Глава первая
СТЕКЛО КАК ДИЭЛЕКТРИК
1-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СТЕКЛАХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА СТЕКЛЯННЫХ ИЗОЛЯТОРОВ
Любые стекла, в том числе электротехнические, являются аморфными веществами, обладающими изотропными свойствами. Эти свойства стекла обусловлены однородностью структуры материала во всех направлениях. Состоящие из нескольких компонентов, число которых иногда достигает полутора десятков, стекла представляют сложную систему, подразделяющуюся на две основные части: неизменную (главную) и изменяемую. Неизменной является сплав кремнезема, который в большинстве стекол составляет более 60%. Изменяемая часть — это окисли, соединяемые (сплавляемые) с кремнеземом, причем их характер и соотношение определяют основные свойства стекол.
Учитывая, что стекло образуется в результате сплавления при высокой температуре всех входящих в его состав компонентов, его считают сложным расплавом высокой вязкости, которая колеблется в широких пределах в зависимости от температуры расплава.
Несмотря на то, что стекло считается аморфным материалом, отрицать полностью наличие в стекле некоторых упорядоченных структурных образований нельзя.
Существует несколько теорий, объясняющих с разных позиций наличие структуры в стекле. Одна из этих теорий разработана Порай-Кошицем [Л. 29] и носит название гипотезы кристаллитного строения стекла. Согласно этой теории структура стекла — не что иное, как концентрация чрезвычайно большого количества мелких деформированных кристаллов — кристаллитов, в основе которых лежит решетка кремнезема, связанная с окислами натрия, калия, кальция и других элементов. При этом только в каких-то определенных точках решетка имеет более или менее правильную форму. С переходом к периферии от этих точек кристаллическое строение переходит постепенно к кристаллитному, а затем — к аморфному. Таким образом, стекло может быть представлено совокупностью областей, в центре которых находится упорядоченное структурное образование, а пограничная зона находится полностью в аморфном состоянии. Упорядоченная кристаллическая часть структуры стекла составляет приблизительно 10—15% общего объема. Такая теория структурного строения хорошо объясняет основные физико-технические свойства стекла и их изменение в зависимости от химического состава, технологии выработки и условий эксплуатации стеклянных изделий.
Какими свойствами должно обладать стекло, применяемое для производства стеклянных изоляторов? Оно должно быть механически прочно и противостоять большим нагрузкам, включая нагрузки на изгиб и удар. Термостойкость стекла должна гарантировать нормальную работу изоляторов в интервале температур от минус 60 до плюс 80°C (в тропических условиях), а также при резких перепадах температуры. Поверхность стекла не должна претерпевать заметных изменений под воздействием влаги и агрессивных агентов, выпадающих в виде загрязнений на изоляторы. Адгезия этих материалов к поверхности стеклянных изоляторов должна быть по возможности минимальной. Наконец, стекло как диэлектрик должно иметь высокую электрическую прочность, большие удельные объемное и поверхностное сопротивления и незначительный тангенс угла диэлектрических потерь. Перспективы широкого применения стеклянных изоляторов для сооружений линий электропередачи постоянного тока выдвигают дополнительные требования надежной работы стекла в электрическом поле постоянного тока.
Для производства стеклянных изоляторов в СССР и за рубежом применяются различные марки стекол, которые по своему составу могут быть разбиты на две группы: щелочные (с содержанием R2O≤5%) и малощелочные (с содержанием R2O≥5%). Малощелочные стекла в свою очередь могут быть классифицированы как бореи силикатные и алюмомагнезиальные. Другие составы стекол, разрабатываемые специально для изготовления изделий, работающих при высоких частотах или требующих хороших оптических свойств, свариваемости с металлами, здесь не рассматриваются.
В табл. 1-1 приведены составы стекол, используемых для выпуска высоковольтных и низковольтных изоляторов на заводах СССР и ряда зарубежных фирм. Для сравнения в таблице приведен состав кварцевого стекла, положивший начало всей серии электротехнических стекол.
Оба вида щелочного стекла (составы № 6 и № 7), используемые для выпуска изоляторов в СССР, имеют свои как положительные, так и отрицательные свойства. Малощелочное стекло (состав 13в) по своим термическим, химическим и электроизоляционным свойствам превосходит все щелочные стекла. Состав стекла 13в можно считать универсальным, так как из него можно вырабатывать, кроме закаленных подвесных, также отожженные штыревые линейные, телеграфные и аппаратные изоляторы, которые должны обладать высокой механической и термической прочностью без закалки. Малощелочное стекло состава 13в относится к первому гидролитическому классу. Оно не подвержено выщелачиванию и, следовательно, устойчиво к воздействию внешней среды, в том числе агрессивной. Изоляторы из малощелочного алюмомагнезнального стекла благодаря наличию в этом составе небольшого количества щелочных окислов характеризуются высокими электроизоляционными свойствами и могут успешно работать на линиях электропередачи переменного и постоянного тока, низкого и высокого напряжения. Изоляторы же из щелочных стекол под воздействием больших напряжений постоянного тока подвержены электролизу, а следовательно, более быстрому старению во время эксплуатации. Щелочные стекла имеют температурный коэффициент расширения в 1,5—1,7 раза выше, чем малощелочные стекла, поэтому изоляторы из щелочных незакаленных стекол имеют термостойкость не более 35 °C. В то же время теоретические расчеты показывают, что щелочные стекла должны лучше поддаваться закалке.
Таблица 1-1.
Максимальное сближение температурных коэффициентов расширения этих стекол и металлов, из которых изготовляется арматура, обеспечивает надежность работы изоляторов при резких колебаниях температуры.
В табл. 1-2 приведены основные характеристики стекол, применяемых для изготовления изоляторов.
Таблица 1-2
Исходя из особенностей различных видов стекла и их электрофизических свойств, могут быть рекомендованы области их применения для изготовления изоляторов.
Из малощелочных стекол могут изготовляться изоляторы:
а) низковольтные отожженные;
б) высоковольтные аппаратные и штыревые отожженные;
в) высоковольтные, линейные подвесные, закаленные всех типов на все виды нагрузок;
г) высоковольтные, линейные подвесные, закаленные всех типов для работы на линиях электропередачи постоянного тока.
Из щелочных составов стекол изготовляются все типы закаленных изоляторов для линий электропередачи переменного тока.
