Электрические изоляторы и изоляция: свойства и применение.

Введение

Материал, который не проводит электрический ток – электрическая изоляция.

Электрический изолятор – это материал, в котором электрический ток не течет свободно. Атомы изолятора имеют прочно связанные электроны, которые не могут легко перемещаться. Другие материалы – полупроводники и проводники – проводят электрический ток легче. Свойство, отличающее изолятор, – это его удельное сопротивление; у изоляторов оно выше, чем у полупроводников или проводников. Наиболее распространенными примерами являются неметаллы. Идеального изолятора не существует, поскольку даже изоляторы содержат небольшое количество подвижных зарядов (носителей заряда), способных проводить ток. Кроме того, все изоляторы становятся электрически проводящими при приложении достаточно высокого напряжения, при котором электрическое поле отрывает электроны от атомов. Это явление называется электрическим пробоем, а напряжение, при котором оно происходит, – напряжением пробоя изолятора. Некоторые материалы, такие как стекло, бумага и PTFE, обладающие высоким удельным сопротивлением, являются очень хорошими электроизоляторами. Гораздо более широкий класс материалов, даже если их объемное сопротивление ниже, все же достаточно высок, чтобы предотвратить протекание значительного тока при обычно используемых напряжениях и, следовательно, используется в качестве изоляции для электрических проводов и кабелей. Примеры включают в себя резиноподобные полимеры и большинство пластмасс, которые могут быть термореактивными или термопластичными. Изоляторы используются в электрическом оборудовании для поддержки и разделения электрических проводников, не допуская прохождения тока через них. Изоляционный материал, используемый в больших количествах для обмотки электрических кабелей или другого оборудования, называется изоляцией. Термин «изолятор» также используется в более узком смысле для обозначения изоляционных опор, используемых для крепления линий электропередачи и распределения к столбам и опорам. Они поддерживают вес подвешенных проводов, не позволяя току проходить через опору к земле.

Физика проводимости в твердых веществах

Электрическая изоляция – это отсутствие электрической проводимости. Теория электронных зон (область физики) объясняет, что электрический заряд течет, когда доступны квантовые состояния вещества, в которые могут переходить электроны. Это позволяет электронам приобретать энергию и, таким образом, перемещаться через проводник, например, металл, при приложении разности электрических потенциалов к материалу. Если таких состояний нет, материал является изолятором. Большинство изоляторов имеют широкую запрещенную зону. Это происходит потому, что "валентная" зона, содержащая электроны с наивысшей энергией, полностью заполнена, и большой энергетический зазор отделяет эту зону от следующей зоны над ней. Всегда существует определенное напряжение (называемое пробивным напряжением), которое дает электронам достаточно энергии для перехода в эту зону. Как только это напряжение превышено, происходит электрический пробой, и материал перестает быть изолятором, проводя заряд. Это обычно сопровождается физическими или химическими изменениями, которые необратимо ухудшают материал и его изоляционные свойства. Когда электрическое поле, приложенное к изолирующему веществу, в любой точке превышает пороговое пробивное поле для этого вещества, изолятор внезапно становится проводником, вызывая резкое увеличение тока и возникновение электрической дуги в веществе. Электрический пробой происходит, когда электрическое поле в материале достаточно сильное, чтобы ускорить носители свободного заряда (электроны и ионы, которые всегда присутствуют в небольших концентрациях) до скорости, достаточной для выбивания электронов из атомов при столкновении с ними, ионизируя атомы. Эти освобожденные электроны и ионы, в свою очередь, ускоряются и сталкиваются с другими атомами, создавая больше носителей заряда в цепной реакции. Быстро изолятор заполняется подвижными носителями заряда, и его сопротивление падает до низкого уровня. В твердом теле пробивное напряжение пропорционально ширине запрещенной зоны. При возникновении коронного разряда воздух в области вокруг высоковольтного проводника может пробиваться и ионизироваться без катастрофического увеличения тока. Однако, если область пробоя воздуха распространяется на другой проводник с другим напряжением, это создает проводящий путь между ними, и большой ток течет по воздуху, образуя электрическую дугу. Даже вакуум может испытывать пробой, но в этом случае вакуумный пробой или дуга включает в себя заряды, выбрасываемые с поверхности металлических электродов, а не создаваемые самим вакуумом. Кроме того, все изоляторы становятся проводниками при очень высоких температурах, поскольку тепловая энергия валентных электронов достаточна для перехода их в зону проводимости. В некоторых конденсаторах короткие замыкания между электродами, образовавшиеся в результате пробоя диэлектрика, могут исчезнуть при уменьшении приложенного электрического поля.

Electrical insulation is the absence of electrical conduction. Electronic band theory (a branch of physics) explains that electric charge flows when quantum states of matter are available into which electrons can be excited. This allows electrons to gain energy and thereby move through a conductor, such as a metal, if an electric potential difference is applied to the material. If no such states are available, the material is an insulator. Most insulators have a large band gap. This occurs because the "valence" band containing the highest energy electrons is full, and a large energy gap separates this band from the next band above it. There is always some voltage (called the breakdown voltage) that gives electrons enough energy to be excited into this band. Once this voltage is exceeded, electrical breakdown occurs, and the material ceases being an insulator, passing charge. This is usually accompanied by physical or chemical changes that permanently degrade the material and its insulating properties. When the electric field applied across an insulating substance exceeds in any location the threshold breakdown field for that substance, the insulator suddenly becomes a conductor, causing a large increase in current, an electric arc through the substance. Electrical breakdown occurs when the electric field in the material is strong enough to accelerate free charge carriers (electrons and ions, which are always present at low concentrations) to a high enough velocity to knock electrons from atoms when they strike them, ionizing the atoms. These freed electrons and ions are in turn accelerated and strike other atoms, creating more charge carriers, in a chain reaction. Rapidly the insulator becomes filled with mobile charge carriers, and its resistance drops to a low level. In a solid, the breakdown voltage is proportional to the band gap energy. When corona discharge occurs, the air in a region around a high voltage conductor can break down and ionise without a catastrophic increase in current. However, if the region of air breakdown extends to another conductor at a different voltage it creates a conductive path between them, and a large current flows through the air, creating an electric arc. Even a vacuum can suffer a sort of breakdown, but in this case the breakdown or vacuum arc involves charges ejected from the surface of metal electrodes rather than produced by the vacuum itself. In addition, all insulators become conductors at very high temperatures as the thermal energy of the valence electrons is sufficient to put them in the conduction band. In certain capacitors, shorts between electrodes formed due to dielectric breakdown can disappear when the applied electric field is reduced.

Применение

На электрические провода и кабели часто наносят гибкое покрытие изолятора; эта конструкция называется изолированным проводом. Иногда провода не используют изоляционное покрытие, а полагаются только на воздух, когда применение твердого (например, пластикового) покрытия может быть нецелесообразным. Соприкосновение проводов может привести к перемычкам, коротким замыканиям и возникновению пожароопасных ситуаций. В коаксиальном кабеле центральный проводник должен быть точно зафиксирован в центре полого экрана для предотвращения отражения электромагнитных волн. Провода, находящиеся под высоким напряжением, могут представлять опасность поражения электрическим током и привести к смертельному исходу. Большинство изделий из изолированных проводов и кабелей имеют максимальные допустимые значения напряжения и температуры проводника. У изделия может отсутствовать показатель тока (пропускной способности по току), поскольку он зависит от окружающей среды (например, температуры окружающей среды). В электронных системах печатные платы изготавливаются из эпоксидного пластика и стекловолокна. Непроводящие платы поддерживают слои проводников из медной фольги. В электронных устройствах крошечные и деликатные активные компоненты помещаются в непроводящие эпоксидные или фенольные пластмассы, либо в обожженное стекло или керамические покрытия. В микроэлектронных компонентах, таких как транзисторы и интегральные схемы, кремний обычно является проводником благодаря легированию, но его можно легко и избирательно превратить в хороший изолятор при воздействии тепла и кислорода. Окисленный кремний – это кварц, то есть диоксид кремния, основной компонент стекла. В высоковольтных системах, содержащих трансформаторы и конденсаторы, обычно для предотвращения образования дуги используется диэлектрическое масло. Масло вытесняет воздух из пространств, которые должны выдерживать значительное напряжение без пробоя. Другие изоляционные материалы для высоковольтных систем включают керамические или стеклянные изоляторы, газ, вакуум, а также достаточное расстояние между проводами для использования воздуха в качестве изоляции.

Изоляция в электрических аппаратах

Самый важный изолирующий материал – воздух. Различные твердые, жидкие и газообразные изоляторы также используются в электрическом оборудовании. В небольших трансформаторах, генераторах и электродвигателях изоляция обмоток из проволоки состоит из до четырех тонких слоев полимерной лакированной пленки. Магнитопровод, изолированный пленкой, позволяет производителю получить максимальное количество витков в доступном пространстве. Обмотки, использующие более толстые проводники, часто оборачиваются дополнительной изоляционной лентой из стекловолокна. Обмотки также могут быть пропитаны изолирующими лаками для предотвращения электрической коронного разряда и уменьшения вибрации провода, вызванной магнитным полем. Обмотки больших силовых трансформаторов по-прежнему в основном изолированы бумагой, деревом, лаком и минеральным маслом; хотя эти материалы используются более 100 лет, они по-прежнему обеспечивают хороший баланс между экономичностью и достаточной производительностью. Шины и автоматические выключатели в распределительных устройствах могут быть изолированы стеклопластиком, обработанным для снижения скорости распространения пламени и предотвращения пробоя по поверхности материала. В старом оборудовании, изготовленном до начала 1970-х годов, можно найти плиты из спрессованного асбеста; хотя это адекватный изолятор при рабочих частотах, обращение с асбестом или его ремонт может привести к выбросу опасных волокон в воздух и требует осторожности. Провод, изолированный асбестовой войлочной нитью, использовался в условиях высоких температур и повышенной механической нагрузки с 1920-х годов. Провод такого типа продавался компанией General Electric под торговой маркой "Deltabeston". Щиты с открытыми токоведущими частями до начала 20-го века изготавливались из сланца или мрамора. Некоторые высоковольтные устройства предназначены для работы в изоляционном газе под высоким давлением, таком как гексафторид серы. Изоляционные материалы, хорошо работающие при рабочих и низких частотах, могут быть непригодны для радиочастот из-за нагрева, вызванного избыточной диэлектрической потерей. Электрические провода могут быть изолированы полиэтиленом, сшитым полиэтиленом (путем обработки электронным лучом или химического сшивания), ПВХ, Каптоном, резиноподобными полимерами, бумагой, пропитанной маслом, тефлоном, силиконом или модифицированным этилентетрафторэтиленом (ETFE). В более крупных силовых кабелях может использоваться сжатый неорганический порошок, в зависимости от области применения. Гибкие изоляционные материалы, такие как ПВХ (поливинилхлорид), используются для изоляции цепи и предотвращения контакта человека с проводом под напряжением – напряжением 600 вольт или менее. Альтернативные материалы, вероятно, будут использоваться все чаще из-за законодательства ЕС в области безопасности и охраны окружающей среды, которое делает ПВХ менее экономичным. В электрическом оборудовании, таком как двигатели, генераторы и трансформаторы, используются различные изоляционные системы, классифицируемые по их максимальной допустимой рабочей температуре для обеспечения приемлемого срока службы. Материалы варьируются от улучшенных сортов бумаги до неорганических соединений.

The most important insulation material is air. A variety of solid, liquid, and gaseous insulators are also used in electrical apparatus. In smaller transformers, generators, and electric motors, insulation on the wire coils consists of up to four thin layers of polymer varnish film. Film insulated magnet wire permits a manufacturer to obtain the maximum number of turns within the available space. Windings that use thicker conductors are often wrapped with supplemental fiberglass insulating tape. Windings may also be impregnated with insulating varnishes to prevent electrical corona and reduce magnetically induced wire vibration. Large power transformer windings are still mostly insulated with paper, wood, varnish, and mineral oil; although these materials have been used for more than 100 years, they still provide a good balance of economy and adequate performance. Busbars and circuit breakers in switchgear may be insulated with glass reinforced plastic insulation, treated to have low flame spread and to prevent tracking of current across the material. In older apparatus made up to the early 1970s, boards made of compressed asbestos may be found; while this is an adequate insulator at power frequencies, handling or repairs to asbestos material can release dangerous fibers into the air and must be carried out cautiously. Wire insulated with felted asbestos was used in high temperature and rugged applications from the 1920s. Wire of this type was sold by General Electric under the trade name "Deltabeston." Live front switchboards up to the early part of the 20th century were made of slate or marble. Some high voltage equipment is designed to operate within a high pressure insulating gas such as sulfur hexafluoride. Insulation materials that perform well at power and low frequencies may be unsatisfactory at radio frequency, due to heating from excessive dielectric dissipation. Electrical wires may be insulated with polyethylene, crosslinked polyethylene (either through electron beam processing or chemical crosslinking), PVC, Kapton, rubber like polymers, oil impregnated paper, Teflon, silicone, or modified ethylene tetrafluoroethylene (ETFE). Larger power cables may use compressed inorganic powder, depending on the application. Flexible insulating materials such as PVC (polyvinyl chloride) are used to insulate the circuit and prevent human contact with a 'live' wire – one having voltage of 600 volts or less. Alternative materials are likely to become increasingly used due to EU safety and environmental legislation making PVC less economic. In electrical apparatus such as motors, generators, and transformers, various insulation systems are used, classified by their maximum recommended working temperature to achieve acceptable operating life. Materials range from upgraded types of paper to inorganic compounds.

Изоляция класса I и класса II

Все портативные или ручные электрические приборы изолированы для защиты пользователя от опасного поражения электрическим током. Изоляция класса I требует подключения металлического корпуса и других открытых металлических частей прибора к заземлению через заземляющий провод, который подсоединен к главной распределительной панели – при этом на проводниках требуется только базовая изоляция. Для этого оборудования необходим дополнительный контакт на вилке электропитания для заземления. Изоляция класса II означает, что прибор имеет двойную изоляцию. Она применяется в некоторых приборах, таких как электрические бритвы, фены и переносные электроинструменты. Двойная изоляция предполагает наличие как базовой, так и дополнительной изоляции, каждая из которых способна предотвратить поражение электрическим током. Все внутренние электрически активные компоненты полностью заключены в изолированный корпус, исключающий любой контакт с токоведущими частями. В ЕС приборы с двойной изоляцией маркируются символом, состоящим из двух квадратов, один внутри другого.

Изоляторы для телеграфов и передачи энергии

Проводники для воздушной передачи электроэнергии высокого напряжения не имеют изоляции и изолируются окружающим воздухом. Проводники для более низких напряжений в распределительных сетях могут иметь некоторую изоляцию, но часто также остаются неизолированными. Изоляционные опоры необходимы в точках крепления проводников к опорам линий электропередачи или башням. Изоляторы также требуются в местах ввода проводов в здания или электрические устройства, такие как трансформаторы или автоматические выключатели, для изоляции от корпуса. Часто для этих целей используются вводы – полые изоляторы, внутри которых проходит проводник.

Материалы

Изоляторы, используемые для передачи электроэнергии высокого напряжения, изготавливаются из стекла, фарфора или композитных полимерных материалов. Фарфоровые изоляторы производятся из глины, кварца или оксида алюминия и полевого шпата и покрываются гладкой глазурью для отвода воды. Изоляторы из фарфора, богатого оксидом алюминия, применяются там, где важна высокая механическая прочность. Диэлектрическая прочность фарфора составляет примерно 4–10 кВ/мм. Стекло обладает более высокой диэлектрической прочностью, но оно притягивает конденсат, а сложные формы, необходимые для изоляторов, трудно отливать без внутренних напряжений. Некоторые производители изоляторов прекратили выпуск стеклянных изоляторов в конце 1960-х годов, перейдя на керамические материалы. Некоторые энергоснабжающие компании используют полимерные композитные материалы для определенных типов изоляторов. Обычно они состоят из центрального стержня из стеклопластика и внешней защитной оболочки из силиконовой резины или этиленпропилендиенового мономера (EPDM). Композитные изоляторы более экономичны, имеют меньший вес и отличные гидрофобные свойства. Это сочетание делает их идеальными для работы в загрязненных районах. Однако эти материалы пока не имеют такой же подтвержденной долговечности, как стекло и фарфор.

Изолятор оболочки

Изолятор, защищающий всю длину нижней контактной третьей рельсы.

Изоляторы подвески

+Типичное количество дисковых изоляторов для стандартных напряжений линии Напряжение линии (кВ) Диски 34,5 3 69 4 115 6 138 8 161 11 230 14 287 15 345 18 360 23 400 24 500 34 600 44 750 59 765 60

Изоляторы штыревого типа не подходят для напряжений выше 69 кВ между линиями. Высоковольтные линии электропередачи обычно используют модульные конструкции подвесных изоляторов. Провода подвешиваются к "гирлянде" из идентичных дискообразных изоляторов, соединенных между собой металлическими штифтовыми или шаровыми шарнирами. Преимущество этой конструкции заключается в том, что гирлянды изоляторов с различными пробивными напряжениями, предназначенные для разных напряжений линий, можно создавать, используя различное количество базовых элементов. Гирлянды изоляторов могут быть изготовлены для любого практически используемого напряжения передачи, добавляя элементы изоляции в гирлянду. Кроме того, если один из изоляторов в гирлянде выходит из строя, его можно заменить, не демонтируя всю гирлянду. Каждый элемент состоит из керамического или стеклянного диска с металлическим колпачком и штифтом, приклеенными к противоположным сторонам. Для облегчения обнаружения дефектных элементов стеклянные изоляторы спроектированы таким образом, что перенапряжение вызывает пробой стекла, а не поверхностный разряд. Стекло подвергается термообработке, чтобы оно разбивалось, делая поврежденный элемент видимым. Однако механическая прочность элемента не изменяется, поэтому гирлянда изоляторов остается целой. Стандартные дисковые подвесные изоляторы имеют диаметр и длину, способны выдерживать нагрузку в , имеют сухое пробивное напряжение около 72 кВ и рассчитаны на рабочее напряжение 10–12 кВ. Однако пробивное напряжение гирлянды меньше суммы пробивных напряжений ее отдельных дисков, поскольку электрическое поле распределено по гирлянде неравномерно и наиболее интенсивно вблизи диска, расположенного ближе всего к проводнику, который пробивает первым. Вокруг диска на стороне высокого напряжения иногда устанавливаются выравнивающие металлические кольца для снижения напряженности электрического поля в этой области и повышения пробивного напряжения. В линиях сверхвысокого напряжения изоляторы могут быть окружены кольцами коронного разряда. Обычно они состоят из тороидальных элементов из алюминия (наиболее часто) или медных труб, прикрепленных к линии. Они предназначены для уменьшения электрического поля в точке крепления изолятора к линии, предотвращая коронный разряд, который приводит к потерям мощности.

Pin type insulators are unsuitable for voltages greater than about 69 kV line to line. Higher voltage transmission lines usually use modular suspension insulator designs. The wires are suspended from a 'string' of identical disc shaped insulators that attach to each other with metal clevis pin or ball and socket links. The advantage of this design is that insulator strings with different breakdown voltages, for use with different line voltages, can be constructed by using different numbers of the basic units. String insulators can be made for any practical transmission voltage by adding insulator elements to the string. Also, if one of the insulator units in the string breaks, it can be replaced without discarding the entire string. Each unit is constructed of a ceramic or glass disc with a metal cap and pin cemented to opposite sides. To make defective units obvious, glass units are designed so that an overvoltage causes a puncture arc through the glass instead of a flashover. The glass is heat treated so it shatters, making the damaged unit visible. However the mechanical strength of the unit is unchanged, so the insulator string stays together. Standard suspension disc insulator units are in diameter and long, can support a load of , have a dry flashover voltage of about 72 kV, and are rated at an operating voltage of 10–12 kV. However, the flashover voltage of a string is less than the sum of its component discs, because the electric field is not distributed evenly across the string but is strongest at the disc nearest to the conductor, which flashes over first. Metal grading rings are sometimes added around the disc at the high voltage end, to reduce the electric field across that disc and improve flashover voltage. In very high voltage lines the insulator may be surrounded by corona rings. These typically consist of toruses of aluminium (most commonly) or copper tubing attached to the line. They are designed to reduce the electric field at the point where the insulator is attached to the line, to prevent corona discharge, which results in power losses.

История

Первыми электрическими системами, использовавшими изоляторы, были линии телеграфа; прямое крепление проводов к деревянным столбам давало очень плохие результаты, особенно во влажную погоду. Первые стеклянные изоляторы, использовавшиеся в больших количествах, имели гладкое отверстие для штифта. Эти куски стекла устанавливались на конический деревянный штифт, вертикально выступающий вверх от поперечной балки столба (обычно только два изолятора на столб и, возможно, один на самом верху). Естественное сжатие и расширение проводов, прикрепленных к этим "изоляторам без резьбы", приводило к тому, что изоляторы слетали со штифтов, требуя ручной установки на место. Среди первых производителей керамических изоляторов были компании в Великобритании: Stiff и Doulton использовали каменную керамику с середины 1840-х годов, Joseph Bourne (позже переименованный в Denby) начал их производство примерно с 1860 года, а Bullers – с 1868 года. Луи А. Кове 25 июля 1865 года был выдан патент № 48906 на процесс производства изоляторов с резьбовым отверстием для штифта: изоляторы штифтового типа до сих пор имеют резьбовые отверстия. Изобретение подвесных изоляторов сделало возможной передачу электроэнергии высокого напряжения. По мере того, как напряжение в линиях электропередачи достигало и превышало 60 000 вольт, требуемые изоляторы становились очень большими и тяжелыми, а изоляторы, рассчитанные на запас прочности в 88 000 вольт, были практическими пределами для производства и монтажа. Подвесные изоляторы, напротив, можно соединять в гирлянды любой необходимой длины для данного напряжения линии. Было изготовлено огромное разнообразие телефонных, телеграфных и силовых изоляторов; некоторые люди коллекционируют их как из-за их исторической ценности, так и из-за эстетических качеств многих конструкций и отделок изоляторов. Одной из коллекционерских организаций является Национальная ассоциация изоляторов США, насчитывающая более 9000 членов.

Изоляция антенн

Часто радиовещательная антенна строится как мачтовый излучатель, что означает, что вся мачтовая конструкция находится под высоким напряжением и должна быть изолирована от земли. Для этого используются крепления из стеатита. Они должны выдерживать не только напряжение мачтового излучателя к земле, которое на некоторых антеннах может достигать 400 кВ, но также вес мачтовой конструкции и динамические нагрузки. Необходимы роговые изоляторы и устройства защиты от импульсных перенапряжений, поскольку удары молнии в мачту – обычное явление. В оттяжках, поддерживающих антенные мачты, обычно устанавливаются стержневые изоляторы, чтобы предотвратить короткое замыкание высокого напряжения антенны на землю или создание опасности поражения электрическим током. Часто в оттяжках имеется несколько изоляторов, расположенных для разделения кабеля на участки, предотвращающие нежелательные электрические резонансы в оттяжке. Эти изоляторы обычно керамические, цилиндрической или яйцевидной формы (см. рисунок). Преимущество такой конструкции заключается в том, что керамика испытывает сжатие, а не растяжение, что позволяет ей выдерживать большую нагрузку, и в том, что при разрушении изолятора концы кабеля остаются соединены. Эти изоляторы также должны быть оснащены оборудованием для защиты от перенапряжений. При определении размеров изоляции оттяжек необходимо учитывать статические заряды на оттяжках. Для высоких мачт они могут быть значительно выше напряжения, создаваемого передатчиком, что требует разделения оттяжек изоляторами на несколько секций на самых высоких мачтах. В этом случае предпочтительнее использовать оттяжки, заземленные в якорных фундаментах через катушку или, по возможности, напрямую. Линии питания, соединяющие антенны с радиооборудованием, особенно двухпроводные линии, часто должны располагаться на расстоянии от металлических конструкций. Изолированные опоры, используемые для этой цели, называются изоляторами отстоя.