Některé materiály používané v elektrických spotřebičích a napájecích obvodech mají dielektrické vlastnosti, to znamená, že mají vysokou odolnost vůči proudu. Tato schopnost jim umožňuje neprocházet proud, a proto se používají k vytvoření izolace pro části vedoucí proud. Elektroizolační materiály jsou určeny nejen k oddělení částí vedoucích proud, ale také k vytvoření ochrany před nebezpečnými účinky elektrického proudu. Například napájecí kabely elektrických spotřebičů jsou pokryty izolací.
Elektroizolační materiály a jejich aplikace
Elektrické izolační materiály jsou široce používány v průmyslu, výrobě rádií a přístrojů a při vývoji elektrických sítí. Normální provoz elektrického spotřebiče nebo bezpečnost napájecího obvodu závisí do značné míry napoužitá dielektrika. Některé parametry materiálu určeného k elektrické izolaci určují jeho kvalitu a schopnosti.
Použití izolačních materiálů podléhá bezpečnostním předpisům. Neporušenost izolace je klíčem k bezpečné práci s elektrickým proudem. Je velmi nebezpečné používat zařízení s poškozenou izolací. I nepatrný elektrický proud může mít vliv na lidské tělo.
Vlastnosti dielektrika
Elektroizolační materiály musí mít určité vlastnosti, aby mohly plnit své funkce. Hlavním rozdílem mezi dielektrikem a vodiči je velký objemový odpor (109–1020 ohm cm). Elektrická vodivost vodičů ve srovnání s dielektriky je 15x větší. Je to dáno tím, že izolanty mají ze své podstaty několikanásobně méně volných iontů a elektronů, které zajišťují proudovou vodivost materiálu. Ale když se materiál zahřeje, je jich více, což přispívá ke zvýšení elektrické vodivosti.
Rozlišujte mezi aktivními a pasivními vlastnostmi dielektrik. U izolačních materiálů jsou nejdůležitější pasivní vlastnosti. Dielektrická konstanta materiálu by měla být co nejnižší. To umožňuje, aby izolátor nezaváděl do obvodu parazitní kapacity. Pro materiál, který je použit jako dielektrikum kondenzátoru, by naopak dielektrická konstanta měla být co největší.
Možnosti izolace
K hlavním parametrůmelektrická izolace zahrnuje elektrickou pevnost, elektrický odpor, relativní permitivitu, úhel dielektrické ztráty. Při hodnocení elektroizolačních vlastností materiálu se bere v úvahu i závislost uvedených charakteristik na velikostech elektrického proudu a napětí.
Elektroizolační výrobky a materiály mají větší elektrickou pevnost než vodiče a polovodiče. Pro dielektrikum je také důležitá stabilita konkrétních hodnot při zahřívání, zvýšení napětí a dalších změnách.
Klasifikace dielektrických materiálů
V závislosti na síle proudu procházejícího vodičem se používají různé typy izolace, které se liší svými schopnostmi.
Podle jakých parametrů se dělí elektroizolační materiály? Klasifikace dielektrik je založena na jejich stavu agregace (pevné, kapalné a plynné) a původu (organické: přírodní a syntetické, anorganické: přírodní a umělé). Nejběžnější typ pevného dielektrika, který lze vidět na kabelech domácích spotřebičů nebo jakýchkoli jiných elektrických spotřebičů.
Pevná a kapalná dielektrika se zase dělí do podskupin. Mezi pevná dielektrika patří lakované tkaniny, lamináty a různé druhy slídy. Vosky, oleje a zkapalněné plyny jsou kapalné elektroizolační materiály. Speciální plynná dielektrika se používají mnohem méně často. Tento typ také zahrnujepřirozeným elektrickým izolantem je vzduch. Jeho použití je dáno nejen vlastnostmi vzduchu, které z něj činí vynikající dielektrikum, ale také jeho hospodárností. Použití vzduchu jako izolace nevyžaduje dodatečné náklady na materiál.
Pevné dielektrika
Pevné elektroizolační materiály jsou nejširší třídou dielektrik, která se používají v různých oblastech. Mají různé chemické vlastnosti a dielektrická konstanta se pohybuje od 1 do 50 000.
Pevná dielektrika se dělí na nepolární, polární a feroelektrika. Jejich hlavní rozdíly jsou v mechanismech polarizace. Tato třída izolace má takové vlastnosti, jako je chemická odolnost, odolnost proti sledování, dendritická odolnost. Chemická odolnost je vyjádřena schopností odolávat vlivu různých agresivních prostředí (kyselina, alkálie atd.). Průběhový odpor určuje schopnost odolat účinkům elektrického oblouku a dendritický odpor určuje tvorbu dendritů.
Pevná dielektrika se používají v různých oblastech energetiky. Například keramické elektroizolační materiály se nejčastěji používají jako izolátory vedení a průchodek v rozvodnách. Papír, polymery, sklolaminát se používají jako izolace pro elektrické spotřebiče. Pro stroje a zařízení se nejčastěji používají laky, lepenka, směs.
Pro použití v různých provozních podmínkách získává izolace některé speciální vlastnosti kombinací různýchmateriály: tepelná odolnost, odolnost proti vlhkosti, odolnost proti záření a mrazuvzdornost. Tepelně odolné izolanty jsou schopny odolávat teplotám až 700 °C, patří sem skla a materiály na nich založené, organosility a některé polymery. Materiál odolný proti vlhkosti a tropickým podmínkám je fluoroplast, který je nehygroskopický a hydrofobní.
U zařízení s atomárními prvky se používá izolace odolná vůči záření. Zahrnuje anorganické filmy, některé typy polymerů, sklolaminát a materiály na bázi slídy. Mrazuvzdorné jsou izolace, které neztrácejí své vlastnosti při teplotách do -90°C. Speciální požadavky jsou kladeny na izolace určené pro zařízení pracující v kosmických nebo vakuových podmínkách. Pro tyto účely se používají vakuově nepropustné materiály, mezi které patří speciální keramika.
Kapalná dielektrika
Tekuté elektroizolační materiály se často používají v elektrických strojích a přístrojích. Olej hraje roli izolace v transformátoru. Mezi kapalná dielektrika také patří zkapalněné plyny, nenasycené vazelíny a parafinové oleje, polyorganosiloxany, destilovaná voda (čištěná od solí a nečistot).
Hlavními charakteristikami kapalných dielektrik jsou dielektrická konstanta, elektrická pevnost a elektrická vodivost. Také elektrické parametry dielektrik do značné míry závisí na stupni jejich čištění. Pevné nečistoty mohou zvýšit elektrickou vodivost kapalin v důsledku růstu volných iontů a elektronů. Čištění kapalin destilací, iontovou výměnou atd. vede ke zvýšení elektrické pevnosti materiálu, čímž se snižuje jeho elektrická vodivost.
Kapalná dielektrika se dělí do tří skupin:
- ropné oleje;
- rostlinné oleje;
- syntetické tekutiny.
Nejběžněji používané oleje jsou ropné oleje, jako jsou transformátorové, kabelové a kondenzátorové oleje. Syntetické kapaliny (organokřemičité a organofluorové sloučeniny) se také používají v přístrojové technice. Organokřemičité sloučeniny jsou například mrazuvzdorné a hygroskopické, takže se používají jako izolant v malých transformátorech, ale jejich cena je vyšší než cena ropných olejů.
Rostlinné oleje se prakticky nepoužívají jako izolační materiály v elektroizolační technologii. Patří mezi ně ricinový, lněný, konopný a tungový olej. Tyto materiály jsou slabě polární dielektrika a používají se hlavně pro impregnaci papírových kondenzátorů a jako filmotvorné činidlo v elektroizolačních lacích, barvách a emailech.
Plynová dielektrika
Nejběžnější plynná dielektrika jsou vzduch, dusík, vodík a plyn SF6. Elektroizolační plyny se dělí na přírodní a umělé. Přírodní vzduch se používá jako izolace mezi částmi elektrického vedení a elektrických strojů, které vedou proud. Jako izolant má vzduch nevýhody, které znemožňují jeho použití v uzavřených zařízeních. Kvůli přítomnosti vysoké koncentrace kyslíku je vzduch oxidačním činidlem a v nehomogenních polích se objevuje nízká elektrická síla vzduchu.
Výkonové transformátory a vysokonapěťové kabely používají jako izolaci dusík. Vodík, kromě toho, že je to elektricky izolační materiál, je také nucené chlazení, proto se často používá v elektrických strojích. V uzavřených instalacích se nejčastěji používá SF6. Plnění plynem SF6 činí zařízení nevýbušným. Používá se ve vysokonapěťových vypínačích kvůli svým vlastnostem zhášení oblouku.
Organická dielektrika
Organické dielektrické materiály se dělí na přírodní a syntetické. Přírodní organická dielektrika se v současnosti používají extrémně zřídka, protože výroba syntetických se stále více rozšiřuje, čímž se snižuje jejich cena.
K přírodním organickým dielektrikům patří celulóza, kaučuk, parafín a rostlinné oleje (ricinový olej). Většina syntetických organických dielektrik jsou různé plasty a elastomery často používané v elektrických domácích spotřebičích a dalších zařízeních.
Anorganická dielektrika
Anorganické dielektrické materiály se dělí na přírodní a umělé. Z přírodních materiálů je nejrozšířenější slída, která má chemickou a tepelnou odolnost. Flogopit a muskovit se také používají pro elektrickou izolaci.
Na umělé anorganickédielektrika zahrnují sklo a materiály na něm založené, stejně jako porcelán a keramiku. V závislosti na aplikaci může mít umělé dielektrikum speciální vlastnosti. Například živcová keramika se používá pro pouzdra, která mají vysokou tečnu dielektrických ztrát.
Vláknité elektroizolační materiály
Vláknité materiály se často používají k izolaci elektrických přístrojů a strojů. Patří sem materiály rostlinného původu (kaučuk, celulóza, tkaniny), syntetické textilie (nylon, kapron) a také materiály vyrobené z polystyrenu, polyamidu atd.
Organické vláknité materiály jsou vysoce hygroskopické, takže se zřídka používají bez speciální impregnace.
V poslední době se místo organických materiálů používají izolace ze syntetických vláken, které mají vyšší úroveň tepelné odolnosti. Patří mezi ně skleněné vlákno a azbest. Skleněné vlákno je impregnováno různými laky a pryskyřicemi pro zvýšení jeho hydrofobních vlastností. Azbestové vlákno má nízkou mechanickou pevnost, proto se do něj často přidává bavlněné vlákno.
