Някои материали, използвани в електрически уреди и захранващи вериги, имат диелектрични свойства, тоест имат висока устойчивост на ток. Тази способност им позволява да не пропускат ток и следователно се използват за създаване на изолация на токопроводящи части. Електрическите изолационни материали са предназначени не само за отделяне на токопроводящи части, но и за създаване на защита срещу опасното въздействие на електрическия ток. Например захранващите кабели на електрическите уреди са покрити с изолация.
Електроизолационни материали и техните приложения
Електроизолационните материали са широко използвани в индустрията, радио и инструментостроенето и развитието на електрически мрежи. Нормалната работа на електрически уред или безопасността на захранващата верига зависи до голяма степен отизползвани диелектрици. Някои параметри на материала, предназначен за електрическа изолация, определят неговото качество и възможности.
Използването на изолационни материали е предмет на разпоредбите за безопасност. Целостта на изолацията е ключът към безопасната работа с електрически ток. Много е опасно да се използват устройства с повредена изолация. Дори лек електрически ток може да има ефект върху човешкото тяло.
Свойства на диелектриците
Електроизолационните материали трябва да имат определени свойства, за да изпълняват функциите си. Основната разлика между диелектриците и проводниците е голямото обемно съпротивление (109–1020 ohm cm). Електрическата проводимост на проводниците в сравнение с диелектриците е 15 пъти по-голяма. Това се дължи на факта, че изолаторите по своето естество имат няколко пъти по-малко свободни йони и електрони, които осигуряват текущата проводимост на материала. Но когато материалът се нагрява, има повече от тях, което допринася за увеличаване на електрическата проводимост.
Разграничаване между активни и пасивни свойства на диелектриците. За изолационните материали пасивните свойства са най-важни. Диелектричната константа на материала трябва да бъде възможно най-ниска. Това позволява на изолатора да не въвежда паразитни капацитети във веригата. За материала, който се използва като диелектрик на кондензатор, диелектричната константа трябва, напротив, да бъде възможно най-голяма.
Опции за изолация
Към основните параметриелектрическата изолация включва електрическа якост, електрическо съпротивление, относителна проницаемост, ъгъл на диелектрична загуба. При оценка на електроизолационните свойства на материала се взема предвид и зависимостта на изброените характеристики от величините на електрическия ток и напрежение.
Електроизолационните продукти и материали имат по-голяма електрическа якост в сравнение с проводниците и полупроводниците. Също така важна за диелектрика е стабилността на специфични стойности по време на нагряване, повишаване на напрежението и други промени.
Класификация на диелектричните материали
В зависимост от силата на тока, преминаващ през проводника, се използват различни видове изолация, които се различават по своите възможности.
Според какви параметри се разделят електрическите изолационни материали? Класификацията на диелектриците се основава на тяхното агрегатно състояние (твърди, течни и газообразни) и произход (органични: естествени и синтетични, неорганични: естествени и изкуствени). Най-често срещаният тип твърд диелектрик, който може да се види на кабелите на домакински уреди или други електрически уреди.
Твърдите и течните диелектрици от своя страна са разделени на подгрупи. Твърдите диелектрици включват лакирани тъкани, ламинати и различни видове слюда. Восъците, маслата и втечнените газове са течни електроизолационни материали. Специалните газообразни диелектрици се използват много по-рядко. Този тип също включваестественият електрически изолатор е въздух. Използването му се дължи не само на характеристиките на въздуха, които го правят отличен диелектрик, но и на неговата икономичност. Използването на въздух като изолация не изисква допълнителни материални разходи.
Твърди диелектрици
Твърдите електрически изолационни материали са най-широкият клас диелектрици, които се използват в различни области. Те имат различни химични свойства, а диелектричната константа варира от 1 до 50 000.
Твърдите диелектрици се делят на неполярни, полярни и фероелектрици. Основните им разлики са в механизмите на поляризация. Този клас изолация има такива свойства като химическа устойчивост, устойчивост на проследяване, устойчивост на дендрити. Химическата устойчивост се изразява в способността да издържат на влиянието на различни агресивни среди (киселина, алкали и др.). Съпротивлението на проследяването определя способността да се издържа на въздействието на електрическа дъга, а дендритното съпротивление определя образуването на дендрити.
Твърдите диелектрици се използват в различни области на енергията. Например, керамичните електрически изолационни материали най-често се използват като изолатори на линии и втулки в подстанциите. Като изолация на електрически уреди се използват хартия, полимери, фибростъкло. За машини и устройства най-често се използват лакове, картон, смес.
За използване при различни работни условия, изолацията получава някои специални свойства чрез комбиниране на различниматериали: устойчивост на топлина, устойчивост на влага, устойчивост на радиация и устойчивост на замръзване. Топлоустойчивите изолатори са в състояние да издържат на температури до 700 °C, те включват стъкла и материали на тяхна основа, органосилити и някои полимери. Влагоустойчивият и тропически устойчив материал е флуоропласт, който е нехигроскопичен и хидрофобен.
Устойчива на радиация изолация се използва в устройства с атомни елементи. Той включва неорганични филми, някои видове полимери, фибростъкло и материали на базата на слюда. Устойчиви на замръзване са изолациите, които не губят свойствата си при температури до -90°C. Специални изисквания се поставят към изолацията, предназначена за устройства, работещи в космически или вакуумни условия. За тези цели се използват вакуумоустойчиви материали, които включват специална керамика.
Течни диелектрици
Течните електрически изолационни материали често се използват в електрически машини и апарати. Маслото играе ролята на изолация в трансформатора. Течните диелектрици включват също втечнени газове, ненаситени вазелинови и парафинови масла, полиорганосилоксани, дестилирана вода (пречистена от соли и примеси).
Основните характеристики на течните диелектрици са диелектрична константа, електрическа якост и електрическа проводимост. Също така, електрическите параметри на диелектриците до голяма степен зависят от степента на тяхното пречистване. Твърдите примеси могат да увеличат електрическата проводимост на течностите поради растежа на свободните йони и електрони. Пречистване на течности чрез дестилация, йонообмен и др. води до увеличаване на електрическата якост на материала, като по този начин намалява неговата електрическа проводимост.
Течните диелектрици са разделени на три групи:
- нефтени масла;
- растителни масла;
- синтетични течности.
Най-често използваните масла са петролни масла като трансформаторни, кабелни и кондензаторни масла. Синтетичните течности (органосилиций и органофлуорни съединения) също се използват в апаратната техника. Например, органосилициевите съединения са устойчиви на замръзване и хигроскопични, така че се използват като изолатор в малки трансформатори, но цената им е по-висока от цената на петролните масла.
Растителните масла практически не се използват като изолационни материали в електроизолационната технология. Те включват рициново, ленено, конопено и тунгово масло. Тези материали са слабо полярни диелектрици и се използват главно за импрегниране на хартиени кондензатори и като филмообразуващ агент в електрически изолационни лакове, бои и емайли.
Газови диелектрици
Най-често срещаните газообразни диелектрици са въздух, азот, водород и SF6 газ. Електрическите изолационни газове се делят на естествени и изкуствени. Естественият въздух се използва като изолация между токопроводящите части на електропроводите и електрическите машини. Като изолатор въздухът има недостатъци, които правят невъзможно използването му в запечатани устройства. Поради наличието на висока концентрация на кислород, въздухът е окислител, а в нехомогенни полета се появява ниска електрическа якост на въздуха.
Силовите трансформатори и високоволтовите кабели използват азот като изолация. Водородът, освен че е електроизолационен материал, е и принудително охлаждане, поради което често се използва в електрическите машини. В херметични инсталации най-често се използва SF6. Пълненето с газ SF6 прави устройството взривобезопасно. Използва се във високоволтови прекъсвачи поради свойствата си за гасене на дъга.
Органични диелектрици
Органичните диелектрични материали се делят на естествени и синтетични. Понастоящем естествените органични диелектрици се използват изключително рядко, тъй като производството на синтетични диелектрици се разширява все повече и повече, като по този начин се намалява цената им.
Към естествените органични диелектрици включват целулоза, каучук, парафин и растителни масла (рициново масло). Повечето от синтетичните органични диелектрици са различни пластмаси и еластомери, често използвани в електрически домакински уреди и друго оборудване.
Неорганични диелектрици
Неорганичните диелектрични материали се делят на естествени и изкуствени. Най-разпространеният от естествените материали е слюдата, която има химическа и термична устойчивост. Флогопит и мусковит също се използват за електрическа изолация.
До изкуствени неорганичнидиелектриците включват стъкло и материали на негова основа, както и порцелан и керамика. В зависимост от приложението, изкуственият диелектрик може да получи специални свойства. Например, фелдшпатовата керамика се използва за втулки, които имат висока тангенс на диелектрични загуби.
Влакнести електроизолационни материали
Влакнестите материали често се използват за изолация в електрически апарати и машини. Те включват материали от растителен произход (каучук, целулоза, тъкани), синтетичен текстил (найлон, капрон), както и материали от полистирол, полиамид и др.
Органичните влакнести материали са силно хигроскопични, така че рядко се използват без специално импрегниране.
Напоследък вместо органични материали се използва изолация от синтетични влакна, които имат по-високо ниво на топлоустойчивост. Те включват стъклени влакна и азбест. Стъкленото влакно е импрегнирано с различни лакове и смоли за повишаване на хидрофобните му свойства. Азбестовите влакна имат ниска механична якост, така че към тях често се добавят памучни влакна.
