Молниезащита
Справочные данные
Статьи / Справочные данные / Электроизоляционные материалы. Виды, классы нагревостойкости, температура нагрева электроизоляционных материалов
  13.10.18  |  

Электроизоляционные материалы. Виды, классы нагревостойкости, температура нагрева электроизоляционных материалов

1. Основные определения и классификация диэлектриков


Электроизоляционными материалами или диэлектриками называются вещества, с помощью которых осуществляется изоляция элементов или частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами. По сравнению с проводниковыми материалами (проводниками) диэлектрики обладают значительно большим электрическим сопротивлением. Характерным свойством диэлектриков является возможность создания в них сильных электрических полей и накопления электрической энергии. Это свойство диэлектриков используется в электрических конденсаторах и других устройствах.


Согласно агрегатному состоянию диэлектрики делятся на газообразные, жидкие и твердые. Особенно большой является группа твердых диэлектриков (высокополимеры, пластмассы, керамика и др.).


Согласно химическому составу диэлектрики делятся на органические и неорганические. Основным элементом в молекулах всех органических диэлектриков является углерод. В неорганических диэлектриках углерода не содержится. Наибольшей нагревостойкостью обладают неорганические диэлектрики (слюда, керамика и др.).


По способу получения диэлектрики делятся на естественные (природные) и синтетические. Наиболее многочисленной является группа синтетических изоляционных материалов.


Многочисленную группу твердых диэлектриков обычно делят на ряд подгрупп в зависимости от их состава, структуры и технологических особенностей этих материалов. Так, выделяют керамические диэлектрики, воскообразные, пленочные, минеральные и др.


Все диэлектрики, хотя и в незначительной степени, обладают электропроводностью. В отличии от проводников у диэлектриков наблюдается изменение тока со временем вследствие спадания тока абсорбции. С некоторого момента под воздействием постоянного тока в диэлектрике устанавливается только ток проводимости. Величина последнего определяет проводимость диэлектрика.


При напряженности электрического поля, превосходящей предел электрической прочности диэлектрика, наступает пробой. Пробой представляет собой процесс разрушения диэлектрика, в результате чего диэлектрик теряет электроизоляционные свойства в месте пробоя.


Величину напряжения, при котором происходит пробой диэлектрика, называют пробивным напряжением Uпр, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика Епр.


Пробой твердых диэлектриков представляет собой или чисто электрический процесс (электрическая форма пробоя), или тепловой процесс (тепловая форма пробоя). В основе электрического пробоя лежат явления, в результате которых в твердых диэлектриках имеет место лавинное возрастание электронного тока.


Характерными признаками электрического пробоя твердых диэлектриков являются:


· независимость или очень слабая зависимость электрической прочности диэлектрика от температуры и длительности приложенного напряжения;


· электрическая прочность твердого диэлектрика в однородном поле не зависит от толщины диэлектрика (до толщин 10–4—10–5 см);


· электрическая прочность твердых диэлектриков находится в сравнительно узких пределах: 106—107 В/см; причем она больше, чем при тепловой форме пробоя;


· перед пробоем ток в твердом диэлектрике увеличивается по экспоненциальному закону, а непосредственно перед наступлением пробоя наблюдается скачкообразное возрастание тока;


· при наличии неоднородного поля электрический пробой происходит в месте наибольшей напряженности поля (краевой эффект).


Тепловой пробой имеет место при повышенной проводимости твердых диэлектриков и больших диэлектрических потерях, а также при подогреве диэлектрика посторонними источниками тепла или при плохом теплоотводе. Процесс теплового пробоя твердого диэлектрика состоит в следующем. Вследствие неоднородности состава отдельные части объема диэлектрика обладают повышенной проводимостью. Они представляют собой тонкие каналы, проходящие через всю толщину диэлектрика. Вследствие повышенной плотности тока в одном из таких каналов будут выделяться значительное количество тепла. Это повлечет за собой


еще большее нарастание тока вследствие резкого уменьшения сопротивления этого участка в диэлектрике. Процесс нарастания тепла будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет тепловое разрушение материала (расплавление, науглероживание) по всей его толщине — по ослабленному месту.


Характерными признаками теплового пробоя твердых диэлектриков являются:


· пробой наблюдается в месте наихудшего теплоотвода от диэлектрика в окружающую среду;


· пробивное напряжение диэлектрика снижается с повышением температуры окружающей среды;


· пробивное напряжение снижается с увеличением длительности приложенного напряжения;


· электрическая прочность уменьшается с увеличением толщины диэлектрика;


· электрическая прочность твердого диэлектрика уменьшается с ростом частоты приложенного переменного напряжения.


При пробое твердых диэлектриков часто наблюдаются случаи, когда до определенной температуры имеет место электрический пробой, а затем в связи с дополнительным нагревом диэлектрика наступает процесс теплового пробоя диэлектрика.


2. Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов


Электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, аппаратах и трансформаторах, разделяются по их нагревостойкости на семь классов.


Таблица 1. Нагревостойкость электроизоляционных материалов


Класс нагревостойкости

Температура, °C

Характеристика основных групп электроизоляционных материалов, соответствующих данному классу нагревостойкости

Y

90

Непропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка и шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

A

105

Пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

E

120

Некоторые синтетические органические пленки, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

B

130

Материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связывающими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

F

155

Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с синтетическими связывающими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

H

180

Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

C

Более 180

Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связывающих составов или с неорганическими или элементоорганическими связывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов


Нагревостойкость — способность электроизоляционного материала выполнять свои функции при воздействии рабочей температуры в течение времени, сравнимого с расчетным сроком нормальной эксплуатации электрооборудования, в котором применяется данный электроизоляционный материал.


Указанные в таблице температуры являются предельно допустимыми для электроизоляционных материалов при их длительном использовании (в течение ряда лет) в электрических машинах, трансформаторах и аппаратах, работающих в нормальных эксплуатационных условиях.


Температуры в наиболее нагретом месте изоляции не должны превышать указанных предельно допустимых величин температуры при работе электрооборудования в нормальном режиме при предусмотренной для этого режима максимальной температуре охлаждающей среды.


С электроизоляционными материалами соответствующего класса допускается совместное применение материалов предшествующего класса при условии, что под действием температуры, допускаемой для материалов более высокого класса, электрические и механические свойства комплексной изоляции не должны претерпевать изменений, могущих сделать изоляцию непригодной для длительной работы.


Таблица 2. Ориентировочное распределение электроизоляционных материалов по классам нагревостойкости


Класс нагревостойкости

Электроизоляционные материалы

Связывающие, пропитывающие и покровные составы, применяемые при производстве указанных материалов

Связывающие, пропитывающие и покровные составы, применяемые при производстве электрических машин, трансформаторов и аппаратов с применением указанных материалов

Y

Текстильные материалы на основе хлопка, натурального шелка, регенерированной целлюлозы, ацетилцеллюлозы и полиамидов

Не применяются

Не применяются

Целлюлозные электроизоляционные бумаги, картоны и фибра

Не применяются

Не применяются

Древесина

Не применяются

Не применяются

Пластические массы с органическими наполнителями

Мочевиноформальдегидные смолы

Не применяются

A

Материалы класса Y, если они пропитаны изоляционным составом или погружены в жидкие диэлектрики (масло и др.)

Лаки на основе натуральных смол (шеллак, копалы и др.), эфироцеллюлозные лаки, соответствующие данному классу нагревостойкости; термопластичные компаунды (битумные и др.) с температурой размягчения, обеспечивающей отсутствие вытекания при рабочих температурах только в неподвижных обмотках. Нефтяные и синтетические жидкости, соответствующие данному классу нагревостойкости

Ацетатобутиратцеллю-лозные, ацетилцеллюлозные, диацетатные пленки

Пленкоэлектрокартон на основе ацетилцеллюлозной пленки

Клеящие составы, соответствующие данному классу нагревостойкости

Лакоткани, лакобумаги и лакочулки на основе хлопчатобумажной пряжи, натурального шелка, регенерированной целлюлозы, ацетатцеллюлозы или полиамидных волокон

Масляные, смоляные, масляно-смоляные лаки

Изоляция эмалированных проводов

Масляно-смоляные лаки, соответствующие данному классу нагревостойкости

Не требуются

Слоистые пластики на основе целлюлозных бумаг и тканей

Термореактивные смолы фенолформальдегидного типа

Полиамидные пленки

Полиамидные литьевые смолы

Асбоцемент, пропитанный органическим составом, не вытекающим при 110 °С

Битум, каменноугольный пек и др.

Древеснослоистые пластики

Фенолформальдегидные смолы

Термореактивные компаунды на основе акриловых и метакриловых эфиров (без наполнителей)

E

Пленки и волокна из полиэтилентерефталата

Термопластичные компаунды с температурой размягчения, обеспечивающей отсутствие вытекания их при рабочих температурах только в неподвижных обмотках. Составы применяемые для изоляции класса В

Материалы на основе электрокартона и полиэтилентерефталовой пленки

Клеящие и пропитывающие составы соответствующей нагревостойкости

Стеклолакоткани и лакоткани на основе полиэтилентерефталовых волокон

Термореактивные синтетические смолы и компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые)

Не требуются

Термореактивные компаунды на основе акриловых и метакриловых эфиров с неорганическими наполнителями

Не требуются

B

Материалы на основе щипаной слюды, слюдопластов и слюдинитов, в том числе с бумажной или тканевой органической подложкой

Битумно-масляные лаки: природные и синтетические смолы, не модифицированные и модифицированные растительными маслами, и лаки на их основе

Битумно-масляно-смоляные лаки (на тунговом масле), лаки на основе природных и синтетических смол, модифицированных растительными маслами, соответствующие данному классу по нагревостойкости

Стеклоткани и стеклолакочулки

Лаки: битумно-масляно-смоляные, экскапоновые, эпоксидные, полиуретановые, а также на основе алкидных смол, модифицированных маслом

Асбестовые волокнистые материалы, в том числе с органическими волокнами

Шеллак, бакелитоглифталиевые и эпоксидные лаки, а также синтетический каучук

Изоляция эмалированных проводов

Лаки на основе полиэтилентерефталатных смол и другие синтетические лаки

Пластмассы с неорганическим наполнителем

Термореактивные смолы фенолформальдегидного типа, меламиноформальдегидные, фенолофуррольные, эпоксидные и полиэфирные

Не требуются

Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов

Термореактивные синтетические компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые) с минеральным наполнителем и отвердителем, соответствующие данному классу нагревостойкости

Асбестоцемент, пропитанный органическим составом, не вытекающим при температуре 135 °C

Битум, каменноугольный пек и другие составы с последующей термообработкой

F

Материалы на основе щипаной слюды, слюдинитов и слюдопластов без подложки или с неорганической подложкой

Соответствующие данному классу нагревостойкости смолы и лаки: модифицированные и немодифицированные алкидные, эпоксидные, полиуретановые, кремнийорганические и др.

Соответствующие данному классу нагревостойкости смолы и лаки: модифицированные и немодифицированные алкидные, эпоксидные, полиэфирные полиуретановые, кремнийорганические и др.

Стекловолокнистая и асбестовая изоляция провода

Стеклоткани и стеклолакочулки

Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов

Не требуются

Стекловолокнистая и асбестовая изоляция провода

Кремнийорганические, эпоксидные и другие лаки, соответствующие по нагревостойкости

Соответствующие данному классу по нагревостойкости смолы и лаки: алкидные, эпоксидные, полиуретановые и кремнийорганические

H

Материалы на основе щипаной слюды без подложки или с неорганической подложкой

Соответствующие данному классу нагревостойкости кремнийорганические и другие лаки и смолы

Соответствующие данному классу по нагревостойкости кремнийорганические лаки

Стекловолокнистая изоляция проводов

Стеклоткани и стеклолакочулки

Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов

Не требуются

Пластические массы с неорганическим наполнителем

Асбестоцемент

Кремнийорганические эластомеры без подложек и с неорганическими подложками

Асбестовые материалы (пряжа, ткани, бумаги)

Не применяются

Соответствующие данному классу по нагревостойкости кремнийорганические лаки

C

Слюда

Не применяются

Не требуются

Стекло бесщелочное и стекловолокнистые материалы

Не применяются

Электротехническая керамика

Не применяются

Кварц

Не применяются

Асбестоцемент непропитанный

Не применяются

Шифер электротехнический

Не применяются

Материалы на основе щипаной слюды без подложки или со стекловолокнистой подложкой

Неорганические составы и элементоорганические смолы с повышенной нагревостойкостью

Микалекс

Не применяются

Политетрафторэтилен

Не применяются

Полиамиды

Не применяются



3. Допустимые температуры нагрева токоведущих частей


Таблица 3. Максимально допустимые температуры токоведущих частей аппаратов и оборудования распределительных устройств напряжением свыше 1000 В


Части аппаратов

Нагрев, °C

Перегрев, °C

В воздухе

В масле

В воздухе

В масле

Токоведущие (за исключением контактных соединений) и нетоковедущие металлические части, неизолированные и не соприкасающиеся с изоляционными материалами

120

90

85

55

Металлические части изолированные или соприкасающиеся с изоляционными материалами, а также детали из изоляционных материалов классов:

Y

80

45

A

95

90

60

55

E

105

90

70

55

B, F,HиC

120

90

85

55

Масло трансформаторное в верхнем слое:

при использовании в качестве дугогасящей среды

80

45

при использовании в качестве только изолирующей среды

90

55

Контактные соединения из меди, алюминия или их сплавов с нажатием, осуществляемым болтами, винтами, заклепками и другими способами, обеспечивающими жесткость соединения:

без покрытия

80

80

45

45

с покрытием оловом

90

90

55

55

с гальваническим покрытием серебром

105

90

70

55

с уплотненным гальваническим покрытием серебром толщиной не менее 50 мк, а также с накладными пластинами из серебра

120

90

80

55

Контактные соединения из меди или ее сплавов с нажатием, осуществляемым пружинами:

без покрытия

75

75

40

40

с гальваническим покрытием серебром

105

90

70

55

с накладными пластинами из серебра или из композиций СОК-15, СОМ-10

120

90

70

55

Выводы аппаратов, предназначенные для соединений с подводящими проводами, с нажатием, осуществляемым болтами, винтами или другими способами, обеспечивающими жесткость соединения:

без покрытия

80

45

с покрытием оловом

90

55

с гальваническим покрытием серебром

105

70

с уплотненным гальваническим покрытием серебром толщиной не менее 50 мк

120

85

с накладными пластинами из серебра

120

85

Металлические части, используемые как пружины:

из меди

75

75

40

40

из фосфористой бронзы и аналогичных ей сплавов

105

90

70

55

из стали

120

90

85

55


Установившаяся температура нагрева контактных соединений и цельнометаллических соединений зажимов с внешними проводниками из меди, алюминия и их сплавов при номинальных режимах не должна быть выше 80 °C.


Таблица 4. Максимально допустимые температуры токоведущих частей аппаратов и оборудования распределительных устройств напряжением до 500 В включительно


Части устройств и аппаратов

Предельная температура нагрева, °C

Перегрев, °C, при температуре окружающей среды +35 °C

Медные шины, имеющие болтовые контактные соединения или не защищенные от коррозии в местах контактов

90

55

То же, но защищенное в местах контактов слоем полуды или кадмия

100

65

То же, но защищенное в местах контактов слоем серебра

120

85

Медные шины с контактными соединениями, выполненными с помощью пайки или сварки

120

85

Щеточные контакты аппаратов, клиновые контакты штепселей из меди и ее сплавов

70

35

Клиновые контакты рубильников из меди и ее сплавов

90

55

Скользящие и стыковые массивные контакты из меди и ее сплавов

110

75

Скользящие и стыковые массивные контакты со впаянными или приваренными контактными пластинами из серебра

120

85

Контакты предохранителей

120

85


Установившаяся температура нагрева контактных и цельнометаллических соединений зажимов с внешними проводами из меди, алюминия и их сплавов при номинальном режиме не должна быть выше 95 °C.



Другие статьи:

Контактные материалы, сплавы для катушек сопротивлений, жаростойкие сплавы.
Проводниковые материалы: медь, алюминий, бронза, латунь.
Электромонтажные изделия из черных и цветных металлов, сплавов, металлопроката.