电气绝缘基本知识

一、常用绝缘材料 1. 绝缘材料的主要性能 绝缘材料的主要作用是隔离带电的或不同电位的导体, 使电流能按预定的方向流动。 绝缘材料大部分是有机材料, 其耐热性、 机械强度和寿命比金属材料低得多。

2、绝缘工作类型

3. 绝缘材料的种类 电工绝缘材料分气体、 液体和固体以及真空四大类。

固体绝缘材料按其其化学性质不同，可分为无机绝缘材料、有机绝缘材料和混合绝缘材料。常用的无机绝缘材料有：云母、石棉、大理石、瓷器、玻璃、硫黄等，主要用作电机、电器的绕组绝缘、开关的底板和绝缘子等。有机绝缘材料有：虫胶、树脂、橡胶、棉纱、纸、麻、人造丝等，大多用以制造绝缘漆，绕组导线的被覆绝缘物等。混合绝缘材料为由以上两种材料经过加工制成的各种成型绝缘材料，用作电器的底座、外壳等。

固体绝缘材料的分类 分 类 代 号 分 类 名 称 1 漆、 树脂和胶类 4 压塑料类 2 浸渍纤维制品类 5 云母制品类 3 层压制品类 6 薄膜、 粘带和复合制品类

固体绝缘材料的主要性能指标有以下几项: （1） 击穿强度。 （2） 绝缘电阻。 （3） 耐热性。 （4） 粘度、 固体含量、 酸值、 干燥时间及胶化时间。 （5） 机械强度。 根据各种绝缘材料的具体要求， 相应规定抗张、 抗压、 抗弯、 抗剪、 抗撕、 抗冲击等各种强度指标。

为了全面表示固体电工绝缘材料的类别、 品种和耐热等级, 用四位数字表示绝缘材料的型号: 第一位数字为分类代号, 以表 1-8中的分类代号表示; 第二位数字表示同一分类中的不同品种; 第三位数字为耐热等级代号; 第四位数字为同一种产品的顺序号， 用以表示配方、 成分或性能上的差别。

电气设备绝缘可分为自恢复绝缘和非自恢复绝缘两大类。自恢复绝缘的绝缘性能破坏后可以自行恢复，一般是指空气间隙和与空气接触的外绝缘。非自恢复绝缘放电后其绝缘性能不能自行恢复，通常是由固体介质、液体介质构成的设备内绝缘。

绝缘材料的作用是在电气设备中把电势不同的带电部分隔离开来。因此绝缘材料首先应具有较高的绝缘电阻和耐压强度，并能避免发生漏电、击穿等事故。其次耐热性能要好，避免因长期过热而老化变质；此外，还应有良好的导热性、耐潮防雷性和较高的机械强度以及工艺加工方便等特点。根据上述要求，常用绝缘材料的性能指标有绝缘强度、抗张强度、比重、膨胀系数等。

绝缘耐压强度：绝缘体两端所加的电压越高，材料内电荷受到的电场力就越大，越容易发生电离碰撞，造成绝缘体击穿。使绝缘体击穿的最低电压叫做这个绝缘体的击穿电压。使1毫米厚的绝缘材料击穿时，需要加上的电压千伏数叫做绝缘材料的绝缘耐压强度，简称绝缘强度。由于绝缘材料都有一定的绝缘强度，各种电气设备，各种安全用具（电工钳、验电笔、绝缘手套、绝缘棒等），各种电工材料，制造厂都规定一定的允许使用电压，称为额定电压。使用时承受的电压不得超过它的额定电压值，以免发生事故。

抗张强度：绝缘材料单位截面积能承受的拉力，例如玻璃每平方厘米截面积能承受1400牛顿的拉力。 绝缘材料的温度：温度越高，绝缘材料的绝缘性能越差。为保证绝缘强度，每种绝缘材料都有一个适当的最高允许工作温度，在此温度以下，可以长期安全地使用，超过这个温度就会迅速老化。按照耐热程度，把绝缘材料分为Y、A、E、B、F、H、C等级别。例如表1中A级绝缘材料的最高允许工作温度为105℃，一般使用的配电变压器、电动机中的绝缘材料大多属于A级。

二、绝缘劣化影响因素

三、绝缘试验

四、绝缘距离 1、 安全距离包括电气间隙（空间距离），爬电距离（沿面距离）和绝缘穿透距离。 2、 电气间隙：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿空气测量的最短距离。 3、 爬电距离：两相邻导体或一个导体与相邻电机壳表面的沿绝绝缘表面测量的最短距离。

电气间隙 　　在两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间测得的最短空间距离。即在保证电气性能稳定和安全的情况下，通过空气能实现绝缘的最短距离。 电气间隙的大小和老化现象无关。电气间隙能承受很高的过电压，但当过电压值超过某一临界值后，此电压很快就引起电击穿，因此在确认电气间隙大小的时候必须以设备可能会出现的最大的内部和外部过电压（脉冲耐受电压为依据）。在不同场合使用同一电气设备或运用过电压保护器时所出现的过电压大小各不相同。因此根据不同的使用场合将过电压分为Ⅰ至Ⅳ四个等级。

电气间隙的测量步骤： 1、确定工作电压峰值和有效值； 2、确定设备的供电电压和供电设施类别  ；  3、根据过电压类别来确定进入设备的瞬态过电压大小；    4、确定设备的污染等级（一般设备为污染等级 2）；    5、确定电气间隙跨接的绝缘类型（功能绝缘、基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘）。

爬电距离 沿绝缘表面测得的两个导电零部件之间或导电零部件与设备防护界面之间的最短路径。即在不同的使用情况下，由于导体周围的绝缘材料被电极化，导致绝缘材料呈现带电现象。此带电区（导体为圆形时，带电区为环形）的半径，即为爬电距离。

确定爬电距离步骤  1、确定工作电压的有效值或直流值； 2、确定材料组别（根据相比漏电起痕指数，其划分为：Ⅰ组材料，Ⅱ组材料，Ⅲa 组材料,  Ⅲb组材料。注：如不知道材料组别，假定材料为Ⅲb 组） 3、确定污染等级； 4、确定绝缘类型（基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘）

IEC664A：1985《电气间隙与爬电距离》

爬电距离 　　在绝缘材料表面会形成泄漏电流路径。若这些泄漏电流路径构成一条导电通路，则出现表面闪络或击穿现象。绝缘材料的这种变化需要一定的时间，它是由长时间加在器件上的工作电压所引起的，器件周围环境的污染能加速这一变化。 　　因此在确定端子爬电距离时要考虑工作电压的大小、污染等级及所运用的绝缘材料的抗爬电特性。根据基准电压、污染等级及绝缘材料组别来选择爬电距离。基准电压值是从供电电网的额定电压值推导出来的。

在 GB4943；2.10 条款中指出电气间隙的尺寸应使得进入设备的瞬态过电压和设备内部产生的峰值电压不能使其击穿。爬电距离的的尺寸应使得绝缘在给定的工作电压和污染等级下不会产生闪络或击穿（起痕）。由此可以看出，电气间隙和爬电距离的防范对象和考核目的不同。电气间隙防范的是瞬态过电压或峰值电压；而爬电距离是考核绝缘在给定的工作电压和污染等级下的耐受能力。

污染等级 指根据导电的或吸湿的尘埃、游离气体或盐类和相对湿度的大小，以及由于吸湿或凝露导致表面介是强度和/或电阻率下降事件发生的频度，而对环境条件作出的分级。 电器预期使用的环境条件与该处污染等级有关。确定影响绝缘性能的是爬电距离或电气间隙的微观环境，而并非电器的环境，微观环境可能比电器环境好或差，取决于影响绝缘的所有因素，例如气候和电磁条件，污染源等。

用来确定电气间隙或爬电距离的微观环境污染等级可分为4级。 污染等级1：无污染或仅有干燥的非导电性的污染。 污染等级2：一般情况仅有非导电性污染，但必须考虑到偶然由于凝露造成短暂的导电性。 污染等级3：有导电性污染，或由于预期的凝露使干燥的非导电性污染变为导电性的。 污染等级4：造成持久性的导电性污染，例如由于导电尘埃或雨雪所造成的污染。 除非有关产品标准另有规定，工业用电器一般选取用于污染等级为3级的环境，家用和类似用途电器一般选取用于污染等级为2级的环境。 示例：KEW1（DW45）万能式断路器　污染等级为3级，表示可最高承受污染等级为3的环境条件 ；

户内开关设备外绝缘最小公称爬电比距要求 公称爬电比距为外绝缘爬电距离与其额定电压(即最高电压)之比，单位mm/kV。 等值附盐密度(简称盐密),是用一定量的蒸馏水清洗绝缘子表面的污秽,然后测量该清洗液的电导,并以在相同水量中产生相同电导的氯化钠数量的多少作为该绝缘子的等值盐量,最后除以被清洗的表面面积即为等值附盐密度,简称等值盐密

户外开关设备外绝缘最小公称爬电比距要求

绝缘配合：考虑所采用的过电压保护措施后，根据可能作用的过电压、设备的绝缘特性及可能影响绝缘特性的因素，合理选择设备绝缘水平的方法。 电气设备的绝缘特性，一方面与预期过电压和过压保护装置的特性有关，另一方面与预期的微观环境和污染防护方式有关。 漏电起痕：固定绝缘材料的表面由于电场和电解液的共同作用逐渐形成的导电通路的过程。 相比漏电起痕指数：一种材料经受50滴规定的试验溶液而不出现漏电痕迹的最大电压值，单位用伏表示 额定绝缘电压：电器的额定绝缘电压是一个与介质试验电压和爬电距离有关的电压值。在任何情况下最大的额定工作电压值不应超过额定绝缘电压值。 额定冲击耐受电压：在规定的试验条件下，成套设备的电路能够承受的规定波形和极性的脉冲电压峰值，而且电间隙值参照此电压值确定。成套设备中一条电路的额定冲击耐受电压应等于或高于成套设备所在系统中出现的瞬态过电压规定值。

绝缘水平是电工设备能够耐受的试验电压值： 　　①短时工频耐受电压值。 　　②雷电冲击耐受电压值。 　　③操作冲击耐受电压值。 　　④长时间工频试验电压值。 　　这些试验电压的波形、数值、施加方法、时间、次数等，各国都有国家标准明确规定。

基于以上三原则，电器的额定冲击耐受电压(优先值)Uimp就与电源系统的相对地电压和电器的安装类别等有很大的关系：相对地电压值越大，安装类别越高[分为I(信号水平级)、Ⅱ(负载水平级)、Ⅲ(配电水平级)、Ⅳ(电源水平级)]，要求额定冲击耐受电压就越大。例如相对地电压为220V，安装类别为Ⅲ时，Uimp为4.0KV，要是安装类别为Ⅳ，Uimp为6.0KV。一般塑壳式断路器的Uimp为6.0KV污染等级3级或4级，其最小的电气间隙是5.5mm。而产品的实际的电气间隙，都大于5.5mm。

综上所述，如果电器产品的电气间隙和爬电距离，达到绝缘配合要求，就不会因为外来过电压或线路设备本身的操作过电压造成设备的介质电击穿。

电介质的电导 任何电介质都不同程度地具有一定的电导性，只不过其电导率很小而以，表征电介质电导电性能的主要物理量即为电导率γ或其倒数—电阻率ρ。 按照载流子的不同，电介质的导电可分为离子电导和电子电导两种，前者以离子为载流子，后者以自由电子为载流子。在正常情况下，电解质电导主要是离子电导，这同金属导体的主要电导依靠自由电子有本质的区别。 电介质的电导率随温度按指数规律上升，所以测量电解质和绝缘电阻时，必须注意温度问题。

电介质损耗（dielectric losses ）： 电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗。 电介质中在交变电场作用下转换成热能的能量。这些热会使电介质升温并可能引起热击穿，因此，在电绝缘技术中，特别是当绝缘材料用于高电场强度或高频的场合，应尽量采用介质损耗因数（即电介质损耗角正切，它是电介质损耗与该电介质无功功率之比）较低的材料。但是，电介质损耗也可用作一种电加热手段，即利用高频电场（一般为0.3～300 兆赫） 对电介质损耗大的材料（如木材、纸、陶瓷等）进行加热。这种加热由于热量产生在介质内部，比外部加热的加热速度快、热效率高，且加热均匀。频率高于 300兆赫时 ，达到微波波段 ，即为微波加热（ 家用微波炉即据此原理）。

电介质损耗的形式 ①电导损耗 ：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。气体的电导损耗很小，而液体、固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。 电导损耗，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种条件下都有电导损耗。绝缘好时，液、固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样，是随温度的增加而急剧增加的。 ②游离损耗 ：气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。即局部放电是指液、固体绝缘间隙中，导体间的绝缘材料局部形成“桥路”的一种电气放电，这种局部放电可能与导体接触或不接触。这种损耗称为电晕损耗。 ③极化损耗 ：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。它与温度有关，也与电场的频率有关。极化损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。用 tg δ来表征电介质在交流电场下的损耗特征。

最基本的极化形式有电子式极化、离子式极化和偶极子极化等三种，此外还有夹层极化和空间极化等。

1）电子式极化 当物质原子里的电子轨道受到外电场作用时，它将相对于原子核产生位移，这就是电子式极化。当外电场撤掉后，依靠正负电子间的吸引力，作用中心又马上重合，整体呈现非极性，所以这种极化没有损耗。 2）离子式极化 固体无机化合物多属离子式结构，如云母、陶瓷材料等。无外电场作用时，每个分子正负离子的作用中心是重合的，故不呈现极性。离子式极化也属于弹性极化，几乎没有损耗。 3）偶极子极化 偶极子是一种特殊的分子，它的正负电荷的中心不相重合，好像分子的一端带有正电荷、另一端带有负电荷一样，因而形成一个永久性的偶极矩。例如、蓖麻油、橡胶、胶木等都是常用的极性绝缘材料。 4）夹层极化 由于介电常数和电导率的多种电解质组成的结缘结构，在加上外电场后各层电压将从开始是按介电常数分布逐渐过渡到稳定时按电导率分布。在电压重新分布过程中，夹层截面上会聚集起一些电荷，使整个介质等值电容增大，这种极化称为夹层极化。

各种极化对比表 极化种类 产生场合 所需时间 能量损耗 产生原因 电子式极化 任何电介质 10-15s 无 束缚电子运行轨道偏移 离子式极化 离子结构电介质 10-13s 几乎没有 离子的相对偏移 偶极子极化 极性电介质 10-10s~10-2s 有 偶极子的定向排列 夹层极化 多层介质交界面 10-1s~数小时 自由电子移动

介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，原外加电场(真空中)与最终介质中电场比值即为介电常数(permittivity),又称诱电率。如果有高介电常数的材料放在电场中，场的强度会在电介质内有可观的下降。

“介电常数” 在工具书中的解释： 　　又称电容率或相对电容率，表征电介质或绝缘材料电性能的一个重要数据，常用ε表示。它是指在同一电容器中用同一物质为电介质和真空时的电容的比值，表示电介质在电场中贮存静电能的相对能力。介电常数愈小绝缘性愈好。空气和CS2的ε值分别为1.0006和2.6左右，而水的ε值特别大，10℃时为 83.83。

局部放电 当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘 部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的这种放电现象，称为局部放电。

局部放电的种类： ①绝缘材料内部放电（固体-空穴；液体-气泡）； ②表面放电； ③高压电极尖端放电。

局部放电现象，主要指的是高压电气设备。 　　高压设备绝缘在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电。这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短（路桥）接而不形成导电通道为限。每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。因此，设计高压电力设备绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对运行中的设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。

局部放电对电力设备的影响 　　当绝缘发生局部放电时就会影响绝缘寿命。每次放电，高能量电子或加速电子的冲击，特别是长期局部放电作用都会引起多种形式的物理效应和化学反应，如带电质点撞击气泡外壁时，就可能打断绝缘的化学键而发生裂解，破坏绝缘的分子结构，造成绝缘劣化，加速绝缘损坏过程。

局部放电的一些特点 1、局部放电是局部过热，电器元件和机械元件老化的预兆 ；放电能量很小，短时间内存在不影响电气设备的绝缘强度； 2、局部放电趋势是局放随着时间的上升指数；对绝缘的危害是逐渐加大的，它的发展需要一定时间-累计效应-缺陷扩大-绝缘击穿。 3、在绝缘结构中产生局部放电时，会伴随产生电脉冲、超声波、电磁辐射、光、化学反应，并引起局部发热等现象； 4、对绝缘系统寿命的评估分散性很大。与发展时间、局放种类、产生位置、绝缘种类等有关。

局部放电测试的目的和意义： 　　确定试品是否存在放电及放电是否超标,确定局部放电起始和熄灭电压。发现其它绝缘试验不能检查出来的绝缘局部隐形缺陷及故障。

局部放电主要参量： ①局部放电的视在电荷： 　　①局部放电的视在电荷： 　　电荷瞬时注入试品两端时,试品两端电压的瞬时变化量与试品局部放电本身所引起电压瞬变量相等的电荷量,一般用pC(皮库)表示。 　　②局部放电试验电压： 　　按相关规定施加的局部放电试验电压，在此电压下局部放电量不应超过规定的局部放电量值。 　　③规定的局部放电量值： 　　在规定的电压下，对给定的试品，在规程或规范中规定的局部放电参量的数值。 　　④局部放电起始电压： 　　试品两端出现局部放电时，施加在试品两端的电压值。 　　⑤局部放电熄灭电压: 　　试品两端局部放电消失时的电压值。（理论上比起始电压低一半，但实际上要低很多5%-20%甚至更低）