Izolator

Izolator elektryczny to materiał o bardzo dużej rezystywności, który w normalnych warunkach nie przewodzi prądu, bo ma niewiele swobodnych nośników ładunku. Izolatorem nazywa się też element, który podtrzymuje części pod napięciem i oddziela je od uziemionej konstrukcji.

---

Dlaczego izolator nie przewodzi prądu?

W izolatorze elektrony są związane z atomami tak mocno, że prawie nie mogą się z nich uwolnić: powłoka walencyjna jest wypełniona, a energia potrzebna do uwolnienia elektronu jest duża. Fizycy mówią o szerokiej przerwie energetycznej, zwykle powyżej około 3 eV. Dlatego przy napięciu sieciowym 230 V materiał izolacyjny pozostaje obojętny dla prądu.

Obok słowa izolator używa się nazwy dielektryk. Wprowadził ją na prośbę Michaela Faradaya angielski uczony William Whewell. Podział na przewodniki i izolatory zaproponował w 1739 roku Jean Theophile Desaguliers, rozwijając doświadczenia Stephena Graya z 1729 roku.

Dielektryk ma znaczenie także w kondensatorze. W 1745 roku Ewald Jürgen Georg von Kleist z Kamienia Pomorskiego zbudował kondensator z dielektrykiem, zwany butelką lejdejską, a w 1837 roku Faraday zmierzył, jak różne dielektryki zmieniają pojemność kondensatora.

Ostrej granicy między izolatorem a przewodnikiem nie ma. W technice za izolator uznaje się zwykle materiał o rezystywności powyżej 10⁷ Ω·m, a część źródeł podaje próg 10¹⁰ Ω·m. Wartości dla konkretnych materiałów porównasz w haśle rezystywność.

Co zaliczamy do izolatorów?

Dobry izolator łączy dużą rezystywność z odpornością na ciepło, wilgoć i uszkodzenia mechaniczne. Takie materiały spotkasz w elektryce najczęściej.

Materiał	Gdzie go spotkasz
Polwinit (PVC)	izolacja i powłoka przewodów instalacyjnych; litera Y w symbolu przewodu oznacza właśnie polwinit
Guma	powłoki przewodów giętkich i rękawice elektroizolacyjne
Porcelana i ceramika	izolatory wsporcze, liniowe i przepustowe w rozdzielniach i na liniach
Szkło	izolatory kołpakowe na liniach 110, 220 i 400 kV
Kauczuk silikonowy i żywice	izolatory kompozytowe i stacyjne wsporcze
Powietrze	izolacja między przewodami linii napowietrznych
Papier i emalia	izolacja drutów nawojowych w uzwojeniach maszyn i aparatów

Drewno i papier izolują tylko wtedy, gdy są suche, bo wilgoć mocno obniża ich rezystancję.

Czy izolator może przewodzić prąd?

Idealnego izolatora nie ma. Przez każdy materiał izolacyjny płynie niewielki prąd upływu, a po przekroczeniu określonej wartości natężenia pola elektrycznego następuje przebicie: prąd gwałtownie rośnie i może trwale uszkodzić materiał. Największe natężenie pola, jakie materiał wytrzyma, to jego wytrzymałość dielektryczna. Zależy ona od rodzaju materiału, kształtu, wilgotności i temperatury, a samo pole elektryczne opisuje osobne hasło.

Rezystywność materiału izolacyjnego podaje się w dwóch odmianach. Rezystywność objętościowa opisuje opór drogi przez wnętrze materiału, a powierzchniowa – drogi po jego powierzchni, na której osiada wilgoć i brud. Normy IEC rozdzielają pomiar obu, bo prąd może płynąć każdą z tych dróg.

Temperatura działa na dielektryk odwrotnie niż na metal: przewodność izolatora z reguły rośnie wraz z ogrzewaniem, a opór maleje.

Izolatory w rozdzielniach i na liniach energetycznych

W energetyce izolatorem nazywa się element konstrukcyjny, który podtrzymuje przewody i szyny. Wyróżnia się izolatory wsporcze, które podpierają szyny oraz części odłączników, izolatory wiszące, zawieszane w łańcuchach na liniach wysokiego napięcia, i izolatory przepustowe, przez które szyna pod napięciem przechodzi przez uziemioną ścianę.

Na liniach 110, 220 i 400 kV stosuje się w Polsce izolatory długopniowe ceramiczne lub kompozytowe oraz szklane kołpakowe. Coraz częściej spotyka się też izolatory z kauczuku silikonowego, które są lżejsze i odporniejsze na uszkodzenia mechaniczne niż porcelanowe. Warstwę materiału na żyle przewodu nazywa się z kolei izolacją, a ten sam materiał między okładkami kondensatora – dielektrykiem.

Jak dobrać izolator do warunków pracy?

O wyborze materiału izolacyjnego nie decyduje sama rezystywność. Liczą się też wytrzymałość dielektryczna, temperatura pracy, wilgotność, kształt elementu i wytrzymałość mechaniczna. Papiery z aramidu typu Nomex zachowują stabilność w temperaturach od -196 do +300 °C, dlatego trafiają do transformatorów i turbin wiatrowych. Izolatory w rozdzielnicy niskiego napięcia pracują w innych warunkach niż izolatory na linii 400 kV, więc różnią się kształtem i materiałem.

Izolator w instalacji 230/400 V i na egzaminie SEP

Każda żyła przewodu instalacyjnego jest odizolowana od pozostałych i od otoczenia warstwą polwinitu albo innego tworzywa. Ta izolacja stanowi ochronę podstawową: nie pozwala dłoni dotknąć części pod napięciem. Gdy izolacja się starzeje, zawilgoci albo ulegnie uszkodzeniu, rośnie prąd upływu i pojawia się ryzyko porażenia lub zwarcia.

Stan izolacji sprawdzasz pomiarem opisanym w normie PN-HD 60364-6: dla obwodów 230/400 V stosuje się napięcie probiercze 500 V DC. Metodę, czas i wartości graniczne znajdziesz w haśle pomiar rezystancji izolacji.

Podwójną lub wzmocnioną izolację zamiast zacisku ochronnego mają urządzenia klasy ochronności II. Z tymi zagadnieniami zetkniesz się na egzaminie SEP grupy 1: z pytaniami o ochronę przez izolację, o sprzęt klasy II i o wynik pomiaru rezystancji izolacji.

Najczęściej zadawane pytania