Mõnel elektriseadmetes ja toiteahelates kasutatavatel materjalidel on dielektrilised omadused, st neil on suur voolutakistus. See võime võimaldab neil voolu mitte läbi lasta ja seetõttu kasutatakse neid voolu kandvate osade isolatsiooni loomiseks. Elektriisolatsioonimaterjalid on mõeldud mitte ainult voolu kandvate osade eraldamiseks, vaid ka kaitse loomiseks elektrivoolu ohtlike mõjude eest. Näiteks elektriseadmete toitejuhtmed on kaetud isolatsiooniga.
Elektrisolatsioonimaterjalid ja nende rakendused
Elektrisolatsioonimaterjale kasutatakse laialdaselt tööstuses, raadio- ja instrumentide valmistamisel ning elektrivõrkude arendamisel. Elektriseadme normaalne töö või toiteahela ohutus sõltub suuresti sellestkasutatud dielektrikud. Elektriisolatsiooniks mõeldud materjali mõned parameetrid määravad selle kvaliteedi ja võimalused.
Isolatsioonimaterjalide kasutamisel kehtivad ohutusnõuded. Isolatsiooni terviklikkus on elektrivooluga töötamise võti. Kahjustatud isolatsiooniga seadmete kasutamine on väga ohtlik. Isegi väike elektrivool võib inimkehale mõju avaldada.
Dielektrikute omadused
Elektrisolatsioonimaterjalidel peavad oma funktsioonide täitmiseks olema teatud omadused. Peamine erinevus dielektrikute ja juhtide vahel on suur eritakistus (109–1020 oomi cm). Juhtide elektrijuhtivus on dielektrikutega võrreldes 15 korda suurem. Selle põhjuseks on asjaolu, et isolaatorites on oma olemuselt mitu korda vähem vabu ioone ja elektrone, mis tagavad materjali voolujuhtivuse. Kuid kui materjali kuumutatakse, on neid rohkem, mis aitab kaasa elektrijuhtivuse suurenemisele.
Eristage dielektrikute aktiivseid ja passiivseid omadusi. Isolatsioonimaterjalide puhul on passiivsed omadused kõige olulisemad. Materjali dielektriline konstant peaks olema võimalikult madal. See võimaldab isolaatoril mitte sisestada ahelasse parasiitmahtuvusi. Kondensaatori dielektrikuna kasutatava materjali puhul peaks dielektriline konstant, vastupidi, olema võimalikult suur.
Isolatsioonivalikud
Peamiste parameetrite juurdeelektriisolatsiooni hulka kuuluvad elektriline tugevus, elektritakistus, suhteline läbilaskvus, dielektrilise kadu nurk. Materjali elektriisolatsiooniomaduste hindamisel võetakse arvesse ka loetletud karakteristikute sõltuvust elektrivoolu ja pinge suurustest.
Elektrisolatsioonitoodetel ja -materjalidel on suurem elektriline tugevus võrreldes juhtide ja pooljuhtidega. Dielektriku jaoks on oluline ka konkreetsete väärtuste stabiilsus kuumutamise, pinge tõusu ja muude muutuste ajal.
Dielektriliste materjalide klassifikatsioon
Sõltuv alt juhti läbiva voolu võimsusest kasutatakse erinevat tüüpi isolatsiooni, mis erinevad oma võimekuse poolest.
Milliste parameetrite järgi elektriisolatsioonimaterjalid jagunevad? Dielektrikute klassifikatsiooni aluseks on nende agregatsiooni olek (tahke, vedel ja gaasiline) ja päritolu (orgaaniline: looduslik ja sünteetiline, anorgaaniline: looduslik ja tehislik). Kõige tavalisem tahke dielektriku tüüp, mida võib näha kodumasinate või muude elektriseadmete juhtmetel.
Tahked ja vedelad dielektrikud jagunevad omakorda alarühmadesse. Tahkete dielektrikute hulka kuuluvad lakitud kangad, laminaadid ja erinevat tüüpi vilgukivi. Vahad, õlid ja vedelgaasid on vedelad elektriisolatsioonimaterjalid. Spetsiaalseid gaasilisi dielektrikuid kasutatakse palju harvemini. See tüüp sisaldab kaloomulik elektriisolaator on õhk. Selle kasutamine ei tulene mitte ainult õhu omadustest, mis muudavad selle suurepäraseks dielektrikuks, vaid ka selle ökonoomsusest. Õhu kasutamine isolatsioonina ei nõua täiendavaid materjalikulusid.
Tahke dielektrikud
Tahked elektriisolatsioonimaterjalid on kõige laiem dielektrikute klass, mida erinevates valdkondades kasutatakse. Neil on erinevad keemilised omadused ja dielektriline konstant jääb vahemikku 1 kuni 50 000.
Tahked dielektrikud jagunevad mittepolaarseteks, polaarseteks ja ferroelektrilisteks. Nende peamised erinevused on polarisatsioonimehhanismides. Sellel isolatsiooniklassil on sellised omadused nagu keemiline vastupidavus, jälgimiskindlus, dendriitkindlus. Keemiline vastupidavus väljendub võimes taluda erinevate agressiivsete keskkondade (happe, leelise jne) mõju. Jälgitakistus määrab võime taluda elektrikaare mõju ja dendriittakistus määrab dendriitide moodustumise.
Tahkeid dielektrikuid kasutatakse erinevates energiavaldkondades. Näiteks keraamilisi elektriisolatsioonimaterjale kasutatakse kõige sagedamini alajaamade liinide ja läbiviikude isolaatoritena. Elektriseadmete isolatsioonina kasutatakse paberit, polümeere, klaaskiudu. Masinate ja seadmete jaoks kasutatakse kõige sagedamini lakke, pappi, segu.
Erinevates töötingimustes kasutamiseks on isolatsioonile antud mõned erilised omadused, kombineerides erinevaidmaterjalid: kuumakindlus, niiskuskindlus, kiirguskindlus ja külmakindlus. Kuumuskindlad isolaatorid on võimelised taluma kuni 700 °C temperatuuri, nende hulka kuuluvad klaasid ja nende baasil valmistatud materjalid, organosiliidid ja mõned polümeerid. Niiskuskindel ja troopikakindel materjal on fluoroplast, mis on mittehügroskoopne ja hüdrofoobne.
Kiirguskindlat isolatsiooni kasutatakse aatomelementidega seadmetes. See hõlmab anorgaanilisi kilesid, teatud tüüpi polümeere, klaaskiust ja vilgukivipõhiseid materjale. Külmakindlad on isolatsioonid, mis ei kaota oma omadusi temperatuuril kuni -90 ° C. Kosmoses või vaakumis töötavatele seadmetele mõeldud isolatsioonile esitatakse erinõuded. Nendel eesmärkidel kasutatakse vaakumkindlaid materjale, sealhulgas spetsiaalset keraamikat.
Vedeldielektrikud
Vedelaid elektriisolatsioonimaterjale kasutatakse sageli elektrimasinates ja -seadmetes. Õli mängib trafos isolatsiooni rolli. Vedelad dielektrikud hõlmavad ka veeldatud gaase, küllastumata vaseliini ja parafiinõlisid, polüorganosiloksaane, destilleeritud vett (puhastatud sooladest ja lisanditest).
Vedelate dielektrikute peamised omadused on dielektriline konstant, elektritugevus ja elektrijuhtivus. Samuti sõltuvad dielektrikute elektrilised parameetrid suuresti nende puhastusastmest. Tahked lisandid võivad vabade ioonide ja elektronide kasvu tõttu suurendada vedelike elektrijuhtivust. Vedelike puhastamine destilleerimise, ioonivahetuse jms teel. suurendab materjali elektrilist tugevust, vähendades seeläbi selle elektrijuhtivust.
Vedelad dielektrikud jagunevad kolme rühma:
- naftaõlid;
- taimeõlid;
- sünteetilised vedelikud.
Kõige sagedamini kasutatavad õlid on naftaõlid, nagu trafo-, kaabli- ja kondensaatoriõlid. Sünteetilisi vedelikke (räniorgaanilised ja fluororgaanilised ühendid) kasutatakse ka aparaadiehituses. Näiteks räniorgaanilised ühendid on külmakindlad ja hügroskoopsed, seetõttu kasutatakse neid isolaatorina väikestes trafodes, kuid nende maksumus on kõrgem kui naftaõlide hind.
Taimeõlisid elektriisolatsioonitehnoloogias isolatsioonimaterjalina praktiliselt ei kasutata. Nende hulka kuuluvad kastoor-, linaseemne-, kanep- ja tungõli. Need materjalid on nõrg alt polaarsed dielektrikud ja neid kasutatakse peamiselt paberkondensaatorite immutamiseks ning kilet moodustava ainena elektriisolatsioonilakkides, värvides ja emailides.
Gaasi dielektrikud
Kõige levinumad gaasilised dielektrikud on õhk, lämmastik, vesinik ja gaas SF6. Elektriisolatsioonigaasid jagunevad looduslikeks ja tehislikeks. Looduslikku õhku kasutatakse isolatsioonina elektriliinide ja elektrimasinate voolu kandvate osade vahel. Isolaatorina on õhul puudused, mis muudavad selle kasutamise suletud seadmetes võimatuks. Suure hapnikusisalduse tõttu on õhk oksüdeeriv aine ja mittehomogeensetes väljades ilmneb õhu madal elektritugevus.
Toitetrafod ja kõrgepingekaablid kasutavad isolatsioonina lämmastikku. Vesinik on lisaks elektriisolatsioonimaterjalile ka sundjahutus, mistõttu kasutatakse seda sageli elektrimasinates. Suletud paigaldistes kasutatakse kõige sagedamini SF6. SF6 gaasiga täitmine muudab seadme plahvatuskindlaks. Seda kasutatakse kõrgepingekaitselülitites selle kaarekustutusomaduste tõttu.
Orgaanilised dielektrikud
Orgaanilised dielektrilised materjalid jagunevad looduslikeks ja sünteetilisteks. Looduslikke orgaanilisi dielektrikuid kasutatakse praegu üliharva, kuna sünteetiliste dielektrikute tootmine laieneb üha enam, vähendades seeläbi nende maksumust.
Looduslike orgaaniliste dielektrikute hulka kuuluvad tselluloos, kumm, parafiin ja taimeõlid (kastoorõli). Enamik sünteetilisi orgaanilisi dielektrikuid on mitmesugused plastid ja elastomeerid, mida sageli kasutatakse elektrilistes kodumasinates ja muudes seadmetes.
Anorgaanilised dielektrikud
Anorgaanilised dielektrilised materjalid jagunevad looduslikeks ja tehislikeks. Looduslikest materjalidest levinuim on vilgukivi, millel on keemiline ja termiline vastupidavus. Elektriisolatsiooniks kasutatakse ka flogopiiti ja muskoviiti.
Kunstlikule anorgaaniliseledielektrikute hulka kuuluvad klaas ja sellel põhinevad materjalid, samuti portselan ja keraamika. Olenev alt rakendusest võib tehisdielektrikule anda eriomadused. Näiteks päevakivikeraamikat kasutatakse pukside jaoks, millel on suur dielektrilise kao puutuja.
Kiud elektriisolatsioonimaterjalid
Elektriseadmete ja -masinate isolatsiooniks kasutatakse sageli kiudmaterjale. Nende hulka kuuluvad taimset päritolu materjalid (kumm, tselluloos, kangad), sünteetilised tekstiilid (nailon, kapron), aga ka polüstüreenist, polüamiidist jne valmistatud materjalid.
Orgaanilised kiudmaterjalid on väga hügroskoopsed, seetõttu kasutatakse neid harva ilma spetsiaalse immutamiseta.
Viimasel ajal on orgaaniliste materjalide asemel kasutatud sünteeskiudisolatsiooni, millel on kõrgem soojapidavus. Nende hulka kuuluvad klaaskiud ja asbest. Klaaskiud immutatakse erinevate lakkide ja vaikudega, et suurendada selle hüdrofoobseid omadusi. Asbestkiul on madal mehaaniline tugevus, seetõttu lisatakse sellele sageli puuvillakiudu.
