История электротехники

Коллектив авторов

10.2. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Электроизоляционные материалы в электротехнике выполняют незаменимые функции, и их наличие является необходимым условием функционирования каждого электротехнического устройства. Особенно велико значение электроизоляционных материалов в силовой электротехнике, где от их качества в решающей степени зависит срок службы и надежность большинства видов оборудования. Так, появление генератора трехфазного тока, трансформатора и асинхронного двигателя, а также развитие радиотехники и электроники потребовали электроизоляционных материалов, обладающих малыми диэлектрическими потерями при различных частотах и высоких напряжениях. Возникла потребность в обеспечении надежности работы машин и аппаратов

в условиях высокой влажности и воздействия химических реагентов. Повысились рабочие температуры электроизоляционных материалов и ужесточились требования к их морозостойкости. Все это заставляло работать над повышением качества электрической изоляции, улучшением отдельных ее свойств, привело к созданию и применению синтетических диэлектриков, которые могли удовлетворять новым запросам электротехники [10.3].

Важнейшей характеристикой электроизоляционных материалов является нагревостойкость, которая показывает уровень и устойчивость электрических и механических характеристик изоляционных материалов при длительном нагреве и временных перегрузках.

Основные классы нагревостойкости характеризуются следующими предельными температурами:

Класс нагревостойкости — Предельная длительно допустимая рабочая температура, °С

А — 105

В — 130

С — 180

Эта характеристика также предрешает срок службы изоляции в агрегате, т.е. срок службы самого агрегата в условиях эксплуатации (рис. 10.1).

Особую роль среди разнообразия электроизоляционных материалов играют различные пластические материалы. Основой любой пластмассы, за исключением пластмассы на основе битумов и дегтей, является полимер — высокомолекулярное вещество, молекула которого состоит из многократно повторяющихся элементарных звеньев одинаковой структуры.

Появление первых электроизоляционных пластических масс было связано с использованием синтетических смол. Важнейшим изобретением в области электрической изоляции является синтез фенольно-формальдегидных смол [10.4].

^{Рис. 10.1. Зависимость времени жизни изоляции классов А, В и С от температуры} 

Немецкий ученый А. Байер в 1872 г. наблюдал, что при действии на бензол уксуснокислым метиленом и крепкой серной кислотой получаются сложные смолообразные вещества. Однако эти продукты не имели технически ценных свойств. В Германии в 1891 г. И. Клееберг, а в 1895 г. А. Сторн, развивая исследования А. Байера, применили вместо бензола фенол, а вместо уксуснокислого метилена — формальдегид. При этом оказалось, что реакция альдегида с фенолом протекает весьма активно, а получаемые смолы представляют собой твердые неплавкие продукты. Этим ученым не удалось получить смолы в растворимой и плавкой форме, а следовательно, сделать их технически ценными веществами.

А. Бакеланд и О. Лебах, развивая исследования своих предшественников, независимо друг от друга установили, что реакция фенола с формальдегидом может быть проведена и так, что получаются продукты реакции в растворимой и плавкой форме. В связи с тем, что реакция фенола с формальдегидом протекает с большим выделением теплоты, они предложили при развитии экзотермического процесса отводить ее, это и позволило остановить процесс конденсации на такой стадии, когда смола находится в растворимой форме. Ученые показали, что процесс конденсации фенола с формальдегидом может быть управляемым. Эти работы послужили основой для создания промышленного способа получения синтетических высокомолекулярных соединений из простых низкомолекулярных веществ. А. Бакеланд опубликовал свои исследования в 1908–1910 гг.

В 1904 г. A.M. Настюковым была открыта реакция конденсации нефти с формальдегидом, в результате которой получены неоформолитовые смолы. Исследования Е.И. Орлова (1910 г.) обогатили изоляционную технику новым пластическим материалом, названным карболитом, который был получен в результате конденсации фенолов с формальдегидом. В 1912 г. Г.С. Петровым были открыты каталитические свойства сульфонафтеновой кислоты при конденсации фенола с формальдегидом.

Организация производства фенольно-формальдегидных смол

в 1915 г. явилась началом развития промышленности пластических масс в России. Особенно большое значение эти смолы имели для электротехники. Они явились новым интересным материалом, который превосходил по своим свойствам все известные до того времени натуральные и искусственные полимеры. В них гармонично представлено сочетание различных технически ценных свойств, характерных для твердого каучука, эбонита, кости и дерева. Важным преимуществом фенольно-формальдегидных смол по сравнению с известными в то время натуральными и искусственными полимерами являлись их высокие технологичность и нагревостойкость. Сочетание комплекса технически ценных свойств и сравнительно высоких электроизоляционных характеристик обеспечило на основе этих смол широкое развитие производства диэлектриков.

В результате конденсации формальдегида с фенолом, крезолами и ксиленолами промышленность получает различные смолы для производства пластических масс и слоистых диэлектриков и удовлетворяет разнообразные требования электротехники.

Исследовательские работы, проведенные в лабораториях СССР, США и Англии по синтезу полиэфирных смол с непредельными группами (акриловыми, матакриловыми, малеиновыми), показали способность этих полимеров переходить в неплавкое и нерастворимое состояние за счет двойных связей без применения давления. Это весьма важное свойство позволяет широко использовать эти продукты для изготовления с применением малых давлений слоистых диэлектриков: гетинакса, текстолита, стеклотекстолита. Кроме того, способность этих смол отвердевать в толстом слое при отсутствии кислорода дает возможность использовать их для изоляции трансформаторов тока. В этом случае совершенно по-новому решается конструкция трансформаторов тока. Полиэфир образует основу изоляции трансформаторов тока различных напряжений (3–35 кВ и выше) и одновременно выполняет функцию корпуса трансформатора. Появление полиэфирных и эпоксидных смол позволило создавать монолитную изоляцию трансформаторов и различных блоков питания, отказавшись от герметизации обмоток при помощи применявшегося ранее метода помещения обмотки в металлический корпус.

По мере развития электротехники номенклатура полиэфирных смол резко увеличивается.

Начиная с 30-х годов большое значение приобрели полимеры, полученные методом полимеризации (полистирол, поливинилхлорид, поливинилацетат, полиметилметакрилат и др.). 40-е годы характеризуются получением поли конденсационных полимеров: кремнийорганических, полиамидных, полиуретановых.

В 1940 г. начинается производство полиэтилена при давлении до 250 МПа — одного из наиболее распространенных в настоящее время полимеров. В 1955 г. К. Циглером (Россия) был разработан метод полимеризации этилена и при низком давлении, который в настоящее время получил весьма широкое распространение.

Вслед за этим на основе работ итальянского ученого В. Натта был разработан технологический процесс получения полипропилена.

Начиная с 50-х годов промышленностью выпускаются новые электроизоляционные материалы: стеклопластмассы, стеклолакоткани, синтетические лакоткани, стеклотканиты, фольгированные и асбестовые слоистые материалы, слюдопласты, материалы на основе кремнийорганических, эпоксидно-фенольных и эпоксидно-полиэфирных связующих и др.

Бурное развитие электротехнической промышленности, а в связи с этим и повышение рабочих напряжений оборудования потребовали проведения глубоких теоретических и экспериментальных исследований. Для этих целей на предприятиях, выпускающих электроизоляционные материалы, открылись специальные лаборатории.

Важную роль в разработке и изготовлении электроизоляционных материалов и в освобождении нашей страны от иностранной зависимости сыграли организованные Государственный экспериментальный электротехнический институт, затем переименованный во Всесоюзный электротехнический институт (ВЭИ), Всесоюзный научно-исследовательский институт электромеханики (ВНИИЭМ), Всесоюзный научно-исследовательский институт кабельной промышленности (ВНИИКП), СКБ синтетической изоляции, Всесоюзный научно-исследовательский институт стекловолокна (ВНИИстекловолокна), Всесоюзный научно-исследовательский институт бумаги (ВНИИБ), научно-исследовательские институты химической промышленности и Академии наук СССР, лаборатории заводов «Электроизолит», «Изолит», «Электросила», «Динамо» и др. [10.5, 10.6].