Нагревостойкость

Весьма важна способность электрической изоляции выдерживать повышенную температуру без существенного уменьшения эксплуатационной надежности, так как от этого зависит наивысшая допустимая рабочая температура прибора или устройства. Для электрических машин и аппаратов повышение температуры, которое обычно лимитируется свойствами материалов электрической изоляции при заданной мощности, связано с возможностями уменьшения габаритных размеров, массы и стоимости изделия. Уменьшение массы и габаритных размеров особенно важно для тяговых и крановых электродвигателей, самолетного электрооборудования и других передвижных устройств.

От допустимой температуры зависят пожарная безопасность и взрывобезопасность электрооборудования (в масляных хозяйствах электрических подстанций, в электрооборудовании для нефтяной и угольной промышленности и др.). В электрических печах и нагревательных приборах, в электросварочной аппаратуре, в источниках света и многих электронных и ионных приборах и т.п. необходимость высокой рабочей температуры изоляции обусловлена особенностями работы устройства.

У одних материалов при повышенных температурах недопустимо ухудшаются механические свойства, у других электрические (ρ, tgδ и др.).

У аморфных материалов (стекла, смолы и пр.) резко выраженной температуры плавления (Т_пл), нет, а температуру размягчения (T_pазм) определяют с помощью различных условных приемов. С приближением к температуре размягчения в эксплуатационных условиях возможно сильное снижение механической прочности и постепенная деформация изделий.

У некоторых материалов при нагреве могут наблюдаться: химическое разложение, обугливание, интенсивное окисление и даже горение. В ряде случаев при сохранении механической прочности и целостности изоляции диэлектрические свойства ее ухудшаются настолько, что делают работу изоляции при повышенной температуре невозможной. Такие изменения качества изоляции могут проявляться и при кратковременном повышении температуры.

Помимо ухудшения качества электрической изоляции, которое проявляется уже при кратковременном повышении температуры, при длительном воздействии повышенной температуры могут наблюдаться нежелательные изменения за счет медленно протекающих химических процессов – так называемого теплового старения изоляции. У трансформаторного масла старение проявляется в образовании продуктов окисления, у лаковых пленок – в повышении жесткости и хрупкости, образовании трещин и отставании от подложки и т.п.

Кроме температуры существенное влияние на скорость старения могут оказать: повышение давления воздуха или концентрации кислорода, наличие в окружающей среде озона, являющегося еще более сильным окислителем, чем кислород, а также различных химических реагентов, ускоряющих или замедляющих старение. Тепловое старение ускоряется при освещении образца ультрафиолетовыми лучами, при воздействии электрического поля, механических нагрузок и т.п.

Для ряда электроизоляционных материалов, особенно хрупких (стекла, керамики и т.д.), важна стойкость к резким сменам температуры (термоударам). При внезапном нагреве или охлаждении поверхности изделия из хрупкого материала, например, стекла, вследствие неравномерного распределения температур в приповерхностном слое материала возникают температурные напряжения, которые могут явиться причиной растрескивания. В случае быстрого нагрева приповерхностный слой стекла стремится расшириться, в то время как внутренние слои еще не успели прогреться, и в сечениях создаются напряжения сжатия. Если же поверхность внезапно охлаждается, то вследствие теплового сокращения поверхностного слоя происходит расслоение соседних участков поверхностного слоя. Так как у стекол прочность на разрыв много меньше прочности на сжатие, то внезапное внешнее охлаждение более опасно для них, чем быстрый нагрев.

Допустимый для эксплуатации материала или изделия температурный режим может определяться различными факторами. В результате испытаний устанавливают стойкость материала к тепловым воздействиям. Способность электроизоляционных материалов и изделий без ущерба для них как кратковременно, так и длительно выдерживать высокую температуру, а также резкую смену температур, называют нагревостойкостью.

Материалы, применяемые для изоляции электрических устройств с учетом их нагревостойкости (при длительном воздействии нагрева), подразделяют на классы нагревостойкости; причем для каждого класса устанавливают определенную максимальную рабочую температуру.

Стандартом ГОСТ 8865 – 70 «Материалы электроизоляционные для электрических машин, трансформаторов и аппаратов. Классификация по нагревостойкости» и рекомендацией СЭВ PC 964 – 67 предусмотрены классы нагревостойкости, указанные в табл. 9.2. В ней приведена максимальная температура для электроизоляционных материалов при их использовании в электрооборудовании, длительно (в течение ряда лет) работающем в нормальных эксплуатационных условиях.

Таблица 9.1 Классы нагревостойкости материалов, применяемых для изоляции электрических устройств

К классу Y относится изоляция из непропитанных и не погруженных в жидкий диэлектрик волокнистых материалов на основе целлюлозы (древесина, бумага, картон, фибра, хлопчатобумажное волокно, гидратцеллюлозное и ацетилцеллюлозное волокно), натурального шелка и полиамидов, а также поливинилхлорид и вулканизированный натуральный каучук.

К классу А принадлежат те же волокнистые материалы, но пропитанные масляными, масляно-смоляными и другими лаками либо погруженные в нефтяное масло или синтетический жидкий диэлектрик, а также изоляция эмалированных проводов на поливинилацеталевых лаках и полиамидные пленки.

К классу Е относятся слоистые пластики и пластмассы на термореактивных связующих, обеспечивающих соответствующую нагревостойкость, изоляция эмалированных проводов на эпоксидных лаках, поликарбонатные пленки и др.

Класс В образуют неорганические материалы: слюда, стекловолокно и асбест в сочетании со связующими и пропитывающими органическими составами соответствующей нагревостойкости, а также политрифторхлорэтилен и др.

К классу F относятся материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста с более нагревостойкими связующими и пропитывающими составами, а также изоляция эмалированных проводов на полиэфиримидных и полиэфирциануратных лаках.

В класс Н входят материалы на основе слюды, стекловолокна и асбеста в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами, а также кремнийорганические эластомеры.

Класс С образуют неорганические материалы (слюда, электротехническая керамика, бесщелочное стекло, кварц) без связующих или с неорганическими связующими. К этому же классу относятся политетрафторэтилен и полиимидные материалы: пленки, волокна, изоляция эмалированных проводов.

В последнее время Международная электротехническая комиссия (МЭК) предлагает более сложные способы оценки нагревостойкости электрической изоляции с учетом воздействия не только температуры, но и других факторов.

Холодостойкость

Во многих случаях для изоляции, например, самолетного электро- и радиооборудования, линий электропередачи и связи, открытых подстанций и т.п. важна холодостойкость, т.е. способность электрической изоляции не снижать эксплуатационной надежности при низких температурах, например -60…-70°С и более низких (криогенных) температурах. При низких температурах, как правило, электрические свойства изоляционных материалов улучшаются; однако многие материалы, гибкие и эластичные в нормальных условиях, при низких температурах становятся хрупкими и жесткими, что создает соответствующие затруднения. Проверку электроизоляционных материалов и изделий из них на холодостойкость нередко осуществляют при одновременном воздействии вибраций.

Теплопроводность

Большое практическое значение теплопроводности объясняется тем, что тепловые потери проводников и магнитопроводов электрических машин, аппаратов, кабелей и т.п. должны переходить в окружающую среду через слой изоляции (за исключением некоторых новых конструкций электрических машин, в которых отвод тепла от проводников осуществляется за счет пропускания охлаждающего вещества через канал внутри самого проводника).

От теплопроводности электрической изоляции зависит нагрев проводников и магнитопроводов. Особое значение имеет теплопроводность сравнительно толстой изоляции в устройствах высокого напряжения. Теплопроводность влияет на электрическую прочность при тепловом пробое и на стойкость материала к термоударам. Количественно теплопроводность материалов характеризуется коэффициентом теплопроводности (λ), равному как количеству тепла, прошедшего через единицу площади за единицу времени при градиенте температуры в 1 К/м. Ориентировочные значения коэффициента теплопроводности некоторых веществ приведены в табл. 9.2.

Как видно из табл. 9.3, большинство диэлектриков имеет значения λ намного меньшие, чем проводниковые материалы. Лишь некоторые керамические оксиды металлов (, MgO, BeO) имеют λ того же порядка, как проводниковые материалы (графит и некоторые металлы приведены для сравнения). Характерно, что коэффициент теплопроводности у окиси бериллия выше, чем у металлического бериллия.

Таблица 9.2 Значения коэффициента теплопроводности некоторых веществ