Электроизоляция – необходимый этап при создании, а также ремонте и эксплуатации электротехнических изделий. И важным классом диэлектриков являются полимеры. В статье рассказываем о электроизоляционных материалах: какими они бывают, где используются.
Что такое электроизоляция
Электроизоляционные материалы также называют диэлектриками. Это вещества, которые препятствуют проникновению и утечке тока. Особенность диэлектриков – большой показатель электросопротивления.
Соответственно, электроизоляция – это способность материалов препятствовать протеканию тока. Она играет важную роль в электротехнике и электронике, отвечает за безопасность и эффективность работы разных устройств.
Также электроизоляцией называют процесс изолирования токопроводящих систем друг от друга, от окружающей среды или контактирующих элементов конструкции.
Какие электроизоляционные материалы бывают
Существует множество веществ, которые не проводят электричество. Их можно различить по нескольким характеристикам.
По агрегатному состоянию:
- Газообразные. Например, аргон, ксенон, фтор, гелий – инертные газы с прекрасными диэлектрическими способностями. Их применяют в ряде высоковольтных устройств, например, в газоразрядных лампах и некоторых типах лазеров. Сернистый гексафторид с отличной электроизоляционной способностью используют в высоковольтных устройствах: выключателях и трансформаторах.
- Жидкие. Это минеральные и синтетические масла, глицерин, некоторые силиконовые и полиуретановые жидкости. Их применяют в трансформаторах, конденсаторах и других высоковольтных устройствах с высокой производительностью.
- Твердые. Древесина, асбест и базальт, кварц и керамика, большинство полимеров и резина. Их применяют в качестве электроизоляционных прокладок, техпластин, щитков, корпусов для техники, а также обмотки для проводов и кабелей. Кроме того, из твердых диэлектриков изготавливают элементы спецодежды.
Наиболее используемые – твердые диэлектрики. Так как они наименее токсичные, удобные в эксплуатации. Для сравнения, некоторые масла нефтяного происхождения – пожароопасны. А синтетические жидкости в своем большинстве – токсичные. В то время как твердые материалы часто обладают дополнительными положительными характеристиками, в частности, невосприимчивостью к возгоранию и химической инертностью.
Все твердые диэлектрики можно поделить на:
- Органические. Они состоят из углеродных соединений. Они могут быть природного происхождения, как шеллак, янтарь или канифоль, или синтетического, как полиэтилен, полипропилен и другие пластики.
- Неорганические. Они не содержат углерода. Это керамика, стекло, некоторые оксиды металлов. У них есть существенный недостаток перед органическими диэлектриками – как правило, они более хрупкие и менее эластичные.
Со временем в производстве наиболее востребованными с точки зрения электрической изоляции стали полимеры синтетического происхождения и резина. Они удобны в эксплуатации, прекрасно изолируют электрический ток и доступны по стоимости.
От теории переходим к практике. Расскажем о диэлектрических характеристиках некоторых полимеров и их сферах использования.
Полиэтилен (ПЭ) и высокомолекулярный полиэтилен (ВМПЭ)
Полиэтилен (ПЭ) – популярный полимер для электроизоляции с отличными диэлектрическими свойствами, долговечностью, приемлемыми показателями прочности.
Удельное электрическое сопротивление полиэтилена обычно составляет от 10^13 до 10^16 Ом·м. Это значение может варьироваться в зависимости от типа полиэтилена (например, низкоплотный или высокоплотный) и условий эксплуатации.
Вот несколько способов, как полиэтилен используется для электроизоляции:
- Изоляция проводов.
- Конденсаторы. ПЭ обеспечивает стабильные электрические характеристики и хорошую термостойкость.
- Изоляционные панели для электротехники. Преимущества – легкость, гибкость и хорошая механическая прочность.
- Изоляция обмоток в трансформаторах для защиты от коротких замыканий и перегрева.
Высокомолекулярный полиэтилен, в отличие от обычного ПЭ, обладает хорошей термостойкостью. Соответственно, при повышенной температуре не ухудшаются изоляционные свойства. Изделия из ВМПЭ хорошо предотвращают электрические утечки и оберегают кабели от внешних воздействий. Высокомолекулярный полиэтилен используют для электроизоляции обмоток трансформаторов.
Полиамид (ПА6)
Полиамид — это термопластичный полимер, известный своими отличными электроизоляционными характеристиками, что делает его популярным выбором в электротехнической и электронной отраслях. Благодаря своим уникальным свойствам, он подходит для множества приложений, связанных с изоляцией электрических компонентов.
Полиамид типа PA6 демонстрирует высокую диэлектрическую прочность, что позволяет ему устойчиво переносить значительные электрические поля без риска пробоя. Это качество особенно важно для изоляции проводов, кабелей и других электрических элементов. Кроме того, полимер сохраняет свои изоляционные свойства в широком диапазоне температур, что делает его идеальным для использования в условиях с колебаниями температуры.
Удельное электрическое сопротивление полиамида обычно колеблется в пределах от 10^12 до 10^14 Ом·см. Эти значения могут изменяться в зависимости от условий эксплуатации, таких как температура, уровень влажности и присутствие загрязняющих веществ.
Применение полиамида PA6 в электроизоляции:
- Изоляция кабелей.
- Применяется для производства различных изоляционных деталей: втулок и шайб, используемых в электрических устройствах.
- Полиамид PA6 часто используется для изготовления корпусов и оболочек электрических и электронных приборов, обеспечивая защиту внутренних компонентов.
Полиуретан (ПУ)
Полиуретан с высоким удельным электрическим сопротивлением делает его отличным выбором для применения в качестве электроизоляционного материала в различных электротехнических и электронных устройствах. Удельное электрическое сопротивление полиуретана (ПУ) обычно находится в диапазоне от 10^12 до 10^16 Ом·см. Материал отличается термостойкостью, гибкостью и прочностью.
Применение полиуретана в электроизоляции:
- Изоляция проводов и кабелей.
- Полиуретан применяется для покрытия и защиты электронных компонентов, таких как платы, трансформаторы и другие устройства.
- Покрытия и герметизация. Полиуретановые покрытия используются для защиты от влаги и загрязнений, что особенно важно в электронике и электротехнике.
- Из полиуретана изготавливают различные электроизоляционные детали: шайбы, втулки, прокладки, уплотнительные кольца и проч.
Полипропилен (ПП)
Удельное электрическое сопротивление полипропилена (ПП) – от 10^16 до 10^18 Ом·см. Полипропилен обладает низким значением диэлектрической проницаемости (обычно около 2.2), что минимизирует потери энергии в электрических полях. Полипропилен сохраняет свои диэлектрические свойства в широком диапазоне температур и влажности, что делает его подходящим для различных климатических условий.
Полипропилен часто используется в производстве пленочных конденсаторов, где его диэлектрические свойства способствуют высокой эффективности и надежности. Полимер применяется в качестве изоляционного материала в кабелях, проводах и других электрических устройствах.
В целом, полипропилен является отличным выбором для применения в качестве диэлектрика в различных электротехнических и электронных устройствах благодаря своим стабильным и высокоэффективным изоляционным свойствам.
Фторопласт (Ф-4)
Фторопласт Ф-4, также известный как политетрафторэтилен (ПТФЭ), является одним из наиболее известных и широко используемых диэлектриков. Вот несколько его ключевых характеристик и преимуществ:
- Высокое удельное сопротивление делает его отличным изолятором. Показатель варьируется от 10^16 до 10^18 Ом·см.
- Низкая диэлектрическая проницаемость – приблизительно 2.0-2.1. Это минимизирует потери энергии в электрических полях.
- Стабильность при температурных изменениях.
- ПТФЭ устойчив к воздействию кислот и щелочей. Его можно использовать при контакте со многими агрессивными средами.
- Скольжение. Фторопласт имеет низкий коэффициент трения – 0.05-0.1 при контакте с металлическими поверхностями.
Фторопласт Ф-4 используется в производстве изоляционных материалов, проводов, кабелей, конденсаторов и в других электрических и электронных устройствах, где требуются высокие диэлектрические свойства.
Резина
Резина обладает способностью предотвращать прохождение электрического тока, что делает ее отличным изолятором. Удельное электрическое сопротивление резины находится в диапазоне от 10^10 до 10^16 Ом·м. Благодаря гибкости, резина может быть легко формована и адаптирована для различных применений, что позволяет создавать изоляторы различных форм и размеров. В частности, широко используют резиновые техпластины. Существуют специальные диэлектрические коврики, а также подошвы обуви и другие элементы одежды, перчатки, которые не пропускают ток.
Многие виды резины устойчивы к влаге, химикатам и ультрафиолету. Резина долго сохраняет изолирующие свойства, что важно для надежности электрических систем.
Типы резиновых электроизоляторов:
- Силиконовая резина используется в высоковольтных изоляторах, имеет отличную термостойкость и устойчивость к воздействию химических веществ. Далее поговорим о ней подробнее.
- Натуральная резина часто используется в низковольтных конструкциях, таких как электрические кабели и проводка.
- Эпоксидная резина применяется в качестве изоляционного материала в трансформаторах и других электрических установках.
- Нитриловая резина используется в условиях, где требуется устойчивость к маслам и химическим веществам, а также в качестве изоляции.
Уплотнительные шнуры из резины применяют в местах, где нужно достичь высокой герметичности и предотвратить пропускание тока.
Силикон
Альтернатива резине – силиконовые коврики. Их применяют:
- на рабочих столах для сборки и ремонта электроники;
- в лабораториях, как защитные поверхности при проведении экспериментов;
- на производственных линиях для защиты оборудования и рабочих от электрических разрядов.
Кроме защиты от тока, силикон обладает антистатическими свойствами, устойчивостью к высоким температурам и хорошим противоскользящим эффектом.
Удельное электросопротивление силикона варьируется в пределах от 10^12 до 10^15 Ом·м.
Асбест
Асбест используется в качестве электроизолятора благодаря термостойкости, низкой проводимости и устойчивости к химическим воздействиям. Его применяют для производства изоляционных плит, прокладок и лент для трансформаторов, генераторов и электродвигателей. Асбест используют в качестве уплотнителей и прокладок в электрических устройствах, особенно в тех, которые работают при высоких температурах или под давлением.
Широко применяется асбестовый картон, а также ткань. Кроме диэлектрических свойств, широко ценится устойчивость материала к возгораниям.
Это неполный перечень диэлектриков, которые применяются для защиты от электричества. Выбор между материалом зависит не только от показателя электросопротивления, но и от других характеристик – прочности, устойчивости к атмосферным осадкам, перепадам температуры, эластичности и проч.