Электроизоляционные материалы: классификация, применение, свойства и характеристики

Виды, свойства и область применения электроизоляционных материалов

Вступление

Электроизоляционные материалы равноценная составляющая электротехнической продукции, наряду с токопроводящими материалами. Более того, применение токопроводящих материалов, без электроизоляционных материалов практически невозможно.

Промышленные электроизоляционные материалы

Электроизоляционные материалы и сферы их применения

К основным областям применения электроизоляционных материалов можно отнести различные промышленные ветви, радиотехнику, приборостроение и монтаж электрических сетей. Диэлектрики – это основные элементы, от которых зависит безопасность и стабильность работы любого электроприбора. На качество и функциональность изоляции влияют различные параметры.

Таким образом, главная причина применения электроизоляции – соблюдение правил безопасности. В соответствии с ними строго запрещено эксплуатировать оборудование с частично или полностью отсутствующей изоляцией, поврежденной оболочкой, поскольку даже малые токи могут нанести вред человеческому организму.

Свойства диэлектриков

Для того чтобы гарантировать выполнение важных функций, электроизоляционные изделия должны обладать необходимыми свойствами. Основное отличие диэлектрика от проводника – намного большее удельное сопротивление (100-1100 Ом*см). С другой стороны, их электрическая проводимость в 14-15 раз ниже токоведущих жил. Связано это с природным происхождением изоляционных материалов, в составе которых намного меньше свободных отрицательных электронов и положительно заряженных ионов, влияющих на токопроводимость.

Важно! Несмотря на последнее высказывание, при нагревании любого диэлектрика количество ионов и электронов существенно возрастает, из-за чего повышается электрическая проводимость и возникает риск пробоя током.

Все свойства диэлектриков можно разделить на две основные группы – активные и пассивные, при этом вторая является наиболее важной. К пассивным относится диэлектрическая проницаемость: чем меньше ее значение, тем более надежным и качественным является изолятор, поскольку он не оказывает негативного влияния на электрическую схему и не добавляет паразитные емкости. С другой стороны, если изделие эксплуатируется в роли диэлектрического конденсатора, то проницаемость должна быть максимально высокой (паразитные емкости в данном случае важны).

Характеристики электроизоляторов

Ко всем без исключения электроизоляторам предъявляются общие требования.

Электрическая прочность

Способы огнезащиты электрических коммуникаций

Главная задача диэлектрика – обеспечить требуемый уровень значения величины электрической прочности на пробой. Данная величина находится в прямой зависимости от того, насколько толстая фарфоровая стенка изолятора. Нарушение прочности происходит при пробое твердого диэлектрика или в результате разряда по поверхности изолятора. Прочность характеризуется напряжением промышленной частоты, которое способен выдержать изолятор при сухой и мокрой поверхности, а также импульсным напряжением при испытании.  Эту величину проверяют специальным прибором – мегаомметром.

Удельное сопротивление

Изоляционный материал пропускает небольшую часть электрического тока. Эта величина является несоизмеримо малой, в сравнении с теми токами, которые протекают постоянно по жилам. Электрический ток может идти через два пути: сквозь сам изоляционный материал или по его поверхности. Удельным сопротивлением называется величина сопротивления единицы объема материала. Она равна отношению произведений величин сопротивлений тока, идущего по изолятору и сквозь него, к их же сумме.

В качестве единицы измерения данной величины взято значение сопротивления изоляционного материала, выполненного в форме куба с гранью 1 см, где направление тока совпадает с вектором направления двух наружных противоположных граней. Величина удельного сопротивления зависит от агрегатного состояния материала и других важных величин.

Диэлектрическая проницаемость

После помещения изолятора в электромагнитное поле происходит изменение направления в пространстве частиц с плюсовыми зарядами: они выстраиваются по силовым линиям электромагнитного поля. Электронные оболочки меняют свою ориентацию в противоположную сторону. Молекулы поляризуются. При поляризации диэлектриков происходит образование собственного поля у молекул, которое действует в сторону, противоположную направлению общего поля. Эта способность определяется диэлектрической проницаемостью.

Важно! Диэлектрическая проницаемость характеризует степень поляризации диэлектрика. Она оказывает влияние на емкость таких элементов, как конденсаторы. При их изготовлении следует применять изоляцию с большой величиной диэлектрической проницаемости. Измерение величины производят в фарадах на метр погонный (Ф/м). Единица измерения получила свое название в честь великого английского ученого Майкла Фарадея, внесшего весомый вклад в науку в области электромагнетизма.

Угол диэлектрических потерь

Диэлектрические потери – энергия электрического поля, рассеивающаяся в изоляционном материале за определенную единицу времени. Энергия никуда не исчезает, а переходит из одного состояния в другое (тепло). Чем выше величина потерь, тем больше риск теплового разрушения диэлектрика. Эта характеристика электроизолирующего материала измеряется тангенсом угла диэлектрических потерь. Зависимость тангенса угла от значения диэлектрических потерь линейная.

Параметры изоляции

К числу основных относятся:

  • электропрочность;
  • удельное электрическое сопротивление;
  • относительная проницаемость;
  • угол диэлектрических потерь.

Оценивая качество и эффективность диэлектриков, и сравнивая их свойства, нужно выявить зависимость перечисленных параметров от значений тока и напряжения. По сравнению с проводниками электроизоляционные компоненты имеют повышенную электрическую прочность. Учитывая сказанное выше, не менее важным является то, насколько хорошо изоляторы сохраняют свои полезные свойства и удельные величины при нагревании, увеличении напряжения и других воздействиях.

Какие существуют виды электроизоляционных материалов

В зависимости от химического состава существуют следующие основные виды электроизоляционных материалов:

  • Органического состава;
  • Неорганического состава.
Будет интересно➡  Виды соединения проводников

В молекулах органических диэлектриков основной составляющей является углерод, соответственно в неорганических материалах его нет. Неорганические диэлектрики, такие как слюда и керамика, обладают наибольшей нагревостойкостью.

В зависимости от способа получения диэлектрики делятся на естественные и синтетические. Синтетические используются более часто, потому что создаются с необходимыми физико-химическими свойствами, которые можно менять в зависимости от потребности.

Еще одним фактором, который делит виды электроизоляционных материалов на неполярные и полярные, является строение молекул. Материалы с электрически нейтральными атомами и молекулами, до воздействия на них электрического поля не обладают никакими подобными свойствами. К таким относится фторопласт-4 и полиэтилен. В пределах нейтральных электроизоляционных материалов выделяют ионные кристаллические диэлектрики, такие как кварц и слюда, в составе которых каждая пара ионов представляет собой электрически нейтральную частицу. Полярные диэлектрики имеют начальный электрический элемент до начала воздействия на него электричества и по сравнению с нейтральными у них повышенная проводимость и большое значение диэлектрической проницаемости. К ним относится поливинилхлорид и бакелит.

Классификация видов электроизоляционных материалов по происхождению

Агрегатное состояние, в котором находится электроизоляционный материал, делит его на следующие основные виды:

  • Газообразные;
  • Жидкие;
  • Твердые.

Газообразные материи имеют естественное происхождение, и к ним относится:

  • Азот;
  • Атмосферный воздух;
  • Углекислый газ;
  • Гелий;
  • Неон;
  • Аргон;
  • Криптон.

Используют такие вещества крайне редко, даже в взрывозащищенном электрооборудовании.

Жидкие электроизоляционные материалы обладают высокими электрофизическими свойствами. Они делятся на невысыхающие растительные масла, нефтяные масла и синтетические жидкие диэлектрики. Главным недостатком является то, что все нефтяные масла пожароопасные, а синтетические жидкости очень токсичные. Поэтому, как диэлектрики, их практически не используют.

Количество твердых диэлектриков — самое большое, и они наиболее часто используются по назначению. Твердые электроизоляционные материалы делятся на следующие группы:

  • Органические;
  • Неорганические;
  • Элементоорганические.

Органические твердые диэлектрики представлены природными (шеллак, янтарь, канифоль), искусственными (этилцеллюлоза, шелк, бетоилцеллюлоза) и синтетическими (полиамиды, эпоксидные смолы) материалами. Все перечисленные твердые материалы могут использоваться для производства электроизоляционных деталей и конструкций не только в чистом виде, но и как производные. К производным материалам принадлежат слоистые пластики, пластмассы, лаки, слоистые пластики, микалекс и другие.

Важно заметить, что в производстве качественных продуктов используется одновременно несколько видов электроизоляционных материалов для достижения максимального эффекта. Единственной или классической формулы для сочетания пропорций разных материалов не существует, чтобы создать новый продукт проводят эксперименты.

Классы нагревостойкости электроизоляционных материалов

Электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, аппаратах и трансформаторах, разделяются по их нагревостойкости на семь классов.

Таблица 1. Нагревостойкость электроизоляционных материалов

Класс нагревостойкостиТемпература, °CХарактеристика основных групп электроизоляционных материалов, соответствующих данному классу нагревостойкости
Y90Непропитанные и не погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка и шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов
A105Пропитанные или погруженные в жидкий электроизоляционный материал волокнистые материалы из целлюлозы, хлопка или шелка, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов
E120Некоторые синтетические органические пленки, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов
B130Материалы на основе слюды (в том числе на органических подложках), асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связывающими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов
F155Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с синтетическими связывающими и пропитывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов
H180Материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими составами, кремнийорганические эластомеры, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов
CБолее 180Слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связывающих составов или с неорганическими или элементоорганическими связывающими составами, а также соответствующие данному классу другие материалы и другие сочетания материалов

Нагревостойкость — способность электроизоляционного материала выполнять свои функции при воздействии рабочей температуры в течение времени, сравнимого с расчетным сроком нормальной эксплуатации электрооборудования, в котором применяется данный электроизоляционный материал.

Указанные в таблице температуры являются предельно допустимыми для электроизоляционных материалов при их длительном использовании (в течение ряда лет) в электрических машинах, трансформаторах и аппаратах, работающих в нормальных эксплуатационных условиях.

Температуры в наиболее нагретом месте изоляции не должны превышать указанных предельно допустимых величин температуры при работе электрооборудования в нормальном режиме при предусмотренной для этого режима максимальной температуре охлаждающей среды.

С электроизоляционными материалами соответствующего класса допускается совместное применение материалов предшествующего класса при условии, что под действием температуры, допускаемой для материалов более высокого класса, электрические и механические свойства комплексной изоляции не должны претерпевать изменений, могущих сделать изоляцию непригодной для длительной работы.

Таблица 2. Ориентировочное распределение электроизоляционных материалов по классам нагревостойкости

Класс нагревостойкостиЭлектроизоляционные материалыСвязывающие, пропитывающие и покровные составы, применяемые при производстве указанных материаловСвязывающие, пропитывающие и покровные составы, применяемые при производстве электрических машин, трансформаторов и аппаратов с применением указанных материалов
YТекстильные материалы на основе хлопка, натурального шелка, регенерированной целлюлозы, ацетилцеллюлозы и полиамидовНе применяютсяНе применяются
Целлюлозные электроизоляционные бумаги, картоны и фибраНе применяютсяНе применяются
ДревесинаНе применяютсяНе применяются
Пластические массы с органическими наполнителямиМочевиноформальдегидные смолыНе применяются
AМатериалы класса Y, если они пропитаны изоляционным составом или погружены в жидкие диэлектрики (масло и др.)Лаки на основе натуральных смол (шеллак, копалы и др.), эфироцеллюлозные лаки, соответствующие данному классу нагревостойкости; термопластичные компаунды (битумные и др.) с температурой размягчения, обеспечивающей отсутствие вытекания при рабочих температурах только в неподвижных обмотках. Нефтяные и синтетические жидкости, соответствующие данному классу нагревостойкости
Ацетатобутиратцеллю-лозные, ацетилцеллюлозные, диацетатные пленки
Пленкоэлектрокартон на основе ацетилцеллюлозной пленкиКлеящие составы, соответствующие данному классу нагревостойкости
Лакоткани, лакобумаги и лакочулки на основе хлопчатобумажной пряжи, натурального шелка, регенерированной целлюлозы, ацетатцеллюлозы или полиамидных волоконМасляные, смоляные, масляно-смоляные лаки
Изоляция эмалированных проводовМасляно-смоляные лаки, соответствующие данному классу нагревостойкостиНе требуются
Слоистые пластики на основе целлюлозных бумаг и тканейТермореактивные смолы фенолформальдегидного типа
Полиамидные пленки
Полиамидные литьевые смолы
Асбоцемент, пропитанный органическим составом, не вытекающим при 110 °СБитум, каменноугольный пек и др.
Древеснослоистые пластикиФенолформальдегидные смолы
Термореактивные компаунды на основе акриловых и метакриловых эфиров (без наполнителей)
EПленки и волокна из полиэтилентерефталатаТермопластичные компаунды с температурой размягчения, обеспечивающей отсутствие вытекания их при рабочих температурах только в неподвижных обмотках. Составы применяемые для изоляции класса В
Материалы на основе электрокартона и полиэтилентерефталовой пленкиКлеящие и пропитывающие составы соответствующей нагревостойкости
Стеклолакоткани и лакоткани на основе полиэтилентерефталовых волокон
Термореактивные синтетические смолы и компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые)Не требуются
Термореактивные компаунды на основе акриловых и метакриловых эфиров с неорганическими наполнителямиНе требуются
BМатериалы на основе щипаной слюды, слюдопластов и слюдинитов, в том числе с бумажной или тканевой органической подложкойБитумно-масляные лаки: природные и синтетические смолы, не модифицированные и модифицированные растительными маслами, и лаки на их основеБитумно-масляно-смоляные лаки (на тунговом масле), лаки на основе природных и синтетических смол, модифицированных растительными маслами, соответствующие данному классу по нагревостойкости
Стеклоткани и стеклолакочулкиЛаки: битумно-масляно-смоляные, экскапоновые, эпоксидные, полиуретановые, а также на основе алкидных смол, модифицированных маслом
Асбестовые волокнистые материалы, в том числе с органическими волокнамиШеллак, бакелитоглифталиевые и эпоксидные лаки, а также синтетический каучук
Изоляция эмалированных проводовЛаки на основе полиэтилентерефталатных смол и другие синтетические лаки
Пластмассы с неорганическим наполнителемТермореактивные смолы фенолформальдегидного типа, меламиноформальдегидные, фенолофуррольные, эпоксидные и полиэфирныеНе требуются
Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов
Термореактивные синтетические компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые) с минеральным наполнителем и отвердителем, соответствующие данному классу нагревостойкости
Асбестоцемент, пропитанный органическим составом, не вытекающим при температуре 135 °CБитум, каменноугольный пек и другие составы с последующей термообработкой
FМатериалы на основе щипаной слюды, слюдинитов и слюдопластов без подложки или с неорганической подложкойСоответствующие данному классу нагревостойкости смолы и лаки: модифицированные и немодифицированные алкидные, эпоксидные, полиуретановые, кремнийорганические и др.Соответствующие данному классу нагревостойкости смолы и лаки: модифицированные и немодифицированные алкидные, эпоксидные, полиэфирные полиуретановые, кремнийорганические и др.
Стекловолокнистая и асбестовая изоляция провода
Стеклоткани и стеклолакочулки
Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материаловНе требуются
Стекловолокнистая и асбестовая изоляция проводаКремнийорганические, эпоксидные и другие лаки, соответствующие по нагревостойкостиСоответствующие данному классу по нагревостойкости смолы и лаки: алкидные, эпоксидные, полиуретановые и кремнийорганические
HМатериалы на основе щипаной слюды без подложки или с неорганической подложкойСоответствующие данному классу нагревостойкости кремнийорганические и другие лаки и смолыСоответствующие данному классу по нагревостойкости кремнийорганические лаки
Стекловолокнистая изоляция проводов
Стеклоткани и стеклолакочулки
Слоистые пластики на основе стекловолокнистых и асбестовых материаловНе требуются
Пластические массы с неорганическим наполнителем
Асбестоцемент
Кремнийорганические эластомеры без подложек и с неорганическими подложками
Асбестовые материалы (пряжа, ткани, бумаги)Не применяютсяСоответствующие данному классу по нагревостойкости кремнийорганические лаки
CСлюдаНе применяютсяНе требуются
Стекло бесщелочное и стекловолокнистые материалыНе применяются
Электротехническая керамикаНе применяются
КварцНе применяются
Асбестоцемент непропитанныйНе применяются
Шифер электротехническийНе применяются
Материалы на основе щипаной слюды без подложки или со стекловолокнистой подложкойНеорганические составы и элементоорганические смолы с повышенной нагревостойкостью
МикалексНе применяются
ПолитетрафторэтиленНе применяются
ПолиамидыНе применяются
Будет интересно➡  Индуктивность контура

 

Допустимые температуры нагрева токоведущих частей

Таблица 3. Максимально допустимые температуры токоведущих частей аппаратов и оборудования распределительных устройств напряжением свыше 1000 В

Части аппаратовНагрев, °CПерегрев, °C
В воздухеВ маслеВ воздухеВ масле
Токоведущие (за исключением контактных соединений) и нетоковедущие металлические части, неизолированные и не соприкасающиеся с изоляционными материалами120908555
Металлические части изолированные или соприкасающиеся с изоляционными материалами, а также детали из изоляционных материалов классов:Y8045
A95906055
E105907055
B, F,HиC120908555
Масло трансформаторное в верхнем слое:при использовании в качестве дугогасящей среды8045
при использовании в качестве только изолирующей среды9055
Контактные соединения из меди, алюминия или их сплавов с нажатием, осуществляемым болтами, винтами, заклепками и другими способами, обеспечивающими жесткость соединения:без покрытия80804545
с покрытием оловом90905555
с гальваническим покрытием серебром105907055
с уплотненным гальваническим покрытием серебром толщиной не менее 50 мк, а также с накладными пластинами из серебра120908055
Контактные соединения из меди или ее сплавов с нажатием, осуществляемым пружинами:без покрытия75754040
с гальваническим покрытием серебром105907055
с накладными пластинами из серебра или из композиций СОК-15, СОМ-10120907055
Выводы аппаратов, предназначенные для соединений с подводящими проводами, с нажатием, осуществляемым болтами, винтами или другими способами, обеспечивающими жесткость соединения:без покрытия8045
с покрытием оловом9055
с гальваническим покрытием серебром10570
с уплотненным гальваническим покрытием серебром толщиной не менее 50 мк12085
с накладными пластинами из серебра12085
Металлические части, используемые как пружины:из меди75754040
из фосфористой бронзы и аналогичных ей сплавов105907055
из стали120908555
Будет интересно➡  Как запаять алюминий с помощью паяльника своими руками

Установившаяся температура нагрева контактных соединений и цельнометаллических соединений зажимов с внешними проводниками из меди, алюминия и их сплавов при номинальных режимах не должна быть выше 80 °C.

Таблица 4. Максимально допустимые температуры токоведущих частей аппаратов и оборудования распределительных устройств напряжением до 500 В включительно

Части устройств и аппаратовПредельная температура нагрева, °CПерегрев, °C, при температуре окружающей среды +35 °C
Медные шины, имеющие болтовые контактные соединения или не защищенные от коррозии в местах контактов9055
То же, но защищенное в местах контактов слоем полуды или кадмия10065
То же, но защищенное в местах контактов слоем серебра12085
Медные шины с контактными соединениями, выполненными с помощью пайки или сварки12085
Щеточные контакты аппаратов, клиновые контакты штепселей из меди и ее сплавов7035
Клиновые контакты рубильников из меди и ее сплавов9055
Скользящие и стыковые массивные контакты из меди и ее сплавов11075
Скользящие и стыковые массивные контакты со впаянными или приваренными контактными пластинами из серебра12085
Контакты предохранителей12085

 

Установившаяся температура нагрева контактных и цельнометаллических соединений зажимов с внешними проводами из меди, алюминия и их сплавов при номинальном режиме не должна быть выше 95 °C.

Где используется изоляция проводов и кабелей

Изолированные провода и кабели используются повсеместно как в быту, так и в производстве. Провода наиболее часто применяются в подключении приборов и систем. Примером могут стать любые соединяемые технические средства: от игровой приставки до сложных компьютеров и бытовых приборов. Кабеля же служат для проведения электричества от станции к жилым домам, производственным организациям и иным учреждениям.

Виды, свойства и область применения электроизоляционных материалов
Применение изолированных кабелей осуществляется в разных сферах

Кабеля прокладываются воздушным, подземным и подводным способами. Вне зависимости от цели использования проводов и кабельных трасс необходима изоляция от проникновения электрического тока во внешнюю среду.

Обратите внимание! Диэлектрические материалы служат для обеспечения безопасности окружающего мира и живых существ, сохранения и экономичности использования напряжений различного вида. Также назначением изоляции признано сохранение долгой службы кабелей и проводов.

Как правильно использовать изоляцию проводов

Производственная изоляция проводов и кабеля сертифицирована, следовательно, соответствует качеству и прошла контрольные испытания. Однако со временем могут появиться прорехи в покрытии. В такие моменты, если нет возможности заменить полностью, настает черед ремонта изоляции. Для этого используют изоленту, термотрубки и жидкие диэлектрики. Подбирают способ изолирования в зависимости от вида повреждения:

  • потертость основного покрытия устраняется с помощью термоусадки;
  • изломы, удлинение и замена вилки изолируются при помощи жидких и термических диэлектриков;
  • механические повреждения в больших количествах требуют полной замены провода.

Важно! изоляция проводов применяется и в случае самостоятельной спайки и скрутки сердцевин, однако следует соблюдать меры предосторожности и технику безопасности.

Виды, свойства и область применения электроизоляционных материалов
Поврежденная изоляция поддается ремонту

Причины повреждений провода:

  • перетирание при частом использовании;
  • воздействие внешних факторов;
  • порча домашними питомцами;
  • скачки напряжения;
  • несоответствие правилам эксплуатации;
  • использование некачественных материалов.

Основные требования к безопасному использованию изоляции:

  • провода и кабели должны быть обесточены;
  • качество изоляционных материалов высокое и соответствует стандартам;
  • сердцевина обесточенного провода обезжиривается и очищается непосредственно перед процедурой изоляции;
  • способ изолирования соответствует его месту проведения;
  • ремонтник должен иметь достаточный опыт и навыки изоляции.

Важно! Не стоит проводить данную процедуру самостоятельно без опыта. Во избежание несчастных и чрезвычайных ситуаций электроизоляцию необходимо доверить профессионалу.

Изоляция электрического кабеля — важнейшая составляющая работоспособности энергетических сетей. Правильная защита провода от воздействия внешних факторов вкупе с особенностями монтажа и применения гарантирует долгую и бесперебойную поставку тока. Своевременный ремонт и замена диэлектрических материалов невозможны без знания характеристик, преимуществ и недостатков изолятора вне зависимости от бытового или производственного использования.

Предыдущая
РазноеЧто такое однолинейная схема электроснабжения и какие требования для её проектирования?
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять