Objevte tajemství elektroizolační hmoty: Typy, vlastnosti a praktické využití

Elektroizolační materiály jsou nepostradatelným prvkem ve všech průmyslových odvětvích, neboť slouží k ochraně zařízení a osob. Funkcí elektricky izolačního materiálu je zabránit průchodu proudu mezi dvěma vodivými částmi vystavenými rozdílu elektrických potenciálů. Tyto izolátory se vyrábějí ve stovkách kombinací tvarů, materiálů a sestav pro někdy velmi odlišná použití. Izolační materiály jsou materiály, které nevedou elektrický proud.

Elektrickoizolační charakter materiálu je definován jeho měrným odporem, fyzikální veličinou symbolizovanou písmenem ρ (Ω⋅m), a jeho dielektrickou pevností, což je maximální hodnota elektrického pole, kterou materiál vydrží, než dojde ke vzniku elektrického oblouku.

Základní vlastnosti a parametry elektroizolačních materiálů

Izolační materiály se využívají k izolování elektricky vodivých těles. Ideálním izolantem je pouze vakuum, popřípadě technický izolant za teploty v okolí absolutní nuly. Každý technický izolant je za normálních podmínek do určité míry vodivý. Izolanty neobsahují volně pohyblivé elektrony ani jiné částice, které by byly schopné vést elektrický proud. Skládají se z atomů nebo molekul, které obsahují elementární částice. U izolantů se uplatňuje nejčastěji iontová nebo Van der Waalsova vazba.

Pásový model izolantu popisuje, že jejich zakázaný pás je větší než 3 eV a tuto energii nelze dodat prostým zvýšením teploty nebo ozářením světlem. Elektrická vodivost izolantu je samozřejmě nežádoucí, protože pak izolant ztrácí svou funkci. Velký vliv na elektrickou vodivost izolantu má vnější elektrické pole, do kterého je izolant vložen. V silném poli se izolant může stát vodivým a dojde k jeho průrazu.

Vodivost izolantů

Obecně lze říci, že ve slabých elektrických polích se projevuje tzv. nevlastní vodivost, zatímco v silných elektrických polích již dochází k samostatné vodivosti, kdy vede samotný izolační materiál. Dojde v něm k ionizaci a uvolnění elektronů.

Čtěte také: Izolace s asfaltovým lakem: Jak na to?

Plyny: Plyny obsahují neutrální atomy, molekuly a malé množství volných nosičů náboje, které vznikly ionizací. Ve slabém poli se projevuje malá nesamostatná vodivost, přibližně platí Ohmův zákon. V silném poli již dojde k samostatné vodivosti. Na elektrony působí velká síla, urychlí je, rychlé elektrony způsobí štěpení neutrálních částic na ionty, v důsledku toho dojde k prudkému zvýšení proudu a průrazu izolačního plynu. U plynů se ovšem jedná pouze o dočasnou ztrátu elektroizolační schopnosti.
Pevné izolanty: Pevné izolanty mají největší hustotu látky. Pro vnitřní vodivost platí podobně jako u kapalin, že ve slabém poli se projevuje nevlastní vodivost od iontů příměsí, přibližně platí Ohmův zákon. V silném poli dochází již k vlastní elektronové vodivosti, což se projeví prudkým nárůstem proudu a průrazem. Vodivost povrchová je velmi nepříznivá, ohrožuje bezpečný provoz elektrických zařízení. Způsobují ji nečistoty, které se usazují na povrchu materiálu.

Elektrická polarizace dielektrika

Elektrická polarizace dielektrika je proces, při kterém dochází k narušení symetrie rozdělení elektrických nábojů v atomech dielektrika. Nastává po vložení dielektrika do elektrického pole. Polární dielektrika (např. voda) obsahují elektrické dipóly i bez působení vnějšího elektrického pole.

Pružná polarizace: Dojde k velmi rychlému vychýlení pružně vázaných nábojů (elektronů, iontů) na malé vzdálenosti. Deformační polarizace probíhá bez ztrát energie v dielektriku, prakticky nezávisí na teplotě ani na kmitočtu. Po odstranění dielektrika z elektrického pole se náboje okamžitě navrátí do původního stavu.
Elektronová polarizace: Projevuje se u všech izolantů posunutím jader atomů a elektronů v atomovém obalu. V normálním stavu bez elektrického pole těžiště kladného a záporného náboje splývají. Polarizací v elektrickém poli se atomy mění na indukované dipóly. Doba ustálení = 10^-15 až 10^-13 s. Elektronová polarizace nezávisí na teplotě.
Iontová polarizace: Vyskytuje se především v izolantech s iontovou vazbou (např. sklo), navzájem se posouvají kladné a záporné ionty. Doba ustálení = 10^-13 až 10^-12 s. Nezávisí na frekvenci, na teplotě však závisí. S rostoucí teplotou roste polarizovatelnost.
Relaxační polarizace: Vyskytuje se u izolantů, jejichž polární částice (např. dipólové molekuly nebo ionty) přecházejí při působení elektrického pole postupně z nepolarizovaného do polarizovaného stavu. Časový průběh relaxační polarizace není okamžitý jako u polarizace pružné, ale částice přecházejí do polarizovaného stavu postupně. Je teplotně závislá a dochází při ní ke ztrátám energie v dielektriku.
Mezivrstvová polarizace: Tato polarizace probíhá u dielektrika s nehomogenní strukturou, ve kterém se vyskytují rozhraní, poruchy a přechody mezi materiály. Dochází zde k pohybu volných nábojů a hromadění nosičů náboje na rozhraní látek, čímž se tvoří prostorový náboj. Mezivrstvová polarizace je pomalejší než ostatní druhy polarizace a je závislá na teplotě.
Samovolná polarizace: Probíhá u látek s doménovou strukturou (feroelektrika). Dochází k ní bez přispění elektrického pole při tuhnutí taveniny feroelektrické látky. Je teplotně závislá. Feroelektrika mají značně vysokou hodnotu relativní permitivity, ε_r = 10³ - 10⁶, což značí, že u nich velmi snadno dochází k elektrické polarizaci.

Dielektrické ztráty

Dielektrické ztráty vznikají při průchodu proudu dielektrikem ve střídavém poli.

Vodivostní: Vzniká Jouleovo teplo při průchodu proudu dielektrikem. Jsou tím větší, čím je větší vodivost dielektrika.
Polarizační: Vznikají při ztrátových druzích polarizací (např. relaxační). Projevují se ve střídavých polích a jsou frekvenčně závislé.
Ionizační: Vznikají při ionizaci dielektrika při velké intenzitě elektrického pole.

Podle velikosti ztrátového činitele lze posuzovat ztráty daného dielektrika. Ztrátový činitel = tgδ se udává v tabulkách pro různá dielektrika a izolanty, obvyklé hodnoty jsou 10^-1 - 10^-5.

Elektrická pevnost

Elektrická pevnost (E_p) je základní jednotka Vm^-1. Průraz izolantu znamená ztrátu elektroizolační schopnosti. V plynech se jedná o čistě elektrický průraz.

Tepelné třídy izolantů

Norma ČSN EN 60085 ed. 2 dělí elektrickou izolaci do tepelných tříd, které byly uznány mezinárodně. Tepelná třída pro elektroizolační materiál představuje doporučenou maximální teplotu ve stupních Celsia pro nepřetržité použití.

Čtěte také: Cihly s tepelnou izolací

Tepelná třída	Maximální teplota (°C)
Y	90
A	105
E	120
B	130
F	155
H	180
C	>180

Měrné teplo izolantu má velký význam pro stanovení teploty izolace vinutí, které náhle dosáhne např. při zkratu. U elektrických strojů se izolační materiály zároveň využívají k odvádění tepla vzniklého ztrátami ve vinutí.

Mechanické a vlhkostní vlastnosti

Navlhavost: Schopnost přijímat vlhkost z okolního vzduchu.
Nasákavost: Schopnost přijímat vodu. Je vždy větší než navlhavost a je měřítkem pórovitosti látky. U izolačních materiálů je nežádoucí. Malou nasákavost má např. sklotextit.

U izolačních materiálů se zjišťují podobné mechanické vlastnosti jako u jiných skupin materiálů, např. pevnost v tlaku, pevnost v tahu, ohybu, rázová houževnatost. Mechanické vlastnosti se ověřují zkouškami při krátkodobém i rázovém namáhání.

Typy elektroizolačních materiálů

Izolační materiály se dělí na anorganické, organické a směsné izolační materiály.

Anorganické izolanty

Anorganické izolanty mají původ v anorganických látkách. Hlavní anorganické izolanty jsou slída, keramika, azbest a sklo. Základem většiny anorganických izolantů jsou křemičitany (silikáty). Podstatou jejich struktury jsou skupiny Si-O s velmi pevnými chemickými vazbami. Každý atom křemíku váže čtyři atomy kyslíku, které jsou prostorově rozloženy v rozích čtyřstěnu.

Slída: Má vrstvovou strukturu. Muskovit (slída draselná) je stříbřitě lesklý, průhledný, dobře se štípe na pružné lístky tloušťky 5 µm. Flogopit (slída hořečnatá) je světle hnědý, měkčí, ohebnější, hůře se štípe.

Mikanity: Svitkové izolanty, např. mikafolium - lístky slídy se lepí v jedné nebo více vrstvách pojivem na podklad (papír nebo skleněná tkanina). Používají se např. v cívkách elektrických strojů.
Remikanity: Vyrábějí se vrstvením listů remiky na potřebnou tloušťku a mají uplatnění v oblasti elektrických strojů.

Azbest: Je přírodní materiál s vláknitou strukturou. Má vysokou tepelnou odolnost, je nehořlavý. Azbest se vyskytuje v několika modifikacích, které se liší délkou vláken (např. chryzotil, krokydolit).
Keramika: Suroviny pro výrobu keramických elektroizolačních materiálů jsou kaolin, jíly, křemen, živec, mastek, oxid uhličitý, oxidy hliníku, titanu, zinku, voda, škrob, vodní sklo, lisovací oleje, cement, soda, pryskyřice. Následně se vypaluje v peci při teplotách 1200 - 1400ºC, čímž dojde v materiálu k přeměně struktury a chemického složení. Vyrobené keramické materiály se vyznačují dobrými elektroizolačními vlastnostmi, časovou stálostí vlastností a odolností proti vysokým teplotám, proti náhlým změnám teploty, chemickým a povětrnostním vlivům a vlhkosti.

Porcelán: Vyrábí se z jílu, kaolinu, křemene a živce. Vypaluje se při teplotách 1280 - 1450ºC. Lze ho používat do teploty 1100ºC. Je málo nasákavý a teplotně stálý. Vykazuje velké dielektrické ztráty, a proto je nevhodný pro vysoké frekvence. Používá se pro izolátory na venkovním elektrickém vedení, pro průchodky u transformátorů, jako nosník v tepelných spotřebičích.
Steatit: Hlavní surovinou je mastek. Vypaluje se při teplotách 1300 - 1400ºC. Má dobrou mechanickou pevnost a elektrické vlastnosti i při vyšších teplotách než porcelán. Vzhledem k malým dielektrickým ztrátám při vyšších frekvencích je vhodný k použití v měřících přístrojích, relé, elektrotepelných zařízeních i pro vysoké frekvence.
Stealit: Označuje se jako maloztrátový steatit a má ještě lepší elektrické vlastnosti než steatit.
Kamenina: Má chemické složení podobné jako porcelán, vyrábí se z méně čistých surovin. Vypaluje se při 1200ºC. Má elektrické i mechanické vlastnosti horší než porcelán.
Oxidická keramika: (berylnatá, zirkoničitá, korundová, lithná) má vysokou teplotní odolnost (až 2000ºC) a je teplotně stálá.

Sklo: Jako suroviny k výrobě skla se používají křemenný písek, soda a vápenec, případně oxidy, které ovlivňují vlastnosti výsledného skla. Sklo je amorfní látka, vyznačuje se iontovou vodivostí, je dobrý izolant při nižších teplotách, jeho elektrická vodivost se zvyšuje s teplotou exponenciálně. Sklo má také vysokou tepelnou vodivost a velkou elektrickou pevnost.

Křemenné sklo: Obsahuje čistý oxid křemičitý, je velmi kvalitní a drahé. Má velmi malou teplotní roztažnost. Používá se pro kostry cívek pro vysokofrekvenční techniku a výrobu kvalitních optických vláken.
Boritokřemičitá skla: Obsahují oxid boritý. Lze je použít např. k výrobě skelných vláken, izolátorů na venkovní vedení, desek plošných spojů spojením skelných vláken s epoxidem.

Organické izolanty

Základem organických izolantů jsou makromolekulární látky - polymery, jejichž základní stavební jednotka se nazývá monomer. Podle počtu monomerů v polymeru se mění fyzikální vlastnosti materiálu. Polymerační stupeň je průměrný počet základních jednotek v makromolekule.

Čtěte také: Jaké jsou druhy a vlastnosti izolačních betonů?

Organické izolační materiály jsou například šelak, pryskyřice, pryž, bavlněná příze, papír, len, umělé hedvábí atd., z nichž většina se používá k výrobě izolačních barev, izolace potažené vinutím drátu atd.

Typy uspořádání polymerů:

Lineární uspořádání: Základní jednotky jsou v řetězcích, které jsou propletené, ale nejsou nijak spojené.
Rozvětvené uspořádání: Základní jednotky jsou v dlouhých řetězcích s bočními vazbami.
Prostorové uspořádání: Dlouhé řetězce jsou vzájemně propojeny do prostorových útvarů. Toto uspořádání se objevuje u reaktoplastů (tzv. zesíťování).

Mezi organické izolanty patří také:

Fenoplasty: Velmi známým fenoplastem je bakelit, který vzniká polykondenzací fenolu s formaldehydem. Tyto dvě sloučeniny při zvýšené teplotě navzájem exotermicky reagují za vzniku tuhého kondenzátu - pryskyřice.
Aminoplasty: Jsou bezbarvé syntetické pryskyřice, jsou rozpustné ve vodě a odolné proti elektrickému oblouku. Lze je dobře obarvovat.

Směsné izolační materiály

Hybridní izolační materiály jsou různé lisované izolační materiály vyrobené zpracováním anorganických a organických materiálů a jsou používány jako základna, plášť atd. elektrických spotřebičů.

Mezi elektroizolanty patří také tzv. lamináty. Lamináty představují řadu izolačních materiálů složených z několika vrstev materiálu. Desky jsou vyrobeny z celulózového papíru, skelné tkaniny nebo tvrzené bavlněné tkaniny jako výztuže a různých typů živice použité jako pojivo. Lisují se za zvýšené teploty. Mají vysokou mechanickou a elektrickou pevnost. Základem izolace jsou výztuhy (papír, skleněná rohož, skleněná tkanina, slída), které jsou před polymerizací potaženy fenolovou, polyesterovou, epoxidovou nebo silikonovou pryskyřicí. Vyskytují se ve formě desek o tloušťce od několika desetin milimetru až po několik desítek milimetrů.

Kartit (Pertinax)

Kartit je pevný a odolný materiál vyrobený z vrstveného papíru napuštěného pryskyřicemi, který se vyznačuje vynikajícími elektrickými izolačními vlastnostmi a mechanickou pevností. Kartit se osvědčil na izolační mezistěny, kryty a nejrůznější konstrukční prvky. Tento materiál je široce používán v elektrotechnice, zejména při výrobě izolačních desek, distančních dílů nebo krytů.

Textit (Gumoid)

Textit je odolný kompozitní materiál vyrobený vrstvením bavlněné tkaniny a fenolové pryskyřice. Díky této kombinaci je materiál mechanicky pevný, pružný a zároveň poskytuje dobré izolační vlastnosti. Textit má větší pevnost než kartit, dokáže navíc i tlumit nárazy, má velmi dobré mechanické a kluzné vlastnosti. Textit se používá v průmyslu i v elektrotechnice, především tam, kde je vyžadována kombinace mechanické odolnosti a elektrické izolace. Vinuté a lisované tyče z bavlněné tkaniny a fenolické živice se používají při výrobě elektricky a mechanicky namáhaných kluzných ložisek, pouzder i ozubených kol.

Sklotextit (Texgumoid)

Sklotextit je vysoce výkonný izolační a konstrukční materiál, vyrobený z vrstvené tkaniny ze skleněných vláken, impregnované epoxidovou pryskyřicí. Sklotextit má nejvyšší odolnost vůči vysokým teplotám a vlhku i vysokou pevnost v tahu, velmi nízkou nasákavost, vydrží vysoké průrazné napětí. Nachází proto uplatnění zejména v namáhaných elektroizolačních součástkách.

Další izolační materiály

Pružné izolace: Jsou izolace o tloušťce menší než 1 milimetr, prodávané jako papír nebo vlákna. Například papíry, jako je Nomex®, jsou meta-aramidy s vynikající tepelnou stabilitou (od -196 °C do +300 °C). Je proto ideálním elektrickým izolantem pro mnoho aplikací: transformátory, větrné turbíny, hybridní vozidla atd.
Fólie: Jsou izolační polymery o tloušťce menší než 0,5 mm, které jsou k dispozici ve formě rolí. Jejich složení se velmi liší a existuje mnoho různých formulací s vlastními dielektrickými, tepelnými a mechanickými vlastnostmi. Z námi vyráběné BO PET fólie se nejčastěji řežou úzké pásky, kterými se ve šroubovici ovíjejí svazky izolovaných vodičů v kabelech. BO PET fólie zvyšují izolaci proti proražení elektrickým proudem, zejména však zabrání slepení/svaření svazku kabelů a vnějšího pláště kabelu při oplášťování kabelu. Fólie se využívá rovněž jako laminát BO PET s folií ze slídy.
Kapalné izolační materiály: Elektrickou izolaci lze zajistit také použitím materiálů v kapalném stavu. To umožňuje umístit tekutou izolaci na potřebné místo a později ji vytvrdit. Příkladem jsou ochranné laky a tmely. Tekuté izolační materiály jsou také známé jako izolační olej. Vyplňují dutiny uvnitř nebo mezi póly pevných materiálů, aby zlepšily jejich dielektrické vlastnosti a zlepšily schopnost zařízení odvádět teplo.
Plynné izolační materiály: Mají vysokou ionizační sílu pole a sílu průrazného pole, mohou rychle obnovit izolační výkon po poruše, dobrou chemickou stabilitu, nehořlavé, nevýbušné, nestárnoucí, nekorozivní, nelze je snadno rozložit výbojem a velká měrná tepelná kapacita, dobrá tepelná vodivost a tekutost. Vzduch je nejpoužívanějším plynovým izolačním materiálem.

Aplikace izolačních materiálů

Funkcí izolačních materiálů je izolovat části pod napětím s různým potenciálem v elektrických zařízeních. Izolační materiál by proto měl mít nejprve vysoký izolační odpor a odolávat napěťové pevnosti a měl by se vyhnout nehodám, jako je únik a porucha. Za druhé, tepelná odolnost by měla být dobrá, aby se zabránilo stárnutí a zhoršení v důsledku dlouhodobého přehřívání. Kromě toho by měl mít také vlastnosti dobré tepelné vodivosti, odolnosti proti vlhkosti a blesku, vysoké mechanické pevnosti a pohodlného zpracování.

Převážná většina průmyslových odvětví se zabývá elektrickou izolací. V elektronice se desky s plošnými spoji vyrábějí z materiálu zvaného FR-4, což je laminát vyrobený z epoxidové pryskyřice a skleněných vláken. Malé elektromotory pracující s nízkým napětím, jako jsou motory čerpadel stěračů čelního skla, lze izolovat pomocí pružných polyesterových izolačních fólií o tloušťce asi 100 mikronů, protože dielektrický charakter izolantu se mění s jeho tloušťkou. Pružné izolátory se používají například v zářezových zpětných nebo mezifázových funkcích.

U zařízení typu turboalternátoru nebo plynové turbíny běžně používáme materiály pro uzavření štěrbin z vysoce výkonného laminátu, které jsou silnější, odolnější a kombinují výhody 2 nebo 3 materiálů. V automobilovém průmyslu se elektrické izolátory používají mimo jiné na alternátorech, kabelech a palubní elektronice. Od nástupu elektrických a hybridních automobilů navíc tato potřeba jen vzrostla kvůli nutnosti izolovat baterie. Lze použít například Formex®, polypropylen ve fóliích nebo voštinových deskách. Tato řešení mohou být izolačními materiály rozptylujícími teplo nebo izolačními materiály s integrovanými vlastnostmi vedoucími proud.

Využití plastů pro výrobu kabelů je ovlivňováno zejména modernizací elektrických a telekomunikačních sítí. Napájecí kabely tvoří skoro 70% spotřeby plastů používaných pro výrobu a oplášťování kabelů. Dále jsou to telekomunikační aplikace, kabely pro automobilový průmysl, těžební a specializovaná odvětví, jako je letecký průmysl.

Na trhu je k dispozici mnoho řešení elektrické izolace a jejich výběr závisí na aplikaci. Tyto materiály mají navíc různé vlastnosti z hlediska elektrické izolace, teplotní odolnosti a mechanické pevnosti.

tags: #co #je #elektro #izolacni #hmota

Co je elektroizolační hmota a jaké jsou její typy a vlastnosti?