Joillakin sähkölaitteissa ja virtalähdepiireissä käytetyillä materiaaleilla on dielektrisiä ominaisuuksia, eli niillä on korkea virrankestävyys. Tämän kyvyn ansiosta ne eivät kulje läpi virtaa, ja siksi niitä käytetään eristämään virtaa kuljettaville osille. Sähköeristysmateriaalit on suunniteltu paitsi erottamaan virtaa kuljettavia osia, myös luomaan suojaa sähkövirran vaarallisilta vaikutuksilta. Esimerkiksi sähkölaitteiden virtajohdot on peitetty eristeellä.
Sähköeristysmateriaalit ja niiden sovellukset
Sähköeristemateriaaleja käytetään laaj alti teollisuudessa, radio- ja instrumenttien valmistuksessa sekä sähköverkkojen kehittämisessä. Sähkölaitteen normaali toiminta tai virtalähdepiirin turvallisuus riippuu suurelta osinkäytetty dielektriikka. Jotkut sähköeristykseen tarkoitetun materiaalin parametrit määräävät sen laadun ja ominaisuudet.
Eristemateriaalien käyttö on turvallisuusmääräysten alaista. Eristyksen eheys on avain turvalliseen työskentelyyn sähkövirralla. On erittäin vaarallista käyttää laitteita, joiden eristys on vaurioitunut. Pienelläkin sähkövirralla voi olla vaikutusta ihmiskehoon.
Dielektriikan ominaisuudet
Sähköeristysmateriaaleilla on oltava tietyt ominaisuudet, jotta ne voivat suorittaa tehtävänsä. Suurin ero eristeiden ja johtimien välillä on suuri tilavuusvastus (109–1020 ohm cm). Johtimien sähkönjohtavuus dielektreihin verrattuna on 15 kertaa suurempi. Tämä johtuu siitä, että eristimissä on luonteeltaan useita kertoja vähemmän vapaita ioneja ja elektroneja, jotka tarjoavat materiaalin virranjohtavuuden. Mutta kun materiaalia kuumennetaan, niitä on enemmän, mikä lisää sähkönjohtavuutta.
Erota eristeiden aktiiviset ja passiiviset ominaisuudet. Eristysmateriaaleille passiiviset ominaisuudet ovat tärkeimpiä. Materiaalin dielektrisyysvakion tulee olla mahdollisimman pieni. Tämä sallii, että isolaattori ei tuo piiriin loiskapasitanssia. Kondensaattorin eristeenä käytettävän materiaalin dielektrisyysvakion tulee päinvastoin olla mahdollisimman suuri.
Eristevaihtoehdot
Pääparametreihinsähköeristyksiä ovat sähkölujuus, sähkövastus, suhteellinen permittiivisyys, dielektrinen häviökulma. Materiaalin sähköeristysominaisuuksia arvioitaessa huomioidaan myös lueteltujen ominaisuuksien riippuvuus sähkövirran ja jännitteen suuruuksista.
Sähköeristeillä ja -materiaaleilla on suurempi sähköinen lujuus verrattuna johtimiin ja puolijohteisiin. Eristeelle on tärkeää myös tiettyjen arvojen stabiilisuus lämmityksen, jännitteen nousun ja muiden muutosten aikana.
Dielektristen materiaalien luokitus
Johtimen läpi kulkevan virran tehosta riippuen käytetään erilaisia eristeitä, jotka eroavat ominaisuuksiltaan.
Millä parametreilla sähköeristysmateriaalit jaetaan? Eristeiden luokitus perustuu niiden aggregaatiotilaan (kiinteä, nestemäinen ja kaasumainen) ja alkuperään (orgaaninen: luonnollinen ja synteettinen, epäorgaaninen: luonnollinen ja keinotekoinen). Yleisin kiinteän eristeen tyyppi, joka näkyy kodinkoneiden tai muiden sähkölaitteiden johdoissa.
Kiinteät ja nestemäiset eristeet puolestaan on jaettu alaryhmiin. Kiinteitä dielektrisiä aineita ovat lakatut kankaat, laminaatit ja erilaiset kiilletyypit. Vahat, öljyt ja nesteytetyt kaasut ovat nestemäisiä sähköeristysmateriaaleja. Erityisiä kaasumaisia eristeitä käytetään paljon harvemmin. Tämä tyyppi sisältää myösluonnollinen sähköeriste on ilma. Sen käyttö ei johdu pelkästään ilman ominaisuuksista, jotka tekevät siitä erinomaisen dielektrisen, vaan myös sen taloudellisuudesta. Ilman käyttö eristeenä ei vaadi ylimääräisiä materiaalikustannuksia.
Kiinteät eristeet
Kiinteät sähköeristysmateriaalit ovat laajin eristeiden luokka, jota käytetään eri aloilla. Niillä on erilaiset kemialliset ominaisuudet, ja dielektrisyysvakio vaihtelee välillä 1-50 000.
Kiinteät eristeet jaetaan ei-polaarisiin, polaarisiin ja ferrosähköisiin. Niiden tärkeimmät erot ovat polarisaation mekanismeissa. Tällä eristysluokalla on sellaisia ominaisuuksia kuin kemiallinen kestävyys, seurantakestävyys, dendriittikestävyys. Kemiallinen kestävyys ilmaistaan kyvyssä kestää erilaisten aggressiivisten ympäristöjen (happo, alkali jne.) vaikutusta. Jäljitysvastus määrittää kyvyn kestää valokaaren vaikutuksia ja dendriittiresistanssi määrää dendriittien muodostumisen.
Kiinteitä dielektrisiä aineita käytetään eri energia-aloilla. Esimerkiksi keraamisia sähköeristysmateriaaleja käytetään yleisimmin sähköasemien johto- ja läpivientieristeinä. Paperia, polymeerejä, lasikuitua käytetään sähkölaitteiden eristeenä. Koneissa ja laitteissa käytetään useimmiten lakkoja, pahvia, massaa.
Käytettäviksi erilaisissa käyttöolosuhteissa eristys saa erityisiä ominaisuuksia yhdistämällä erilaisiamateriaalit: lämmönkestävyys, kosteudenkestävyys, säteilynkestävyys ja pakkasenkestävyys. Lämmönkestävät eristeet kestävät jopa 700 °C lämpötiloja, mukaan lukien lasit ja niihin perustuvat materiaalit, organosiliitit ja jotkut polymeerit. Kosteudenkestävä ja trooppinen materiaali on fluoroplastia, joka ei ole hygroskooppinen ja hydrofobinen.
Säteilynkestävää eristystä käytetään laitteissa, joissa on atomielementtejä. Se sisältää epäorgaanisia kalvoja, tietyntyyppisiä polymeerejä, lasikuituja ja kiillepohjaisia materiaaleja. Pakkasenkestävät ovat eristeitä, jotka eivät menetä ominaisuuksiaan jopa -90 °C:n lämpötiloissa. Avaruudessa tai tyhjiöolosuhteissa toimiville laitteille tarkoitetuille eristyksille asetetaan erityisiä vaatimuksia. Näihin tarkoituksiin käytetään tyhjiönpitäviä materiaaleja, mukaan lukien erikoiskeramiikka.
Nestemäiset dielektrikot
Nestemäisiä sähköeristysmateriaaleja käytetään usein sähkökoneissa ja -laitteissa. Öljy toimii muuntajan eristyksenä. Nestemäisiä dielektrisiä aineita ovat myös nesteytetyt kaasut, tyydyttymättömät vaseliini- ja parafiiniöljyt, polyorganosiloksaanit, tislattu vesi (puhdistettu suoloista ja epäpuhtauksista).
Nestemäisten eristeiden pääominaisuudet ovat dielektrisyysvakio, sähkölujuus ja sähkönjohtavuus. Myös eristeiden sähköiset parametrit riippuvat suurelta osin niiden puhdistusasteesta. Kiinteät epäpuhtaudet voivat lisätä nesteiden sähkönjohtavuutta vapaiden ionien ja elektronien kasvun vuoksi. Nesteiden puhdistus tislaamalla, ioninvaihdolla jne. johtaa materiaalin sähköisen lujuuden kasvuun, mikä vähentää sen sähkönjohtavuutta.
Nestemäiset eristeet jaetaan kolmeen ryhmään:
- maaöljyt;
- kasviöljyt;
- synteettiset nesteet.
Yleimmin käytettyjä öljyjä ovat öljyt, kuten muuntaja-, kaapeli- ja kondensaattoriöljyt. Synteettisiä nesteitä (orgaanisia pii- ja organofluoriyhdisteitä) käytetään myös laitesuunnittelussa. Esimerkiksi organopiiyhdisteet ovat pakkasenkestäviä ja hygroskooppisia, joten niitä käytetään pienten muuntajien eristimenä, mutta niiden hinta on korkeampi kuin öljyöljyjen hinta.
Kasviöljyjä ei käytännössä käytetä eristysmateriaaleina sähköeristystekniikassa. Näitä ovat risiini-, pellavansiemen-, hamppu- ja tungöljy. Nämä materiaalit ovat heikosti polaarisia dielektrisiä aineita, ja niitä käytetään pääasiassa paperikondensaattorien kyllästämiseen ja kalvonmuodostusaineena sähköeristyslakoissa, maaleissa ja emaleissa.
Kaasun eriste
Yleisimmät kaasumaiset dielektriset aineet ovat ilma, typpi, vety ja SF6-kaasu. Sähköä eristävät kaasut jaetaan luonnollisiin ja keinotekoisiin. Luonnonilmaa käytetään eristeenä voimalinjojen ja sähkökoneiden virtaa kuljettavien osien välillä. Eristeenä ilmalla on haittoja, jotka tekevät sen käyttämisen suljetuissa laitteissa mahdottomaksi. Korkean happipitoisuuden vuoksi ilma on hapettava aine, ja epähomogeenisissa kentissä ilma on alhainen sähköinen vahvuus.
Tehomuuntajat ja suurjännitekaapelit käyttävät typpeä eristyksenä. Sen lisäksi, että vety on sähköä eristävä materiaali, se on myös pakkojäähdytystä, minkä vuoksi sitä käytetään usein sähkökoneissa. Suljetuissa asennuksissa käytetään useimmiten SF6:ta. SF6-kaasulla täyttö tekee laitteesta räjähdyssuojatun. Sitä käytetään suurjännitekatkaisimissa sen valokaarisammutusominaisuuksien vuoksi.
Orgaaniset dielektrit
Orgaaniset dielektriset materiaalit jaetaan luonnollisiin ja synteettisiin. Luonnollisia orgaanisia dielektrisiä aineita käytetään tällä hetkellä erittäin harvoin, koska synteettisten eristeiden tuotanto laajenee yhä enemmän, mikä pienentää niiden kustannuksia.
Luonnollisiin orgaanisiin eristeisiin kuuluvat selluloosa, kumi, parafiini ja kasviöljyt (risiiniöljy). Suurin osa synteettisistä orgaanisista eristeistä on erilaisia muoveja ja elastomeerejä, joita käytetään usein kodinkoneissa ja muissa laitteissa.
Epäorgaaniset dielektrit
Epäorgaaniset dielektriset materiaalit jaetaan luonnollisiin ja keinotekoisiin. Luonnonmateriaaleista yleisin on kiille, jolla on kemiallinen ja lämmönkestävyys. Flogopiittia ja muskoviittia käytetään myös sähköeristykseen.
Keinotekoiseen epäorgaaniseendielektrisiä aineita ovat lasi ja siihen perustuvat materiaalit sekä posliini ja keramiikka. Keinotekoiselle eristeelle voidaan sovelluksesta riippuen antaa erityisiä ominaisuuksia. Esimerkiksi maasälpäkeramiikkaa käytetään holkeissa, joilla on korkea dielektrisen häviön tangentti.
Kuituiset sähköeristysmateriaalit
Kuitumateriaaleja käytetään usein sähkölaitteiden ja -koneiden eristykseen. Näitä ovat kasviperäiset materiaalit (kumi, selluloosa, kankaat), synteettiset tekstiilit (nailon, capron) sekä materiaalit polystyreenistä, polyamidista jne.
Orgaaniset kuitumateriaalit ovat erittäin hygroskooppisia, joten niitä käytetään harvoin ilman erityistä kyllästystä.
Viime aikoina orgaanisten materiaalien sijaan on käytetty synteettisiä kuitueristeitä, joilla on korkeampi lämmönkestävyys. Näitä ovat lasikuitu ja asbesti. Lasikuitu kyllästetään erilaisilla lakoilla ja hartseilla sen hydrofobisten ominaisuuksien parantamiseksi. Asbestikuidulla on alhainen mekaaninen lujuus, joten siihen lisätään usein puuvillakuitua.
