Файл: Цимберов, А. И. Стеклянные изоляторы.pdf

Т а б л и ц а 1-4

частях СССР можно не опасаться увеличения диэлектри­ ческих потерь в стекле до критических значений. В то же время возможность возникновения теплового пробоя стеклянных изоляторов при длительной эксплуатации их в районах с рабочей температурой выше 50 °С необходи­ мо учитывать при выборе марки стекла, из которого должны изготавливаться изоляторы для этих условий эксплуатации.

Упорядочение структуры стекла, т. е. отжиг, сопро­ вождается снижением уровня потерь, и, наоборот, зака­ ленному стеклу с менее упорядоченной структурой со­ ответствуют более высокие диэлектрические потери.

В табл. 1-4 приведены зависимость угла диэлектриче­ ских потерь стекол от способа их термической обработ-' ки (данные Пасынкова, Богородицкого, Тареева).

Таким образом, можно предположить, что при экс­ плуатации отожженных стеклянных изоляторов тепло­ вой пробой менее вероятен, чем при эксплуатации за­ каленных изоляторов.

Величина tgö изоляторов из щелочного стекла в от­ личие от фарфоровых резко возрастает с ростом на­ пряжения (рис. 1-10). Диэлектрические потери боль­ шинства стекол растут также с увеличением частоты. Например, при номинальной температуре tgö силикат­ ного тугоплавкого стекла при 1 МГц равен 0,0036, а при 3 000 МГц 0,0065, для свинцового стекла при тех же частотах-—соответственно 0,0009 и 0,0044. Только tgö кварцевого стекла не меняется с частотой, составляя около 0,0002 как при 1 МГц, так и при 3 000 МГц [Л. 37].

27

пользуемых в технике, ве­ личина е лежит в пределах от 4 до 16. Для стекол, приме­ няемых при производстве изоляторов, этот диапазон сужа­ ется и составляет при нормальной температуре 6—8. Рез­ ким увеличением (до 25%) в составе стекла щелочных окислов, особенно ИагО, можно добпться'увеличения едо 9—10. Таким же образом влияет на увеличение е введе­ ние в состав стекла окислов тяжелых металлов РЬО и ВаО, ионы которых имеют высокую поляризуемость и активно участвуют в диэлектрическом смещении. Стекло с содержанием 80% РЬО имеет е= 16,2. Диэлектриче­ ская проницаемость всех стекол возрастает с повыше­ нием температуры (рис. 1-11). Так как Т1\ е стекол в интервале температур 20—100°С колеблется от +30Х ХЮ~6 до +500 • 10—6°С—1, то практического значения для улучшения работы стеклянных изоляторов при по­ вышении температуры это свойство не имеет.

Электрическая прочность стекла. Пробой стекла свя­ зан со многими факторами, среди которых необходимо учитывать не только химический состав стекла, но и од­ нородность электрического поля, в котором работает диэлектрик, длительность приложения напряжения, а также термические и механические напряжения в са­ мом стекле.

Поэтому пробой стекла, как и других твердых ди­ электриков, может представлять собой электрический или тепловой пробой в зависимости от преобладания факторов, вызывающих ту или другую форму пробоя.

28

Кратковременная электрическая прочность стекла мало зависит от состава. В однородном электрическом поле электрическая прочность стекол колеблется в пре­

делах 100—300 кв)мм и мало зависит от толщины об­ разца.

В неоднородном электрическом поле толщина ди­ электрика сказывается в большей степени и это обстоя­ тельство необходимо учитывать при разработке реаль­ ных конструкций изоляторов. Большой разброс значе­ ний электрической прочности стекол, определенных различ­ ными исследователями, объяс­ няется, по-видимому, примене­ нием для испытаний масел раз­ личного качества. Известно, что величина электрической прочности диэлектрика в зна­ чительной степени зависит от электрических свойств испыта­ тельной среды. Так, испытания стеклянных образцов, прове­

денные фирмой Sediver в мас­ лах с различной электрической прочностью, дали совершенно различные величины электри­ ческой прочности стекла. При этом все результаты отличались от тех, которые были получены при испытании образцов сте­ кол в воздухе [Л. 7]. Поэтому фирма считает нерациональ­

ным испытание стеклянных изоляторов в условиях, при которых прооои диэлектрика происходит в среде, отли­ чающейся от его естественной среды. Фирмой разрабо­ тана специальная жидкость, которая имеет удельное объемное сопротивление 3 -10s ом-см; диэлектри­ ческую проницаемость 4,2 и электрическую прочность 20 л.е/2,54 мм. Испытание стеклянных изоляторов в та­ кой среде дает значение электрической прочности, пре­ вышающее значение электрической прочности фарфоро­ вых изоляторов, обладающих идентичной толщиной диэлектрика. В то же время испытание фарфоровых и стеклянных изоляторов в трансформаторном масле по методике ГОСТ 6490-67 и ГОСТ 14197-69 приводит

29

к обратным результатам. На снижение величины элек­ трической прочности стекла при испытании в трансфор­ маторном масле или других изоляционных средах боль­ шое влиние оказывают дефекты стекла: пузыри, инород­ ные включения, свили.

Учитывая отсутствие единой методики определения электрической прочности стекла и пробивного напряже­ ния стеклянных изоляторов, а также плохое совпадение получаемых результатов, национальные стандарты не­ которых стран предусматривают возможность определе­ ния пробивного напряжения стеклянных изоляторов импульсным напряжением. Во время этих испытаний

импульсные волны, возра­ стающие ступенями, со­ здают напряжения, кото­ рые развиваются в ди­ электрике быстрее, чем распространение разря­ дов в воздухе. Эта мето­ дика имитирует работу изоляторов в реальных условиях при грозовых разрядах и позволяет бо­ лее достоверно опреде­ лить эксплуатационную надежность стекляниых изоляторов.

Тепловой пробой стек­ ла может произойти, как указывалось ранее, в слу­ чае применения составов

с большими диэлектрическими потерями и при длитель­ ной эксплуатации изоляционных конструкций при высо­ ких температурах.

В [Л. 38] исследовано поведение подвесных изолято­ ров из фарфора, щелочного стекла и пи-рекса с точки зрения их устойчивости к тепловому пробою. Результа­ ты исследования изображены на рис. 1-12.

Подвесные изоляторы из щелочного стекла ведут се­ бя в этих условиях менее надежно, чем такие же изоля­ торы из пирекса и фарфора. Правда, фирма Sediver утверждает [Л. 7], что эта характеристика стеклянных изоляторов может быть улучшена путем замены в обыч­ ном стекле части окиси натрия окисью калия, т. е. за

30

счет использования полиіцслочпого эффекта. Этот вывод о положительном влиянии полнщелочного эффекта па электрическую прочность стеклянных изоляторов согла­ суется с работами, проведенными Львовским политехни­ ческим институтом.

1-4. СТЕКЛОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ СВОЙСТВА

Использование стекла для изготовления изоляцион­ ных конструкций, несущих значительные механические нагрузки, стало возможным, как указывалось ранее, только после разработки и внедрения процесса закалки стеклянных изоляторов.

Другим способом повышения механической прочно­ сти стекла является превращение аморфного материала в кристаллический. Стеклокристаллические материалы получают из исходного стеклообразного вещества путем термической обработки, в процессе которой во всем объеме стеклодетали образуется множество кристалли­ ков размером в доли микрометра, соединенных между собой стекловидными прослойками.

По данным [Л. 39] при кристаллизации в 1 мм3 стек­ ла образуется ІО9—ІО15 кристаллов.

Стеклокристаллические материалы в СССР получили название «ситаллы».

Таким образом, ситаллы — это гамма материалов, об­ разующихся в результате управляемой кристаллизации стекол с введенными в них минерализаторами — вещест­ вами, вызывающими кристаллизацию. В мире создано много различных марок стеклокристаллических материа­ лов. В 1958 г. американской фирмой Corning был создан материал, названный авторами «пирокерам». Констаитиновский завод «Автостекло» выпускает изделия из сте­ клокристаллического материала — стеклофарфора.

Стеклокристаллические материалы могут быть про­ зрачными и непрозрачными (матовыми, молочно-белы­ ми, желтыми и др.). Несмотря на большое количество стеклокристаллических материалов, все они могут быть разбиты на две группы — ситаллы и шлакоситаллы.

Технические ситаллы получают из стекол/сваренных с применением природного и синтетического сырья, при­ чем в состав некоторых из них входят серный или угле­ кислый литий, соли серебра, золота, окись церия и дру-

?!

nie компоненты, стоимость которых чрезвычайно высока. Материалы типа «фотокерам» должны в процессе про­ изводства подвергаться облучению коротковолновыми лучами (рентгеновскими или ультрафиолетовыми). Все это позволяет применять технические ситаллы для вы­ пуска пока только отдельных небольших деталей и кон­ струкций, где их использование экономически оправда­ но. Материалы типа «пирокерам» кристаллизуются в про­ цессе ступенчатой термической обработки. Они не тре­ буют облучений.

В Советском Союзе впервые разработан способ изго­ товления шлакосиликатов из металлургических шлаков. Сущность процесса изготовления таких материалов за­ ключается в том, что создан технологический прием пре­ вращения расплава шлака в стекло и шлакового стекла — в керамику [Л. 40].

Шлакоситаллы, по мнению их разработчиков, долж­ ны найти широкое применение для производства различ­ ных конструктивных элементов, в том числе и электро­ изоляционных. При этом их стоимость не будет превы­ шать стоимости материалов, которые-они призваны за­ менить.

Стеклокристаллические материалы обладают высоки­ ми электромеханическими и физико-техническими свой­ ствами. Ситаллы по механической прочности превосхо­ дят не только стекло и фарфор, но и некоторые металлы. Отношение прочности к плотности у ряда ситаллов бо­ лее высокое, чем у алюминия и стали. Отсутствие пори­ стости, водопоглощения, высокая хнмостойкость при обычных и повышенных температурах, а также высокие электроизоляционные свойства определяют преимущест­ ва технических ситаллов перед лучшими неорганически­ ми диэлектриками.

Ниже приведены свойства ситаллов, используемых для изготовления изоляторов.

Как видно из таблицы, основные характеристики си­ таллов колеблятся в достаточно широких предеда*, Это

42