I Materiały izolacyjne - publikacja w Napędy i Sterowanie

Materiał elektroizolacyjny
Niepozorny komponent, a jaki niezbędny

Na co dzień spotykamy się z urządzeniami elektrycznymi. Zdecydowana większość z nich nie mogłaby działać bez izolacji elektrycznej. Począwszy od wielkich generatorów w elektrowniach i transformatorach na rozdzielniach, kończąc na małych silnikach AGD i urządzeniach elektrotechnicznych.

Temat izolacji jest bardzo rozległy i trudno byłoby na kilku stronach ogarnąć temat, więc zawęzimy go do izolacji w maszynach elektrycznych (silnikach, generatorach, transformatorach), gdzie głównie stosuje się laminaty (kompozyty).
Generalnie izolacje elektryczną z punktu widzenia napięcia prądu można podzielić na wysokonapięciową i niskonapięciową. Granica nie jest ściśle określona i zależy od rodzaju maszyny, ale przyjmuje się że niskie napięcie kończy się na 1,5kV. Inny podział stosują producenci ze względu na zastosowanie izolacji. Mianowicie izolacja może być sztywna lub giętka.
Istotnym parametrem z punktu izolacji jest klasa ciepłoodporności, będąca jednocześnie jednym z parametrów maszyny elektrycznej.

Izolacje elektryczne sztywne
Izolacjami sztywnymi w maszynach elektrycznych są głównie laminaty, ale wykorzystuje się także sklejki, drewno, gruby preszpan, a także inne tworzywa sztuczne.
Tab.1 Klasyfikacja ciepłoodporności laminatów sztywnych i typy wg ozn. producenta „IZO-ERG” S.A.
Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej Klasa ciepłoodporności
 
Izolacja sztywna
1050C A Preszpan, sklejka
1200C E Laminat papierowo-fenolowy PCF , bawełniano-fenolowy TCF
1300C B Laminat szklano-fenolowy TSF , szklano-epoksydowy TSE-2,
szklano-melaminowy TSM , bawełniano-melaminowy TCM
1550C F Laminat szklano-epoksydowy TSE-3 , TSE-5 , TSE-9
1800C H Laminat szklano-epoksydowy TSE-6 (TSE180) , szklano-silikonowy TSS
2000C 200 Laminat szklano-epoksydowy TSE-7 (TSE200)
2200C 220 Laminat szklano-epoksydowy TSE-8 (TSE220)
W maszynach wirujących głównie stosuje się laminaty, jako elementy klinowania cewek ,drutów, profili w silnikach i generatorach, oraz elementy konstrukcyjne na czołach silników i przyłącza.
W transformatorach są to głównie elementy, konstrukcyjne podtrzymujące jarzmo transformatora, elementy konstrukcyjne tulei transformatorowych oraz liczne podkładki, przekładki separujące i osłaniające i dystanse. Elementy izolacji sterowania transformatora oraz przyłącza.

Co to takiego ten laminat (kompozyt)?. Wg definicji jest to trwałe połączenie dwóch materiałów o różnych właściwościach mechanicznych i technologicznych, nośnika i spoiwa.
Nośnikami mogą być:
- papiery – laminaty papierowo-fenolowe PCF,
- tkaniny bawełniane – laminaty bawełniano-fenolowe TCF, tekstolity
- tkaniny szklane lub maty szklane – laminaty szklano-epoksydowe TSE
Spoiwami w laminatach są żywice termoutwardzalne tzw. duroplastyczne, głównie epoksydowe, fenolowe i poliestrowe, ale także silikonowe i melaminowe, które po utwardzeniu cechują się przestrzenną strukturą cząsteczkowa (siecią).
Laminaty są produkowane w postaci płyt, rur, prętów, a także gotowych elementów wytwarzanych w formach.
 
 
Normalizacja europejska i amerykańska laminatów sztywnych
Podstawową polska normą opisująca typy i wymagania stawiane laminatom technicznym płytowym jest PN-EN-60893, a rurom PN-EN-61212, natomiast w dokumentacjach spotyka się jeszcze stare normy DIN 7735, popularna jest także zwłaszcza w dokumentacjach amerykańskich norma NEMA. Można pokusić się o wykonanie tabeli przejścia dla poszczególnych norm, ale należy pamiętać, że niejednokrotnie nie jest to dopasowanie dokładne, gdyż wymagania w poszczególnych normach różnią się sposobem badania.
 
Tab. 2 Przejścia normalizacyjne dla typów laminatów wg programu produkcji IZO-ERG S.A.
 
Laminaty papierowo-fenolowe PCF
- płyty
PN-EN-60893 PFCP202 PFCP201 PFCP203 PFCP204 PFCP205 EPCP201
DIN 7735 Hp2061.5 Hp2061 Hp2061.6 Hp2063 HP2062.9 Hp2361.1
NEMA XX X , XP XXXPC   FR-2 FR-3
IZO-ERG PCF-1 PCF-2 PCF-3     PCE
- rury - pręty  
PN-EN-61212 PFCP21 PFCP22 PFCP23 PFCP41  
DIN 7735 Hp2065 Hp2066 Hp2067 Hp2068  
NEMA X XX XXX    
Laminaty bawełniano-fenolowe TCF (tekstolit , rezotekst , tekstit)
 - płyty
PN-EN-60893 PFCC202 PFCC201 PFCC203 PFCC204 PFCC305 MFCC201
DIN 7735 Hgw2082.5 Hgw2082 Hgw2083 Hgw2083.5   Hgw2282.5
NEMA CE C L LE    
IZO-ERG TCF-1 TCF-2 , 5 TCF-4     TCM
- rury                                                             - pręty  
PN-EN-61212 PFCC21 PFCC22 PFCC41 PFCC42  
DIN 7735 Hgw2086 Hgw2085   Hgw2088  
NEMA LE C   C  
 
Laminaty szklano-epoksydowe TSE
- płyty
PN-EN-60893 EPGC201 EPGC203 EPGC202 EPGC204 EPGC306 EPGC308 EPGC205  
DIN 7735 Hgw2372 Hgw2372.4 Hgw2372.1 Hgw2372.2        
NEMA G-10 G-11 FR-4 FR-5        
IZO-ERG TSE-2 TSE-3 TSE-5/130 TSE-5/155   TSE-6 TSE-9 TSE-7 , 8
- rury  
PN-EN-61212 EPGC21 EPGC22 EPGC23          
DIN 7735 Hgw2375 Hgw2375.4            
NEMA G-10 G-11 FR-4 FR-5        
IZO-ERG TSE130 TSE155   TSET155 TSE180 TSE200 TSE220  
- pręty  
PN-EN-61212 EPGC41 EPGC42 EPGC43        
DIN 7735              
NEMA G-10 G-11 FR-4        
IZO-ERG TSE130 TSE155   TSE180 TSE-7 TSE-8  

W zależności od wymagań konstrukcji maszyny elektrycznej izolacja może mieć dodatkowe właściwości, jak niepalność, podwyższoną odporność na łuk elektryczny i prądy pełzające, podwyższony współczynnik przenikalności cieplnej.
Izolację sztywną stosuje się przeważnie w dużych maszynach elektrycznych. W generatorach energetycznych może być do kilku ton laminatów.

Izolacje elektryczne giętkie (w tym mikowe)
Najczęściej izolację taką stanowią laminaty, ale spotyka się tez folię poliestrową, papier izolacyjny oraz papier aramidowy NOMEX® produkowany przez DuPont™.
Laminaty giętkie powstają zupełnie inaczej niż sztywne i inna jest ich budowa. Laminaty twarde miały w całym przekroju poprzecznym jednakową budowę i powstawały w wyniku prasowania takich samych warstw, a w laminatach giętkich można wyróżnić warstwy funkcyjne. Ich konstrukcja opiera się w większości typów na folii poliestrowej jako na głównym nośniku właściwości dielektrycznych i mechanicznych. Produkowane są poprzez sklejenie poszczególnych warstw na maszynach laminujących.
Wyraźnie też można rozróżnić grupy laminatów giętkich do zastosowań wysokonapięciowych i niskonapięciowych. Laminaty giętkie  wysokonapięciowe (potocznie nazywane taśmami mikowymi) zawierają w jednej ze swoich warstw papier mikowy.  

  Tab.3 Klasyfikacja ciepłoodporności laminatów giętkich i typy wg ozn. producenta „IZO-ERG” S.A.
Dopuszczalna temperatura pracy ciągłej Klasa ciepłoodporności
 
Izolacja giętka (także z miką)
1050C A Papier izolacyjny
1200C E Tereszpan jednostronny
1300C B folia poliestrowa np. Ergopet
Tereszpan dwustronny
1550C F NEN jednostronny  ,
Ergofol (tzw. DMD) ,Szkłoflex ,
Epoksterm 3, 6, 8, 9H, 11, 12  Ergoterm 1, 2
1800C H NEN dwustronny
NKN , NK , NSN
Epoksterm 4H, Epoksterm 11H , ERGOPOR
2000C i wyżej 200/220 Nomex® , folia PI, NKGM, ERGOPOR
 

Laminaty giętkie niskonapięciowe w maszynach elektrycznych
Używane są głównie w silnikach niskonapięciowych, jako izolacja wyłożenia żłobka oraz zamknięcia żłobka, a także jako przekładki na czołach silników. W generatorach i silnikach wysokonapięciowych też jest używana jako izolacja uzupełniająca pełniąca raczej funkcje bardziej mechaniczną.
W transformatorach niskonapięciowych suchych izolacja giętka stanowi główną izolację zwojową w cewkach transformatorów, oraz może być wykorzystywana w różnych miejscach jako przekładka separująca.
 
Tab.4  Laminaty giętkie niskonapięciowe wg norm europejskich i producenta IZO-ERG S.A.
Materiał Norma Układ warstw
TERESZPAN jednostronny
 
BN-80/3076-08 , WO 35/2008
PN-EN 60626-3
preszpan – folia poliestrowa
TERESZPAN dwustronny BN-80/3076-08 , WO 35/2008
 
Folia poliestrowa –preszpan – folia poliestrowa
TERESZPAN
PcFpPc
BN-80/3076-08 , WO 35/2008
 
preszpan – folia poliestrowa – preszpan
ERGOFOL W-1 ZN-2007/MP-TS-1272 włóknina – folia poliestrowa
ERGOFOL W-2* ZN-2007/MP-TS-1272 włóknina – folia poliestrowa – włóknina
ERGOFOL WG-1 ZN-2007/MP-TS-1272 włóknina gładzona – folia poliestrowa
ERGOFOL WG-2* ZN-2007/MP-TS-1272
PN-EN 60626-3
włóknina gładzona – folia poliestrowa – włóknina gładzona
IZOLACJE NEN-1 PN-EN 60626-3
WO 65/2010
Nomex® - folia poliestrowa
IZOLACJE NEN-2* PN-EN 60626-3
WO 65/2010
Nomex® - folia poliestrowa – Nomex®
SZKŁOFLEX  jednostronny ZN-97/MP-TS-1267 folia poliestrowa – tkanina szklana
SZKŁOFLEX  dwustronny ZN-97/MP-TS-1267 folia poliestrowa – tkanina szklana – folia poliestrowa
ERGOFOL NKN ZN-2001/MP-TS-1274
PN-EN 60626-3
Nomex® - folia poliimidowa – Nomex®
ERGOFOL NK ZN-2001/MP-TS-1274 Nomex® - folia poliimidowa
IZOLACJA NSN ZN-2001/MP-TS-1276 Nomex® - tkanina szklana – Nomex®
IZOLACJA NKGM WO75/2012 Nomex® - folia poliimidowa -  tkanina szklana – folia poliestrowa
*) te laminaty mogą być dodatkowo lakierowane żywicą (np. epoksydową), która może być w pełni utwardzona, albo tylko częściowo, wówczas materiał zachowuje się jak prepreg (czyli pod wpływem temperatury powierzchnia staje się adhezyjna.


Laminaty giętkie wysokonapięciowe (taśmy mikowe) w maszynach elektrycznych
Używane w silnikach wysokonapięciowych, silnikach trakcyjnych prądu stałego oraz generatorach.
Ze względu na odmienną budowę silnika wysokonapięciowego (też generatora energetycznego) układ izolacyjny jest wiele bardzie skomplikowany.
Jak w silniku niskonapięciowym do żłobka wkładało się druty nawojowe i całość należało odizolować od żłobka i zamknąć, tak w silnikach wysokonapięciowych do żłobków wkładane są poszczególne cewki w izolacji mikowej.
 
Są dwie metody izolacji silników wysokonapięciowych: materiałami Resin Rich oraz metoda VPI.
 
Metoda Resin Rich
Poszczególne cewki izoluje się taśmą mikową i najczęściej każdą cewkę zapieka się w prasie tak, by żywica z taśmy zapłynęła część prostą cewki, a główki izoluje się innym rodzajem taśmy mikowej nieutwardzalnej. Następnie cewki instaluje się w żłobkach i stabilizuje klinami.
Zdarza się też izolowanie całych małych cewek taśmami mikowymi nie wymagającymi utwardzania.
 
Metoda VPI
Poszczególne cewki izoluje się tzw. taśmami mikowymi porowatymi (taśmy te zawierają znikomą ilość żywicy) , następnie w mniejszych silnikach instaluje się je w żłobkach i cały zestaw jest wkładany do instalacji ciśnieniowo-próżniowej, gdzie następuje odessanie powietrza i zalanie żywicą. W dużych silnikach ta impregnuje się poszczególne cewki.
 
W obu metodach każdy drut profilowy dodatkowy jest jeszcze owinięty cienką izolacją zwojową (może to być izolacja mikowa, szklana, z papieru Nomex®, z folii).
 
Tab.5  Laminaty giętkie wysokonapięciowe wg producenta IZO-ERG S.A.
Nazwa handlowe Układ warstw przetwórstwo
Epoksterm 3  Folia poliestrowa – papier mikowy- tkanina szklana – folia poliestrowa częściowo utwardzalna
Epoksterm 4  i 4H
ERGOTERM 1
Papier mikowy – tkanina szklana utwardzalna
Epoksterm 5 i  5H
ERGOTERM 2
Folia poliestrowa – papier mikowy – tkanina szklana utwardzalna
Epoksterm 6 Papier mikowy – tkanina szklana nieutwardzalna
Epoksterm 8 Folia poliestrowa – papier mikowy- tkanina szklana – folia poliestrowa nieutwardzalna
Epoksterm  9 i 9H Folia poliestrowa – papier mikowy utwardzalna
Epoksterm 11 Folia poliestrowa – papier mikowy – folia poliestrowa nieutwardzalna
EPOKSTERM 11H Folia poliestrowa – papier mikowy – folia poliimidowa nieutwardzalna
EPOKSTERM 12 Folia poliestrowa – papier mikowy – folia poliestrowa – tkanina szklana nieutwardzalna
ERGOPOR Tkanina szklana – papier mikowy do VPI
Warstwa miki w laminatach spełnia bardzo ważną rolę.
W układach elektrycznych wysokonapięciowych można zauważyć pojawianie się zjawisk wyładowania niezupełnego (koronowego), które niszczy izolacje. Mika jako minerał jest odporniejsza na działanie tych wyładowań i powoduje także ich opóźnienie zapłonu. Dlatego w ostatnich latach pojawiły się także silniki niskonapięciowe z izolacją mikową przeznaczone do pracy z falownikami (falowniki mogą przesyłać do silnika piki napięciowe które niszczą izolacje). Ponadto mika dobrze przewodzi ciepło, co jest istotne w dużych maszynach z punktu odprowadzania ciepła.  
W transformatorach suchych i żywicznych dużej mocy izolacje stanowi żywica wzmocniona rowingiem lub siatką szklaną oraz laminaty giętkie (po stronie niskiego napięcia). Jeśli chodzi o izolacje w transformatorach wysokonapięciowych olejowych nie stosuje się laminatów, tylko izolacje papierowo-olejową.
 
Głównymi komponentami maszyn elektrycznych są: przewodnik (miedź, aluminium) i blachy stojana, wirnika (stal) oraz korpus (aluminium, żeliwo, itp.). Laminaty w maszynach elektrycznych stanowią od kilku do kilkunastu procent wartości całej maszyny, a jej udział masie jest znikomy. Mino to jest to komponent bez którego silnik czy transformator nie może działać. Od jakości tego komponentu zależy niejednokrotnie trwałość i niezawodność, a także bezpieczeństwo. Dlatego spoglądając na urządzenie elektryczne, trzeba mieć świadomość, że działa ono i jest bezpieczne dzięki izolacji elektrycznej.  
 
mgr inż. Marek Gnaty
Gł. Specjalista ds. Badań Marketingowych i Promocji
IZO-ERG S.A. Gliwice