Електроізоляційні матеріали та їх класифікація. Волокнисті електроізоляційні матеріали

Електроізоляційні матеріали та їх класифікація. Волокнисті електроізоляційні матеріали

Деякі матеріали, що використовуються в електричних приладах і схемах електропостачання, мають діелектричні властивості, тобто мають великий опір струму. Ця здатність дозволяє їм не пропускати струм, а тому їх використовують для створення ізоляції струмоведучих частин. Електроізоляційні матеріали призначені не тільки для поділу струмоведучих частин, а й для створення захисту від небезпечного впливу електричного струму. Наприклад, шнури живлення електричних приладів покриті ізоляцією.

Електроізоляційні матеріали та їх застосування

Електроізоляційні матеріали широко застосовуються в промисловості, радіо- та приладобудуванні, розвитку електричних мереж. Нормальна робота електричного приладу або безпека схеми електропостачання багато в чому залежить від використовуваних діелектриків. Деякі параметри матеріалу, призначеного для електричної ізоляції, визначають його якість і можливості.

Застосування ізоляційних матеріалів обумовлено правилами безпеки. Цілісність ізоляції є запорукою безпечної роботи з електричним струмом. Дуже небезпечно використовувати прилади з пошкодженою ізоляцією. Навіть незначний електричний струм може вплинути на організм людини.

Властивості діелектриків

Електроізоляційні матеріали повинні мати певні властивості, щоб виконувати свої функції. Головною відмінністю діелектриків від провідників є велика величина питомого об 'ємного опору (109-1020 ом · см). Електрична провідність провідників порівняно з діелектриками разів у 15 разів більша. Це пов 'язано з тим, що ізолятори за своєю природою мають у кілька разів менше вільних іонів та електронів, які забезпечують струмопровідність матеріалу. Але при нагріванні матеріалу їх стає більше, що сприяє збільшенню струмопровідності.

Розрізняють активні та пасивні властивості діелектриків. Для ізоляційних матеріалів найбільш важливі пасивні властивості. Діелектрична проникність матеріалу повинна бути якомога меншою. Це дозволяє ізолятору не вносити в схему паразитні ємності. Для матеріалу, який використовується в якості діелектрика конденсатора, діелектрична проникність повинна бути, навпаки, якомога більшою.

Параметри ізоляції

До основних параметрів електроізоляції відносять електричну міцність, питомий електричний опір, відносну діелектричну проникність, кут діелектричних втрат. При оцінці електроізоляційних властивостей матеріалу враховується також залежність перерахованих характеристик від величин електричного струму і напруги.

Електроізоляційні вироби і матеріали володіють більшою величиною електричної міцності в порівнянні з провідниками і напівпровідниками. Важлива також для діелектрика стабільність питомих величин при нагріванні, підвищенні напруги та інших змінах.

Класифікація діелектричних матеріалів

Залежно від потужності струму, що проходить по провіднику, використовують різні типи ізоляції, які відрізняються своїми можливостями.

За якими ж параметрами ділять електроізоляційні матеріали? Класифікація діелектриків заснована на їх агрегатному стані (тверді, рідкі та газоподібні) і походженні (органічні: природні та синтетичні, неорганічні: природні та штучні). Найбільш поширений тип твердих діелектриків, які можна побачити на шнурах побутової техніки або будь-яких інших електричних приладів.

Тверді та рідкі діелектрики, в свою чергу, діляться на підгрупи. До твердих діелектрик належать лакоткані, слоїсті пластики і різні види слюди. Воски, олії та зріджені гази являють собою рідкі електроізоляційні матеріали. Спеціальні газоподібні діелектрики використовуються набагато рідше. До цього типу також належить природний електричний ізолятор - повітря. Його використання обумовлено не тільки характеристиками повітря, які роблять його прекрасним діелектриком, але і його економічністю. Застосування повітря як ізоляції не потребує додаткових матеріальних витрат.

Тверді діелектрики

Тверді електроізоляційні матеріали - найбільш широкий клас діелектриків, які застосовуються в різних областях. Вони мають різні хімічні властивості, а величина діелектричної проникності коливається від 1 до 50000.

Тверді діелектрики поділяються на неполярні, полярні та сегнетоелектрики. Їх головні відмінності полягають у механізмах поляризації. Цей клас ізоляції має такі властивості, як хімічна стійкість, трекінгостійкість, дендритостійкість. Хімічна стійкість виражається в здатності протистояти впливу різним агресивним середовищам (кислота, клацання тощо). Трегінгостійкість визначає можливість протистояти впливу електричної дуги, а дендритостійкість - утворення дендритів.

Тверді діелектрики застосовуються в різних сферах енергетики. Наприклад, керамічні електроізоляційні матеріали найбільш часто використовуються в якості лінійних і прохідних ізоляторів на підстанціях. Як ізоляцію електричних приладів використовують папір, полімери, склотекстоліт. Для машин і апаратів найчастіше застосовують лаки, картон, компаунд.

Для застосування в різних умовах експлуатації ізоляції надають деякі особливі властивості шляхом поєднання різних матеріалів: нагревостійкість, вологостійкість, радіаційна стійкість і морозостійкість. Нагревостійкі ізолятори здатні витримувати температури до 700 ° С, до них належать скло і матеріали на їх основі, органосиліти і деякі полімери. Вологостійким і тропікостійким матеріалом є фторопласт, який негігроскопічний і гідрофобний.

Ізоляція, стійка до радіації використовується в приладах з атомними елементами. До неї належать неорганічні плівки, деякі види полімерів, склотекстоліт і матеріали на основі слюди. Морозостійкими вважаються ізоляції, які не втрачають своїх властивостей при температурі до -90 ° С. Особливі вимоги пред 'являються до ізоляції, призначеної для приладів, що працюють в космосі або умовах вакууму. Для цих цілей застосовуються вакуумно-щільні матеріали, до яких належить спеціальна кераміка.

Рідкі діелектрики

Рідкі електроізоляційні матеріали часто застосовуються в електричних машинах і апаратах. У трансформаторі роль ізоляції відіграє масло. До рідких діелектрик також відносять зріджені гази, ненасичені вазелінові та парафінові масла, поліорганосилоксани, дистильована вода (очищена від солей і домішок).

Основними характеристиками рідких діелектриків є діелектрична проникність, електрична міцність і електропровідність. Також електричні параметри діелектриків багато в чому залежать від ступеня їх очищення. Тверді домішки можуть збільшувати електропровідність рідин за рахунок розростання вільних іонів та електронів. Очищення рідин шляхом дистиляції, іонним обміном і т. д. призводить до зростання величини електричної міцності матеріалу, тим самим знижуючи його електропровідність.

Рідкі діелектрики поділяють на три групи:

  • нафтові олії;
  • рослинні олії;
  • синтетичні рідини.

Найбільш часто використовуються нафтові масла, такі як трансформаторна, кабельна і конденсаторна. Синтетичні рідини (кремнійорганічні та фторорганічні сполуки) також використовуються в апаратобудуванні. Наприклад, кремнійорганічні сполуки морозостійкі і гігроскопічні, тому застосовуються в якості ізолятора в невеликих трансформаторах, але їх вартість вище ціни нафтових масел.

Рослинні олії практично не використовуються як ізоляційні матеріали в електроізоляційній техніці. До них належать касторове, лляне, конопляне і тунгове масло. Ці матеріали являють собою слабополярні діелектрики і використовуються в основному для просочення паперових конденсаторів і в якості плівкоутворюючої речовини в електроізоляційних лаках, фарбах, емалях.

Газоподібні діелектрики

Найбільш поширеними газоподібними діелектриками є повітря, азот, водень та елегаз. Електроізоляційні гази поділяються на природні та штучні. До природних відноситься повітря, які застосовується в якості ізоляції між струмоведучими частинами ліній електропередач і електричних машин. Як ізолятор повітря має недоліки, які унеможливлює його використання в герметичних пристроях. Через наявність високої концентрації кисню повітря є окислювачем, і в неоднорідних полях проявляється низька електрична міцність повітря.

У силових трансформаторах і високовольтних кабелях як ізоляцію використовують азот. Водень, крім електроізоляційного матеріалу, також є примусовим охолодженням, тому часто використовується в електричних машинах. У герметизованих установках найчастіше застосовують елегаз. Заповнення елегазом робить пристрій вибухобезпечним. Застосовується у високовольтних вимикачах завдяки своїм дугогасним властивостям.

Органічні діелектрики

Органічні діелектричні матеріали поділяються на природні та синтетичні. Природні органічні діелектрики в даний час використовуються вкрай рідко, так все більше розширюється виробництво синтетичних, тим самим знижуючи їх вартість.

До природних органічних діелектрик відносять целюлозу, каучук, парафін і рослинні олії (касторове масло). Більшу частину синтетичних органічних діелектриків представляють різні пластмаси та еластомери, які часто використовуються в електричних побутових приладах та іншій техніці.

Неорганічні діелектрики

Неорганічні діелектричні матеріали ділять на природні та штучні. Найбільш поширеним з природних матеріалів є слюда, яка володіє хімічною і термічною стійкістю. Також для електроізоляції використовують флогопит і мусковит.

До штучних неорганічних діелектрик відносять скло і матеріали на його основі, а також фарфор і кераміку. Залежно від області застосування штучному діелектрику можна надати особливих властивостей. Наприклад, для прохідних ізоляторів використовують польовошпатову кераміку, яка має високий тангенс діелектричних втрат.

Волокнисті електроізоляційні матеріали

Волокнисті матеріали часто застосовуються для ізоляції в електричних апаратах і машинах. До них відносять матеріали рослинного походження (каучук, целюлозу, тканини), синтетичний текстиль (нейлон, капрон), а також матеріали з полістиролу, поліаміду тощо.

Органічні волокнисті матеріали мають високу гігроскопічність, тому рідко використовуються без спеціальної просочення.

Останнім часом замість органічних матеріалів застосовують синтетичні волокнисті ізоляції, які мають вищий рівень нагревостійкості. До них відноситься скляне волокно і азбест. Скляне волокно просочують різними лаками і смолами для підвищення його гідрофобних властивостей. Азбестове волокно має малу механічну міцність, тому нерідко в нього додають бавовняне волокно.