Волокнисті та паперові діелектрики

В електротехніці широко застосовуються волокнисті мате-ріали, тобто матеріали, що складаються переважно з частинок видовженої форми – волокон. В деяких матеріалах, особливо у текстильних, волокниста будова абсолютно очевидна. В інших волокнистих матеріалах, таких як дерево, папір, картон, волокниста будова може бути досліджена з допомогою мікроскопа при незнач-ному збільшенні.

Переваги багатьох волокнистих матеріалів: дешевизна, висока механінча міцність і гнучкість, зручність обробки. Недолі-ками є невисокі електрична міцність і теплопровідність (із-за наяв-ності проміжків між волокнами, заповненими повітрям). Гігро-скопічність більш висока, ніж у масивного матеріалу того ж хіміч-ного складу. Властивості волокнистих матеріалів можуть бути сут-тєво підвищені шляхом просочування.

Значна частина волокнистих матеріалів – органічні речо-вини. До них відносять матеріали рослинного походження (дерево, хлопчатопаперове волокно, папір, целюлоза), шовк, шерсть, штучні та синтетичні волокна.

Целюлозні волокнисті матеріали мають порівняно високу гігроскопічність, що пов’язано з їх хімічною природою целюлози, що містить значну кількість гідроксильних груп, так і особливос-тями будови рослинних волокон, а також невисоку нагріво-стійкість. Деякі штучні синтетичні волокнисті матеріали мають значно меншу гігроскопічність і підвищену нагрівостійкість в порівнянні з целюлозними матеріалами.

В тих випадках, коли вимагається особливо висока робоча температура, яку органічні волокнисті матеріали забезпечити не можуть, застосовують неорганічні волокнисті матеріали на основі скляного волокна і азбесту.

Папір і картон – це листовий або рулонний матеріал корот-коволокнистої будови, що складається в основному із целюлози. При виготовленні паперу, що застосовується в якості електричної ізоляції використовується сульфатна і натронна целюлоза, що отримується шляхом варіння деревини в розчинах, що містять їдкий натрій NaOH.

В електротехніці використовується кабельний, конден-саторний та телефонний папір. Зупинимося детальніше на перших двох.

Кабельний папір випускається різних марок, що позна-чаються буквами К, КМ, КВ, КВУ, КВМ, КВМУ. К – кабельний, М – багатошаровий, В – високовольтний, У – ущільнений. Цифри – від 15 до 240 означають номінальну товщину в мкм. Папір марок К, КМ застосовується для силових кабелів напругою до 35 КВ, КВ і КВУ – 35 КВ і вище, КВМ і КВМУ – 110 КВ і більше. Об’ємна маса неущільненого кабельного паперу двох різних марок складає 0,76 або 0,87 Мгр/м³, а ущільненого 1,09-1,1 Мгр/м³.

Ущільнений папір, що просочений нафтовою оливою, мають більш високу діелектричну проникність. В зв’язку з цим в конструкціях кабелів на напругу вище 35 КВ використовується наступна комбінація ущільненого і неущільненого паперу: шари, що знаходяться ближче до жили з ущільненого паперу, а наступні шари – з неущільненого. Така комбінація дозволяє забезпечити рівномірний розподіл електричного поля в ізоляції.

В паперовій ізоляції силового кабелю слабкими місцями – джерелами розвитку пробою є зазори між окремими стрічками паперу в кожному витку. В кабелях із в’язким просочуванням (наприклад, масляно-каніфольним компаундом) в експлуатації після багатократних нагрівів і охолоджень кабелю частина зазорів, що ближче до жили, є незаповнені просочувальним компаундом. В цих зазорах виникає іонізація, що руйнує як компаунд, так і папір, що здатна викликати розряд між жилою та свинцевою оболонкою кабелю.

Старіння кабельної ізоляції змушує приймати для кабелів з в’язким просочуванням невисоку робочу довготривалу напруже-ність електричного поля, що дорівнює 3-4 МВ/м. Кабелі такого типу використовують лише при невеликих робочих напругах, що не перевищують 35 КВ. При більш високих напругах застосовують масло – і газо-наповнені кабелі, в яких робоча напруженість електричного поля доходить до 10-12 МВ/м.

Конденсаторний папір – досить важливий матеріал: в просоченому вигляді вона використовується як діелектрик паперо-вих конденсаторів. Випускається двох видів: КОН – звичайний конденсаторний папір та силкон – папір для силових конденса-торів. По об’ємній масі розрізняють марки: 0,8 (тільки силкон), 1 і 2. Маркування цифр означає густину в Мгр/м³. Номінальні товщини різноманітних марок цих паперів – від 4 до 30 мкм.

Рис.2.2. Залежність tgб від температури для конденсаторного паперу, просоченого компаундом (80 % каніфолі і 20 % трансформаторної оливи).

Мала товщина конденсаторного паперу дозволяє отримати високу питому ємність конденсатора, оскільки в першому набли-женні, при невисоких робочих напругах питома ємність обернено- пропорційна квадрату товщини діелектрика.

Як вже відмічалось папір використовується в конденсаторі в просоченому вигляді. Тому досить важливо мати розрахункові формули, що дають змогу визначити електроізоляційні властивості (ε, tg δ, Е_пр) просоченого паперу, виходячи із заданих властивостей паперу і просочувального складу. Такі формули отримав В.Т. Ренне, виходячи з еквівалентної схеми діелектрика, що передбачає послідовне з’єднання шарів целюлози, просочувальної маси і повітря, що залишилося в порах паперу:

(2.1)

Тут позначено: ε₁ – діелектрична проникність просочува-льної маси; ε₂ = 6,6 – діелектрична проникність целюлози; х = = 1 – ρ₁/ρ₂ – об’ємний вміст пор в непросоченому папері (ρ₁ – об’ємна маса сухого непросоченого паперу, ρ₂ = 1,55 Мгр/м³ – густина целюлози); у – об’ємна усадка просочувальної маси.

При просочуванні рідким діелектриком, що повністю витісняє повітря з пор паперу ця формула спрощується, так як в ній можна прийняти у = 0. Ще більш спрощується формула для розрахунку εсухого непросоченого паперу, так як в цьому випадку не тільки у = 0, але й ε₁ = 1.

В якості діелектрика силових конденсаторів поряд з конден-саторним папером застосовуються синтетичні плівки. Досить перспективна для цієї цілі неполярна поліпропіленова плівка, що має малий tg δпри доволі високій нагрівостійкості.

Існують і паперово-плівкові конденсатори, діелектрик яких складається з двох шарів – паперу і плівки. При цьому папір грає роль фітиля, по якому в процесі просочування проникає в глибину конденсатора просочувальна маса.

Картон відрізняється від паперу більшою товщиною і застосовується в якості електричної ізоляції тільки в просоченому вигляді. Просочування картону здійснюється як правило трансфор-маторною оливою, рідше синтетичними рідинами, що дає змогу збільшити його електричну міцність. Картони, що працюють на повітрі просочуються лаками або компаундами.

Існує чотири марки картону, основні властивості яких і рекомендації по застосуванню в конструкції трансформаторів приведені в таблиці 2.5.

Табл.2.5.

Марка картону	Основні властивості	Рекомендації по застосуванню
А	Картон м’який еластичний з високою стійкістю до дії ро-зрядів, в просоченому оли-вою виді, має низьку густину.	Для виготовлення деталей голов-ної ізоляції (циліндри, кутові шай-би, екрани і т.д.) трансформаторів з рідинним заповненням.
Б	Картон більш важчий в порівнянні з картоном марки А і з більшою електричною міцністю.	Для виготовлення всіх електроізоля-ційних деталей силових та вимірних трансформаторів рідинного запов-нення широкого діапазону напруг і потужностей. Застосовується на напругу до 220 КВ.
В	Картон твердий з висо-кими механічними, елек-тричними характеристи-ками та густиною.	Для виготовлення деталей поз-довжньої ізоляції трансформаторів з рідинним заповненям (проклад-ки, шайби).
Г	Картон з густиною, що рівна приблизно густині картону марки Б і підвищеним опором до розшарування	Основа для виготовлення склеє-ного картону і деталей загального призначення (ярмова і опорна ізо-ляція і т.п.) трансформаторів з рі-динним заповненням.

На рис.2.3., 2.4. показано залежність напруженості пробою від товщини картону для різних марок та залежність ε, tgδ від температури.

Рис.2.3. Рис.2.4.

Рис.2.3. Залежність електричної міцності картону різних марок від товщини при випробовуванні в трансформаторній оливі при температурі 90⁰С.

Рис.2.4. Залежність ε, tg δ картону від температури.

Приведені характеристики картону є особливо важливими щодо застосування в сучасних силових високовольтних транс-форматорах великої потужності, так як по суті в значній мірі саме вони визначають експлуатаційну надійність їх ізоляції.

В наш час в зв’язку з ростом напруг ліній електропередач і підвищенням одиничної потужності трансформаторів до якості трансформаторного картону представляються підвищені вимоги, а саме мінімальний стиск (деформація) повинен бути не більше 2%, картон повинен мати пружну деформацію.

Теплове старіння картону, просоченого трансформаторною оливою, в основному підпорядковується тим закономірностям, що й старіння інших матеріалів.