Основные характеристики электроизоляционных материалов

В электрических машинах и аппаратах токоведущие части надежно изолируют одну от другой и от окружающих деталей. Например, проводники обмотки якоря должны быть изолированы друг от друга и от сердечника якоря, витки обмоток возбуждения — один от другого, а также от полюсов и остова машины и т. д. Для изоляции токоведущих деталей между ними и соседними деталями прокладывают материалы, практически не проводящие электрического тока (диэлектрики). Такие материалы называют электроизоляционными. В их основе лежат как органические, так и неорганические вещества с соответствующими добавками для пропитки и склеивания. Кроме твердых диэлектриков, широкое применение в трансформаторах, выключателях и других электротехнических установках получили жидкие диэлектрики: различные трансформаторные масла и др. Довольно часто в различных электротехнических установках и устройствах в качестве диэлектрика используются воздух или определенные газы.

В современном электромашиностроении и аппаратостроении широко применяют разнообразные изоляционные материалы. Все они отличаются друг от друга электрическими, механическими и химическими свойствами. Важнейшими электрическими характеристиками электроизоляционных материалов являются электрическая прочность, удельное электрическое сопротивление (объемное и поверхностное), диэлектрическая проницаемость и значение диэлектрических потерь. Однако для практических целей немаловажное значение имеют и другие характеристики этих материалов: механическая прочность, гибкость и эластичность, нагревостойкость, морозостойкость, гигроскопичность, химическая стойкость и т. п.

Электрическая прочность диэлектриков. При повышении напряжения, приложенного к диэлектрику, может наступить пробой — потеря диэлектриком его электроизоляционных свойств с образованием токопроводящего канала высокой проводимости. Напряжение Uпр, при котором наступает пробой, называется пробивным. Напряженность электрического поля Eпр, при которой произошел пробой, характеризует электрическую прочность диэлектрика,

E_пр = U_пр /h

где h — кратчайшее расстояние по диэлектрику между точками приложения напряжения.

Электрическая прочность для сухого незапыленного воздуха составляет примерно 30 кВ/см, пропитанной лаком хлопчатобумажной ленты 40—50 кВ/см, электрокартона 80—100 кВ/см, фарфора 60—150 кВ/см, слюды 300—2000 кВ/см.
Напряженность электрического поля Е, которая допускается в изолирующем материале электротехнической установки в процессе эксплуатации, обычно в несколько раз ниже электрической прочности Eпр примененного диэлектрика. Следовательно, и пробивное напряжение изоляции в несколько раз больше номинального (рабочего) напряжения установки. Отношение пробивного напряжения к номинальному определяет запас прочности изоляции.

При выходе электротехнических изделий с завода-изготовителя или после их ремонта они подвергаются испытаниям на электрическую прочность изоляции путем приложения определенного напряжения между токоведущими частями (например, между различными обмотками трансформатора) и между токоведущими частями и корпусом. Напряжение, которым испытываются установки, обычно несколько ниже пробивного, но в несколько раз превышает номинальное рабочее. Это напряжение называется испытательным, и при его приложении не должен наступать пробой изоляции.

Кроме электрооборудования, испытательным напряжением проверяют изоляцию всех защитных средств: диэлектрические перчатки, коврики, штанги, инструмент с изолированными ручками и т. д.

Пробивное напряжение зависит не только от изоляционного материала, но и от конфигурации проводников, между которыми проложена изоляция. Дело в том, что от формы проводников зависит равномерность электрического поля. В неравномерном электрическом поле пробой образуется в тех местах диэлектрика, где имеет место наибольшая напряженность поля (выше Eпр), например вблизи выступающих углов токоведущих частей электрических установок.

Через токопроводящий канал, при пробое происходит концентрированный электрический разряд с образованием дуги и частичным сгоранием материала диэлектрика. Процесс и развитие пробоя в газообразных, жидких и твердых диэлектриках имеют свои особенности.

Пробой воздуха, как и других газов, происходит вследствие развития процесса ударной ионизации. При приложении электрического поля свободные ионы и электроны, которые всегда в небольшом количестве имеются в газе, начинают перемещаться в направлении поля. При этом каждая заряженная частица приобретает определенную энергию. Если эта энергия достаточно велика, то при столкновении электронов с молекулами газа происходит ионизация молекул, т. е. их расщепление на электроны и положительные ионы. В результате ионизации создаются новые пары положительных ионов и электронов. Каждый из электронов может в свою очередь ионизировать молекулы и создавать новые электроны и положительные ионы. Тем самым создается лавинный процесс. Электрическая прочность воздуха или газа зависит от расстояния между электродами, давления газа, температуры и степени неоднородности электрического поля. При малых расстояниях между электродами наблюдается значительное увеличение пробивной напряженности. Так, при нормальных атмосферных условиях электрическая прочность воздуха при расстоянии между электродами 1 см составляет около 32 кВ/см, а при расстоянии 0,0005 см — 700 кВ/см.

При больших давлениях газа расстояние между отдельными молекулами становится меньше и тем самым уменьшается длина свободного пробега электрона, а следовательно, снижается его энергия. Для создания условий начала ударной ионизации потребуется большая напряженность.

Электрическая прочность жидких диэлектриков в значительной степени зависит от наличия в них примесей воды, газа, мельчайших механических частиц. Очистка жидких диэлектриков, в частности масел, от примесей заметно повышает электрическую прочность. Например, неочищенное трансформаторное масло имеет Eпр?40 кВ/см, а после очистки — Eпр?200-250 кВ/см. Электрическая прочность очищенного трансформаторного масла практически не зависит от температуры до 80 °С, а затем начинает несколько понижаться.

Пробой твердых диэлектриков может происходить по различным физическим причинам. Различают тепловой и электрический пробой. Тепловой пробой (рис. 354, а) может произойти в твердом диэлектрике 1 при длительном приложении к нему напряжения (например, в точках 2). При этом через диэлектрик проходит некоторый ток утечки, вызывающий его разогрев. При достаточно высокой напряженности Е происходит сильный разогрев диэлектрика, а так как все твердые диэлектрики являются плохими проводниками тепла, то их нагрев сопровождается быстрым увеличением тока утечки. В результате происходит лавинообразный процесс нарастания температуры диэлектрика и его разрушения: он обугливается или расплавляется. Вследствие неоднородности электрического поля и структуры диэлектрика разрушение может произойти не по всей поверхности, а в одной или нескольких точках.

Причиной электрического пробоя твердых диэлектриков является ударная ионизация молекул. В месте прохождения электрического тока происходит местный

Рис. 354. Пробой и перекрытие твердого диэлектрика

Рис. 355. Пути прохождения токов утечки: а — через толщу диэлектрика; б — по его поверхности

разогрев и разрушение диэлектрика. По сравнению с тепловым электрический пробой развивается за очень короткий промежуток времени (10-7—10-8 с) после того, как напряженность поля достигла критического значения. Электрический пробой возникает при значительно больших значениях напряжения, чем тепловой. Поэтому для твердых и жидких диэлектриков различают электрическую прочность при кратковременном и длительном приложении напряжения, причем электрическая прочность в последнем случае ниже.

Потеря диэлектриком изоляционных свойств может наступить также вследствие его перекрытия по поверхности. Это явление называется перекрытием изоляции, или поверхностным разрядом (см. рис. 354, а). Обычно перекрытие наступает при значительно меньшей напряженности, чем пробой. Напряжение, при котором наступает перекрытие, в значительной степени зависит от расстояния между токоведущими частями и состояния поверхности Диэлектрика (влажность, загрязненность, шероховатость). Поэтому поверхность фарфоровых изоляторов и других изоляционных деталей делают полированной и волнистой (для увеличения пути возможного перекрытия). Конструкция изоляторов, предназначенных для наружной установки, предусматривает также ребра (рис. 354,б), чтобы их поверхность хотя бы частично оставалась сухой во время дождя, чем достигается необходимая стойкость к перекрытию.

При перекрытии твердая изоляция непосредственно не повреждается если она не будет оплавлена или обожжена электрической дугой, возникшей при мощном поверхностном разряде. Во многих случаях последствия перекрытия легко устраняют зачисткой поврежденной поверхности и покрытием ее изоляционным лаком. Поэтому изоляторы и другие изоляционные изделия проектируют таким образом, чтобы их пробивное напряжение было выше напряжения перекрытия по поверхности.

Удельное сопротивление. В реальном диэлектрике всегда имеется некоторое количество свободных электронов и ионов. Под действием электрического поля эти электроны и ионы перемещаются внутри диэлектрика, образуя так называемый ток утечки. Ток утечки при нормальных условиях работы электрической установки должен быть очень малым по сравнению с рабочими токами, протекающими по ее токоведущим частям (проводам, шинам, кабелям). В случае приложения к токоведущим частям 1 (рис. 355) напряжения токи утечки 3 и 4 могут проходить через диэлектрик двумя путями: через толщу диэлектрика 2 по всему его объему (рис. 355, а) и по поверхности (рис. 355, б). В соответствии с этим различают объемные и поверхностные токи утечки, а также удельное объемное сопротивление диэлектрика и его удельное поверхностное сопротивление ?v. Удельное объемное сопротивление измеряют, как и у проводниковых материалов, в омметрах (Ом*м); оно равно сопротивлению куба из данного материала с ребром 1 м при прохождении тока от одной его грани к противоположной. Удельное поверхностное сопротивление измеряют в омах, оно представляет собой сопротивление квадрата, вырезанного из поверхности изоляции данного материала, при прохождении тока от одной его стороны к противоположной.

Таким образом, общее сопротивление изоляции Rиз определяется объемным и поверхностным сопротивлениями данного изоляционного материала. Сопротивление изоляции определяет значение общего тока утечки в данной электротехнической установке.

Изоляционные материалы под влиянием атмосферных воздействий и света изменяют свои изоляционные свойства в результате электрохимических процессов и механического повреждения изоляции. Это явление называется старением изоляции. Влага, пропитывая изоляционные материалы, сильно уменьшает их сопротивление. Некоторые материалы (гигроскопичные) легко отсыревают даже от соприкосновения с воздухом, поглощая находящуюся в нем влагу. После просушки отсыревшие материалы вновь восстанавливают свои изоляционные качества (сопротивление их значительно возрастает). При механическом разрушении изоляционного материала (разрыве, пробое, растрескивании, изломе) он полностью или частично теряет свои изоляционные свойства.

Поверхностное сопротивление диэлектрика определяется в основном состоянием его поверхности, степенью ее загрязнения и влажностью окружающей среды. При повышенной влажности на поверхности изоляционных материалов образуются тонкие пленки влаги, через которые проходят токи утечки. Особенно сильно понижается в этом случае сопротивление у гигроскопичных материалов (непропитанные ткани, ленты, бумага и др.). Смолы же и лаки негигроскопичны; и на их поверхности не так легко образуется пленка влаги. Поэтому гигроскопичные материалы пропитывают смолами и лаками.

Фарфоровые изоляторы для повышения поверхностного сопротивления покрывают стекловидной глазурью. Без этого шероховатая поверхность фарфора легко бы загрязнялась и на ней образовывался бы слой пыли, через который проходили бы большие токи утечки. С гладкой поверхности изоляторов дожди смывают оседающую пыль, и они восстанавливают свое высокое поверхностное сопротивление.

Несмотря на эти меры, при работе во влажной среде сопротивление изоляции электротехнических установок понижается, что представляет опасность для обслуживающего персонала. Во избежание этого сопротивление изоляции необходимо поддерживать на определенном уровне (согласно имеющимся нормам).

Изоляция электрического оборудования, установленного на э.п.с. и тепловозах, работает в особо тяжелых условиях. В зимнее время изоляция электрических машин и аппаратов часто увлажняется, особенно при постановке холодного локомотива в теплое помещение. Влага также может попадать на изоляцию с охлаждающим воздухом. Во всех этих случаях следует просушить отсыревшую изоляцию электрической машины или аппарата в печи или под током.

Сопротивление изоляции электрических машин снижается также в результате загрязнения угольной пылью от щеток. Скапливающаяся и увлажненная пыль создает на деталях электрических машин токопроводящие мостики, поэтому надо периодически очищать изоляцию и продувать электрические машины и аппараты сжатым воздухом. При длительной работе и сильных превышениях температуры токоведущих частей изоляция обмоток машин и аппаратов усыхает. Механическая прочность пленки лака нарушается и образуются трещины, сквозь которые внутрь изоляции проникает пыль, влага и грязь. При этом сопротивление изоляции понижается и может возникнуть электрический пробой. Для предотвращения этого усохшую изоляцию следует периодически вновь пропитывать или покрывать изоляционными лаками. При эксплуатации электрических установок необходимо систематически контролировать состояние изоляции путем измерения ее сопротивления при плановых осмотрах и ремонтах электрооборудования.

Диэлектрическая проницаемость. При внесении диэлектрика в электрическое поле, например между двумя разноименно заряженными пластинами Л и Б (рис. 356, а), происходит смещение положительно заряженных ядер 1 атомов в сторону действия силовых линий поля (по направлению к отрицательной пластине Б), а электронных оболочек 2 — в противоположную сторону. В результате этого электрически нейтральные молекулы диэлектрика поляризуются, т. е. все положительные заряды, входящие в состав молекул, смещаются в направлении действия поля, а все отрицательные заряды — в противоположном направлении (рис. 356,б).
В таком поляризованном состоянии молекулы 3 находятся все время, пока диэлектрик расположен в электрическом поле. Если напряженность электрического поля не слишком велика, то положительные и отрицательные заряды молекул полностью разойтись не могут, так как электроны будут удерживаться в атомах и молекулах диэлектрика внутриатомными и внутримолекулярными силами. В момент смещения электрических зарядов в молекулах диэлектрика в нем возникает ток смещения. Однако в отличие от тока в проводнике он образуется не в результате

Рис. 356. Смещение ядер атомов диэлектрика и их электронных оболочек в электрическом поле (а) и поляризация молекул диэлектрика (б)

перемещения свободных электронов от одного атома к другому, а благодаря смещению электронов внутри атомов. Ток смещения появляется при внесении диэлектрика в электрическое поле и удалении его из зоны действия поля или при изменении напряженности поля.

При поляризации диэлектриков поляризованные молекулы создают свое собственное поле, направление которого противоположно направлению внешнего поля, поэтому напряженность результирующего поля уменьшается. Способность диэлектрика поляризоваться определяется его диэлектрической проницаемостью е. Чем больше диэлектрическая проницаемость данного диэлектрика, тем сильнее уменьшается напряженность созданного в нем поля.

Таким образом, диэлектрическая проницаемость характеризует степень поляризации диэлектрика, а следовательно, и влияние поля его поляризованных молекул на результирующую напряженность.

Диэлектрическая проницаемость изоляционных материалов существенно влияет на емкость конденсаторов. Поэтому при изготовлении конденсаторов желательно применять изоляцию с большой диэлектрической проницаемостью, позволяющей легче получить требуемую емкость при малых размерах конденсатора. В электрических кабелях, наоборот, большая емкость во многих случаях является нежелательной и изоляция их должна иметь возможно меньшую диэлектрическую проницаемость. Абсолютную диэлектрическую проницаемость измеряют в фарадах на метр (Ф/м).

Абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума (пустоты) ?₀ равна 8,85*10^-12 Ф/м; ее называют также электрической постоянной. Абсолютную диэлектрическую проницаемость ?а удобно выражать через электрическую постоянную ?₀ в виде ?_а = ?₀?, где ? — относительная диэлектрическая проницаемость.

Относительная диэлектрическая проницаемость пустоты (вакуума) принята за единицу. Для всех других веществ она больше единицы. Например, диэлектрическая проницаемость резины больше, чем вакуума, почти в 3 раза, фарфора — в 6 раз, слюды — в 4—8, стекла — в 7—8, а дистиллированной воды — в 80 раз. Следовательно, относительная диэлектрическая проницаемость среды показывает, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в какой-либо реальной среде (воздухе, фарфоре, стекле и пр.) по сравнению с вакуумом.

Угол диэлектрических потерь. При использовании изоляционных материалов в электрических установках переменного тока на диэлектрики воздействует переменное электрическое поле. В этом случае процесс поляризации будет происходить периодически то в одном, то в другом направлении и по материалу диэлектрика будет непрерывно проходить переменный ток смещения. Кроме этого, возникает и переменный ток утечки, обусловленный перемещением имеющихся в диэлектрике свободных электронов и ионов. Эти токи нагревают диэлектрик и вызывают потери электрической энергии.

В идеальном диэлектрике (без потерь электрической энергии) переменный ток опережал бы напряжение на четверть периода, т. е. на угол 90°. В реальном диэлектрике этот ток из-за наличия потерь энергии опережает напряжение на несколько меньший угол. Разность между 90° и этим углом называется углом диэлектрических потерь и обозначается б. Чем больше потери энергии при прохождении переменного тока через диэлектрик, тем больше угол б.

Обычно качество электроизоляционных материалов характеризуется не углом потерь, а тангенсом этого угла tg б. У изоляционных материалов, предназначенных для работы при высоких напряжениях и высокой частоте (трансформаторное масло, слюда, керамика и пр.), tg б составляет 0,01—0,0001. У материалов, применяемых в менее ответственных установках (картон, бумага, пластмасса), tg б составляет 0,1—0,01. При увлажнении изоляции tg б возрастает. Недопустимо большие диэлектрические потери в изоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленных из него изделий и могут привести к их тепловому разрушению.