Виды и характеристики волокнистых электроизоляционных материалов

Содержание страницы

1. Физическая природа и общая характеристика
2. Древесина: Исторический базис и современное применение
3. Электротехническая бумага: Главный изолятор энергетики
4. Анализ конструкции силового кабеля (на примере ААШв-10)
5. Текстильные электроизоляционные материалы
6. Слоистые пластики: Гетинакс, Текстолит, Стеклотекстолит
7. Асбест: Минеральная изоляция и вопросы безопасности
8. Интересные факты о волокнистых материалах
9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Заключение

Волокнистые электроизоляционные материалы (диэлектрики) представляют собой обширный класс материалов, структурную основу которых составляют волокна — частицы с высоким коэффициентом удлинения (отношение длины к диаметру \( L/D \gg 1 \)). Исторически это одни из первых материалов, позволивших человечеству освоить электрическую энергию. Еще на заре электротехники в XIX веке пропитанная бумага и хлопчатобумажные ткани стали фундаментом для создания первых телеграфных кабелей, а затем и силовых линий электропередачи.

Несмотря на бурное развитие полимерной химии и появление синтетических пластиков, классические волокнистые материалы не утратили своей актуальности. Напротив, в области высоких и сверхвысоких напряжений (например, в силовых трансформаторах и высоковольтных вводах) бумажно-масляная изоляция остается непревзойденным стандартом надежности. Данная статья представляет собой исчерпывающее техническое руководство, охватывающее физику процессов в волокнистых средах, их химическую природу, технологии производства и особенности эксплуатации.

1. Физическая природа и общая характеристика

Главной отличительной чертой волокнистых материалов является их пористость. Волокнистая структура неизбежно подразумевает наличие пустот между хаотично или упорядоченно переплетенными волокнами. С точки зрения физики диэлектриков, это гетерогенные (неоднородные) системы, состоящие как минимум из двух фаз: твердого вещества волокна и газа (воздуха) в порах.

Объемная пористость \( V_{por} \) определяется как отношение объема пор к общему объему материала: \[ V_{por} = \left( 1 — \frac{\rho_{bulk}}{\rho_{true}} \right) \cdot 100\% \] где \( \rho_{bulk} \) — объемная плотность материала, а \( \rho_{true} \) — истинная плотность вещества волокна.

Наличие пор определяет ключевые недостатки непропитанных материалов:

Низкая электрическая прочность: Электрический пробой газа в порах происходит при значительно меньших напряженностях поля, чем пробой твердого волокна. Согласно теории Таунсенда, ионизация в газовых включениях запускает лавинный процесс, приводящий к разрушению изоляции.
Высокая гигроскопичность: Благодаря капиллярному эффекту, пористая структура активно впитывает влагу из окружающей среды. Молекулы воды, обладая высокой полярностью (дипольный момент), резко снижают удельное сопротивление материала и увеличивают диэлектрические потери (\( \tan\delta \)).

Представьте волокнистый материал как сухую губку. В сухом состоянии она полна воздуха и легка, но стоит появиться малейшей капле воды, как она мгновенно впитывается и распространяется по всей структуре. В электротехнике эта «вода» становится проводником, вызывающим короткое замыкание.

Замечание: Именно поэтому большинство волокнистых материалов применяют исключительно в пропитанном состоянии. Пропитка маслами, смолами или лаками замещает воздух и влагу, заполняя поры диэлектриком с более высокой диэлектрической проницаемостью (\( \varepsilon \approx 2.2-3.5 \)) и электрической прочностью. Это повышает напряжение начала частичных разрядов и общую долговечность изоляции.

Классификация по происхождению

Для задач энергетики используют материалы четырех основных групп:

Растительного происхождения: Основа — природный полимер целлюлоза (древесина, бумага, картон, хлопчатобумажные ткани).
Животного происхождения: Натуральный шелк (белковая природа). В настоящее время имеет ограниченное применение из-за дороговизны.
Минерального происхождения: Неорганические волокна, такие как асбест (силикаты) и стекловолокно. Отличаются высокой нагревостойкостью.
Синтетического происхождения: Искусственные полимеры (капрон, лавсан, арамидные волокна типа Nomex). Характеризуются высокой механической прочностью и химической чистотой.

2. Древесина: Исторический базис и современное применение

Древесина является исторически первым конструкционным диэлектриком. Химически она представляет собой природный композит, состоящий из целлюлозы (каркас), лигнина (связующее вещество) и гемицеллюлоз.

Свойства и проблемы

Главные недостатки натуральной древесины — анизотропия свойств (свойства вдоль и поперек волокон различны), высокая гигроскопичность и наличие природных дефектов (сучки, трещины). Древесина способна поглощать до 150% влаги от собственного веса, что недопустимо для высоковольтной изоляции.

Технологии улучшения (Модификация)

Для электротехнических целей используется древесина твердых пород (бук, береза, ясень), прошедшая специальную обработку:

Вакуумная сушка: Удаление свободной и связанной влаги.
Пропитка под давлением: Введение антисептиков (для опор ЛЭП) или трансформаторного масла/синтетических смол (для внутренних деталей трансформаторов).
Прессование: Создание древесно-слоистых пластиков (ДСП) для выравнивания плотности и механических свойств.

Современное применение: Хотя как основная изоляция древесина ушла в прошлое, она незаменима в производстве клиньев, планок, ярмовых балок и крепежных элементов в мощных масляных трансформаторах. Древесно-слоистые пластики (ДСП) обладают уникальным сочетанием механической прочности на сжатие и маслостойкости, не загрязняя масло продуктами распада.

3. Электротехническая бумага: Главный изолятор энергетики

Бумага — это тонколистовой волокнистый материал, состоящий из специально обработанной растительной целлюлозы. С химической точки зрения, целлюлоза — это природный линейный полимер с формулой звена \( (C_6H_{10}O_5)_n \). Длина молекулярной цепи (степень полимеризации \( n \)) определяет механическую прочность бумаги.

Технологии производства: Сульфитная vs Сульфатная

Свойства бумаги кардинально зависят от метода варки древесной щепы (деинструкции лигнина):

А) Сульфитный способ (Кислотный)

Варка происходит в растворе сернистой кислоты \( H_2SO_3 \) и ее солей.

Недостатки: Кислая среда частично разрушает (гидролизует) молекулы целлюлозы, укорачивая полимерные цепи. Это приводит к снижению механической прочности и ускоренному старению при нагреве.

Применение: В основном, как писчая и типографская бумага. В ответственной электроизоляции практически не используется.

Б) Сульфатный способ (Щелочной, процесс Крафта)

Варка осуществляется в растворе, содержащем гидроксид натрия \( NaOH \) и сульфид натрия \( Na_2S \).

Преимущества: Щелочная среда более бережно удаляет лигнин, сохраняя длину целлюлозных волокон. Это обеспечивает высокую механическую прочность (от нем. Kraft — сила), термостабильность и лучшие диэлектрические свойства.

Особенности: Имеет характерный коричневатый оттенок, более плотную и шершавую структуру.

Применение: Основной тип электротехнической бумаги (кабельная, трансформаторная, электроизоляционный картон).

Виды электротехнической бумаги

Тип бумаги	Плотность (г/см³)	Назначение и особенности	ГОСТ
Кабельная	0.7 — 1.1	Изоляция силовых кабелей высокого напряжения (до 500 кВ и выше в маслонаполненных кабелях). Пропитывается вязкими маслами.	ГОСТ 23436-83, ГОСТ 645-89
Конденсаторная	0.8 — 1.3	Самая тонкая (от 4 мкм) и чистая бумага. Используется в силовых конденсаторах. Требует минимального количества проводящих включений.	ГОСТ 1908-88
Телефонная/Микалентная	0.03 — 0.05	Длинноволокнистая, рыхлая бумага. Используется как подложка для слюдяной изоляции.	ГОСТ 3553-87

В высоковольтных конструкциях бумага всегда работает в тандеме с жидким диэлектриком (маслом). Эта комбинация называется бумажно-масляной изоляцией. Масло заполняет поры бумаги, увеличивая электрическую прочность системы в 5–10 раз по сравнению с сухой бумагой.

4. Анализ конструкции силового кабеля (на примере ААШв-10)

Рассмотрим классический пример применения пропитанной бумажной изоляции в кабельной технике — кабель марки ААШв-10. Понимание его конструкции критически важно для студентов-энергетиков.

Рис. 1. Конструкция силового кабеля марки ААШв-10.

Детальная расшифровка маркировки

А — (первая буква) Жила алюминиевая. Алюминий используется как более дешевая и легкая альтернатива меди.
А — (вторая буква) Алюминиевая оболочка. Герметичный слой, удерживающий пропиточное масло и защищающий от влаги.
Шв — Защитный покров типа «Шланг» из выпрессованного поливинилхлоридного (ПВХ) пластиката.
10 — Номинальное напряжение 10 кВ.
Примечание: Отсутствие буквы изоляции подразумевает бумажную пропитанную изоляцию по умолчанию.

Послойный анализ конструкции (к Рис. 1)

Токопроводящая жила (1): Алюминиевая, секторной формы (для экономии пространства в кабеле). В кабелях на 10 кВ жилы обычно многопроволочные или монолитные.
Фазная изоляция (2): Ленты кабельной бумаги, намотанные непосредственно на каждую жилу. Бумага пропитана вязким маслоканифольным составом (или синтетическим аналогом). Толщина этого слоя рассчитывается исходя из фазного напряжения.
Поясная изоляция (3): Общая изоляция поверх скрученных изолированных жил. Она сглаживает неровности и создает дополнительный диэлектрический барьер относительно «земли» (оболочки).
Экран (полупроводящая бумага) (4): Часто располагается поверх поясной изоляции. Служит для выравнивания электрического поля и адсорбции продуктов старения масла.
Алюминиевая оболочка (5): Критически важный элемент. Бумажная изоляция крайне гигроскопична, и даже микроскопическое количество влаги выведет кабель из строя. Алюминиевая оболочка обеспечивает 100% герметичность («глухой экран») и служит механической защитой, а также нулевым проводником при заземлении.
Наружная оболочка (шланговый покров) (6): Выполнена из ПВХ-пластиката. Защищает алюминиевую оболочку от химической коррозии (грунтовые воды, кислоты) и механических повреждений при прокладке.

Нормативный документ для таких кабелей: ГОСТ 18410-73 «Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией» (Действующий).

5. Текстильные электроизоляционные материалы

Текстильные материалы (ткани, ленты) состоят из волокон, упорядоченных в виде регулярной решетки путем ткачества. Главные преимущества тканей перед бумагой — высокая механическая прочность на разрыв, гибкость и стойкость к истиранию.

Рис. 2. Текстильные электроизоляционные материалы.

Основные типы электротехнических тканей

Хлопчатобумажные (ХБ): Самые дешевые, теплостойкость до 105°С (Класс А).
Шелковые (натуральный шелк): Тонкие, прочные, но дорогие. Применяются в точном приборостроении.
Синтетические (Капрон, Лавсан): Высокая прочность, биостойкость (не гниют).
Стеклоткани: На основе алюмоборосиликатного стекла. Негорючи, работают при температурах до 180°С и выше.

Лакоткани: Композит гибкости и прочности

Лакоткань — это гибкий материал, получаемый путем пропитки тканевой основы электроизоляционными лаками. Лак образует на поверхности ткани сплошную пленку, обеспечивающую высокие диэлектрические свойства.

Существует два способа нарезки лакотканей:

Прямой крой: Нити основы идут параллельно длине ленты. Материал не тянется.
Косой крой (Bias cut): Нарезка под углом 45°. Такая лента отлично тянется, позволяя плотно изолировать места сложной формы (стыки, углы) без воздушных складок.

Классификация по типу пропитки:

Лакоткани на масляных лаках (Желтые):Основа пропитывается светлыми масляными лаками. Обладают хорошими диэлектрическими свойствами, но умеренной влагостойкостью.
Лакоткани на масляно-битумных лаках (Черные):Пропитка содержит битумы (асфальты). Отличаются повышенной влагостойкостью и электрической прочностью по сравнению с желтыми. Однако битум растворяется в масле и органических растворителях (бензин, толуол), поэтому их нельзя использовать в маслонаполненных трансформаторах.

Регулирующий стандарт: ГОСТ 28034-89 «Лакоткани электроизоляционные».

6. Слоистые пластики: Гетинакс, Текстолит, Стеклотекстолит

Слоистые пластики — это жесткие конструкционные и электроизоляционные материалы, получаемые методом горячего прессования слоев волокнистого наполнителя, пропитанного термореактивными смолами (бакелитовыми, эпоксидными, фенолформальдегидными).

Рис. 3. Слоистые пластики: Гетинакс, Текстолит, Стеклотекстолит.

Материал	Наполнитель (Основа)	Связующее	Свойства и Применение	ГОСТ
Гетинакс	Бумага	Фенолформальдегидная смола (Бакелит)	Дешевый, легко обрабатывается. Низкая влагостойкость и механическая прочность. Применяется для низковольтных щитков, простых изолирующих прокладок.	ГОСТ 2718-74
Текстолит	Хлопчатобумажная ткань	Фенолформальдегидная смола	Высокая ударная вязкость, отличная механическая обрабатываемость (из него делают шестерни, втулки). Хороший диэлектрик.	ГОСТ 2910-74
Стеклотекстолит	Стеклоткань	Эпоксидные, полиэфирные или кремнийорганические смолы	Лидер по свойствам. Высочайшая прочность, влагостойкость, нагревостойкость. Основной материал для печатных плат (тип FR-4) в электронике.	ГОСТ 12652-74

Электрическая прочность слоистых пластиков анизотропна. Пробой вдоль слоев (\( E_{||} \)) происходит при напряжении в 5–10 раз меньшем, чем поперек слоев (\( E_{\perp} \)): \[ E_{\perp} \gg E_{||} \] Это следует учитывать при конструировании деталей, избегая нагружения электрическим полем вдоль слоев склейки.

7. Асбест: Минеральная изоляция и вопросы безопасности

Асбест (от греч. asbestos — неугасимый) — собирательное название группы тонковолокнистых минералов класса силикатов. Это уникальный природный материал, волокна которого обладают гибкостью пряжи, но при этом являются камнем.

Рис. 4. Асбест.

Свойства и виды

Хризотиловый асбест: Наиболее распространен. Обладает высокой щелочестойкостью. Рабочая температура до 500°С. При температуре около 700°С теряет кристаллизационную воду и становится хрупким, плавится при 1500°С.
Амфиболовый асбест: Кислотостойкий, но более ломкий и опасный для здоровья. Практически запрещен во всем мире.

Преимущества и Недостатки

Плюс: Абсолютная негорючесть. Асбест незаменим в дугогасительных камерах высоковольтных выключателей, в изоляции нагревательных элементов печей, где возможен контакт с открытым пламенем или раскаленным металлом.

Минус (Критический): Канцерогенность. Асбестовая пыль состоит из микроскопических игл, которые при вдыхании не выводятся из легких, вызывая асбестоз и онкологические заболевания. При работе с асбестом (резка, монтаж) использование средств индивидуальной защиты (СИЗ) и мощной вытяжной вентиляции обязательно.

Композиты на основе асбеста

Асбоцемент: Смесь цемента и асбестового волокна (армирование). Используется для изготовления дугостойких перегородок и труб для прокладки кабелей (защита от механических повреждений и агрессивных грунтов).
Паронит: Смесь асбеста, каучука и наполнителей. Универсальный прокладочный материал для герметизации соединений в двигателях и трансформаторах.

Стандарт на хризотиловый асбест: ГОСТ 12871-2013.

8. Интересные факты о волокнистых материалах

Древесный феномен. Высушенная и пропитанная под вакуумом древесина (дельта-древесина) по удельной прочности на единицу веса может превосходить некоторые марки стали, при этом сохраняя изолирующие свойства.
Парадокс хрупкости. Массивное стекло — хрупкий материал, разбивающийся от удара. Однако вытянутое в тончайшее волокно (стекловолокно), оно приобретает колоссальную гибкость и прочность на разрыв, становясь основой для самых надежных пластиков — стеклотекстолитов.
В вашем кармане. Самый массовый волокнистый материал в мире — это не бумага для книг, а FR-4 (Flame Retardant). Это стеклотекстолит, из которого сделана печатная плата вашего смартфона, компьютера и практически любой современной электроники.
Капля-убийца. Сухая кабельная бумага способна впитать влагу из воздуха за считанные минуты. Всего 0,1% воды в масле трансформатора снижает электрическую прочность бумажной изоляции более чем в 2 раза, что делает герметичность оборудования вопросом жизни и смерти системы.
Древний нанотех. Шелк использовался в качестве изоляции еще в первых опытах с электричеством в XVIII веке. Его нить — это природный белковый полимер с уникальной треугольной формой сечения, что обеспечивает плотную укладку и высокий коэффициент отражения света (блеск).
Вечные фитили. Название «асбест» переводится с греческого как «неугасимый». В античности из него делали фитили для ламп в храмах, которые не сгорали веками, так как минеральные волокна не подвержены окислению даже в открытом пламени.
Эффект барьера. В масляных трансформаторах картонные перегородки ставят не только для механического разделения. Они работают как «барьеры», останавливающие движение заряженных частиц (ионов) в масле, тем самым предотвращая развитие пробоя на ранней стадии.

9. Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Почему в XXI веке до сих пор используют бумагу, а не полностью перешли на полимеры?

Полимеры хороши, но бумажно-масляная изоляция обладает уникальным свойством «самолечения» при мелких частичных разрядах (масло затекает в место повреждения). Кроме того, она проверена 100-летним опытом эксплуатации и значительно дешевле при производстве сверхмощных трансформаторов.

В чем принципиальная разница между гетинаксом и текстолитом?

Разница в наполнителе. Основа гетинакса — бумага, а текстолита — хлопчатобумажная ткань. Из-за этого текстолит гораздо прочнее механически (не скалывается при ударах), лучше обрабатывается, но стоит дороже. Гетинакс более хрупок и используется там, где нет ударных нагрузок.

Можно ли использовать обычную офисную бумагу для изоляции трансформатора?

Категорически нет. Офисная (сульфитная) бумага содержит остатки кислот и отбеливатели, которые разрушают медь и ухудшают диэлектрические свойства. Кроме того, она слишком плотная и плохо пропитывается маслом. Используется только специальная сульфатная небеленая целлюлоза.

Опасен ли текстолит или стеклотекстолит для здоровья?

В готовом виде (как деталь) — нет. Опасность представляет пыль при их механической обработке (резке, сверлении). Пыль стекловолокна раздражает кожу и легкие, а пыль связующих смол может быть токсичной. Обработку обязательно нужно проводить с вытяжкой и в респираторе.

Что такое «косой крой» лакоткани и зачем он нужен?

Это способ нарезки ткани под углом 45 градусов к направлению нитей. Такая лента может растягиваться, что позволяет плотнее обматывать места сложной формы, углы и стыки шин без образования воздушных пустот и складок, которые могли бы стать причиной пробоя.

Заключение

Волокнистые электроизоляционные материалы остаются важнейшим компонентом современной электроэнергетики. Пройдя путь от простых промасленных бумаг до высокотехнологичных стеклотекстолитов и синтетических бумаг (Nomex), этот класс материалов доказал свою эффективность.

Сегодня наблюдается тенденция к замене натуральных волокон (хлопок, шелк) на синтетические, обладающие лучшей стабильностью и влагостойкостью. Однако в области сверхвысоких напряжений целлюлозная бумага в масле по-прежнему удерживает лидерство благодаря уникальной способности к «самолечению» в жидкой среде и низкой стоимости.

Нормативная база

ГОСТ 18410-73 «Кабели силовые с пропитанной бумажной изоляцией. Технические условия».
ГОСТ 23436-83 «Бумага кабельная для изоляции силовых кабелей на напряжение до 35 кВ включительно. Технические условия».
Стандарт на исходный материал — небеленую сульфатную целлюлозу длинноволокнистой структуры.
ГОСТ 12652-74 «Стеклотекстолит электротехнический листовой. Технические условия».

Список рекомендуемой литературы

Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. «Электротехнические материалы: Учебник для вузов». — 7-е изд.
Классический фундаментальный труд, подробно разбирающий физику поляризации в волокнистых структурах.
Справочник по электротехническим материалам: В 3-х т. / Под ред. Ю. В. Корицкого, В. В. Пасынкова, Б. М. Тареева. — М.: Энергоатомиздат.
Наиболее полный источник справочных данных по электрической прочности, тангенсу угла диэлектрических потерь и гигроскопичности всех описанных материалов.
Журавлева Л.В., Бондарь М.С. «Электроматериаловедение. Учебное пособие». — М.: Академия.