Лекция № 7 Электроизоляционные материалы. Определение, назначение и классификация. Виды материалов.

Диэлектрические материалы имеют чрезвычайно важное значение для электротехники. К ним принадлежат электроизоляционные материалы. Они используются для создания электрической изоляции, которая окружает токоведущие части электрических устройств и отделяет друг от друга части, находящиеся под различными электрическими потенциалами. Назначение электрической изоляции  не допускать прохождения электрического тока по каким-либо нежелательным путям, помимо тех путей, которые предусмотрены электрической схемой устройства. Очевидно, что никакое, даже самое простое, электрическое устройство не может быть выполнено без использования электроизоляционных материалов.

Кроме того, электроизоляционные материалы используются в качестве диэлектриков в электрических конденсаторах для создания определенного значения электрической емкости конденсатора, а в некоторых случаях для обеспечения определенного вида зависимости этой емкости от температуры или иных факторов. Термины диэлектрический материал и электроизоляционный материал воспринимаются как синонимы, хотя это не одно и то же. Понятие диэлектрический материал шире, чем электроизоляционный.

Настоящая лекция посвящена электроизоляционным материалам, которые образуют самый многочисленный тип электротехнических материалов вообще; количество отдельных видов конкретных электроизоляционных материалов, применяемых в современной электропромышленности, исчисляется многими тысячами. В различных случаях применения к электроизоляционным материалам предъявляются самые разнообразные требования. Помимо электроизоляционных свойств, большую роль играют механические, тепловые и другие физико-химические свойства, способность материалов подвергаться тем или иным видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий, а также стоимость и дефицитность материалов. Поэтому для различных случаев применения выбирают разные материалы. Электроизоляционный материал – это диэлектрический материал, применяемый для устранения утечки электрических зарядов. К ЭИМ относят материалы преимущественно с ионным характером проводимости ( ρ > 10⁸ Ом × м ). Хорошие ЭИМ в настоящее время имеют ρ > 10¹² Ом × м, с точки зрения физики к ЭИМ относят материалы с шириной запрещённой зоны более 3 Эв.

Основное назначение электроизоляционного материала состоит в том, чтобы не пропускать ток по нежелательным путям, а только по цепи, выполненной из материалов с высокой проводимостью.

Электроизоляционные материалы (ЭИМ) классифицируют по следующим признакам:

• по агрегатному состоянию;

• по химическому составу;

• по природе происхождения;

• по способности к поляризации.

По агрегатному состоянию ЭИМ подразделяются на твёрдые, жидкие и газообразные. В особую группу могут быть выделены твердеющие материалы, которые в исходном состоянии во время введения их в изготовляемую изоляцию являются жидкостями, но затем твердеют и в готовой, находящейся в эксплуатации изоляции представляют собой твердые тела (например, лаки и компаунды).

Жидкие диэлектрики могут использоваться для усиления изоляции твердых пористых материалов. Они обладают высокой теплоемкостью и высоким коэффициентом теплопередачи. Поэтому, применение для изоляции жидких диэлектриков позволяет значительно улучшить отвод тепла от токоведущих частей машин и аппаратов и тем самым повысить их мощность. Ряд жидких диэлектриков обладает хорошими дугогасящими свойствами, поэтому они широко применяются в высоковольтных выключателях.

Газообразные диэлектрики обладают некоторыми преимуществами перед другими электроизоляционными материалами. Наиболее важным из них является способность газообразных диэлектриков восстанавливать электрическую прочность после их пробоя. Кроме того, они не подвержены старению, т.е. с течением времени они не ухудшают свои свойства. Газообразные электроизоляционные материалы обладают высоким удельным электрическим сопротивлением и малым тангенсом угла диэлектрических потерь. Характерным свойством газообразных диэлектриков является малое значение диэлектрической проницаемости.

По химическому составу электроизоляционные материалы подразделяются на органические и неорганические. Отдельную группу представляют элементоорганические материалы.

Под органическими веществами подразумеваются соединения углерода; обычно они содержат также водород, кислород, азот, галогены или иные элементы. Прочие вещества считаются неорганическими; многие из них содержат кремний, алюминий и другие металлы, кислород и т.п. Органические материалы обладают высокой электрической прочностью, но меньшей нагревостойкостью в сравнении с неорганическими материалами. Многие органические электроизоляционные материалы обладают ценными механическими свойствами, гибкостью, эластичностью, из них могут быть изготовлены волокна, пленки и изделия других разнообразных форм, поэтому они нашли весьма широкое применение. Однако органические электроизоляционные материалы за немногими исключениями (фторлоны, полиимиды и пр.) имеют относительно низкую нагревостойкость. Неорганические электроизоляционные материалы в большинстве случаев не обладают гибкостью и эластичностью, часто они хрупки, технология их обработки сравнительно сложна. Однако, как правило, неорганические электроизоляционные материалы обладают значительно более высокой нагревостойкостью, чем органические, а потому они с успехом применяются в тех случаях, когда требуется обеспечить высокую рабочую температуру изоляции. Электроизоляционные материалы классифицируют по виду поляризации на полярные и неполярные. Особенности поляризации дают возможность классифицировать все диэлектрики на несколько групп. К первой группе можно отнести диэлектрики, обладающие в основном только электронной поляризацией. Таковыми являются, например, неполярные и слабо полярные твердые вещества в кристаллическом и аморфном состояниях (парафин, сера, полистирол), а также неполярные и слабо полярные жидкости и газы (бензол, водород и др.). Ко второй группе относятся диэлектрики, обладающие одновременно электронной и дипольно-релаксационной поляризациями. К ним принадлежат полярные (дипольные) органические, полужидкие и твердые вещества (масляно-канифольные компаунды, эпоксидные смолы, целлюлоза), а также некоторые хлорированные углеводороды. Третью группу составляют твердые неорганические диэлектрики с электронной, ионной и ионно - электронно - релаксационной поляризациями. В этой группе целесообразно выделить две подгруппы материалов ввиду существенного различия их электрических характеристик:

1 - диэлектрики с электронной и ионной поляризациями; 2 - диэлектрики с электронной, ионной и релаксационными поляризациями. К первой группе преимущественно относятся кристаллические вещества с плотной упаковкой ионов (кварц, слюда, каменная соль, корунд, рутил).

Ко второй принадлежат неорганические стекла, материалы, содержащие стекловидную фазу (фарфор, микалекс), и кристаллические диэлектрики с неплотной упаковкой частиц в решетке. Четвертую группу составляют сегнетоэлектрики, характеризующиеся спонтанной, электронной, ионной и электронно-ионно-релакса-ционной поляризациями: сегнетова соль, метатитанат бария и другие.Приведенная выше классификация диэлектриков позволяет до известной степени предопределять основные их электрические свойства, как это показано далее.

Полярные ЭИМ – это материалы, молекулы которых имеют постоянный электрический момент. Неполярные ЭИМ – материалы, молекулы которых приобретают индуктированный электрический момент только при воздействии внешнего электрического поля. Это разделение важно при оценке электрических свойств и гигроскопичности материалов.

ЭИМ различают на природные, искусственные и синтетические. Искусственные материалы получают путем химической переработки природного сырья, а синтетические методом химического синтеза.

В процессе эксплуатации оборудования железнодорожного транспорта на электрическую изоляцию воздействует множество неблагоприятных факторов: тряска, вибрация, изменение температур, иногда в широком диапазоне, повышенные температуры, загрязнение, увлажнение, воздействие агрессивной пыли, электрического поля, как при рабочем напряжении, так и при перенапряжениях. Поэтому с течением времени изоляция постепенно теряет свои первоначальные свойства.

Требования к электроизоляционным материалам постоянно повышаются. Это связано с тем, что электротехническое оборудование должно надежно выполнять свои функции во все более усложняющихся условиях. В будущем особенно будут увеличены требования к стойкости ЭИМ сильному электрическому полю и повышенным температурам. Кроме того, важную роль будут играть технологичность и экономические соображения.