Niektoré materiály používané v elektrických spotrebičoch a napájacích obvodoch majú dielektrické vlastnosti, to znamená, že majú vysokú odolnosť voči prúdu. Táto schopnosť im umožňuje neprechádzať prúdom, a preto sa používajú na vytvorenie izolácie pre časti vedúce prúd. Elektroizolačné materiály sú určené nielen na oddelenie častí vedúcich prúd, ale aj na vytvorenie ochrany pred nebezpečnými účinkami elektrického prúdu. Napríklad napájacie káble elektrických spotrebičov sú pokryté izoláciou.
Elektroizolačné materiály a ich aplikácie
Elektrické izolačné materiály sú široko používané v priemysle, výrobe rádií a prístrojov a pri vývoji elektrických sietí. Normálna prevádzka elektrického spotrebiča alebo bezpečnosť napájacieho obvodu závisí vo veľkej miere odpoužité dielektrikum. Niektoré parametre materiálu určeného na elektrickú izoláciu určujú jeho kvalitu a schopnosti.
Používanie izolačných materiálov podlieha bezpečnostným predpisom. Integrita izolácie je kľúčom k bezpečnej práci s elektrickým prúdom. Je veľmi nebezpečné používať zariadenia s poškodenou izoláciou. Aj malý elektrický prúd môže mať vplyv na ľudské telo.
Vlastnosti dielektrika
Elektroizolačné materiály musia mať určité vlastnosti, aby mohli plniť svoje funkcie. Hlavným rozdielom medzi dielektrikami a vodičmi je veľký objemový odpor (109–1020 ohm cm). Elektrická vodivosť vodičov v porovnaní s dielektrikami je 15-krát väčšia. Je to spôsobené tým, že izolanty majú zo svojej podstaty niekoľkonásobne menej voľných iónov a elektrónov, ktoré zabezpečujú prúdovú vodivosť materiálu. Ale keď sa materiál zahrieva, je ich viac, čo prispieva k zvýšeniu elektrickej vodivosti.
Rozlišujte medzi aktívnymi a pasívnymi vlastnosťami dielektrík. Pre izolačné materiály sú najdôležitejšie pasívne vlastnosti. Dielektrická konštanta materiálu by mala byť čo najnižšia. To umožňuje, aby izolátor nevnášal do obvodu parazitné kapacity. Pre materiál, ktorý sa používa ako dielektrikum kondenzátora, by naopak dielektrická konštanta mala byť čo najväčšia.
Možnosti izolácie
Na hlavné parametreelektrická izolácia zahŕňa elektrickú pevnosť, elektrický odpor, relatívnu permitivitu, uhol dielektrickej straty. Pri hodnotení elektroizolačných vlastností materiálu sa berie do úvahy aj závislosť uvedených charakteristík na veľkostiach elektrického prúdu a napätia.
Elektroizolačné výrobky a materiály majú väčšiu elektrickú pevnosť v porovnaní s vodičmi a polovodičmi. Pre dielektrikum je tiež dôležitá stabilita špecifických hodnôt pri zahrievaní, zvyšovaní napätia a iných zmenách.
Klasifikácia dielektrických materiálov
V závislosti od výkonu prúdu prechádzajúceho vodičom sa používajú rôzne typy izolácie, ktoré sa líšia svojimi schopnosťami.
Podľa akých parametrov sa delia elektroizolačné materiály? Klasifikácia dielektrík je založená na ich stave agregácie (tuhé, kvapalné a plynné) a pôvodu (organické: prírodné a syntetické, anorganické: prírodné a umelé). Najbežnejší typ pevného dielektrika, ktorý možno vidieť na kábloch domácich spotrebičov alebo akýchkoľvek iných elektrických spotrebičov.
Pevné a kvapalné dielektriká sa delia do podskupín. Pevné dielektriká zahŕňajú lakované tkaniny, lamináty a rôzne druhy sľudy. Vosky, oleje a skvapalnené plyny sú tekuté elektrické izolačné materiály. Špeciálne plynné dielektrika sa používajú oveľa menej často. Tento typ zahŕňa ajprirodzeným elektrickým izolantom je vzduch. Jeho použitie je spôsobené nielen vlastnosťami vzduchu, ktoré z neho robia vynikajúce dielektrikum, ale aj jeho hospodárnosťou. Použitie vzduchu ako izolácie si nevyžaduje dodatočné materiálové náklady.
Pevné dielektrika
Pevné elektroizolačné materiály sú najširšou triedou dielektrík, ktoré sa používajú v rôznych oblastiach. Majú rôzne chemické vlastnosti a dielektrická konštanta sa pohybuje od 1 do 50 000.
Pevné dielektriká sa delia na nepolárne, polárne a feroelektriká. Ich hlavné rozdiely sú v mechanizmoch polarizácie. Táto trieda izolácie má také vlastnosti, ako je chemická odolnosť, odolnosť proti pohybu, dendritická odolnosť. Chemická odolnosť je vyjadrená v schopnosti odolávať vplyvu rôznych agresívnych prostredí (kyseliny, zásady atď.). Trasovací odpor určuje schopnosť odolať účinkom elektrického oblúka a dendritický odpor určuje tvorbu dendritov.
Pevné dielektriká sa používajú v rôznych oblastiach energetiky. Napríklad keramické elektrické izolačné materiály sa najčastejšie používajú ako izolátory vedení a priechodiek v rozvodniach. Ako izolácia elektrických spotrebičov sa používa papier, polyméry, sklolaminát. Na stroje a zariadenia sa najčastejšie používajú laky, lepenka, zmes.
Na použitie v rôznych prevádzkových podmienkach získava izolácia niektoré špeciálne vlastnosti kombináciou rôznychmateriály: tepelná odolnosť, odolnosť proti vlhkosti, odolnosť proti žiareniu a mrazuvzdornosť. Tepelne odolné izolanty sú schopné odolávať teplotám do 700 °C, patria sem sklá a materiály na nich založené, organosility a niektoré polyméry. Materiál odolný voči vlhkosti a tropickým vplyvom je fluoroplast, ktorý je nehygroskopický a hydrofóbny.
V zariadeniach s atómovými prvkami sa používa izolácia odolná voči žiareniu. Zahŕňa anorganické filmy, niektoré typy polymérov, sklolaminát a materiály na báze sľudy. Mrazuvzdorné sú izolácie, ktoré nestrácajú svoje vlastnosti pri teplotách do -90°C. Špeciálne požiadavky sú kladené na izoláciu určenú pre zariadenia pracujúce vo vesmíre alebo vo vákuu. Na tieto účely sa používajú vákuovo nepriepustné materiály, medzi ktoré patrí špeciálna keramika.
Kvapalné dielektriká
V elektrických strojoch a prístrojoch sa často používajú tekuté elektroizolačné materiály. Olej hrá úlohu izolácie v transformátore. Kvapalné dielektriká tiež zahŕňajú skvapalnené plyny, nenasýtenú vazelínu a parafínové oleje, polyorganosiloxány, destilovanú vodu (čistenú od solí a nečistôt).
Hlavnými charakteristikami kvapalných dielektrík sú dielektrická konštanta, elektrická pevnosť a elektrická vodivosť. Elektrické parametre dielektrík tiež do značnej miery závisia od stupňa ich čistenia. Pevné nečistoty môžu zvýšiť elektrickú vodivosť kvapalín v dôsledku rastu voľných iónov a elektrónov. Čistenie kvapalín destiláciou, iónovou výmenou atď. vedie k zvýšeniu elektrickej pevnosti materiálu, čím sa znižuje jeho elektrická vodivosť.
Kvapalné dielektriká sa delia do troch skupín:
- ropné oleje;
- rastlinné oleje;
- syntetické tekutiny.
Najbežnejšie používané oleje sú ropné oleje, ako sú transformátorové, káblové a kondenzátorové oleje. Syntetické kvapaliny (organokremičité a organofluórové zlúčeniny) sa tiež používajú v prístrojovej technike. Organokremičité zlúčeniny sú napríklad mrazuvzdorné a hygroskopické, takže sa používajú ako izolant v malých transformátoroch, ale ich cena je vyššia ako cena ropných olejov.
Rastlinné oleje sa prakticky nepoužívajú ako izolačné materiály v elektroizolačnej technike. Patria sem ricínový, ľanový, konopný a tungový olej. Tieto materiály sú slabo polárne dielektriká a používajú sa hlavne na impregnáciu papierových kondenzátorov a ako filmotvorné činidlo v elektroizolačných lakoch, farbách a emailoch.
Plynové dielektriká
Najčastejšími plynnými dielektrikami sú vzduch, dusík, vodík a plyn SF6. Elektroizolačné plyny sa delia na prírodné a umelé. Prírodný vzduch sa používa ako izolácia medzi časťami elektrického vedenia a elektrických strojov, ktoré vedú prúd. Ako izolant má vzduch nevýhody, ktoré znemožňujú jeho použitie v utesnených zariadeniach. V dôsledku vysokej koncentrácie kyslíka je vzduch oxidačným činidlom a v nehomogénnych poliach sa prejavuje nízka elektrická sila vzduchu.
Výkonové transformátory a vysokonapäťové káble používajú ako izoláciu dusík. Vodík okrem toho, že je elektricky izolačným materiálom, je aj nútené chladenie, preto sa často používa v elektrických strojoch. V utesnených inštaláciách sa najčastejšie používa SF6. Plnenie plynom SF6 robí zariadenie odolným voči výbuchu. Používa sa vo vysokonapäťových ističoch vďaka svojim vlastnostiam zhášania oblúka.
Organické dielektrikum
Organické dielektrické materiály sa delia na prírodné a syntetické. Prírodné organické dielektrika sa v súčasnosti používajú veľmi zriedkavo, keďže výroba syntetických sa čoraz viac rozširuje, čím sa znižuje ich cena.
K prírodným organickým dielektrikám patrí celulóza, guma, parafín a rastlinné oleje (ricínový olej). Väčšina syntetických organických dielektrík sú rôzne plasty a elastoméry často používané v elektrických domácich spotrebičoch a iných zariadeniach.
Anorganické dielektrikum
Anorganické dielektrické materiály sa delia na prírodné a umelé. Z prírodných materiálov je najrozšírenejšia sľuda, ktorá má chemickú a tepelnú odolnosť. Flogopit a muskovit sa tiež používajú na elektrickú izoláciu.
Na umelé anorganickédielektriká zahŕňajú sklo a materiály na ňom založené, ako aj porcelán a keramiku. V závislosti od aplikácie môže mať umelé dielektrikum špeciálne vlastnosti. Napríklad živcová keramika sa používa na puzdrá, ktoré majú vysokú tangentu dielektrických strát.
Vláknité elektroizolačné materiály
Vláknité materiály sa často používajú na izoláciu elektrických zariadení a strojov. Patria sem materiály rastlinného pôvodu (guma, celulóza, tkaniny), syntetické textílie (nylon, kapron), ako aj materiály vyrobené z polystyrénu, polyamidu atď.
Organické vláknité materiály sú vysoko hygroskopické, takže sa zriedka používajú bez špeciálnej impregnácie.
V poslednom čase sa namiesto organických materiálov používajú izolácie zo syntetických vlákien, ktoré majú vyššiu tepelnú odolnosť. Patria sem sklenené vlákna a azbest. Sklenené vlákno je impregnované rôznymi lakmi a živicami pre zvýšenie jeho hydrofóbnych vlastností. Azbestové vlákno má nízku mechanickú pevnosť, preto sa k nemu často pridáva bavlnené vlákno.
