Термореактивная изоляция

Электрические характеристики

Каждый из радиоматериалов обладает электрическими свойствами, т.к. все радиоматериалы (в том числе и диэлектрики) обладают электро-проводностью. Для оценки электрических свойств используются электрические характеристики.

Удельное электрическое сопротивление ρ – это электрическая харак-теристика, применяемая для оценки электропроводности материалов. Она выражается в омах на метр (Ом·м). В радиоэлектронике используют также меньшую единицу (Ом·см). Для оценки большой электропроводности металлических проводниковых материалов (меди, алюминия и др.) применяют еще меньшую величину удельного электрического сопротивле-ния – микроом на метр (мкОм·м). Соотношение между перечисленными единицами: 1 Ом·см = 10 000 мкОм·м = 0,01 Ом·м.

Все радиоматериалы по эдектропроводности можно разделить на три основные группы:

проводники ρ = 10-8 ÷ 10-5 Ом·м,

полупроводники ρ = 10-6 ÷ 107 Ом·м,

диэлектрики ρ = 107 ÷ 1018 Ом·м.

Удельное электрическое сопротивление любого радиоматериала зависит от температуры, (рисунок 1.1-а). Так у проводников с повышением температуры удельное электрическое сопротивление возрастает. Это связано с более интенсивным колебанием атомов в узлах кристаллической решетки проводника, что мешает направленному перемещению свободных электронов. У полупроводников и диэлектриков, наоборот, с возрастанием температуры удельное электрическое сопротивление уменьшается. Это объясняется увеличением концентрации носителей электрических зарядов.

а) б)

Рисунок 1.1 – Зависимость удельного электрического сопротивления мате-риалов от температуры (а), токи объемной и поверхностной электропро-водности в диэлектрике (б).

Температурный коэффициент удельного сопротивления ТКρ – величи-на, с помощью которой можно учитывать изменение удельного электричес-кого сопротивления в зависимости от температуры материала. при линейном изменении удельного сопротивления, что наблюдается в сравнительно узких интервалах температур ТКρ (К-1) определяется по формуле

ТКρ = (ρ2 – ρ1) / ρ1( Т2 – Т1),

где ρ1 и ρ2 — удельные сопротивления материала при начальной Т1 и конечной Т2 температурах.

У проводников с ростом температуры удельное сопротивление возрастает, т.е. ТКρ > 0 – положительная величина, у полупроводников и диэлектриков с ростом температуры удельное сопротивление уменьшается, т.е. ТКρ < 0 – величина отрицательная.

В твердых диэлектриках имеются токи объёмной IV и поверхностной IS электропроводности (рисунок 1.1-б), поэтому у них определяют удельное объёмное ρV и поверхностное ρS сопротивления. Удельное поверхностное сопротивление так же как и общее, выражается в омах. Удельное объёмное сопротивление характеризует свойство диэлектрика проводить ток через свой объём, а удельное поверхностное сопротивление – по своей поверх-ности. У диэлектриков ρV = 107÷ 1018 Ом·м; ρS = 109 ÷ 1016 Ом.

Поскольку проводники и полупроводники хорошо проводят ток, разделять токи объёмной и и поверхностной электропроводности невоз-можно, поэтому у них определяют общее удельное сопротивление ρ.

Удельная проводимость γ (См /м) – величина, обратная удельному сопротивлению γ = 1/ρ.

У твердых диэлектриков различают удельную объёмную γV = 1/ρV

(См /см, Ом-1·м-1)и удельную поверхностную проводимости γ S = 1/ρS (См).

Удельной проводимостью характеризуется степень электропровод-ности радиоматериала. Так, у проводников γ = 105 ÷ 108 См/м, а у полупроводников γ = 106 ÷ 10-7 См/м. Удельные объёмная и поверхностная проводимости твердых диэлектриков очень малы: γV = 10-7 ÷ 10-18 См/м,

γ S = 10-8÷ 10-16 См. Это позволяет использовать их для изоляции частей радиоэлектронных устройств, находящихся под разными электрическими потенциалами.

Для оценки электрического сопротивления тонких пленок (диэлектриков, полупроводников и др.), напримерв в тонкопленочных инте-гральных микросхемах, используют сопротивление пленки R (Ом /), отне-сенное к квадрату её поверхности (рисунок 1.2-а): R = ρ а /Δ а = ρ/Δ.

а) б)

Рисунок 1.2 – Измерение электрического сопротивления тонких пленок (а), плоский конденсатор (б).

Из приведенного выражения следует, что R зависит от удельного электрического сопротивления ρ материала пленки и её толщины Δ. Во мно-гих случаях, когда трудно непосредственно измерить толщину пленки, используют электрическую характеристику (параметр) R .

Диэлектрическая проницаемость εr (относительная диэлектрическая проницаемость) характеризует способность диэлектрика или полупроводника образовывать электрическую емкость. Емкость С (Ф) плос-го конденсатора (рисунок 1.2-б) заданных размеров прямо пропорциональна диэлектрической проницаемости применяемого в нем диэлектрика С = εаS/h, где εа – абсолютная диэлектрическая проницаемость, Ф/м, S – площадь одной металлической обкладки, м2, h – толщина диэлектрика, м; εа = ε0 εr, где ε0 = 8,85416·10-12 – электрическая постоянная, Ф/м, εr – относительная диэлектрическая проницаемость (безразмерная величина). Наименьшую диэ-лектрическую проницаемость имеет вакуум (εr = 1), жидкие и твердые диэле- ктрики (εr ≈ 2÷17); диэлектрическая проницаемость воздуха εr = 1,00058.

Диэлектрическая проницаемость некоторых твердых (активных) диэле-ктриков, называемых сегнетоэлектриками, при комнатной температуре дос-тигает очень больших значений (εr = 1500÷7500). Это позволяет изготовлять из них конденсаторы очень малых размеров.

Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости ТКεr(К-1) характеризует изменение диэлектрической проницаемости εr ра-диоматериалов от температуры (рисунок 1.3-а):

ТКεr = (εr1 — εr2) /εr1(Т1 — Т2), где εr 1 и εr 2 — диэлектрическая прони-цаемость материала при начальной Т1 и при конечной Т2 температурах. Температурный коэффициент диэлектрической проницаемости имеет положительное или отрицательное значение и соответственно указывает, возрастает или убывает (при увеличении температуры) диэлектрическая проницаемость данного диэлектрика.

Тангенс угла диэдектрических потерь tgδ характеризует активные по-тери энергии, рассеиваемые в диэлектрике при его работе в переменном электрическом поле. Из электротехники известно, что мощность, выде-ляемые в проводнике, подключенном в цепь постоянного тока Р= , и мощ-ность при его подключении в цепь переменного тока Р~ будут одинаковыми, если действующее значение переменного тока будет равно значению постоянного Р= = Р~.

Если же диэлектрик один раз включить под постоянное напряжение, а другой – под переменное, мощность, выделяемая в диэлектрике, включенном под переменное напряжение, будет значительно больше мощности, теряемой при включении его под постоянное напряжение Р~ > Р= .

Неравенство потерь энергии наблюдается только в диэлектриках. По-тери мощности в диэлектриках, работающих в электрических полях, назы-вают диэлектрическими потерями. В диэлектрике, включенном под посто-янное напряжение, протекает только активный ток – ток проводимости Iпр. В этом случае активная мощность (Вт), теряемая в диэлектрике, Р = U Iпр.

В диэлектрике, работающем под переменным напряжением, проходят три тока, сдвинутые по фазе (по времени): смещения Iсм, абсорбции Iабс, и проводимости Iпр. Эти токи и напряжение U, приложенное к диэлектрику, изображены в виде векторной диаграммы на рисунках 1.3-б.

а) б) в)

Рисунок 1.3 – Зависимость диэлектрической проницаемости от температуры (а), векторное изображение токов (б), сложение токов в диэлектрике (в).

Напряжение на векторной диаграмме изображено в виде горизонтального вектора U. Ток смещения Iсм опережает напряжение на 90°, ток абсорбции тоже опережает напряжение по фазе, но меньше, чем на 90°, а ток проводимости Iпр совпадает по фазе с напряжением. На рисунке 1.3-в показан общий ток I в диэлектрике, полученный сложением векторов всех трех токов. Угол между вектором напряжения U и вектором общего тока I обозначают буквой φ и называют углом сдвига фаз. Угол между вектором общего тока I и вектором тока смещения Iсм обозначают буквой δ и называют углом диэлектрических потерь.

Вектор тока абсорбции Iабс разложим на активную IА абс и реактивную

IР абс составляющие. Сумма токов проводимости Iпр и активной составляющей тока абсорбции IА абс является активной составляющей IА общего тока I в диэлектрике, т.е. IА = Iпр + IА абс.

Сумма токов смещения Iсм и реактивной составляющей тока абсор-бции IР абс представляет собой реактивную составляющую IР общего тока I, т.е. IР = Iсм + IР абс.

Активная мощность (Вт), рассеиваемая в диэлектрике (конденсаторе), равна произведению напряжения, приложенного к конденсатору, на сумму активных токов РА = U IА . Реактивная мощность (В·А) равна произведению приложенного напряжения на сумму реактивных токов РР = U IР.

Из векторной диаграммы токов находим IА / IР = tgδ, как известно реактивный (емкостный) ток IР = U ωC, отсюда находим выражение для активного тока конденсатора

IА = U ωC tgδ, (1)

а активная мощность, рассеиваемая в диэлектрике конденсатора, будет соответственно

РА = U2 ωC tgδ. (2)

Из выражения (2) следует, что при заданных напряжении U, частоте ω, и емкости С активные потери в диэлектрике будут зависеть от tgδ. Осо-бенно большие потери мощности в изоляции имеют место при больших частотах. Для диэлектриков, применяемых в РЭА, допустимые значения tgδ приведены в ГОСТах на высокочастотные диэлектрики. Чем меньше значение tgδ, тем лучшего качества диэлектрик, т.к. в нем меньше потери энергии. Большие активные потери энергии вызывают нагрев диэлектрика и его преждевременное разрушение.

Наименьшими значениями tgδ = 10-6 ÷ 10-5 обладают газообразные диэлектрики. У твердых качественных диэлектриков, применяемых в высо-кочастотных узлах РЭА, tgδ = (2 ÷ 5) ·10-4 ; у широко применяемых диэ-лектриков tgδ = (2 ÷ 5) ·10-3.

Электрическая прочность Епр – напряженность электрического поля, при которой наступает пробой диэлектрика или полупроводника. Электрическая прочность является очень важной характеристикой, особенно для диэлектриков, работающих под напряжением выше 1000 В.

Электрическую прочность диэлектрика Епр (В/м) в однородном элек-трическом поле вычисляют по формуле Епр = Uпр /h, где Uпр – напряжение, при котором произошел пробой диэлектрика, В; h – толщина образца диэлектрика в месте пробоя, м.

Типы термореактивной изоляции

До недавнего времени изоляция обмоток статоров электрических машин напряжением свыше 1000 В выполнялась, в основном, в виде непрерывной компаундированной. Стержни и катушки покрывались по всей длине несколькими слоями микаленты. Количество слоев выбиралось в зависимости от номинального напряжения электродвигателя. При этом после наложения определенного числа слоев микаленты выполнялось компаундирование, т.е. пропитка в битумном лаке и сушка. Эта операция могла выполняться неоднократно, в зависимости от общего числа слоев микаленты. Такая особенность микалентной изоляции является одним из ее недостатков.
Все большее применение во многих отраслях народного хозяйства находят электродвигатели с термореактивной изоляцией (ТРИ), выпускаемые заводами электротехнической промышленности взамен более дорогостоящей микалентной компаундированной изоляции (МКИ).
Термореактивная изоляция выполнялась и выполняется, в основном, из стеклослюдинитовых или стеклослюдопластовых материалов с эпоксидными связующими, вводимыми в изоляцию путем пропитки. Пропитка эпоксидными связующими осуществляется так же, как и материалов в роликах или как обмоток статоров, изолированных сухими материалами.
Наибольшее распространение получили следующие разновидности термореактивной изоляции: ВЭС-1, ВЭС-2, «Монолит-1», «Монолит-2», «Монолит-З» (ремтриз) и «Слюдотерм». Все эти типы термореактивной изоляции по сравнению с микалентной компаундированной обладают более высокой электрической прочностью, влаго- и маслостойкостью, имеют малый угол диэлектрических потерь даже в нагретом состоянии и лучшую теплопроводность.
Более высокие электрическая прочность и теплопроводность ТРИ позволяют уменьшить толщину корпусной изоляции, что и наблюдается у электродвигателей новых серий. Некоторые технические характеристики изоляции различных типов приведены в табл. 1.

Показатель

Микалентная компаундированная

«Монолит-2»

«Слюдотерм»

ВЭС-2

Электрическая прочность при 20/130°С, МВ/м

Предел прочности при растяжении при 20/130°С, МЛа

Тангенс угла диэлектрических потерь при 20/130°С

0,03/0,35

0,02/0,06

0,01/0,05

0,01/0,08

Толщина корпусной изоляции, %

Нвгревостойкость изоляции, °С

Изоляция типа ВЭС-1 не получила широкого применения, так как по электрическим показателям она мало отличалась от микалентной компаундированной, была дороже ее по причине нетехнологичности (эпоксидно-полиэфирный компаунд вводился путем промазывания сухой стекломикаленты при наложении ее на стержень обмотки статора перед опрессовкой и запечкой в пресс-форме пазовой и лобовых частей).
Изоляция типа ВЭС-2 нашла применение для стержневых обмоток. Она выпонялась путем наложения на пазовую и лобовые части стержней стеклослюдинитовой ленты типа ЛС2К-110СТ, пропитанной эпоксидно-полиэфирным компаундом без растворителя.
Изоляция типа «Монолит-1» тоже была применена для стержневых обмоток, но основу ее составляет сухая стекпослюдинитовая лента толщиной 0,13 мм типа ЛC40Py-TT. Эту ленту накладывают на пазовую и лобовые части в несколько слоев. После этого изоляцию подвергают вакуумной сушке и пропитке эпоксидным компаундом сначала под глубоким вакуумом, а затем под давлением до 2 МПа (20 кгс/см2). Затвердевание эпоксидного компаунда происходило под давлением, а затем изоляцию запекают в печи при нормальном давлении. Этот тип изоляции не получил широкого распространения из-за достаточно сложной технологии.
Изоляцию типа «Монолит-2» применяют широко для катушечных обмоток электродвигателей напряжением свыше 1000 В. При этом используют сухие стеклослюдинитовые ленты, накладываемые в несколько слоев на пазовую и лобовые части. После укладывания катушек в пазы обмотанный сердечник пропитывают в эпоксидном компаунде. Перед пропиткой в котле сердечника выполняют вакуумирование в течение нескольких часов, затем подают разогретый компаунд и повышают давлением до 0,8 МПа.
На некоторых заводах при изготовлении крупных электродвигателей (при диаметре сердечника более 1,5 м) катушки пропитывают в эпоксидном компаунде вышеуказанным способом (как сердечник с обмоткой), после чего укладывают в статор и запекаются.
Поскольку основные электрические характеристики изоляции типов «Монолит-1» и «Монолит-2» примерно одинаковы, а изоляция типа «Монолит-2» более технологична, то изоляция «Монолит-1» не получила дальнейшего развития. Большинство заводов перешло на выпуск электродвигателей с изоляцией типа «Монолит-2».
Изоляция типа «Слюдотерм» в своей основе имеет пропитанную стеклослюдинитовую ленту типа ЛTCC-3 толщиной 0,17 мм, которую накладывают на пазовую часть катушечных обмоток (при стержневой обмотке, изолируемой лентой ЛTCC-3, накладывают несколько слоев на пазовую и лобовые части). Лобовую часть катушек изолируют, в первую очередь, различными эластичными материалами в виде слюдопластоленты, эскапоновой и других лент. Наложение ленты производят в разогретом состоянии для размягчения до необходимой эластичности связующего, которым пропитана лента.
Пазовую часть катушечной обмотки после наложения необходимого количества слоев ленты обкатывают в горячих утюгах, запрессовывают в пресс-формах и затем запекают в котлах при гидростатическом давлении, предварительно вакуумировав изоляцию.

Электрический пробой

Замедленная киносъёмка. Электрический пробой

Электрический пробой — явление резкого возрастания силы тока в твёрдом, жидком или газообразном диэлектрике (или полупроводнике) или воздухе, возникающее при приложении напряжения выше критического (напряжение пробоя). Пробой может происходить в течение очень короткого времени (до 10-8 с) или установиться на длительное время (например, дуговой разряд в газах). В твёрдых телах различают три механизма пробоя:

  1. Внутренний пробой, связанный с тем, что носитель заряда на длине свободного пробега приобретает энергию, достаточную для ионизации молекул кристаллической решётки или газа и увеличивает концентрацию носителей заряда. При этом лавинообразно создаются свободные носители заряда (увеличивается концентрация электронов), которые вносят основной вклад в общий ток. и диэлектриков. У полупроводников существует разновидность частичного пробоя .
  2. Тепловой пробой, возникающий при разогреве кристаллической решётки диэлектрика или полупроводника. При увеличении температуры свободным электронам легче ионизировать атомы решётки, поэтому пробивное напряжение уменьшается. Разогрев может происходить как в результате теплопередачи извне, так и вследствие протекания переменного тока внутри диэлектрика.
  3. Разрядный пробой, связанный с ионизацией адсорбированных газов в пористых материалах, таких как слюда или пористая керамика. Находящиеся в порах газы ионизируются раньше, чем пробивается твёрдое вещество, возникающие при этом газовые разряды разрушают поверхность пор.

Пробой бывает и полезным, и вредным. К примеру, пробой изолятора на линии высокого напряжения является серьёзной аварийной ситуацией, а отсутствие пробоя на свече зажигания в двигателе внутреннего сгорания не позволяет запустить двигатель.

Классификация твердых электроизоляционных материалов

Существуют следующие твердые электроизоляционные материалы:

  • Волокнистые;
  • Керамические;
  • Стеклообразные.
  • Древесина, бумага, картон, фибра, лакоткани, асбест и слоистые пластики принадлежат к группе волокнистых электроизоляционных материалов.

Древесину используют для производства малоответственных изоляционных деталей, таких как рукояток, штанг приводов и масляных выключателей.

Такой твердый электроизоляционный материал как бумага — незаменима в электронике и применяется в зависимости от ее вида. Кабельную бумагу применяют для изоляции силовых кабелей, ведь она достаточно прочна чтобы защитить кабель. Благодаря пониженной плотности 0,6-0,75 г/см3 пропиточная и намоточная бумага имеет высокую впитываемость и хотя слабее кабельной бумаги, но используется для изготовления гетинакса. При этом ее толщина должна быть не меньше 0,12 мм. Микалентная бумага с толщиной в 0,02 мм обладает продольной прочностью и пригодна для тонкой слюдяной изоляции под названием микалента. Оклеечная бумага подходит для изоляции стальных листов, еще ее используют в трансформаторах.

Применение твердых электроизоляционных материалов

Электротехнический картон – материал листовой формы, толщиной от 0,1 до 3мм. Для работы в воздухе предназначен ЭВ картон, а в качестве материала для шайб, прокладок, пазовой изоляции, междуслойной изоляции в электротехнической аппаратуре подойдет – ЭМ.

  • Фибра электрическая – может быть в форме листа, трубок и прутков. Из-за высокой гигроскопичности в влажных условиях возникает электролитическая проводимость, что служит причиной для ее замены на гетинакс. После пропитки поверхности, которую нужно отизолировать, лакотканями образуется прочная эластичная пленка с высокими диэлектрическими свойствами.
  • Асбест – это материал волокнистой структуры, с очень высокой огнестойкостью до 1450 С, с низкой тепло- и электропроводностью и механической прочностью. Устойчивость к кислотам и щелочам только повышает уровень изоляции. Чаще всего его используют для тепло и электроизоляции, в виде пряжи, ленты, ткани, бумаги или картона.
  • Электротехническая керамика – это глинусодержащие материалы с окислом бария, кальция, титана, стронция. К данной группе материалов относится электротехнический фарфор, тиконд, театит и пористая радиокерамика.
  • К стеклообразным и горным электроизолирующим материалам относится непосредственно стекло, слюда, мрамор, шифер, эбонит и другие. Стекло используется в разных отраслях и разных целях, это зависит от механических свойств и состава. Для всех стекол характерна низкая теплопроводность и высокий электроизоляционный уровень.
  • Кварцевое стекло, как результат плавления горного хрусталя, жильного кварца и кварцевых песков при высоких температурах, обладает наилучшим показателем по электроизоляции. Его используют в приборостроении и электрорадиовакуумной промышленности как высокочастотный и высоковольтный изолятор.
  • Минерал слюда способен расщепляться на тонкие листочки и имеет высокую теплостойкость (выдерживает температуру 1250-1300 С), влагостойкость, механическую прочность и гибкость. Его активно используют для изоляции высоких напряжений и в конденсаторах.
  • Горные породы, такие как мрамор, шифер и талькохлорит применяют как природные электроизоляторы.

В промышленности применяется достаточно большое количество различных видов электроизоляционных материалов, так как каждый из них обладает своими уникальными свойствами. Однако твердые электроизоляционные материалы имеют наиболее широкую область применения.

Изоляция (электротехника)

У этого термина существуют и другие значения, см. Изоляция. Медный провод с полиэтиленовой изоляцией

Изоля́ция в электротехнике — элемент конструкции оборудования, препятствующий прохождению через него электрического тока, например, для защиты человека.

Для изоляции используются материалы с диэлектрическими свойствами: стекло, керамика, многочисленные полимеры, слюда. Также существует воздушная изоляция, в которой роль изолятора выполняет воздух, а конструктивные элементы фиксируют пространственную конфигурацию изолируемых проводников так, чтобы обеспечивать необходимые воздушные промежутки. Исторически первые образцы изолированных медных проводов имели изоляцию из навитой бумаги, пропитанной парафином, резины. Сейчас резиновая изоляция применяется редко и в основном для проводов, работающих в расширенном температурном диапазоне (пластмассы становятся хрупкими на холоде.) Для изоляции гибких проводов при повышенных температурах используется фторопласт, для экстремально высоких — провод заключается в бусы из керамики. Для изоляции высоких напряжений используется резина без сажевого наполнителя (белая), так как сажа (углерод) проводит ток и может стать причиной электрического пробоя. Изолятором может служить и вакуум в специальных радиотехнических кабелях для мощных радиостанций. Использование жидкого изолятора — специального трансформаторного масла — позволяет существенно уменьшить габариты высоковольтных трансформаторов на подстанциях, так как для такого масла напряжение пробоя выше чем для воздуха.

Габариты изоляционной конструкции определяются рабочим напряжением установки и длительной прочностью изоляции при заданном сроке службы.

Зависимость срока службы изоляции от температуры

Опыт эксплуатации свидетельствует, что для каждого изоляционного материала существует определённая температура, превышение которой всего лишь на несколько градусов приводит к существенному сокращению срока службы изоляции. Для некоторых изоляционных материалов экспериментально установлен степенной закон старения. Согласно ему, при повышении температуры изоляции на некоторое число градусов Δ θ {\displaystyle \Delta \theta } срок службы сокращается вдвое по сравнению со сроком службы при исходной температуре: D θ = D M 2 θ M − θ Δ θ {\displaystyle D_{\theta }=D_{M}2^{\frac {\theta _{M}-\theta }{\Delta \theta }}} , где D θ {\displaystyle D_{\theta }} — срок службы при повышенной температуре θ {\displaystyle \theta } , D M {\displaystyle D_{M}} — срок службы при абсолютной температуре θ M {\displaystyle \theta _{M}} , определяемый опытным путем.

Изоляция (электротехника) на Викискладе

  • Изоляционные материалы
  • Класс нагревостойкости изоляции
  • Электроизоляционная лента
  • Изоляция (электротехника) // Большая советская энциклопедия : / гл. ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1969—1978.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *