TEE - technologie elektromontáží

Izolanty a dielektrika

Izolant je látka, která klade velký odpor průchodu elektrického proudu.

Dielektrikum jsou látka jejichž hlavní vlastností je schopnost polarizovat se v elektrickém poli.

Izolanty mají v elektrotechnice široké použití:

-          k izolaci vodivých částí s různým potenciálem,

-          ke konstrukčním účelům,

-          jako chladící prostředek.

Izolanty jsou namáhány:

-          elektrický,

-          tepelně,

-          mechanicky.

Rozdělení izolantů:

1. Podle skupenství - pevné, kapalné, plynné.

2. Podle původu      - organické – živočišného nebo rostlinného původu – plastické hmoty, kaučuk,

- anorganické – nerostlinného a neživočišného původu – slída, křemen, porcelán, …

3. Podle výroby       - přírodní – slída,

- zušlechtěné – porcelán, sklo,

- syntetické – plastické hmoty.

Teorie izolantů

-          vychází z energetického pásmového schématu izolantu, kdy se elektrony pohybují po určitých energetických hladinách,

-          zakázané pásmo je poměrně široké a elektrony za normálních okolností se nemohou do vyšších energetických hladin přemístit, proto izolant nemůže vést elektrický proud,

-          při velmi vysokém potenciálním spádu a vysokých teplotách však elektrony mohou zakázané pásmo překonat, tj. dojde k průrazu izolantu  a probití jeho izolačních schopností.

Základní vlastnosti izolantů a dielektrik:

1)       měrný odpor a měrná vodivost

-          žádný izolant není dokonalý a vždy obsahuje určité množství volných nábojů (většinou elektronů) a tím vzniká malý prosakující proud (v řádu mA), procházející jak vnitřkem hmoty, tak i po jejím povrchu,

-          u izolantů se udává vnitřní a povrchová vodivost ( g_V a g_S ) nebo odpor (r_V a r_S) je v řádu MWm,

-          vodivost izolantů je velmi ovlivněna nečistotami a příměsemi dalších látek,

-          se vzrůstající teplotou roste vodivost izolantů.

2)       dielektrické ztráty

-          po přiložení elektrického napětí k dielektriku (izolantu) prochází dielektrikem velmi malý proud a část energie se mění v neužitečné a nežádoucí teplo zahřívající materiál,

-          dielektrické ztráty závisí kmitočtu a pro střídavý harmonický (sinusový) průběh napětí platí:

P= U²wC.cosj =U²wC.sind

w=2pf

kde: d je ztrátový úhel

d = 90 - F

pro úhel d do 5° platí sind=tgd

P=U²wCtgd

-          tgd - se nazývá činitel ztrát, často se udává s %

-          pro vzduch tgd=10^-5, pro běžná dielektrika je tgd=10^-4 až 10^-1,

3)       izolační pevnost (průrazné napětí)

-          izolační schopnost látky je omezena a při překročení určité výše napětí dojde ke ztrátě izolačních schopností – k průrazu izolantu,

-          k průrazu izolantu může dojít:          

a) elektricky – přiložením vyššího napětí než je izolační pevnost – vzniká nárazová ionizace atomů,

b) tepelně - vlivem velkého činitele dielektrických ztrát se pevný materiál zahřívá a začíná pomalý tepelný průraz,

-          u izolantů se udává průrazné napětí U_P nebo elektrická průrazná pevnost E_P [kV.m^-1] jako základní vlastnost izolantů,

kde:        d je tloušťka izolantu.

4)       polarizace – poměrná permitivita

-          přiložením elektrického napětí dojde k posunutí pružně vázaných elektrických nábojů nebo pootočení dipólů molekul látky,

-          měřítkem polarizace je permitivita definována jako poměr hustoty dielektrického posunu D (polarizace) k intenzitě elektrického pole E:

 

-          permitivita vakua je ε₀ = 8,85419.10^–12 F/m,

-          pro praxi je důležitá relativní permitivita ε_r = ε/ε_0,

-          permitivita závisí na teplotě, intenzitě elektrického pole a kmitočtu,

Izolanty se specifickými vlastnostmi

1)    feroelektrika

-          látky s doménovou strukturou obdobnou magnetickým doménám se nazývají feroelektrické a průběh polarizace v závislosti na intenzitě elektrického pole tvoří hysterezní smyčku,

-          bez působení vnějšího elektrického pole se orientace domén  feroelektrické látky navenek neprojevuje,

-          feroelektrika se užívají k výrobě miniaturních kondenzátorů pro velmi malá napětí e_r = 10⁴ až 10⁵,

2)       piezoelektrika

-          jsou monokrystalické látky, kde vlivem vnějších mechanických sil dochází k polarizaci dielektrika – vzniku elektrického náboje na povrchu dielektrika, jehož velikost je úměrná stlačení materiálu,

-          užívají se k měření tlaku, v krystalových mikrofonech a v zapalovacích zařízeních,

3)       pyroelektrika

-          jsou dielektrika pevného skupenství, která se polarizují samovolně bez účinku elektrického pole, kdy se změnou teploty dochází ke spontánní polarizaci

 

Pevné anorganické izolanty

1)       Slída

-          minerální látka s velmi dobrými vlastnostmi:

-          velkou elektrickou pevností 45 až 60 kV.mm^-1,

-          malým ztrátový činitel (a to i při vysokých kmitočtech) tgd=1 až 50 . 10^-4,

-          odolává vysokým teplotám 500 až 600 (900) °C,

-          relativní permitivita ε_r = 5 až 7

-          z přírodní slídy se štípou tenké pásky, tenké až 0,005 mm

-          materiály se nazývají muskovit (s menším tgd) a flogopit (odolává vyšším teplotám až 900°C),

-          užívá se hlavně na:

-          tepelně namáhané izolace elektrických strojů – izolace lamel komutátorů

-          dielektrika vysokofrekvenčních kondenzátorů,

-          z odpadu při štípání slídy (rozemleté slídy) se přidáním pojiv (pryskyřic, lepidel, …) vyrábí:

-          mikanit – vrstvené a lepené slídové pásky pro podložky, izolace vodičů, komutátorů, topných a regulačních odporů

-          mikafólium - slídová páska,

-          mikalex – slída přidaná do skla,

-          remika – impregnovaná slídová fólie,

-          vlastnosti slídových výrobků jsou horší něž u čisté slídy:

-          nižší elektrická pevnost do 15  kV.mm^-1 (1/3),

-          vetší ztrátový činitel tgd=0,002 až 0,004 ( až 20x větší),

2)       Azbest – vzhledem k rakovinotvorným vlastnostem vláken se dnes již nesmí používat

-          vláknitý nerost se značnou tepelnou odolností

-          vyrábí se z něho vlákna, tkaniny, azbestový papír, azbestová lepenka a azbestocementové desky,

2 a) Lignát – umělá ohnivzdorná deska z portlandského cementu, buničiny (surovina pro výrobu papíru), skelné vaty, vodního skla, azbestu, vápna a rozemletého papíru lisovaná za vlhka, s vysokou tepelnou odolností a odolností proti šíření ohně,

-          užívá se jako tepně izolační podložka (náhradu azbestu) při montáži spotřebičů a zařízení na hořlavé podklady, v tloušťkách 5 a 10 mm,

3)       Křemičitá keramika

Porcelán

-          výchozími surovinami je kaolín (50%) vodnatý křemičitan hlinitý, křemen (25% - zvyšuje mechanickou pevnost) oxid křemičitý, chemicky velmi odolný, bod tání (kolem 1 700°C) slouží k výr. žáruvzdorných skel (křemenné sklo) a živec (25%-snižuje teplotu vypalování),

-          základní vlastnosti:

-          elektrická pevnost 30 kV.mm^-1 při 50Hz,

-          relativní permitivita ε_r = 6,

-          velký ztrátový činitel tgd=0,017 až 0,0250 Þ není vhodný pro vysokofrekvenční techniku,

-          teplota použití 1 100°C

-          z výchozího materiálu se točením, soustružením (podle šablon), lisováním, litím a tvářením v sádrových formách vyrobí požadovaný tvar izolátoru, který se následně suší a před vypálením se opatří polevou nebo glazurou zabraňující navlhaní hotového výrobku,

-          izolátory se vyrábí:

-          pro nn – roubíkové (nasazené na roubík) a kladkové (nesené napínací kladkou),

-          pro vn a vvn – roubíkové, talířové, tyčové, dříkové, …

Steatit – má malé dielektrické ztráty Þ užívá se ve vysokofrekvenční technice na kostry cívek a součástky elektronek.

4)       Kysličníková keramika

-          skládá se ze slinutých čistých oxidu kovů a odolává teplotám až 2 500°C

Korundová keramika -99,8% kysličníku hlinitého Al₂O₃ odolává teplotám 1790°Ca vyrábí se z ní zapalovací svíčky a topná tělíska pájek.

Rutilová keramika ( až 95%TiO²) se užívá na miniaturní kondenzátory relativní permitivita ε_r = 80.

Feroelektrika – nekřemičitá keramika (BaTiO₃) se užívá k výrobě keramických kondenzátorů - relativní permitivita ε_r = 1 000 až 12 000 avšak s velkým ztrátovým činitelem tgd=0,01 až 0,03

5)       Sklo

-          přechlazený roztok kysličníku křemičitého SiO₂ (křemenné sklo) a různých kysličníků kovů (Na, K) tavený při teplotách 1 400 až 1 600 °C,

-           tavenina se zpracovává foukáním, válcováním, tažením, litím, lisováním a mačkáním,

-          vnitřní pnutí se odstraňuje zahřátím na 500 až 600°C a pomalým ochlazováním,

-          základní vlastnosti:

-         elektrická pevnost 30 až 50 kV.mm^-1,

-         malý tepelní součinitel délkové roztažnosti 10^-6 K^-1,

-         relativní permitivita ε_r = 3,8 až 8,9,

-         hustota 2 100 až 3 800 kg.m^-3,

-          užívá se na výrobu:

-          izolátorů a průchodek,

-          baňky žárovek, výbojek, zářivek, elektronek, zapalovačů (startérů) zářivek, spínačů pro výbušná prostředí,

-          světlovodů,

-          jako konstrukční materiál svítidel, …

 

Organické izolanty

-          jsou rostlinného nebo živočišného původu

Přírodní kaučuk

-          vyrábí se vysrážením latexu v kyselině octové nebo mravenčí,

-          vyrábí se z něho „gumová“ izolace šňůr a těsnění zabraňující průniku vody

-          snadno oxiduje hlavně vlivem ozónu – stárne,

-          po zahřátí se stává plastickým a při přechlazení praská,

Přírodní pryskyřice

-          užívají se při výrobě laků a impregnačních látek,

Kalafuna

-          destilovaná žlutohnědá pryskyřice získávaná z jehličnatých stromů, její hlavní podíl tvoří abietová kyselina (C₂₀H₃₀O₂);

-          používá se:

-          jako pájecí přípravek pro měkké pájení ,

-          ve směsi s minerálními oleji k impregnaci papírové izolace silových kabelů,

-          k přípravě laků, fermeží a klihů,

Šelak

-          přírodní pryskyřice nejednotného chemického složení (obsahuje estery, vosky, barviva), rozpustná v alkoholu, nerozpustná ve vodě, velmi vláčná a elastická. Š. produkují samičky asijských červců Lackshadia Tachardia aj.; tyto sají šťávu stromů a vylučují na celém povrchu těla 3–10 mm tlustou červeně zbarvenou krustu.

-          surový produkt se zpracovává na laky, fermež, tmel, dříve na tvrzený papír a lepení slídy.

Přírodní vosky

-          mají nízkou teplotu tání,

-          nepropouštějí vodní páru a málo navlhají

Parafín

-          tepla tání je 48 až 60°C

-          nad 130°C ztrácí dobré izolační vlastnosti,

-          užívá se jako jedna ze složek impregnačních materiálů,

Uhelné živice – asfalty- (bitumeny)

-          jsou za normální teploty tvárné tmavohnědé až černé látky (uhlovodíky) – jedná se o zbytky po destilaci ropy užívané k výrobě asfaltových laků a barviv,

-          užívají se jako:

-    zalévací hmoty - koncovek kabelů, kondenzátorů, průchodek, kabelových spojů, …,

-     k ochraně pancéřových plášťů kabelů,

-    jako složka kompaundů = směsí vosků, láků a dalších látek užívané jako zalévací prostředky např. kabelových spojek zabraňující pronikání vlhkosti ,  

Elektrotechnický papír

-          je velmi důležitým materiálem pro izolace jader hlavně silových kabelů v menší míře pro sdělovací kabely a dielektrika kondenzátorů,

-          pro dosažení elektrické pevnosti se impregnuje přírodními pryskyřicemi a oleji

-          základní vlastnosti papíru pro elektrotechniku:

-    elektrická pevnost 7 až 80 kV.mm^-1,

-    relativní permitivita ε_r = 2 až 2,5,

-    ztrátový činitel tgd=0,003 až 0,06

-          užívané druhy elektrotechnického papíru:

-    kondenzátorový - nejtenčí a nejkvalitnější,

-    kabelový       - nenasákavý papír – pro sdělovací kabely,

- nasákavý papír – pro silové kabely,

-    prokládací papír pro izolaci vinutí olejových transformátorů,

-    prokládací oboustranně lakovaný papír impregnovaný olejopryskyřičným  nebo olejoasfaltovým lakem

Elektroizolační lepenka (elektrotechnická)

-          je z několika vrstev vlhké papíroviny lisovaná lepenka,

-          hlavní užití lepenek:

-          obyčejná elektrotechnická – kostry cívek a drážkové izolace,

-          lesklá – oboustranně hlazená, vyrábí se do tloušťky 0,02  až 5 mm s elektrickou pevností 8 až 10 kV.mm^-2,

-          transformátorová – musí mít velkou izolační pevnost a musí se dát impregnovat olejem, vyrábí se tloušťky 1 až 4 mm s elektrickou pevností 5 až 7 kV.mm^-2,

-          drážková – několikavrstvý ohebný papír pro izolací vinutí v drážkách magnetického obvodu točivých strojů, vyrábí se tloušťky   ,05 až 3 mm s elektrickou pevností 8 až 12 kV.mm^-2.

Vrstvené hmoty

-          skládají se z organického listového materiálu (papír, tkanina – bavlněná nebo lněná) nebo skelných vláken spojených pryskyřicí,

-          lisováním a současným ohřevem je možná výroba rozličných tvarů – desek, trubek,… se širokým využitím v elektrotechnice,

-          vzniklý produkt má dobrou mechanickou pevnost (mnohdy lepší než u kovů), elektrickou pevnost a odolává navlhání,

-          tvrzené dřevo složené z dřevěných (hlavně bukových) dýh se užívá na stahovací desky při konstrukcích transformátorů,

-          cuprextit je vrstvená (nejčastěji skleněná) tkanina impregnovaná epoxidovou pryskyřicí s měděnou kovovou folií nanesenou na povrch lepením, lisováním nebo naprášením, užívaná k výrobě plošných spojů.