Електроізоляційні матеріали і їх класифікація. Волокнисті електроізоляційні матеріали

Деякі матеріали, використовувані в електричних приладах і схемах електропостачання, володіють діелектричними властивостями, тобто мають великий опір току. Ця здатність дозволяє їм не пропускати струм, а тому їх використовують для створення ізоляції струмоведучих частин. Електроізоляційні матеріали призначені не тільки для розділення струмоведучих частин, але і 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- і приладобудуванні, розвитку електричних мереж. Нормальна робота електричного приладу або безпеку 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. Вельми 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 омmiddot-см). Електрична провідність провідників у порівнянні з діелектриками раз в 15 разів більше. Це пов`язано з тим, що ізолятори за своєю природою мають у кілька разів менше вільних іонів і електронів, які забезпечують токопроводімость матеріалу. Але при нагріванні матеріалу їх стає більше, що сприяє збільшенню токопроводімость.

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

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 напрузі та інші зміни.

Класифікація діелектричних матеріалів

В залежності 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 походженням (органічні: природні і синтетичні, неорганічні: природні та штучні). Найбільш поширений тип твердих діелектриків, які можна побачити на шнурах побутової техніки або будь-яких інших електричних приладів.

Тверді і рідкі діелектрики, у свою чергу, діляться на підгрупи. До твердих діелектриків відносяться лакоткани, шаруваті пластики і різні види слюди. Віск, масла і зріджені гази являють собою рідкі електроізоляційні матеріали. Спеціальні газоподібні діелектрики використовуються набагато рідше. До цього типу також відноситься природний електричний ізолятор - повітря. Його використання обумовлене не тільки характеристиками повітря, які роблять його прекрасним діелектриком, але і його економічністю. Застосування повiтря в якості ізоляції не вимагає 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 50 000.

Тверді діелектрики діляться на неполярні, полярні і сегнетоелектрики. Їх головні відмінності полягають у механізмах поляризації. Цей клас ізоляції має такі властивості, як хімічна стійкість, трекінгостійкості, дендрітостойкость. Хімічна стійкість виражається у здатності протистояти впливу різних агресивних середовищ (кислота, луг і т.д.). Трегінгостойкость визначає можливість протистояти впливу електричної дуги, а дендрітостойкость - утворенню дендритів.

Тверді діелектрики застосовуються в різних сферах енергетики. Наприклад, керамічні електроізоляційні матеріали найбільш часто використовуються в якості лінійних і прохідних ізоляторів на підстанціях. В якості ізоляції 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: нагревостойкость, вологостійкість, радіаційна стійкість і морозостійкість. Нагревостойкие ізолятори здатні витримувати температури до 700 ° С, до них відносяться скла і матеріали на їх основі, органосіліти і деякі полімери. Вологостійким і тропікостойкім матеріалом є фторопласт, який негигроскопичен і гидрофобен.

Ізоляція, стійка до радіації використовується в приладах з атомними елементами. До неї відносяться 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 чи 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 грає масло. До рідких діелектриків також відносять зріджені гази, ненасичені вазелінові і 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 в чому залежать від ступеня їх очищення. Тверді домішки можуть збільшувати електропровідність рідин за рахунок розростання вільних іонів і 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 масла;
• синтетичні рідини.

Найбільш часто використовуються нафтові олії, такі як трансформаторне, кабельне та конденсаторне. Синтетичні рідини (кремнійорганічні і фторорганические з`єднання) також використовуються в апаратобудуванні. Наприклад, кремнійорганічні сполуки морозостійкі і гігроскопічні, тому застосовуються як ізолятор в невеликих трансформаторах, але їх вартість вище ціни нафтових масел.

Рослинні масла практично не використовуються в якості ізоляційних матеріалів у електроізоляційної техніці. До них відносяться рицинова, льняне, конопляне і тунговое масло. Ці матеріали являють собою слабополярной діелектрики і використовуються в основному для просочення паперових конденсаторів і в якості пленкообразующего речовини в електроізоляційних лаках, фарбах, емалях.

Газоподібні діелектрики

Найбільш поширеними газоподібними діелектриками є повітря, азот, водень і 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. В якості ізолятора 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 в якості ізоляції використовують азот. Водень, крім електроізоляційного матеріалу, також являє собою примусове охолодження, тому часто використовується в електричних машинах. У герметичних установках найчастіше застосовують елегаз. Заповнення елегазом робить пристрій вибухобезпечним. Застосовується в 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 органічним діелектриків відносять целюлозу, каучук, парафін і рослинні масла (касторове масло). Більшу частину синтетичних органічних діелектриків представляють різні пластмаси і еластомери, часто використовувані в електричних побутових приладах та іншої техніки.

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 мусковіт.

До штучних неорганічним діелектриків відносять скло і матеріали на його основі, а також фарфор і кераміку. У залежності від області застосування штучного діелектрика можна надати особливі властивості. Наприклад, для прохідних ізоляторів використовують полешпатові 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 і т.д.

Органічні волокнисті матеріали володіють високою гігроскопічністю, тому рідко використовуються без спеціальної просочення.

Останнім часом замість органічних матеріалів застосовують синтетичні волокнисті ізоляції, які володіють більш високим рівнем нагрівостійкості. До них відноситься скляне волокно і азбест. Скляне волокно просочують різними лаками і смолами для підвищення його гідрофобних властивостей. Азбестове волокно має малу механічною міцністю, тому нерідко в нього додають бавовняне волокно.