Podział materiałów elektroizolacynych:
Powietrze jest mieszaniną azotu (78%), tlenu (21%) oraz dwutlenku węgla, wodoru i gazów szlachetnych (łącznie ok. 1%). Przy normalnym ciśnieniu i temperaturze (0.1 Mpa (1 atm.), 20° C) czyste powietrze jest bardzo dobrym materiałem izolacyjnym. Jego rezystywność skrośna jest rzędu 1018 W m, przenikalność elektryczna 1.00059, a współczynnik stratności dielektrycznej jest praktycznie równy zeru.
Na ogół jednak powietrze atmosferyczne nie jest czyste. Zawiera ono parę wodną oraz inne zanieczyszczenia w postaci dymów i pyłów, które zwiększają korozyjne działanie powietrza na materiały oraz silnie obniżają jego własności izolacyjne.
Wytrzymałość elektryczna powietrza zależy silnie od kształtu i odstępu elektrod oraz rodzaju przyłożonego napięcia.
Azot N2 jest gazem niepalnym, nietoksycznym, słabo rozpuszczalnym w związkach organicznych, tanim, chemicznie obojętnym, o własnościach zbliżonych do własności powietrza.
Stosuje się go do napełniania pewnych odmian kondensatorów i przekładników napięciowych.
Używa się go również jako atmosfery ochronnej przed utleniającym działaniem powietrza (np. jako poduszki gazowej nad powierzchnią oleju mineralnego).
W bańkach żarówek gazowych dodaje się azotu (zwykle ok. 20%) do argonu aby zwiększyć wytrzymałość elektryczną.
Wodór H2 jest gazem nietoksycznym i tanim. Dzięki bardzo dużej przewodności cieplnej (wodór-0,172 W/m deg, powietrze-0,024 W/m deg) jest stosowany jako chłodziwo elektroizolacyjne w dużych turbogeneratorach; uzyskuje się przy tym niskie straty wentylacyjne wskutek małej gęstości wodoru.
Wytrzymałość elektryczna wodoru wynosi 0,65% wytrzymałości powietrza.
Wady - mieszanina wodoru z tlenem (zawartość wodoru w granicach 6..67% - objętościowo) jest silnie wybuchowa.
W podwyższonej temperaturze wodór odbiera tlen od tlenków. Podczas wyładowań elektrycznych w wodorze, występuje niebezpieczeństwo niszczenia niektórych materiałów izolacyjnych wskutek redukującego działania wodoru w stosunku do związków organicznych.
Sześciofluorek siarki SF6 , jest syntetycznym gazem elektroujemnym, bezbarwnym, bezwonnym, nietoksycznym, chemicznie obojętnym, niepalnym, trwałym do temperatury ok. 500 ° C i nie wywołującym korozji.
Charakteryzuje się dużą gęstością - pięciokrotnie większą niż powietrza tak, że można nim niemal jak cieczą napełniać zbiorniki aparatów elektrycznych.
Jego wytrzymałość elektryczna przewyższa kilkakrotnie wytrzymałość powietrza i azotu.
Często stosowany pod ciśnieniem (ok. 0.4 Mpa (4 atm.)), wykazuje wtedy lepsze własności izolacyjne niż olej mineralny. Zastąpienie oleju mineralnego sześciofluorkiem siarki pozwala na znaczne zmniejszenie ciężaru urządzeń elektrycznych.
SF6 można stosować w urządzeniach napowietrznych (temp. skraplania ok. -63° C). Korzystną cechą SF6 jest mała zależność ciśnienia od temperatury, co pozwala uniknąć niebezpieczeństwa eksplozji w przypadkach zwarć w urządzeniach elektrycznych, zamkniętych w zbiornikach wypełnionych sześciofluorkiem siarki (wyłączniki, transformatory).
Wyładowania powodują rozkład SF6 na związki prostsze SF4 , SF2 , które należy usuwać z wnętrza aparatów.
Elektroujemne własności sześciofluorku siarki (zdolność wiązania swobodnych elektronów i tworzenia ciężkich i powolnych jonów ujemnych) wpływają korzystnie na jego zdolność gaszenia łuku elektrycznego.
Wadami SF6 są: stosunkowo niewielka przewodność cieplna (wynosząca ok. 48% przewodności cieplnej powietrza), niskie ciepło właściwe oraz pewna toksyczność produktów jego rozpadu, zachodzącego w obecności wyładowań elektrycznych.
SF6 jest dzisiaj szeroko stosowany jako ośrodek elektroizolacyjny w rozdzielnicach wysokiego napięcia, wyłącznikach i transformatorach.
Dwufluorodwuchlorometan CF2Cl2, zwany freonem, jest gazem bezbarwnym, bezwonnym, niepalnym, nietoksycznym, elektroujemnym, stabilnym chemicznie do temperatury 750° C, nie powodującym korozji. Charakteryzuje się dużą gęstością ok. czterokrotnie większą od powietrza, tak, że podobnie jak SF6 można go "wlewać" do zbiorników aparatów elektrycznych. Jego wytrzymałość elektryczna przewyższa kilkakrotnie wytrzymałość elektryczną powietrza. Z uwagi na stosunkowo wysoką temperaturę skraplania (-28° C) można go stosować tylko w urządzeniach wnętrzowych. Pod wpływem wyładowań elektrycznych ulega rozkładowi, tworząc w obecności tlenku toksyczny fosgen (COCl2).
Sprężony freon stosuje się jako ośrodek elektroizolacyjny w wysokonapięciowej aparaturze radiowej i rentgenowskiej.
Dielektrykami ciekłymi, stosowanymi w elektrotechnice, są różnego rodzaju oleje izolacyjne. Można je klasyfikować z uwagi na ich pochodzenie lub na ich zastosowanie.
Z uwagi na pochodzenie oleje izolacyjne podzielić można na:
- oleje mineralne,
- oleje roślinne,
- oleje syntetyczne,
Z uwagi na zastosowanie można je podzielić na:
- oleje transformatorowe,
- oleje kondensatorowe,
- oleje kablowe,
- oleje wyłącznikowe.
Oleje mineralne
Oleje mineralne są produktami destylacji ropy naftowej. W miarę narastania temp. destylacji odbiera się następujące produkty: benzynę, naftę, olej mineralny, olej smarowy, olej cylindrowy, wazelinę, asfalty. Oleje mineralne są mieszaniną ciekłych węglowodorów, głównie naftenowych i parafinowych, z domieszką węglowodorów aromatycznych.
Węglowodory naftenowe odznaczają się niską temp. krzepnięcia
(ok. -50° C) i odpornością na utlenianie.
Węglowodory parafinowe są mniej odporne na utlenianie, a ich temp. krzepnięcia jest wyższa i wynosi ok. -5° C.
Węglowodory aromatyczne są nieodporne na utlenianie. Produktem utleniania jest gęsty, lepki szlam
Węglowodory naftenowe i parafinowe należą do związków nasyconych, odpornych na utlenianie.
Węglowodory aromatyczne są związkami nienasyconymi.
Surowy olej mineralny musi być poddany procesowi oczyszczania, w którym usuwana jest siarka, żywice, kwasy i węglowodory nienasycone. Usunięcia wilgoci dokonuje się przez wirowanie i filtrowanie oraz za pomocą absorbentów.
Większą zawartość węglowodorów parafinowych podwyższa temp. krzepnięcia oleju. Dobry olej uniwersalny powinien zawierać co najmniej 50% węglowodorów naftenowych. Pewna, niewielka domieszka węglowodorów aromatycznych wpływa korzystnie na stabilizację własności oleju.
O jakości oleju mineralnego decydują jego własności elektryczne, fizyczne i chemiczne.
Do najważniejszych z nich należą:
współczynnik stratności dielektrycznej, przenikalność elektryczna, rezystywność, wytrzymałość elektryczna, gęstość, lepkość, temp. zapłonu, temp. krzepnięcia, trwałość, zawartość kwasów, szlamu, wody i obcych ciał stałych.
Na własności elektryczne olejów mineralnych (rezystywność, stratność i wytrzymałość) wpływają w zasadniczy sposób zawarte w nim zanieczyszczenia w postaci: wilgoci, zawiesin mechanicznych (włókna papieru i bawełny), pęcherzyków powietrza, produktów utleniania oleju.
Rezystywność skrośna b. czystego oleju jest rzędu 1014 W m (przy 20° C).
Maleje ona ze wzrostem temp. w wyniku intensyfikacji procesów jonizacji. Zawilgocenie i zanieczyszczenia oleju prowadzą do wzrostu e w i silnego zmniejszenia rezystywności. Olej mineralny technicznie czysty ma rezystywność skrośną rzędu 1012 W m (20° C), w wyniku zwilgocenia i zestarzenia może się ona zmniejszyć do 108 W m.
Współczynnik stratności dielektrycznej czystego oleju mineralnego jest rzędu 10-3 (20° C, 50 Hz). Po dłuższym czasie pracy, w wyniku zwilgocenia i zestarzenia oleju, może on wzrosnąć dziesięciokrotnie. tgd rośnie ze wzrostem temp., a maleje ze wzrostem częstotliwości.
Wytrzymałość elektryczna oleju mineralnego silnie zależy od zawartych w nim zanieczyszczeń (wilgoć, pęcherzyki powietrza, zawiesina mechaniczna). Wpływ zawilgocenia oleju na jego wytrzymałość elektryczną wskazuje, że nawet bardzo mała zawartość wilgoci w oleju wywołuje gwałtowny spadek jego wytrzymałości elektrycznej.
Ważną własnością oleju mineralnego jest jego lepkość względna. Zależy ona silnie od temp.. Przy obniżeniu temperatury maleje, przy określonej temp. (krzepnięcia),olej krzepnie. W zależności od składu oleju odróżnia się dwa jego typy: A (temp. krzepnięcia do -5° C) i B (temp. krzepnięcia poniżej -35° C).
Temperatura zapłonu.
Liczba kwasowa określa zawartość w oleju kwasów oraz kwaśnych produktów jego utlenienia.
Stary olej można poddać procesowi regeneracji w celu powtórnego użycia. Regeneracja polega na odsączeniu cząstek stałych, neutralizacji kwasów i osuszeniu. W warunkach eksploatacyjnych rozróżnia się olej świeży , używany, zestarzony i regenerowany.
Zastosowania olejów mineralnych
Oleje transformatorowe w transformatorach energetycznych, obok funkcji izolujących, spełniają bardzo istotną funkcję chłodzącą.
Oleje kondensatorowe mają najostrzejsze warunki pracy z uwagi na b. duże wartości natężenia pola elektrycznego, dochodzącego do 1000kV/cm oraz z uwagi na konieczność ograniczenia strat dielektrycznych. Muszą być starannie oczyszczone, odgazowane, odporne na starzenie, o małej wartości tgd i możliwie dużej przenikalności elektrycznej.
Do nasycania izolacji papierowej kabli ziemnych stosuje się olej kablowy o dużej lepkości.
Oleje wyłącznikowe mają własności podobne do olejów transformatorowych. Spełniają również zadania izolacyjne, ale głównym ich zadaniem jest gaszenie łuku elektrycznego.
Oleje syntetyczne
Do najbardziej znanych należą chlorowane dwufenyle. Odznaczają się o wiele lepszymi własnościami w porównaniu z olejami mineralnymi: są niepalne, niehigroskopijne, odporne na starzenie, charakteryzują się dużą stabilnością chemiczną i cieplną, nie utleniają się, mają ponad dwukrotnie wyższą przenikalność elektryczną.
Do ich wad należy: duża wrażliwość na zanieczyszczenia, silna zależność własności elektrycznych od temp., wysoka cena, a przede wszystkim silna toksyczność. Nie ulegają procesowi naturalnego rozkładu.
W Polsce stosowano je jako syciwo w kondensatorach statycznych, w innych krajach często napełniano nimi, zamiast olejami mineralnymi, kadzie transformatorów pracujących wewnątrz budynków celem usunięcia zagrożenia pożarowego.