§ 4. ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Для правильной и безопасной эксплуатации электрических сооружений большое значение имеет знание основных свойств электроизоляционных материалов (рис. 10).

Изоляторы, или диэлектрики, — вещества, в которых нет свободных электрических зарядов, в результате чего они практически не проводят электрический ток. Они обладают большим удельным сопротивлением — свыше 10⁷ Ом·м.

Поляризация. Известно, что молекулы некоторых веществ обладают электрическим моментом вследствие несовпадения эффективных центров «тяжести» положительных и отрицательных зарядов в молекуле. Такие молекулы называют диполями. Если поместить изолятор в электрическое поле, то диполи ориентируются (поворачиваются) в направлении поля. После снятия электрического поля диполи занимают нормальное (разориентированное) положение.

Явление ориентации диполей под воздействием электрического поля называют поляризацией. Оно присуще только диэлектрикам.

Через диэлектрик с диполями проходит электрический ток, так как имеет место упорядоченная ориентация диполей. С процессом поляризации связано увеличение емкости конденсаторов в том случае, когда в качестве диэлектрика использован изоляционный материал (вместо воздуха).

Важной характеристикой диэлектриков, связанной с поляризацией, является относительная диэлектрическая проницаемость . Она показывает, во сколько раз поле ослабляется за счет диэлектрика. Чем больше  диэлектрика между пластинами конденсатора, тем больше его емкость при одних и тех же размерах.

Рис. 10. Классификация электроизоляционных материалов

►   Таким образом, можно сказать, что ɛ_r показывает, во сколько раз увеличивается емкость конденсатора с изоляцией из диэлектрика по сравнению с вакуумным конденсатором тех же размеров.

Электропроводимость. О диэлектриках говорят, что они не проводят электрический ток. В действительности это справедливо только для идеального вакуума. Через любой другой диэлектрик проходит некоторый, пусть и слабый, электрический ток, так как всегда имеется небольшое число свободных электрических зарядов (преимущественно в виде ионов, реже в виде небольшого количества электронов). Этот ток называют током электропроводимости диэлектрика.

Диэлектрические потери. Протекание электрического тока через диэлектрик вследствие электропроводимости и поляризации обусловливает так называемые диэлектрические потери — часть электрической энергии поля трансформируется в теплоту. Диэлектрические потери любого материала не постоянны. Их значение зависит от приложенного напряжения, частоты, температуры и ряда других факторов.

Электрическая (пробивная) прочность. При увеличении напряжения свыше некоторого определенного для данного изоляционного материала значение его сопротивления резко понижается и материал полностью теряет изоляционные свойства. Причина этого явления состоит в том, что в материале образуется канал большой проводимости.

►   Появление канала в газообразных и жидких диэлектриках называют разрядом, а в твердых — пробоем.

После снятия напряжения газообразные и жидкие диэлектрики восстанавливают свои электроизоляционные свойства. Пробой в твердых диэлектриках — необратимый процесс.

Способность изоляционных материалов выдерживать напряжение до определенного значения без пробоя (разряда) называют электрической или пробивной прочностью.

Пробой может быть чисто электрическим или электротепловым. Причина электрического пробоя — ионизационные процессы в диэлектрике. Тепловой пробой происходит тогда, когда теплота, образующаяся в диэлектрике вследствие диэлектрических потерь, не успевает рассеяться в окружающей среде. В этом случае температура диэлектрика резко увеличивается и наступает пробой.

►   Изоляционные материалы по теплоустойчивости подразделяют на семь классов. Самый низкий класс соответствует максимально допустимой температуре 90 °С, самый высокий — температуре свыше 180 °С.

Влияние окружающей среды на свойства. Свойства изоляционных материалов в большой степени зависят от воздействия окружающей среды: влажности, загрязнения, низких и высоких температур, химической активности, механических воздействий и др. Все это тем или иным способом ухудшает изоляционные качества материалов и приводит к их быстрому старению.

Использование в электрических устройствах. Электроизоляционные материалы используют:

для изоляции токопроводящих частей оборудования между собой, по отношению к земле и другим нетокопроводящим элементам;

в качестве диэлектрика в конденсаторах; для гашения электрической дуги в коммутационных устройствах. Под воздействием дуги часть диэлектрика распадается. Это сопровождается поглощением теплоты (дуга охлаждается), созданием активной деионизации и высокого давления газов, образующихся при распаде диэлектрика, что приводит к быстрому гашению дуги;

в качестве охладителя. Многие жидкие диэлектрики обладают хорошей теплопроводностью. При их использовании в роли рабочей среды токопроводящих частей диэлектрики интенсивно поглощают теплоту и передают ее окружающей среде;

для защиты от коррозии: диэлектрики негигроскопичны, влаго- и химически устойчивы.

Очень часто один и тот же изоляционный материал используют с разными целями.

Выбор изоляционных материалов. При конструировании и создании электрических сооружений очень важно правильно выбрать вид и характеристики изоляционного материала. При неправильном выборе изоляционного материала, например по электрической прочности, может произойти электрический пробой и сооружение выйдет из строя. Если ошибка произошла в выборе назначения материала — это может привести к серьезным нарушениям в электроснабжении и к тяжелым авариям. Излишнее количество изоляции приводит к удорожанию электротехнических сооружений. Поэтому требуется хорошо знать основные свойства наиболее часто применяемых диэлектриков и области их применения в электроизоляционных конструкциях.