Elektrisk isolator

Elektrisk isolator er en enhet beregnet for elektrisk isolasjon og mekanisk innfesting av utstyr eller ledere som er gjenstand for elektriske potensialforskjeller. Isolatorer skal hindre strømgjennomgang, derfor velges materialer der indre elektrisk ladninger ikke flyter fritt, og som ikke fører strøm under påvirkning av et elektrisk felt gjennom stoffet. 
Materialegenskapen som skiller et isolerende medium fra andre stoffer er dets resistivitet. En isolator kan være en gass, en væske eller et fast stoff. En perfekt isolator eksisterer ikke; selv materialer med høy resitivitet inneholder små mengder mobile (ladningsbærere) som kan lede en elektrisk strøm. I tillegg blir alle isolatorer elektrisk ledende om en tilstrekkelig stor spenning påtrykkes. Da vil det elektriske feltet rive elektroner bort fra atomkjernene. Dette er kjent som elektrisk gjennomslag i en isolator. Noen materialer, som glass, papir og teflon, har svært høy resistivitet og er svært gode elektriske isolatorer. En mengde materialer brukes som isolatorer selv om de har lavere resistivitet enn de beste isolatorene. Disse er allikevel gode nok til å hindre en betydelig strøm fra å gå gjennom dem ved de spenninger som brukes, og dermed anvendes de som isolasjon for elektriske ledninger. Eksempler er gummilignende polymere og de fleste plaststoffer. 
Isolatorer brukes i elektrisk utstyr for å understøtte og separere elektrisk ledere fra hverandre og omgivelsene. Et isolerende materiale som brukes som vikling rundt elektriske kabler eller annet utstyr, kalles isolasjon. Begrepet isolator brukes også mer spesifikt for å referere til isolerende komponenter som brukes til å feste de elektriske lederne i en kraftlinje til masten. Kraftlinjer med høyspenning ville vært en umulighet om en ikke hadde greid å utvikle materialer som tåler svært høye spenninger uten å ta skade.

Historie

De første elektriske systemer som gjorde bruk av isolatorer var telegraflinjer. En fant tidlig ut at om de elektriske trådene bare ble direkte festet til trestolpene, ville ikke lederne bli isolert fra hverandre godt nok, spesielt i fuktig vær. Pionerer som Thomas Edison (1847–1931) benytte glassflasker montert på bolter som ble satt inn i stolper eller trær. Etter som telegraflinjer fikk større utbredelse, begynte glassfabrikantene å produsere egnede isolatorer av glass.
Da en begynte å eksperimentere med høye spenninger for kraftoverføring, fikk en også nye problemer med isolatorene. Glass gikk i stykker ved høye temperaturer og klarte heller ikke å motstå høye spenninger. Løsningen lå i tsjekkisk keramikk. Keramikere ble leid inn for å lage porselenprodukter for de nye erobringene innenfor elektroteknikken i 1880-årene. Det å endre på eksisterende porselensprodukter var bare en midlertidig løsning, da behovet for enda høyere spenninger gjorde seg gjeldende utover i 1890-årene. William Cermak (1856–1907) fra Tsjekkia ble sjef for General Electrics porselensfabrikk, hvor han sammen med ingeniørene oppfant isolatorer av porselen med flere skålformede utspring. Disse sørget for å holde deler av isolatorene tørre i regnvær. Dessuten ble også overflaten av isolatorene stor, og dermed økte også isolasjonsmotstanden. I 1893 lyktes det for Cermak å konstruerer isolatorer som kunne tåle 10 000 V.
To år før dette hadde det blitt bygget en trefaset kraftledning fra Lauffen am Neckar til Frankfurt am Main med en spenning på 25 kV. Anledningen var den Den internasjonale elektrotekniske utstillingen i 1891, som ble avholdt i Frankfurt. Her ble det benyttet en spesiell type isolatorer med olje, se illustrasjon til høyre. Det var imidlertid isolatorer av glass eller porselen uten olje, som hadde livets rett og som ble utviklet av en rekke fabrikanter utover på 1900-tallet.
Det første kraftfordelingssystemet for underjordisk installasjon ble utviklet av Edison i 1882 i New York. Her ble det brukt kobberstenger, isolert med jute som de var innpakket i, som ble plassert i stive rør fylt med et stoff basert på bitumen. Den britiske ingeniøren Sebastian Ziani de Ferranti (1864–1930) regnes som en av pionerene for utvikling av høyspentkabler. Ved byggingen av Deptford Generating Station for kraftforsyning i London, som ble påbegynt i 1887, ble slike kabler lagt ned i undergrunnen. Disse var konstruert for en spenning på 10 000 V, og var dessuten de første papirisolerte kabler. Kabelen var bygget opp med to ledere viklet inn med brede papirbånd mettet med olje. 
Ytterligere forbedring av isolasjonen i kabler ble gjort av av den tyske ingeniøren Martin Höchstädter (1883–1973), som tok patent på en trelederkabel der hver leder hadde en skjerm utenpå isolasjonen. Dermed ble ble det elektriske feltet helt radielt gjennom isolasjon, mens tidligere kabler med en felles skjerm for alle lederne ga inhomogene og sterke feltforsterkninger som ødela isolasjonen. Denne kabelkonstruksjonen så dagens lys i 1914, og ble kjent som H-kabel. Andre oppfinnere fant ut at ødeleggelse av kabelen på grunn av termisk ekspansjon og sammentrekning kunne unngås om en tynn olje ble benyttet som impregnering. En fant på å trykksette oljen for kabelisolasjonen for å oppta disse materialspenningene, noe som gjorde at en på slutten av 1920-årene kunne anvende spenning på rundt 70 000 volt.

Bruksområder for elektrisk isolasjon

Luft er en god isolator, dermed er i prinsippet ingen annen isolasjon nødvendig for å hindre gjennomslag mellom ledere. Mellom lederne i høyspentlinjer brukes vanligvis bare luft som isolasjon, her vil isolasjon i form av for eksempel en plastkappe, ofte både være kostbart og unødvendig. Tilstrekkelig høy isolasjon fås ved å ha tilstrekkelig stor avstand mellom lederne, den såkalte isolasjonsavstanden. I visse punkter må ledere henges eller støttes opp, på slike steder benyttes isolatorer som ofte er konstruksjoner av keramikk eller glass som kan motstå svært høye spenninger.
Men selv for ledninger for lave spenninger er isolasjon nødvendig, de kan for eksempel komme så nært hverandre at det oppstår berøring som igjen gir kortslutning og brannfare i kontaktpunktene. Ledninger som fører spenninger høyere enn 60 V kan forårsake elektrosjokk som i verste fall er livstruende. Et svært fleksibelt belegg av isolerende materiale brukes ofte på elektrisk ledning og kabel, dette kalles isolert ledning. Dette bidrar til å hindre disse problemene, for eksempel i en husinstallasjon eller for elektriske apparater.
I elektroniske systemer som kretskort er disse laget av epoksy-plast og glassfiber. Selve kortet som er ikke-ledende holder sammen opptil flere sjikt av for eksempel ledende kobberfolie som forbinder komponentene. I elektroniske enheter er de små aktive komponentene integrert i ikke-ledende epoxy- eller fenoliske plaster, eller innbakt i glass eller keramiske belegg.
I mikro-elektroniske komponenter for eksempel transistorer og integrert kretser, anvendes det et silisiummateriale som normalt er en god leder. Disse kan ved hjelp av små spennings- eller strømsignaler omdannes til enten å være en god isolator eller leder.
I systemer for høyspenning er for eksempel transformatorer og kondensatorer vanlige komponenter, disse er ofte fylt med olje som virker som isolator. I tillegg er lederne viklet med papir eller påført isolerende lakk. Andre isolasjonsmaterialer i systemer for høyspenning inkluderer keramikk eller glassisolatorer, forskjellige gasser og vakuum. Desto høyere spenning, desto større utfordringer oppstår ved utforming og materialvalg av isolatorer.

Karakteristiske egenskaper for isolasjonsmaterialer

En isolator er definert som «en enhet beregnet for elektrisk isolasjon og mekanisk innfesting av utstyr eller ledere som er gjenstand for elektriske potensialforskjeller». Det vil i praksis si at en både omtaler selve materialet som en isolator, i tillegg til at det er en elektroteknisk enhet.

Elektrisk ledning

Et elektrisk isolasjonsmateriale kjennetegnes ved tilnærmet fravær av ledningsevne. Elektrisk båndteori (en gren av fysikken) sier at en ladning kan transporteres hvis det finnes energinivåer der elektroner kan eksiteres. Dette gjør at elektronene kan motta energi for derved å bevege seg gjennom en leder, for eksempel et metall. Hvis ingen slike tilstander er tilgjengelige, er materialet en isolator.
Det er vanlig å oppgi resistiviteten for isolasjonsmaterialer i enheten Ω·m. Typisk vil resistiviteten for vanlige isolasjonsmaterialer ligge i området 10¹⁰ til 10¹⁵ Ω·m.
De fleste isolatorer har et stor båndgap. Dette fordi valensbåndet som inneholder de elektronene som har høyest energi er fullt, samtidig som det er et stort energigap som skiller dette båndet fra det neste båndet over det. Det er alltid en viss spenning, den såkalte gjennomslagsspenningen som gir elektroner nok energi til å bli eksitert inn i dette båndet. Om denne spenningen blir overskredet vil materialet opphører å være en isolator, og ladning begynner å passere gjennom det.
Materialer som mangler elektroner som kan lede strøm, er isolatorer hvis de også mangler andre mobile ladninger i tillegg. Hvis for eksempel en væske eller gass inneholder ioner, kan disse bringes til bevegelse som en elektrisk strøm, og materialet er da en leder. Elektrolytter og plasmaer inneholder ioner og fungerer som ledere uavhengig av om elektroner er involvert i en strømflyt.

Dielektrisk tapsfaktor

Selv om isolasjonsmaterialer velges for å ha tilnærmet uendelig stor motstand, vil det være en liten strøm som går gjennom isolasjonen,  dermed oppstår også oppvarming og energitap. Med vekselspenning oppstår vedvarende energitap fordi molekylene blir hurtig ompolarisert. Dette tapet er proporsjonalt med frekvensen, og forårsaker varmeutvikling. De elektriske tapene er spesifisert med tapsfaktoren tan δ. I et isolasjonmateriale er det gunstig at tapsfaktoren er så liten som mulig.

Gjennomslag

Når et isolasjonsmateriale utsettes for en høy nok spenning, kan elektrisk gjennomslag inntreffe. Isolatoren blir plutselig en leder, noe som forårsaker en stor økning i strømmen gjennom den elektriske lysbuen som oppstår. Elektrisk gjennomslag oppstår når det elektriske feltet i materialet blir sterk nok til å akselerere frie ladningsbærere, altså elektroner og ioner som alltid er til stede i lave konsentrasjoner, til en høy nok hastighet til å løsrive elektroner fra atomkjernene. Dermed ioniseres atomene. Frigjorte elektroner og ioner vil i sin tur akselerert og slå løs elektroner fra andre atomer, noe som skaper flere ladningsbærere i en kjedereaksjon. Isolatoren blir dermed hurtig fylt med mobile ladningsbærere, og dens motstand synker til et lavt nivå. I et fast stoff er gjennomslagsspenningen proporsjonal med energien til båndgapet.
Vanligvis er gjennomslag i et isolasjonsmateriale ledsaget av fysiske eller kjemiske forandringer som permanent forringer materialets isolerende egenskaper. Ofte kan materialet bli fullstendig ødelagt, for eksempel ved at det begynner å brenne eller fragmenterer.
Luften i et begrenset område rundt en høyspentleder kan brytes ned og ionisere uten at noen sterk  økning av strømmen skjer, et fenomen kjent som koronautladning. Hvis den regionen av luften der gjennomslaget strekker seg går helt over til en annen leder med annen spenning, skapes en ledende bane mellom dem. En stor strøm vil flyte gjennom luften, noe som skaper en lysbue. Selv i vakuum kan en form for gjennomslag inntreffe, men da involveres ladninger som kastes ut fra overflaten av metallelektrodene. Det er altså ikke omgivelsen, i form av vakuumet, som frembringer selve lysbuen.
I enkelte isolasjonsmaterialer kan ledning finne sted ved meget høy temperatur. Varmen har da gitt den energi som er tilstrekkelig for valenselektronene til å gå opp i ledningsbåndet.

Hygroskopiske egenskaper

Hygroskopiske egenskaper er materialets evne til å oppta fuktighet. For et isolasjonsmateriale er fuktighet uønsket, ellers vil blant annet konduktansen og dermed lekkstrømmen øke. Materialer som tekstiler og papir vil derfor som regel impregneres for å unngå fuktopptak. I forbindelse med oljeisolerte transformatorer er det viktig å unngå vann i oljen. Derfor lages transformatorer enten helt tette eller at forbindelsen ut til luft skjer gjennom spesielle filtre med materialer som fjerner fuktighet.

Flammepunkt

Flammepunkt for et isolasjonsmateriale er den temperaturen som gjør at det avgir brennbare gasser. Det er ønskelig at slike gasser ikke skal oppstå eller at denne temperaturen er så høy at dette under normal drift ikke skal være noe problem.

Systemer og komponenter der forskjellige isolasjonsmaterialer brukes

En rekke faste, flytende, og gassformige isolasjonsmaterialer brukes i elektriske systemer, apparater og komponenter. Først og fremst er det fysiske krav, ikke minst spenningsnivå, som avgjør hvilke materialer og konstruksjonskrav som settes. Konstruktøren av et apparat, en maskin eller av en isolator må velge isolasjonsmateriale, form og tykkelse ut fra bruksområde, spenningsnivå, kostnad, miljøpåvirkning, ønsket livslengde og andre ønskemål.

Utforming og materialvalg

Isolatorer som brukes for høyspente kraftoverføringer, er laget av glass, porselen eller komposittpolymermaterialer. Porselensisolatorer lages av leire, kvarts eller alumina og feltspat, og er dekket med en glatt glasur for å være vannavstøtende. Isolatorer av porselen som er rikt på aluminiumoksid, blir brukt hvor høy mekanisk styrke er viktig. Porselen har en dielektrisk feltstyrke på cirka 4–10 kV/mm. Glassisolatorer blir fremstilt av herdet glass og har stor utbredelse, spesielt som isolatorskåler i kjeder.
I de siste årene har polymerkomposittmaterialer blitt vanlig for noen typer isolatorer. Disse er vanligvis sammensatt av en sentral kjerne laget av fiberarmert plast og en ytre kappe av silikongummi eller etylen-propylen-dien-monomer-gummi (EPDM-gummi) for beskyttelse mot regn og forurensninger. Komposittisolatorer er billige, lette i vekt og har utmerkede hydrofobe egenskaper. Denne kombinasjonen gjør dem ideelle for bruk i forurensede områder. Luftledninger for høyspent elektrisk kraftoverføring består av uisolerte (blanke) liner, og er isolert av den omkringliggende luften. Ledere for lavere spenning i fordelingsnettet kan ha noe isolasjon, men er ofte også blanke. Isolerende støtter kalt ståisolatorer er nødvendige på de punktene hvor lederne er holdt oppe av stolper eller tårn. Isolatorer er også nødvendige hvor ledningen går inn i bygninger eller elektriske enheter, for eksempel transformatorer eller effektbrytere, der ledningene kommer nær omgivelsene. Disse hule isolatorene med en leder inni kalles isolatorgjennomføringer eller muffer.

Kraftkabler

Elektriske kraftkabler (kabler for energioverføring) kan være isolert med polyetylen, tverrbundet polyetylen, polyvinylklorid (PVC), Kapton, gummilignende polymerer, oljeimpregnert papir, teflon, silikon, eller etylen tetrafluor (ETFE). Kraftkabler for svært høye spenninger kan være isolert med papir og trykksatt mineralolje.
En kabel for høye spenninger består av hoveddelene leder, isolasjon, skjerm og armering (se illustrasjon). Som regel består lederen av kobber eller aluminium. Lederen er sirkulær og utenpå denne ligger isolasjonen som kan være opptil flere centimeter tykk for de høyeste spenningsnivåene. For å muliggjøre at kabelen har berøring mot jordpotenisale, må det være et ledende eller halvledende lag utenpå isolasjonen. Gjennom isolasjonen vil det gå et elektrisk felt, og ved å ha dette ledende laget utenpå isolasjonen stoppes de elektriske feltlinjene. 
Ved å anbringe denne halvledende kappen over isolasjon er konstruksjonen å anse som en kondensator, noe som vil si at stor elektrisk ladning kan oppstå i kappen, spesielt om den er lang. Denne ladestrømmen må ledes mot jord, men ikke slik at isolasjonen skades. En strøm i den halvledende kappen vil nemlig føre til skadelig oppvarming. For å kontrollere ladestrømmen og lede den mot jord legges det inn en kontinuerlig metalfolie, gjerne også sammen med kobbertråder. En kaller dette for kabelens skjerm. 
I tillegg til ladestrømmen må kabelens skjerm også kunne tåle strømmen som oppstår ved kortslutning. Utenpå skjermen er det gjerne en armering som skal beskytte kabelen mekanisk. Det er typisk også en kappe som skal beskytte mot vanninntrengning.
En isolert ledning eller kabel har en maksimal spenning den kan utsettes for, i tillegg har den en høyeste tillatte ledertemperatur. Ved angivelse av høyeste nominell strømføringsevne for en leder vil denne verdien være avhengig av det omgivende miljø. For eksempel vil omgivelsestemperatur, mulighet for luftsirkulasjon og solinnstråling kunne ha stor betydning. Desto tykkere isolasjon, desto mer reduseres høyeste tillatte strøm; dermed er dette motstridende ønsker som må optimaliseres i en teknisk-økonomisk analyse.

Isolasjon i transformatorer, motorer og generatorer

I mindre transformatorer, generatorer og elektriske motorer består isolasjonen på trådviklingene av opptil flere tynne lag av lakk, en såkalt polymerfilm. Viklinger for høyere spenninger er ofte pakket inn med supplerende glassfiberisolasjonstape. De kan også være impregnert med isolerende lakk for å forhindre koronautladning. 
Viklinger i store transformator for høye spenninger er hovedsakelig isolert med papir, tre, lakk, og mineralolje. Viklingene er lakkert og papir er surret rundt dem, treplanker brukes for å klemmer viklinger sammen og det hele står montert i en beholder fylt opp med mineralolje. Selv om disse materialene har blitt brukt i mer enn 100 år, har de allikevel god balanse mellom økonomi og ytelse. Ikke bare er oljen en del av isolasjonssystemet, den sørger også for bortledning av varme ved at den strømmer rundt i transformatorkassen som i mange tilfeller har påmontert en radiator.

Kondensatorer

Kondensatorer består i prinsippet av to parallelle metallplater med et isolasjonsmateriale mellom; dette kalles for dielektrikum. De to platene, eller elektrodene, vil ved tilkobling til en vekselstrømskrets få et tidsvarierende elektrisk felt mellom seg, og for å bygge opp og ned dette feltet kreves energi. Denne energien, eller effekten, kalles for kapasitiv reaktiv effekt, og kan være ønskelig i et kraftsystem av forskjellige årsaker. En grunn til å anvende slike komponenter er blant annet for å opprettholde ønsket spenning i et kraftsystem der det er mange elektriske motorer som skaper induktiv reaktiv effekt. I tillegg til dette anvendes kondensatorer i en hel rekke forskjellige sammenhenger i elektroniske og elektriske apparater, men det er først ved høye spenninger at isolasjonen i kondensatorer blir en utfordring.
Måleenheten for en kondensators ytelse er kapasitans som måles i farad (F). Denne vil være proporsjonalt avhengig av isolasjonsmediets (dielektrikumets) permittivitet og elektrodenes areal, men omvendt proporsjonalt med deres avstand. Ofte er metallplatene laget av en tynn metallfolie, mens det brukes dielektrikum av papir, plast, glimmer, keramikk, oksider, luft og vakuum. For papir brukes ofte impregnering av olje. Spesielt for anvendelser med høy spenning brukes olje i tillegg til andre isolasjonsmaterialer.

Gassisolerte koblingsanlegg

Der en trenger å plassere flere høyspentkomponenter som brytere, måletransformatorer og samleskinnene mellom disse, kan plassbehovet for et luftisolert utendørsanlegg bli meget stort. Et annet problem kan være at bare sakkyndig driftspersonale kan ha adgang til slike anlegg. Derfor velges ofte istedenfor såkalte kapslede anlegg der komponentene plasseres inn i spesielle stålskap, som igjen står inne i et rom i en bygning. Sammenlignet med et utendørsanlegg er slike kapslede anlegg meget plassbesparende i tillegg til å kunne være helt berøringssikre.
Andre grunner til å velge innendørs kapslede anlegg er at det skal betjene en kraftstasjon under bakken, eller anlegget skal stå i byområder med kostbare arealer. Om så spenningen er på høye nivåer som 132, 300 eller 420 kV, vil plassbehovet selv for et innendørs kapslet anlegg bli stort. I slike tilfeller benyttes såkalte gasskapslete anlegg, der som regel den kjemisk stabile, fargeløse og luktfrie gassen svovelheksafluorid (SF₆) benyttes. Ledere, brytere og liknende komponenter er da montert inn i trykksatte rør (se illustrasjon). Et anlegg for spenning på 300 kV vil da trenge bare rundt 1/12 av volumet sammenlignet med et tilsvarende åpent anlegg. SF₆ er ikke brennbar eller giftig, og har en isolasjonsevne som er 2–3 ganger bedre enn luft med samme trykk.

Effektbrytere

Isolasjonsmedier av forskjellige slag brukes som såkalt slukkemiddel i effektbrytere. Effektbrytere skal kunne bryte alle strømmer i et kraftsystem; ikke bare normalt forekommende laststrømmer, men også kortslutningsstrømmer, som kan være svært mye større enn laststrømmene. I slike brytere brukes vanligvis olje eller gass, og i noen tilfeller kombineres også olje og gass. For å bryte store strømmer der kontaktene får svært stor spenning mellom seg gjennom bryteforløpet, er det ikke nok at mediet i seg selv er en god isolator. Forskjellige prinsipper finnes for de mange typene brytere, men vanligvis beveger bryterne seg med stor hastighet, samt at slukkemiddelet også strømmer mot lysbuen med stor hastighet. Dette for å lede bort varme og ionisert gass som lysbuen består av, for dermed å hindre at ny lysbue tennes når strømmen har passert sinuskurvens nullgjennomgang.