Изоляция кабелей и проводов: разновидности, достоинства и недостатки

Пожалуй, первый фактор, на который потребитель обращает внимание при покупке кабеля или провода – это площадь его сечения. А вот вторым, не менее важным фактором является его изоляция. Изоляция обеспечивает надежную работу кабеля или провода и придает им те или иные качества. Она защищает человека от воздействия электрического тока и должна иметь высокий уровень электрической прочности, чтобы исключить возможность повреждения проводника при допустимом напряжении.

В кабеле или защищенном проводе изоляция делится на собственно изоляцию и оболочку или как их еще называют внутреннюю и внешнюю (наружную) изоляцию. Изоляция – это слой диэлектрического материала, покрывающий каждую токопроводящую жилу и защищающий жилы от контакта друг с другом. Оболочка в свою очередь накладывается поверх изоляции. Она удерживает все составляющие кабеля или провода вместе и служит для защиты от механических, химических, тепловых и других воздействий. А также дополнительно защищает внутреннюю изоляцию от пересыхания, повышенной влажности и других факторов.

Существует множество различных видов изоляции, каждый из которых предназначен для определённых условий эксплуатации и отличается различными свойствами и химическим составом. В качестве изоляционных материалов традиционно применяют: резину, ПВХ, полиэтилен, фторопласт или бумагу. Менее распространенными диэлектриками являются: карболит, лак, окись магния, полистирол, шёлк и другие волокнистые материалы (хлопчатобумажная пряжа, триацетатное волокно, капрон, анид, лавсан, стеклянное волокно, асбест) и другие.

Виды изоляционных материалов

Пластмассовая изоляция

На сегодняшний день кабели, провода и шнуры именно с пластмассовыми изоляционными оболочками доминируют в пользовательском сегменте. Пластмассовую изоляцию изготовляют из полиэтилена или поливинилхлорида (ПВХ). Проводники с такой изоляцией достаточно легкие, обладают надлежащей гибкостью, подходят для реализации многих технических задач в квартирах и частных домах, могут применяться в промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве и технике, имеют достаточную степень защищённости и стоят довольно дёшево. А также у данных материалов нет ограничений по направленности трасс и проблем стекания пропитки, что значительно упрощает производство, прокладку и эксплуатацию такой продукции.

К достоинствам пластмассовой изоляции также относится более широкий рабочий температурный диапазон, экологическая безопасность, высокая влагостойкость, прочность, долговечность, химическая и электрическая нейтральность, хорошая механическая стойкость.

Поливинилхлоридный пластикат (ПВХ)

Поливинилхлоридный пластикат – это смесь поливинилхлоридной смолы с пластификаторами, стабилизаторами и другими добавками. В настоящее время является наиболее часто используемым материалом для изоляции кабелей и проводов, которые прокладываются внутри помещений. Такую популярность ПВХ приобрёл благодаря невысокой стоимости и хорошим физическим характеристикам – гибкости, износостойкости и хорошим защитным свойствам. Изделия с ПВХ-изоляцией хорошо противостоят механическим повреждениям, отличаются деформационной и термической стойкостью, а также устойчивы к возгораниям и агрессивным химическим соединениям. К плюсам ПВХ-изоляции следует отнести хорошую пропускную способность, обеспечение малых потерь и высокого значения допустимого тока нагрузки. ПВХ изоляция экологически безопасна и эластична.

Небольшая масса, большой радиус изгиба и средний диаметр дают возможность использовать кабельные изделия в такой изоляции в сложных условиях.

При этом, ПВХ пластикат, являясь полярным полимером, имеет пониженные диэлектрические характеристики. Из недостатков ПВХ изоляции также следует отметить ускорение процесса старения под воздействием ультрафиолетовых лучей, отсутствие стойкости к воздействию высоких температур и способность выделять вредные вещества при чрезмерном нагревании (например, хлороводород и диоксины).

Улучшить характеристики поливинилхлоридной изоляции помогают специальные пластификаторы: каолин, карбонат кальция, углекислый свинец, соли стеариновой кислоты, бария, стронция, тальк и многие другие. Правильно подбирая такие добавки можно придать ПВХ дополнительные свойства: повышенную термостойкость, сохранение эластичности при низких температурах и другие. Подобные модификации позволяют использовать проводники с ПВХ изоляцией и в уличных условиях, но при этом несколько ухудшают его изоляционные свойства и химическую стойкость.

Полиэтилен

Изоляция из полиэтиленов высокой и низкой плотности отличается высокой стойкостью к воздействию химической или любой другой агрессивной среды и устойчивостью к отрицательным температурам. При этом полиэтилен является термопластичным материалом и при повышении температуры его свойства резко ухудшаются. Он начинает разрушаться и поэтому не рекомендуется для применения в условиях значительных термических перепадов.

В связи с этим при производстве чаще всего используют так называемый сшитый или вулканизированный полиэтилен (СПЭ). В отличии от обычных видов полиэтиленовой изоляции, нестабильных при нагревании, СПЭ способен выдерживать существенно большие температуры, не меняя своих свойств. Длительно допустимая температура нагрева сшитого полиэтилена значительно выше, чем у других материалов. Ее максимум в режиме нормальной нагрузки достигает +90°С, а при коротком замыкании – +250°С. Это позволяет использовать СПЭ при значительно большем напряжении чем, например ПВХ пластикат.

Сшитый полиэтилен имеет довольно высокие диэлектрические свойства, хорошую электрическую прочность и малый вес. Отличается механической стойкостью, относительной гибкостью, устойчивостью к огню, солнечному свету, воздействию влаги, щелочей и кислот. Не боится перепадов температур и применяется в разных температурных диапазонах. А добавление в состав материала особых примесей и вулканизация делают полиэтилен устойчивым к растрескиванию и увеличивают температуру его плавления.

К достоинствам данного типа изоляции можно также отнеси одинаковую легкость прокладки кабелей и проводов в кабельных сооружениях, на сложных трассах и по пересеченной местности.

Но при всех вышеперечисленных достоинствах изоляция из сшитого полиэтилена имеет высокие диэлектрические потери. Это ограничивает ее использование для производства кабелей на высокое напряжение – 20 кВ и выше. Кроме того, электрические потери зависят от протяженности кабельной линии. Поэтому при прокладке кабельных линий большой протяженности на основе кабелей со СПЭ-изоляцией необходимо выполнять монтаж дополнительных заземлений металлических экранов.

Резиновая изоляция

Резина – это природный материал на основе каучука, характеризующиеся эластичностью, водонепроницаемостью и электроизоляционными свойствами. При этом в кабельном производстве используется резина как натурального, так и синтетического происхождения. Этот вид изоляции применяется при необходимости получить повышенную гибкость кабеля или провода.

Высокая гибкость существенно упрощает монтаж в труднодоступных местах, позволяя избежать больших радиусов на изгибах и использовать кабельно-проводниковые изделия практически в любых условиях. К достоинствам резиновой изоляции также можно отнести ее практически полную негигроскопичность, стойкость ко многим агрессивным веществам, таким как кислота, масло, щелочь и высокие температурные показатели при возникновении коротких замыканий в цепях. Изделия с резиновой изоляцией выдерживают тяжелые условия эксплуатации и сохраняют свою гибкость даже при низких температурах, а потому могут использоваться как в помещениях, так и на открытом воздухе.

Однако такая изоляция не считается долговечной. По истечении некоторого времени внешняя резиновая оболочка теряет свою эластичность и защитные свойства. Резина стареет, подвергается изменению химических свойств материала и растрескивается из-за воздействия низких или высоких температур. Также процессу старения способствуют перепады давления, наличие газов в области пролегания кабеля, воздействие прямых солнечных лучей и другие факторы. Для того чтобы минимизировать влияние подобных негативных явлений используются особые виды резины, способные долгое время выдерживать воздействие окружающей среды. Для этого резину подвергают дополнительной вулканизации и используют озоностойкие типы резины на основе бутилкаучука и каучука из этиленпропилена.

Также к недостаткам резиновой изоляции следует отнести более низкую рабочую температуру токопроводящих жил (около 65°С) и более высокую стоимость по сравнению с другими видами изоляции.

Силиконовая резина

В качестве изоляционного материала используют также силиконовую резину. Ее отличительной особенностью является способность образовывать после сгорания пленку, не пропускающую электрический ток. А это, в свою очередь понижает вероятность короткого замыкания вследствие перегревания проводки.

Бумажная изоляция

Пропитанная бумажная изоляция выполняется из лент кабельной бумаги повышенной прочности, изготавливаемой из сульфатной целлюлозы и пропитанной специальным составом на основе масла, канифоли и воска. После такой обработки бумажный изолятор приобретает не свойственные ему характеристики.

Это достаточно надежное решение, поскольку бумага является хорошим диэлектриком. Отличается неплохими электрическими свойствами, продолжительным сроком службы, сравнительно высокой допустимой температурой и невысокой стоимостью.

Минусами бумажной изоляции является: ее нестойкость к любым внешним воздействиям; гигроскопичность, требующая полной герметичности оболочек кабеля и прокладки в условиях полной гидроизоляции и использование пропитки, ограничивающей применение таких кабелей при строительстве наклонных и вертикальных трасс.

Кабели с бумажной изоляцией всегда имеют металлическую оболочку и снабжаются стальными бронепокровами, защищающими их от механических воздействий и проникновения влаги внутрь. Металлическая оболочка, в свою очередь, увеличивает вес кабеля, а также его стоимость. Но при этом такие изделия можно использовать для прокладки в сырых грунтах, влажной среде, а при наличии дополнительной защиты и под водой.

Невозможность использования кабелей в бумажной оболочке при прокладке наклонных трасс значительно сужает область их применения. Обусловлено такое ограничение тем, что при вертикальном или наклонном положении трассы при значительной разности уровней прокладки кабеля, пропитывающий бумагу маслоканифольный состав стекает с верхнего конца в нижнюю часть трассы. В результате, в верхних участках трассы уменьшается электрическая прочность кабеля из-за возникновения воздушных зазоров, а в нижних участках – возникает повышенное давление, которое может привести к разгерметизации кабеля. Все это снижает изоляционную прочность, ухудшает условия охлаждения, приводит к преждевременному старению изоляции и сокращает срок службы кабеля.

Справедливости ради следует отметить, что существуют изоляционные материалы с нестекающим пропиточным составом, но и они не всегда способны обеспечить необходимые требования при построении вертикальных трасс.

Также в процессе работы кабели периодически нагреваются и охлаждаются. При нагревании все элементы кабеля, в том числе пропитывающий состав, увеличиваются в объеме. Это вызывает деформацию оболочки. После охлаждения кабеля оболочка и бумажная изоляция кабеля из-за остаточных деформаций уже не в состоянии занять свое прежнее положение. В результате этого, после нескольких циклов нагрева и охлаждения, в изоляции образуются газовые и вакуумные включения, снижающие ее диэлектрическую прочность. Под действием электрического поля в этих включениях возникает ионизация, сопровождающаяся повышением температуры, ускорением местного старения изоляции и снижением ее электрической прочности. Все это ограничивает применение таких кабелей напряжением до 35 кВ.

По этой причине на напряжение 110 кВ и выше применяются маслонаполненные кабели, в которых пропитка бумажной изоляции осуществляется жидким кабельным маслом. Пустоты в таких кабелях заполнены маслом под постоянным избыточным давлением, которое поддерживается автоматически в заданных пределах с помощью масло-подпитывающих устройств, устанавливаемых вдоль кабельной линии. Такая конструкция практически устраняет процесс образования воздушных и газовых включений в изоляцию. Недостатком маслонаполненных кабелей является повышение вязкости масла и, следовательно, ухудшение качества пропитки при низких температурах. А возникновение утечки масла является опасной по своим последствиям аварией для маслонанолненного кабеля.

На сегодняшний день бумажная изоляция считается несколько устаревшей и при производстве современной кабельно-проводниковой продукции используется довольно редко.

Эмалевая изоляция 

Эмалевая изоляция представляет собой многослойное покрытие проводов тонким слоем защитной эмали (лака) с последующей сушкой и полимеризацией. Такой вид изоляции делает изолированный провод очень тонким, а катушку компактной.

Существует довольно большое количество различных эмальлаков, использующихся для такого типа изоляции. Наиболее известными среди них являются винифлекс, металвин, эмальлаки на основе полиэфирных и полиимидных смол, а также масляные эмальлаки. Тип используемой эмали, а также её толщина определяют класс электроизоляционных свойств провода, его нагревостойкость, механическую и химическую прочность.

В целом, эмалированные провода используются для создания обмоток в электромагнитах, электродвигателях, катушках, динамиках, а также отдельных видах трансформаторов и блоков питания. Могут применяться в электротехнической, электронной и автомобильной промышленности. И ценятся за свои превосходные электрические, температурные и механические свойства, устойчивость к стиранию, высокую прочность на разрыв, гибкость и способность поддерживать высокую рабочую температуру, а при необходимости выдерживают и любые неблагоприятные погодные условия.

Провода с эмалированной изоляцией имеют малый вес, устойчивы к коррозии, воздействию масла и кислот, долговечны и при этом отличаются легкостью изготовления и соединения.

Карболит

Достаточно хорошим изолятором является также карболит. Это пластический материал, отличающийся высокой термостойкостью и относительной гибкостью, которая правда несколько уступает большинству других видов изоляции. Кроме изоляции применяется при изготовлении корпусов розеток, вилки для шнуров электроприборов и подобных устройств. Из недостатков материала выделяется его хрупкость.

Фторопластовая изоляция

Фторопласт – универсальный теплостойкий материал, использующийся в том числе для изготовления изоляции кабелей и проводов, обладающий рядом преимуществ по сравнению с другими материалами.

Его замечательные диэлектрические характеристики и устойчивость к воздействию высоких температур, вплоть до +260°C без изменения химических характеристик, делают применение фторопласта незаменимым в электронике и электротехнике для изоляции проводов, кабелей, разъемов, изготовления печатных плат, пазовой изоляции электрических машин и во многих других сферах. А также этот материал используют при выполнении первичной обмотки высоковольтных проводов.

Фторопластовая изоляционная прослойка является одной из самых крепких и надежных изоляционных систем. Однако процедура применения данной изоляции считается достаточно сложной.

При изготовлении кабелей и проводов такого типа на токопроводящие жилы фторопласт накладывают либо сплошным монолитным слоем, либо наматывают в виде нитей или лент, а затем запекают под воздействием очень высоких температур. Полученное в итоге покрытие приобретает способность сопротивляться любому агрессивному воздействию окружающей среды. Отличается высокой стойкостью к химическим, механическим и любым другим внешним воздействиям. А что бы повредить фторопластовую изоляцию механически, надо приложить максимум усилий.

Но при этом, такая прочная структура значительно усложняет процесс работы с подобными кабелями и проводами. Данный вид изоляции обладает низкой гибкостью и эластичностью, а потому монтаж и применение такой проводки требует особых усилий.

Изоляция из волокнистых или комбинированных материалов

Волокнистые материалы разделяют на материалы органического (натуральные и синтетические) и неорганического происхождения. К первой группе относят хлопчатобумажную пряжу, шелк, капрон, анид, лавсан, вискозное, ацетатное и триацетатное волокно и многие другие. А во второй группе самыми известными материалами являются – стекловолокно и асбест.

Комбинированные электроизоляционные материалы изготавливают из полимерной пленки спрессованной или склеенной с каким-либо волокнистым материалом.

К плюсам изоляции из волокнистых материалов относится ее невысокая стоимость, достаточно большая механическая прочность, гибкость и удобство обработки. Минусами являются высокая гигроскопичность, низкая электрическая прочность и теплопроводность. С целью улучшения свойств волокнистых материалов используют различные пропитывающие составы на основе масел, смол или лаков.

Изделия с подобной изоляцией не используются при прокладке силовых линий в квартирах, обустройстве освещения, розеток и выключателей, но довольно широко применяются при изготовлении монтажных и обмоточных проводов. Кабели и провода с изоляцией из натуральных, искусственных и синтетических волокон или комбинированного материала имеют довольно универсальное применение и часто встречается в различных бытовых приборах, промышленных агрегатах и небольших силовых установках.

Заключение

В заключение нашего обзора следует сказать, что различные материалы изоляции проводов и кабелей имеют свои достоинства и недостатки. По этой причине тип изоляции необходимо выбирать исходя из:

— конструктивных особенностей кабеля или провода,

— сетевого напряжения, при котором он будет работать,

— технических характеристик,

— электропроводности и теплопроводности материалов изоляции,

— условий прокладки и эксплуатации,

— а также требований, предъявляемых к надежности кабельных линий.