригодной для длительной работы.
Таблица 2. Ориентировочное распределение электроизоляционных материалов по классам нагревостойкости
Класс нагревостойкости | Электроизоляционные материалы | Связывающие, пропитывающие и покровные составы, применяемые при производстве указанных материалов | Связывающие, пропитывающие и покровные составы, применяемые при производстве электрических машин, трансформаторов и аппаратов с применением указанных материалов |
| Y | Текстильные материалы на основе хлопка, натурального шелка, регенерированной целлюлозы, ацетилцеллюлозы и полиамидов | Не применяются | Не применяются |
| Целлюлозные электроизоляционные бумаги, картоны и фибра | Не применяются | Не применяются | |
| Древесина | Не применяются | Не применяются | |
| Пластические массы с органическими наполнителями | Мочевиноформальдегидные смолы | Не применяются | |
| A | Материалы класса Y, если они пропитаны изоляционным составом или погружены в жидкие диэлектрики (масло и др.) | — | Лаки на основе натуральных смол (шеллак, копалы и др.), эфироцеллюлозные лаки, соответствующие данному классу нагревостойкости; термопластичные компаунды (битумные и др.) с температурой размягчения, обеспечивающей отсутствие вытекания при рабочих температурах только в неподвижных обмотках. Нефтяные и синтетические жидкости, соответствующие данному классу нагревостойкости |
| Ацетатобутиратцеллю-лозные, ацетилцеллюлозные, диацетатные пленки | — | ||
| Пленкоэлектрокартон на основе ацетилцеллюлозной пленки | Клеящие составы, соответствующие данному классу нагревостойкости | ||
| Лакоткани, лакобумаги и лакочулки на основе хлопчатобумажной пряжи, натурального шелка, регенерированной целлюлозы, ацетатцеллюлозы или полиамидных волокон | Масляные, смоляные, масляно-смоляные лаки | ||
| Изоляция эмалированных проводов | Масляно-смоляные лаки, соответствующие данному классу нагревостойкости | Не требуются | |
| Слоистые пластики на основе целлюлозных бумаг и тканей | Термореактивные смолы фенолформальдегидного типа | ||
| Полиамидные пленки | — | ||
| Полиамидные литьевые смолы | — | ||
| Асбоцемент, пропитанный органическим составом, не вытекающим при 110 °С | Битум, каменноугольный пек и др. | ||
| Древеснослоистые пластики | Фенолформальдегидные смолы | ||
| Термореактивные компаунды на основе акриловых и метакриловых эфиров (без наполнителей) | — | ||
| E | Пленки и волокна из полиэтилентерефталата | — | Термопластичные компаунды с температурой размягчения, обеспечивающей отсутствие вытекания их при рабочих температурах только в неподвижных обмотках. Составы применяемые для изоляции класса В |
| Материалы на основе электрокартона и полиэтилентерефталовой пленки | Клеящие и пропитывающие составы соответствующей нагревостойкости | ||
| Стеклолакоткани и лакоткани на основе полиэтилентерефталовых волокон | — | ||
| Термореактивные синтетические смолы и компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые) | — | Не требуются | |
| Термореактивные компаунды на основе акриловых и метакриловых эфиров с неорганическими наполнителями | — | Не требуются | |
| B | Материалы на основе щипаной слюды, слюдопластов и слюдинитов, в том числе с бумажной или тканевой органической подложкой | Битумно-масляные лаки: природные и синтетические смолы, не модифицированные и модифицированные растительными маслами, и лаки на их основе | Битумно-масляно-смоляные лаки (на тунговом масле), лаки на основе природных и синтетических смол, модифицированных растительными маслами, соответствующие данному классу по нагревостойкости |
| Стеклоткани и стеклолакочулки | Лаки: битумно-масляно-смоляные, экскапоновые, эпоксидные, полиуретановые, а также на основе алкидных смол, модифицированных маслом | ||
| Асбестовые волокнистые материалы, в том числе с органическими волокнами | Шеллак, бакелитоглифталиевые и эпоксидные лаки, а также синтетический каучук | ||
| Изоляция эмалированных проводов | Лаки на основе полиэтилентерефталатных смол и другие синтетические лаки | ||
| Пластмассы с неорганическим наполнителем | Термореактивные смолы фенолформальдегидного типа, меламиноформальдегидные, фенолофуррольные, эпоксидные и полиэфирные | Не требуются | |
| Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов | |||
| Термореактивные синтетические компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые) с минеральным наполнителем и отвердителем, соответствующие данному классу нагревостойкости | |||
| Асбестоцемент, пропитанный органическим составом, не вытекающим при температуре 135 °C | Битум, каменноугольный пек и другие составы с последующей термообработкой | ||
| F | Материалы на основе щипаной слюды, слюдинитов и слюдопластов без подложки или с неорганической подложкой | Соответствующие данному классу нагревостойкости смолы и лаки: модифицированные и немодифицированные алкидные, эпоксидные, полиуретановые, кремнийорганические и др. | Соответствующие данному классу нагревостойкости смолы и лаки: модифицированные и немодифицированные алкидные, эпоксидные, полиэфирные полиуретановые, кремнийорганические и др. |
| Стекловолокнистая и асбестовая изоляция провода | |||
| Стеклоткани и стеклолакочулки | |||
| Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов | Не требуются | ||
| Стекловолокнистая и асбестовая изоляция провода | Кремнийорганические, эпоксидные и другие лаки, соответствующие по нагревостойкости | Соответствующие данному классу по нагревостойкости смолы и лаки: алкидные, эпоксидные, полиуретановые и кремнийорганические | |
| H | Материалы на основе щипаной слюды без подложки или с неорганической подложкой | Соответствующие данному классу нагревостойкости кремнийорганические и другие лаки и смолы | Соответствующие данному классу по нагревостойкости кремнийорганические лаки |
| Стекловолокнистая изоляция проводов | |||
| Стеклоткани и стеклолакочулки | |||
| Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов | Не требуются | ||
| Пластические массы с неорганическим наполнителем | |||
| Асбестоцемент | |||
| Кремнийорганические эластомеры без подложек и с неорганическими подложками | |||
| Асбестовые материалы (пряжа, ткани, бумаги) | Не применяются | Соответствующие данному классу по нагревостойкости кремнийорганические лаки | |
| C | Слюда | Не применяются | Не требуются |
| Стекло бесщелочное и стекловолокнистые материалы | Не применяются | ||
| Электротехническая керамика | Не применяются | ||
| Кварц | Не применяются | ||
| Асбестоцемент непропитанный | Не применяются | ||
| Шифер электротехнический | Не применяются | ||
| Материалы на основе щипаной слюды без подложки или со стекловолокнистой подложкой | Неорганические составы и элементоорганические смолы с повышенной нагревостойкостью | ||
| Микалекс | Не применяются | ||
| Политетрафторэтилен | Не применяются | ||
| Полиамиды | Не применяются |
3. Допустимые температуры нагрева токоведущих частей
Таблица 3. Максимально допустимые температуры токоведущих частей аппаратов и оборудования распределительных устройств напряжением свыше 1000 В
Части аппаратов | Нагрев, °C | Перегрев, °C | |||
| В воздухе | В масле | В воздухе | В масле | ||
| Токоведущие (за исключением контактных соединений) и нетоковедущие металлические части, неизолированные и не соприкасающиеся с изоляционными материалами | 120 | 90 | 85 | 55 | |
| Металлические части изолированные или соприкасающиеся с изоляционными материалами, а также детали из изоляционных материалов классов: | Y | 80 | — | 45 | — |
| A | 95 | 90 | 60 | 55 | |
| E | 105 | 90 | 70 | 55 | |
| B, F,HиC | 120 | 90 | 85 | 55 | |
| Масло трансформаторное в верхнем слое: | при использовании в качестве дугогасящей среды | — | 80 | — | 45 |
| при использовании в качестве только изолирующей среды | — | 90 | — | 55 | |
| Контактные соединения из меди, алюминия или их сплавов с нажатием, осуществляемым болтами, винтами, заклепками и другими способами, обеспечивающими жесткость соединения: | без покрытия | 80 | 80 | 45 | 45 |
| с покрытием оловом | 90 | 90 | 55 | 55 | |
| с гальваническим покрытием серебром | 105 | 90 | 70 | 55 | |
| с уплотненным гальваническим покрытием серебром толщиной не менее 50 мк, а также с накладными пластинами из серебра | 120 | 90 | 80 | 55 | |
| Контактные соединения из меди или ее сплавов с нажатием, осуществляемым пружинами: | без покрытия | 75 | 75 | 40 | 40 |
| с гальваническим покрытием серебром | 105 | 90 | 70 | 55 | |
| с накладными пластинами из серебра или из композиций СОК-15, СОМ-10 | 120 | 90 | 70 | 55 | |
| Выводы аппаратов, предназначенные для соединений с подводящими проводами, с нажатием, осуществляемым болтами, винтами или другими способами, обеспечивающими жесткость соединения: | без покрытия | 80 | — | 45 | — |
| с покрытием оловом | 90 | — | 55 | — | |
| с гальваническим покрытием серебром | 105 | — | 70 | — | |
| с уплотненным гальваническим покрытием серебром толщиной не менее 50 мк | 120 | — | 85 | — | |
| с накладными пластинами из серебра | 120 | — | 85 | — | |
| Металлические части, используемые как пружины: | из меди | 75 | 75 | 40 | 40 |
| из фосфористой бронзы и аналогичных ей сплавов | 105 | 90 | 70 | 55 | |
| из стали | 120 | 90 | 85 | 55 | |
Установившаяся температура нагрева контактных соединений и цельнометаллических соединений зажимов с внешними проводниками из меди, алюминия и их сплавов при номинальных режимах не должна быть выше 80 °C.
Таблица 4. Максимально допустимые температуры токоведущих частей аппаратов и оборудования распределительных устройств напряжением до 500 В включительно
Части устройств и аппаратов | Предельная температура нагрева, °C | Перегрев, °C, при температуре окружающей среды +35 °C |
| Медные шины, имеющие болтовые контактные соединения или не защищенные от коррозии в местах контактов | 90 | 55 |
| То же, но защищенное в местах контактов слоем полуды или кадмия | 100 | 65 |
| То же, но защищенное в местах контактов слоем серебра | 120 | 85 |
| Медные шины с контактными соединениями, выполненными с помощью пайки или сварки | 120 | 85 |
| Щеточные контакты аппаратов, клиновые контакты штепселей из меди и ее сплавов | 70 | 35 |
| Клиновые контакты рубильников из меди и ее сплавов | 90 | 55 |
| Скользящие и стыковые массивные контакты из меди и ее сплавов | 110 | 75 |
| Скользящие и стыковые массивные контакты со впаянными или приваренными контактными пластинами из серебра | 120 | 85 |
| Контакты предохранителей | 120 | 85 |
Установившаяся температура нагрева контактных и цельнометаллических соединений зажимов с внешними проводами из меди, алюминия и их сплавов при номинальном режиме не должна быть выше 95 °C.