Як низьковольтний ізолятор захищає електричне обладнання?

Діелектрична міцність та жорсткість матеріалу: фундаментальні механізми захисту ізолятора низької напруги

Як діелектрична міцність запобігає електричному пробою в умовах номінальної напруги низької напруги

Діелектрична міцність матеріалу, виміряна в кіловольтах на міліметр (кВ/мм), вказує, яке електричне поле може витримати ізолятор до повного пробою. Для кіл, що працюють при низьких напругах нижче 1 кВ, найкраще підходять матеріали з високими діелектричними властивостями. Кераміка зазвичай має діелектричну міцність у діапазоні від 12 до 20 кВ/мм, тоді як скловолоконні пластики — приблизно від 10 до 15 кВ/мм. Ці матеріали створюють надійний бар’єр проти електричних струмів, навіть у разі раптових спалахів напруги, що досягають близько 150 % від номінальних значень згідно з такими стандартами, як IEC 60664-1. Проте вологість становить справжню проблему: волога може знизити ефективність цих ізоляторів на 15–30 %, особливо в матеріалах з мікропорами. Саме тому інженери часто вказують композитні матеріали з герметизованою поверхнею для забезпечення надійної тривалої роботи. Коли ізоляція виходить з ладу через недостатній опір, виникає небезпечне явище — струмоведення (трекінг). Воно призводить до утворення вуглецевих слідів на поверхні матеріалу, які не зникають назавжди й поступово руйнують захисні властивості ізоляції з часом.

Чому механічна жорсткість забезпечує тривалу стабільність під час термічного циклювання та вібрації

Механічна жорсткість компонентів відіграє вирішальну роль у запобіганні поступовому зносу, спричиненому термічними напруженнями та вібраціями, які є основними чинниками виходу з ладу ізоляторів. Коли матеріали піддаються термічному циклюванню зі зміною температури понад 50 градусів Цельсія, вони багаторазово розширюються та стискаються, утворюючи мікротріщини, що поступово погіршують їхні електричні властивості. Жорсткі композитні матеріали, такі як мінералонаповнені епоксиди з коефіцієнтом теплового розширення менше 30 частин на мільйон на градус Цельсія, зазвичай зберігають розмірну стабільність і перешкоджають подальшому поширенню таких тріщин. Стійкість до вібрацій має таке саме значення, особливо для обладнання, що проходить випробування відповідно до стандартів, наприклад IEC 60068-2-6. У промислових середовищах часто спостерігаються вібрації в діапазоні від 5 до 200 герц, але жорсткі конструкції можуть витримувати прискорення до 10 G без згинання чи деформації, забезпечуючи безпечні відстані по поверхні ізоляції та загальну структурну міцність. Компоненти, виготовлені таким чином, зазвичай мають термін служби значно більший за 100 000 робочих циклів навіть у складних умовах, характерних для центрів керування двигунами на виробничих підприємствах.

Конструкція електричної ізоляції: контроль шляху витікання, повітряного зазору та витоку в низьковольтному ізоляторі

Оптимізація відстані шляху витікання для запобігання поверхневому пробою в умовах високої вологості або забруднення

Відстань по поверхні (відстань крипінгу) — це найкоротший шлях уздовж поверхні ізолятора, яким може проходити електричний струм. Цей параметр має велике значення для запобігання явищу поверхневого пробою в умовах підвищеної вологості або забрудненості. Коли сіль з прибережних зон змішується з пилом та хімічними речовинами, ці речовини утворюють на поверхнях провідні плівки. У надзвичайно вологих умовах це може суттєво збільшити витоки струму — іноді більш ніж на 60 %. Саме тому галузеві нормативні документи встановлюють певні мінімальні відстані по поверхні. Для звичайних умов зазвичай рекомендуються значення від 20 до 25 мм на кіловольт. Однак у районах зі значним забрудненням ці значення зростають до 31–40 мм на кіловольт. Виробники часто конструюють компоненти з ребристими або гофрованими поверхнями, щоб збільшити цю відстань і запобігти утворенню провідних «мостиків» забруднювачами. Деякі матеріали, наприклад силіконова гума, мають властивості, що сприяють відштовхуванню вологи, і тому є особливо придатними для низьковольтного обладнання, яке використовується на відкритому повітрі або в промислових умовах, де неминуче вплив негативних зовнішніх факторів.

Зазор між провідниками та відстань по поверхні: як обидва ці параметри спільно запобігають пробою та витоковим струмам

Терміни «відстань по повітрю» та «відстань по поверхні» описують дві різні, але взаємопов’язані заходи безпеки в електричних системах. Відстань по повітрю — це мінімальна відстань через повітря між провідними частинами, тоді як відстань по поверхні — це найкоротша відстань уздовж поверхні ізоляційного матеріалу. Ці відстані мають значення, оскільки відстань по повітрю запобігає проскакуванню іскр через проміжки під час стрибків напруги, а відстань по поверхні перешкоджає проходженню струму вздовж забруднених поверхонь, наприклад, покритих пилом або вологою. Розглянемо, наприклад, систему, що працює при напрузі 600 вольт. Якщо відстань по повітрю недостатня, негайно виникають небезпечні пробої. Недостатня відстань по поверхні призводить до ще гіршого наслідку: з часом повільно утворюються вуглецеві сліди, які врешті-решт формують провідний шлях. Більшість галузевих стандартів передбачає приблизно 5–8 міліметрів відстані по повітрю та близько 15 міліметрів відстані по поверхні на кожен кіловольт. Практичний досвід показує, що правильне встановлення обох цих параметрів зменшує кількість коротких замикань приблизно на три чверті в умовах високої вологості. Саме такий комплексний підхід до захисту вирішально впливає на надійність ізоляції низької напруги в реальних умовах експлуатації.

Типи низьковольтних ізоляторів, спеціалізованих для певних застосувань, та їхні захисні функції

Низьковольтні ізолятори розроблені для точного використання в конкретних експлуатаційних середовищах з метою запобігання електричним відмовам. Різні типи ізоляторів вирішують унікальні завдання в різних галузях застосування, забезпечуючи надійний захист обладнання завдяки спеціалізованим конструкціям.

Стоячі ізолятори: ізоляція струмопровідних частин у комутаційному обладнанні та панелях керування

Ізолюючі відстанні елементи виступають фізичними бар’єрами між оголеними проводами та заземленими частинами в розподільних пристроях та панелях керування. Ці довгі керамічні або полімерні компоненти створюють необхідні повітряні проміжки, що запобігають небезпечним дуговим розрядам під час неочікуваних стрибків напруги. Більшість конструкцій ізолюючих відстанних елементів здатні витримувати температури до приблизно 120 °C без руйнування. Вони також запобігають небажаним витокам струму й залишаються стійкими навіть під впливом інтенсивних сил короткого замикання. Ця міцність має велике значення, оскільки вона забезпечує фіксацію провідників у заданому положенні навіть за наявності вібрацій або потужних магнітних імпульсів, які інакше могли б змістити їх із місця. Додаткова стабільність означає меншу ймовірність виникнення непередбачених контактів у тих перевантажених панелях керування, де простір є обмеженим.

Ізолюючі елементи шин у сонячних комбінаційних коробках: запобігання частковим розрядам та відмовам, спричиненим забрудненням

Ізолятори, що використовуються в сонячних комбінаційних коробках, повинні витримувати досить специфічні виклики, пов’язані з фотогальванічними системами. Подумайте, наприклад, про постійне ультрафіолетове опромінення, різкі температурні коливання між денним і нічним часом, а також про накопичення вологи під час утворення роси. Саме тому використовують спеціальні шинні ізолятори, виготовлені на замовлення, з гідрофобним силіконовим покриттям. Це покриття, по суті, відштовхує воду й перешкоджає прилипанню пилу, що сприяє збереженню високого електричного опору навіть після тривалого перебування на відкритому повітрі. Конструкція самих ізоляторів теж цікава: ребра на їхній поверхні збільшують шлях витікання струму приблизно на 40 % порівняно зі звичайними гладкими конструкціями. Цей додатковий простір між провідними частинами значно ускладнює виникнення часткових розрядів — явища, що згодом може призвести до серйозніших проблем. Коли постійний струм (DC) провідники правильно інкапсульовані, вони не утворюють тих неприємних шляхів витоку, які виникають через росу. Польові дослідження показують, що близько 23 % відмов комбінаційних коробок саме й пов’язані з цим типом проблеми. Щодо метрик продуктивності: ці спеціалізовані ізолятори зберігають свій опір ізоляції на рівні значно вищому за 1000 мегаом навіть після багаторазових циклів нагріву й охолодження.

Режими відмов та їх вплив на надійність обладнання

Розуміння режимів відмов у низьковольтних ізоляторах є обов’язковим для забезпечення надійності електричних систем. Поширені проблеми включають:

• Поверхневе просликування , спричинене вологістю або забрудненнями, створює провідні карбонізовані шляхи, що дозволяють постійні витокові струми та поступову деградацію ізоляції
• Механічні тріщини , викликані термічним циклюванням або вібрацією, порушують структурну цілісність та прискорюють пробій діелектрика
• Часткова розряд , що виникають у порожнинах або на межах розділу матеріалів, призводять до ерозії матеріалу на мікроскопічному рівні через повторювані локалізовані дугові розряди

Коли ці механізми випадають з ладу, то всі обладнання, що знаходиться нижче по течії, піддається небезпеці короткого повороту, небезпечної дуги і навіть пожежі, що загрожує робочим і повністю порушує роботу. Якщо ізолятори починають руйнуватися, і ніхто не помічає, проблеми поширюються по всій системі, що призводить до несподіваних припиненням роботи і дорогоцінних ремонтів. Згідно з справаздачами промисловості, близько 35% або більше проблем з комутаторними приладами на заводах виникають через проблеми з ізоляцією. Тому так важливо вибирати правильні ізолятори. Шукайте такі, які відповідають типу середовища, в якому вони будуть працювати, рівня забруднення, температурних екстремних температур, коли є вібрації тощо.