直接接触电击防护

第二章直接接触电击防护直接接触电击的基本防护原则是：应当使危险的带电部分不会被有意或无意地触及。

本章所介绍的是最为常用的直接接触电击的防护措施，即绝缘、屏护和间距。

这些措施是各种电气设备都必须考虑的通用安全措施，其主要作用是防止人体触及或过分接近带电体造成触电事故以及防止短路、故障接地等电气事故。

第一节绝缘绝缘是指利用绝缘材料对带电体进行封闭和隔离。

长久以来，绝缘一直是作为防止电事故的重要措施，良好的绝缘也是保证电气系统正常运行的基本条件。

一、绝缘材料的电气性能绝缘材料又称为电介质，其导电能力很小，但并非绝对不导电。

工程上应用的绝缘材的电阻率一般都不低于1×107 Ω·m 。

绝缘材料的主要作用是用于对带电的或不同电位的导体进行隔离，使电流按照确定线路流动。

绝缘材料的品种很多，一般分为：①气体绝缘材料，常用的有空气、氮、氢、二氧化碳和六氟化硫等；②液体绝缘材料，常用的有从石油原油中提炼出来的绝缘矿物油，十二烷基苯、聚丁二烯、硅油和三氯联苯等合成油以及蓖麻油；③固体绝缘材料，常用的有树脂绝缘漆，纸、纸板等绝缘纤维制品，漆布、漆管和绑扎带等绝缘浸渍纤维制品，绝缘云母制品，电工用薄膜、复合制品和粘带，电工用层压制品，电工用塑料和橡胶、玻璃、陶瓷等。

绝缘材料的电气性能主要表现在电场作用下材料的导电性能、介电性能及绝缘强度。

它们分别以绝缘电阻率ρ( 或电导γ) 、相对介电常数εr、介质损耗角 tanδ及击穿强度E B四个参数来表示。

本节暂先介绍前三个参数。

1.绝缘电阻率和绝缘电阻任何电介质都不可能是绝对的绝缘体，总存在一些带电质点，主要为本征离子和杂质离子。

在电场的作用下，它们可作有方向的运动，形成漏导电流，通常又称为泄漏电流。

在外加电压作用下的绝缘材料的等效电路如图 2-1a 所示；在直流电压作用下的电流如图 2-1b 所示。

图中，电阻支路的电流 Ii 即为漏导电流；流经电容和电阻串联支路的电流Ia 称为吸收电流，是由缓慢极化和离子体积电荷形成的电流；电容支路的电流 I C称为充电电流，是由几何电容等效应构成的电流。

绝缘电阻率和绝缘电阻分别是绝缘结构和绝缘材料的主要电性参数之一。

为了检验绝缘性能的优劣，在绝缘材料的生产和应用中，经常需要测定其绝缘电阻率，包括体积电阻率和表面电阻率，而在绝缘结构的性能和使用中经常需要测定绝缘ε电阻。

温度、湿度、杂质含量和电场强度的增加都会降低电介质的电阻率。

温度升高时，分子热运动加剧，使离子容易迁移，电阻率按指数规律下降。

湿度升高，一方面水分的浸入使电介质增加了导电离子，使绝缘电阻下降；另一方面，对亲水物质，表面的水分还会大大降低其表面电阻率。

电气设备特别是户外设备，在运行过程中，往往因受潮引起绝缘材料电阻率下降，造成泄漏电流过大而使设备损坏。

因此，为了预防事故的发生，应定期检查设备绝缘电阻的变化。

杂质的含量增加，增加了内部的导电离子，也使电介质表面污染并吸附水分，从而降低了体积电阻率和表面电阻率。

在较高的电场强度作用下，固体和液体电介质的离子迁移能力随电场强度的增强而增 大，使电阻率下降。

当电场强度临近电介质的击穿电场强度时，因出现大量电子迁移，使绝 缘电阻按指数规律下降。

2. 介电常数电介质在处于电场作用下时，电介质中分子、原子中的正电荷和负电荷发生偏移、使得 正、负电荷的中心不再重合，形成电偶极子。

电偶极子的形成及其定向排列称为电介质的极 化。

电介质极化后，在电介质表面上产生束缚电荷。

束缚电荷不能自由移动。

介电常数是表明电介质极化特征的性能参数。

介电常数愈大，电介质极化能力愈强，产 生的束缚电荷就愈多。

束缚电荷也产生电场，且该电场总是削弱外电场的。

因此，处在电介 质中的带电体周围的电场强度，总是低于同样带电体处在真空中时其周围的电场强度。

现用电容器来说明介电常数的物理意义。

设电容器极板间为真空时，其电容量为 Co ，而当极板间充满某种电介质时，其电容量变为 C ， 则 C 与 Co 的比值即该电介质的相对介电常数，即：C Cr =ε （2.1） 在填充电介质以后，由于电介质的极化，使靠近电介质表面处出现了束缚电荷，与其对应，在极板上的自由电荷也相应增加，即填充电介质之后，极板上容纳了更多的自由电荷，说明电容被增大。

因此，可以看出，相对介电常数总是大于 1 的。

绝缘材料的介电常数受电源频率、温度、湿度等因素而产生变化。

随频率增加，有的极化过程在半周期内来不及完成，以致极化程度下降，介电常数减小。

随温度增加，偶极子转向极化易于进行，介电常数增大；但当温度超过某一限度后，由于热运动加剧，极化反而困难一些，介电常数减小。

随湿度增加，材料吸收水分，由于水的相对介电常数很高 ( 在 80 左右 )，且水分的 侵入能增加极化作用，使得电介质的介电常数明显增加。

因此，通过测量介电常数，能够判质受潮程度等。

大气压力对气体材料的介电常数有明显影响，压力增大，密度就增大，相对介电增大。

3. 介质损耗 在交流电压作用下，电介质中的部分电能不可逆地转变成热能，这部分能量叫做介质损耗。

单位时间内消耗的能量叫做介质损耗功率。

介质损耗一种是由漏导电流引起的；另一种是由于极化引起的。

介质损耗使介质发热，是电介质热击穿的根源。

施加交流电压时，电流、电压的相量关系如图 2-2 所示。

总电流与电压的相位差φ，即电介质的功率因数角。

功率因数角的余角δ称为介质损耗角。

根据相量图，不难求出单位体积内介质损耗功率为P=δωεtan 2E （2.2）式中：ω—— 电源角频率 , ω =2 π ；ε—— 电介质介电常数 ； E —— 电介质内电场强度；tans —— 介质损耗角正切。

由于 P 值与试验电压、试品尺寸等因素有关，难于用来对介质品质作严密的比较，所以，通常是以 tan δ 来衡量电介质的介质损耗性能。

对于电气设备中使用的电介质，要求它的 tan δ 值愈小愈好。

而当绝缘受潮或劣化时， 因有功电流明显增加，会使 tan δ 值剧烈上升。

也就是说，tan δ能更敏感地反映绝缘质量。

因此，在要求高的场合，需进行介质损耗试验。

影响绝缘材料介质损耗的因素主要有频率、温度、湿度、电场强度和辐射。

影响过程比较复杂，从总的趋势上来说，随着上述因素的增强，介质损耗增加。

二、绝缘的破坏 在电气设备的运行过程中，绝缘材料会由于电场、热、化学、机械、生物等因素的作用，使绝缘性能发生劣化。

1. 绝缘击穿 当施加于电介质上的电场强度高于临界值时，会使通过电介质的电流突然猛增，这时绝缘材料被破坏，完全失去了绝缘性能，这种现象称为电介质的击穿。

发生击穿时的电压称为击穿电压，击穿时的电场强度简称击穿场强。

(1) 气体电介质的击穿。

气体击穿是由碰撞电离导致的电击穿。

在强电场中，带电质点 ( 主要是电子 ) 在电场中获得足够的动能，当它与气体分子发生碰撞时，能够使中性分子电离为正离子和电子。

新形成的电子又在电场中积累能量而碰撞其他分子，使其电离，这就是碰撞电离。

碰撞电离过程是一个连锁反应过程，每一个电子碰撞产生一系列新电子，因而形成电子崩。

电子崩向阳极发展，最后形成一条具有高电导的通道，导致气体击穿。

在均匀电场中，当温度一定，电极距离不变，气体压力很低时，气体中分子稀少，碰撞游离机会很少，因此击穿电压很高。

随着气体压力的增大，碰撞游离增加，击穿电压有所下降，在某一特定的气压下出现最小值；但当气体压力继续升高，密度逐渐增大，平均自由行程很小，只有更高的电压才能使电子积聚足够的能量以产生碰撞游离，击穿电压也逐渐升高。

利用此规律，在工程上常采用高真空和高气压的方法来提高气体的击穿场强。

空气的击穿场强约为 25～3OkV/cm 。

②③(2) 液体电介质的击穿。

液体电介质的击穿特性与其纯净度有关，一般认为纯净液体的击穿与气体的击穿机理相似，是由电子碰撞电离最后导致击穿。

但液体的密度大，电子自由行程短，积聚能量小，因此击穿场强比气体高。

工程上液体绝缘材料不可避免地含有气体、液体和固体杂质。

如液体中含有乳化状水滴和纤维时，由于水和纤维的极性强，在强电场的作用下使纤维极化而定向排列，并运动到电场强度最高处联成小桥，小桥贯穿两电极间引起电导剧增，局部温度骤升，最后导致击穿。

例如，变压器油中含有极少量水分就会大大降低油的击穿场强。

含有气体杂质的液体电介质的击穿可用气泡击穿机理来解释。

气体杂质的存在使液体呈现不均匀性，液体局部过热，气体迁移集中，在液体中形成气泡。

由于气泡的相对介电常数较低，使得气泡内的电场强度较高，约为油内电场强度的 2.2～2.4 倍，而气体的临界场强比油低得多，致使气泡游离，局部发热加剧，体积膨胀，气泡扩大，形成连通两电极的导电小桥，最终导致整个电介质击穿。

为此，在液体绝缘材料使用之前，必须对其进行纯化、脱水、脱气处理；在使用过程中应避免这些杂质的侵入。

液体电介质击穿后，绝缘性能在一定程度上可以得到恢复。

(3) 固体电介质的击穿。

固体电介质的击穿有电击穿、热击穿、电化学击穿、放电击穿等形式。

①电击穿。

这是固体电介质在强电场作用下，其内少量处于导带的电子剧烈运动，与晶格上的原子( 或离子 ) 碰撞而使之游离，并迅速扩展下去导致的击穿。

电击穿的特点是电压作用时间短，击穿电压高。

电击穿的击穿场强与电场均匀程度密切相关，但与环境温度及电压作用时间几乎无关。

②热击穿。

这是固体电介质在强电场作用下，由于介质损耗等原因所产生的热量不能够及时散发出去，会因温度上升，导致电介质局部熔化、烧焦或烧裂，最后造成击穿。

热击穿的特点是电压作用时间长，击穿电压较低。

热击穿电压随环境温度上升而下降，但与电场均匀程度关系不大。

③电化学击穿。

这是固体电介质在强电场作用下，由游离、发热和化学反应等因素的综合效应造成的击穿。

其特点是电压作用时间长，击穿电压往往很低。

它与绝缘材料本身的耐游离性能、制造工艺、工作条件等因素有关。

④放电击穿。

这是固体电介质在强电场作用下，内部气泡首先发生碰撞游离而放电，继而加热其他杂质，使之气化形成气泡，由气泡放电进一步发展，导致击穿。

放电击穿的击穿电压与绝缘材料的质量有关。

固体电介质一旦击穿，将失去其绝缘性能。

实际上，绝缘结构发生击穿，往往是电、热、放电、电化学等多种形式同时存在，很难截然分开。

一般来说，在采用 tanδ值大、耐热性差的电介质的低压电气设备，在工作温度高、散热条件差时，热击穿较为多见。

而在高压电气设备中，放电击穿的概率就大些。

脉冲电压下的击穿一般属电击穿。

当电压作用时间达数十小时乃至数年时，大多数属于电化学击穿。

2. 绝缘老化电气设备在运行过程中,其绝缘材料由于受热、电、光、氧、机械力 ( 包括超声波 ) 、辐射线、微生物等因素的长期作用，产生一系列不可逆的物理变化和化学变化，导致绝缘材料的电气性能和机械性能的劣化。