Nogle materialer, der bruges i elektriske apparater og strømforsyningskredsløb, har dielektriske egenskaber, det vil sige, at de har en høj modstand mod strøm. Denne evne tillader dem ikke at passere strøm, og derfor bruges de til at skabe isolering til strømførende dele. Elektriske isoleringsmaterialer er designet til ikke kun at adskille strømførende dele, men også til at skabe beskyttelse mod de farlige virkninger af elektrisk strøm. For eksempel er strømledningerne til elektriske apparater dækket med isolering.
Elektriske isoleringsmaterialer og deres anvendelser
Elektriske isoleringsmaterialer er meget udbredt i industrien, radio- og instrumentfremstilling og udviklingen af elektriske netværk. Den normale drift af et elektrisk apparat eller sikkerheden af et strømforsyningskredsløb afhænger i høj grad afbrugt dielektrikum. Nogle parametre for et materiale beregnet til elektrisk isolering bestemmer dets kvalitet og egenskaber.
Brugen af isoleringsmaterialer er underlagt sikkerhedsbestemmelser. Isoleringens integritet er nøglen til sikkert arbejde med elektrisk strøm. Det er meget farligt at bruge enheder med beskadiget isolering. Selv en let elektrisk strøm kan have en effekt på den menneskelige krop.
Dielektriske egenskaber
Elektriske isoleringsmaterialer skal have visse egenskaber for at kunne udføre deres funktioner. Den største forskel mellem dielektrikum og ledere er den store volumenresistivitet (109-1020 ohm cm). Ledernes elektriske ledningsevne sammenlignet med dielektrikum er 15 gange større. Dette skyldes, at isolatorer i sagens natur har flere gange færre frie ioner og elektroner, som giver materialets strømledningsevne. Men når materialet opvarmes, er der flere af dem, hvilket bidrager til en stigning i elektrisk ledningsevne.
Skelne mellem aktive og passive egenskaber ved dielektrikum. For isoleringsmaterialer er passive egenskaber vigtigst. Materialets dielektriske konstant skal være så lav som muligt. Dette gør det muligt for isolatoren ikke at indføre parasitære kapacitanser i kredsløbet. For det materiale, der bruges som dielektrikum i en kondensator, bør dielektricitetskonstanten tværtimod være så stor som muligt.
Isoleringsmuligheder
Til hovedparametreneelektrisk isolering omfatter elektrisk styrke, elektrisk resistivitet, relativ permittivitet, dielektrisk tabsvinkel. Ved evaluering af materialets elektriske isoleringsegenskaber tages der også hensyn til afhængigheden af de anførte egenskaber af størrelsen af den elektriske strøm og spænding.
Elektriske isoleringsprodukter og -materialer har en større elektrisk styrke sammenlignet med ledere og halvledere. Også vigtig for dielektrikumet er stabiliteten af specifikke værdier under opvarmning, spændingsstigning og andre ændringer.
Klassificering af dielektriske materialer
Afhængig af styrken af strømmen, der passerer gennem lederen, bruges der forskellige typer isolering, som er forskellige i deres egenskaber.
Ifølge hvilke parametre er elektriske isoleringsmaterialer opdelt? Klassificeringen af dielektrika er baseret på deres aggregeringstilstand (fast, flydende og gasformig) og oprindelse (organisk: naturlig og syntetisk, uorganisk: naturlig og kunstig). Den mest almindelige type fast dielektrikum, som kan ses på ledningerne til husholdningsapparater eller andre elektriske apparater.
Fast og flydende dielektrikum er til gengæld opdelt i undergrupper. Faste dielektrika omfatter lakerede stoffer, laminater og forskellige typer glimmer. Voks, olier og flydende gasser er flydende elektriske isoleringsmaterialer. Særlige gasformige dielektrika bruges meget sjældnere. Denne type omfatter ogsåden naturlige elektriske isolator er luft. Dens brug skyldes ikke kun luftens egenskaber, som gør den til et fremragende dielektrisk, men også dens økonomi. Brugen af luft som isolering kræver ikke yderligere materialeomkostninger.
Solid Dielectrics
Solide elektriske isoleringsmaterialer er den bredeste klasse af dielektrikum, der bruges inden for forskellige områder. De har forskellige kemiske egenskaber, og dielektricitetskonstanten går fra 1 til 50.000.
Solid dielektrik er opdelt i ikke-polær, polær og ferroelektrik. Deres vigtigste forskelle er i polariseringsmekanismerne. Denne klasse af isolering har sådanne egenskaber som kemisk modstand, sporingsmodstand, dendritisk modstand. Kemisk resistens udtrykkes i evnen til at modstå indflydelsen fra forskellige aggressive miljøer (syre, alkali osv.). Sporingsmodstand bestemmer evnen til at modstå virkningerne af en elektrisk lysbue, og dendritisk modstand bestemmer dannelsen af dendritter.
Solid dielektrikum bruges i forskellige energiområder. For eksempel er keramiske elektriske isoleringsmaterialer mest almindeligt anvendt som lednings- og bøsningsisolatorer i transformerstationer. Papir, polymerer, glasfiber bruges som isolering til elektriske apparater. Til maskiner og apparater anvendes oftest lakker, pap, compound.
Til brug under forskellige driftsforhold får isolering nogle specielle egenskaber ved at kombinere forskelligematerialer: varmebestandighed, fugtbestandighed, strålingsbestandighed og frostbestandighed. Varmebestandige isolatorer er i stand til at modstå temperaturer op til 700 °C, disse omfatter glas og materialer baseret på dem, organosiliter og nogle polymerer. Fugtbestandigt og tropisk-resistent materiale er fluoroplastisk, som er ikke-hygroskopisk og hydrofobisk.
Strålingsbestandig isolering bruges i enheder med atomare elementer. Det omfatter uorganiske film, nogle typer polymerer, glasfiber og glimmerbaserede materialer. Frostbestandige er isoleringer, der ikke mister deres egenskaber ved temperaturer op til -90 ° C. Der stilles særlige krav til isolering beregnet til enheder, der fungerer i rum- eller vakuumforhold. Til disse formål anvendes vakuumtætte materialer, som omfatter speciel keramik.
Flydende dielektrik
Flydende elektriske isoleringsmaterialer bruges ofte i elektriske maskiner og apparater. Olie spiller rollen som isolering i en transformer. Flydende dielektriske stoffer omfatter også flydende gasser, umættet vaseline og paraffinolier, polyorganosiloxaner, destilleret vand (renset fra s alte og urenheder).
De vigtigste egenskaber ved flydende dielektrika er dielektrisk konstant, elektrisk styrke og elektrisk ledningsevne. Også de elektriske parametre for dielektriske stoffer afhænger i høj grad af graden af deres oprensning. Faste urenheder kan øge den elektriske ledningsevne af væsker på grund af væksten af frie ioner og elektroner. Oprensning af væsker ved destillation, ionbytning mv. fører til en stigning i materialets elektriske styrke, hvorved dets elektriske ledningsevne reduceres.
Flydende dielektriske stoffer er opdelt i tre grupper:
- petroleumsolier;
- vegetabilske olier;
- syntetiske væsker.
De mest almindeligt anvendte olier er petroleumsolier såsom transformator-, kabel- og kondensatorolier. Syntetiske væsker (organosilicium og organofluorforbindelser) bruges også i apparatteknik. For eksempel er organiske siliciumforbindelser frostbestandige og hygroskopiske, så de bruges som isolator i små transformere, men deres omkostninger er højere end prisen på petroleumsolier.
Vegetabilske olier bruges praktisk t alt ikke som isoleringsmateriale i elektrisk isoleringsteknologi. Disse omfatter ricinus-, hørfrø-, hamp- og tungolie. Disse materialer er svagt polære dielektrika og bruges hovedsageligt til imprægnering af papirkondensatorer og som filmdannende middel i elektrisk isolerende lakker, malinger og emaljer.
Gasdielektrik
De mest almindelige gasformige dielektrika er luft, nitrogen, brint og SF6-gas. Elektriske isoleringsgasser er opdelt i naturlige og kunstige. Naturlig luft bruges som isolering mellem de strømførende dele af elledninger og elektriske maskiner. Som isolator har luft ulemper, der gør det umuligt at bruge det i forseglede enheder. På grund af tilstedeværelsen af en høj koncentration af ilt er luft et oxidationsmiddel, og i uhomogene felter fremkommer en lav elektrisk styrke af luft.
Strømtransformatorer og højspændingskabler bruger nitrogen som isolering. Brint er, udover at være et elektrisk isolerende materiale, også tvungen køling, hvorfor det ofte bruges i elektriske maskiner. I tætte installationer anvendes oftest SF6. Påfyldning med SF6-gas gør enheden eksplosionssikker. Den bruges i højspændingsafbrydere på grund af dens lysbueslukkende egenskaber.
Organisk dielektrikum
Organiske dielektriske materialer er opdelt i naturlige og syntetiske. Naturlige organiske dielektrika bruges i øjeblikket ekstremt sjældent, da produktionen af syntetiske ekspanderer mere og mere, og derved reducerer deres omkostninger.
Til naturlige organiske dielektrika omfatter cellulose, gummi, paraffin og vegetabilske olier (ricinusolie). De fleste af de syntetiske organiske dielektrika er forskellige plastik og elastomerer, der ofte bruges i elektriske husholdningsapparater og andet udstyr.
Uorganisk dielektrikum
Uorganiske dielektriske materialer er opdelt i naturlige og kunstige. Det mest almindelige af naturmaterialerne er glimmer, som har kemisk og termisk resistens. Phlogopite og muscovite bruges også til elektrisk isolering.
Til kunstig uorganiskdielektrikum omfatter glas og materialer baseret på det, samt porcelæn og keramik. Afhængigt af anvendelsen kan det kunstige dielektrikum gives særlige egenskaber. F.eks. bruges feldspatkeramik til bøsninger, som har en tangent med højt dielektrisk tab.
Fibrøse elektriske isoleringsmaterialer
Fibrøse materialer bruges ofte til isolering i elektriske apparater og maskiner. Disse omfatter materialer af vegetabilsk oprindelse (gummi, cellulose, stoffer), syntetiske tekstiler (nylon, kapron) samt materialer fremstillet af polystyren, polyamid osv.
Økologiske fibermaterialer er meget hygroskopiske, så de bruges sjældent uden speciel imprægnering.
For nylig er der i stedet for organiske materialer blevet brugt syntetisk fiberisolering, som har en højere grad af varmebestandighed. Disse omfatter glasfiber og asbest. Glasfiber er imprægneret med forskellige lakker og harpikser for at øge dets hydrofobe egenskaber. Asbestfibre har lav mekanisk styrke, så der tilsættes ofte bomuldsfibre.
