Ізоляція кабелів та проводів: різновиди, переваги та недоліки

Напевно головний фактор, на який споживач звертає свою увагу, обираючи потрібний кабель чи провід – це площа його перерізу. А от другим, не менш важливим фактором є ізоляція виробу. Ізоляція забезпечує надійну роботу кабелю або проводу та надає їм ті чи інші якості. Вона захищає людину від ураження електричним струмом, а також повинна мати високий рівень електричної міцності, аби виключити можливість пошкодження провідника при допустимій напрузі.

Ізоляцію прийнято поділяти на власне ізоляцію і оболонку або як їх ще називають внутрішню і зовнішню ізоляцію. Ізоляція – це шар діелектричного матеріалу, який покриває кожну струмопровідну жилу і захищає жили від контакту одна з одною. Оболонка, у свою чергу, накладається поверх ізоляції. Вона утримує усі складові кабелю або проводу разом і служить для захисту від механічних, хімічних, теплових та інших впливів. А також додатково захищає внутрішню ізоляцію від пересихання, підвищеної вологості та інших факторів.

Існує безліч різних видів ізоляції, кожен з яких призначений для певних умов експлуатації і відрізняється різними властивостями та хімічним складом. У якості ізоляційних матеріалів традиційно застосовують: гуму, ПВХ, поліетилен, фторопласт та папір. Менш поширеними діелектриками є: карболіт, лак, окис магнію, полістирол, шовк та інші волокнисті матеріали (бавовняна пряжа, триацетатне волокно, капрон, анід, лавсан, скловолокно, азбест) тощо.

Різновиди ізоляційних матеріалів

Пластмасова ізоляція

На сьогоднішній день кабелі, проводи та шнури саме з пластмасовими ізоляційними оболонками домінують у споживчому сегменті. Пластмасову ізоляцію виготовляють з поліетилену або полівінілхлориду (ПВХ). Провідники з такою ізоляцією досить легкі, достатньо гнучкі, підходять для реалізації багатьох технічних завдань у квартирах і приватних будинках, можуть застосовуватись у промисловості, житлово-комунальному господарстві та техніці, мають достатній ступінь захищеності і коштують досить дешево. А також у цих матеріалів немає обмежень щодо прокладання по вертикальних і крутопохилих трасах, що значно спрощує виробництво, монтаж та експлуатацію такої продукції.

До переваг пластмасової ізоляції також відноситься ширший робочий температурний діапазон, екологічна безпека, висока стійкість до вологи, механічна міцність, довговічність, хімічна та електрична нейтральність.

Полівінілхлоридний пластикат (ПВХ)

Полівінілхлоридний пластикат – це суміш полівінілхлоридної смоли із пластифікаторами, стабілізаторами та іншими добавками. У даний час саме цей матеріал є найпоширенішим для ізоляції кабелів та проводів, що прокладаються всередині приміщень. Свою популярність ПВХ здобув завдяки невисокій вартості та гарним фізичним характеристикам – гнучкості, зносостійкості і хорошим захисним властивостям. Матеріал не горючий та стійкий до дії агресивних хімічних сполук. Має гарну пропускну здатність, забезпечує малі втрати та високі показники допустимого навантаження струмом. ПВХ ізоляція екологічно безпечна та еластична. А вироби з ПВХ-ізоляцією добре протистоять механічним пошкодженням та відрізняються деформаційною і термічною стійкістю.

Легка вага, великий радіус вигину та середній діаметр дозволяють використовувати кабельні вироби з полівінілхлоридною ізоляцією у складних умовах.

До мінусів матеріалу слід віднести його знижені діелектричні характеристики, прискорення процесу старіння під впливом ультрафіолетових променів, відсутність стійкості до впливу високих температур і здатність виділяти шкідливі речовини при надмірному нагріванні (наприклад, хлороводень і діоксини).

Поліпшити характеристики полівінілхлоридної ізоляції допомагають спеціальні пластифікатори: каолін, карбонат кальцію, вуглекислий свинець, солі стеаринової кислоти, барію, стронцію, тальк та багато інших. Правильно підібравши такі добавки можна надати ПВХ додаткові властивості: підвищити пластичність, термостійкість, забезпечити збереження гнучкості при низьких температурах тощо. Подібні модифікації дозволяють використовувати провідники з ПВХ оболонками при прокладанні на вулиці, але при цьому дещо погіршують його ізоляційні властивості та хімічну стійкість.

Поліетилен

Ізоляція з використанням поліетиленів високої і низької щільності відрізняється стійкістю до дії хімічного або будь-якого іншого агресивного середовища та здатністю витримувати низькі температури. При цьому поліетилен є термопластичним матеріалом і з підвищенням температури його властивості різко погіршуються. Він починає руйнуватись, а тому застосовувати його рекомендовано лише за умови відсутності значних термічних перепадів.

У зв’язку з цим, у виробництві кабельно-провідникової продукції найчастіше використовується так званий зшитий або вулканізований поліетилен (СПЕ). На відміну від звичайних видів поліетиленової ізоляції, нестабільних при нагріванні, СПЕ здатний витримувати істотно вищі температури, не змінюючи своїх властивостей.  Тривало допустима температура нагріву зшитого поліетилену значно вища, ніж у інших матеріалів. Її максимум у режимі нормального навантаження досягає +90°С, а у разі короткого замикання – +250°С. Це дає змогу використовувати СПЕ при значно більших напругах ніж, наприклад ПВХ пластикат. 

Зшитий поліетилен має досить високі діелектричні властивості, хорошу електричну міцність і малу вагу. Володіє гарними механічними характеристиками та відносною гнучкістю. Стійкий до вогню, сонячного світла, впливу вологи, луг та кислот. Не боїться перепадів температур і застосовується у різних температурних діапазонах. А додавання до складу матеріалу особливих домішок і вулканізація роблять поліетилен стійким до розтріскування та збільшують температуру його плавлення.

До переваг даного типу ізоляції можна також віднести однакову легкість прокладання кабелів і проводів у кабельних спорудах, на складних трасах і по пересіченій місцевості.

Проте, попри перераховані переваги, ізоляція зі зшитого поліетилену має високі діелектричні втрати. Це обмежує її використання для виробництва кабелів високої напруги – 20 кВ і вище. Крім того, електричні втрати залежать від протяжності кабельної лінії. Тому при прокладанні трас великої протяжності на основі кабелів зі СПЕ-ізоляцією необхідно виконувати монтаж додаткових заземлень металевих екранів.

Гумова ізоляція

Гума – це природний матеріал на основі каучуку, що характеризується еластичністю, водонепроникністю та електроізоляційними властивостями. При цьому у кабельному виробництві використовується гума не лише натурального, а і синтетичного походження. Цей вид ізоляції застосовується при необхідності отримати підвищену гнучкість кабелю або проводу.

Висока гнучкість матеріалу істотно спрощує монтаж у важкодоступних місцях, дозволяючи уникнути великих радіусів на вигинах і використовувати кабельно-провідникові вироби практично у будь-яких умовах. До переваг гумової ізоляції також можна віднести її практично повну негігроскопічність,  стійкість до багатьох агресивних речовин, таких як кислота, масло, луги та високі температурні показники при виникненні коротких замикань у ланцюгах. Вироби з гумовою ізоляцією витримують важкі умови експлуатації і зберігають свою гнучкість та еластичність навіть при низьких температурах, а тому можуть використовуватися як у приміщеннях, так і на відкритому повітрі.

Однак гумова ізоляція не вважається довговічною. Через певний час зовнішня гумова оболонка втрачає свою еластичність і захисні властивості. Гума старіє, зазнає зміни хімічних властивостей і розтріскується під впливом низьких або високих температур. Також процесу старіння сприяють перепади тиску, наявність газів в місцях пролягання кабелю, вплив прямих сонячних променів та інші чинники. Для того аби мінімізувати вплив подібних негативних явищ використовуються особливі види гуми, здатні довгий час витримувати вплив навколишнього середовища. Для цього гуму піддають додатковій вулканізації і використовують її озоностойкі типи на основі бутилкаучуку і каучуку з етиленпропілену.

Також до недоліків гумової ізоляції слід віднести нижчу робочу температуру струмопровідних жил (близько 65°С) і більш високу вартість порівняно з іншими видами ізоляції.

Силіконова гума

У якості ізоляційного матеріалу використовують також силіконову гуму. Її відмінною рисою є здатність утворювати після згоряння плівку, що не пропускає електричний струм. А це, у свою чергу знижує ймовірність короткого замикання внаслідок перегрівання проводки.

Паперова ізоляція

Просочена паперова ізоляція виконується зі стрічок кабельного паперу підвищеної міцності, що виготовляється з сульфатної целюлози, просоченої спеціальним розчином на основі масла, каніфолі і воску. Після такої обробки паперовий ізолятор набуває невластивих йому характеристик.

Це досить надійне рішення, оскільки папір є хорошим діелектриком. Відрізняється непоганими електричними властивостями, тривалим терміном служби, порівняно високою допустимою температурою і невисокою вартістю.

Недоліками виробів з паперовою ізоляцією є: їх нестійкість до будь-яких зовнішніх впливів; гігроскопічність, що вимагає повної герметичності оболонок кабелю і прокладання в умовах повної гідроізоляції та вкрай обмежена можливість прокладання по похилим трасах, обумовлена використанням просочення.

Кабелі з паперовою ізоляцією завжди мають металеву оболонку, що захищає їх від механічних впливів і проникнення вологи всередину. Металева оболонка, у свою чергу, збільшує вагу кабелю, а також його вартість. Але при цьому такі вироби можна використовувати для прокладання у сирих ґрунтах, вологому середовищі, а за наявності додаткового захисту навіть під водою.

Неможливість використання кабелів у паперовій оболонці при прокладанні похилих трас значно звужує сферу їх застосування. Зумовлене таке обмеження тим, що при вертикальному або похилому положенні траси при значній різниці рівнів прокладання кабелю маслоканіфольний розчин, що просочує папір, стікає з верхнього кінця у нижню частину траси. В результаті у верхніх ділянках траси зменшується електрична міцність кабелю через виникнення повітряних прогалин, а у нижніх ділянках – виникає підвищений тиск, що може призвести до розгерметизації кабелю. Усе це знижує ізоляційну міцність виробу, погіршує умови охолодження, призводить до передчасного старіння ізоляції і скорочує термін служби кабелю. Слід зазначити, що існують ізоляційні матеріали з нестікаючим просочувальним складом, але навіть вони часто не здатні забезпечити необхідні вимоги при побудові вертикальних трас.

Також у процесі роботи кабелі періодично нагріваються і охолоджуються. При нагріванні усі елементи кабелю, у тому числі просочувальний склад, збільшуються в обсязі. Це викликає деформацію оболонки. Після охолодження кабелю оболонка і паперова ізоляція через залишкові деформації вже не в змозі зайняти своє попереднє положення. У результаті, після декількох циклів нагріву та охолодження, в ізоляції утворюються газові і вакуумні включення, що знижують її діелектричну міцність. Під дією електричного поля в цих включеннях виникає іонізація, що супроводжується підвищенням температури, прискоренням місцевого старіння ізоляції і зниженням її електричної міцності. Усе це обмежує застосування таких кабелів напругою до 35 кВ.

З цієї причини на напругу 110 кВ і вище використовують маслонаповнені кабелі, у яких паперова ізоляція просочується рідким кабельним маслом. Порожнечі у таких кабелях заповнені маслом під постійним тиском, який підтримується автоматично у заданих межах за допомогою масло-підживлюючих пристроїв, встановлених вздовж кабельної лінії. Така конструкція практично усуває процес утворення повітряних і газових включень в ізоляцію. Недоліком маслонаповнених кабелів є підвищення в’язкості масла а, отже, погіршення якості просочення при низьких температурах. А витік масла є небезпечною за своїми наслідками аварією для маслонанолненного кабелю.

На сьогоднішній день паперова ізоляція вважається дещо застарілою та при виробництві сучасної кабельно-провідникової продукції використовується досить рідко.

Емалева ізоляція

Емалева ізоляція являє собою багатошарове покриття проводів тонким шаром захисної емалі (лаку) з подальшим сушінням та полімеризацією. Вказаний вид ізоляції робить провід дуже тонким, а котушку компактною.

Існує досить велика кількість різних емальлаків, що використовуються для такого типу ізоляції. Найбільш відомими серед них є вініфлекс, металвін, емальлаки на основі поліефірних та поліімідних смол, а також масляні емальлаки. Використовуваний тип емалі, а також її товщина визначають клас електроізоляційних властивостей проводу, його нагрівостійкість, механічну та хімічну міцність.

Загалом, емальовані дроти використовується для створення обмоток в електромагнітах, електродвигунах, котушках, динаміках, а також окремих видах трансформаторів та блоків живлення. Можуть застосовуватися в електротехнічній, електронній та автомобільній промисловості. І цінуються за свої чудові електричні, температурні та механічні властивості, стійкість до стирання, високу міцність на розрив, гнучкість і здатність підтримувати високу робочу температуру, а у разі необхідності витримувати і будь-які несприятливі погодні умови.

Проводи з емальованою ізоляцією мають легку вагу, стійкі до корозії, впливу масла і кислот, довговічні і при цьому відрізняються легкістю виготовлення та з’єднання.

Карболіт

Досить хорошим ізолятором є також карболіт. Це пластичний матеріал, що відрізняється високою термостійкістю і відносною гнучкістю, яка правда дещо поступається більшості інших видів ізоляції. Крім ізоляції застосовується при виготовленні корпусів розеток, вилки для шнурів електроприладів і подібних пристроїв. Недоліком матеріалу є його крихкість.

Фторопластова ізоляція

Фторопласт – універсальний теплостійкий матеріал, що використовується в тому числі для виготовлення ізоляції кабелів і проводів та має низку переваг у порівнянні з іншими матеріалами.

Його чудові діелектричні характеристики та стійкість до впливу високих температур, що сягають аж +260°C без зміни хімічних характеристик, роблять застосування фторопласту незамінним в електроніці та електротехніці для ізоляції проводів, кабелів, роз’ємів, виготовлення друкованих плат, пазової ізоляції електричних машин та в багатьох інших сферах. А також з фторопластової плівки виготовляють первинну обмотку високовольтних проводів.

Фторопластовий ізоляційний прошарок вважається однією з найміцніших і найнадійніших ізоляційних систем. Однак процедура застосування даної ізоляції вважається досить складною.

При виготовленні кабелів та проводів такого типу на струмопровідні жили фторопласт накладають або суцільним монолітним шаром, або намотують у вигляді ниток чи стрічок, а потім запікають під впливом дуже високих температур. Отримане в результаті покриття набуває здатності чинити опір будь-якому агресивному впливу навколишнього середовища. Відрізняється високою стійкістю до хімічних, механічних та будь-яких інших зовнішніх впливів. А що б пошкодити фторопластову ізоляцію механічно, треба докласти максимум зусиль.

Але при цьому така міцна структура значно ускладнює процес роботи з подібними кабелями. Цей вид ізоляції має низьку гнучкість та еластичність, а тому монтаж і застосування такої проводки вимагає особливих зусиль.

Ізоляція з волокнистих або комбінованих матеріалів

Волокнисті матеріали поділяють на матеріали органічного (натуральні і синтетичні) та неорганічного походження. До першої групи відносять бавовняну пряжу, шовк, капрон, анід, лавсан, віскозне, ацетатне і триацетатного волокно та багато інших. У другій групі найвідомішими матеріалами є скловолокно та азбест.

Комбіновані електроізоляційні матеріали виготовляють з полімерної плівки спресованої або склеєної з певним волокнистим матеріалом.

Плюсами ізоляції з волокнистих матеріалів є її невисока вартість, досить велика механічна міцність, гнучкість та зручність обробки. А до мінусів слід віднести високу гігроскопічність, низьку електричну міцність і теплопровідність. З метою поліпшення властивостей волокнистих матеріалів використовують різні просочувальні склади на основі масел, смол або лаків.

Вироби з подібною ізоляцією не використовуються при прокладанні силових ліній в квартирах, облаштуванні освітлення, розеток та вимикачів, але досить широко застосовуються при виготовленні монтажних і обмотувальних проводів. Загалом провідники з ізоляцією з натуральних, штучних та синтетичних волокон або комбінованого матеріалу мають досить універсальне застосування і часто зустрічається у різних побутових приладах, промислових агрегатах та невеликих силових установках.

Висновок

Наприкінці нашого огляду слід зазначити, що різні матеріали ізоляції проводів і кабелів мають свої переваги і недоліки. З цієї причини тип ізоляції необхідно вибирати виходячи з:

– конструктивних особливостей кабелю або проводу,

– напруги, при якій він буде працювати,

– технічних характеристик,

– електропровідності і теплопровідності матеріалів ізоляції,

– умов прокладання та експлуатації,

– а також вимог, що пред’являються до надійності кабельних ліній.