Електроізоляційні матеріали види, властивості, характеристики та сфери застосування
Ізоляційні матеріали призначені для обмеження конструкцій та окремих елементів від контакту з тими чи іншими середовищами. За цим принципом працюють будівельні водо-, паро- та теплоізоляційні матеріали. У сферах, де використовуються електротехнічні провідники, потрібна ізоляція іншого – у вигляді діелектриків. Їх завдання полягає у виключенні контактів між активними експлуатованими провідниками струму та матеріалами, які не розраховуються на забезпечення цієї функції. Як цільові об'єкти можуть виступати технічні засоби, прилади, будівельні конструкції і навіть декоративні покриття. У свою чергу електроізоляційні матеріали створюють бар'єр для проходження електричного струму незалежно від того, змінний він або постійний.
Класифікація ізоляторів
Електроізолятори розрізняються за своїм походженням та агрегатним станом. Що стосується походження, то як ознаки виділяють приналежність до органічних і неорганічних матеріалів, а також до натуральної та синтетичної сировини. До природних матеріалів можна віднести слюду, яка характеризується міцністю, гнучкістю та здатністю до розщеплення. Це неорганічний діелектрик природного походження. І навпаки, групи синтетичних органічних матеріалів можна назвати хімічні високомолекулярні сполуки. У готовому до використання вигляді вони пропонуються як пластмаси та еластомери. Основні експлуатаційні відмінності визначає класифікація електроізоляційних матеріалів за агрегатним станом. Виділяються тверді та рідинні, а також газоподібні діелектрики.
Властивості ізоляторів струму
Основне завдання діелектрика полягає взабезпечення ізоляційної функції. Тому як базові експлуатаційні властивості можна відзначити підвищений питомий опір, невеликий тангенс втрат діелектрика і висока пробивна напруга - вже згаданий пробою. Опір визначає, наскільки матеріал зможе перешкоджати провідності струму при різних параметрах електричного ланцюга, що контактує. Втрати діелектрика, у свою чергу, вказують на вплив ізолятора на показники активного провідника – нормативно це значення має прагнути до нуля, але найчастіше висока опірність якраз призводить до підвищення втрат в основному ланцюзі. Важливими є і пробивні властивості електроізоляційних матеріалів, які визначаються напругою. В даному випадку можна говорити про безпосередню проникність цільового матеріалу. При цьому всі перелічені властивості фіксуються лише в тому випадку, якщо була відзначена стабільність їхньої «роботи» у часі та при заданій температурі. Іноді як параметр стабільності при випробуваннях вказується частота електричного поля.
Характеристики електроізоляторів
Однією з основних показників діелектриків є поверхневий опір. Це опір, що виникає в момент проходження струму поверхнею матеріалу. Наступною за значимістю характеристикою можна назвати діелектричну проникність. Як мовилося раніше, проникність безпосередньо пов'язані з пробиваемостью цільового матеріалу. І на окрему увагу заслуговують фізико-хімічні характеристики. У тому числі відзначають водопоглощаемость, в'язкість і кислотність. Водопоглинання вказує на ступінь пористості матеріалу та присутність у ньому водорозчинних елементів. Що це значення, то вище ефективність матеріалу як діелектрика. У свою чергу, в'язкістьхарактеризується плинністю, що важливо визначення взаємодії матеріалу з рідинними або розплавленими діелектриками. Кислотним числом зазвичай характеризуються рідкі діелектрики. Наприклад, основні особливості електроізоляційних матеріалів зводяться до здатності нейтралізувати вільні кислоти, що містяться в 1 г матеріалу. Наявність вільних кислот знижує електроізоляційні властивості електроізоляторів.
Газоподібні ізолятори
Практично всі газоподібні електроізоляційні матеріали забезпечують діелектричну проникність, в коефіцієнті рівну 1. До плюсів таких виробів можна віднести невелику частку діелектричних втрат, хоч і ступінь пробою теж невелика. Як правило, основним газоподібним середовищем з функцією електричного ізолятора є повітря, доповнене спеціальними включеннями. Але до сьогоднішнього дня набув широкого поширення та елегазу, який застосовується як діелектрична основа. Газоподібні види електроізоляційних матеріалів базуються на гексафториді сірки, що забезпечує більш високий захист у показнику пробою, а в деяких випадках спостерігається дугогасна здатність. Коли йдеться про складні умови експлуатації цільового об'єкта захисту, газове середовище може доповнюватись органічними ізоляторами.
Тверді діелектрики
Традиційно під ізоляторами цього типу розуміються такі матеріали, як скло, кварц, фарфор, пластики та гума. Їхнє походження може бути натуральним та синтетичним. У тонких шарах ізоляторів можуть бути підвищені показники питомого опору та напруги пробою – ці значення залежать від діелектричної проникності та електричної міцності структури. Збільшення різниці потенціалів по відношенню до твердого або рідкого діелектрика будепідвищувати струм, що проходить цільовий об'єкт. У результаті явище сприяє формуванню поблизу катода позитивного просторового заряду і натомість відриву електронів. Електричний пробій можна буде розглядати як результат спотворення зарядженого поля у структурі самого ізолятора. Твердотільні електроізоляційні матеріали піддаються поляризації, тому їхня діелектрична постійна перевищує одиницю. Також у момент застосування змінних електричних полів поляризація сприяє утворенню діелектричних втрат. У цьому контексті варто виділити матеріали, що навіть у високочастотних полях мають мінімальні діелектричні втрати. До таких можна віднести поліетилен та кварц.
Рідкі діелектрики
До рідких ізоляторів належать синтетичні рідини, олії, пасти, лаки та смоли. Особливо поширені мінеральні олії, які є продуктом нафтової переробки і є комбінацією рідких вуглеводнів. Вони використовуються в масляних вимикачах, невеликих трансформаторах, конденсаторах та кабелях. Популярна і рідка електроізоляція у вигляді просочення. Її часто застосовують при підготовці кабелів та тих же конденсаторів до роботи. Матеріал є паперовою ізоляцією, в якій папір є носієм, а просочення – активним захисним середовищем.
Гільзова електроізоляція
Це матеріал із групи механічних захисних пристроїв, який забезпечує зовнішній фізичний захист. Зазвичай використовуються гнучкі гільзи, якими захищаються провідники силових агрегатів, трансформатори та кабелі. За цим принципом працює традиційна ізоляційна стрічка, завдання якої полягає у створенні фізичної перешкоди. Гільзи також виступають прошарком, що ніяк не взаємодіє з джерелом струму на електрохімічному рівні.Однак серед недоліків цього матеріалу відзначається швидке зношування.
Конденсатори
Електрична ізоляція є важливою умовою повноцінної працездатності конденсаторів. У деяких випадках сам конденсатор виступає як діелектрик у складі складного електротехнічного ланцюга. Такі прилади мають різне застосування, у тому числі виділяється нейтралізація індукційних ефектів у лініях зі змінним струмом, накопичення заряду, а також отримання струмових імпульсів для різних додатків. Для використання конденсатора як ізоляційної точки необхідно мати уявлення про необхідну ємність. У приладах вона розраховується виходячи з характеристик системи або обчислення розміру заряду на обкладці. У самій конструкції для забезпечення захисної функції можуть застосовуватися електроізоляційні матеріали у вигляді лаків та масел. Залежно від типу конденсатора визначається набір вторинних функцій – наприклад, враховується горючість, вологостійкість, зносостійкість тощо.
Вакуум як ізолятор
Газове середовище при дуже низькому тиску може створювати умови, коли газ просто не зможе утворювати помітний струм у міжелектродному зазорі. Такі умови називають ізоляційним вакуумом. При зіткненні з електронами або позитивними іонами, що вилітають із електродів, іонізація молекул газу під низьким тиском відбувається дуже рідко. Так званий високий вакуум за умови постійної напруги до 20 кВ поверхні катода може обійтися без пробою при напруженості поля порядку 5 МВ/см. Якщо йдеться про аноду, то напруженість має бути в рази вищою. І все ж таки помітне збільшення напруги сприяє тому, що вакуумні електроізоляційні матеріали втрачають свій захисний потенціал. Пробій у цьому випадку моженаступати внаслідок обміну зарядженими частинками зв'язці катод-анод. Діелектрики такого типу найчастіше використовуються в електроніці. Їх застосовують і з метою прискорення електронів у звичайних приладах і в рентгенівських апаратах для забезпечення високовольтних додатків.
Компаунд як основний діелектрик у радіотехніці
Досить практичний у використанні та недорогий спосіб діелектричного захисту. Компаунд наноситься на робочу зону, після чого застигає, повністю знаходячи свої основні функціональні якості. При цьому не можна сказати, що компаунди - це обов'язково тверді електроізоляційні матеріали, оскільки зустрічаються різновиди рідинного типу. Навіть у робочому стані вони не твердіють. Також існують заливальні та просочувальні види даного матеріалу. Відмінною рисою всіх компаундів є відсутність розчинників у складі. Це дає можливість забезпечувати делікатне просочення складних електромеханічних деталей та апаратів.
Сучасні електроізоляційні матеріали
До електроізоляторів нового покоління належить широка група полімерних матеріалів. В основному це плівкові вироби, які забезпечують ефект діелектрика шляхом створення відповідної оболонки. Плівка виготовляється у форматі рулонів, товщина яких варіюється від 5 до 250 мкм. Крім основних електроізоляційних властивостей, такі плівки характеризуються гнучкістю, еластичністю, міцністю та стійкістю на розрив. Зручна у застосуванні та полімерна ізоляційна стрічка, яка має товщину 0,2-0,3 мм. Такі матеріали програють багатьом традиційним діелектрикам лише в одній якості екологічної безпеки. Це не найнешкідливіший матеріал у плані токсичної загрози, тому його використовують здебільшого в промисловості, хоча буваютьта винятки.
Сфери застосування електроізоляторів
Практично всі сфери, у яких задіюється електропроводка, у тому чи іншому вигляді застосовують і діелектричні засоби. Базовим прикладом можна назвати кабелі, які одержують кілька шарів ізоляції – як електричної, так і механічної. Приладобудування можна назвати другою за популярністю сферою використання цієї ізоляції. Від впливу струмів обмежують як окремі деталі апаратної частини, і технологічні вузли в електротехнічних машинах. У будівництві також потрібні засоби ізоляції від струму. Наприклад, у прокладці домашньої та вуличної проводки теж задіяні електроізоляційні матеріали. Застосування діелектриків дозволяє зберегти матеріали, які знаходяться поряд із струмопровідним контуром. У деяких випадках подібна ізоляція виправдовує себе і як засіб зниження втрат в напрузі основної лінії.
Висновок
Спектр варіантів електричної ізоляції досить широкий, що дозволяє цілеспрямовано підібрати матеріал спеціально під конкретні потреби. Наприклад, у побуті поширені твердотілі види електроізоляційних матеріалів, а також діелектрики у формі деталей. У промисловості та будівництві можуть застосовуватися газові та рідинні середовища. Комунальна сфера охоплює практично весь діапазон електричної ізоляції, оскільки умови захисту можуть бути дуже різними.