Учебное пособие для профессиональной подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию электрооборудования
 Скачать 1.2 Mb.
|
|
Диэлектрическая проницаемость. При внесении диэлектрика в электрическое поле, например между двумя разноименно заряженными пластинамиА и Б (рис. 16, 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. 16,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 результатеперемещения 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.  Рис. 16. Смещение ядер атомов диэлектрика и их электронных оболочек в электрическом поле (а) и поляризация молекул диэлектрика (б) 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) равна 8,85*10-12 Ф/м; ее называют также электрической постоянной. 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. Чем больше потери энергии при прохождении переменного тока через диэлектрик, тем больше угол. Обычно качество электроизоляционных материалов характеризуется не углом потерь, а тангенсом этого угла tgδ. У изоляционных материалов, предназначенных для работы при высоких напряжениях и высокой частоте (трансформаторное масло, слюда, керамика и пр.), tgδ составляет 0,01÷0,0001. У материалов, применяемых в менее ответственных установках (картон, бумага, пластмасса), tgδ составляет 0,1÷0,01. При увлажнении изоляции tgδ возрастает. Недопустимо большие диэлектрические потери в изоляционном материале вызывают сильный нагрев изготовленных из него изделий и могут привести к их тепловому разрушению. 4.2. Классы изоляции по нагревостойкости Нагревостойкость — одно из самых важных качеств электроизоляционных материалов, так как она определяет допустимую нагрузку электрических машин и аппаратов. При повышении температуры многие из этих материалов начинают обугливаться и становятся проводниками. Все материалы от длительного воздействия повышенных температур задолго до обугливания приобретают хрупкость, легко разрушаются и теряют свои изолирующие свойства. Этот процесс называется тепловым старением. Способность электроизоляционных материалов выдержать без вреда для них воздействие повышенной температуры, а также резкие смены температуры называется нагревостойкостью. Нагревостойкость изоляции является основным требованием, определяющим надежность работы и срок службы электрической машины, который нормально составляет 15—20 лет. Электроизоляционные материалы по нагревостойкости делят на семь классов: Т а б л и ц а 4.
Электрические машины с изоляцией класса А практически не изготовляются, а класса Е — находят ограниченное применение в машинах малой мощности. Применяют в основном изоляцию классов В и F, а в специальных машинах, работающих в тяжелых условиях (металлургия, горное оборудование, транспорт),— класса Н. В результате использования более нагревостойких материалов, улучшения свойств электротехнических сталей и улучшения конструкций за последние 60—70 лет удалось уменьшить массу электрических машин в 2,5—3 раза. Приведенные предельные температуры нагрева для отдельных классов изоляции не могут быть полностью использованы в практике, так как в условиях эксплуатации электрических машин и аппаратов не представляется возможным установить точный контроль за температурой изоляции наиболее нагретых деталей. Поэтому существующие стандарты на электрические машины устанавливают более низкие пределы допускаемых температур отдельных деталей машин в зависимости от конструкции этих деталей и расположения их в машине. Нормируют не сами температуры, а максимально допустимые превышения температур, так как от нагрузки машины зависит только превышение температуры. В таблице приведены в качестве примера предельно допускаемые превышения температуры. Для отдельных частей электрических машин общего применения (О) и тяговых (Т) при продолжительном режиме работы при измерении температуры обмоток по методу сопротивления (т. е. по измерению сопротивления соответствующей обмотки в результате нагрева), а температуры коллектора и контактных колец —с помощью термометров. Эти данные соответствуют температуре окружающей среды +40 °С для машин О и +25 °С для машин Т. Т а б л и ц а 5.
4.3. Волокнистые электроизоляционные материалы Для изоляции электрических машин и аппаратов широко применяют различные волокнистые материалы растительного происхождения (бумагу, картон, хлопчатобумажные и шелковые волокна, ткани и ленты), а также некоторые синтетические текстильные материалы, получаемые химической переработкой отдельных веществ: искусственный шелк, синтетические волокна (капрон, нейлон), материалы из полистирола, полихлорвинила, полиамидные и триацетатные пленки. Органические волокнистые изоляционные материалы отличаются невысокой нагревостойкостью. и в естественном виде без специальной обработки относятся к классу Y. Их недостаток — высокая гигроскопичность. Между их волокнами и нитями остаются воздушные промежутки (поры), легко поглощающие влагу. Бумага и картон. Бумага и картон — листовые материалы коротко-волокнистого строения, состоящие из целлюлозы. Бумагу изготовляют из измельченного хлопчатобумажного тряпья и волокон древесины, которые подвергают специальной химической обработке. Все сорта бумаги обладают хорошими изоляционными свойствами, однако в электромашиностроении применяют только следующие специальные сорта: кабельную, телефонную, конденсаторную, оклеечную, пропиточную, намоточную и микалентную. Указанные сорта бумаги используют для изоляции обмоточных проводов и кабелей различного типа, изготовления конденсаторов, оклейки листов электротехнической стали, а также для изготовления микаленты (см. ниже) и различных слоистых пластических материалов (листового и фасонного гетинакса, бакелитовых трубок и пр.). Картон изготовляют из того же сырья, что и бумагу, но он имеет значительно большую толщину. В электромашиностроении применяют следующие сорта картона: электрокартон, фибру и литероид. Электрокартон обладает высокими изоляционными свойствами. Диэлектрическая прочность его достигает 25 кВ на 1 мм толщины. Он очень эластичен, что позволяет изгибать его под нужными углами. Применяется для изготовления прокладок, корпусов катушек, шайб, пазовой изоляции электрических машин и пр. Фибра — картон, обработанный слабыми кислотами. Обладает большой твердостью, прочностью и может подвергаться обработке на металлорежущих станках (сверлильном, токарном, фрезерном и пр.). Изготовляется в виде листов различной толщины или в виде стержней и трубок. Имеет хорошие изоляционные свойства, но повышенную гигроскопичность. Текстильные материалы.Электроизоляционные текстильные материалы изготовляют, главным образом, из растительных волокон, представляющих собой в основном целлюлозу (хлопок, реже — лен, пенька, джут). Иногда применяют шелк, из которого получают тонкую и одновременно механически прочную изоляцию. Из различных видов искусственных волокон наибольшее распространение получили искусственный шелк (вискозный и ацетатный), вырабатываемый путем химической переработки целлюлозы, а также капрон и нейлон. Полученные из целлюлозы искусственные вещества (эфиры целлюлозы) обладают хорошей растворимостью, что дает возможность изготовлять из них тонкие нити путем продавливания этих веществ через отверстия малого диаметра. Капрон и нейлон, изготовляемые на основе искусственных полиамидных смол, механически прочны, негигроскопичны и нагревостойки. Текстильные материалы из искусственных волокон находят применение в различных отраслях электроизоляционной техники (для изготовления обмоточных проводов, лакотканей и пр.). В электромашиностроении применяют различные виды текстильных изделий: нити, пряжу, ткани, ленты и пр. Главное преимущество тканей — очень высокая механическая прочность, позволяющая применять их для крепления токопроводящих и изоляционных деталей, а также в качестве основы для изготовления других изоляционных материалов (лакотканей, текстолита и др.). Для изоляции обмоток электрических машин и при ремонтных работах широко используют тканые (с кромками) хлопчатобумажные ленты: тафтяную, киперную с диагональным (киперным — «елочкой») переплетением нитей и батистовую. Пряжу (нити, скрученные из отдельных волокон) применяют для изоляции проводов и шнуров путем обмотки и оплетки. В электроизоляционной технике используют в большей степени механические свойства непропитанных тканей и лент, чем их электрические свойства. Объясняется это тем, что без специальной обработки ткани не могут служить изоляторами, так как между их нитями остаются поры, поглощающие влагу. Для улучшения изоляционных свойств волокнистых материалов их поры заполняют различными твердеющими влагонепроницаемыми веществами: естественными и искусственными смолами, битумами и пленками, образующимися при высыхании некоторых масел. Смолы и масла растворяют в различных легколетучих жидкостях, получая лаки и эмали. При сушке лака, нанесенного тонким слоем на твердую поверхность и проникшего в поры изоляции, растворитель улетучивается, а лаковая основа переходит в твердое состояние. При этом образуется пленка, плотно пристающая к твердой поверхности и обладающая высокими электроизоляционными свойствами и малой гигроскопичностью. Процесс заполнения воздушных пор волокнистых материалов твердеющими электроизоляционными веществами называется пропиткой. Для пропитки применяют природные лаки (шеллачные, копаловые, битумные, масляные и их смеси) и синтетические, получаемые химической переработкой различных органических веществ (бакелитовые, глифталевые, полихлорвиниловые, нитроцеллю-лозные и пр.). В зависимости от режима сушки различают лаки и эмали холодной (воздушной) и горячей (печной) сушки. Температура горячей сушки не должна превышать 110°С во избежание пересушивания, при котором лаковая пленка становится хрупкой и растрескивается. Для пропитки изоляции обмоток электрических машин и аппаратов наибольшее распространение получили пропиточные лаки горячей сушки. Пропитку волокнистых изоляционных материалов этим лаком осуществляют следующим образом. Изделия предварительно просушивают в печи в течение 5÷10 ч при температуре 100÷110°С и в горячем состоянии (при температуре 60÷70 °С) погружают в ванну с лаком. Через 15÷30 мин пропитанные изделия вынимают из ванны, дают избытку лака стечь и подвергают сушке в печи при температуре 100÷110°С (в соответствии с режимом сушки, рекомендуемым для данного лака). После такой пропитки с последующей сушкой на поверхность изделия наносят покровную эмаль и осуществляют окончательную сушку. Эмаль после высыхания образует твердое блестящее покрытие, предохраняющее от влияния влаги и механических воздействий. Современная техника применяет лаки и эмали, различающиеся и по составу, и по назначению. Каждый из них имеет свою технологию применения. Эти подробности детально указываются в стандартах и технических условиях на соответствующие лаки. Наибольшее распространение получили следующие сорта лаков: светлые масляные лаки; имеют в качестве основы высыхающие масла, а в качестве растворителя — бензин, обычный или лаковый керосин или же их смеси. Изготовляют как воздушный, так и печной сушки; применяют для покрытия листов электротехнической стали и проволоки с эмалевой изоляцией, для изготовления светлых лакотканей и пр. Имеют высокие изолирующие и защитные свойства, но не маслостойки; черные битумные лаки холодной сушки; изготовляют из асфальтов и нефтяных битумов, растворенных в бензоле, толуоле или скипидаре или же в смеси их с бензином и лаковым керосином. Применяют в качестве антикоррозионных покрытий стальных деталей; черные масляно-битумные лаки; применяются в качестве пропиточных и покровных лаков при производстве и ремонте электрических машин; шеллачный лак — раствор шеллака в спирте; применяется как клеящий лак при изготовлении миканитов и при различных электромонтажных и ремонтных работах. Требует горячей сушки, может быть использован и как лак холодной сушки; глифталевые лаки, содержащие в качестве основы глифталевые синтетические смолы, а в качестве растворителя — ацетон, смесь толуола и бензина и др. Масло-стойки обладают хорошими изоляционными и защитными свойствами и являются лаками печной сушки. Применяют в качестве пропиточных и покровных лаков и для изготовления серых эмалей, используемых для покрытия деталей электрических машин и аппаратов; бакелитовые лаки — растворы синтетической смолы бакелита в спирте. Пропиточные и клеющие лаки горячей сушки, дающие механически прочную, но малоэластичную и склонную к тепловому старению пленку; нитроцеллюлозные лаки (нитролаки); представляющие собой раствор целлюлозы в различных растворителях. Дают хорошую быстросохнущую защитную, но не теплостойкую пленку. Для пропитки неподвижных катушек и заливки различных токопроводящих деталей (для заполнения воздушных промежутков вокруг катушек электрических аппаратов, пустот в кабельных муфтах, заливки крышек аккумуляторов и пр.) применяют компаунды. Они обеспечивают более влагостойкую и влагонепроницаемую пропитку, чем лаки, и при охлаждении затвердевают полностью. В них не остается пор от испарившегося растворителя, что наблюдается при пропитке лаками. В качестве основы для изготовления компаундов служат битумы. Для придания компаундам большей эластичности, нагревостойкости и маслостойкости к ним добавляют высыхающие масла, смолы и воск. Процесс пропитки компаундами может вестись при повышенной температуре (выше температуры их плавления). Подлежащие пропитке изделия погружают на определенное время в расплавленный компаунд и вынимают, не дожидаясь полного его застывания. Более совершенной является вакуумная пропитка компаундами. Она заключается в том, что подлежащее пропитке изделие сначала подвергают сушке в герметически закрытом котле (автоклаве) в вакууме, а затем пропитывают в этом же котле под давлением в несколько атмосфер. В некоторых случаях пропитку производят за несколько циклов с периодической подачей давления в автоклав. Лаки, смолы и эмали используют не только для пропитки волокнистых материалов, но и для изготовления эмалированной проволоки, пластмассовой изоляции проводов, покрытия листов электротехнической стали, склеивания различных твердых электроизоляционных материалов и изделий и пр. В последнее время для изоляции электрических машин и аппаратов широко применяют различные волокнистые материалы неорганического происхождения: стеклянное волокно и асбест. Основным преимуществом этих материалов перед органическими является их более высокая нагревостойкость. Стеклянное волокно изготовляют путем пропускания расплавленной стеклянной массы сквозь отверстия малого диаметра. В толстом слое стекло является хрупким и ломким материалом. Однако весьма тонкие волокна имеют настолько большую гибкость, что могут обрабатываться приемами текстильной технологии. Из стеклянных нитей, скрученных из отдельных волокон, ткут стеклянные ткани и ленты. Эти же нити используют для изоляции обмоточных проводов. Для склеивания и пропитки материалов из стекловолокна применяют органические лаки и смолы повышенной нагреваемости или кремнийорганические лаки и смолы. Таким путем получают различные стеклолакоткани, стеклоленту, стеклотекстолит и пр. Кремнийорганические смолы, как показывает их название, содержат, кроме углерода, характерного для органических веществ, также и кремний, являющийся одним из важнейших составных частей многих неорганических диэлектриков. Такие смолы обладают значительной нагревостойкостью, хорошими электроизолирующими свойствами и малой гигроскопичностью. Для изоляции катушек тяговых двигателей применяют монолитную кремний-органическую изоляцию. Катушку заливают кремнийорганическим компаундом. После затвердевания она представляет собой единую монолитную конструкцию. Асбестовое волокно также может обрабатываться методами текстильной и бумажной технологии: из него изготовляют ткани, ленту, бумагу и картон. В некоторых случаях в асбестовую пряжу для повышения прочности добавляют хлопчатобумажные волокна. Асбестовые изделия гигроскопичны и обладают невысокими изоляционными свойствами. Поэтому в изоляционной технике асбест применяется как вспомогательный теплостойкий материал и требует дополнительной обработки лаками или битумами. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||