Электроизоляционные материалы служат для изоляции токоведущих частей устройств, находящихся под разными потенциалами, друг от друга и заземленных частей.
Качество электроизоляционных материалов при прочих равных условиях определяет срок службы трансформатора и характеризуется: пробивным напряжением, электрической прочностью, диэлектрическими потерями, диэлектрической проницаемостью, высоким электрическим сопротивлением и другими свойствами.
Пробивным Uпр называют напряжение, при котором происходит пробой изоляции, если к изоляционному материалу приложить напряжение и постепенно его повышать. Свойство изоляционного материала выдерживать напряжение количественна выражают напряженностью электрического поля UПр, при которой диаэлектрик пробивается, т. е. значением пробивного напряжения, приходящегося на единицу толщины диэлектрика (кВ/мм).
Пробивную напряженность электрического поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называют его электрической прочностью, являющейся одной из основных характеристик изоляционного материала. Материалы, применяемые в трансформаторах, имеют электрическую прочность при 20°С от 5 до 90 кВ/мм.
Изоляция, находящаяся в переменном электрическом поле, под воздействием переменного напряжения поглощает часть электрической энергии, в результате чего нагревается. Поглощаемую энергию называют диэлектрическими потерями.
Диэлектрические потери можно измерить или подсчитать в ваттах, однако их принято оценивать тангенсом угла диэлектрических потерь tg δ — отношением векторов двух токов: активной составляющей общего тока в диэлектрике к реактивной. В практике tg δ выражают не в абсолютных единицах, а в процентах (tg δ%).
tg δ данного материала не является постоянным параметром, а зависит от частоты приложенного переменного напряжения и температуры диэлектрика. При прочих равных условиях, чем больше диэлектрические потери, тем больше tg δ, т. е. качество диэлектрика хуже.
Значение tg δ изоляционных материалов, применяемых в трансформаторах, при 20°С и частоте 50 Гц составляет 0,005— 0,02.
При увлажнении изоляции диэлектрические потери резко возрастают, поэтому tg δ является важной характеристикой, которой широко пользуются для определения увлажненности изоляции трансформаторов. Значение tg δ изоляции всего трансформатора повышается не только в результате увлажнения или загрязнения изоляции активной части, но и при плохом качестве масла, залитого в трансформатор.
Диэлектрическая проницаемость диэлектрика позволяет количественно оценить степень его поляризации и соответственно определить электрическую емкость, которой он обладает.
Диэлектрическая проницаемость так же, как и тангенс угла диэлектрических потерь, зависит от температуры диэлектрика и частоты приложенного переменного напряжения. Применяемые в трансформаторах электроизоляционные материалы при частоте тока 50 Гц и температуре 20°С имеют диэлектрическую проницаемость от 2 до 8. Так как напряженность электрического поля в диэлектриках обратно пропорциональна их диэлектрической проницаемости, то при выборе различных изоляционных материалов, используемых вместе, стремятся к тому, чтобы их диэлектрические проницаемости были близки друг к другу. При неудачном соотношении диэлектрических проницаемостей и толщин изоляции напряженность электрического поля может превысить прочность изоляции и она будет пробита.
Электроизоляционные материалы в отличие от проводниковых материалов обладают весьма высоким электрическим сопротивлением. Чем больше удельные объемное и поверхностное сопротивления, тем выше качество диэлектрика.
Качество изоляции проверяют для всего трансформатора или его отдельных частей приложением повышенного напряжения, при этом в изоляции возникает электрический ток, называемый током утечки или током проводимости; он зависит от электрического сопротивления изоляции трансформатора. Сопротивление изоляции, обозначаемое Rm3, измеряемое мегомметром и выражаемое в мегаомах или килоомах (1 МОм = = 1 000000 Ом, 1 кОм=1000 Ом), зависит от диэлектрических свойств изоляционного материала, а также от внешних факторов— температуры, влаги, различных загрязнений.
Повышение температуры и особенно увлажненность резко понижают электрическое сопротивление изоляционного материала, а следовательно, увеличивают токи утечки и снижают качество изоляции. Большинство изоляционных материалов обладает значительной гигроскопичностью, т. е. способностью поглощать влагу из воздуха, поэтому после изготовления или ремонта трансформаторы сушат, в результате чего сопротивление их изоляции резко повышается.
Таким образом, изоляционные материалы должны иметь высокое электрическое сопротивление и обладать влагостойкостью. Сопротивление изоляции — важный показатель, определяющий качество изоляции всего трансформатора.
Изоляционные материалы должны обладать рядом других свойств, обеспечивающих их длительную и надежную работу в аппарате: нагревостойкостью, механической прочностью, эластичностью, гибкостью, масло- и влагостойкостью и химической стойкостью.
По нагревостойкости электроизоляционные материалы делят на семь классов: Y, A, F, В, Е, Н, С (ГОСТ 8865—70). Для каждого класса установлена предельно допустимая температура нагрева, при которой материал может длительно работать. Большинство изоляционных материалов, применяемых в масляных трансформаторах, относится к классу А (пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик волокнистые материалы из целлюлозы или шелка, а также другие материалы и их сочетания); их предельная длительно допустимая температура нагрева 105°С.
Для изоляции обмоточных проводов и отводов, а также межслоевой изоляции обмоток и других устройств применяют электроизоляционную кабельную бумагу, изготовляемую из химически обработанной древесной целлюлозы на специальных бумагоделательных машинах. Она отличается высокой электрической и механической прочностью, высокой стойкостью при работе в горячем трансформаторном масле, относится по нагревостойкости к классу А. Электроизоляционные бумаги разделяют по видам и толщине.
С января 1983 г. в трансформаторах начали применять вместо кабельной электроизоляционную трансформаторную бумагу (ГОСТ 16512—80) марок Т-080, Т-120, ТМ-120, ТМП-120, ТВ-120 и ТВУ-080 толщиной 80 и 120 мкм. Буквы в марках бумаги означают: Т — трансформаторная обычная, В — высоковольтная, М — многослойная, П — упрочненная,, У — уплотненная. Выбор марки этой бумаги зависит от класса напряжения трансформатора. Бумагу поставляют в рулонах шириной 500—1000 мм. Электрическая прочность сухой трансформаторной бумаги 6—9 кВ/мм, а пропитанной в сухом трансформаторном масле в. зависимости от толщины — 70—90 кВ/мм; диэлектрическая проницаемость сухой бумаги 2,2—2,7.
Для витковой изоляции обмоточных проводов и межслоевой изоляции обмоток трансформаторов мощностью до 100 кВ-А используют телефонную бумагу КТ-50, выпускаемую толщиной 50 мкм, в рулонах шириной 500, 700 и 750 мм.
Для изолирования отводов применяют крепированную электроизоляционную бумагу ЭКТМ с поперечным крепом (гофрировкой), толщиной 0,44 мм и поставляют в рулонах шириной 1000 мм. Она обладает высокой электрической прочностью (25 кВ/мм в трансформаторном масле при 90±. ±5°С), маслостойкостью и эластичностью.
Другим основным изоляционным материалом в высоковольтных трансформаторах служит электроизоляционный картон (электрокартон), который изготовляют, как и кабельную бумагу, из древесной целлюлозы. В зависимости от толщины электрическая прочность электрокартона в воздухе от 7 до 15 кВ/мм, в горячем (при 90°С) трансформаторном масле (после предварительной вакуумной сушки и пропитки в сухом трансформаторном масле) при (100±5)°С от 30 до 55 кВ/мм; его диэлектрическая проницаемость 4,3—4,5.
Электрокартон, предназначенный для работы в масле при рабочей температуре 105°С, отличается высокой механической прочностью, малой усадкой после сушки, стойкостью к воздействию напряжения в направлении, перпендикулярном поверхности, а также к воздействию поверхностных разрядов и выпускается пяти марок AM, А, Б, В, Г.
Электрокартон марки AM, характеризуемый хорошей эластичностью, гибкостью и высокой стойкостью к действию поверхностных разрядов, применяется для изготовления деталей главной изоляции высоковольтных масляных трансформаторов от 750 кВ и выше; марки А, отличающийся в основном от марки AM меньшей стойкостью к воздействию поверхностных разрядов, — для изготовления деталей главной изоляции высоковольтных масляных трансформаторов до 750 кВ включительно; марки Б, обладающий средней плотностью и повышенными электрическими характеристиками, — для изготовления деталей главной изоляции масляных трансформаторов до 220 кВ включительно; марки В, обладающий повышенной плотностью и малой сжимаемостью, — для изготовления деталей продольной изоляции в масляных трансформаторах; марки Г, отличающийся средней плотностью с повышенным сопротивлением расслаиванию,— для изготовления склеенных изоляционных деталей масляных трансформаторов.
Листовой электрокартон применяют толщиной 1; 1,5; 2; 2,5 н 3 мм размером от 850x1000 до 3000x4000 мм (второй размер соответствует продольному направлению волокон), а также толщиной 0,5 мм, поставляемый в рулонах шириной (1000± dh5) мм.
Электроизоляционная лакоткань представляет собой хлопчатобумажную шелковую или стеклянную ткань, пропитанную электроизоляционным лаком; она отличается высокой электрической и механической прочностью и эластичностью; по нагревостойкости хлопчатобумажная и шелковая ткани относятся к классу А.
В зависимости от пропитывающего лака лакоткани разделяют на черные и светлые (желтые).
Для масляных трансформаторов применяют светлую хлопчатобумажную лакоткань ЛХММ-105 толщиной 0,17; 0,2; 0,24 мм с пробивным напряжением 7,5; 8,3 и 9,2 кВ соответственно (при 15—35°С и относительной влажности воздуха 45—75%). Для работы на воздухе при нормальных климатических условиях используют черные лакоткани ЛХМС-105 и ЛХМ-105.
Стеклолакоткань марки ЛСММ-105/120 применяют для сухих трансформаторов напряжением более 1000 В, марки ЛСБ-120/ 130 — для таких же трансформаторов, но до 1000 В (для изолирования отводов и мест спая). Стеклолакоткань выпускают толщиной 0,12—0,24 мм в рулонах шириной 690—1140 мм. Буквы я цифры в марках лакотканей означают: Л — лакоткань, X — на хлопчатобумажной основе, М — пропитка на основе масляного лака, Б — на основе битумно-масляного лака, вторая буква М — маслостойкая; С — на основе стеклоткани; 105 — температура по нагревостойкости.
Изоляционные ленты применяют для механической защиты основной изоляции токоведущих частей.
Изоляционную тафтяную хлопчатобумажную ленту марок от Т-10-18 до Т-50-39 толщиной 0,25 мм и шириной 10—50 мм и киперную марок от К-Ю-2 до К-50-17 (с киперным переплетением нитей в «елочку») толщиной 0,45 мм и шириной 10—50 мм используют в масляных трансформаторах. В сухих трансформаторах применяют стеклоленту в основном тех же размеров, что и в масляных. В обозначении марок первая цифра указывает ширину ленты, вторая — номер заправки пряжи. Ленты поставляют в рулонах длиной 50 м.
Электротехнический гетинакс получают прессованием слоев специальной пропиточной бумаги и применяют для изготовления деталей переключающих устройств, крепления обмоток и отводов. Для этих целей выпускают листовой электротехнический гетинакс марок V-1 и V-2 толщиной 8—50 мм, отличающийся высокой механической и электрической прочностью. Электрическая прочность гетинакса в поперечном направлении составляет 16—80 кВ/мм, вдоль слоев — в несколько раз ниже.
Электротехнический текстолит, получаемый прессованием слоев пропитанной лаком хлопчатобумажной ткани, имеет большую удельную ударную вязкость, чем гетинакс, поэтому его используют для изготовления изоляционных деталей, несущих механическую нагрузку. В масляных и сухих трансформаторах применяют текстолит класса А толщиной 0,5—50 мм и электрической прочностью 5—8 кВ/мм в трансформаторном масле при (90±2)°С.
Стеклотекстолит листовой и в виде цилиндров — прессованный материал, состоящий из слоев стеклянной ткани, пропитанной эпоксидно-фенолформальдегидным лаком. Он обладает высокими нагрево- и влагостойкостью и механической прочностью. При изготовлении сухих трансформаторов в основном применяют стеклотекстолит СТ толщиной 1,5—30 мм и СТЭФ толщиной 1,5—50 мм.
Бумажно-бакелитовые изделия, изготовляемые в виде трубок и цилиндров из лакированной намоточной бумаги, применяют для работы на воздухе и в трансформаторном масле при 105°С. Трубки служат для изоляции отводов и стяжных шпилек магнитной системы, а также для изготовления приводных штанг переключателей, а цилиндры — для изоляции обмоток друг от друга и от стержней магнитной системы, а также для изоляции переключателей.
Трансформаторное масло (продукт перегонки нефти) используют в трансформаторах в качестве изоляционного материала, а также хорошей теплоотводящей среды. Оно не должно содержать влаги, механических примесей, смолообразующих и других веществ, не обладающих изоляционными свойствами. Масло, из которого удалена влага, резко снижающая его электрическую прочность, называют сухим.
В трансформаторах применяют трансформаторные масла марок: ТК — без присадки; Т-750 и Т-1500 — с добавлением антиокислительной присадки; ПТ — перспективное масло. Для примера приведены основные требования, предъявляемые к трансформаторному маслу ТК (ГОСТ 982—80):
Кинематическая вязкость, сСт, не более:
при 20°С................. 30
при 50°С ,................. 8
Кислотное число, мг, КОЯ на 1 г масла (не более) ..................... 0,35
Температура вспышки, определяемая в закрытом тигле, °С (не ниже) « , ,.......... 135
Зольность, % (не более)............ 0,005
Водорастворимые кислоты, щелочи и механические примеси.................отсутствуют
Температура застывания, °С (не выше)...... —45
Натровая проба — оптическая плотность (не более) , , , ,................. 2
Тангенс угла диэлектрических потерь при 70°С, %, (не более).................. 2,5
Плотность при 20°С, г/с3 (не более)........ 0,900
Пробивное напряжение осушенного масла ... . 60 кВ и более
Совтол-10 — это синтетическая бесцветная жидкость, слегка желтоватого цвета, продукты ее разложения под воздействием температуры и электрической дуги в отличие от трансформаторного масла не горят и не выделяют взрывоопасные газы (водород, метан, ацетилен и др.).
Совтол-10 применяют в качестве негорючего жидкого диэлектрика, являющегося одновременно охлаждающей средой, в герметизированных трансформаторах напряжением не более 15 кВ.
Основные физико-технические свойства совтола-10:
Тангенс угла диэлектрических потерь при 90°С (не выше) . . 0,08
Пробивное напряжение при 65°С (не менее)......... 40 кВ
Кислотное число, мг КОЯ на 1 г масла (не более)..... 0,02
Кинематическая вязкость при 65°С (не более)...... 14
Вода, механические примеси............. отсутствуют
К недостаткам совтола относятся: токсичность (его пары при длительном воздействии на дыхательные органы человека могут привести к отравлению); высокая гигроскопичность по сравнению с трансформаторным маслом; резкое увеличение вязкости при снижении температуры.
Для пропитки обмоток, изолирования пластин магнитопроводов, окраски деталей и сборочных единиц применяют лаки и эмали.
Электроизоляционный лак ГФ-95, представляющий собой раствор глифталевой смолы, растительного масла и канифоли, применяют для пропитки с последующей запечкой обмоток. Время его высыхания (запечки) — 15 ч при 105—110°С.
Электроизоляционный лак МЛ-92, получаемый добавлением к лаку ГФ-95 15% меламиноформальдегидной смолы, применяют для тех же целей, что и ГФ-95. Время его высыхания 10—12 ч при 9—100°С.
Бакелитовый лак, представляющий собой раствор бакелитовой смолы в этиловом спирте, имеет цвет от красноватого до красно-бурого, запекается при 120—130°С, выпускается марок ЛБС-1 и ЛБС-2 и используется в трансформаторах для склеивания электрокартонных полос, колец и других деталей. Склеенные этим лаком детали имеют высокую механическую и электрическую прочность. Для склеивания электрокартона применяют также клей марки МЦ, изготовленный на основе метилцеллюлозы.
Изоляционный лак № 302, изготовляемый из канифоли, тунгового масла, керосина и других составляющих, применяют для изолирования пластин магнитной системы. В качестве растворителя лака служит чистый фильтрованный керосин.
Л а к № 202 используют для тех же целей, что и лак № 302, но в отличие от последнего его приготовляют на льняном масле. Вместо дорогостоящих дефицитных лаков № 302 и 202 чаще применяют изоляционный лак КФ-965.
Масляно-битумный лак № 458 черного цвета, печной сушки применяют для пропитки обмоток сухих трансформаторов низкого напряжения. Растворителем лака служит бензин, толуол, бензол. Время его запечки не более 4 ч при 105°С.
Глифталево-масляная эмаль ГФ-92-ГС серого цвета, горячей сушки, маслостойкая, запекается в течение 3 ч при 105—110°С и применяется для покрытия пропитанных лаком ГФ-95 и МЛ-92 обмоток и окраски стальных деталей сухих трансформаторов. Для этих же целей используют эмаль серого цвета ХВ-124.
Маслостойкая эмаль ГФ-92-ХС серого цвета, холодной сушки, высыхает в течение 24 ч при 18—22°С и применяется в качестве покровной для сухих трансформаторов.
Маслостойкая эмаль ГФ-92-ХК красного цвета, не требующая запечки, используется для окраски неизолированных отводов и стальных конструкционных частей и деталей.
Нитроэмаль 624С серого цвета, воздушной сушки, высыхает за 10—12 мин при 20°С и применяется для окраски внутренней поверхности баков трансформаторов.
Нитроэмали 1201 и 1202 воздушной сушки, высыхают за 10—15 мин при 20°С и используются для покрытия неизолированных токоведущих шин и стальных конструкционных деталей.
Эмаль ПФ-133 черного и серого цвета применяют для окраски наружных поверхностей баков, радиаторов, термосифонных фильтров и других поверхностей трансформаторов, не соприкасающихся с маслом. Для окраски эмалями ПФ-133 части трансформаторов (баки, расширители, крышки, охладители) предварительно покрывают грунтом ФЛ-ОЗ-К.
