Zakłady Tworzyw Sztucznych IZO-ERG                sp. z o.o. laminaty elektroizolacyjne i konstrukcyjne

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
105°C	A	Preszpan, sklejka
120°C	E	Laminat papierowo-fenolowy PCF , bawełniano-fenolowy TCF
130°C	B	Laminat szklano-fenolowy TSF , szklano-epoksydowy TSE-2, szklano-melaminowy TSM, bawełniano-melaminowy TCM
155°C	F
180°C	H	Laminat szklano-epoksydowy TSE-6 (TSE180), szklano-silikonowy TSS
200°C	200	Laminat szklano-epoksydowy TSE-7 (TSE200)
220°C	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 oraz 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)
105°C	A	Papier izolacyjny
120°C	E	Tereszpan jednostronny
130°C	B	folia poliestrowa np. Ergopet Tereszpan dwustronny
155°C	F	NEN jednostronny, Ergofol (tzw. DMD), Szkłoflex, Epoksterm 3, 6, 8, 9H, 11, 12 Ergoterm 1, 2
180°C	H	NEN dwustronny, NKN, NK, NSN, Epoksterm 4H, Epoksterm 11H, ERGOPOR
200°C 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 widzenia 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