Электромонтер по эксплуатации промустановок - Металлы, электроизоляционные материалы

ГЛАВА III
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ И ИЗДЕЛИЯХ
§ 9. ЧЕРНЫЕ И ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ, СПЛАВЫ, ТРУБЫ

Из черных металлов наибольшее распространение в электроустановках имеет сталь. По составу различают стали углеродистые и легированные. Основные свойства углеродистой стали определяются количественным содержанием углерода; другие примеси углеродистая сталь содержит в небольших количествах. Легированные стали содержат примеси, улучшающие их свойства (кремний, никель, вольфрам, хром, кобальт и др.). 
В зависимости от характера примесей легированную сталь называют хромистой, никелевой и т. д.
Для устройства магнитопроводов в трансформаторах, электрических машинах и различных аппаратах применяют электротехническую сталь (легированную кремнием для улучшения магнитных свойств), обладающую высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями энергии в материале при работе в переменном магнитном поле. Особое значение для электротехнических целей имеет холоднокатаная высоколегированная тонколистовая сталь, у которой при направлении магнитного потока вдоль прокатки листов потери энергии значительно меньше., чем у обычной электротехнической стали. Применение этой стали в трансформаторах и. машинах позволяет сократить размеры аппаратов на 20—30%.
Большое значение для современной электротехники имеет никелевая сталь, называемая пермаллоем; которая при определенном проценте содержания в ней никеля приобретает высокую магнитную проницаемость. В состав пермаллоя входит до 78,5% никеля. Различные типы пермаллоя могут содержать небольшой процент меди, хрома, молибдена, марганца и других примесей. Высокую магнитную проницаемость пермаллой приобретает после специальной, термической обработки в пламени водорода.
В последние годы, особенно в связи с развитием электроники, значительно расширилось применение ферритов — керамических материалов, полученных путем соединения окислов железа, никеля, цинка и других металлов. Ферриты имеют очень малые потери на вихревые токи даже при больших частотах тока.
Углеродистые стали делят на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали содержат до 0,3% углерода; из них изготовляют стальные листы, сортовой прокат, трубы и т. д. В инструментальных сталях содержание углерода колеблется в пределах 0,7—1,4%; они идут на изготовление режущего и измерительного инструмента и штампов.

1. В качестве проводников в электротехнике наиболее широко применяют медь и алюминий.

Медь имеет высокую электропроводность, ее удельное сопротивление при 20° С составляет 0,017—0,018 Ом-мм²/м. Медь дефицитна и применяется только в тех случаях, когда невозможно применять алюминий.
Сплав меди с оловом и некоторыми другими металлами (марганцем, бериллием, алюминием) называется бронзой. Бронза по сравнению с медью имеет более низкую температуру плавления, что облегчает литье. Применяют бронзу для изготовления подшипников, зубчатых колес и при фасонном литье.
Сплав меди с цинком называется латунью. Латунь может содержать также в небольших количествах марганец, алюминий и другие примеси. Латунь широко применяют для изготовления электроустановочных изделий.
Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью.
Его удельное сопротивление при 20° С составляет 0,026— 0,028 Ом-мм /м. Особенностью алюминия является быстрое его окисление. поверхности на воздухе. При этом алюминий покрывается тонкой и плотной пленкой окиси, плохо проводящей электрический ток в электроизоляционные материалы.
Электроизоляционными являются материалы, используемые для электрической изоляции токопроводников от окружающей среды и друг от друга. К ним относят стекло, фарфор, слюду, мрамор, асбест, асбоцемент, электроизолирующую бумагу и др. Рассмотрим основные настоящее время преобладающее количество проводов, кабелей и шин изготовляют из алюминия.
Для изготовления защитных оболочек кабелей и соединительных муфт широко используют свинец благодаря его мягкости, полной водонепроницаемости и стойкости к воздействию кислот и щелочей. Кроме того, из свинца изготовляют аккумуляторные пластины. Для изготовления припоев используют олово и цинк. Цинк применяют также для противокоррозийных покрытий различных изделий.
В электротехнике широко используют различные сплавы высокого электрического сопротивления (никелин, манганин, нихром, константан и др.) в качестве нагревательных элементов и регулируемых сопротивлений (реостатов). Эти сплавы при нагреве незначительно изменяют удельное сопротивление и имеют высокую температуру плавления.
Сопротивление проводников изменяется в зависимости от температуры. Электрическое сопротивление металлов при увеличении нагрева повышается; сопротивление- угля, некоторых сплавов и жидких проводников при нагреве уменьшается.
Технические характеристики металлов и сплавов приведены в справочниках и учебниках по электротехническим материалам.
Для прокладки проводов и кабелей широко применяют трубы. Наиболее распространены в настоящее время стальные тонкостенные (электросварные) трубы с толщиной стенки от 1,5 мм и больше. В некоторых случаях (например, во взрывоопасных помещениях) применяют водогазопроводные трубы.
Для прокладки электропроводок все более широкое применение находят пластмассовые трубы. При прокладке кабелей в земле для переходов под дорогами, вводов в здания применяют керамические и асбоцементные трубы.

§ 10. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Электроизоляционными являются материалы, используемые для электрической изоляции токопроводников от окружающей среды и друг от друга. К ним относят стекло, фарфор, слюду, мрамор, асбест, асбоцемент, электроизолирующую бумагу и др. Рассмотрим основные электроизоляционные материалы.
Стекло — электроизоляционный материал, обладающий высокой электрической прочностью; изготовляют плавлением кремнезема (в виде песка) с окислами натрия, калия, кальция (в виде соды, селитры, буры и т. д.). Обычное стекло хрупко, но специально приготовленные сорта имеют высокую прочность. Из стекла делают колбы для осветительных и электронных ламп и изоляторы. Из него также путем переработки можно получить волокно (стеклопряжу), из которого выполняют изоляцию обмоточных проводов, подвергающихся действию высокой температуры. Из стеклоткани выпускают также изоляционные ленты (пропитанные — липкие и непропитанные) и стеклоэмали.
Электротехнический фарфор — наиболее распространенный изоляционный материал, обладающий высокой электрической прочностью, в состав которого входят каолин (белая глина), огнеупорная глина, кварц и полевой шпат. Фарфор обжигают и покрывают специальной стекловидной массой — глазурью, что делает его негигроскопичным (не поглощающим влагу) и повышает механическую прочность. Фарфор имеет высокую теплостойкость и применяется для изготовления изоляторов высокого и низкого напряжений и различных электроизоляционных изделий.
Слюда — природный минерал кристаллической структуры, легко расщепляемый на отдельные листочки. Слюда имеет очень высокую электрическую прочность (пробивное напряжение до 200кВ/мм), высокую нагрево- и влагостойкость. В электротехнике применяют два сорта слюды: мусковит и флогопит. Мусковит обладает более высокими электроизоляционными свойствами. Склеенные лаками листочки слюды называют миканитом. Миканит используют для изоляции в мощных электрических машинах, для прокладок в электронагревательных приборах (например, электроутюгах) и в других случаях, когда требуются высокие изоляционные свойства в сочетании с высокой нагревостойкостью.
Мрамор — горная порода, из которой распиловкой, фрезеровкой и полированием изготовляют изоляционные мраморные плиты толщиной 15—30 мм. В последние годы мрамор в электроустановках применяют редко, так как он хрупок и дорог.
Асбест — волокнистый минерал, из которого изготовляют пряжу, ленту, ткани, шнуры, картон и другие изделия. Он имеет высокую теплостойкость, не изменяет своих свойств при температурах до 300—400° С, гигроскопичен. Для уменьшения гигроскопичности асбест пропитывают смолами и битумами. Электрическая прочность асбеста невысока.
Асбоцемент — спрессованная холодным способом масса, состоящая из цемента и асбестового волокна. Обладает высокой теплостойкостью, механической прочностью и негорючестью, но гигроскопичен. Из асбоцементных плит изготовляют изоляционные основания щитков, панели щитов и электроаппаратов, предварительно пропитав платы парафином, битумом и другими веществами, уменьшающими гигроскопичность. Широко применяют асбоцементные трубы.
Электроизолирующая бумага — материал, изготовляемый специальной обработкой древесины хвойных пород. В электротехнике используют следующие основные виды электроизолирующей бумаги: конденсаторную, кабельную, пропиточную (для изготовления гетинакса), намоточную (для изготовления бакелитовых изделий), микалентную (для изготовления клееной слюдяной изоляции), оклеенную (для изолировки листов электротехнической стали).
Электротехнический картон (прессшпан) — выпускается высокого качества с лакированной поверхностью. Изготовляют два сорта картона: ЭВ для использования на воздухе и ЭМ для использования в масле. Электрокартон применяют в различных электроизделиях, трансформаторах и электрических машинах в качестве дополнительной изоляции металлических частей.
Гетинакс — материал, изготовляемый прессованием бумаги, пропитанной бакелитом. Гетинакс выпускают в виде плит (толщиной до 50 мм), хорошо поддающихся механической обработке, и применяют для изготовления щитков, панелей и изоляционных каркасов в трансформаторах. Под действием электрической дуги гетинакс обугливается и в месте обугливания теряет изоляционные свойства.
Текстолит — материал, изготовляемый путем прессования нескольких слоев ткани, пропитанной резольной смолой. Если текстолит изготовлен на основе стеклянной ткани, он обладает высокими электроизоляционными свойствами и называется стеклотекстолитом. Обычный текстолит обладает большей механической прочностью, но худшими электроизоляционными свойствами, чем гетинакс, и в 5—6 раз дороже гетинакса.
Бакелит — искусственная смол», получаемая при соединении фенола с формалином. Бакелит размягчается при температуре около 80° С и растворяется в спирте и ацетоне. При нагревании бакелита до 140° С образуется термостойкая пленка. Применяют бакелит для пропитки дерева и изготовления пластмасс и слоистых материалов (гетинакса, текстолита).
Фибра — материал, изготавливаемый обработкой пористой бумаги раствором хлористого цинка. Фибра хорошо поддается механической обработке. Недостатком фибры являются ее гигроскопичность и небольшая стойкость против действия кислот и щелочей. Из фибры изготовляют прокладки и каркасы для катушек аппаратов; ее используют в различных мелких электроизделиях. Тонкую фибру (толщиной 0,1—0,5 мм) называют летороидом.
Парафин — белое, твердое, легко плавящееся вещество, получаемое при переработке нефти и применяемое для пропитки бумаг, дерева и как заливочный изолирующий состав. Парафин не растворяется в воде и спирте, но растворим в нефтяных маслах, бензине и бензоле. Температура плавления 50—55° С.
Каучук — натуральный (из сока каучуконосных растений) и искусственный (синтетический) материал, получаемый химической переработкой спирта и нефтепродуктов. Для увеличения механической прочности, тепло- и морозостойкости к каучуку добавляют 3—10% серы. Процесс добавления серы называется вулканизацией. Вулканизированная резина обладает высокими электроизоляционными свойствами и применяется для изоляции проводов и кабелей, а также защитных средств безопасности (галош, перчаток, ковриков).
Вулканизированная резина обладает рядом недостатков: малой нагревостойкостью (при 65—75° С резина становится хрупкой, покрывается мелкими трещинами), разрушается под влиянием света, набухает под действием нефтяных масел. Прокладки, подвергающиеся воздействию нефтяных масел, изготовляют из специальной маслостойкой резины.
Эбонит — твердая резина, получаемая из каучука путем добавления к нему 25—50% серы. Выпускается в виде плит, круглых стержней и трубок. Хорошо поддается механической обработке. Вследствие недостаточно высоких электроизоляционных свойств эбонит используют преимущественно в низковольтных установках.
Пластмассы — материалы, изготовленные на основе фенольных и мочевиноформальдегидных смол в виде порошков, которые при прессовании в пресс-формах с подогревом превращаются в разнообразные детали и изделия, используемые в электрических аппаратах, приборах.
Кроме того, пластмассы получают на основе поливинилхлоридных смол в виде эластичных листов, трубок, лент, обладающих высокой электрической и механической прочностью (используются для изоляции проводов и кабелей). Изготовляют пластмассы также на основе эпоксидных полиуретановых, полиэфирных и других смол. После добавления к смолам отвердителя получают материалы, обладающие большой механической и электрической прочностью, которые используют для изоляции обмоток, заливки кабельных концевых и соединительных муфт.
Все смолы как природные, так и искусственные разделяют на термопластичные и термореактивные. Термопластичные смолы при нагреве вплоть до расплавления не изменяют свойств и сохраняют способность при повторных нагревах размягчаться и растворяться в растворителях, а термореактивные при нагреве до определенных температур теряют свойства плавкости и растворимости или, как говорят, «запекаются».
Как термопластичные, так и термореактивные смолы относят к группе веществ, называемых полимерами. Полимеры — это вещества с большим молекулярным весом, молекулы которых образуются путем полимеризации, т. е. объединением в одну большую молекулу значительного количества молекул более простого состава.
Из числа искусственных термореактивных смол наибольший интерес представляют эпоксидные. Применяют их обычно в виде компаундов (смесь с другими материалами, улучшающими их свойства). Для монтажа кабельных муфт в настоящее время используют эпоксидные компаунды К-115, К-176 (изготовляются в СССР) или Э-2200 (изготовляется в Чехословакии). При добавлении к этим компаундам небольшого количества отвердителя они в результате химической реакции быстро твердеют и переходят в неплавкое и нерастворимое состояние, приобретая высокую механическую и электрическую прочность. Компаунд Э-2200 имеет по сравнению с отечественными менее стойкие характеристики.
Большое значение приобрели за последние годы полимеры, относящиеся к группе виниловых производных, т. е. вещества, в молекулу которых входит виниловый остаток H2C. К этим полимерам относятся поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен и др.
Поливинилхлорид — полимер, обладающий значительной стойкостью к действию воды, разбавленных щелочей и кислот, масла, бензина и многих других органических растворителей. Его выпускают в виде смолы, эластичного пластиката (лент, трубок, изоляции проводов и кабелей), а также механически прочного листового материала, называемого винипластом.
Полистирол — стекловидное прозрачное твердое вещество, обладающее высокими электроизоляционными свойствами и хорошо поддающееся механической обработке. Выпускают также полистирол в виде эмульсии, идущей на изготовление различных лаков и пресспорошков.
Полиэтилен — белый мягкий материал, получаемый при полимеризации газа этилена. Обладает высокими электроизоляционными свойствами, негигроскопичен, весьма стоек к действию щелочей и кислот. Полиэтилен имеет пониженные нагрево-, свето- и маслостойкость и применяется в качестве изоляции проводов и кабелей при рабочей температуре до 80° С.
Советским ученым К. А. Андриановым разработаны и внедрены кремнийорганические полимеры (полисилоксаны) в виде смол (термопластичных и термореактивных), эластичных материалов, жидкостей. Эти полимеры служат для изготовления пластмасс, лаков и др. Кремнийорганические полимеры обладают высокой нагревостойкостью (рабочая температура до 180—200°С), малой гигроскопичностью и высокими электроизоляционными свойствами. Недостатками кремнийорганических смол являются их относительно невысокая механическая прочность и пониженная масло- стойкость.
При устройстве электропроводок и уходе за электрооборудованием применяют большое количество различных вспомогательных материалов — изоляционные ленты, лаки и эмали.
Изоляционные ленты разделяют на хлопчатобумажные и поливинилхлоридные.
Хлопчатобумажные непропитанные ленты (киперная, тафтяная, миткалевая и батистовая) гигроскопичны и применяются в сухих помещениях при напряжении до 1000 В. Изоляцию из этих лент обычно покрывают электроизоляционными и влагостойкими лаками.
К хлопчатобумажным пропитанным лентам относят липкую пропитанную ленту, обычно применяемую в осветительных и неответственных силовых проводках. К этой же группе относятся хлопчатобумажные просмоленные ленты ЛН и ЛП, используемые для уплотнений вводов кабелей в горловины муфт, для концевых заделок и для временной изоляции отрезанных концов кабелей напряжением до 1000 В. 

Широко используется поливинилхлоридная лента ПХЛ, изготовляемая из негорючего свето- и морозостойкого пластиката, устойчивая к минеральным маслам. Ленту ПХЛ выпускают липкой и нелипкой. В последнее время получили распространение стеклянные бесщелочные липкие и нелипкие ленты, изготовляемые из стекловолокна и выдерживающие нагрев до 250° С.
Электроизоляционные лаки разделяют на масляные, асфальтобитумные, смоляные и целлюлозные.
Масляные лаки в своей основе содержат льняное масло, пленка которого обладает высокой электрической прочностью, эластичностью и теплостойкостью.
Асфальтобитумные лаки имеют высокую электрическую прочность (но меньшую, чем масляные), теплостойкость и маслоустойчивость.
Смоляные лаки получают из естественных и искусственных смол с добавлением растворителей. Из естественных смол наибольшее применение имеют шеллак и канифоль, из искусственных — поливинилхлоридные.
Целлюлозные лаки являются растворами эфиров, целлюлозы и нитроцеллюлозы. Лаки на основе нитроцеллюлозы называются нитролаками.
Наиболее широко используются в электрохозяйствах предприятий смешанные масляно-битумные пропиточные лаки № 317; 458Л-1100; 460Л-2110; 447Л-1100; защитно-покровные лаки № 411 и 177 и лак «Кузбасский» А.
Эмали — это покровные лаки, в состав которых введены размельченные неорганические вещества — пигменты, придающие лаковой пленке механическую прочность, плотность и необходимый цвет.
Кроме лаков и эмалей, используются различные масляные краски. Связующей основой масляных красок являются олифы — натуральные (из льняного или конопляного масла) и искусственные, представляющие собой сгущенное растительное масло с добавлением 40—50% растворителей.
Трансформаторное масло — продукт ступенчатой перегонки нефти. Применяют трансформаторное масло в качестве электрической изоляции в трансформаторах и аппаратах, где оно служит не только как изоляционный материал, но и для отвода тепла. В масляных выключателях трансформаторное масло является дугогасящей средой. Обладая высокими электроизоляционными свойствами, трансформаторное масло имеет высокую гигроскопичность, поэтому необходимо хранить, транспортировать и подготавливать его к заливке в аппараты, соблюдая специальные условия.

ПОЛУПРОВОДНИКИ

Полупроводниками называют материалы, которые занимают промежуточное положение между электроизоляционными материалами, практически не проводящими электрический ток, и материалами, обладающими высокой электропроводимостью. К полупроводникам относят большую группу химических элементов: германий, кремний, теллур, селен, бор, фосфор, мышьяк и др. Полупроводниками являются также окислы некоторых металлов — оксиды (например, алюминия, меди, цинка), сернистые соединения металлов — сульфиды (например, соединения с серой меди, серебра, цинка), соединения с селеном — селениды, соединения с теллуром — теллуриды и различные специальные сплавы.
Характерным свойством полупроводников является зависимость их электропроводимости от изменения температуры, освещенности, электрического и магнитного полей и количества добавляемых специальных примесей.
Ценным свойством некоторых полупроводников является их способность создавать запорные слои и пропускать электрический ток только в одном направлении. На этом свойстве основано использование полупроводников в качестве выпрямителей переменного тока.
Свойства различных полупроводников реагировать на изменения температуры, освещенности, электрического и магнитного полей позволило широко внедрить их в приборостроение и аппаратуру для автоматизации технологических процессов.
Так, в фотоэлементах и фотосопротивлениях используют селен, закись меди, сернистое серебро, сернистый таллий и другие полупроводники в качестве источников питания, действующих под влиянием световых лучей; в измерительных приборах они позволяют обнаруживать весьма слабое излучение света.
В термоэлементах (термопарах) используют свойство металлов и некоторых полупроводников при нагреве контактной пары создавать э. д. с., называемую термоэлектродвижущей. Возникающий в. цепи термоэлемента ток называют термоэлектрическим. Термо-э. д. с. обычно имеет незначительную величину. Так, например, термопара сурьма — висмут при разности температур спая и окружающей среды 100° С дает э. д. с., равную 0,01 В. Термопары применяют для измерения больших температур и в труднодоступных местах. Гальванометр, размеченный на градусы и соединенный с термопарой, служит электрическим термометром.
Некоторые полупроводники (например, карбид кремния) резко уменьшают свое электрическое сопротивление при повышении приложенного к ним напряжения. Это свойство используют в вентильных разрядниках для защиты линий электропередачи и подстанций от перенапряжений, создаваемых грозовыми разрядами. Карбид кремния входит в состав тирита и вилита — материалов, применяемых в разрядниках.
В табл. 3 приведены характеристики основных полупроводниковых материалов.
Применяемые в электротехнике угольные материалы имеют в своей основе графит и уголь, представляющие собой разновидности углерода, также являются полупроводниками. При повышении температуры электрическое сопротивление графита и угля уменьшается.

Характеристики основных полупроводниковых материалов

Наиболее распространенными электротехническими угольными изделиями являются щетки электрических машин, угольные электроды для электропечей и электросварки, регулировочные и балластные сопротивления, мембраны и микрофонные порошки в телефонах, детали электровакуумных приборов (аноды, сетки).