Класс нагревостойкости – Предельная длительно допустимая рабочая температура, °С

А – 105

В – 130

С – 180

Эта характеристика также предрешает срок службы изоляции в агрегате, т.е. срок службы самого агрегата в условиях эксплуатации (рис. 10.1).

Особую роль среди разнообразия электроизоляционных материалов играют различные пластические материалы. Основой любой пластмассы, за исключением пластмассы на основе битумов и дегтей, является полимер – высокомолекулярное вещество, молекула которого состоит из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры.

Появление первых электроизоляционных пластических масс было связано с использованием синтетических смол. Важнейшим изобретением в области электрической изоляции является синтез фенольно‑формальдегидных смол [10.4].

^{Рис. 10.1. Зависимость времени жизни изоляции классов А, В и С от температуры}

Немецкий ученый А. Байер в 1872 г. наблюдал, что при действии на бензол уксуснокислым метиленом и крепкой серной кислотой получаются сложные смолообразные вещества. Однако эти продукты не имели технически ценных свойств. В Германии в 1891 г. И. Клееберг, а в 1895 г. А. Сторн, развивая исследования А. Байера, применили вместо бензола фенол, а вместо уксуснокислого метилена – формальдегид. При этом оказалось, что реакция альдегида с фенолом протекает весьма активно, а получаемые смолы представляют собой твердые неплавкие продукты. Этим ученым не удалось получить смолы в растворимой и плавкой форме, а следовательно, сделать их технически ценными веществами.

А. Бакеланд и О. Лебах, развивая исследования своих предшественников, независимо друг от друга установили, что реакция фенола с формальдегидом может быть проведена и так, что получаются продукты реакции в растворимой и плавкой форме. В связи с тем, что реакция фенола с формальдегидом протекает с большим выделением теплоты, они предложили при развитии экзотермического процесса отводить ее, это и позволило остановить процесс конденсации на такой стадии, когда смола находится в растворимой форме. Ученые показали, что процесс конденсации фенола с формальдегидом может быть управляемым. Эти работы послужили основой для создания промышленного способа получения синтетических высокомолекулярных соединений из простых низкомолекулярных веществ. А. Бакеланд опубликовал свои исследования в 1908–1910 гг.

В 1904 г. A.M. Настюковым была открыта реакция конденсации нефти с формальдегидом, в результате которой получены неоформолитовые смолы. Исследования Е.И. Орлова (1910 г.) обогатили изоляционную технику новым пластическим материалом, названным карболитом, который был получен в результате конденсации фенолов с формальдегидом. В 1912 г. Г.С. Петровым были открыты каталитические свойства сульфонафтеновой кислоты при конденсации фенола с формальдегидом.

Организация производства фенольно‑формальдегидных смол в 1915 г. явилась началом развития промышленности пластических масс в России. Особенно большое значение эти смолы имели для электротехники. Они явились новым интересным материалом, который превосходил по своим свойствам все известные до того времени натуральные и искусственные полимеры. В них гармонично представлено сочетание различных технически ценных свойств, характерных для твердого каучука, эбонита, кости и дерева. Важным преимуществом фенольно‑формальдегидных смол по сравнению с известными в то время натуральными и искусственными полимерами являлись их высокие технологичность и нагревостойкость. Сочетание комплекса технически ценных свойств и сравнительно высоких электроизоляционных характеристик обеспечило на основе этих смол широкое развитие производства диэлектриков.

В результате конденсации формальдегида с фенолом, крезолами и ксиленолами промышленность получает различные смолы для производства пластических масс и слоистых диэлектриков и удовлетворяет разнообразные требования электротехники.

Исследовательские работы, проведенные в лабораториях СССР, США и Англии по синтезу полиэфирных смол с непредельными группами (акриловыми, матакриловыми, малеиновыми), показали способность этих полимеров переходить в неплавкое и нерастворимое состояние за счет двойных связей без применения давления. Это весьма важное свойство позволяет широко использовать эти продукты для изготовления с применением малых давлений слоистых диэлектриков: гетинакса, текстолита, стеклотекстолита. Кроме того, способность этих смол отвердевать в толстом слое при отсутствии кислорода дает возможность использовать их для изоляции трансформаторов тока. В этом случае совершенно по‑новому решается конструкция трансформаторов тока. Полиэфир образует основу изоляции трансформаторов тока различных напряжений (3–35 кВ и выше) и одновременно выполняет функцию корпуса трансформатора. Появление полиэфирных и эпоксидных смол позволило создавать монолитную изоляцию трансформаторов и различных блоков питания, отказавшись от герметизации обмоток при помощи применявшегося ранее метода помещения обмотки в металлический корпус.

По мере развития электротехники номенклатура полиэфирных смол резко увеличивается.

Начиная с 30‑х годов большое значение приобрели полимеры, полученные методом полимеризации (полистирол, поливинилхлорид, поливинилацетат, полиметилметакрилат и др.). 40‑е годы характеризуются получением поли конденсационных полимеров: кремнийорганических, полиамидных, полиуретановых.

В 1940 г. начинается производство полиэтилена при давлении до 250 МПа – одного из наиболее распространенных в настоящее время полимеров. В 1955 г. К. Циглером (Россия) был разработан метод полимеризации этилена и при низком давлении, который в настоящее время получил весьма широкое распространение.

Вслед за этим на основе работ итальянского ученого В. Натта был разработан технологический процесс получения полипропилена.

Начиная с 50‑х годов промышленностью выпускаются новые электроизоляционные материалы: стеклопластмассы, стеклолакоткани, синтетические лакоткани, стеклотканиты, фольгированные и асбестовые слоистые материалы, слюдопласты, материалы на основе кремнийорганических, эпоксидно‑фенольных и эпоксидно‑полиэфирных связующих и др.

Бурное развитие электротехнической промышленности, а в связи с этим и повышение рабочих напряжений оборудования потребовали проведения глубоких теоретических и экспериментальных исследований. Для этих целей на предприятиях, выпускающих электроизоляционные материалы, открылись специальные лаборатории.

Важную роль в разработке и изготовлении электроизоляционных материалов и в освобождении нашей страны от иностранной зависимости сыграли организованные Государственный экспериментальный электротехнический институт, затем переименованный во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ), Всесоюзный научно‑исследовательский институт электромеханики (ВНИИЭМ), Всесоюзный научно‑исследовательский институт кабельной промышленности (ВНИИКП), СКБ синтетической изоляции, Всесоюзный научно‑исследовательский институт стекловолокна (ВНИИстекловолокна), Всесоюзный научно‑исследовательский институт бумаги (ВНИИБ), научно‑исследовательские институты химической промышленности и Академии наук СССР, лаборатории заводов «Электроизолит», «Изолит», «Электросила», «Динамо» и др. [10.5, 10.6].

В исследованиях ВЭИ тех лет закладывались основы важнейших для электротехники научных направлений. Под руководством П.А. Флоренского проводились исследования электрофизических свойств электроизоляционных материалов. В 1924 г. П.А. Флоренским была издана монография «Диэлектрики и их техническое применение», в которой были обобщены материалы по изучению диэлектриков.

В ВЭИ проводились исследования, связанные с синтезом различных полимеров: полиэфиров, полиуретанов, эпоксидных, фенолформальдегидных и карбамидных смол, поливинилацеталей, полиамидов, полиорганосилоксанов, полиорганометаллосилоксанов и др. В ВЭИ и ряде других организаций (ВНИИЭМ, ВНИИКП) разрабатывались различные электроизоляционные лаки, компаунды и материалы на основе новых полимеров.

Особого внимания заслуживают работы по изысканию новых путей синтеза полимерных кремнийорганических соединений, связанных с фундаментальными исследованиями механизма образования этих соединений. Эти теоретические исследования были начаты в ВЭИ под руководством К.А. Андрианова в 1935 г. В то время в мире еще не были известны высокополимерные соединения, содержащие молекулы, построенные из силоксанных группировок атомов и обладающие хорошими технологическими свойствами (гибкостью, растворимостью, способностью полимеризоваться и т.д.), характерными для органических смол.

Развитие электроизоляционных материалов и электроизоляционной техники можно условно разбить на несколько этапов.

Первым этапом (1920–1928 гг.), способствовавшим развитию электроизоляционной техники, явились систематические электрофизические исследования диэлектриков, которые были начаты в лабораториях Ленинградского физико‑технического института.

Руководителем института А.Ф. Иоффе было открыто явление высоковольтной поляризации, имеющее большое значение для понимания процессов, происходящих в изоляции электрооборудования. Сотрудники этого института Н.Н. Семенов и В.В. Фок создали оригинальные теории пробоя диэлектриков. Тогда же, в конце 30‑х годов, проводили испытания природы диэлектрических потерь, электропроводности при больших напряженностях электрического поля И.В. Курчатов и А.П. Александров. Эти исследования, положившие начало новой науке – физике диэлектриков, заслужили самую высокую оценку как в нашей стране, так и за рубежом. В дальнейшем работы в области физики диэлектриков были продолжены в Физическом институте АН СССР, в Томском и Ленинградском политехнических институтах, в ВЭИ, МЭИ, а также заводских лабораториях крупных электротехнических заводов (ХЭМЗ, «Электросила», «Динамо», Московский электрозавод и др.). Несколько позднее (в 30‑е годы) получила развитие химия диэлектриков.

Вторым этапом, способствовавшим развитию электроизоляционной техники (1928–1935 гг.), явились работы по созданию более совершенных электроизоляционных материалов, проводившиеся в ВЭИ, а также в лабораториях заводов ХЭМЗ, «Электросила», «Динамо», Московского электрозавода, завода им. Лепсе, «Изолит».

В результате этих исследований электротехническая промышленность получила новые электроизоляционные материалы: глифталевые смолы и лаки, битумно‑масляные и масляно‑смоляные пропиточные, клеящие и покровные лаки, битумные пропитывающие компаунды, покровные эмали, синтетические жидкости, большую номенклатуру слюдяных материалов, слоистые пластики, разные виды электроизоляционных бумаг и картонов, намотанные бумажно‑бакелитовые изделия, светлые и черные лакоткани, асбоцемент непропитанный и пропитанный и др.

Третьим этапом развития электроизоляционной техники явилось создание в 1932–1940 гг. специальных видов изоляции – влаго‑, водо‑ и химостойкой с повышенной теплопроводностью и нагревостойкостью. Сочетание стекловолокнистых материалов, щипаной слюды и модифицированных глифталевых электроизоляционных лаков позволило получить изоляцию электрических машин с повышенной нагревостойкостью.

Качественный скачок в повышении нагревостойкости изоляции стал возможен в результате разработки гаммы высоконагревостойких электроизоляционных материалов на основе кремнийорганических полимеров, созданных под руководством К.А. Андрианова.

В 1948 г. под его руководством в ВЭИ были начаты систематические исследования нагревостойкости кремнийорганической изоляции, синтетических пленок и других полимерных диэлектриков. В результате было доказано наличие связи между структурой диэлектриков и их нагревостойкостью, а также установлены количественные зависимости срока службы изоляции электродвигателей от температуры для кремний‑органических и других полимерных диэлектриков. Следует также отметить систематические исследования связи между строением полимерных диэлектриков и их электрофизическими и механическими свойствами, проводимые в ВЭИ с конца сороковых годов.

Возросший спрос на слюдяные материалы для изоляции обмоток турбо‑ и гидрогенераторов, высоковольтных машин, тяговых, шахтных, металлургических, морских и других электродвигателей с рабочей температурой 130–180 °С увеличивал расход дорогостоящей и остродефицитной щипаной слюды. В связи с этим возникла необходимость более рационального использования добываемых слюд, а также замены слюдяных материалов менее дефицитными.

В 1948–1951 гг. развитие электроизоляционной техники шло главным образом по пути значительного сокращения потребления слюд высоких номеров и щипаных из очищенных слюд. Исследования, проведенные в ВЭИ и на заводе «Электросила», очищенных и колотых слюд позволили значительно сократить удельный расход остродефицитного сырья.

Современный этап развития электроизоляционной техники характеризуется разработкой и применением термореактивных смол для изоляции электротехнического оборудования. Создана и успешно внедряется термореактивная изоляция в турбо‑ и гидрогенераторах, синхронных компенсаторах и высоковольтных машинах; литая изоляция в измерительных трансформаторах, электробурах, тяговых и других электродвигателях, а также в высоковольтных аппаратах.

В ВЭИ осуществлен синтез полиорганометаллосилоксанов, что дало возможность вводить в цепь полиорганосилоксанов алюминий, титан, олово, кобальт, никель. Наибольшее развитие получили полимеры, содержащие в главной цепи алюминий. Кремнийорганические лаки находят применение в качестве добавок для изготовления нагревостойких лаков и композиционных пластических масс, а также для повышения влагостойкости фенолформальдегидных смол, используемых в производстве гетинакса и стеклотекстолита.

Одновременно с разработкой методов синтеза полиорганосилоксанов в довоенные годы начались исследования в области различных высокополимерных соединений, являющихся основными веществами для изготовления лаков, компаундов, пластических масс, лакотканей, слоистых пластиков. В 50‑е годы в ВЭИ были проведены работы по синтезу 100‑процентных маслорастворимых смол (гексилфенолформальдегидных, оксидифенолформальдегидных), обладающих высокой влагостойкостью, стойкостью к кислотам и слабым растворам щелочей, т.е. свойствами, необходимыми для создания высококачественных электроизоляционных пропиточных лаков. Синтезированы также новые эластичные растворимые в маслах анилиноформальдегидные смолы для изготовления лаков, стойких к щелочам, щелочным эмульсиям, бензину, керосину, хорошо совмещающиеся с полихлорвинилом и улучшающие его адгезию к металлам.

В конце 30‑х – начале 40‑х годов одним из важнейших направлений в области полимеров являлся синтез полиэфирных смол, главным образом алкидных, на основе продуктов поликонденсации фталевого ангидрида и глицерина.

Глифталевые смолы широко применяются в изоляционном производстве, и особенно для изготовления изоляционных лаков. Были синтезированы немодифицированные глифталевые смолы, а также глифталевые смолы, модифицированные жирными кислотами, маслами и продуктами окисления парафина. Наиболее широко распространены полиэфирные смолы, представляющие собой продукты поликонденсации многоосновных кислот и многоатомных спиртов. Общие свойства полиэфирных смол – высокие электрические характеристики, хорошая адгезия к металлам и различным изоляционным материалам, значительная стойкость к действию масел и различных растворителей. Нагревостойкость полиэфирных смол зависит от кислот и спиртов, примененных для их синтеза.

В середине 50‑х годов отечественной промышленностью был создан ряд полимеров, в том числе полиуретаны и эпоксидные смолы. Полиуретаны обладают высокой химо‑, масло‑ и влагостойкостью, прочностью на истирание, эластичностью, адгезией к металлам и хорошими электрическими свойствами. Полимеры на основе полиуретанов используются при изготовлении лаков для эмальпроводов, заливочных компаундов и лаков для стеклолакотканей.

Для изоляции различных электротехнических изделий широко применяются эпоксидные смолы. Благодаря высокой адгезии к большинству электроизоляционных материалов и к металлам эпоксидные смолы являются хорошими клеями. Они применяются для изготовления стеклопластиков, отличающихся большой механической прочностью, и в качестве связующего в слюдяных изоляционных материалах. Способность эпоксидных смол отверждаться в толстых слоях без давления с малой усадкой позволила широко использовать их для изготовления литой изоляции.

Для заливки трансформаторов тока и напряжения, предназначенных для работы при низких температурах, разработаны компаунды на основе эпоксидных смол с отвердителями ангидридного типа (малеиновый ангидрид, смесь малеинового и фталевого ангидридов), а также пластифицированные полиэфирами компаунды. Введение в эпоксидную смолу до 20% полиэфира улучшает физические свойства полимера, практически не снижая электрических свойств компаунда. Эпоксидно‑полиэфирные компаунды К‑168 и К‑293 и другие применяются для защиты полупроводниковых приборов и схем от влаги.

Среди электроизоляционных лаков различного назначения особое место занимают разработанные в ВЭИ под руководством К.А. Андрианова в начале 60‑х годов композиции эпоксидных смол с полиэфирами и полиорганосилоксанами, позволившие создать комплекс электроизоляционных материалов высокой нагревостойкости. К ним относятся: пропиточный лак ПЭ‑933, лак ПЭ‑942 для стеклоткани и стекло лакочулок, лак ПЭ‑948 для гибких слюдяных материалов, смола ТФП‑18 для формовочного и коллекторного миканитов, лаки ПЭ‑935 и ПЭ‑936 для гибких слюдинитовых материалов, эмаль ЭП‑9], стеклолакоткань ЛСП, а также компаунд ЭК. Эта группа лаков и материалов рекомендуется для изоляции кранового, тягового электрооборудования и электродвигателей прокатных станов.

Большой интерес представляют органические полимеры с ароматическими и гетероциклами в основной цепи, обладающие высокой нагревостойкостью. К таким полимерам относятся полиимиды – продукты взаимодействия ангидридов поликарбоновых кислот (пиромеллитовой, тримеллитовой) и ароматических диаминов (диаминодифенилоксид, диаминодифенилсульфид и др.), полимеры на основе ароматических амидов (типа фенилона), а также полиоксидифенилы. Полиимиды наиболее огнестойкие среди органических полимеров, отличаются хорошими электроизоляционными и механическими свойствами при температурах 250–350 °С, чрезвычайно устойчивы к воздействию атмосферы, радиации и химических реактивов. Полиоксидифенилы обладают хорошей цементирующей способностью при температуре от 120 до 300 °С, что свидетельствует об их низкой термопластичности и высокой твердости лаковых пленок. Эти свойства позволяют использовать полиоксидифенилы для получения пропиточных лаков и бандажных лент.

В настоящее время в ВЭИ разрабатываются новые электроизоляционные лаки и материалы на основе полиимидов (эмаль‑лаки для эмаль‑проводов, пропиточные лаки, стеклолакоткани). Ведутся работы по созданию полимеров на основе оксидифенила.

Разработаны и проходят стадию технологического опробования цианэтилированные целлюлозные материалы, а также ацетилированные бумаги. По сравнению с аналогичными материалами, изготовленными на обычной целлюлозе, нагревостойкость цианэтилированных целлюлозных материалов приблизительно на 20 °С выше, водопоглощение ацетилированных целлюлозных бумаг примерно на 50% ниже, удельное сопротивление на два‑четыре порядка выше. Снижается также зависимость сопротивления от температуры. В ВЭИ созданы стеклянные бумаги, изготовляемые сухим формованием и методом растяжки срезов стекловолокон. Новые материалы обладают высокой нагревостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, высокой прочностью на разрыв. Качество асбестовых бумаг, выпускаемых промышленностью, не отвечает основным требованиям, предъявляемым к электроизоляционным материалам. В связи с этим ВЭИ разработана технология изготовления тонких асбестовых бумаг на основе хризотилового асбеста с повышенными электрическими характеристиками. Нагревостойкость различных электроизоляционных материалов, в которых применены эти бумаги, 400 °С.

В электротехнике (в трансформаторостроении, кабельной технике) широко применяются нефтяные масла. Однако они имеют существенный недостаток – способны окисляться при повышенных температурах, в результате чего образуются осадки, изменяющие физико‑химические и электрические характеристики масел. Кроме того, нефтяные масла горючи и взрывоопасны, имеют низкую диэлектрическую проницаемость. Все это обусловило необходимость форсирования работ, связанных с получением синтетических жидких диэлектриков. В ВЭИ, ВНИИЭМ и ряде других организаций интенсивно ведутся работы по синтезу электроизоляционных жидкостей различного химического состава (хлор‑ и фторсодержащие углеводороды, жидкие полиизобутилены, кремнийорганические жидкости).

Наибольший интерес для электротехнической промышленности представляют жидкие хлордифенилы – смеси индивидуальных хлорпроизводных дифенила. Хлордифенилы негорючи, взрывобезопасны, имеют высокие электрические характеристики и термически стабильны. К таким электроизоляционным материалам относятся: совол, хлордифенил и совтол, производство которых уже освоено промышленностью.

Для заполнения малогабаритных трансформаторов, рассчитанных на работу при высоких температурах, применяются фторорганические жидкости, имеющие наряду с высокими электрическими характеристиками хорошие охлаждающие свойства. Для пропитки силовых кабелей широко используется масло октол (смесь полимеров изобутилена), обладающее высокой термической стабильностью и стабильностью в электрическом поле. Для силовых высоковольтных трансформаторов создан специальный целлюлозный картон.

В 50‑е годы разработаны жидкие кремнийорганические диэлектрики, которые отличаются высокой нагревостойкостью, имеют низкую температуру застывания, малый температурный коэффициент вязкости, хорошие электрические свойства в широком интервале частот и температур, химически инертны. Отечественной промышленностью освоен выпуск нескольких разновидностей полиорганосилоксановых жидкостей. Наибольший интерес представляют полиметил‑ и полиэтилсилоксановые жидкости с высокими температурами кипения.

Наиболее важным из числа газообразных электроизоляционных материалов является воздух. В силу своей всеобщей распространенности воздух часто входит в состав электротехнических установок и играет в них роль электроизоляционного материала дополнительно к жидким и твердым электротехническим материалам. Однако электрическая прочность воздуха весьма невелика [10.6].

В 1941–1942 гг. Б.М. Гохберг опубликовал результаты исследования электрофизических характеристик гексафторида серы. Это соединение оказалось наиболее перспективным для изоляции электроустановок и было названо Б.М. Гохбергом элегазом. Само название «элегаз» указывает на то, что это газ, предназначенный для целей электротехники.

Современное развитие электротехники идет в направлении повышения напряжений, роста мощностей и увеличения частот. К электротехническим материалам, применяемым в электро‑ и радиотехнике, предъявляются более высокие, чем прежде, требования.

Повышение уровня характеристик может быть достигнуто как путем усовершенствования известных материалов, так и посредством синтеза новых диэлектриков. Так, для высокочастотной техники может представить интерес синтез керамических материалов с малыми потерями и высокой добротностью. В области электроизоляционных материалов, предназначенных для работы при промышленной частоте, очень важно повысить их нагрево‑ и влагостойкость. Большие перспективы в этом отношении имеют электроизоляционные композиции на основе кремний‑органических полимеров, эпоксидных и полиуретановых смол.