Электротехнические материалы

Картон – толстый листовой или лентообразный материал с массой более 250 г/м3, вырабатываемый из грубых волокон древесной массы, полуцеллюлозы, макулатуры. В зависимости от назначения и физико-механических характеристик картоны подразделяют на тарные, полиграфические, прокладочные, текстильные и др.

Наибольшее применение находят следующие виды картона: электроизоляционные, конструкционные, фильтровальные и технические.

Электроизоляционный картон имеют повышенные диэлектрические свойства и применяют для изоляции электрооборудования.

Электроизоляционный картон выпускают нескольких марок: ЭВС – для пазовой изоляции стартеров и другого оборудования (толщина от 0,2 до 0,4 мм); ЭВП – для производства пленко-электрокартона (0,1 и 0,2 мм); ЭВТ – для изоляции деталей электрических машин и аппаратов (от 0,1 до 0,5 мм); ЭВ – для электроизоляции электрических машин и другого электрооборудования (в рулонах толщина от 0,1 до 0,5 мм; в листах – от 1 до 3 мм); ЭМ – для изготовления электроизоляционных деталей, работающих в масляной среде при температурах до 105 °C (толщина от 0,5 до 6 мм).

Конструкционный картон используют непосредственно (или в качестве полуфабрикатов) для изготовления изделий, которые имеют стабильную форму и могут противостоять механическим нагрузкам.

Фибра – листовой или трубчатый материал, используется преимущественно для изготовления плоских и оболочковых изделий. Фибру получают наслаиванием специальной пористой бумаги-основы, пропиткой ее хлористым цинком, последующим формированием под давлением при повышенной температуре и удалением излишка хлористого цинка. По механическим свойствам фибра приближается к алюминию, бронзе, и другим цветным металлам, не уступая, а иногда и превосходя текстолит, органическое стекло и некоторые другие пластики. Она хорошо штампуется, обрабатывается резанием, формируется после размачивания в горячей воде. Недостатком фибры является высокая гигроскопичность, резко снижающая уровень ее эксплуатационных свойств во влажной атмосфере. Для повышения водостойкости фибру иногда пропитывают парафином или воском.

Фибру листовую различных марок (толщиной от 0,4 до 12 мм и более) используют в машино- и электроизолирующих деталей и уплотнительных колец к гидравлическим системам прессового оборудования; в качестве уплотнительного материала, предохраняющего от утечек воды, масла, керосина и бензина, а также прокладочного материала, соприкасающегося с кислородом.

В качестве проводников электрического тока могут быть использованы как твердые тела, так и жидкости, а при соответствующих условиях и газы. Важнейшими практически применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы.

Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой проводимости, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не более 0,05 мкОм⸱м, и сплавы высокого сопротивления, имеющие удельное сопротивление при нормальной температуре не менее 0,3 мкОм⸱м. Металлы высокой проводимости используются для проводов, токопроводящих жил, кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов и т. п. Металлы и сплавы высокого электросопротивления, применяемые для изготовления резисторов, электронагревательных приборов и т.п. Особый интерес представляют собой обладающие чрезвычайно малым удельным сопротивлением при весьма низких (криогенных) температурах материалы – сверхпроводники и криопроводники.

К жидким проводникам относятся расплавленные металлы и различные электролиты. Все газы и пары, в том числе и пары металлов, при низких напряженностях электрического поля не являются проводниками. Однако, если напряженность поля превзойдет некоторое критическое значение, обеспечивающее начало ударной и фотоионизации, то газ может стать проводником с электронной и ионной электропроводностью. Сильно ионизированный газ представляет собой особую проводящую среду, носящую название плазмы.

Механизм прохождения тока в металлах – как в твердом, так и в жидком состоянии – обусловлен движением свободных электронов под воздействием электрического поля, поэтому металлы называют проводниками с электронной электропроводностью, или проводниками первого рода. Проводниками второго рода, или электролитами, являются растворы (в частности, водные) кислот, щелочей и солей.

Полупроводники представляют собой материалы, которые по удельной электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками (металлами) и диэлектриками. При незначительных внешних воздействиях света, тепла, электрического напряжения в них появляется достаточное количество свободных электронов, способных переносить электрический ток.

Наиболее распространены так называемые элементарные полупроводники, то есть такие материалы, которые состоят из одного химического элемента (например, германий, кремний, селен).

Некоторые элементы, являющиеся в чистом виде проводниками (алюминий, индий, сурьма, галлий и др.), сплавленные в определенных пропорциях, могут образовывать полупроводниковые материалы. Такие материалы называют интерметаллическими соединениями.

Полупроводниковыми свойствами обладают и некоторые окислы (закись меди, окись магния, окись алюминия), сульфиды и селекиды некоторых металлов и даже многие высокомолекулярные органические соединения, называемые органическими полупроводниками.

Управляемость электропроводностью полупроводников посредством температуры, света, электрического поля, механических усилий положена в основу принципа действия соответственно терморезисторов (термисторов), фоторезисторов, нелинейных резисторов (варисторой), тензорезисторов и т. д. Наличие у полупроводников двух типов электропроводности – электронной (n) и электронно-дырочной (p) позволяет получить полупроводниковые изделия с p-n-переходом. Сюда относятся различные типы выпрямителей, усилителей и генераторов.

Трансформаторное масло – жидкость от почти бесцветного до темно-желтого цвета. По химическому составу представляет собой смесь нафтеновых и парафиновых углеводородов и поэтому является неполярным диэлектриком с малой диэлектрической проницаемостью (ε = 2,2…2,3). После рафинирования масло дополнительно очищается. Для этого оно обрабатывается щелочью, промывается водой и сушится. Окончательная очистка производится с помощью адсорбентов (силикагеля, инфузорных земель) и фильтрпрессов.

Трансформаторное масло обладает следующими свойствами:

- малая вязкость, что весьма важно, так как слишком вязкое масло хуже отводит теплоту потерь от обмоток и сердечника трансформатора и хуже пропитывает пористую изоляцию;

- температура застывания –70 °C (что особенно важно для аппаратуры, работающей при низкой температуре окружающей среды);

- электрическая прочность Eпр = 10…25 МВ/м (очень чувствительна к увлажнению, но при сушке восстанавливается);

- теплоемкость и теплопроводность масла увеличиваются с ростом температуры (при свободной конвекции масло отводит теплоту от погруженных в него обмоток и сердечника трансформатора в 25…30 раз интенсивнее, чем воздух).

Основными недостатками трансформаторного масла являются старение, воспламенение и горючесть, гигроскопичность (категорически запрещается хранить его в открытой таре).

Применяют трансформаторное масло в качестве изолирующей и охлаждающей среды в силовых и импульсных трансформаторах, реакторах высоковольтных выключателей, таких как дугогасящая среда.

Кабельное масло отличается от трансформаторного повышенной вязкостью, а от конденсаторного – пониженными электрическими свойствами. Оно используется как составная часть в масляно-канифольных компаундах для пропитки изоляции силовых кабелей.