Isolator (elektrisiteit)

'n Elektriese isolator is 'n materiaal waarvan die interne elektriese lading nie vrylik beweeg nie en dit dus bykans onmoontlik maak om 'n elektriese stroom te gelei onder die invloed van 'n elektriese veld. Dit staan in kontras  teenoor ander materiale, halfgeleiers en geleiers, wat elektriese stroom makliker gelei. Die eienskap wat die isolator onderskei is sy spesifieke weerstand; isolatore het 'n hoër weerstand as halfgeleiers en geleiers.

Keramiek isolator vir gebruik op spoorweë geelektrifiseer met 25kV wisselstroom oorhoofse elektriese drakabel.

Geleidende koperdraad geisoleer met 'n buitelaag van poliëteleen.

3-kern koperdraad kragkabel. Elke kern se isolerende omhulsel het 'n individuele kleurkode en word omsluit met 'n beskermende buitelaag.

PVC-omhuldesheathed Mineraalgeïsoleerde koperkabel met 2 geleikerns.

Daar bestaan nie 'n perfekte isolator nie aangesien alle isolatore 'n mate van beweeglike ladings (ladingdraers) bevat wat 'n stroom kan dra. Daarby word alle isolatore elektries geleidend wanneer 'n groot genoeg spanning aangewend word dat die elektriese veld elektrone wegskeur van die atome. Dit staan bekend as die deurslagspanning van 'n isolator. Sommige materiale soos glas, papier en teflon het 'n hoë weerstand en is baie goeie isolatore. Rubberagtige polimere en meeste plastiek is voldoende om as isolators gebruik te word in elektriese bedrading en kabels.

Isolatore word gebruik in elektriese toerusting om geleiers te ondersteun en van mekaar te skei sonder dat stroom deur die isolators kan beweeg. Die term isolator verwys ook spesifiek na  isolerende steunpunte wat gebruik word om die transmissielyn aan die dienspale en transmissie torings te verbind. Dit dra die gewig van die hangdrade sonder dat die stroom deur die toring na die grond kan vloei.

Fisika van geleiding in vaste stof.

Elektriese isolasie is die afwesigheid van elektriese geleiding. Elektroniese band-teorie ('n afdeling van fisika) stel dit dat 'n lading vloei wanneer toestande geskik is om elektrone op te wek. Dit het tot gevolg dat die elektrone  se energie toeneem en dit deur 'n geleier kan beweeg -byvoorbeeld metaal. Indien hierdie toestande nie geskik is nie, is die materiaal 'n isolator.

Onderbreking

Wanneer die spanning hoog genoeg is, word isolatore blootgestel aan elektriese onderbreking. Wanneer die elektriese veld wat oor 'n isoleermassa aangelê is, die onderbrekingsdrempel oorskry, verander die isolator in 'n geleier. Dit veroorsaak dan 'n groot versterking van die stroom en 'n ligboog vorm deur die isolasiemassa. Elektriese onderbreking vind plaas wanneer die elektriese veld in die materiaal sterk genoeg is om die vrye ladingdraers te versnel tot 'n genoegsame snelheid om elektrone van atome af te slaan wanneer dit die atome tref en sodoende die atome ioniseer. Hierdie bevryde atome en ione word versnel en bots met ander atome. So word meer ladingdraers geskep. Die isolator word baie vinnig gevul met beweeglike ladingdraers en die weerstand daal tot 'n lae vlak. In 'n vaste stof is die deurslagspanning proporsioneel tot die golfsprong energie.  Die lug in 'n gebied rondom 'n hoëspanningsgeleier kan afbreek en ioniseer sonder 'rampspoedige' versterking van die stroom; dit staan bekend as 'n koronaontlading.

Gebruike

Elektriese kabels en drade word dikwels omhul met 'n buigsame bedekking -  dit staan bekend as geïsoleerde draad. Omdat lug 'n isolator is, is daar in beginsel geen ander stof nodig om krag te hou waar dit hoort nie.  Hoogspanning-kraglyne gebruik gewoonlik slegs lug aangesien 'n omhulsel van vaste stof -soos plastiek- onprakties sou wees. Drade wat aanmekaar raak veroorsaak kruisverbindings, kortsluitings en brandgevaar. Drade wat stroomspanning van 60 V en meer blootlê kan mense skok en elektrokusie tot gevolg hê.  Isolerende omhulsels voorkom hierdie probleme.

'n Geïsoleerde draad of kabel het 'n spanningsaanslag en 'n maksimum geleier temperatuur gradering. Dit mag moontlik nie 'n ampère kapasiteit (ampacity) gradering hê  nie, aangesien dit onderhorig is aan die omgewingsfaktore, bv omgewingstemperatuur.

In elektroniese sisteme word gedrukte stroombane gemaak van epoksi-plastiek en veselglas. Die nie-geleidende borde ondersteun lae van koperfoelie geleiers. In elektroniese toestelle word hierdie delikate, klein komponente vasgelê binne-in nie-geleidende epoksi – of  fenolhars, asook in gebakte glas of keramiek omhulsels.

In hoogspanning-sisteme wat transformators en kapasitors bevat, is vloeibare isolator-olie die tipiese manier waarmee die vorming van ligboë voorkom word. Die olie vervang lug in spasies wat beduidende spanning moet volhou sonder elektriese onderbreking. In ander hoogspanning-sisteme word verskeie isolasie materiale soos keramiek of glas, gas en vakuum gebruik. Soms word die drade bloot ver genoeg van mekaar geplaas sodat lug as isolasie kan dien.

Telegraaf en kraglyn-isolators

Kraglyne met keramiek isolators in Kalifornië, VSA.

Oorhoofse geleiers vir hoëspanning elektriese kragtransmissie is kaal en word geisoleer deur omringende lug. Geleiers vir laer spanning in distribusie mag 'n mate van isolasie hê maar is dikwels ook kaal. Isolerende stutte wat isoleerders genoem word, word benodig waar hulle deur nutspale en kragtorings gesteun word. Isolatore, soos transformators of stroomverbrekers, is ook nodig waar die draad 'n gebou binnegaan of by elektriese toestelle ingaan om die drade te isoleer van die omhulsel. Hierdie hol isolators met 'n geleier aan die binnekant word 'n bus (isoleerbus) genoem.

Materiaal

Isolatore vir hoëspanning kraglyne word van glas, porselein of saamgestelde polimeer materiale gemaak.  Porselein isolatore word gemaak van klei, kwarts of alumina en feldspar. Dit word bedek met 'n gladde glasuur om water af te werp. Isolatore wat gemaak is van porselein ryk aan alumina word gebruik waar hoë  meganiese sterkte 'n vereiste is. Porselein het 'n diëlektriese sterkte van omtrent  4–10 kV/mm. Glas het 'n hoër diëlektriese sterkte, maar dit is geneig tot kondensasie en dit is moeilik om glas in die dikte en oneweredige vorms te giet wat noodsaaklik is vir isolators. Sommige vervaardigers van isolatore het in die laat 1960's oorgeskakel van glas na keramiek materiale.

Sommige elektriese nutsdienste het onlangs oorgeskakel na saamgestelde polimeer materiale om sommige isolatore te maak.  Dit bestaan tipies uit 'n sentrale staaf gemaak van vesel-versterkte plastiek en 'n buitenste laag gemaak van silikoon rubber of etileenpropileendieenmonomeerrubber. (Engels = EPDM). Saamgestelde isolatore is goedkoper, weeg minder en beskik oor uitstekende hidrofobiese eienskappe. Hierdie kombinasie maak dit uiters geskik vir diens in areas waar besoedeling voorkom. Die materiaal het egter nog nie die bewese langtermyn dienslewe wat glas of porselein het nie.

Ontwerp

'n Hoogspanning- keramiek bus tydens vervaardiging – voor glasuurwerk.

• 'n Deurslaanboog vind plaas wanneer die isolasie materiaal beskadig word en geleiding toegelaat word deur die materiaal – wat dan 'n elektriese ligboog tot gevolg het deur die binnekant van die isolator. Die hitte van die ligboog berokken gewoonlik onherstelbare skade aan die isolator. Deurslagspanning is die spanning dwarsoor die isolator wat die deurslagboog veroorsaak.
• 'n Oorslaanboog vind plaas aan die buitekant van die isolator wanneer daar 'n onderbreking is in die lug rondom die oppervlak van die isolator. Die isolator is ontwerp om dit te deurstaan sonder skade. Oorvonkspanning is die spanning wat 'n oorslaanboog veroorsaak.

Die meeste hoëspanning isolatore word ontwerp met 'n oorvonkspanning wat laer is as die deurslagspanning. Dit sal dus oorvonk voordat daar 'n  deurslag is – sodoende word skade voorkom.

Besoedeling, vuiligheid, sout en veral water op die oppervlakte van 'n hoogspanning isolator kan 'n geleidingspad veroorsaak wat lekstrome en  ligboë tot gevolg het.

Dop – en penisolator koord (die vertikale koord met skywe) aan 'n 275 kV suspensie kragmas.

Soorte Isolatore

Die algemene klasse van isolatore:

• Pentipe isolatore – soos die naam beskryf, word hierdie isolator op 'n pen gemonteer op die kruisarm van die kragpaal. Daar is 'n groef aan die bokant van die isolator.  Die geleier beweeg deur hierdie groef en word aan die isolator vasgemaak met uitgegloeide draad van die dieselfde materiaal as die geleier. Pin tipe isolatore word gebruik vir die versending  en distribusie van kommunikasie en elektriese krag teen spanning tot en met 33 kV. Bokant spanning van 33 kV word die pentipe isolatore te groot en is dit onekonomies om te gebruik.
• Suspensie isolatore - Vir gebruik van spanning groter as 33 kV. Dit bestaan uit 'n aantal glas of porselein skywe wat in 'n koordvorm in serie verbind word deur metaal skakels. Die geleier word gehang aan die onderkant van die koord terwyl die bokant aan die kruisarm van die toring vasgemaak word. Die aantal skywe wat benodig word, word bepaal deur die spanning.
• Spanisolatore - Daar word 'n ankerpaal of 'n toring gebruik waar 'n seksie van die lyn eindig of waar dit wegdraai in 'n ander rigting. Hierdie pale moet die laterale (horisontale) trekkrag kan weerstaan van die lang, reguit seksie van die kabel – spanisolatore word hiervoor aangewend.
• Afhegisolator - Dit word algemeen gebruik vir lae-spanning distribusielyne – hetsy in 'n vertikale of horisontale posisie.
• Isoleerbus - bevat een of meer geleiers in 'n afskorting of omhulsel waar dit deur bv. 'n muur of 'n tenk gaan terwyl die geleiers geïsoleer word.
• Lyn pilaarisolator
• Stasie pilaarisolator
• Uitskakelaar

Geskiedenis

Die eerste elektriese stelsels wat gebruik gemaak het van isolatore was telegraaflyne. Daar is gevind dat die direkte aanhegting van kabels aan houtpale baie swak resultate opgelewer het – veral in nat weerstoestande.

Maatskappye in die Verenigde Koninkryk was van die eerstes om keramiek isolatore te vervaardig.  Stiff en Doulton het erdewerk gebruik van die middel 1840's af; Joseph Bourne het dit produseer vanaf om en by 1860 en Bullers vanaf 1868. Patent nommer 48,906 is verleen aan Louis A. Cauvet op 25 Julie 1865 vir 'n proses om isolatore te vervaardig met 'n skroef-pengat. Penisolatore het vandag steeds skroefdraad pengate.