1tom106

5. MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE

214

pogarsza jednak odporność cieplną i odporność na działanie łuku elektrycznego. Ostatnio ogranicza się stosowanie materiałów azbestowych w elektrotechnice z powodu ich właściwości rakotwórczych.

55.6.2. Materiały elektroizolacyjne stałe organiczne naturalne

Materiały celulozowe

Celuloza (C₆H₁₀O_s)_n jest związkiem wielkocząsteczkowym o budowie łańcuchowej. Wiązania między łańcuchami celulozy są przede wszystkim o charakterze wodorowym. Wiązania te decydują o właściwościach mechanicznych wyrobów celulozowych: papierów, bibułek i preszpanów. Wiążą one w tym przypadku atom wodoru należący do grupy hydroksylowej COOH jednego łańcucha z atomem tlenu należącym do drugiego łańcucha.

Papiery elektroizolacyjne mają kolor naturalny żółtawy. Nie bieli się ich ze względu na obecność chloru we wszystkich czynnikach bielących, którego pozostałości zmniejszałyby wytrzymałość mechaniczną i pogarszały właściwości dielektryczne.

Bardzo ważnym procesem przy wyrobie papieru jest przemiał masy celulozow ej. Podczas przemiału następuje zmniejszenie długości włókien oraz ich rozdrobnienie. Gdy włókna celulozy nie są bardzo rozdrobnione, wówczas mówi się o przemiale chudym (przy ściśnięciu palcami masy przemielonej chudo odnosi się wrażenie ściskania gąbki). W przypadku bardzo rozdrobnionych włókien mówi się o przemiale tłustym (ściśnięta masa robi wrażenie tłustej). Istotne znaczenie ze względu na właściwości mechaniczne i dielektryczne papieru ma zarówno rodzaj mielenia, jak i dobór surowca. Ze wzrostem tłustości miazgi przepuszczalność powietrza maleje, wzrasta masa właściwa, zmniejsza się zdolność nasycenia olejami i wzrasta stratność dielektryczna papieru.

Papier clektroizolacyjny powinien być wykonany z celulozy świerkowej lub sosnowej (sosnowa ma dłuższe włókna), przerobionej przy zastosowaniu procesu zasadowego i długotrwałego mielenia na chudo. Taka celuloza bowiem daje pewność dużej wytrzymałoś! mechanicznej papieru, dobrą jego nasiąkliwość i dobre właściwości izolacyjne.

Wytrzymałość elektryczna wyrobów celulozowych jest tym większa, im większa jest ich gęstość pozorna, lepsza równomierność rozłożenia włókien (mniejsza przepuszczalność powietrza) oraz większa czystość (mniejsza konduktancja wyciągu wodnego). Tangens kąta strat dielektrycznych przy częstotliwościach przemysłowych zależy od stopnia wysuszenia i czystości izolacji papierowej. Zanieczyszczenia nie tylko zwiększają wartość tangensa kąta strat, lecz także powodują jego większy przyrost przy podwyższaniu temperatury. W miarę zwiększania gęstości następuje zwiększenie tg<5; wzrasta również przenikalność elektryczna (która dla celulozy wynosi 5,6 w 20'C i 6,1 w 90 C przy częstotliwości 50 Hz). Pizy starzeniu izolacji papierowej większy wpływ na zmiany właściwości dielektrycznych ma starzenie syciwa. Wyroby celulozowe wykazują anizo-tropowość takich właściwości, jak wytrzymałość mechaniczna, rozciągliwość, skurcz pod wpływem suszenia itp.

Właściwości mechaniczne izolacji celulozowej, w przeciwieństwie do dielektrycznych, silnie się zmieniają pod wpływem starzenia cieplnego. Na proces ten składają się reakcje: utleniania, hydrolizy i pirolizy'. Wpływ na inicjację dwóch pierwszych rodzajów reakcji wywierają zanieczyszczenia. Dlatego też trwałość papieru jest tym większa, im mniejsza jest zawartość zanieczyszczeń. Brak styczności układu izolacyjnego papierowo-olcjowego z powietrzem (hermetyzacja) znacznie ogranicza rozwój reakcji utleniania, które charakteryzują się zwykle mniejszą energią aktywacji w porównaniu z reakqami hydrolizy i pirolizy'. Dzięki temu trwałość papieru zwiększa się, a nachylenie charakterystyki trwałości wzrasta. Przy jmuje się. że w układzie hermetyzowanym, w temperaturze do 140°C, przedział temperatury A9, = 6°C (patrz p. 5.5..3.2) przy poziomie krytycznym dopuszczającym zmniejszenie o 80% wytrzymałości mechanicznej na zerwanie. Powyżej 140°C przedział ten jest mniejszy. Z tego powodu, jak również ze względu na intensywne wydzielanie się gazowych produktów starzenia papieru, nawet krótkotrwałe przekroczenie tej temperatury zostało uznane za niedopuszczalne. Wymaganie to nie dotyczy stanów zwarciowych transformatorów i aparatów.

Czynnikiem katalizującym proces starzenia jest wilgoć (wzrost zawartości wilgoci z 0,3% do 3% może spowodować 10-krotne przyspieszenie procesu starzenia), a w środowisku oleju mineralngo — stopień zestarzenia oleju (oddziaływanie zależne również od zawartości wody).

Przy suszeniu izolacji papierowej w atmosferze powietrza zaleca się nie przekraczać temperatury 120°C. ze względu na starzenie. W celu zapewnienia odpowiednio małej zawartości wody oraz uniknięcia wtrącin gazowych, izolację papierową (przynajmniej w ostatniej fazie przed nasyceniem) suszy się i zalewa olejem przy niskim ciśnieniu. Parametry procesu suszenia dobiera się w zależności od rodzaju układu izolacyjnego i jego naprężeń roboczych. W przy padku kondensatorów stosuje się ciśnienie końcowe ok. 0,1 Pa, a transformatorów 1 h- 10 Pa.

Materiały oelulozowe stosowane w' elektrotechnice dzieli się na bibułki, papiery i presz-pany. Materiały te stanowią samodzielne elementy układów izolacyjnych pracujących w oleju mineralnym lub syntetycznym. Są też używane do wytwarzania materiałów złożonych, np. materiałów warstwowych syconych żywicami, albo jako podłoże, na które jest następnie naklejona folia elektroizolacyjna, płatki miki itp.

Rozróżnia się: bibułkę kondensatorową, bibułkę do wyrobów' mikowych, papiery nawojowe, papier do kabli elektroenergetycznych (kablowy) i preszpan elektrotechniczny (twardy, normalny, żłobkowy nasiąkliwy). Do odmian wyrobów' celulozowych produkowanych za granicą, różniących się właściwościami od krajowych, należy tzw. preszpan formowalny, umożliwiający kształtow'anie na mokro różnych elementów izolacyjnych.

Asfalty i woski

Rozróżnia się asfalty (bitumy) naturalne oraz asfalty ponaftowe i węglowe (paki). Ze względu na dość dobrą elastyczność stosuje sieje w elektrotechnice jako składniki zalew mas nasycających, kitów oraz niektórych lakierów. Asfalty węglowe są używane w ogniwach elektrycznych jako zalewy. Do ważniejszych wyrobów należy zaliczyć tzw. zalewy kablowe, stanowiące kompozycje asfaltów bitumicznych i wosków, przeznaczone do zalewania muf i głowic kablowych.

Terminem wosk określa się grupę złożonych substanqi organicznych pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, których właściwości fizyczne (rzadziq chemiczne) są podobne do wosku pszczelego. Są to na ogół stałe substancje nieprzezroczyste, błyszczące, o temperaturze topnienia 50 -t- 100°C (rzadko wyższej). Po rozpuszczeniu w niepolarnych rozpuszczalnikach organicznych tworzą z nimi pasty lub żele. Wykazują zdolność w'zajemnego mieszania się w stanie roztopionym.

55.63. Materiały elektroizolacyjne syntetyczne (tworzywa sztuczne)

Tworzywa sztuczne, inaczej wielkocząsteczkowe związki organiczne — polimery, ze względu na właściwości mechaniczne dzieli się na

—    plastomery—o dużym module sprężystości. W określonym zakresie temperatur dominują

w nich odkształcenia plastyczne;

—    elastomery — o małym module sprężystości. W pewnym zakresie temperatur wykazują

zdolność niemal natychmiastowego powTotu do postaci pierwotnej, nawet po dużym

odkształceniu.

Plastomery' dzieli się z kolei na termoplasty i duroplasty. W rozdziale omówiono również typowe półwyroby będące kompozytami wymienionych grup materiałów.

W przeciwieństwie do metali, topnienie polimerów nie następuje w ściśle określonej temperaturze. Powodem tego jest złożona struktura polimeru, na którą składają się łańcuchy o różnej długości, wiązania między łańcuchami, a także w przypadku ogólnym, obecność fazy krystalicznej i amorficznej. Następstwem rozluźniania się najsłabszych wiązań między łańcuchami wskutek działania temperatury jest mięknienie materiału. Temperatura, w której to następuje nosi nazwę temperatury mięknięcia T_f. Temperaturą topnienia T, nazywa się natomiast temperaturę, w której cała substancja przechodzi w stan ciekły. W miarę obniżenia temperatury właściwości mechaniczne polimerów ulegają zmianie. W temperaturach niższych niż charakterystyczna temperatura 7^ nazwana temperaturą zeszklenia, właściwości mechaniczne polimeru stają się zbliżone do szkła. Wystąpieniu tej przemiany towarzyszy skokowa zmiana innych właściwości, takich jak: współczynnik rozszerzalności cieplnej, ciepło właściwe, masa właściwa, przewodnictwo cieplne i współczynnik załamania światła. W polimerach polarnych występuje ponadto zmniejszenie stratnośri dielektrycznej, obserwowane szczegół-