Электроизоляционные свойства. Как электроизоляционный материал бумага из
волокон целлюлозы имеет ряд достоинств и недостатков.
К числу достоинств следует отнести ее относительную дешевизну,
достаточно высокие показатели механической прочности, гибкость,
возможность получения электроизоляционных материалов весьма малой
толщины (до 4 мкм) и, самое главное, получение на ее основе изоляции с
высокими электрическими характеристиками, достигаемыми в результате
пропитки бумаги. При этом пропитывающие составы проникают не только в
пространства между волокнами, но и во внутренние полости самих волокон,
что дает возможность получения однородной изоляции.
К недостаткам целлюлозных волокнистых материалов относится
гигроскопичность, обусловленная как наличием полярных гидроксильных
групп, имеющих сродство с полярными молекулами воды, так и капиллярным
характером структуры материала. Адсорбированная вода, содержащая следы
электролита, является основной причиной электропроводности бумаги. Из-за
наличия полярных гидроксильных групп, ориентирующихся в электрическом
поле вокруг одинарной связи, проявляется эффект поляризации. Поэтому
целлюлоза иметь высокую диэлектрическую проницаемость. Другим недостатком
целлюлозных материалов при использовании их для электроизоляции является
плохая теплопроводность и относительно низкая термостойкость,
ограничивающая возможность повышения рабочей температуры
электрооборудования. В условиях высокой рабочей температуры изоляция
становится хрупкой и разрушается от вибрации и сотрясения того
оборудования, в котором она применяется.
Недостатком электроизоляционных целлюлозных материалов является также
неоднородность строения бумаги, что вызывает анизотропию ее свойств и
необходимость применения во многих случаях многослойной изоляции.
Улучшить диэлектрические свойства
ЭлектрбизблйцйОННШ видов бумаги можно одним из следующих путей:
химической обработкой бумаги (ацетилированием, цианэтилированием и пр.),
а также введением в композицию бумаги химических добавок или
синтетических волокон (полипропиленовых, полиэтиленовых, полистирольных
и др.).
Для снижения вредного влияния на диэлектрические свойства изоляции
гигроскопичности целлюлозных материалов в большинстве случаев эти
материалы используют после их пропитки. Следует иметь в виду, что
воздушные поры бумаги имеют меньшую электрическую прочность, чем
клетчатка, и замещение воздуха в порах другими более электрически
прочными жидкими или твердыми диэлектриками резко повышает электрическую
прочность пропитанной бумаги. Перед пропиткой бумагу сушат для удаления
влаги. Например, кабельную бумагу обычно высушивают до остаточной
влажности 0,2— 0,3 % при температуре не выше 140 °С в вакууме. Имеются
сведения, что повышение остаточной влажности до 0,5 % сокращает сроки
службы изоляции в 2 раза.
Жидкости, используемые для пропитки электроизоляционных видов бумаги,
делятся на неполярные и полярные. К неполярным относятся минеральные
масла, представляющие собой смесь неполярных жидких углеводородов трех
основных типов: нафтеновых, метановых (парафиновых), ароматических.
Полярными жидкостями, используемыми при изготовлении бумажно-масляной
изоляции, являются: пентахлордифенил (со-вол), тетрахлордифенил, а также
касторовое масло. Показатели механической прочности бумаги в большей
степени снижаются при нагревании бумаги в неполярной изоляционной
жидкости, чем при ее нагревании в полярной. При нагревании бумаги в этих
жидкостях снижается степень ее полимеризации и гидрофильность,
повышаются медное и кислотное числа, а также образуются карбонильные и
карбоксильные группы.
В качестве электроизоляционной бумаги в настоящее время выпускаются:
различные марки кабельной бумаги, предназначенной для изготовления
силовых кабелей на различное напряжение; конденсаторная бумага разных
марок для силовых конденсаторов, бумага различной толщины для
конденсаторов постоянного тока, в том числе толщиной 4 мкм для
малогабаритных электрических конденсаторов, конденсаторная бумага
повышенной плотности и с малыми диэлектрическими потерями, бумага для
электролитических конденсаторов; телефонная электроизоляционная бумага;
пропиточные, намоточные и другие виды электроизоляционной бумаги,
используемые для изготовления различных электроизоляционных материалов,
в том числе гетинакса и фибры; микалентная бумага, применяемая для
пазовой изоляции электродвигателей.
Большинство видов электроизоляционной бумаги вырабатывают из специально
подготовленной кабельной сульфатной
целлюлозы, которая при изготовлении бумаги не
проклеивается. Лишь телефонная бумага, которая не пропитывается и
используется в мягких условиях термических воздействий, подвергается
проклейке в массе канифольным клеем. Мика-лентная бумага, изготовляемая
обычно из хлопка сухим способом, относится к классу длинноволокнистых
видов бумаги; она пропитывается бакелитовым лаком, и на ее поверхность
наносятся мелкие кусочки слюды.
Ни древесная масса, ни сульфитная целлюлоза для изготовления
электроизоляционных видов бумаги не применяются. Сульфатная целлюлоза из
лиственных пород древесины применяется лишь в ограниченном количестве, в
основном для получения кабельной бумаги для силовых кабелей низкого
напряжения.
Электроизоляционные свойства бумаги, в первую очередь, характеризуются
показателем ее электрической прочности, величиной диэлектрических потерь
и удельным электрическим сопротивлением, а также числом токопроводящих
включений на 1 м2 бумаги.
Электрическая прочность бумаги определяется ее пробивным
напряжением, т. е. напряжением электрического тока, при котором
происходит пробой диэлектрика с превращением его в проводник.
Электрическая прочность бумаги характеризует ее способность
противостоять пробою и выражается отношением пробивного напряжения к
толщине бумаги в месте ее пробоя. Для тонкой целлюлозной бумаги значение
электрической прочности достигает до 250 кВ/мм. С увеличением толщины и
влажности бумаги ее электрическая прочность снижается и увеличивается с
ростом плотности бумаги и степени фибриллированности исходной бумажной
массы. Электрическая прочность бумаги, пропитанной полярными
пропиточными массами, выше чем непропитанной.
Источниками диэлектрических потерь в бумаге является поляризация
целлюлозы в электрическом поле, обусловленная наличием у целлюлозы
полярных гидроксильных групп, а также токопроводящих примесей,
усиливающих проводимость особенно с повышением температуры.
Для суждения об электропроводности в диэлектрике, т. е. о перемещении
электронов и слабо связанных ионов сквозь диэлектрик под действием
электрического поля, пользуются понятиями удельного объемного и
удельного поверхностного электрических сопротивлений или обратных им
величин — удельной объемной и удельной поверхностной проводимостей.
Очевидно, что чем меньше в бумаге число токопроводящих включений на 1 м2
бумаги, т. е. чем чище бумага и меньше в ней вкраплений железа, меди и
угля, тем выше ее качество как диэлектрика.
Проводимость бумагой электрического тока
В результате введения в бумажную массу в
качестве наполнителя электропроводящих частиц какого-либо вещества можно
получить бумагу, в которой эти частицы, соприкасаясь между собой,
придают ей способность проводить электрический ток. В зависимости от
природы электропроводящих частиц, их количества в бумаге, а также от
степени уплотнения электропроводящей бумаги изменяются ее электрическое
сопротивление и, следовательно, потребительские свойства. Практикой
установлено, что при изготовлении электропроводящей бумаги лучше всего
использовать для введения в бумажную массу графит или сажу, сравнительно
хорошо удерживаемые на волокнах и обеспечивающие возможность получения
бумаги с нужными пределами электрического сопротивления.
Электропроводящая бумага из небеленой сульфатной целлюлозы, содержащая
около 10 % мелкодисперсной газовой сажи, применяется при изготовлении
мощных высоковольтных кабелей. Сердечник кабеля обматывается слоем такой
бумаги, затем несколькими слоями высоковольтной электроизоляционной
кабельной бумаги и, наконец, опять несколькими слоями электропроводящей
бумаги. После пропитки изоляционным маслом на кабель наносят
металлическую обмотку. Газовая сажа, находящаяся в электропроводящей
бумаге, поглощает продукты разложения изоляционных масел, если они
образуются, и снижает возможности их образования. Кроме того,
электропроводящая бумага предотвращает пробои кабеля, вызванные
неравномерным распределением электрического поля.
Электропроводящая бумага может быть использована также в различного рода
электронагревателях, вместо металлизированной бумаги, а также в
специальной аппаратуре (интеграторах ЭГДА), предназначенной для
моделирования процессов методом электроаналогий.
Об электрических свойствах бумаги дополнительные сведения приведены в
работе [2; 20, с. 567—609].