Минеральные диэлектрики.

 

Из минеральных диэлектриков наибольшее применение полу­чили кварц, мрамор, асбест и асбестоцемент.

Кварц представляет собой естественный минеральный диэлектрик, обладающий весьма высокими диэлектрическими свойства­ми, зависящими от наличия примесей. Его химическая формула (SiO2)n. Различают кварц кристаллический и аморфный.

 

 

Рис. 140. Кристалл кварца: а- общий вид кристалла и его главные оси, б- сечение кристалла, перпендикулярные оси,3- поляризация кубика, вырезанного из кристалла кварца

 

Кристалл кварца имеет гексагональную структуру в виде шестигранных призм, увенчанных пирамидами. Он обладает различными диэлектрическими свойствами в зависимости от направления в кристалле (рис. 140).

 

Так, по направлению оси z кристалла: rυ=1014 Ом * см, а перпендикулярно к ней, т.е. по оси x или y, υ = 1016 Ом* см, величины диэлектрической проницае¬мости соответственно указанным выше направлениям:  = 4,58 и ε = 4,41. Тангенс угла диэлектрических потерь кристаллического кварца tg δ = 3 *10-4

Кристаллический кварц является пьезоэлектриком, т. е. он под действием механических воздействий, например растяжения или сжатия, приобретает на сторонах пластинки (определенным образом вырезанной из кристалла) электрические заряды проти­воположного знака.

На (рис. 140, а) изображен общий вид кристалла, а на (рис. 140, б) — его сечение, перпендикулярное оси z указанием направлений осей х и у. Если вырезать из кристалла кубик, рёбра которого параллельны осям кристаллa х, у, z и подвергнуть его растяжению по какой-либо оси, например по оси у, то на перпендикулярных к этой оси гранях кубика появятся равные и противоположные электрические заряды (рис. 140, в). Если же по этому направлению сжать кубик, то противоположные заряды поменяются местами. Если кубик (или пластинку) подвергнуть воздействию внешнего переменного электрического поля, он будет сжиматься и растягиваться, т.е. на нем будут создаваться упругие деформации, в результате которых он будет вибриро­вать. Это свойство кристалла кварца широко используется для создания ультразвуковых колебаний.

Применение электроизоляционных изделии из плавленого кварца ограничивается из-за высокой температуры плавления кварца (1800—2000°C) и сложности обработки кварцевого стекла.

Мрамор — минерал, состоящий в основном из углекислого кальция (СаСОз), кальцита и примеси углекислого магния или магнезита. Диэлектрические свойства мрамора невысоки. Его удельные электрические сопротивления находятся на следующем уровне: rυ = 108÷109 Ом * см, Епр.= 2,0÷3,0 кВ/мм, и сильно за­висят от влажности окружающей среды.

Мрамор — гигроскопичен и поэтому для использования в качестве электроизоляционного материала его шлифуют и пропи­тывают органическими веществами — парафином или лаками.

Мрамор сравнительно легко поддается механической обра­ботке, т. е. распиливается, сверлится, шлифуется, но хрупок и при обработке выкрашивается.

Механическая прочность его при изгибе σи= 100÷140 кГ/см2. Остальные характеристики мрамора следующие: удельный вес 2,4÷2,8 г/смз; σр = 200÷300 кГ/см2; водопоглощение 0,15÷0.4% (за 24 часа).

Положительным свойством мрамора является его негорю­честь, но предельная температура использования мрамора со­ставляет 110—120°С. При длительном воздействии на мрамор более высоких температур он становится хрупким.

Из мрамора изготовляют различного рода распределительные доски и основания для рубильников и щитков с предохранителя­ми в установках на напряжении до 500 В.

Асбест (горный лен) объединяет группу природных материа­лов, характерным свойством которых является их волокнистое строение. Волокна их легко расщепляются на тонкие отдельные волоски диаметром в тысячные доли миллиметра и длиной до нескольких сантиметров.

В электротехнике для изготовления различных электроизоля­ционных материалов (бумаги, пряжи, лент, картона) использует­ся преимущественно хризотиловый асбест, представляющий собой силикат магния (3МgO · 2SiO2 · 2H2O). Он содержит химически связанную воду и является гигроскопичным материалом. Гигроскопичность его обусловливается поверхностными свойствами. Волокна асбеста не впитывают воду, a покрываются водяной плёнкой. В результате этой гигроскопичности и наличия в асбесте различных примесей электрические свойства асбесто­вых материалов (асбестовые бумаги и ткани) невысоки (rυ = 109÷1010 Ом*см; Епр=3÷5 кВ/мм). Однако асбест обладает некоторыми положительными свойствами, позволяющими приме­нять его в электротехнике. Основным достоинством его является высокая нагревостойкость и негорючесть. При температуре около 450°С асбест плавится. Рабочая температура асбеста до 450°С. При температуре 450°С и выше из асбеста начинает удаляться химически связанная вода и волокна его теряют механическую прочность.

Основные характеристики асбеста следующие: удельный вес 2,3÷2,6 г/см3; σР = 300÷400 кГ/см3.

Из асбестовых волокон изготовляется электроизоляционная бумага толщиной 0,2—0,5 мм, в рулонах шириной 950 мм. Для повышения механической прочности асбестовой бумаги в нее вводят небольшое количество хлопчатобумажного волокна (мар­ка А). Кроме того, выпускают бумаги, состоящие только из во­локон одного асбеста (марка Б).

Асбестовый картон выпускают в листах толщиной от 2 до 12 мм и площадью от 900*900 до 1000*1000 мм2. Влагопоглощаемость асбестовых бумаг и картонов составляет 3—4% за 24 часа. Из асбестовой пряжи изготовляют асбестовые ткани и ленты. Асбестовые ткани выпускают шириной 1040 мм и длиной не менее 25 м. Толщина асбестовых тканей 1,2—1,9 мм.

Асбестовые ленты полотняного переплетения пряжи, в которой содержится 30% хлопчатобумажных волокон, введенных с целью повышения механической прочности.

Ленты выпускают толщиной 0,25—0,6 мм и шириной 13—38 мм. Они служат для изоляции в катушках полюсов и в сек­циях обмоток некоторых типов электрических машин.

В электрических машинах высокого напряжения находят при­менение ленты из железистого асбеста, содержание около 8% окислов железа. Поэтому удельные сопротивления этих лент сильно понижены (rυ = 105÷106 Ом·см; rs = 104÷105 Ом·см). Эти полупроводящие ленты применяют для выравнивания силовых линий электрического поля на частях обмоток, выходящих из пазов сердечника статора, где наблюдается концентрация сило­вых линий электрического поля, что может вызвать пробой изо­ляции обмоток.

Все асбестовые материалы применяют в пропитанном (ла­ками и компаундами) виде. В результате пропитки устраняется гигроскопичность асбестовых бумаг и тканей и улучшаются их электрические характеристики.

Асбестоцемент изготовляется из асбестового волокна и портландского цемента. Этот материал представляет собой органическую пластмассу, в которой связующим веществом является портландцемент, а наполнителем – асбестовые волокна.

Процесс изготовления асбестоцемента состоит в смешивании распушенного асбеста с цементом и водой. Тщательно перемешанную смесь отливают в листы на особой асбестоцементной машине. Сырые листы наматывают на цилиндры до требуемой толщины и разрезают на пластины, которые прессуют под давлением до 200 кГ/см2, после чего листы высушивают.

Марки асбестоцемента 350, 400, 450 и 500 указывают на наи­меньшую прочность при статическом изгибе асбестоцементных образцов. Размеры выпускаемых досок должны составлять по длине 1200 мм, по ширине 700 и 800 мм, по толщине 4, 5, В, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 35 и 40 мм. Механическая прочность досок ха­рактеризуется величиной удельной ударной вязкости, которая должна быть не менее следующих значений при толщине:

 

» » 4 -8 мм -4,0 кг·см/см2;

» » 10—12 мм — 4,5 кг · см/см2;

» » 15 мм — 6,0 кг · см/см2;

» » 20 мм и выше — 8,0 кг·см/см2.

Асбестоцементные доски выпускают с необработанной и об­работанной (фрезерованной) лицевой поверхностью. Длина до­сок 1200 мм, ширина 700 и 800 мм, толщина 4—40 мм (необрабо­танные) и 10—40 мм (обработанные).

Водопоглощаемость непропитанных асбестоцементных досок высокая: 15—25%. Электрическая прочность высушенных досок Епр=1,5÷2,0 кВ/мм. Поэтому асбестоцементные доски исполь­зуют в электрических устройствах низкого напряжения (основа­ния контакторов, перегородки и искрогасительные камеры в электрических аппаратах) только в пропитанном виде. Пропит­ку досок и других изделий из асбестоцемента производят в льня­ном масле и в расплавленном парафине или битуме. Пропитку асбестоцементных изделий производят только после их механической обработки (сверление, фрезерование и др.), для того чтобы не осталось непропитанных мест.

Перед пропиткой доски и изделия сушат при 150°С в тече­ние 1—2 час на каждый миллиметр толщины и затем еще не остывшие листы и изделия погружают в пропитывающую жид­кость. В качестве пропитывающего вещества применяют парафин, льняное масло и битумы. При использовании битумов пропитку ведут при 230—240°С также в течение 1—2 час. (на миллиметр толщины материала).

Пропитку дугостойких перегородок и камер из асбестоцемента обычно производят в парафине или в льняном масле. При этом привес парафина не должен превышать 6-7% во избежание понижения дугостойкости материала.

Основные характеристики пропитанных изделий из асбестоцемента следующие: rν = 109÷1010 Ом·см; Епр = 2÷3 кВ/мм.

Асбопласт представляет собой неорганическую пластмассу холодного прессования на основе асбестоцемента. Состав асбопласта: портландцемент 65%, асбест хризотиловый (волокна) 20%, каолин или глина формовочная 15%. Так как в состав асбопласта входит глина, прессовочные свойства его значительно выше, чем асбестоцемента. Потому из асбопласта можно получать (прессованием в стальных пресс-формах) электроизоляционные изделия сложного профиля. Прессование изделий из асбопласта производят при удельных давлениях 500-600 кГ/см2. Отпрессованные изделия выдерживают на воздухе 14-16 час., а затем в кипящей воде 6-8 час. Объёмная усадка у асбопласта практически отсутствует.

Основные характеристики асбопласта следующие: удельный вес 2,2 г/см3; σи= 250 кГ/см2; σс = 700 кГ/см2; удельная ударная вязкость а = 3 кг∙см/см2; rυ = 109÷1010 Ом*см; Епр = 2÷3 кВ/мм. Электрические характеристики даны для асбопластовых изделий, пропитанных в парафине.