Szigetelőanyagok A szigetelőanyagok szerepe, hogy az áram útját elhatárolják. Ha az áram útja el van határolva, csak az előírt helyen tud folyni. Ezzel elérhető, hogy a különböző vezetők egymástól és a külvilágtól is jól definiáltan el legyenek választva. Ez biztonsági szempontból is fontos (érintésvédelem). Tökéletes szigetelőanyag nincs, minden szigetelőanyag vezeti az elektromos áramot, csak éppen nagyon kis mértékben. A szigetelőanyagok néhány minősítő jellemzője: átütési szilárdság szigetelési ellenállás dielektromos veszteség mechanikai szilárdság hőállóság kémiai stabilitás időbeli minőségváltozások (öregedés) Halmazállapot szerinti felosztás: szilárd folyékony légnemű Szilárd szigetelők: Jellemző tulajdonságok: Jól mérhető vezetőképesség, amely a hőmérséklet növekedtével és az idő múltával nő. Villamos utóhatás: ha átpolarizálódik az anyag teljes terjedelmében, az a kondenzátorokban jó, de ha vezetőket szigetelünk, akár veszélyes is lehet Dielektromos jellemzők: relatív permittivitás veszteségi tényező (tgδ) Villamos átütés: erőtér hatására ütközési ionizáció miatt egy vezető rész alakul ki, és bekövetkezik az átütés, illetve a másik lehetőség, hogy melegedés miatt a szigetelés a legrosszabb állapotú helyen leolvad. A kettő kombinálódhat is. Az idő előrehaladtával, illetve nedves közegben sokkal hamarabb következik be. Nagy részük műanyag, amelyet később tárgyalunk. A többi: Porcelán: Kaolin + földpát + kvarc + szódás máz a nedvszívás elkerülésére. Nagyon jó szigetelési mutatók, kiváló átütési értékek miatt az erősáramú technikában alkalmazzák. Hátrány, hogy a kész kerámiát már nem lehet megmunkálni. Vagy formába öntik, vagy korongozási eljárással készítik, majd kiégetik. Nagy szilárdság. Szteatit Gyengébb elektromos paraméterek, de sokkal magasabb mechanikai mutatók, sokkal nagyobb külső erőhatást is elviselnek. Nagyfrekvenciás vesztesége viszonylag kicsi, ezért és mechanikai tulajdonságai miatt TV és rádió adótornyok alapszigetelése készül belőle.
Különleges kerámiaanyagok: kis tgδ, közepes permittivitás: (Elizolit, Frekventa, Calit) kis tgδ, nagy permittivitás: (Megadim, Kerafa, Condensa, stb.) Gyengébb villamos tulajdonságok, de hőváltozást jól bírják (fűtőtest szigetelés) Üveg: Nagyon jó szigetelő, gyengeáramú technikában tömör formában, nagyteljesítményű berendezésekben, erősáramú technikában üvegszövet. Nagy előnye, hogy a minősége jól ellenőrizhető, akár automatizáltan (átlátszó) Csillám: Szilákátásványok, nagyon vékonyra hasíthatók, nagyon rugalmasak. Jó NF tulaqjdonságok, illetve hőállósági paraméterek. A különböző célokra specializált változatok: muszkovit (NF felhasználás) flogopit (hőnek kitett helyeken) mikanit mikapapír (a fenti pora papírra ragasztva) mikavászon mikaflex (üvegporral kombinálva) Hosszú ideig tartó hőnek kitett felhasználási területeken hátránya, hogy rugalmatlanná válik, lemezesen törik. Azbeszt: (A azbeszt a szálat képezõ ásványi anyagok gyûjtõ neve. Sziliciumból, oxigénbõl, hidrogénbõl és kationból állnak. A kation általában nátrium, magnézium, kalcium, vagy vas. Általános jellemzõjük, hogy a szálvastagság 0.1 um körüli) Rendkívül jó hőállóság, akár 1500 fokig. Nagy hátránya, hogy a szálak a szövetből kiválva a levegőben szállnak és az emberi légzőrendszerbe kerülve rákos betegséget okoz. (hivatalosan tilos az alkalmazása, jelenleg sok helyen mentesítik) Természetes gyanták: Rendezetlen mikroszerkezet, mindig hőre lágyulnak, jellemző, hogy jól oldódnak. Könnyű vékony réteget csinálni belőlük, képlékeny állapotukban jól nedvesítik a felületet. Vegyi behatásokkal szemben szinte semlegesek. Papír Minősége a gyártási eljárástól, illetve az alapanyagok minőségétől függ.a szigetelőpapírokkal szemben támasztják a legmagasabb követelményeket. Elektromos célra kevés telítő és enyvezőanyagot használnak hozzá, ezzel a papír homogén tulajdonságokat mutat, illetve megőrzi nedvszívő képességét. Ez azért jó, mert folyékony szigetelőkkel kombinálva nagyon jó szigetelést lehet készíteni. (olaj) Folyékony szigetelőanyagok: Az elektromos iparban leggyakrabban olajt használnak. Minőségét a tisztasága jellemzi. A problémát mindig idegen anyag okozza. Szilárd szennyezés kizárva, folyékonyra is vigyázni kell, de a
legnagyobb gondot a különböző gázbuborékok jelentik, amelyekben a vezetés sokkal jobb, mint az olajban. Az olaj előnyei: kb. 125kV átütési szilárdság (nagyon magas) relatív permittivitása a szilárd szigetelők fele Mivel folyékony, az esetleges vezetési helyeken (átütés) a szigetelés a jelenség lejátszódása után helyreáll majdnem az előző szintre (átütés miatt szilárd összetevők keletkeznek rosszabb mutatókkal) Nagyfeszültségű kapcsolókban, szakaszolókban segít kioltani az ívet Hőhatás esetén is szabadon áramolva elvezeti a hőt, tehát hűt is a szigetelés mellett. És hátrányai: nagyon nagy tisztaságban kell gyártani és tartani, drámaian romlanak a tulajdonságai a szennyezéstől. Nagy hőhatásra bomlásnak indul, ettől is nagyon romlanak a tulajdonságai Tűz és robbanásveszélyes, a gőzképződést ki kell zárni Szigetelésre kizárólag természetes ásványolajt szoktak használni. Tárolására jellemző, hogy csak hermetikusan lezárt fémhordókban lehetséges. (a fa átereszti a légnemű anyagokat) Felhasználás előtt és időközönként használat közben is tisztítani kell, szűrik, hőkezelésnek vetik alá, a legkorszerűbb eljárás pedig a centrifugálás. (kicsapódik a szennyeződés, középen marad a tiszta olaj) Nem olaj szigetelőanyagok: Se nem folyékonyak, se nem szilárdak az ún. kiöntőanyagok. Ezek üzemi hőmérsékleten képlékenyek, az olajhoz hasonlóan ezek is kitöltik a réseket. Erősáramú berendezésekben káros hézagok kitöltésére illetve folyékony és légnemű szennyezések kizárására alkalmazzák ezeket. Aszfalt (gyakran fenyőgyantával és egyéb anyagokkal keverve) viaszféleségek (állati a méhviasz, ásványi eredetű az olajfinomítás folyamán melléktermékként képződő parafin) Hátrányuk, hogy nagy zsugorodásuk, a térfogatváltozással számolni kell. LÉGNEMŰ SZIGETELŐANYAGOK Jellemző, hogy nagyon jó szigetelők, magas fajlagos ellenállással rendelkeznek. Erősáramú technikában kézenfekvősége miatt is gyakran alkalmazzák (ún. szabadvezetékek, nincs külön burkolat, a szigetelést a levegő biztosítja) Minden gázban vannak szabad ionok és elektronok, amelyek megfelelő külső térerő hatására lavinaszerűen vezetőhídat képesek kialakítani, ez az átütés. Általánosan jellemző, hogy minél tisztább egy gáz, minél kevesebb benne a (szilárd) szennyezőanyag, annál magasabb az átütési szilárdsága. További befolyásoló tényezők: elektródák távolsága: minél közelebb van, annál kevesebb szennyezés kerülhet a kritikus helyre elektródák görbületi sugara: minél kisebb a sugár, annál kevesebb a valószínű átütési útvonal a terhelés időtartama: az elektromos ív kialakulásához, a gáz ionizálásához idő is kell
A leggyakoribb légnemű szigetelő természetesen a levegő, egyben ez a legolcsóbb is. Átütési szilárdsága a hőmérséklet növekedtével csökken, de a nyomás növelésével javítható. Legnagyobb probléma itt is a szálló por és egyéb más szilárd szennyezések. Tiszta hidrogént is szoktak alkalmazni, előnyei: kisebb sűrűsége következtében nem szivárog annyira nagyon jó hővezető (hűtés) az oxigén nincs jelen, tehát ha mégis ívjelenség lép fel, az nem okozhat tűzesetet hátrányai: nagyon drága a tisztán tartása (tömítettség karbantartása) 30 MVA teljesítmény alatt nem is gazdaságos a felhasználása rendkívül robbanásveszélyes, ha levegővel találkozik (ezért még fontosabb a szigetelése) MŰANYAGOK Minden rövidebb láncolatú (kis)molekulából mesterségesen előállított óriásmolekulájú anyagot így nevezünk. Közös jellemzőjük, hogy a természetben véletlenül se fordulnak elő, és a legspeciálisabb tulajdonságokkal rendelkeznek. Mivel a műanyagokat eleve valamilyen tulajdonság elérésére kezdték gyártani, a villamosipar minden területére is jutott belőlük, mindig van valamilyen műanyag, amit lehet alkalmazni az adott helyen. Szempontok lehetnek: vegyi hatásokkal szembeni ellenállás kopástűrés mechanikai szilárdság villamos szigetelés hőszigetelés Felosztás alapanyag szerint: 1 természetes alapú: szénhidrát alapú (különböző cellulózok) fehérje alapú: kazein tejből kaucsuk alapú (gumi) 2 mesterséges alapú: Három eljárással szokás az óriásmolekulát kialakítani: polimerizáció: melléktermék nélkül készül, ilyen a PE, PP, PVC, PS polikondenzáció: katalizátor anyag hatására lépnek kölcsönhatásba a kiindulási vegyületek, melléktermék leggyakrabban a víz, ilyen a PA poliamid, PC karbonát, PI imid poliaddíció: hozzáadott átrendeződésre hajlamos, ún. funkciós csoportok segítségével alakítják ki őket, ilyen a PU (poliuretán), a különböző epoxigyanták és szilikonok A villamos iparban főként szigetelőként jellemzően a mesterséges alapú műanyagokat alkalmazzák.
PS (polisztirol): Színtelen átlátszó műanyagtípus, készülhet lemez, cső, vagy fólia formájában is. Ez utóbbi változat kiváltja a régi ólomszigetelést kábeleknél. Jó dielektrikum, STIROFLEX kondik fóliaanyaga. sav/lúgálló 70 fokon olvad meg, ezért nagy hőnek kitett helyeken nem alkalmazható Akrilgyanta (Plexi) üveg helyett, mert könnyű, olcsó hátránya, hogy mechaniikai behatásoknak nem áll ellen, karcolódik és törik Szilikonok: Jól ellenállnak a hő és vegyi behatásoknak. szilikonolaj: nem old más műanyagokat, kis fordulatszámú helyeken kiváló kenőanyag, jók a villamos tulajdonságai is, ezt is használják dielektrikumként szilikongyanta: ez nem folyékony, de kiöntőanyagként, illetve ragasztásra alkalmazható, és vízhatlanság érhető el vele (impregnálás) szilikonkaucsuk: szélsőséges hőfokingadozásoknak is jól ellenáll károsodás nélkül, ezért főleg hőnek kitett helyeken alkalmazzák tömítésként Bakelitek Kiindulási alap fenol és formaldehid. hőre keményedő kémiailag indifferens, nem reagál szinte semmivel nagyon kemény szigetelési ellenállása nagy Poliamidok: Széles kör, három fontosabb anyag: PVC (kemény és lágy, kiváló szigetelő, de öregszik) PTFE: NF alkalmazások szigetelője, a vegyiparban is használják, mert nem reagál PE az egyik leggyakoribb és ezért egyik legolcsóbb műanyag MŰANYAGOK (FÉL)KÉSZTERMÉKEK ELŐÁLLÍTÁSA A leggyakoribb eljárás a fröccsöntés: Ennek keretében a felforrósított olvadt műanyag masszát a hideg formába préselik, aztán hagyják lehűlni, végül lefejtik a formát róla. A betöltés előtt szokás szilikonolajjal beszórni a felületeket a későbbi elválasztás megkönnyítésére. Hőre keményedő műanyagokat is készítenek fröccsöntéssel. Ezeket granulátum, vagy még kisebb szemcse (por) formájában nagyon nagy nyomással az előmelegített formába sajtolják majd kötési hőmérsékletig hevítik.
Fröccsöntéssel késztermékek illetve félkész termékek is készülnek. A fröccsöntés egy formája az extrudálás. Ez tulajdonképpen folyamatos fröccsöntés, az egyik oldalon töltik be a képlékeny anyagot, míg másik oldalon húzzák ki a kész szálat folyamatosan. A termék lehet rúd, cső, de akár fólia, de bármilyen profilú szelvényárú is. A fóliagyártás legelterjedtebb módszere a kalanderezés. Ebben az esetben több egymást követő fűtött hengersoron vezetik át a hőre lágyuló műanyagot. Az eredmény extrém vékony lemezek, fóliák gyárthatók. MŰANYAGOK MEGMUNKÁLÁSA Alapvetően a fémekhez hasonló a felosztás. Megkötésekkel ugyan, de szinte minden eljárás, ami a fémeknél előfordul, itt is. forgácsmentes forgácsoló alakítás Forgácsmentes eljárás a mélyhúzás: A kiindulási alap valamilyen hőre lágyuló műanyag lemeze, esetleg fóliája. Kis hőbevitellel és ezzel párhuzamosan a bélyeg lassú mozgatásával lehet elérni a kívánt formát. Figyelembe kell venni, hogy a felhasznált műanyagok mechanikai jellemzői általában elmaradnak a fémekétől. Hasonló eljárás a vákuumformázás: Az előbbiektől csak abban különbözik, hogy hiányzik a nyomóbélyeg, és vákuum húzza be a formába a műanyagot. Szokták a műanyagot hegeszteni is: A leggyakrabban a két összeillesztendő felületet előmelegítik és a jóval forróbbra hevített présszerszámmal hirtelen nagy nyomással öszepréselik őket. Lehet pálcával is hegeszteni, de mivel a műanyagok nem nagyon vezetik az áramot, a helyi hőmérséklettöbbletet forró levegő befújásával érik el. Határterület a lángszórás: Ennek keretében a műanyagbevonattal ellátni szándékozott előmelegített fémfelületre nyílt lángon keresztül hőre lágyuló műanyag porát fújják. A lehűlés után így kialakul egy hibátlan (korrózió)védő réteg. Műanyagok forgácsolása: A legszembetűnőbb és legfontosabb különbség a fémek forgácsolásához képest, hogy a műanyagok nagyon rossz hővezetők. Így fokozottan kell ügyelni a megmunkálási terület hűtésére. Ez pedig csak levegő befújásával lehetséges, mert a szokásos hűtőanyagokkal a legtöbb műanyag hajlamos átalakulni. Fúrás: Általánosan nagy vágási sebesség (fordulatszám) és kis előtolás ajánlott. Utóbbi az ún. kúpos furat elkerülésére (lyukasztás). Mivel a forgács sokkal kisebb keresztmetszetű, mint akár az anyag, akár a
szerszám, az melegszik a legjobban. Hogy ne ragadjon bele a munkaterületbe, illetve annak szélén ne csapódjon ki és rakódjon le, a hűtéssel együtt meg kell oldani a forgács eltávolítását is. Hőre keményedő műanyagok máshogy működnek, ott szokás nagy menetemelkedésű fúrószárat alkalmazni. Nagyobb vastagságnál és furatátmérőnél mindkét típusnál erősen ajánlott kisebb fúrószárral előfúrni. Esztergálás: A kés hajlamos összenyomni a munkadarabot, így a pontos mérettartás nehezen megvalósítható. A megoldás, hogy szendvicsszerűen két vaslemez közé kell beszorítani a műanyag munkadarabot, amelyek így mechanikai tartást adnak annak. Marás, üregelés: A fúrásnál említett paraméterek érvényesek, illetve még annyi, hogy a szerszámmal ellentétes oldalon acéllemezzel meg kell támasztani a munkadarabot a szakadások, illetve többrétegű, vagy kompozit műanyagoknál a rétegek vagy összetevők szétválása ellen. Fűrészelés: Általánosan (anyagtól is függ) 25mm vastagságig szoktak körfűrészt alkalmazni, de abból is speciális fajtát. A korong anyaga a középpont felé vékonyodik, akár 10 százalékkal. A korong fogait nem hajtják ki, mint a famegmunkálásnál. A hűtés itt is fontos, és az is, hogy a munkadarab az asztalon pontosan felfeküdjön. 25mm es vastagság felett szalagfűrészt használnak, többrétegű műanyagoknál ha lehetséges ügyelni kell a rétegezettség irányára. Menetfúrás: Az előfúrás történhet kisebb fúrószárral is, vagy akár egylépéses menetfúrás is alkalmazható. A többrétegű műanyagoknál ügyelni kell, hogy a menetfúrás ne feszítse szét a rétegeket, ezt az irány megválasztásával lehet kiküszöbölni. Töltő és vázanyagok: A vázanyagok feladata mindig a mechanikai szilárdság biztosítása, ez viseli a kompozitban a terhet. Gyártáskor ügyelni kell rá, hogy minél inkább egységet alkosson a két (vagy több) anyag, vagyis a határfelületeken meg kell oldani a megfelelő kötést. (ragasztás, zsugorodási tulajdonságok megválasztása, préselés) Néhány vázanyag: papír (papírbakelit nyák) textilia (textilbakelit) azbeszt (már nem) csillám üvegszövet (nyák) A töltőanyagok szerepe egészen más. Itt a mennyiség növelése a cél kompromisszumokkal. Vagyis olcsó, sok esetben hulladékanyagokkal elegyítjük a műanyagot még olvadt formájában, ezzel térfogatot, tömeget növelünk. Sokszor alapszik erre az elvre a műanyagok újrafelhasználása is. A mechanikai, illet más tulajdonságok minél kevésbé essenek áldozatul a költségek lefaragásának. Néhány töltőanyag: faliszt
grafit korom méretre darált műanyaghulladék Műanyagok főbb felhasználási területei a villamosiparban: vezetékszigetelés készülékburkolat dielektrikum erősáramú szigetelések alkatrésztokozás NYHL