绝缘材料的电气性能

一、绝缘材料的电气性能
绝缘材料又称为电介质，其导电能力很差，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。
绝缘材料种类：
气体绝缘 材料 液体绝缘 材料 固体绝缘 材料 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 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 （因同时具有支撑作用，故用的较多） 空气、氮、氢、二氧化碳和六氟化硫等
第二章 直接接触电击防护
◆触及正常运行带电体所发生的电击，称为直接接触 电击。
◆直接接触电击防护就是使危险的带电部分不会被有
意或无意地触及。最常用的防护措施是绝缘、屏护和 间距。
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。绝缘是防止电事 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。
作用下使纤维极化而定向排列联成小桥，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，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
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，造成泄 漏电流过大而使设备损坏
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。
2. 介电常数
• 介电常数εr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。束缚电荷也产生极化电场，极化电场总 是削弱外电场的。
相对介电常数 εr 为：

r
C
c
0
C0为电容器极板间为真空时的电容量，C为极板间是某种电介质时的电容量。 • 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。
产生碰撞游离，击穿电压也逐渐升高。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 25～30kV/cm 。
(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，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。当液体含杂质，由于水和纤维的极性强，在强电场的
式中：ω—— 电源角频率 ；ε—— 电介 质介电常数 ；E —— 电介质内电场强 度；tan δ—— 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tanδ 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 tanδ 值愈小愈
3. 介质损耗 • 在交流电压作用下，电介质中的部分电能转变成热能，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P=
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 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 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 下降，介电常数减小。 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 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 减小。 显增加。因此，通过测量介电常数，能够判质受潮程度等。
• 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( 或电导率γ) 、相对介电常数 εr、介质损耗角 tanδ 及击穿强度EB四个参数来表示。
绝缘示意图
电源线
可触及部分
附加绝缘
基本绝缘
带电导体
Baidu Nhomakorabea
钢化玻璃绝缘子串、 支柱式绝缘子 干式变压器
1.绝缘电阻率和绝缘电阻 • 电介质的带电质点主要为本征离子和杂
好。而当绝缘受潮或劣化时， 因有功电流明显增加，会使 tanδ
值剧烈上升。也就是说，tanδ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。
质离子。在电场的作用下，它们可作有
向运动，形成泄漏电流。在外加电压作 用下的绝缘材料的等效电路如图，电阻 支路的电流 Ii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 IC 称为充电电流，
是由几何电容等效应构成的电流。
• 温度、湿度、杂质含量和电场强度的增加都可能降低电介质的电阻率。
二、绝缘的破坏
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. 绝缘击穿
(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。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，因而形成电子崩向阳极发展，形成一条具有高电导的通道，导致气体击 穿。 • 规律：气压很低时，气体分子稀少，碰撞游离少，击穿电压很高。气压增大，碰 撞游离增加，击穿电压下降，在某一特定气压下出现最小值；但当气压继续升高， 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