Einige Materialien, die in Elektrogeräten und Stromversorgungssch altungen verwendet werden, haben dielektrische Eigenschaften, d. h. sie haben einen hohen Stromwiderstand. Diese Fähigkeit ermöglicht es ihnen, keinen Strom zu leiten, und daher werden sie verwendet, um eine Isolierung für stromführende Teile zu schaffen. Elektroisolierstoffe sollen nicht nur stromführende Teile trennen, sondern auch Schutz vor den gefährlichen Wirkungen des elektrischen Stroms schaffen. Zum Beispiel sind die Netzkabel von Elektrogeräten mit einer Isolierung ummantelt.
Elektrische Isolierstoffe und ihre Anwendungen
Elektrische Isoliermaterialien werden in großem Umfang in der Industrie, im Radio- und Instrumentenbau sowie beim Aufbau elektrischer Netze eingesetzt. Der normale Betrieb eines Elektrogeräts oder die Sicherheit eines Stromversorgungskreises hängt maßgeblich davon abgebrauchte Dielektrika. Einige Parameter eines Materials, das für die elektrische Isolierung bestimmt ist, bestimmen seine Qualität und seine Fähigkeiten.
Die Verwendung von Dämmstoffen unterliegt Sicherheitsvorschriften. Die Unversehrtheit der Isolierung ist der Schlüssel zum sicheren Arbeiten mit elektrischem Strom. Es ist sehr gefährlich, Geräte mit beschädigter Isolierung zu verwenden. Schon ein leichter elektrischer Strom kann Auswirkungen auf den menschlichen Körper haben.
Eigenschaften von Dielektrika
Elektrische Isolierstoffe müssen bestimmte Eigenschaften haben, um ihre Funktion erfüllen zu können. Der Hauptunterschied zwischen Dielektrika und Leitern ist der große Volumenwiderstand (109–1020 Ohm cm). Die elektrische Leitfähigkeit von Leitern ist im Vergleich zu Dielektrika 15-mal höher. Dies liegt daran, dass Isolatoren von Natur aus um ein Vielfaches weniger freie Ionen und Elektronen haben, die für die Stromleitfähigkeit des Materials sorgen. Aber wenn das Material erhitzt wird, gibt es mehr von ihnen, was zu einer Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit beiträgt.
Unterscheiden Sie zwischen aktiven und passiven Eigenschaften von Dielektrika. Bei Dämmstoffen sind passive Eigenschaften am wichtigsten. Die Dielektrizitätskonstante des Materials sollte so niedrig wie möglich sein. Dadurch kann der Isolator keine parasitären Kapazitäten in die Sch altung einführen. Für das Material, das als Dielektrikum eines Kondensators verwendet wird, sollte die Dielektrizitätskonstante hingegen möglichst groß sein.
Isolierungsoptionen
Zu den wichtigsten ParameternZur elektrischen Isolierung gehören die elektrische Festigkeit, der spezifische elektrische Widerstand, die relative Dielektrizitätskonstante und der Winkel des dielektrischen Verlusts. Bei der Bewertung der elektrischen Isoliereigenschaften des Materials wird auch die Abhängigkeit der aufgeführten Eigenschaften von der Größe des elektrischen Stroms und der elektrischen Spannung berücksichtigt.
Elektrische Isolierprodukte und -materialien haben im Vergleich zu Leitern und Halbleitern eine höhere elektrische Festigkeit. Wichtig für das Dielektrikum ist auch die Stabilität bestimmter Werte bei Erwärmung, Spannungserhöhung und anderen Änderungen.
Klassifizierung dielektrischer Materialien
Je nach Stärke des durch den Leiter fließenden Stroms werden unterschiedliche Isolationsarten verwendet, die sich in ihrer Leistungsfähigkeit unterscheiden.
Nach welchen Parametern werden Elektroisolierstoffe eingeteilt? Die Einteilung der Dielektrika erfolgt nach Aggregatzustand (fest, flüssig und gasförmig) und Herkunft (organisch: natürlich und synthetisch, anorganisch: natürlich und künstlich). Die häufigste Art von festem Dielektrikum, das an den Kabeln von Haush altsgeräten oder anderen Elektrogeräten zu sehen ist.
Feste und flüssige Dielektrika werden wiederum in Untergruppen eingeteilt. Zu den festen Dielektrika gehören lackierte Stoffe, Laminate und verschiedene Arten von Glimmer. Wachse, Öle und Flüssiggase sind flüssige Elektroisolierstoffe. Deutlich seltener werden spezielle gasförmige Dielektrika eingesetzt. Zu dieser Art gehören auchder natürliche elektrische Isolator ist Luft. Seine Verwendung beruht nicht nur auf den Eigenschaften von Luft, die es zu einem hervorragenden Dielektrikum machen, sondern auch auf seine Wirtschaftlichkeit. Die Verwendung von Luft als Isolierung erfordert keine zusätzlichen Materialkosten.
Feste Dielektrika
Solide Elektroisolierstoffe sind die breiteste Klasse von Dielektrika, die in verschiedenen Bereichen verwendet werden. Sie haben unterschiedliche chemische Eigenschaften und die Dielektrizitätskonstante reicht von 1 bis 50.000.
Feste Dielektrika werden in unpolare, polare und ferroelektrische Stoffe unterteilt. Ihre Hauptunterschiede liegen in den Mechanismen der Polarisierung. Diese Isolationsklasse hat Eigenschaften wie chemische Beständigkeit, Kriechstromfestigkeit, dendritische Beständigkeit. Die chemische Beständigkeit drückt sich in der Fähigkeit aus, dem Einfluss verschiedener aggressiver Umgebungen (Säure, Lauge usw.) standzuh alten. Der Durchlaufwiderstand bestimmt die Fähigkeit, den Auswirkungen eines elektrischen Lichtbogens zu widerstehen, und der Dendritenwiderstand bestimmt die Bildung von Dendriten.
Feste Dielektrika werden in verschiedenen Bereichen der Energie eingesetzt. Beispielsweise werden keramische elektrische Isoliermaterialien am häufigsten als Leitungs- und Durchführungsisolatoren in Umspannwerken verwendet. Papier, Polymere, Glasfaser werden als Isolierung für Elektrogeräte verwendet. Für Maschinen und Geräte werden am häufigsten Lacke, Pappe, Compound verwendet.
Für den Einsatz unter verschiedenen Betriebsbedingungen erhält die Isolierung durch die Kombination verschiedener Eigenschaften besondere EigenschaftenMaterialien: Hitzebeständigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Strahlungsbeständigkeit und Frostbeständigkeit. Hitzebeständige Isolatoren können Temperaturen bis 700 °C standh alten, dazu gehören Gläser und darauf basierende Materialien, Organosilite und einige Polymere. Feuchtigkeitsbeständiges und tropenbeständiges Material ist Fluorkunststoff, der nicht hygroskopisch und hydrophob ist.
Strahlungsbeständige Isolierung wird in Geräten mit atomaren Elementen verwendet. Es umfasst anorganische Filme, einige Arten von Polymeren, Glasfasern und Materialien auf Glimmerbasis. Frostbeständig sind Isolierungen, die bei Temperaturen bis -90 °C ihre Eigenschaften nicht verlieren. Besondere Anforderungen werden an Isolierungen gestellt, die für Geräte bestimmt sind, die unter Weltraum- oder Vakuumbedingungen betrieben werden. Für diese Zwecke werden vakuumdichte Materialien verwendet, zu denen auch spezielle Keramiken gehören.
Flüssige Dielektrika
Flüssige Elektroisolierstoffe werden häufig in elektrischen Maschinen und Apparaten eingesetzt. Öl spielt in einem Transformator die Rolle der Isolierung. Zu den flüssigen Dielektrika gehören auch verflüssigte Gase, ungesättigte Vaseline und Paraffinöle, Polyorganosiloxane, destilliertes Wasser (gereinigt von Salzen und Verunreinigungen).
Die Haupteigenschaften flüssiger Dielektrika sind die Dielektrizitätskonstante, die elektrische Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit. Auch die elektrischen Parameter von Dielektrika hängen weitgehend vom Grad ihrer Reinigung ab. Feste Verunreinigungen können durch das Wachstum freier Ionen und Elektronen die elektrische Leitfähigkeit von Flüssigkeiten erhöhen. Reinigung von Flüssigkeiten durch Destillation, Ionenaustausch usw. führt zu einer Erhöhung der elektrischen Festigkeit des Materials und damit zu einer Verringerung seiner elektrischen Leitfähigkeit.
Flüssige Dielektrika werden in drei Gruppen eingeteilt:
- Erdöle;
- pflanzliche Öle;
- synthetische Flüssigkeiten.
Die am häufigsten verwendeten Öle sind Mineralöle wie Transformatoren-, Kabel- und Kondensatorenöle. Auch im Apparatebau werden synthetische Flüssigkeiten (organosilicium- und fluororganische Verbindungen) eingesetzt. Zum Beispiel sind Organosiliciumverbindungen frostbeständig und hygroskopisch, daher werden sie als Isolator in kleinen Transformatoren verwendet, aber ihre Kosten sind höher als der Preis von Erdöl.
Pflanzenöle werden als Isolierstoffe in der Elektroisoliertechnik praktisch nicht verwendet. Dazu gehören Rizinus-, Lein-, Hanf- und Tungöl. Diese Materialien sind schwach polare Dielektrika und werden hauptsächlich zum Imprägnieren von Papierkondensatoren und als Filmbildner in Elektroisolierlacken, -farben und -lacken verwendet.
Gasdielektrika
Die gebräuchlichsten gasförmigen Dielektrika sind Luft, Stickstoff, Wasserstoff und SF6-Gas. Elektrische Isoliergase werden in natürliche und künstliche Gase unterteilt. Als Isolierung zwischen den stromführenden Teilen von Stromleitungen und elektrischen Maschinen wird natürliche Luft verwendet. Luft hat als Isolator Nachteile, die einen Einsatz in geschlossenen Geräten unmöglich machen. Aufgrund des Vorhandenseins einer hohen Sauerstoffkonzentration ist Luft ein Oxidationsmittel, und in inhomogenen Feldern tritt eine geringe elektrische Stärke der Luft auf.
Leistungstransformatoren und Hochspannungskabel verwenden Stickstoff als Isolierung. Wasserstoff dient nicht nur als elektrisch isolierendes Material, sondern auch als Zwangskühlung, weshalb er häufig in elektrischen Maschinen eingesetzt wird. In geschlossenen Anlagen wird am häufigsten SF6 verwendet. Die Befüllung mit SF6-Gas macht das Gerät explosionssicher. Aufgrund seiner lichtbogenlöschenden Eigenschaften wird es in Hochspannungs-Leistungssch altern eingesetzt.
Organische Dielektrika
Organische dielektrische Materialien werden in natürliche und synthetische Materialien unterteilt. Natürliche organische Dielektrika werden derzeit äußerst selten verwendet, da die Produktion synthetischer immer mehr expandiert und dadurch ihre Kosten senkt.
Zu natürlichen organischen Dielektrika gehören Zellulose, Kautschuk, Paraffin und Pflanzenöle (Rizinusöl). Die meisten synthetischen organischen Dielektrika sind verschiedene Kunststoffe und Elastomere, die häufig in elektrischen Haush altsgeräten und anderen Geräten verwendet werden.
Anorganische Dielektrika
Anorganische dielektrische Materialien werden in natürliche und künstliche unterteilt. Das gebräuchlichste der natürlichen Materialien ist Glimmer, der chemisch und thermisch beständig ist. Phlogopit und Muskovit werden auch zur elektrischen Isolierung verwendet.
Zur künstlichen AnorganikZu den Dielektrika zählen Glas und darauf basierende Werkstoffe sowie Porzellan und Keramik. Je nach Anwendung können dem künstlichen Dielektrikum spezielle Eigenschaften verliehen werden. Beispielsweise werden Feldspatkeramiken für Durchführungen verwendet, die einen hohen dielektrischen Verlustfaktor haben.
Faserförmige Elektroisolierstoffe
Faserstoffe werden häufig zur Isolierung in elektrischen Apparaten und Maschinen eingesetzt. Dazu gehören Materialien pflanzlichen Ursprungs (Gummi, Zellulose, Stoffe), synthetische Textilien (Nylon, Capron) sowie Materialien aus Polystyrol, Polyamid etc.
Organische Faserstoffe sind stark hygroskopisch, daher werden sie selten ohne spezielle Imprägnierung verwendet.
In letzter Zeit werden anstelle von organischen Materialien Kunstfaserisolierungen verwendet, die eine höhere Hitzebeständigkeit aufweisen. Dazu gehören Glasfaser und Asbest. Glasfaser wird mit verschiedenen Lacken und Harzen imprägniert, um ihre hydrophoben Eigenschaften zu erhöhen. Asbestfasern haben eine geringe mechanische Festigkeit, daher werden häufig Baumwollfasern hinzugefügt.
