Niektóre materiały stosowane w urządzeniach elektrycznych i obwodach zasilających mają właściwości dielektryczne, to znaczy mają wysoką odporność na prąd. Ta zdolność pozwala im nie przepuszczać prądu, dlatego są używane do tworzenia izolacji dla części przewodzących prąd. Materiały elektroizolacyjne są przeznaczone nie tylko do oddzielania części przewodzących prąd, ale także do tworzenia ochrony przed niebezpiecznymi skutkami prądu elektrycznego. Na przykład przewody zasilające urządzeń elektrycznych są pokryte izolacją.
Materiały elektroizolacyjne i ich zastosowania
Materiały elektroizolacyjne są szeroko stosowane w przemyśle, produkcji radia i przyrządów oraz rozwoju sieci elektrycznych. Normalne działanie urządzenia elektrycznego lub bezpieczeństwo obwodu zasilania zależy w dużej mierze od:używane dielektryki. Niektóre parametry materiału przeznaczonego na izolację elektryczną decydują o jego jakości i możliwościach.
Stosowanie materiałów izolacyjnych podlega przepisom bezpieczeństwa. Integralność izolacji jest kluczem do bezpiecznej pracy z prądem elektrycznym. Używanie urządzeń z uszkodzoną izolacją jest bardzo niebezpieczne. Nawet niewielki prąd elektryczny może mieć wpływ na ludzkie ciało.
Właściwości dielektryków
Materiały elektroizolacyjne muszą mieć określone właściwości, aby mogły pełnić swoje funkcje. Główną różnicą między dielektrykami a przewodnikami jest duża rezystywność objętościowa (109–1020 omów cm). Przewodność elektryczna przewodników w porównaniu z dielektrykami jest 15 razy większa. Wynika to z faktu, że izolatory ze swej natury mają kilkakrotnie mniej wolnych jonów i elektronów, które zapewniają przewodność prądową materiału. Ale gdy materiał jest podgrzewany, jest ich więcej, co przyczynia się do wzrostu przewodności elektrycznej.
Rozróżnij aktywne i pasywne właściwości dielektryków. W przypadku materiałów izolacyjnych najważniejsze są właściwości pasywne. Stała dielektryczna materiału powinna być jak najniższa. Dzięki temu izolator nie wprowadza do obwodu pojemności pasożytniczych. W przypadku materiału, który jest używany jako dielektryk kondensatora, stała dielektryczna powinna być jak największa.
Opcje izolacji
Do głównych parametrówizolacja elektryczna obejmuje wytrzymałość elektryczną, oporność elektryczną, przenikalność względną, kąt strat dielektrycznych. Oceniając właściwości elektroizolacyjne materiału, bierze się również pod uwagę zależność wymienionych cech od wielkości prądu elektrycznego i napięcia.
Wyroby i materiały elektroizolacyjne mają większą wytrzymałość elektryczną w porównaniu z przewodnikami i półprzewodnikami. Ważna dla dielektryka jest również stabilność określonych wartości podczas nagrzewania, wzrostu napięcia i innych zmian.
Klasyfikacja materiałów dielektrycznych
W zależności od mocy prądu przepływającego przez przewodnik stosuje się różne rodzaje izolacji, które różnią się swoimi możliwościami.
Według jakich parametrów dzielone są materiały elektroizolacyjne? Klasyfikacja dielektryków opiera się na ich stanie skupienia (stałe, ciekłe i gazowe) oraz pochodzeniu (organiczne: naturalne i syntetyczne, nieorganiczne: naturalne i sztuczne). Najpopularniejszy rodzaj stałego dielektryka, który można zobaczyć na przewodach urządzeń gospodarstwa domowego lub innych urządzeń elektrycznych.
Dielektryki stałe i ciekłe są z kolei podzielone na podgrupy. Do dielektryków stałych zaliczamy tkaniny lakierowane, laminaty oraz różnego rodzaju miki. Woski, oleje i skroplone gazy to płynne materiały elektroizolacyjne. Znacznie rzadziej stosuje się specjalne dielektryki gazowe. Ten typ obejmuje równieżnaturalnym izolatorem elektrycznym jest powietrze. Jego zastosowanie wynika nie tylko z właściwości powietrza, które czynią go doskonałym dielektrykiem, ale także z jego ekonomiczności. Zastosowanie powietrza jako izolacji nie wymaga dodatkowych kosztów materiałowych.
Stałe dielektryki
Solidne materiały elektroizolacyjne to najszersza klasa dielektryków stosowana w różnych dziedzinach. Mają różne właściwości chemiczne, a stała dielektryczna wynosi od 1 do 50 000.
Dielektryki stałe dzielą się na niepolarne, polarne i ferroelektryki. Ich główne różnice dotyczą mechanizmów polaryzacji. Ta klasa izolacji posiada takie właściwości jak odporność chemiczna, odporność na śledzenie, odporność na dendryty. Odporność chemiczna wyraża się w zdolności do wytrzymywania wpływu różnych agresywnych środowisk (kwas, zasady itp.). Opór śledzenia określa zdolność do wytrzymania skutków łuku elektrycznego, a opór dendrytyczny determinuje powstawanie dendrytów.
Dielektryki stałe są używane w różnych dziedzinach energii. Na przykład ceramiczne materiały elektroizolacyjne są najczęściej stosowane jako izolatory liniowe i przepustowe w podstacjach. Papier, polimery, włókno szklane służą jako izolacja urządzeń elektrycznych. Do maszyn i urządzeń najczęściej stosuje się lakiery, tekturę, masę.
Do zastosowania w różnych warunkach pracy, izolacja ma pewne specjalne właściwości poprzez połączenie różnychmateriały: odporność na ciepło, wilgoć, promieniowanie i mrozoodporność. Izolatory żaroodporne są w stanie wytrzymać temperatury do 700 °C, są to między innymi szkła i materiały na ich bazie, organosility i niektóre polimery. Odporny na wilgoć i tropikalny materiał to fluoroplastik, który nie jest higroskopijny i hydrofobowy.
Izolacja odporna na promieniowanie jest stosowana w urządzeniach z elementami atomowymi. Obejmuje folie nieorganiczne, niektóre rodzaje polimerów, włókno szklane i materiały na bazie miki. Mrozoodporne są izolacje, które nie tracą swoich właściwości w temperaturach do -90°C. Szczególne wymagania stawiane są izolacji przeznaczonej do urządzeń pracujących w warunkach kosmicznych lub próżniowych. Do tych celów stosuje się materiały próżnioszczelne, w tym specjalną ceramikę.
Płynne dielektryki
Płynne materiały elektroizolacyjne są często stosowane w maszynach i urządzeniach elektrycznych. Olej pełni rolę izolacji w transformatorze. Dielektryki płynne obejmują również gazy płynne, nienasyconą wazelinę i oleje parafinowe, poliorganosiloksany, wodę destylowaną (oczyszczoną z soli i zanieczyszczeń).
Główne cechy dielektryków ciekłych to stała dielektryczna, wytrzymałość elektryczna i przewodność elektryczna. Również parametry elektryczne dielektryków w dużej mierze zależą od stopnia ich oczyszczenia. Zanieczyszczenia stałe mogą zwiększać przewodność elektryczną cieczy ze względu na wzrost wolnych jonów i elektronów. Oczyszczanie cieczy przez destylację, wymianę jonową itp. prowadzi do wzrostu wytrzymałości elektrycznej materiału, zmniejszając w ten sposób jego przewodność elektryczną.
Płynne dielektryki dzielą się na trzy grupy:
- oleje naftowe;
- oleje roślinne;
- płyny syntetyczne.
Najczęściej stosowanymi olejami są oleje naftowe, takie jak oleje transformatorowe, kablowe i kondensatorowe. Płyny syntetyczne (związki krzemoorganiczne i związki fluoroorganiczne) są również wykorzystywane w budowie aparatury. Na przykład związki krzemoorganiczne są mrozoodporne i higroskopijne, dlatego są stosowane jako izolator w małych transformatorach, ale ich koszt jest wyższy niż cena olejów naftowych.
Oleje roślinne praktycznie nie są używane jako materiały izolacyjne w technologii elektroizolacyjnej. Należą do nich olej rycynowy, lniany, konopny i tungowy. Materiały te są słabo polarnymi dielektrykami i są używane głównie do impregnacji kondensatorów papierowych oraz jako środek błonotwórczy w lakierach, farbach i emaliach elektroizolacyjnych.
Dielektryki gazowe
Najpopularniejsze dielektryki gazowe to powietrze, azot, wodór i gaz SF6. Gazy elektroizolacyjne dzielą się na naturalne i sztuczne. Powietrze naturalne jest wykorzystywane jako izolacja pomiędzy częściami przewodzącymi prąd linii energetycznych a maszynami elektrycznymi. Powietrze jako izolator ma wady, które uniemożliwiają stosowanie go w urządzeniach szczelnych. Ze względu na obecność wysokiego stężenia tlenu powietrze jest środkiem utleniającym, a w niejednorodnych polach pojawia się niska wytrzymałość elektryczna powietrza.
Transformatory mocy i kable wysokiego napięcia wykorzystują azot jako izolację. Wodór oprócz tego, że jest materiałem elektroizolacyjnym, jest również chłodzeniem wymuszonym, dlatego jest często stosowany w maszynach elektrycznych. W instalacjach zamkniętych najczęściej stosuje się SF6. Wypełnienie gazem SF6 sprawia, że urządzenie jest przeciwwybuchowe. Jest stosowany w wyłącznikach wysokonapięciowych ze względu na swoje właściwości gaszenia łuku.
Dielektryki organiczne
Organiczne materiały dielektryczne dzielą się na naturalne i syntetyczne. Naturalne dielektryki organiczne są obecnie stosowane niezwykle rzadko, ponieważ produkcja syntetycznych dielektryków rośnie coraz bardziej, co zmniejsza ich koszt.
Do naturalnych organicznych dielektryków należą celuloza, guma, parafina i oleje roślinne (olej rycynowy). Większość syntetycznych organicznych dielektryków to różne tworzywa sztuczne i elastomery często używane w elektrycznych urządzeniach gospodarstwa domowego i innym sprzęcie.
Dielektryki nieorganiczne
Nieorganiczne materiały dielektryczne dzielą się na naturalne i sztuczne. Najpopularniejszym z naturalnych materiałów jest mika, która ma odporność chemiczną i termiczną. Flogopit i muskowit są również wykorzystywane do izolacji elektrycznej.
Do sztucznych nieorganicznychdielektryki obejmują szkło i materiały na nim oparte, a także porcelanę i ceramikę. W zależności od zastosowania sztucznemu dielektrykowi można nadać specjalne właściwości. Na przykład ceramikę skaleniową stosuje się do tulei, które mają wysoki tangens strat dielektrycznych.
Włókniste materiały elektroizolacyjne
Materiały włókniste są często używane do izolacji urządzeń i maszyn elektrycznych. Należą do nich materiały pochodzenia roślinnego (guma, celuloza, tkaniny), tekstylia syntetyczne (nylon, kapron), a także materiały wykonane z polistyrenu, poliamidu itp.
Organiczne materiały włókniste są wysoce higroskopijne, dlatego rzadko są używane bez specjalnej impregnacji.
Niedawno zamiast materiałów organicznych zastosowano izolację z włókien syntetycznych, które mają wyższy poziom odporności na ciepło. Należą do nich włókno szklane i azbest. Włókno szklane jest impregnowane różnymi lakierami i żywicami w celu zwiększenia jego właściwości hydrofobowych. Włókno azbestowe ma niską wytrzymałość mechaniczną, dlatego często dodaje się do niego włókno bawełniane.
