Электроизоляционные материалы: виды, свойства, характеристики и области применения

Изоляционные материалы предназначены для ограничения конструкций и отдельных элементов от контакта с теми или иными средами. По этому принципу работают строительные водо-, паро- и теплоизоляционные материалы. В сферах, где используются электротехнические проводники, требуется изоляция другого рода – в виде диэлектриков. Их задача заключается в исключении контактов между активными эксплуатируемыми проводниками тока и материалами, которые не рассчитываются на обеспечение данной функции. В качестве целевых объектов могут выступать технические средства, прибора, строительные конструкции и даже декоративные покрытия. В свою очередь, электроизоляционные материалы создают барьер для прохождения электрического тока независимо от того, переменный он или постоянный.

Классификации изоляторов

Электроизоляторы различаются по своему происхождению и агрегатному состоянию. Что касается происхождения, то в качестве признаков выделяют принадлежность к органическим и неорганическим материалам, а также к натуральному и синтетическому сырью. К природным материалам можно отнести слюду, которая характеризуется прочностью, гибкостью и способностью к расщеплению. Это неорганический диэлектрик естественного происхождения. И напротив, в группе синтетических органических материалов можно отметить химические высокомолекулярные соединения. В готовом к использованию виде они предлагаются как пластмассы и эластомеры. Основные эксплуатационные различия определяет классификация электроизоляционных материалов по агрегатному состоянию. Выделяются твердые и жидкостные, а также газообразные диэлектрики.

Свойства изоляторов тока

Основная задача диэлектрика заключается в обеспечении изоляционной функции. Поэтому в качестве базовых эксплуатационных свойств можно отметить повышенное удельное сопротивление, небольшой тангенс потерь диэлектрика и высокое пробивное напряжение – уже упомянутый пробой. Сопротивление определяет, насколько материал сможет препятствовать проводимости тока при разных параметрах контактирующей электрической цепи. Потери диэлектрика, в свою очередь, указывают на влияние изолятора на показатели активного проводника – нормативно это значение должно стремиться к нулю, но чаще всего высокая сопротивляемость как раз приводит и к повышению потерь в основной цепи. Немаловажны и пробивные свойства электроизоляционных материалов, которые определяются напряжением. В данном случае можно говорить о непосредственной проницаемости целевого материала. При этом все перечисленные свойства фиксируются лишь в том случае, если была отмечена стабильность их «работы» во времени и при заданной температуре. Иногда в качестве параметра стабильности при испытаниях указывается и частота электрического поля.

Характеристики электроизоляторов

Одной из главных характеристик диэлектриков является поверхностное сопротивление. Это сопротивление, которое возникает в момент прохождения тока по поверхности материала. Следующей по значимости характеристикой можно назвать диэлектрическую проницаемость. Как уже говорилось, проницаемость напрямую связана с пробиваемостью целевого материала. И отдельного внимания заслуживают физико-химические характеристики. В их числе отмечают водопоглощаемость, вязкость и кислотность. Водопоглощаемость указывает на степень пористости материала и присутствие в нем водорастворимых элементов. Чем выше это значение, тем выше эффективность материала как диэлектрика. В свою очередь, вязкость характеризуется текучестью, что важно для определения взаимодействия материала с жидкостными или расплавленными диэлектриками. Кислотным числом обычно характеризуются жидкие диэлектрики. Например, основные особенности электроизоляционных материалов сводятся к способности нейтрализовать свободные кислоты, содержащиеся в 1 г материала. Присутствие свободных кислот понижает электроизоляционные качества электроизоляторов.

Газообразные изоляторы

Практически все газообразные электроизоляционные материалы обеспечивают диэлектрическую проницаемость, в коэффициенте равную 1. К плюсам таких изделий можно отнести небольшую долю диэлектрических потерь, хотя и степень пробоя тоже невелика. Как правило, основной газообразной средой с функцией электрического изолятора выступает воздух, дополненный специальными включениями. Но к сегодняшнему дню получил широкое распространение и элегаз, который применяется в качестве диэлектрической основы. Газообразные виды электроизоляционных материалов базируются на гексафториде серы, что обеспечивает более высокую защиту в показателе пробоя, а в некоторых случаях наблюдается и дугогасительная способность. Когда речь идет о сложных условиях эксплуатации целевого объекта защиты, газовая среда может дополняться органическими изоляторами.

Твердые диэлектрики

Традиционно под изоляторами данного типа понимаются такие материалы, как стекло, кварц, фарфор, пластики и резина. Их происхождение может быть натуральным и синтетическим. В тонких слоях изоляторов могут быть повышенные показатели удельного сопротивления и напряжения пробоя – эти значения зависят от диэлектрической проницаемости и электрической прочности структуры. Увеличение разности потенциалов по отношению к твердому или жидкому диэлектрику будет повышать ток, проходящий целевой объект. В итоге это явление способствует формированию вблизи катода положительного пространственного заряда на фоне отрыва электронов. Электрический пробой можно будет рассматривать как результат искажения заряженного поля в структуре самого изолятора. Твердотельные электроизоляционные материалы подвергаются поляризации, поэтому их диэлектрическая постоянная превышает единицу. Также в момент приложения переменных электрических полей поляризация способствует образованию диэлектрических потерь. В этом контексте стоит выделить материалы, которые даже в высокочастотных полях имеют минимальные диэлектрические потери. К таким можно отнести полиэтилен и кварц.

Жидкие диэлектрики

К жидким изоляторам относятся синтетические жидкости, масла, пасты, лаки и смолы. Особенно распространены минеральные масла, являющиеся продуктом нефтяной переработки и представляющие собой комбинацию жидких углеводородов. Они используются в масляных выключателях, небольших трансформаторах, конденсаторах и кабелях. Популярна и жидкая электроизоляция в виде пропитки. Ее часто применяют при подготовке кабелей и тех же конденсаторов к работе. Материал представляет собой бумажную изоляцию, в которой бумага является носителем, а пропитка – активной защитной средой.

Гильзовая электроизоляция

Это материал из группы механических защитных устройств, который обеспечивает внешнюю физическую защиту. Обычно используются гибкие гильзы, которыми защищаются проводники силовых агрегатов, трансформаторы и кабели. По этому же принципу работает традиционная изоляционная лента, задача которой заключается в создании физической преграды. Гильзы также выступают прослойкой, никак не взаимодействующей с источником тока на электрохимическом уровне. Однако среди недостатков этого материала отмечается быстрый износ.

Конденсаторы

Электрическая изоляция является важным условием полноценной работоспособности конденсаторов. В некоторых случая сам конденсатор выступает как диэлектрик в составе сложной электротехнической цепи. Такие приборы имеют разное применение, в том числе выделяется нейтрализация индукционных эффектов в линиях с переменным током, накопление заряда, а также получение токовых импульсов для всевозможных приложений. Для использования конденсатора в качестве изоляционной точки необходимо иметь представление о требуемой емкости. В приборах она рассчитывается исходя из характеристик системы или посредством вычисления размера заряда на обкладке. В самой конструкции для обеспечения защитной функции могут применяться электроизоляционные материалы в виде лаков и масел. В зависимости от типа конденсатора определяется и набор вторичных функций – например, учитывается горючесть, влагостойкость, износостойкость и т.д.

Вакуум как изолятор

Газовая среда при крайне низком давлении может создавать условия, когда газ просто не сможет образовывать заметный ток в межэлектродном зазоре. Такие условия называют изоляционным вакуумом. При столкновении с электронами или положительными ионами, которые вылетают из электродов, ионизация молекул газа под низким давлением происходит очень редко. Так называемый высокий вакуум при условии постоянного напряжения до 20 кВ на поверхности катода может обойтись без пробоя при напряженности поля порядка 5 МВ/см. Если речь идет об аноде, то напряженность должна быть в разы выше. И все же заметное увеличение напряжения способствует тому, что вакуумные электроизоляционные материалы утрачивают свой защитный потенциал. Пробой в данном случае может наступать в результате обмена заряженными частицами в связке катод-анод. Диэлектрики такого типа чаще используются в электронике. Их применяют и в целях ускорения электронов в обычных приборах, и в рентгеновских аппаратах для обеспечения высоковольтных приложений.

Компаунд как основной диэлектрик в радиотехнике

Довольно практичный в использовании и недорогой способ диэлектрической защиты. Компаунд наносится на рабочую зону, после чего застывает, в полной мере обретая свои основные функциональные качества. При этом нельзя сказать, что компаунды – это обязательно твердые электроизоляционные материалы, так как встречаются и разновидности жидкостного типа. Даже в рабочем состоянии они не отвердевают. Также существуют заливочные и пропиточные виды данного материала. Отличительной чертой всех компаундов является полное отсутствие растворителей в составе. Это дает возможность обеспечивать деликатную пропитку сложных электромеханических деталей и аппаратов.

Современные электроизоляционные материалы

К электроизоляторам нового поколения относится широкая группа полимерных материалов. В основном это пленочные изделия, которые обеспечивают эффект диэлектрика путем создания соответствующей оболочки. Пленка производится в формате рулонов, толщина которых варьируется от 5 до 250 мкм. Помимо основных электроизоляционных свойств, такие пленки характеризуются гибкостью, эластичностью, прочностью и стойкостью на разрыв. Удобна в применении и полимерная изоляционная лента, которая имеет толщину 0,2-0,3 мм. Такие материалы проигрывают многим традиционным диэлектрикам лишь в одном качестве – экологической безопасности. Это не самый безобидный материал в плане токсической угрозы, поэтому его используют по большей части в промышленности, хотя бывают и исключения.

Сферы применения электроизоляторов

Практически все сферы, в которых задействуется электропроводка, в том или ином виде применяют и диэлектрические средства. Базовым примером можно назвать кабели, которые получают несколько слоев изоляции – как электрической, так и механической. Приборостроение можно назвать второй по популярности сферой использования данной изоляции. От воздействия токов ограничивают как отдельные детали аппаратной части, так и технологические узлы в электротехнических машинах. В строительстве также востребованы средства изоляции от тока. Например, в прокладке домашней и уличной проводки тоже задействуются электроизоляционные материалы. Применение диэлектриков позволяет сохранить материалы, которые находятся рядом с токопроводящим контуром. В некоторых случаях подобная изоляция себя оправдывает и как средство понижения потерь в напряжении основной линии.

Заключение

Спектр вариантов электрической изоляции довольно широк, что дает возможность целенаправленно подобрать материал специально под конкретные нужды. Например, в быту распространены твердотельные виды электроизоляционных материалов, а также диэлектрики в форме деталей. В промышленности и строительстве могут применяться газовые и жидкостные среды. Коммунальная же сфера охватывает практически весь диапазон электрической изоляции, поскольку условия защиты могут быть очень разными.