Современные электрические устройства невозможно представить без надёжной изоляции токонесущих проводов, проводников и корпуса электрооборудования. Основными задачами электроизоляционных материалов являются предотвращение утечки электрических зарядов, разделение токопроводящих элементов и электрических цепочек, а также обеспечение безопасных схем электроснабжения и условий работы технического персонала.
Классификация электроизоляционных материалов
В зависимости от сферы применения, материалы для электроизоляции делятся на категории и классы. Для их нормирования разработаны государственные стандарты, которые регламентируют эксплуатационные свойства и допустимые нормы использования изделий. При этом, чем выше уровень максимально допустимой температуры нагрева, тем более высокие требования предъявляются к нагревостойкости диэлектриков.
Исходя из этого, при изготовлении электроизоляции могут быть использованы:
• Композиционные материалы на основе натуральных компонентов - целлюлозы, каучука, тканей из хлопка и шёлка, не пропитанных жидкой изоляцией (максимальная температура нагрева не должна превышать +90°);
• Слоистые пластики, намотанные изделия и волокнистые материалы, пропитанные жидкими диэлектриками (максимальная температура нагрева не должна превышать +120°). Электроизоляционные материалы этого класса нашли своё применение в радиотехнике, электромашино-, электроаппарато- и приборостроении, а также в производстве кабельно-проводниковой продукции в виде лент, прокладок, элементов конструкционного и электроизоляционного назначения. Изделия предназначены для эксплуатации в разных средах и климатических условиях;
• Композиционные материалы на основе полимерных плёнок, стеклотканей и синтетических бумаг производятся методом склеивания или спрессовывания плёнки с бумагой, стеклянной тканью или другими плёночными веществами и неткаными материалами, изготовленными с использованием органических и неорганических волокон. Электроизоляционные материалы этого типа используются в качестве крышки-клина, пазовой, междуфазной и межслойной изоляции в электрооборудовании малой и средней мощности;
• Изоляционные материалы на основе натуральной слюды и слюдобумаг могут соответствовать классам нагревостойкости «В» (где максимальная температура нагрева не должна превышать +130°) и «F» с предельным уровнем нагревания изделия +155°. Слюда – это совершенно уникальный природный пластинчатый минерал, обладающий высокими диэлектрическими характеристиками, твёрдостью и нагревостойкостью. Она способна расщепляться на тончайшие листочки, сохраняющие гибкость и прочность. Благодаря высоким эксплуатационным и электроизоляционным свойствам, слюда занимает одно из лидирующих мест в производстве изоляции на протяжении ста лет.
Сегодня электроизоляционные материалы на основе слоистого материала широко используются в производстве различного высоковольтного электрооборудования – тяговых двигателей, турбин и трансформаторных установок. Из слюдосодержащих веществ изготавливают коллекторные манжеты, гильзы, трубки, пазовую, междуфазную и межламельную изоляцию электрических аппаратов и машин;
• Электроизоляционные эмали, лаки, порошковые краски и компаунды применяются в процессе изготовления эмалированных проводов и клеящих составов. Они также используются для пропитки обмоток.
К примеру, порошковая краска-лак получила широкое распространение при обустройстве защиты корпусов электродвигателей, приборов учёта электроэнергии, светильников и электронагревательного оборудования.
Она также используется для защиты аккумуляторов, к которой предъявляются достаточно высокие требования: изолирующее покрытие должно быть сплошным, устойчивым к воздействию электролита и перепадам температур в диапазоне от -50°С до +60°С. Нанесение порошковой краски создаёт защитный слой толщиной от 0,5 мм до 1 мм, что улучшает условия охлаждения электролита и продлевает срок службы аккумуляторов.
В процессе изоляции проводов порошковыми составами вместо многослойного эмаль-лакового покрытия материалами, изготовленными на основе растворителей, создаётся однослойное. Это позволяет сделать технологический процесс нетоксичным и пожаробезопасным.
К толщине слоя и эксплуатационным характеристикам покрытия провода изоляцией предъявляются достаточно жёсткие требования. Поэтому на практике применяют непигментованные эпоксидные, пентапластовые, поливинилхлоридные и фторопластовые составы.
На сегодняшний день в качестве электроизоляционного материала и средства взрывозащиты широко используются компаунды – полимерные смолы и битумы. Они могут быть нескольких видов.
1. Затвердевающие. Это один из наиболее популярных вариантов электроизоляционного материала этого вида. Состав наносится на поверхность токоведущего компонента и постепенно затвердевает, образуя при этом прочный однородный слой изоляции. Материалы могут быть термореактивными, не способными размягчаться после затвердения, и термопластичными, которые смягчаются при нагреве.
2. Жидкие. Они не изменяют своего агрегатного состояния даже в процессе работы. К этой категории относятся синтетические жидкости, нефтяные и растительные масла.
3. Пропиточный компаунд электроизоляционный используется для пропитки обмоток электроаппаратов и машин. Он обеспечивает цементирование витков обмотки и эффективную защиту от проникновения влаги. Как правило, в состав вещества не входят растворители, поэтому после отвердевания образуется монолитный слой, без сквозных капилляров и пор. Это качество обеспечивает материалу широкую область применения.
4. Заливочные. Изоляция этого вида используется для заливки свободного пространства в муфтах, а также полостей в аппаратах и электроприборах.
• Газообразная изоляция. К числу наиболее распространённых диэлектриков этого типа относятся воздух, водород, азот и элегаз. В качестве естественного газа для электроизоляции токоведущих частей ЛЭП и электрооборудования может использоваться воздух. Однако его характеристики имеют ряд существенных недостатков, поэтому воздух невозможно использовать в герметичных устройствах.
Для изоляции силовых трансформаторных установок и высоковольтного кабеля нередко применяют азот. Водород также обладает высокими электроизоляционными характеристиками. К тому же этот газ обеспечивает принудительное охлаждение элементов оборудования. Поэтому его часто используют в качестве электроизоляционного материала в электрических машинах.
Однако в герметизированных энергетических установках чаще всего применятся элегаз – тяжёлое неорганическое газообразное вещество без запаха и цвета. Он обладает дугогасящими свойствами и делает электрическое оборудование взрывобезопасным.
Также хотелось бы кратко рассказать о вакууме. Он относится к категории не самых распространённых видов изоляционных материалов. В разреженном пространстве нет электродов и ионов, которые обеспечивали бы перенос зарядов. Следовательно, возникновение электрического тока невозможно. Однако изготовление таких систем требует существенных капиталовложений и потому нерационально.
• Наноматериалы. В последнее время всё более пристальное внимание энергетиков привлекают к себе исследования в сфере нанотехнологий. Результатом работы учёных стало открытие наноструктурированных электроизоляционных материалов – полимеров с толщиной плёнки 5-250 мк. Несмотря на такой тонкий слой, электрическое сопротивление изоляции остаётся очень высоким и по качеству не уступает компаундам. К тому же, современная наноэлектроизоляция имеет ряд ощутимых преимуществ:
- покрытие устойчиво к действию химически активных веществ;
- сохраняет свои свойства даже в условиях резких перепадов температур;
- долговечность и продолжительный срок эксплуатации;
- наноизоляция устойчива к механическому воздействию;
- прочность наноматериалов в десятки раз превышает прочность стали;
- обладает минимальными размерами.
Однако специалисты акцентируют внимание на одной важной детали, которая в какой-то степени ограничивает распространение синтезированной наноизоляции. Речь идёт о риске загрязнения окружающей среды. Поскольку полимеры долго разлагаются, то при нарушении условий утилизации существует вероятность причинить вред биосфере.
