MATERIAŁOZNAWSTWO ELEKTROTECHNICZNE

Materiały do wykładu

(kurs podstawowy)

Tomasz Tarasiuk

Gdynia 2001

Literatura

1. Kolbiński K., Słowikowski J.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. WNT Warszawa wyd. III, 1988.

2. Poradnik inżyniera elektryka. WNT Warszawa wyd. I Tom I 1994

3. Celiński Z.: Materiałoznawstwo elektrotechniczne. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 1994.

WPROWADZENIE

Stałe materiałowe

Każdemu materiałowi można przypisać trzy stałe materiałowe: przenikalność elektryczną ε, przenikalność magnetyczną μ i przewodność elektryczną γ. Wartość stałych materiałowych zależą od szeregu czynników takich jak np. temperatura, wilgotność itp. W praktyce podaje się przede wszystkim te stałe materiałowe, które ze względu na zastosowanie danego materiału uważa się za najważniejsze.

Podział materiałów elektrotechnicznych

Typową metodą podziału materiałów elektrotechnicznych jest ich podział pod względem zastosowania. I tak materiały dzieli się na:

• przewodzące i półprzewodzące, używane do budowy elektrycznych obwodów prądowych;

• elektroizolacyjne, używane do izolowania elektrycznego obwodów;

• magnetyczne, używane do budowy obwodów magnetycznych.

Przyjętym kryterium podziału na materiały przewodzące, półprzewodzące i elektroizolacyjne jest ich rezystywność (δ=1/γ) w temperaturze 20^oC.

• do materiałów przewodzących zalicza się materiały o ρ₂₀o_C ≤ 10^-4 Ωcm;

• do materiałów półprzewodzących zalicza się materiały o 10^-4 Ωcm < ρ₂₀o_C ≤ 10⁸ Ωcm;

• do materiałów elektroizolacyjnych zalicza się materiały o ρ₂₀o_C ≥ 10¹² Ωcm.

Materiały magnetyczne mogą mieć właściwości przewodzące (żelazo), półprzewodzące (ferryty) lub elektroizolacyjne (magnetodielektryki).

MATERIAŁY PRZEWODZĄCE

Przewodność elektryczna γ

Ruch ładunków swobodnych wywołany polem elektrycznym nazywany jest prądem przewodzenia. Gęstość tego prądu jest określana wzorem:

(1)

w którym: n_i - koncentracja ładunków swobodnych o wartość q_i;

v_i - prędkość unoszenia (uśredniona prędkość ładunku swobodnego);

k - liczba rodzajów ładunków.

Dla wielu materiałów w szerokim zakresie zmian wartości natężenia pola elektrycznego prędkość unoszenia v_i jest wprost proporcjonalna do natężenia pola elektrycznego E. Współczynnik proporcjonalność u_i nosi nazwę ruchliwości ładunku i zależy od średniej drogi swobodnej ładunku w danym ośrodku materialnym (średnia droga jaką przebywa ładunek w środowisku przed rozproszenie na skutek oddziaływania napotkanych cząstek, atomów lub jonów). Ostatecznie można zapisać:

(2)

Wielkość

(3)

jest nazywana przewodnością elektryczną, a jej odwrotność rezystywnością ρ.

Przewodność elektryczna metali

Do podstawowych materiałów przewodzących należą metale i ich stopy oraz spieki. Metale są to ciała stałe o budowie polikrystalicznej i dużej przewodności elektrycznej i cieplnej oraz podatności na obróbkę plastyczną. Powodem tych cech metali są wiązania metaliczne, powstające w niskich temperaturach na skutek wzajemnego oddziaływania atomów na elektrony walencyjne. Na skutek tego wspomniane elektrony tracą przynależność do macierzystego atomu i tworzą tzw. "gaz elektronowy". Te tzw. Elektrony przewodnictwa

Materiały przewodzące.

Materiały przewodowe - metale i stopy, z których wytwarzane są przewody i kable elektroenergetyczne. Należą do nich przede wszystkim: miedź, aluminium, niektóre brązy i stopy aluminiowo-magnezowo-krzemowe.

Miedź (Cu): - masa właściwa 8,89 g/cm3

- przewodność 58 MS/m

- rezystywność 1,724.10-6 .cm

- temp. współczynnik rezystancji 3,98.10-3 K-1

- temperatura topnienia 1083 oC

- temperatura Debye,a 344,8 K

Aluminium (Al): - masa właściwa 2,7 g/cm3

- przewodność 36,6 MS/m

- rezystywność 2,78.10-6 .cm

- temp. współczynnik rezystancji 4,1.10-3 K-1

- temperatura topnienia 658,7 oC

- temperatura Debye,a 426 K

Stop aluminiowo-magnezowo-krzemowy (0,3
0,5%)Mg + (0,5
0,6%)Si +Al:

- masa właściwa 2,7 g/cm3

- przewodność 30
33 MS/m

- temp. współczynnik rezystancji 3,6.10-3 K-1

Materiały oporowe:

- stopy oporowe na rezystory techniczne, regulacyjne, rozruchowe, obciążeniowe itp;

- stopy oporowe rezystory pomiarowe;

- metale, stopy oporowe i materiały oporowe niemetalowe stosowane na elementy grzejne;

- metale na oporowe czujniki termometryczne.

Stopy oporowe z przewagą miedzi.

Manganin: - temperaturowy współczynnik rezystancji 1
3.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 60 oC

- skład 86%Cu + 12%Mn + 2%Ni

- zastosowanie: rezystory wzorcowe i pomiarowe

Izabelin: - temperaturowy współczynnik rezystancji 2.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 200 oC

- skład 84%Cu + 13%Mn + 3%Al

- zastosowanie: rezystory wzorcowe i pomiarowe

Konstantan: - temperaturowy współczynnik rezystancji 3,38.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 400 oC

- skład 55%Cu+ 45%Ni

- zastosowanie: rezystory pomiarowe i regulacyjne

Nikielina: - temperaturowy współczynnik rezystancji 23.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 300 oC

- skład 54%Cu+ 26%Ni + 20%Zn

- zastosowanie: rezystory regulacyjne

Stopy oporowe z przewagą niklu.

Chromonikielina-Brightray: - temperaturowy współczynnik rezystancji 0,98.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 1100 oC

- skład 80%Ni + 20%Cr

- zastosowanie: rezystory grzejne

Chromonikielina-Glowray: - temperaturowy współczynnik rezystancji 20,2.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 850 oC

- skład 65%Ni + 20%Fe + 15%Cr

- zastosowanie: rezystory grzejne

Stopy oporowe z przewagą żelaza.

Kanthal: - temperaturowy współczynnik rezystancji 6,4
10.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 1150
1350 oC

- skład (68
73%)Fe + (21
24%)Cr + (4
5,5%)Al + (2
2,5%)Co

- zastosowanie: rezystory grzejne

Baildonal: - temperaturowy współczynnik rezystancji ok. 4.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 1100
1200 oC

- skład (67,5
75%)Fe + (20
27%)Cr + (5
5,5%)Al

- zastosowanie: rezystory grzejne

Żeliwo: - temperaturowy współczynnik rezystancji ok. 4.10-5 K-1

- dopuszczalna temp. pracy ciągłej 1100
1200 oC

- skład 93,9Fe + 3,6%C + 1,7%Si + 0,8%Mn

- zastosowanie: rezystory regulacyjne

Materiały stykowe powinny spełniać następujące warunki:

- duża gęstość (twardość materiału);

- duża temperatura topnienia;

- odporność na erozję elektryczną;

- odporność na korozję środowiskową;

- łatwość lutowania;

- niska cena.

Materiały stykowe:

Srebro - łatwe do obróbki, duża przewodność elektryczna i cieplna, łatwe do spawania, ale nieodporne na wpływy środowiska (zwłaszcza na działanie siarki i siarczków), miękkie (podatne na wędrówkę materiału), niska temperatura topnienia. Stosowane na styki nie biorące udziału w przerywaniu prądu elektrycznego np. na styki główne w wyłącznikach.

Złoto - odporne chemicznie, mała i stabilna rezystancja przejścia, dobra przewodność elektryczna i cieplna, ale drogie, miękkie, nieodporne na ścieranie, skłonne do upalania, zespawania styków. Stosowane przy niewielkich prądach, przy wymaganej znacznej niezawodności styku.

Platyna - odporna na korozję elektryczną i środowiskową, odporna mechanicznie, ale droga, mała przewodność elektryczna i cieplna. Stosowana na styki o dużej niezawodności.

Pallad - twardy i odporny na upalanie, tańszy niż platyna, ale o jeszcze mniejszej przewodności elektrycznej. Stosowany np. na styki o dużej liczbie łączeń.

Miedź - dużą przewodność i cieplna, łatwość obróbki i lutowania, niska cena, ale łatwość tworzenia warstw nalotowych tlenków i siarczków oraz niska temperatura topnienia. Styki wymagają silnego docisku. Stosowana na styki aparatów pracujących w środowisku chemicznie obojętnym np. w oleju.

Wolfram - bardzo wysoka temperatura topnienia, dużą twardość, największą odporność na upalanie i zespawanie styków, ale łatwo się utlenia, zwłaszcza w wyższych temperaturach. Styki wymagają dużej siły docisku. Stosowany na styki opalne w wyłącznikach.

Stopy srebra z miedzią, ewentualnie z niklem lub palladem - są twardsze niż srebro, mniej skłonne do upalania i zespawania, ale o większej rezystancji przejścia. Stosowane na przeciętny zakres prądowy i napięciowy.

Spieki srebra z wolframem - odporne na działanie łuku elektrycznego, odporne na szczepianie, ale niestabilna rezystancja przejścia na skutek powstawania tlenków wolframu. Stosuje się do nich dodatki tworzące z wolframem związki międzymetaliczne, obniżające jego podatność na utlenianie. Stosowane na styki łączników niskiego napięcia i na styki opalne.

Zestyki ślizgowe:

- metalowe;

- metalografitowe;

- grafitowe;

- elektrografitowe;

- węglowo-grafitowe;

- węglowe.

Szczotki metalografitowe - najczęściej z zawartością miedzi (czasem srebra). Proszki grafitu i miedzi prasowane i wypalane w temperaturze poniżej 1000 oC. Stosowane w maszynach elektrycznych niskonapięciowych, przy dużych gęstościach prądu.

Szczotki węglowo-grafitowe - proszek grafitowy z niewielką domieszką sadzy i koksu, mieszane z lepikiem, prasowane i wypalane w temperaturze powyżej 1000 oC. O średniej twardości do najczęściej stosowanych typów maszyn. Twarde - do pracy w trudnych warunkach (wstrząsy, zmienne obciążenia, iskrzenie).

Szczotki grafitowe - Proszek grafitowy prasowany i wypalany. Rodzaj i zawartość lepiku oraz temperatura wypalania zależą o przeznaczenia. Stosowane w różnych maszynach, podobnie jak węglowo-grafitowe oraz w maszynach o dużych prędkościach obrotowych.

Materiały półprzewodzące (20C=
Ωcm).

Półprzewodnik - ciało stałe o budowie krystalicznej, którego szerokość pasma wzbronionego, w modelu pasmowym wynosi ok.
eV.

Przewodnictwo samoistne - przewodnictwo chemicznie czystego półprzewodnika.

Przewodnictwo domieszkowe - przewodnictwo półprzewodnika wynikające z obecności domieszek.

Zależność przewodności półprzewodnika domieszkowanego od temperatury:

Rezystywność germanu 47 .cm (300 K).

Rezystywność krzemu 2,3.105 (300K).

W krzemie jako domieszki akceptorowe są stosowane: bor, aluminium, gal, ind.

W krzemie jako domieszki donorowe są stosowane: fosfor, arsen, antymon, bizmut.

Metody oczyszczania krzemu:

- krystalizacji postępującej;

- topienia strefowego.

MATERIAŁY PÓŁPRZEWODZĄCE.

Etapy produkcji diod i tyrystorów mocy metodą dyfuzji domieszek.

2.
Utlenianie powierzchni w podwyższonej temperaturze; tworzy się SiO2.

3.
Nałożenie warstwy emulsji światłoczułej.

4.
Naświetlanie emulsji i wypłukanie emulsji nie naświetlonej.

5.
Chemiczne usunięcie SiO2, a następnie usunięcie naświetlonej emulsji.

6.
Dyfuzja jonów.

7.
Napawanie złota lub aluminium.

8.
Dołączenie złotych drucików metodą termokompresji.

Metoda prof. Czochralskigo uzyskiwania monokryształów krzemu (obecnie pręty o długości 0,5 m i szerokości 150 mm).

Metody domieszkowania krzemu:

- dyfuzja jonów;

- metoda epitaksji;

- implantacji jonów;

- domieszkowania transmutacyjnego.

Warystory - półprzewodnikowe rezystory zmiennooporowe o nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej. Istotną cechę warystora stanowi nagły wzrost gęstości prądu po osiągnięciu określonego natężenia pola elektrycznego. Dla każdego warystora podaje się charakterystyczną wartość napięcia Uc i prądu upływu dla napięcia poniżej napięcia charakterystycznego. Długotrwałe poddawanie warystora działaniu napięcia przemiennego powoduje obniżenie wartości Uc i zwiększenie prądu upływu. Zjawisko to nosi nazwę degradacji warystora. Warystory są wytwarzane metodą spiekania, w których podstawowym składnikiem jest tlenek cynku.

Termistory - elementy półprzewodnikowe, których rezystancja silnie zależy od temperatury. Ta zależność jest podstawą do podziału termistorów na trzy grupy:

- termistory o ujemnej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji (=
/K) oznaczane literami NTC. Są to najczęściej materiały tlenkowe np. spieki
. Rezystancja termistora NTC zmienia się wraz z temperaturą zgodnie z zależnością (1):

(1)

w którym: T - temperatura w K;

B i R298 - stałe dla danego termistora podawane w katalogach.

- termistory o dodatniej wartości temperaturowego współczynnika rezystancji

(=
) oznaczane literami PTC. Są nimi najczęściej materiały wytwarzane na bazie polikrystalicznego tytanianu baru (
). W zakresie temperatur roboczych następuje znaczny wzrost rezystancji termistora PTC, na ogół o
.

- termistory o prawie skokowym zmniejszeniu się rezystancji w kilkustopniowym przedziale zmian temperatury oznaczane literami CTR. Wykonywane są najczęściej ze spieków polikrystalicznego tlenku wanadu lub tytanu.

Tworzywa sztuczne półprzewodzące - własności półprzewodzące tworzywom sztucznym nadaje się przez dodanie do nich domieszek metali, tlenków metali lub węgla. Rezystywność tak otrzymanych kompozycji zależy od właściwości składnika przewodzącego. Przykładem takiego materiału może być polietylen półprzewodzący (z dodatkiem sadzy), stosowany np. jako ekrany kabli.

F/m

Rezystywność

Rozróżnia się dwa rodzaje rezystywności dielektryków: rezystywność skrośną i rezystywność powierzchniową (odnosi się do dielektryków stałych i jest związana z prądem płynącym po powierzchni materiału w polu elektrycznym). Rezystywność skrośna dielektryka silnie (wykładniczo) maleje wraz ze wzrostem temperatury. Nadto, silnie zależy od stopnia zanieczyszczenia i zawilgocenia. Należy również wspomnieć o wpływie na rezystywność skrośną natężenia pola elektrycznego. Przykładowo dla dielektryków ciekłych i stałych natężenie pola elektrycznego, powyżej którego przewodzenie traci liniowy charakter, w zależności od materiału wynosi 10³ - 10 ⁴ kV/cm.

Rezystywność powierzchniowa zależy przede wszystkim od stopnia zawilgocenia i zanieczyszczenia ich powierzchni (przykładowo, powyżej 75 % wilgotności względnej, zasolona powierzchnia materiału izolacyjnego staje się dobrym przewodnikiem prądu elektrycznego). Nadto, na rezystywność powierzchniową wpływa budowa materiału. Największe wartości rezystywności powierzchniowej wykazują dielektryki, których powierzchnie nie ulegają zwilżaniu.

Wytrzymałość elektryczna

Natężenie pola elektrycznego E_p przy którym następuje przebicie dielektryka nazywane jest wytrzymałością elektryczną tego dielektryka. Wytrzymałość dielektryczna określana jest jako stosunek średniej wartości napięcia przebicia do średniej grubości materiału w miejscu przebicia. Wartość wytrzymałości elektrycznej materiału jest podawana najczęściej w [kV/mm lub kV/cm]. Badania wytrzymałości (poza przypadkami szczególnych zastosowań materiału) wykonywane są wyłącznie napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz (w niektórych krajach 60 Hz). Wartości te podawane w normach odnoszą się z reguły do tzw. prób doraźnych, w których napięcie podnoszone jest w sposób ciągły z określoną szybkością, aż do przebicia. Wartość ta jest zwykle wyższa od wartości wytrzymałości elektrycznej długotrwałej, którą wyznacza się za pomocą skokowego podwyższania napięcia i utrzymywania tego napięcia na każdym stopniu przez określony czas, np. 1 minutę. Jedynie w przypadku próbki silnie zawilgoconej stopniowe podnoszenie napięcia może spowodować wysuszenie się próbki pod wpływem ciepła wywołanego stratami dielektrycznymi. W skutek tego nastąpi podwyższenie napięcia przebicia. Wówczas wartość wytrzymałości elektrycznej długotrwałej może być wyższa od wartości wytrzymałości elektrycznej doraźnej.

Rozróżnia się cztery rodzaje mechanizmów przebicia:

• elektryczny

• cieplny

• jonizacyjny

• elektrochemiczny

W mechanizmie elektrycznym decydującą rolę odgrywają elektrony przyśpieszane w polach elektrycznych o bardzo dużych natężeniach. Czas przebicia w tym przypadku wynosi od kilku nanosekund do kilku mikrosekund. Mechanizm cieplny występuje przy podwyższonej temperaturze dielektryka, gdy ciepło wydzielane w dielektryku na skutek strat dielektrycznych będzie większe od ciepła odprowadzanego. Czas przebicia może wynosić od kilkuset milisekund nawet do kilku godzin. W mechanizmie jonizacyjnym o przebiciu decydują wyładowania niezupełne i związane z nimi zjawiska. Czas przebicia wynosi od kilkudziesięciu sekund do wielu lat. Ten rodzaj przebicia jest najczęściej spotykanym rodzajem przebicia wolno rozwijającego się w urządzeniach elektrycznych pracujących przy napięciu przemiennym, zwłaszcza w warunkach występowania, krótkotrwałych wzrostów napięcia ponad wartości znamionowe ("przepięcia"). Mechanizm elektrochemiczny występuje zwykle w materiałach poddanych długotrwałemu działaniu wilgoci przy doprowadzonym napięciu. Wytwarzają się wtedy w materiale ścieżki przewodzące pod wpływem procesów elektrochemicznych.

Wytrzymałość elektryczna materiałów izolacyjnych zależy od szeregu czynników, ale przede wszystkim od: temperatury, wilgotności i grubości materiału. Im wyższa jest temperatura i wilgotność tym niższe wartości wytrzymałości elektrycznej. Również zależność napięcia przebicia (a tym samym wytrzymałości elektrycznej) od grubości materiału jest nieliniowa. Dla mniejszych grubości izolacji wytrzymałość elektryczna jest wyższa. Do innych czynników wpływających na wytrzymałość elektryczną należy zaliczyć rodzaj napięcia oraz kształt elektrod.

Ze względu na dużą liczbę parametrów decydujących o wartości wytrzymałości elektrycznej, jest ona jedynie wskaźnikiem jakości materiału, a nie wielkością, na której można polegać przy projektowaniu układów izolacyjnych. W związku z tym natężenia pola elektrycznego występujące w materiałach izolacyjnych w normalnej pracy urządzeń elektrycznych powinny być znacznie niższe od ich wytrzymałości elektrycznej. Konieczny margines powinien chronić przed przebiciem izolacji zwłaszcza w przypadku "przepięć". W urządzeniach niskiego napięcia zapewnienie odpowiedniej wytrzymałości elektrycznej nie stwarza problemów, gdyż spełnienie wymagań mechanicznych z reguły zapewnia wystarczającą grubość izolacji. Natomiast w urządzeniach wysokiego napięcia problematyka ta musi być brana pod uwagę.

Ciepłoodporność

W większości materiałów izolacyjnych ciekłych i stałych zachodzą powolne, nieodwracalne zmiany chemiczne, pogarszające ich właściwości dielektryczne. Są one wynikiem reakcji utleniania i rozkładu, silnie zależnych od temperatury. Zjawisko to nazywa się starzeniem cieplnym izolacji i przebiega tym szybciej im wyższa jest temperatura. Przez ciepłoodporność (inaczej - odporność na starzenie cieplne) układu izolacyjnego należy rozumieć zdolność do utrzymywania określonej właściwości na poziomie nie niższym od poziomu krytycznego, w warunkach długotrwałego oddziaływania podwyższonej temperatury. Ciepłoodporność układu izolacyjnego określa się za pomocą klas izolacji, tj. najwyższej dopuszczalnej temperatury, która nie powinna być przekroczona w jakimkolwiek punkcie układu w czasie pracy ciągłej danego urządzenia. W tych warunkach urządzenie powinno zachować zdolność do realizacji wymaganych funkcji w znamionowych warunkach jego eksploatacji, w czasie uzasadnionym względami technicznymi i ekonomicznymi. Symbole klas izolacji (klasa izolacji jest to symbol literowy lub numeryczny, któremu jest przypisana wartość temperatury, w której izolacja wykazuje wymaganą ciepłoodporność) i przypisane im temperatury podano w tabeli 1.

Tabela 1. Symbole klas ciepłoodporności

Symbol klasy	Y	A	E	B	F	H	200	220	250
Temperatura [^oC]	90	105	120	130	155	180	200	220	250

Dla klas ciepłoodporności wyższych od 250 stosuje się symbole numeryczne odpowiadającej wartościom temperatury stopniowanej co 25 ^oC. (uwaga - na starszych urządzenia można spotkać klasę ciepłoodporności C dla temperatur wyższych od 180 ^oC).

Miarą ciepłodoporności jest również wskaźnik temperaturowy TI (ang. Temperature Index). Jest to wielkośc umowna wyrażona wartością liczbową temperatury w ^oC. Oznacza ona, że wybrana właściwość materiału przy temperaturze TI nie ulegnie pogorszeniu w czasie 20000 h poniżej wartości krytycznej przypisanej wybranej właściwości tego materiału. Wskaźnik TI wyznacza się eksperymentalnie. W zależności od wybranej właściwości wskaźnik TI danego materiału może przyjmować różne wartości. Często przy określaniu TI bierze się pod uwagę wytrzymałość elektryczną materiału.

Należy w tym miejscu podkreślić, że w przypadku wielu materiałów izolacyjnych pracujących w podwyższonej temperaturze problemem może być nie tylko ich trwałość, ale również odpowiednia wytrzymałość elektryczną lub mechaniczna.

Palność

Pod pojęciem palności rozumie się zdolność materiału do podtrzymywania ognia. O zdolności tej decydują cechy samego materiału, a także jego temperatura i dostęp odpowiedniej ilości tlenu. Miarą palności materiału jest wskaźnik tlenowy OI (ang. Oxygen Index). Wskaźnik tez wyraża procentową zawartość tlenu w mieszaninie z azotem niezbędną do podtrzymania palenia się materiału, którego temperatura w chwili zapłonu wynosiła 20 ^oC.

Podział materiałów w zależności od ich wskaźnika OI:

• łatwozapalne OI ≤ 21

• trudnozapalne 21 < OI < 28

• niezapalne OI ≥ 28

Wskaźnik tlenowy służy tylko porównaniu podatności materiałów na zapalenie się. Ponieważ o podtrzymywaniu palenia się decyduje większa liczba czynników, nie wyklucza się celowości przeprowadzenia prób palności konkretnych urządzeń elektrycznych w umownych warunkach pożarowych.

Poza zdolnością do podtrzymywania ognia, przy ocenie materiału należy również brać pod uwagę toksyczność gazów wydzielanych podczas palenia, ich działanie korozyjne oraz gęstość wydzielanego dymu.

Dielektryki lotne

Każdy gaz, jeżeli nie jest w stanie silnego zjonizowania, ma właściwości izolacyjne. W elektrotechnice wykorzystuje się gazy zarówno pochodzenia naturalnego, jak również otrzymane w wyniku syntezy. Gazy generalnie charakteryzują się znaczną rezystywnością i małą stratnością.

Najbardziej rozpowszechnionym środowiskiem dielektrycznym jest powietrze atmosferyczne. Powietrze jest mieszaniną azotu (78 %), tlenu (21 %) i dwutlenku węgla oraz gazów szlachetnych. Przy ciśnieniu 0,1 MPa i w temperaturze 0 ^oC wytrzymałość elektryczna powietrza wynosi 32 kV/cm (przy odstępie płaskich elektrod 1 cm). Na jego właściwości silny wpływ wywierają takie czynniki jak: ciśnienie, temperatura i wilgotność, a także różnego rodzaju zanieczyszczenia. Zanieczyszczenia mogą nie tylko obniżać właściwości izolacyjne powietrza, ale również zwiększają jego działanie korozyjne. Z innych dielektryków lotnych naturalnych warto wspomnieć o azocie (33 kV/cm), stosowanym jako izolacja wysokonapięciowa oraz jako atmosfera ochronna przed utleniającym działaniem powietrza. Jest to gaz nietoksyczny i tani.

Często stosowanym w elektrotechnice gazem syntetycznym jest sześciofluorek siarki SF₆. Jest to gaz nietoksyczny, bezbarwny i bezwonny, niepalny, nie wywołujący korozji i trwały do temperatury ok. 500 ^oC. Jego wytrzymałość elektryczna przewyższa kilkakrotnie wytrzymałość elektryczną powietrza (89 kV/cm). Należy jednak wspomnieć, produkty jego rozpadu, zachodzącego w obecności wyładowań elektrycznych mogą być toksyczne. Podczas przeglądów urządzeń z SF₆ należy zachować szczególne środki ostrożności (m.in. stosować maski gazowe z odpowiednim pochłaniaczem). Inna jego wadą jest stosunkowo niewielka przewodność cieplna, wynosząca ok. 48 % przewodności cieplnej powietrza. Sześciofluorek siarki jest stosowany w rozdzielnicach wysokiego napięcia, wyłącznikach i transformatorach.

Dwufluorodwuchlorometan CF₂Cl₂ (freon 12) jest gazem stosowanym jajo ośrodek elektroizolacyjny w wysokonapięciowej aparaturze radiowej i rentgenowskiej, a poza elektrotechniką jest stosowany w aparaturze chłodniczej. Jednak zawarte porozumienia międzynarodowe zakładają eliminację produkcji i stosowania freonu, ze względu na negatywny wpływ na powłokę ozonową atmosfery ziemskiej.

Podział materiałów elektroizolacyjnych

Można przeprowadzić wiele różnych klasyfikacji materiałów elektroizolacyjnych, ale do najczęściej stosowanych należy podział według stanu skupienia.

Dielektryki ciekłe

Dielektrykami ciekłymi, stosowanymi w elektrotechnice są różnego rodzaju oleje izolacyjne. Biorą pod uwagę ich pochodzenie oleje elektroizolacyjne można podzielić na:

• oleje mineralne

• oleje syntetyczne

Innym kryterium podziału jest zastosowanie. Oleje elektroizolacyjne można podzielić na:

• oleje transformatorowe (czynnik izolujący i chłodzący w transformatorach)

• oleje kondensatorowe (duża przenikalność elektryczna, mały tgδ, odporność na starzenie)

• oleje kablowe

• oleje wyłącznikowe (gaszenie łuku elektrycznego)

Oleje mineralne są produktami destylacji ropy naftowej. Stanowią mieszaninę ciekłych węglowodorów. Na właściwości elektryczne olejów mineralnych (rezystywność, stratność i wytrzymałość) wpływają przede wszystkim zawarte w nich zanieczyszczenia (wilgoć, zawiesiny mechaniczne, pęcherzyki powietrza oraz produkty utleniania oleju). Przenikalność elektryczna czystego oleju mineralnego wynosi ok. 2-2,5, natomiast tgδ jest rzędu 10^-3. Jednak w procesie starzenia tworzące się związki wielkocząsteczkowe powodują wzrost tgδ. Również wzrost temperatury silnie wpływa na wzrost tgδ. Olej mineralny przed użyciem powinien być osuszony i odgazowany. Zawartość wilgoci i obecność pęcherzyków powietrza silnie obniża wartość wytrzymałości elektrycznej. W przypadku olejów mineralnych pracujących przy dostępie powietrza należy również uwzględnić ich odporność na utlenianie. Temperatura pracy oleju stykającego się z powietrzem nie powinna przekraczać 95 ^oC. Powyżej 110 ^oC następuje znaczne przyśpieszenie starzenia oleju. W celu opóźnienia procesów utleniania (kilkunastokrotne) niekiedy dodaje się do oleju związki chemiczne będące inhibitorami utleniania. Należy jednak pamiętać, że o ile mieszanie różnych olejów mineralnych jest niewskazane, to mieszanie olejów z inhibitorami z olejami bez takich dodatków jest niedopuszczalne. Inną niedogodnością przy stosowaniu olejów mineralnych jest tworzenie się w procesie starzenia osadu zwanego szlamem. Osad ten utrudnia oddawanie ciepła. Oleje mineralne są stosowane przede wszystkim jako oleje transformatorowe i wyłącznikowe, ale także jako oleje kondensatorowe i kablowe.

Oleje syntetyczne to przede wszystkim oleje na bazie węglowodorów aromatycznych, oleje estrowe i oleje silikonowe. Dobrymi własnościami jako oleje elektroizolacyjne charakteryzowały się (niekiedy jeszcze spotykane w starszych urządzeniach) chlorowane dwufenyle. Jednak z uwagi na toksyczność i duży koszt likwidacji zużytych olejów (nie ulegają one procesowi naturalnego rozkładu) chlorowane dwufenyle nie są obecnie stosowane.

Oleje syntetyczne na bazie węglowodorów aromatycznych charakteryzują się małą wartością tgδ (rzędu 10^-4 przy 50 Hz i 20 ^oC) i przenikalnością elektryczną nie przekraczającą 2,6. Oleje estrowe mają większą przenikalność elektryczną względną (od 3 do 6), ale również większe wartości tgδ (od 0,01 do 0,1). Oleje te stosowane są przede wszystkim jako oleje kondensatorowe.

Do rzadziej stosowanych olejów syntetycznych należą oleje silikonowe. Ograniczeniem w powszechnym stosowaniu jest stosunkowo wysoka cena. Oleje silikonowe charakteryzują się dużą wytrzymałością cieplną (do 200^oC) i niską temperaturą krzepnięcia (-70...-90^oC). W porównaniu z olejami mineralnymi są znacznie mniej palne i mają nieco niższą wytrzymałość elektryczną. Łatwo chłoną wodę. Na skutek starzenia przechodzą w stan zestalony o cechach kauczuku (polimeryzacja oleju).

Dielektryki stałe nieorganiczne

Mika

Mika, zwana niekiedy łuszczkiem, jest minerałem o charakterystycznej strukturze warstwowej, łatwo łupiącym się w cienkie płatki. Mika charakteryzuje się: dużą wytrzymałością elektryczną i cieplną, odpornością na gwałtowne zmiany temperatury, odpornością na wyładowania niezupełne i odpornością na starzenia. Oleje elektroizolacyjne mogą powodować rozwarstwianie miki. W elektrotechnice mają zastosowanie dwa rodzaje miki: flogopit (mika magnezowa) i muskowit (mika potasowa). Flogopit jest nieco bardziej elastyczny ale słabszy mechanicznie. Właściwości elektryczne miki zawarto w tabeli 1.

Rodzaj miki	ρs [Ωm]	εw (50 Hz, 20 ^oC)	tg δ (50 Hz, 20 ^oC)	Kv	tp [^oC]
flogopit	10^11	6,5	0,0001	3 kV/25 μm	900
muskowit	10^13	6,5	0,005	4 kV/25 μm	540

Mika jest stosowana jako napełniacz tworzyw sztucznych stosowanych do produkcji komór łukowych wyłączników, a także do produkcji mikanitów (folie lub płyty sklejane żywicami głownie epoksydowymi lub silikonowymi) oraz mikafolia (płatki miki naklejone podkład z cienkiego papieru lub tkaniny szklanej). Wyroby z miki są stosowane, jako różnego rodzaju podkładki i przekładki stosowane w maszynach i aparatach elektrycznych, np. jako przekładki izolacyjne na komutatorach maszyn elektrycznych.

Azbest

Azbest jest minerałem o włóknistej budowie o dużej odporności cieplnej i dużej odporności na łuk elektryczny. Złożone układy izolacyjne (azbest, żywica nasycająca, włókno szklane są stosowane jako izolacja w maszynach elektrycznych i jako przegrody łukoodporne w aparatach elektrycznych. W ostatnich latach wykorzystanie azbestu jest ograniczone ze względu na jego działanie rakotwórcze. Najczęściej zastępowany jest włóknem szklanym.

Szkła

Szkła są to ciała o strukturze bezpostaciowej, otrzymane przez stopienie tlenków różnych metali z kwarcem (SiO₂), który stanowi składnik podstawowy szkieł. W celu obniżenia temperatury topnienia szkła dodaje się związki alkaliczne (najczęściej Na₂CO₃ lub KCl). Jednak szkła stosowane w elektrotechnice (zwłaszcza do wytwarzania włókna szklanego) zawierają mało związków alkalicznych (do 0,8%), ponieważ w obecności wilgoci obniżają rezystywność i wytrzymałość elektryczną szkła.

W zależności od rodzaju i domieszek tlenkowych uzyskuje się bardzo wiele rodzajów szkieł o zróżnicowanych właściwościach. Rezystywność szkieł może zmieniać się od 10⁸ do 10²⁰ Ωcm, przenikalność elektryczna od 3,6 do 16,5 (szkła ołowiowe), tg δ od 10 ^-4 do 0,1, a wytrzymałość elektryczna od kilkuset do ok. 1000 kV/cm.

W elektrotechnice szkła stosuje się głównie do wyrobu: izolatorów, baniek różnego rodzaju lamp oraz włókien szklanych. Do wyrobu izolatorów elektroenergetycznych i teletechnicznych używa się najczęściej szkła sodowo-wapiennego lub droższego boro-krzemowego.

Szkło boro-krzemowe.

55 % SiO₂, 15 % Al₂O₃, 17 % CaO, 4,5% MgO, 8,5% B₂O₃

ε_w - 4, tg δ - 0,003, K_v - 300 kV/cm, t_p - 600 ^oC (odporność na gwałtowne zmiany temperatury 200...250 ^oC)

Do produkcji włókien szklanych używa się szkieł o minimalne zawartości związków alkalicznych i stosunkowo niedużej zawartości kwarcu (ok. 54,5 %). Pojedyncze włókna szklane mają średnice rzędu 0,005 m. Z nich skręcane są nici, które są stosowane do wyrobu taśm i tkanin. Tego rodzaju wyroby stanowią jeden z najczęściej stosowanych napełniaczy tworzyw sztucznych.

Materiały ceramiczne

Materiały ceramiczne są wytwarzane z surowców nieorganicznych (głównymi składnikami są tlenki SiO₂ i Al₂O₃). Nie zachodzą więc w ceramice procesy utleniania i stąd jej duża odporność na nagrzewanie i praktycznie nieograniczona trwałość. Materiały ceramiczne są wytwarzane poprzez wypalanie. Po wypaleniu są trudnoobrabialne (szlifowanie). Do zalet materiałów ceramicznych należą:

• duża odporność na wpływy atmosferyczne i chemiczne

• odporność na działanie podwyższonych temperatur

• dobre własności elektryczne

• odporność na procesy starzeniowe

• łatwo dostępne i tanie surowce

Podobnie jak w przypadku szkieł właściwości materiałów ceramicznych mogą w zależności od składu chemicznego i struktury zmieniać się w dosyć szerokim zakresie. Rezystywność skrośna materiałów ceramicznych zależy głównie od ich składu chemicznego i zawiera się w granicach 10¹¹...10¹⁶ Ωcm. Na wytrzymałość elektryczną decydujący wpływ ma mikrostruktura materiału, a zwłaszcza kształt i rodzaj występujących w nim porów. Szczególnie niekorzystny jest wpływ porów otwartych, które powodują znaczną nasiąkliwość materiału, pogarszając wszystkie właściwości elektroizolacyjne. Wytrzymałość elektryczna materiałów ceramicznych zawiera się zazwyczaj w granicach 100...400 kV/cm. Jednak wytrzymałość elektryczna materiałów ceramicznych maleje, niekiedy znacznie, wraz ze wzrostem temperatury, co ogranicza zakres temperatura, w których można stosować dany materiał. Przykładowo porcelana elektrotechniczna może pracować jako element konstrukcyjny do 400 ^oC, ale nie zaleca się stosowania jej jako izolacji elektrycznej w temperaturach wyższych niż 100 ^oC. Przenikalność elektryczna materiałów ceramicznych, w zależności od składu, może zmieniać się w bardzo szerokich granicach od ok. 4 do kilku tysięcy (ferroelektryki). Nadto, dla większości materiałów ceramicznych stosunkowo niewielki jest wpływ częstotliwości na ich przenikalność elektryczną. Tgδ materiałów ceramicznych wynosi ok. 10^-2...10^-3. Wzrost temperatury powoduje zwiększenie tgδ.

Wybrane przykłady materiałów ceramicznych

Porcelana elektrotechniczna zawiera ok. 50 % kaolinu (Al₂O₃*3SiO₂*2H₂O), a także po ok. 25% kwarcu (SiO₂) i skalenia (K₂O*Al₂O₃*6SiO₂). Zwiększenie zawartości skalenia poprawia właściwości elektryczne porcelany, zwiększenie zawartości kwarcu poprawia jej właściwości mechaniczne, natomiast wzrost zawartości kaolinu poprawia właściwości cieplne. Porcelana elektrotechniczna służy do wyrobu izolatorów liniowych wysokiego i niskiego napięcia, a także do produkcji różnego rodzaju elementów izolacyjnych osprzętu instalacyjnego, np. korpusy i główki bezpieczników, oprawki żarówek itp. Wadą porcelany elektrotechnicznej jest znaczny skurcz po wypaleniu, uniemożliwiający wykonanie elementów izolacyjnych o dokładnie kontrolowanych wymiarach. Dopuszczalna tolerancja wymiarów izolatorów porcelanowych zawiera się w granicach 3...10%.

Ceramika steatytowa. Zaletą tego materiału jest powtarzalny skurcz po wypaleniu co umożliwia dokładniejszą kontrolę wymiarów gotowych elementów. Głównym składnikiem tego materiału jest talk (krzemian magnezu). Ceramika steatytowa jest stosowana do wytwarzania elementów izolacyjno-konstrukcyjnych, pracujących w podwyższonej temperaturze oraz dużych wymaganiach odnośnie zachowania wymiarów. Stosowana jest m.in. na izolatory wysokiego napięcia do urządzeń radiowych.

Ceramika tytanowa. Obejmuje grupę materiałów zawierających tlenki tytanu. Charakteryzuje się znacznymi wartościami przenikalności elektrycznej względnej (od 30 do 160). Materiały tego rodzaju stosowane są do wytwarzania miniaturowych kondensatorów.

Ceramika radiotechniczna. Grupa materiałów ceramicznych o małych stratnościach dielektrycznych (tgδ od 0,003 do 0,0006 przy 20^oC i 1 MHz). Ceramiki tego rodzaju stosowane są w urządzeniach wysokiej częstotliwości.

Ceramika na bazie tytanianu baru (BaO*TiO₂) posiada właściwości ferroelektryczne. Posiada przenikalności elektryczne rzędu kilku tysięcy. Jest stosowana do wytwarzania elementów nieliniowych.

Ceramika szamotowa. Posiada wysokie dopuszczalne temperatury pracy, do 1000 ^oC, a niektóre odmiany do 1350 ^oC. Materiał ten jest stosowany przede wszystkim na elementy izolacyjno-konstrukcyjne elektrycznego sprzętu grzejnego.

Dielektryki stałe organiczne naturalne

Znaczenie tej grupy materiałów wydaje się być w ostatnim okresie coraz mniejsze. Są one stopniowo wypierane przez inne grupy materiałów elektroizolacyjnych, przede wszystkim tworzywa sztuczne.

Materiały celulozowe

Celuloza (C₆H₁₀O₅)_n jest związkiem wielkocząsteczkowym o budowie łańcuchowej. Z celulozy wytwarzane są różnego rodzaju papiery elektrotechniczne. Papier izolacyjny powinien być wykonany z celulozy świerkowej lub sosnowej, przerobionej przy wykorzystaniu procesu zasadowego (masa drzewna gotowana jest w roztworze wodorotlenku sodu NaOH i siarczku sodu Na₂S) i mielenia masy "na chudo" (włókna celulozy nie są nadmiernie rozdrobnione). Taka technologia daje pewność dużej wytrzymałości mechanicznej papieru oraz dobrych właściwości elektroizolacyjnych. Nie bez znaczenia jest dobra nasiąkliwość tak otrzymanego produktu. Papierów elektroizolacyjnych nie bieli się (mają one żółtawą barwę), ze względu na obecność chloru w stosowanych czynnikach bielących, którego pozostałości pogorszyłyby właściwości mechaniczne i izolacyjne papieru. Wraz ze wzrostem gęstości papieru rośnie jego przenikalność elektryczna względna i tgδ (w temperaturze 20⁰C przenikalność elektryczna względna celulozy wynosi ok. 5,6 a tgδ powyżej 10^-3). Ponadto na stratność materiału silnie wpływają różnego rodzaju zanieczyszczenia. Z uwagi na zastosowanie rozróżnia się kilka rodzajów papierów elektrotechnicznych:

• papier kondensatorowy

• papier kablowy

• papier nawojowy

• papier do wyrobu materiałów warstwowych

Asfalty

Asfalty stanowią mieszaninę węglowodorów i różnego rodzaju składników dodatkowych (siarka, tlen, azot). Ich temperaturę mięknienia można regulować w szerokich granicach (30...140 ^oC). Służą do wytwarzania zalew kablowych, przeznaczonych do zalewania muf kablowych.

Tworzywa sztuczne.

Polimer - związek wielkocząsteczkowy, którego charakterystycznym elementem jest występowanie powtarzalnych ugrupowań atomów tzw. merów.

Tworzywa sztuczne to polimery oraz składniki dodatkowe nadające im wymagane właściwości użytkowe i przetwórcze.

Zalety tworzyw sztucznych:

- łatwość formowania przedmiotów o skomplikowanych kształtach w ostatecznej postaci;

- niewielka gęstość;

- korzystny stosunek wytrzymałości mechanicznej do gęstości;

- dobre własności mechaniczne i często doskonałe własności elektroizolacyjne;

- stosunkowo duża, a w wielu przypadkach bardzo duża odporność chemiczna;

- łatwość otrzymywania przedmiotów o estetycznym wyglądzie (barwa, połysk, określona faktura powierzchni);

- możliwość długotrwałego użytkowania wyrobów bez konieczności ich konserwacji.

Pod względem wytrzymałości mechanicznej tworzywa sztuczne ustępują metalom, ale można ją poprawić, wzmacniając tworzywa np. włóknem szklanym. Inną ich wadą, w porównaniu z metalami jest wielokrotnie większe pełzanie ( rosnące w czasie odkształcenie wywołane określonym stałym naprężeniem). Aby częściowo wyeliminować tą wadę stosuje się również napełniacze. Dodatkowym czynnikiem ograniczającym stosowanie tworzyw sztucznych jest niezadowalająca odporność cieplna. Dla większości tworzyw sztucznych dopuszczalna temperatura pracy ciągłej wynosi od 60
do 150
, a wyjątkowo osiąga wartość rzędu 200...300
i sporadycznie powyżej 300
. Dodatkowym ograniczeniem jest minimalna temperatura użytkowania, wynikająca z temperatury zeszklenia tworzyw. Poprawa własności cieplnych wymaga stosowania plastyfikatorów. Topnienie polimerów nie zachodzi w ściśle określonej temperaturze, ze względu na złożoną strukturę. Następstwem rozluźnienia najsłabszych wiązań jest mięknienie materiału. Temperatura, w której to następuje nosi nazwę temperatury mięknięcia. Temperaturą płynięcia materiału nazywana jest temperatura przejścia polimeru w stan plastyczny.

Rys. 1. Stany fizyczne polimerów i charakterystyczne temperatury przemiany.

- temperatura zeszklenia;
- temperatura mięknienia;
- temperatura płynięcia;
- temperatura rozkładu.

Stan szklisty - stan w jakim polimery znajdują się poniżej temperatury zeszklenia. Charakteryzuje się znaczną sprężystością materiałów tzn. pod wpływem obciążenia odkształcają się nieznacznie i prawie całkowicie sprężyście. Dla wielu polimerów stan szklisty jest jedynym w jakim one występują, przede wszystkim duroplasty.

Stan elastyczny - zawarty pomiędzy charakterystycznymi temperaturami zeszklenia i płynięcia materiału. W stanie elastycznym odkształcenie polimeru jest znaczne nawet przy niewielkich obciążeniach. Jest ono odwracalne, ale możne zanikać z pewnym opóźnieniem po ustaniu naprężenia. Dla wielu polimerów takich jak trwale usieciowane elastomery jest on ostatecznym stanem fizycznym, gdyż dalsze ich ogrzewanie prowadzi do ich termicznego rozkładu.

Stan plastyczny - odkształcenie pod wpływem działania sił wewnętrznych zachodzi bez wywoływania naprężeń i nie zanika po ustaniu działania siły. Dalsze podnoszenie temperatury wpływa początkowo na obniżenie lepkości polimeru, a następnie prowadzi termicznego rozkładu makrocząsteczek.

Elastomery - charakteryzujące się dobrą pamięcią kształtu tzn. nawet po znacznym odkształceniu powracają do pierwotnych kształtów i wymiarów, jeśli zostanie usunięta siła powodująca deformację (w pewnym zakresie temperatur).

Plastomery - charakteryzujące się nieznacznym odkształceniem pod niewielkim obciążeniem, a poddane wzrastającemu obciążeniu zaczynają odkształcać się plastycznie, aż do mechanicznego zniszczenia. Zależnie od właściwości technologicznych można je podzielić na termoplasty (tworzywa termoplastyczne) i duroplasty (tworzywa utwardzalne).

Tworzywa termoplastyczne - przechodzą każdorazowo w stan plastyczny pod wpływem ogrzania, natomiast po ochłodzeniu twardnieją. Termoplasty mogą być więc wielokrotnie kształtowane, a ich przetwórstwo w wysokiej temperaturze (poniżej temperatury rozkładu) nie prowadzi w wyraźny sposób do chemicznych i fizycznych zmian polimeru.

Duroplasty - tworzywa sztuczne, które w podwyższonej temperaturze lub pod wpływem innych czynników przekształcają się w produkt usieciowany (nietopliwy). W zależności od sposobu utwardzania dzielą się na tworzywa termoutwardzalne i chemoutwardzalne.

Składniki dodatkowe w tworzywach sztucznych:

1. Napełniacze i nośniki dodaje się do polimerów w celu otrzymania tworzywa o zmienionych własnościach (aktywne) lub obniżenia ceny gotowego wyrobu.

2. Stabilizatory są substancjami przeciwdziałającymi termicznemu rozkładowi polimeru w warunkach przetwórstwa oraz rozkładowi pod wpływem tlenu i promieni nadfioletowych w procesie użytkowania wyrobów z tworzywa.

3. Plastyfikatory ułatwiają przetwórstwo oraz modyfikują cieplne własności tworzywa.

4. Środki barwiące.

5. Antypireny.

6. Porofory.

7. Antystatyki.

8. Środki smarujące.

Termoplasty - wybrane przykłady

Polietylen (PE) - ε_r - 2,3...4,4, tgδ - 0,0001...0,0004, K_v - 16...50 kV/mm

Typowy zakres temperatur eksploatacji -70...80 ^oC. Duża rezystywność powierzchniowa, niehigroskopijny, odporny chemicznie ale wykazuje pewną skłonność do utleniania się w powietrzu. W związku z tym wymaga stosowania stabilizatorów. Tworzywo łatwopalne OI - 20. Nadto, opadające w czasie spalania krople płoną. Inną wadą polietylenu jest mała odporność na wyładowania niezupełne.

Odmiany HDPE (niskociśnieniowy), LDPE (wysokociśnieniowy) i XLPE lub PRC. (sieciowany). Polietylen HDPE posiada lepsze właściwości mechaniczne ale gorsze elektroizolacyjne. Może pracować w temperaturach do 105 ^oC. W zastosowaniach elektrotechnicznych stosowany jest polietylen wysokociśnieniowy. Podstawowe zastosowania polietylenu to izolacje kabli wysokich i średnich napięć oraz powłoki kablowe. Polietylen sieciowany ma podwyższoną odporność na wyładowania niezupełne. Rośnie również jego odporność cieplna nawet do 140 ^oC. Traci jednak swoje właściwości termoplastyczne. Stosowany m.in. do produkcji wyrobów termokurczliwych.

Polipropylen (PP) - ε_r - 2,0...2,2, tgδ - 0,0006...0,0008, K_v - 25...35 kV/mm

Może być użytkowany w temperaturach do 120 ^oC. Minimalna temperatura eksploatacji wynosi -35 ^oC, a w przypadku narażeń mechanicznych (uderzenia) -5 ^oC. Podobnie jak polietylen jest niehigroskopijny, ale wymaga stosowania stabilizatorów. Wskaźnik tlenowy OI - 20, a po dodaniu antypirenów 28. Styczność polipropylenu z miedzią przyśpiesza proces starzenia tworzywa (utlenianie). Ze względu na ograniczoną odporność mechaniczną w wysokich temperaturach może wymagać stosowania napełniaczy (talk, kreda, włókno szklane). Zastosowania podobne jak polietylenu, ale przeznaczony do pracy w wyższych temperaturach.

Polichlorek winylu (PVC, PCW) - ε_r - 5,0...9,0, tgδ - 0,08...0,15, K_v - 8...40 kV/mm

Jest to tworzywo odporne chemicznie i tanie. Posiada właściwości samogasnące (OI- 42). Wymaga stosowania stabilizatorów. Może być stosowany w zakresie temperatur -10...70 ^oC, a po dodaniu plastyfikatorów -25...90 ^oC (niektóre odmiany (-30...100 ^oC). W elektrotechnice stosowany jest głównie polichlorek winylu plastyfikowany (tzw. polichlorek winylu miękki). Jego podstawowe zastosowania to izolacje kabli niskich napięć, powłoki kabli, koszulki i taśmy izolacyjne.

Kontrola nasyconych uzwojeń

Przebieg procesu nasycania określa się poprzez ocenę wizualną, pomiarową i eksperymentalna. Prawidłowo nasycone uzwojenia mają połysk, na górnym i dolnym czole uzwojenia równomierną, gładką i twardą powłokę lakierową, bez zacieków i uszkodzeń.

Wizualna kontrola procesu nasycania:

• matowy wygląd wskazuje na niedostateczną ilość lakieru w uzwojeniu, na skutek dużego rozcieńczenia lakieru, bądź niedostateczną krotność nasycania;

• nierównomierności powierzchni świadczą o zbyt dużej lepkości lakieru lub o niedostatecznym obcieknięciu lakieru;

• pęcherze na powierzchni lakieru wskazują na zbyt szybki wzrost temperatury w suszarni (co skutkuje utwardzeniem zewnętrznej warstwy lakieru przed odparowaniem rozpuszczalnika) lub zbyt długim pobytem na powietrzu przed włożeniem do pieca

• kratery i złuszczenia na powierzchni lakieru wskazują na działanie par rozpuszczalników w źle wentylowanych suszarniach lub nadmierne utwardzenie poprzedniej warstwy lakieru, uniemożliwiający dobrą przyczepność kolejnej powłoki

H/m

Materiały elektroizolacyjne

lotne

ciekłe

stałe

gazy

naturalne

gazy

syntetyczne

oleje mineralne

oleje syntetyczne

nieorganiczne

organiczne

Materiały elektroizolacyjne

stałe organiczne

naturalne

syntetyczne

(tworzywa sztuczne)

plastomery

termoplasty

duroplasty

elastomery

---