Nekateri materiali, ki se uporabljajo v električnih napravah in napajalnih vezjih, imajo dielektrične lastnosti, torej imajo visoko odpornost proti toku. Ta sposobnost jim omogoča, da ne prepuščajo toka, zato se uporabljajo za ustvarjanje izolacije za dele, ki prenašajo tok. Električni izolacijski materiali so zasnovani ne le za ločevanje delov, ki vodijo tok, ampak tudi za ustvarjanje zaščite pred nevarnimi učinki električnega toka. Na primer, napajalni kabli električnih naprav so pokriti z izolacijo.
Električni izolacijski materiali in njihove uporabe
Električni izolacijski materiali se pogosto uporabljajo v industriji, izdelavi radia in instrumentov ter razvoju električnih omrežij. Normalno delovanje električnega aparata ali varnost napajalnega tokokroga je v veliki meri odvisna odrabljeni dielektriki. Nekateri parametri materiala, namenjenega za električno izolacijo, določajo njegovo kakovost in zmogljivosti.
Za uporabo izolacijskih materialov veljajo varnostni predpisi. Celovitost izolacije je ključ do varnega dela z električnim tokom. Zelo nevarno je uporabljati naprave s poškodovano izolacijo. Celo majhen električni tok lahko vpliva na človeško telo.
Lastnosti dielektrikov
Električni izolacijski materiali morajo imeti določene lastnosti, da lahko opravljajo svoje funkcije. Glavna razlika med dielektriki in prevodniki je velika prostorninska upornost (109–1020 ohm cm). Električna prevodnost prevodnikov v primerjavi z dielektriki je 15-krat večja. To je posledica dejstva, da imajo izolatorji po svoji naravi nekajkrat manj prostih ionov in elektronov, ki zagotavljajo trenutno prevodnost materiala. Ko pa se material segreje, jih je več, kar prispeva k povečanju električne prevodnosti.
Razlikujte med aktivnimi in pasivnimi lastnostmi dielektrikov. Za izolacijske materiale so najpomembnejše pasivne lastnosti. Dielektrična konstanta materiala mora biti čim nižja. To omogoča, da izolator ne vnaša parazitskih kapacitivnosti v vezje. Za material, ki se uporablja kot dielektrik kondenzatorja, mora biti dielektrična konstanta, nasprotno, čim večja.
Možnosti izolacije
Na glavne parametreelektrična izolacija vključuje električno trdnost, električno upornost, relativno prepustnost, kot dielektrične izgube. Pri ocenjevanju elektroizolacijskih lastnosti materiala se upošteva tudi odvisnost naštetih lastnosti od velikosti električnega toka in napetosti.
Elektroizolacijski izdelki in materiali imajo večjo električno moč v primerjavi s prevodniki in polprevodniki. Za dielektrik je pomembna tudi stabilnost določenih vrednosti med segrevanjem, dvigom napetosti in drugimi spremembami.
Razvrstitev dielektričnih materialov
Odvisno od moči toka, ki teče skozi vodnik, se uporabljajo različne vrste izolacije, ki se razlikujejo po svojih zmožnostih.
Po katerih parametrih se delijo električni izolacijski materiali? Razvrstitev dielektrikov temelji na njihovem agregacijskem stanju (trdno, tekoče in plinasto) in izvoru (organsko: naravno in sintetično, anorgansko: naravno in umetno). Najpogostejša vrsta trdnega dielektrika, ki ga lahko vidimo na kablih gospodinjskih aparatov ali drugih električnih aparatov.
Trdni in tekoči dielektriki so po drugi strani razdeljeni v podskupine. Trdni dielektriki vključujejo lakirane tkanine, laminate in različne vrste sljude. Voski, olja in utekočinjeni plini so tekoči električni izolacijski materiali. Posebni plinasti dielektriki se uporabljajo veliko manj pogosto. Ta vrsta vključuje tudinaravni električni izolator je zrak. Njegova uporaba ni posledica le lastnosti zraka, zaradi katerih je odličen dielektrik, ampak tudi zaradi njegove ekonomičnosti. Uporaba zraka kot izolacije ne zahteva dodatnih materialnih stroškov.
Trdni dielektriki
Trdni električni izolacijski materiali so najširši razred dielektrikov, ki se uporabljajo na različnih področjih. Imajo različne kemične lastnosti, dielektrična konstanta pa se giblje od 1 do 50.000.
Trdne dielektrike delimo na nepolarne, polarne in feroelektrike. Njihove glavne razlike so v mehanizmih polarizacije. Ta razred izolacije ima lastnosti, kot so kemična odpornost, odpornost na sledenje, dendritska odpornost. Kemična odpornost se izraža v sposobnosti, da prenese vpliv različnih agresivnih okolij (kislina, alkalija itd.). Upornost sledenja določa sposobnost, da prenese učinke električnega loka, dendritska odpornost pa določa nastanek dendritov.
Trdni dielektriki se uporabljajo na različnih področjih energije. Na primer, keramični električni izolacijski materiali se najpogosteje uporabljajo kot izolatorji vodov in puš v transformatorskih postajah. Papir, polimeri, steklena vlakna se uporabljajo kot izolacija za električne naprave. Za stroje in naprave se najpogosteje uporabljajo laki, karton, zmes.
Za uporabo v različnih delovnih pogojih ima izolacija nekaj posebnih lastnosti s kombinacijo različnihmateriali: toplotna odpornost, odpornost na vlago, odpornost na sevanje in odpornost proti zmrzovanju. Toplotno odporni izolatorji lahko prenesejo temperature do 700 °C, med njimi so stekla in materiali na njihovi osnovi, organosiliti in nekateri polimeri. Na vlago in tropsko odporen material je fluoroplastika, ki ni higroskopična in hidrofobna.
Izolacija, odporna na sevanje, se uporablja v napravah z atomskimi elementi. Vključuje anorganske filme, nekatere vrste polimerov, steklena vlakna in materiale na osnovi sljude. Odporne proti zmrzali so izolacije, ki ne izgubijo svojih lastnosti pri temperaturah do -90 ° C. Posebne zahteve so postavljene za izolacijo, ki je namenjena napravam, ki delujejo v prostorskih ali vakuumskih pogojih. Za te namene se uporabljajo vakuumsko tesni materiali, ki vključujejo posebno keramiko.
Tekoči dielektriki
Tekoči električni izolacijski materiali se pogosto uporabljajo v električnih strojih in aparatih. Olje igra vlogo izolacije v transformatorju. Med tekoče dielektrike spadajo tudi utekočinjeni plini, nenasičena vazelinska in parafinska olja, poliorganosiloksani, destilirana voda (prečiščena iz soli in nečistoč).
Glavne značilnosti tekočih dielektrikov so dielektrična konstanta, električna trdnost in električna prevodnost. Tudi električni parametri dielektrikov so v veliki meri odvisni od stopnje njihovega čiščenja. Trdne nečistoče lahko povečajo električno prevodnost tekočin zaradi rasti prostih ionov in elektronov. Čiščenje tekočin z destilacijo, ionsko izmenjavo itd. vodi do povečanja električne trdnosti materiala, s čimer se zmanjša njegova električna prevodnost.
Tekoči dielektriki so razdeljeni v tri skupine:
- naftna olja;
- rastlinska olja;
- sintetične tekočine.
Najpogosteje uporabljena olja so naftna olja, kot so transformatorska, kabelska in kondenzatorska olja. Sintetične tekočine (organosilicij in organofluorove spojine) se uporabljajo tudi v aparaturnem inženirstvu. Organosilicijeve spojine so na primer odporne proti zmrzali in higroskopske, zato se uporabljajo kot izolator v majhnih transformatorjih, vendar so njihovi stroški višji od cene naftnih olj.
Rastlinska olja se praktično ne uporabljajo kot izolacijski materiali v električni izolacijski tehnologiji. Sem spadajo ricinusovo, laneno, konopljino in tungovo olje. Ti materiali so šibko polarni dielektriki in se večinoma uporabljajo za impregniranje papirnih kondenzatorjev in kot sredstvo za tvorbo filma v električnih izolacijskih lakih, barvah in emajlih.
Plinski dielektriki
Najpogostejši plinasti dielektriki so zrak, dušik, vodik in plin SF6. Električne izolacijske pline delimo na naravne in umetne. Naravni zrak se uporablja kot izolacija med tokovnimi deli daljnovodov in električnih strojev. Zrak ima kot izolator pomanjkljivosti, ki onemogočajo njegovo uporabo v zaprtih napravah. Zaradi prisotnosti visoke koncentracije kisika je zrak oksidant, v nehomogenih poljih pa se pojavi nizka električna moč zraka.
Napajalni transformatorji in visokonapetostni kabli uporabljajo dušik kot izolacijo. Vodik je poleg tega, da je električno izolacijski material, tudi prisilno hlajenje, zato se pogosto uporablja v električnih strojih. V zaprtih instalacijah se najpogosteje uporablja SF6. Polnjenje s plinom SF6 naredi napravo protieksplozijsko varno. Zaradi lastnosti gašenja obloka se uporablja v visokonapetostnih odklopnikih.
organski dielektriki
Organske dielektrične materiale delimo na naravne in sintetične. Naravni organski dielektriki se trenutno uporabljajo izjemno redko, saj se proizvodnja sintetičnih vedno bolj širi in s tem znižuje njihove stroške.
Naravni organski dielektriki vključujejo celulozo, gumo, parafin in rastlinska olja (ricinusovo olje). Večina sintetičnih organskih dielektrikov so različne plastike in elastomeri, ki se pogosto uporabljajo v električnih gospodinjskih aparatih in drugi opremi.
anorganski dielektriki
Anorganske dielektrične materiale delimo na naravne in umetne. Najpogostejši naravni material je sljuda, ki ima kemično in toplotno odpornost. Flogopit in muskovit se uporabljata tudi za električno izolacijo.
Za umetno anorganskodielektriki vključujejo steklo in materiale na njegovi osnovi ter porcelan in keramiko. Umetnemu dielektriku lahko damo posebne lastnosti glede na uporabo. Na primer, feldspat keramika se uporablja za puše, ki imajo visok tangent dielektričnih izgub.
Vlakneni električni izolacijski materiali
Vlakneni materiali se pogosto uporabljajo za izolacijo v električnih aparatih in strojih. Sem spadajo materiali rastlinskega izvora (guma, celuloza, tkanine), sintetični tekstil (najlon, kapron), pa tudi materiali iz polistirena, poliamida itd.
Organski vlaknasti materiali so zelo higroskopni, zato se le redko uporabljajo brez posebne impregnacije.
Zadnje čase se namesto organskih materialov uporablja izolacija iz sintetičnih vlaken, ki imajo višjo stopnjo toplotne odpornosti. Sem spadajo steklena vlakna in azbest. Steklena vlakna so impregnirana z različnimi laki in smolami, da se povečajo njegove hidrofobne lastnosti. Azbestna vlakna imajo nizko mehansko trdnost, zato se jim pogosto dodajo bombažna vlakna.
