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 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