Изолятор (электричество) - Insulator (electricity)

Керамический изолятор, применяемый на электрифицированных железных дорогах.
Трехжильный силовой кабель с медным проводом, каждая жила с индивидуальными изолирующими оболочками с цветовой кодировкой, все они заключены во внешнюю защитную оболочку.

Электрический изолятор представляет собой материал , в котором электрический ток не может свободно течь. Атомы изолятора имеют прочно связанные электроны, которые не могут легко перемещаться. Другие материалы, полупроводники и проводники легче проводят электрический ток. Свойство, которое отличает изолятор, - это его удельное сопротивление ; изоляторы имеют более высокое удельное сопротивление, чем полупроводники или проводники. Самые распространенные примеры - неметаллы .

Идеального изолятора не существует, потому что даже изоляторы содержат небольшое количество подвижных зарядов ( носителей заряда ), которые могут проводить ток. Кроме того, все изоляторы становятся электропроводными при приложении достаточно большого напряжения, при котором электрическое поле отрывает электроны от атомов. Это известно как напряжение пробоя изолятора. Некоторые материалы, такие как стекло , бумага и тефлон , которые обладают высоким удельным сопротивлением , являются очень хорошими электрическими изоляторами. Намного более широкий класс материалов, даже несмотря на то, что они могут иметь более низкое объемное удельное сопротивление, все же достаточно хороши, чтобы предотвратить протекание значительного тока при обычно используемых напряжениях, и поэтому используются в качестве изоляции для электропроводки и кабелей . Примеры включают резиноподобные полимеры и большинство пластиков, которые могут быть термореактивными или термопластичными по своей природе.

Изоляторы используются в электрическом оборудовании для поддержки и разделения электрических проводников, не пропуская ток через себя. Изоляционный материал, используемый в больших объемах для обертывания электрических кабелей или другого оборудования, называется изоляцией . Термин изолятор также используется более конкретно для обозначения изолирующих опор , используемых для прикрепления распределения электроэнергии или передач линий на столбы и передачи башню . Они выдерживают вес подвешенных проводов, не позволяя току течь через башню на землю.

Физика проводимости в твердых телах

Электроизоляция - это отсутствие электропроводности . Теория электронных зон (раздел физики) диктует, что заряд течет, если доступны состояния, в которые можно возбуждать электроны. Это позволяет электронам получать энергию и тем самым перемещаться по проводнику, например по металлу . Если таких состояний нет, материал является изолятором.

Большинство изоляторов (хотя и не все, см. Изолятор Мотта ) имеют большую запрещенную зону . Это происходит потому, что «валентная» зона, содержащая электроны с наивысшей энергией, заполнена, и большая запрещенная зона отделяет эту зону от следующей зоны над ней. Всегда существует некоторое напряжение (называемое напряжением пробоя ), которое дает электронам достаточно энергии для возбуждения в этой полосе. Как только это напряжение будет превышено, материал перестает быть изолятором, и заряд начинает проходить через него. Однако обычно это сопровождается физическими или химическими изменениями, которые необратимо ухудшают изоляционные свойства материала.

Материалы, у которых отсутствует электронная проводимость, являются изоляторами, если в них также отсутствуют другие мобильные заряды. Например, если жидкость или газ содержат ионы, то ионы можно заставить течь как электрический ток, а материал является проводником. Электролиты и плазма содержат ионы и действуют как проводники независимо от того, участвует ли электронный поток.

Авария

Под воздействием достаточно высокого напряжения изоляторы подвержены явлению электрического пробоя . Когда электрическое поле, приложенное к изолирующему веществу, превышает в любом месте пороговое значение поля 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 велико , чтобы ускорять свободные носители заряда (электроны и ионы, которые всегда присутствуют в низких концентрациях) до достаточно высокой скорости, чтобы выбивать электроны из атомов, когда они сталкиваются с ними, ионизируя атомы. Эти освобожденные электроны и ионы, в свою очередь, ускоряются и ударяют другие атомы, создавая больше носителей заряда в цепной реакции . Изолятор быстро заполняется подвижными носителями заряда, и его сопротивление падает до низкого уровня. В твердом теле напряжение пробоя пропорционально энергии запрещенной зоны . Когда возникает коронный разряд , воздух в области вокруг высоковольтного проводника может разрушиться и ионизироваться без катастрофического увеличения тока. Однако, если область пробоя воздуха распространяется на другой проводник с другим напряжением, между ними образуется токопроводящий путь, и через воздух течет большой ток, создавая электрическую дугу . Даже в вакууме может произойти своего рода пробой, но в этом случае пробой или вакуумная дуга связаны с зарядами, которые выбрасываются с поверхности металлических электродов, а не создаются самим вакуумом.

Кроме того, все изоляторы становятся проводниками при очень высоких температурах, поскольку тепловой энергии валентных электронов достаточно, чтобы поместить их в зону проводимости.

В некоторых конденсаторах короткое замыкание между электродами, образовавшееся из-за пробоя диэлектрика, может исчезнуть при уменьшении приложенного электрического поля.

Использует

На электрические провода и кабели часто наносят очень гибкое покрытие из изолятора, которое называется изолированным проводом . В проводах иногда не используется изоляционное покрытие, только воздух, поскольку твердое (например, пластиковое) покрытие может оказаться непрактичным. Однако соприкасающиеся друг с другом провода создают перекрестные соединения, короткие замыкания и опасность пожара. В коаксиальном кабеле центральный провод должен поддерживаться точно посередине полого экрана, чтобы предотвратить отражение электромагнитных волн. Наконец, провода, которые подвергаются воздействию напряжения выше 60 В, могут вызвать поражение людей и поражение электрическим током . Изоляционные покрытия помогают предотвратить все эти проблемы.

Некоторые провода имеют механическое покрытие, не имеющее номинального напряжения, например: рабочее напряжение, сварка, дверной звонок, провод термостата. Изолированный провод или кабель имеет номинальное напряжение и максимальную температуру проводника. Он может не иметь номинальной допустимой нагрузки ( допустимой нагрузки по току), поскольку это зависит от окружающей среды (например, температуры окружающей среды).

В электронных системах печатные платы изготавливаются из эпоксидной пластмассы и стекловолокна. Непроводящие платы поддерживают слои проводников из медной фольги. В электронных устройствах крошечные и хрупкие активные компоненты заключены в непроводящую эпоксидную смолу или фенольный пластик, либо в обожженное 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 превратить в хороший изолятор путем применения тепла и кислорода. Окисленный кремний - это кварц , то есть диоксид кремния , основной компонент стекла.

В высоковольтных системах, содержащих трансформаторы и конденсаторы , жидкое изолирующее масло является типичным методом предотвращения дугового разряда. Масло заменяет воздух в помещениях, которые должны поддерживать значительное напряжение без электрического пробоя . Другие изоляционные материалы для высоковольтных систем включают керамические или стеклянные держатели для проводов, газ, вакуум и простое размещение проводов достаточно далеко друг от друга, чтобы использовать воздух в качестве изоляции.

Изоляция в электрооборудовании

Кабель из меди с минеральной изоляцией и ПВХ-оболочкой, с двумя токопроводящими жилами.

Самый важный изоляционный материал - воздух. В электрических приборах также используются различные твердые, жидкие и газовые изоляторы. В небольших трансформаторах , генераторах и электродвигателях изоляция обмоток проводов состоит из до четырех тонких слоев пленки полимерного лака. Магнитопровод с пленочной изоляцией позволяет производителю получить максимальное количество витков в доступном пространстве. Обмотки с более толстыми проводниками часто оборачиваются дополнительной изоляционной лентой из стекловолокна . Обмотки также могут быть пропитаны изолирующими лаками для предотвращения электрического коронного разряда и уменьшения вибрации проводов, индуцированной магнитным полем. Обмотки больших силовых трансформаторов по-прежнему в основном изолированы бумагой , деревом, лаком и минеральным маслом ; хотя эти материалы используются более 100 лет, они по-прежнему обеспечивают хороший баланс между экономичностью и адекватными характеристиками. Шины и автоматические выключатели в распределительном устройстве могут быть изолированы стеклопластиковой изоляцией, обработанной таким образом, чтобы не допустить распространения пламени и предотвращения прослеживания тока через материал.

В более старых устройствах, изготовленных до начала 1970-х годов, можно найти плиты из прессованного асбеста ; Несмотря на то, что это подходящий изолятор на промышленных частотах, обращение с асбестовым материалом или ремонт с ним может привести к выбросу опасных волокон в воздух, и их следует переносить осторожно. Проволока, изолированная войлочным асбестом, использовалась в высокотемпературных и тяжелых условиях с 1920-х годов. Провода этого типа продавались General Electric под торговым наименованием «Deltabeston».

Передние панели управления до начала 20 века изготавливались из сланца или мрамора. Некоторое высоковольтное оборудование предназначено для работы в изолирующем газе под высоким давлением, таком как гексафторид серы . Изоляционные материалы, которые хорошо работают при мощности и низких частотах, могут быть неудовлетворительными на радиочастоте из-за нагрева из-за чрезмерного рассеивания диэлектрика.

Электрические провода могут быть изолированы полиэтиленом , сшитым полиэтиленом ( электронно-лучевой обработкой или химическим сшиванием), ПВХ , каптоном , каучукоподобными полимерами, пропитанной маслом бумагой, тефлоном , силиконом или модифицированным этилентетрафторэтиленом ( ETFE ). В кабелях питания большего размера может использоваться прессованный неорганический порошок , в зависимости от области применения.

Гибкие изоляционные материалы, такие как ПВХ (поливинилхлорид) , используются для изоляции цепи и предотвращения контакта человека с «живым» проводом - проводом с напряжением 600 вольт или меньше. Альтернативные материалы, вероятно, будут все шире использоваться в связи с тем, что законодательство ЕС по безопасности и охране окружающей среды делает ПВХ менее экономичным.

Изоляция класса I и класса II

Все переносные или переносные электрические устройства изолированы, чтобы защитить пользователя от опасного удара.

Изоляция класса I требует, чтобы металлический корпус и другие открытые металлические части устройства были подключены к земле через заземляющий провод, который заземлен на главной сервисной панели, но для этого требуется только базовая изоляция проводов. Этому оборудованию требуется дополнительный штырь на вилке питания для заземления.

Изоляция класса II означает, что устройство имеет двойную изоляцию . Он 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 компоненты, находящиеся под напряжением, полностью закрыты изолированным корпусом, который предотвращает любой контакт с «токоведущими» частями. В ЕС все приборы с двойной изоляцией отмечены символом из двух квадратов, один внутри другого.

Изоляторы телеграфные и силовые

Линии электропередач, поддерживаемые керамическими штыревыми изоляторами в Калифорнии , США.
Керамический изолятор 10 кВ с навесами

Воздушные провода для передачи электроэнергии высокого напряжения являются оголенными и изолированы от окружающего воздуха. Проводники для более низких напряжений в распределительной сети могут иметь некоторую изоляцию, но часто также являются оголенными. Изолирующие опоры, называемые изоляторами , требуются в точках, где они поддерживаются опорами электроснабжения или опорами электропередачи . Изоляторы также требуются там, где провод входит в здания или электрические устройства, такие как трансформаторы или автоматические выключатели , для изоляции провода от корпуса. Эти полые изоляторы с проводником внутри называются вводами .

Материал

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 удаления воды. Изоляторы из фарфора с высоким содержанием глинозема используются там, где критерием является высокая механическая прочность. Фарфор имеет электрическую прочность около 4–10 кВ / мм. Стекло имеет более высокую диэлектрическую прочность, но оно притягивает конденсат, а толстые изоляторы неправильной формы трудно отлить без внутренних деформаций. Некоторые производители изоляторов прекратили производство стеклянных изоляторов в конце 1960-х годов, перейдя на керамические материалы.

В последнее время некоторые электроэнергетические компании начали переход на полимерные композиционные материалы для некоторых типов изоляторов. Обычно они состоят из центрального стержня из армированного волокном пластика и внешнего навеса из силиконового каучука или этиленпропилендиенового мономерного каучука ( EPDM ). Композитные изоляторы дешевле, легче по весу и обладают отличной гидрофобной способностью. Такое сочетание делает их идеальными для работы в загрязненных районах. Однако эти материалы еще не обладают длительным сроком службы стекла и фарфора.

Дизайн

Керамический ввод высокого напряжения в процессе производства, перед глазированием (1977 г.)

Электрический пробой изолятора из-за чрезмерного напряжения может произойти одним из двух способов:

  • Прокола дуги происходит пробой и проводимость материала изолятора, вызывая электрическую дугу через внутреннюю часть изолятора. Тепло, возникающее от дуги, обычно безвозвратно повреждает изолятор. Напряжение прокола - это напряжение на изоляторе (при его нормальной установке), которое вызывает дугу прокола.
  • -Ая дуга является пробой и проводимостью воздуха вокруг или вдоль поверхности изолятора, вызывая дугу вдоль внешней поверхности изолятора. Изоляторы обычно рассчитаны на то, чтобы выдерживать перекрытие без повреждений. Напряжение пробоя - это напряжение, которое вызывает пробой дуги.

Большинство изоляторов высокого напряжения спроектированы с более низким напряжением пробоя, чем напряжение пробоя, поэтому во избежание повреждения они перекрываются перед проколом.

Грязь, загрязнения, соль и особенно вода на поверхности изолятора высокого напряжения могут создать на нем токопроводящий путь, вызывая токи утечки и пробои. Напряжение пробоя может быть уменьшено более чем на 50%, когда изолятор влажный. Изоляторы высокого напряжения для использования вне помещений имеют такую ​​форму, чтобы максимально увеличить длину пути утечки по поверхности от одного конца до другого, называемую длиной утечки, чтобы минимизировать эти токи утечки. Для этого поверхность формуют в виде ряда гофр или концентрических дисков. Обычно это один или несколько навесов ; обращенные вниз чашеобразные поверхности, которые действуют как зонтики, чтобы гарантировать, что часть пути утечки поверхности под «чашкой» останется сухой в сырую погоду. Минимальные пути утечки составляют 20–25 мм / кВ, но должны быть увеличены в зонах с высоким уровнем загрязнения или в районах с морской солью.

Виды изоляторов

Трехфазный изолятор, используемый в распределительных линиях, обычно на 13,8 кВ между фазами. Линии проходят по ромбовидной схеме, между полюсами используется несколько изоляторов.

Это общие классы изоляторов:

  • Штыревой изолятор - как следует из названия, изолятор штыревого типа устанавливается на штифт траверсы на опоре. На верхнем конце изолятора имеется паз. Проводник проходит через эту канавку и крепится к изолятору отожженной проволокой из того же материала, что и проводник. Изоляторы штыревого типа используются для передачи и распределения коммуникаций и электроэнергии напряжением до 33 кВ. Изоляторы, рассчитанные на рабочее напряжение от 33 кВ до 69 кВ, имеют тенденцию быть очень громоздкими и в последние годы стали неэкономичными.
  • Опорный изолятор - тип изолятора в 1930-х годах, который был более компактным, чем традиционные изоляторы штыревого типа, и который быстро заменил многие изоляторы штыревого типа на линиях до 69 кВ, а в некоторых конфигурациях может быть изготовлен для работы при напряжении до 115 кВ.
  • Подвесной изолятор - для напряжений выше 33 кВ обычно используют изоляторы подвесного типа, состоящие из нескольких стеклянных или фарфоровых дисков, соединенных последовательно металлическими звеньями в виде струны. Проводник подвешен на нижнем конце этой струны, а верхний конец прикреплен к поперечине башни. Количество используемых дисковых блоков зависит от напряжения.
  • Штамм изолятор - это тупик или якорь полюс или башня используются там , где прямой участок концов линии или углов в другом направлении. Эти столбы должны выдерживать поперечное (горизонтальное) натяжение длинного прямого участка провода. Чтобы выдержать эту боковую нагрузку, используются изоляторы деформации. Для линий низкого напряжения (менее 11 кВ) в качестве деформационных изоляторов используются скобой изоляторы. Однако для ЛЭП используются гирлянды из колпачковых (подвесных) изоляторов, прикрепленных к траверсе в горизонтальном направлении. Когда растягивающая нагрузка в линиях чрезмерно велика, например, на длинных участках реки, две или более струны используются параллельно.
  • Изолятор с дужкой - в первые дни изоляторы с дужкой использовались как изоляторы деформации. Но в настоящее время их часто используют для распределительных линий низкого напряжения. Такие изоляторы можно использовать как в горизонтальном, так и в вертикальном положении. Их можно закрепить непосредственно на стойке с помощью болта или на траверсе.
  • Втулка - позволяет одному или нескольким проводникам проходить через перегородку, такую ​​как стена или резервуар, и изолирует проводники от нее.
  • Изолятор опорной линии
  • Опорный изолятор станции
  • Отрезать

Изолятор оболочки

Нижний контакт третьего рельса в изоляторе оболочки

Изолятор, который защищает нижний контактный третий рельс по всей длине .

Подвесные изоляторы

Типовое количество дисковых изоляторов для стандартных линейных напряжений
Напряжение сети
(кВ)
Диски
34,5 3
69 4
115 6
138 8
161 11
230 14
287 15
345 18
360 23
400 24
500 34
600 44 год
750 59
765 60
Подвесная гирлянда изоляторов (вертикальная колонна дисков) на подвесном пилоне 275 кВ.
Подвесной стеклянный дисковый изолятор, используемый в гирляндах подвесных изоляторов для высоковольтных линий электропередачи.

Изоляторы штыревого типа не подходят для линейного напряжения более 69 кВ. Для более высоких напряжений передачи используются гирлянды подвесных изоляторов, которые можно изготовить для любого практического напряжения передачи, добавив в гирлянду изолирующие элементы.

В линиях передачи более высокого напряжения обычно используются модульные подвесные изоляторы. Провода подвешены на «цепочке» идентичных дискообразных изоляторов, которые прикрепляются друг к другу с помощью металлического штифта с головкой или шаровых переходников. Преимущество этой конструкции состоит в том, что гирлянды изоляторов с разными напряжениями пробоя для использования с разными линейными напряжениями могут быть сконструированы с использованием разного количества базовых блоков. Кроме того, если один из изоляторов в колонне сломается, его можно заменить, не выбрасывая всю колонну.

Каждый блок состоит из керамического или стеклянного диска с металлической крышкой и штифтами, приклеенными к противоположным сторонам. Чтобы сделать дефектные блоки очевидными, стеклянные блоки спроектированы таким образом, что перенапряжение вызывает пробивную дугу в стекле, а не пробой. Стекло подвергается термообработке, поэтому оно разбивается, и поврежденный элемент становится видимым. Однако механическая прочность устройства не изменилась, поэтому гирлянда изолятора остается вместе.

Стандартные подвески дисковых изоляторов блоки 25 см (9,8 дюйма) в диаметре и 15 см (6 дюймов), может поддерживать нагрузку 80-120 K N (18-27 к фунта - сила ), имеет напряжение сухой перекрытие около 72 кВ , рассчитаны на рабочее напряжение 10-12 кВ. Однако напряжение пробоя струны меньше, чем сумма составляющих ее дисков, потому что электрическое поле не распределяется равномерно по струне, а наиболее сильно у диска, ближайшего к проводнику, который мигает первым. Металлические калибровочные кольца иногда добавляются вокруг диска на конце высокого напряжения, чтобы уменьшить электрическое поле на этом диске и улучшить напряжение пробоя.

В линиях очень высокого напряжения изолятор может быть окружен коронирующими кольцами . Обычно они состоят из алюминиевых торов (чаще всего) или медных трубок, прикрепленных к линии. Они предназначены для уменьшения электрического поля в точке, где изолятор прикреплен к линии, для предотвращения коронного разряда , который приводит к потерям мощности.

История

Недавнее фото открытой трассы проводного телеграфного столба с фарфоровыми изоляторами. Куиденхэм , Норфолк , Соединенное Королевство

Первыми электрическими системами, в которых использовались изоляторы, были телеграфные линии ; Было обнаружено, что прямое прикрепление проводов к деревянным опорам дает очень плохие результаты, особенно в сырую погоду.

Первые стеклянные изоляторы, которые использовались в больших количествах, имели точечное отверстие без резьбы. Эти осколки стекла помещали на коническую деревянную шпильку, вертикально проходящую вверх от траверсы столба (обычно только два изолятора на столб и, возможно, один на вершине самого столба). Естественное сжатие и расширение проводов, привязанных к этим «безрезьбовым изоляторам», привело к отсоединению изоляторов от их штырей, что потребовало переустановки вручную.

Среди первых для производства керамических изоляторов были компании в Соединенном Королевстве, с Stiff и Долтон использованием керамики с середины 1840-х годов, Джозеф Борн (позже переименован в Денби ) производить их около 1860 и Bullers от 1868. Utility патентном номером 48,906 был предоставлен Луи А. Кове 25 июля 1865 г. за процесс производства изоляторов с отверстиями с резьбой: изоляторы штифтового типа все еще имеют отверстия с резьбой.

Изобретение подвесных изоляторов сделало возможной передачу энергии высокого напряжения. Когда напряжение в линии передачи достигло и превысило 60 000 вольт, требуемые изоляторы стали очень большими и тяжелыми, при этом запас прочности изоляторов в 88 000 вольт был примерно практическим пределом для изготовления и установки. С другой стороны, подвесные изоляторы можно соединять в гирлянды, длина которых зависит от напряжения в линии.

Изготовлено большое количество изоляторов телефонных, телеграфных и силовых; некоторые люди коллекционируют их как из-за исторического интереса, так и из-за эстетического качества многих конструкций и отделки изоляционных материалов. Одна из организаций коллекционеров - это Национальная ассоциация изоляторов США, в которую входят более 9 000 членов.

Изоляция антенн

Изолятор деформации в форме яйца

Часто радиовещательная радиоантенна строится как излучатель мачты , что означает, что вся конструкция мачты находится под высоким напряжением и должна быть изолирована от земли. Используются стеатитовые опоры . Они должны выдерживать не только напряжение мачтового излучателя относительно земли, которое может достигать значений до 400 кВ на некоторых антеннах, но также вес конструкции мачты и динамические нагрузки. Дуговые рожки и молниеотводы необходимы, потому что удары молнии по мачте являются обычным явлением.

Антенны, поддерживающие антенные мачты, обычно имеют изоляторы, вставленные в кабельную трассу, чтобы не допустить короткого замыкания на землю высокого напряжения на антенне или создания опасности поражения электрическим током. Часто кабели растяжек имеют несколько изоляторов, расположенных так, чтобы разрезать кабель на отрезки, предотвращающие нежелательные электрические резонансы в растяжке. Эти изоляторы обычно бывают керамическими, цилиндрическими или яйцевидными (см. Рисунок). Эта конструкция имеет то преимущество, что керамика испытывает сжатие, а не растяжение, поэтому она может выдерживать большую нагрузку, и что, если изолятор сломается, концы кабеля все еще будут соединены.

Эти изоляторы также должны быть оборудованы устройствами защиты от перенапряжения. При определении размеров изоляции оттяжек необходимо учитывать статические заряды оттяжек. Для высоких мачт оно может быть намного выше, чем напряжение, создаваемое передатчиком, и для этого требуются оттяжки, разделенные изоляторами на несколько секций на самых высоких мачтах. В этом случае лучше всего подходят оттяжки, заземленные на якорных основаниях через катушку или, если возможно, напрямую.

Линии питания, прикрепляющие антенны к радиооборудованию, особенно с двумя выводами , часто необходимо держать на удалении от металлических конструкций. Изолированные опоры, используемые для этой цели, называются изоляторами .

Смотрите также

Примечания

использованная литература