Электрический изолятор — это материал, в котором электрический ток не течет свободно. Атомы изолятора имеют прочно связанные электроны, которые не могут свободно перемещаться. Другие материалы — полупроводники и проводники — проводят электрический ток легче. Свойство, которое отличает изолятор, — это его удельное сопротивление ; изоляторы имеют более высокое удельное сопротивление, чем полупроводники или проводники. Наиболее распространенными примерами являются неметаллы .
Идеального изолятора не существует, поскольку даже изоляторы содержат небольшое количество подвижных зарядов ( носителей заряда ), которые могут переносить ток. Кроме того, все изоляторы становятся электропроводящими , когда прикладывается достаточно большое напряжение, при котором электрическое поле отрывает электроны от атомов. Это известно как электрический пробой , а напряжение, при котором это происходит, называется напряжением пробоя изолятора. Некоторые материалы, такие как стекло , бумага и ПТФЭ , которые имеют высокое удельное сопротивление , являются очень хорошими электроизоляторами. Гораздо более широкий класс материалов, даже несмотря на то, что они могут иметь более низкое объемное удельное сопротивление, все еще достаточно хороши, чтобы предотвратить протекание значительного тока при обычно используемых напряжениях, и, таким образом, используются в качестве изоляции для электропроводки и кабелей . Примерами являются резиноподобные полимеры и большинство пластиков , которые могут быть термореактивными или термопластичными по своей природе.
Изоляторы используются в электрооборудовании для поддержки и разделения электрических проводников , не пропуская ток через себя. Изоляционный материал, используемый в больших количествах для обмотки электрических кабелей или другого оборудования, называется изоляцией . Термин изолятор также используется более конкретно для обозначения изолирующих опор, используемых для крепления линий распределения электроэнергии или передачи к опорам и вышкам линий электропередач . Они поддерживают вес подвешенных проводов, не позволяя току течь через вышку на землю.
Электрическая изоляция — это отсутствие электропроводности . Теория электронных зон (раздел физики) объясняет, что электрический заряд течет, когда доступны квантовые состояния материи, в которые могут быть возбуждены электроны. Это позволяет электронам получать энергию и тем самым перемещаться через проводник, например, металл , если к материалу приложена разность электрических потенциалов. Если такие состояния недоступны, материал является изолятором.
Большинство изоляторов имеют большую запрещенную зону . Это происходит потому, что «валентная» зона, содержащая электроны с самой высокой энергией, заполнена, и большая энергетическая щель отделяет эту зону от следующей зоны над ней. Всегда существует некоторое напряжение (называемое напряжением пробоя ), которое дает электронам достаточно энергии для возбуждения в эту зону. Как только это напряжение превышается, происходит электрический пробой, и материал перестает быть изолятором, пропуская заряд. Это обычно сопровождается физическими или химическими изменениями, которые навсегда ухудшают материал и его изоляционные свойства.
Когда электрическое поле, приложенное к изолирующему веществу, в любом месте превышает пороговое поле пробоя для этого вещества, изолятор внезапно становится проводником, вызывая большое увеличение тока, электрическую дугу через вещество. Электрический пробой происходит, когда электрическое поле в материале достаточно сильное, чтобы ускорить свободные носители заряда (электроны и ионы, которые всегда присутствуют в низких концентрациях) до достаточно высокой скорости, чтобы выбивать электроны из атомов, когда они ударяются о них, ионизируя атомы. Эти освобожденные электроны и ионы, в свою очередь, ускоряются и ударяют другие атомы, создавая больше носителей заряда, в цепной реакции . Быстро изолятор заполняется подвижными носителями заряда, и его сопротивление падает до низкого уровня. В твердом теле напряжение пробоя пропорционально энергии запрещенной зоны . Когда происходит коронный разряд , воздух в области вокруг высоковольтного проводника может разрушаться и ионизироваться без катастрофического увеличения тока. Однако если область пробоя воздуха распространяется на другой проводник с другим напряжением, то между ними создается токопроводящий путь, и через воздух протекает большой ток, создавая электрическую дугу . Даже вакуум может претерпеть своего рода пробой, но в этом случае пробой или вакуумная дуга включают заряды, выбрасываемые с поверхности металлических электродов, а не создаваемые самим вакуумом.
Кроме того, все изоляторы становятся проводниками при очень высоких температурах, поскольку тепловой энергии валентных электронов достаточно, чтобы перевести их в зону проводимости. [1] [2]
В некоторых конденсаторах короткие замыкания между электродами, образующиеся из-за пробоя диэлектрика, могут исчезать при уменьшении приложенного электрического поля. [3] [4] [5] [ актуально? ]
Гибкое покрытие изолятора часто наносится на электрические провода и кабели; эта сборка называется изолированным проводом . Иногда провода не используют изолирующее покрытие, а просто воздух, когда твердое (например, пластиковое) покрытие может быть непрактичным. Провода, которые соприкасаются друг с другом, создают перекрестные соединения, короткие замыкания и опасность возгорания. В коаксиальном кабеле центральный проводник должен поддерживаться точно посередине полого экрана, чтобы предотвратить отражение электромагнитных волн. Провода, которые подвергаются высокому напряжению, могут вызвать поражение человека электрическим током и опасность поражения электрическим током .
Большинство изолированных проводов и кабельных изделий имеют максимальные номинальные значения для напряжения и температуры проводника. Изделие может не иметь номинальную токопроводящую способность (токовую нагрузку), поскольку она зависит от окружающей среды (например, температуры окружающей среды).
В электронных системах печатные платы изготавливаются из эпоксидного пластика и стекловолокна. Непроводящие платы поддерживают слои медной фольги-проводников. В электронных устройствах крошечные и деликатные активные компоненты встроены в непроводящие эпоксидные или фенольные пластики или в запеченное стекло или керамические покрытия.
В микроэлектронных компонентах, таких как транзисторы и ИС , кремниевый материал обычно является проводником из-за легирования, но его можно легко избирательно преобразовать в хороший изолятор путем применения тепла и кислорода. Окисленный кремний — это кварц , т. е. диоксид кремния , основной компонент стекла.
В системах высокого напряжения , содержащих трансформаторы и конденсаторы , жидкое изолирующее масло является типичным методом, используемым для предотвращения дуг. Масло заменяет воздух в пространствах, которые должны поддерживать значительное напряжение без электрического пробоя . Другие изоляционные материалы для систем высокого напряжения включают керамические или стеклянные держатели проводов, газ, вакуум и простое размещение проводов на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы использовать воздух в качестве изоляции.
Самым важным изоляционным материалом является воздух. В электроаппаратуре также используются различные твердые, жидкие и газообразные изоляторы. В небольших трансформаторах , генераторах и электродвигателях изоляция на катушках проводов состоит из четырех тонких слоев полимерной лаковой пленки. Пленочно-изолированный магнитный провод позволяет производителю получить максимальное количество витков в пределах доступного пространства. Обмотки, в которых используются более толстые проводники, часто обматываются дополнительной стекловолоконной изоляционной лентой . Обмотки также могут быть пропитаны изоляционными лаками для предотвращения электрической короны и снижения магнитно-индуцированной вибрации провода. Обмотки больших силовых трансформаторов по-прежнему в основном изолируются бумагой , деревом, лаком и минеральным маслом ; хотя эти материалы используются уже более 100 лет, они по-прежнему обеспечивают хороший баланс экономичности и адекватной производительности. Шины и автоматические выключатели в распределительных устройствах могут быть изолированы стеклопластиковой изоляцией, обработанной для низкого распространения пламени и предотвращения отслеживания тока по материалу.
В старых аппаратах, изготовленных до начала 1970-х годов, можно найти платы из прессованного асбеста ; хотя это и является адекватным изолятором на частотах питания, обращение с асбестом или его ремонт могут привести к выбросу опасных волокон в воздух и должны выполняться с осторожностью. Провод, изолированный войлочным асбестом, использовался в высокотемпературных и жестких условиях с 1920-х годов. Провода этого типа продавались компанией General Electric под торговой маркой «Deltabeston». [6]
Распределительные щиты под напряжением вплоть до начала 20-го века изготавливались из сланца или мрамора. Некоторое высоковольтное оборудование предназначено для работы в среде изолирующего газа высокого давления , например, гексафторида серы . Изоляционные материалы, которые хорошо работают на силовых и низких частотах, могут оказаться неудовлетворительными на радиочастотах из-за нагрева из-за чрезмерного рассеивания диэлектрика.
Электрические провода могут быть изолированы полиэтиленом , сшитым полиэтиленом (либо с помощью обработки электронным лучом , либо химической сшивки), ПВХ , каптоном , резиноподобными полимерами, пропитанной маслом бумагой, тефлоном , силиконом или модифицированным этилентетрафторэтиленом ( ETFE ). Большие силовые кабели могут использовать спрессованный неорганический порошок , в зависимости от применения.
Гибкие изоляционные материалы, такие как ПВХ (поливинилхлорид), используются для изоляции цепи и предотвращения контакта человека с «живым» проводом – с напряжением 600 вольт или меньше. Альтернативные материалы, вероятно, будут использоваться все чаще из-за законодательства ЕС по безопасности и охране окружающей среды, делающего ПВХ менее экономичным.
В электрических аппаратах, таких как двигатели, генераторы и трансформаторы, используются различные системы изоляции , классифицируемые по максимально рекомендуемой рабочей температуре для достижения приемлемого срока службы. Материалы варьируются от улучшенных типов бумаги до неорганических соединений.
Все переносные или ручные электрические устройства изолированы, чтобы защитить пользователя от опасного поражения электрическим током.
Изоляция класса I требует, чтобы металлический корпус и другие открытые металлические части устройства были подключены к земле через заземляющий провод , который заземлен на главной панели обслуживания, но требуется только базовая изоляция на проводниках. Этому оборудованию требуется дополнительный штырь на вилке питания для заземляющего соединения.
Изоляция класса II означает, что устройство имеет двойную изоляцию . Это используется в некоторых приборах, таких как электробритвы, фены и переносные электроинструменты. Двойная изоляция требует, чтобы устройства имели как основную, так и дополнительную изоляцию, каждая из которых достаточна для предотвращения поражения электрическим током . Все внутренние электрически запитанные компоненты полностью заключены в изолированный корпус, который предотвращает любой контакт с «живыми» частями. В ЕС все приборы с двойной изоляцией маркируются символом двух квадратов, один внутри другого. [7]
Проводники для воздушной передачи электроэнергии высокого напряжения голые и изолированы окружающим воздухом. Проводники для более низких напряжений в распределении могут иметь некоторую изоляцию, но часто также голые. Изолирующие опоры требуются в точках, где они поддерживаются столбами или вышками линий электропередач . Изоляторы также требуются там, где провод входит в здания или электрические устройства, такие как трансформаторы или выключатели , для изоляции от корпуса. Часто это втулки , которые представляют собой полые изоляторы с проводником внутри них.
Изоляторы, используемые для передачи электроэнергии высокого напряжения, изготавливаются из стекла , фарфора или композитных полимерных материалов . Фарфоровые изоляторы изготавливаются из глины , кварца или глинозема и полевого шпата и покрываются гладкой глазурью для отвода воды. Изоляторы из фарфора, богатого глиноземом, используются там, где критерием является высокая механическая прочность. Фарфор имеет диэлектрическую прочность около 4–10 кВ/мм. [8] Стекло имеет более высокую диэлектрическую прочность, но оно притягивает конденсат, а толстые нерегулярные формы, необходимые для изоляторов, трудно отливать без внутренних напряжений. [9] Некоторые производители изоляторов прекратили выпуск стеклянных изоляторов в конце 1960-х годов, перейдя на керамические материалы.
Некоторые электростанции используют полимерные композитные материалы для некоторых типов изоляторов. Они обычно состоят из центрального стержня, изготовленного из армированного волокном пластика , и внешнего защитного кожуха, изготовленного из силиконовой резины или этиленпропиленового мономерного каучука ( EPDM ). Композитные изоляторы менее дороги, легче по весу и обладают превосходными гидрофобными свойствами. Такое сочетание делает их идеальными для эксплуатации в загрязненных районах. [10] Однако эти материалы пока не обладают таким же длительным доказанным сроком службы, как стекло и фарфор.
Электрический пробой изолятора из-за чрезмерного напряжения может произойти одним из двух способов:
Большинство высоковольтных изоляторов рассчитаны на более низкое напряжение пробоя, чем напряжение пробоя, поэтому они прогорают до пробоя, что позволяет избежать повреждений.
Грязь, загрязнения, соль и особенно вода на поверхности высоковольтного изолятора могут создать токопроводящий путь через него, вызывая токи утечки и перекрытия. Напряжение перекрытия может быть снижено более чем на 50%, когда изолятор мокрый. Высоковольтные изоляторы для наружного использования имеют форму, позволяющую максимально увеличить длину пути утечки вдоль поверхности от одного конца до другого, называемую длиной пути утечки, чтобы минимизировать эти токи утечки. [11] Для достижения этого поверхность формуется в ряд гофр или концентрических дисковых форм. Они обычно включают один или несколько навесов ; обращенные вниз чашеобразные поверхности, которые действуют как зонтики, чтобы гарантировать, что часть пути утечки поверхности под «чашкой» остается сухой в сырую погоду. Минимальные расстояния утечки составляют 20–25 мм/кВ, но должны быть увеличены в районах с высоким уровнем загрязнения или морской соли в воздухе.
Изоляторы подразделяются на несколько общих классов:
Изолятор, защищающий по всей длине третий рельс нижнего контакта .
Изоляторы штыревого типа непригодны для напряжений более 69 кВ между линиями. На линиях электропередачи с более высоким напряжением обычно используются модульные конструкции подвесных изоляторов. Провода подвешиваются к «цепочке» идентичных дисковых изоляторов, которые крепятся друг к другу с помощью металлических штифтов или шаровых шарниров. Преимущество этой конструкции заключается в том, что цепочки изоляторов с различным пробивным напряжением для использования с различными линейными напряжениями могут быть сконструированы с использованием различного количества базовых блоков. Цепочные изоляторы могут быть изготовлены для любого практического напряжения передачи путем добавления к цепочке элементов изолятора. [14] Кроме того, если один из изоляционных блоков в цепочке сломается, его можно заменить, не выбрасывая всю цепочку.
Каждый блок состоит из керамического или стеклянного диска с металлическим колпачком и штифтом, приклеенными к противоположным сторонам. Чтобы сделать дефектные блоки очевидными, стеклянные блоки спроектированы таким образом, что перенапряжение вызывает пробойную дугу через стекло вместо перекрытия. Стекло подвергается термической обработке, поэтому оно разбивается, делая поврежденный блок видимым. Однако механическая прочность блока не меняется, поэтому гирлянда изоляторов остается целой.
Стандартные подвесные дисковые изоляторы имеют диаметр 25 сантиметров (9,8 дюйма) и длину 15 см (6 дюймов), могут выдерживать нагрузку 80–120 килоньютонов (18 000–27 000 фунт -сил ), имеют сухое напряжение пробоя около 72 кВ и рассчитаны на рабочее напряжение 10–12 кВ. [15] Однако напряжение пробоя гирлянды меньше, чем сумма ее составляющих дисков, поскольку электрическое поле не распределено равномерно по гирлянде, а сильнее всего на диске, ближайшем к проводнику, который пробивает первым. Иногда вокруг диска на конце высокого напряжения добавляют металлические градуировочные кольца , чтобы уменьшить электрическое поле по этому диску и улучшить напряжение пробоя.
В линиях очень высокого напряжения изолятор может быть окружен коронными кольцами . [16] Обычно они состоят из торов из алюминия (чаще всего) или медной трубки, прикрепленной к линии. Они предназначены для уменьшения электрического поля в точке, где изолятор прикреплен к линии, чтобы предотвратить коронный разряд , который приводит к потерям мощности.
Первыми электрическими системами, в которых использовались изоляторы, были телеграфные линии ; оказалось, что прямое крепление проводов к деревянным столбам дает очень плохие результаты, особенно в сырую погоду.
Первые стеклянные изоляторы, использовавшиеся в больших количествах, имели нерезьбовое отверстие. Эти куски стекла располагались на коническом деревянном штифте, вертикально простирающемся вверх от траверсы столба (обычно только два изолятора на столб и, возможно, один на самом столбе). Естественное сжатие и расширение проводов, привязанных к этим «изоляторам без резьбы», приводило к тому, что изоляторы съезжали со своих штифтов, что требовало ручной переустановки.
Среди первых компаний, производивших керамические изоляторы, были компании в Соединенном Королевстве: Stiff и Doulton использовали керамическую керамику с середины 1840-х годов, Joseph Bourne (позже переименованный в Denby ) производил их примерно с 1860 года, а Bullers — с 1868 года. Патент на изобретение под номером 48 906 был выдан Луи А. Кове 25 июля 1865 года на процесс производства изоляторов с резьбовым отверстием для штыря: изоляторы штыревого типа до сих пор имеют резьбовые отверстия для штыря.
Изобретение подвесных изоляторов сделало возможной передачу электроэнергии высокого напряжения. Когда напряжение линии электропередачи достигло и превысило 60 000 вольт, требуемые изоляторы стали очень большими и тяжелыми, при этом изоляторы, рассчитанные на запас прочности в 88 000 вольт, были практическим пределом для производства и установки. Подвесные изоляторы, с другой стороны, можно соединять в гирлянды такой длины, которая требуется для напряжения линии.
Было изготовлено большое разнообразие телефонных, телеграфных и силовых изоляторов; некоторые люди коллекционируют их, как из-за их исторического интереса, так и из-за эстетического качества многих конструкций и отделок изоляторов. Одной из организаций коллекционеров является Национальная ассоциация изоляторов США, которая насчитывает более 9000 членов. [17]
Часто вещательная радиоантенна строится как мачтовый излучатель , что означает, что вся конструкция мачты находится под высоким напряжением и должна быть изолирована от земли. Используются стеатитовые крепления. Они должны выдерживать не только напряжение мачтового излучателя относительно земли, которое может достигать значений до 400 кВ в некоторых антеннах, но и вес конструкции мачты и динамические силы. Дугогасительные рога и молниеотводы необходимы, поскольку удары молнии в мачту являются обычным явлением.
Растяжки, поддерживающие антенные мачты, обычно имеют изоляторы натяжения , вставленные в кабельную трассу, чтобы не допустить короткого замыкания высокого напряжения на антенне на землю или создания опасности поражения электрическим током. Часто растяжки имеют несколько изоляторов, размещенных для разделения кабеля на отрезки, что предотвращает нежелательные электрические резонансы в растяжке. Эти изоляторы обычно керамические и цилиндрические или яйцевидные (см. рисунок). Преимущество этой конструкции в том, что керамика находится под сжатием, а не под растяжением, поэтому она может выдерживать большую нагрузку, и что если изолятор сломается, концы кабеля все еще будут связаны.
Эти изоляторы также должны быть оснащены оборудованием защиты от перенапряжения. Для размеров изоляции оттяжек необходимо учитывать статические заряды на оттяжках. Для высоких мачт они могут быть намного выше напряжения, вызванного передатчиком, что требует разделения оттяжек изоляторами в нескольких секциях на самых высоких мачтах. В этом случае оттяжки, которые заземлены на анкерных основаниях через катушку или, если возможно, напрямую, являются лучшим выбором.
Фидерные линии, соединяющие антенны с радиооборудованием, особенно двухпроводного типа, часто должны располагаться на расстоянии от металлических конструкций. Изолированные опоры, используемые для этой цели, называются изоляторами-стойками .
изоляторы выдерживают воздействие ветра и дождя и обладают хорошей способностью к самоочищению под воздействием ветра и дождя, поэтому их необходимо проверять на предмет загрязнения только один раз в 4–5 лет, а также требуется меньше времени на ремонт и отключение электроэнергии.
