第一節　電氣的絕緣

絕緣是指利用絕緣材料對帶電體進行封閉和隔離。各種線路和設備都是由導電部分和絕緣部分組成的，良好的絕緣是保證設備和線路正常運行的必要條件，也是防止觸電事故的重要措施。設備或線路的絕緣必須與所采用的電壓相符合，必須與周圍環境和運行條件相適應。

絕緣材料又稱電介質，其導電能力很小，但并非絕對不導電。工程上應用的絕緣材料的電阻率一般在1×10⁷Ω?m以上。

絕緣材料用于對帶電的或不帶電的導體進行隔離，使電流按照確定的線路流動。

絕緣材料品種很多，一般分為氣體絕緣材料、液體絕緣材料、固體絕緣材料。電氣設備的質量和使用壽命在很大程度上取決于絕緣材料的電、熱、力學和理化性能。而絕緣材料的性能和壽命不僅與材料的組成成分、分子結構有著密切的關系，還與絕緣材料使用環境有著密切的關系。因此，應當注意絕緣材料的使用條件，以保證電氣系統的正常運行。

一、氣體絕緣材料

電氣設備的絕緣結構應用空氣或其他氣體作為絕緣介質，如線路的線間絕緣、電器的電氣間隙等。空氣在正常狀態下是良好的絕緣介質，但其擊穿電壓與大多數液體及固體介質相比是不高的。為了提高擊穿電壓使氣體絕緣性能提高，一是采用高真空，空氣稀薄時帶電粒子也少，空氣中電子與粒子碰撞機會也減少，據此，真空開關已廣泛應用于10kV系統中；二是采用高耐電強度氣體，如六氟化硫（SF₆），六氟化硫氣體常溫下不活潑、不燃、無臭味、無毒，500℃時不分解，液化溫度也較低，擊穿電壓是空氣的 2.5倍，具有良好的絕緣和滅弧性能，現已應用于220kV及以上電壓等級的高壓斷路器中。

二、液體絕緣材料

常用的液體絕緣材料有變壓器油、電容器油和電纜油。變壓器油的介電強度（20℃時）為16～21kV/mm，主要用于變壓器及油開關的絕緣和散熱。電容器油的介電強度（20℃時）為20～23kV/mm，主要用于電容器的絕緣、散熱及儲能。電纜油中的高壓充油介電強度（20℃時）≥20kV/mm，用于高壓電纜；35kV油介電強度（20℃時）為14～16kV/mm，用于低壓電纜。

絕緣油在儲存、運輸或運行使用過程中必須防止污染、老化，以保證設備安全運行，延長設備的檢修周期。

防止油的老化一般可采用加強散熱以降低油溫、用氮氣或薄膜使變壓器油與空氣隔絕、添加抗氧化劑、防止日光照射、采用熱虹吸過濾器使變壓器油再生等措施。除此之外，還必須經常檢查充油電氣設備的溫升、油面高度及其表面張力、閃點、酸值、擊穿強度和介質損耗正切值等。

若油面下降，則需補充油液。補充油的主要理化指標（如凝固點、黏度、閃點等）應與設備中的原油液相同或接近，以保證兩者混合后的安定度合格。未經處理的運行使用的油不能與變壓器油混合使用。運行使用的油質量應符合國家標準的規定要求。

三、固體絕緣材料

固體絕緣材料是應用最廣泛的絕緣材料，包括：無機絕緣材料，如云母、陶瓷、石棉等；有機絕緣材料，如棉紗、紙、橡膠等；混合絕緣材料，如絕緣壓塑料、絕緣薄膜、復合材料等。

固體絕緣材料的損傷主要是電擊穿和熱擊穿。在均勻電場中，固體絕緣材料的擊穿電壓與絕緣物的厚度成正比，機械損傷會使絕緣物變薄而易被擊穿，化學腐蝕則使絕緣物變質使厚度減小而易被擊穿。熱擊穿往往是在電壓作用很長時間后發生，長時間承受電壓、通過電流，溫度升高，使絕緣材料絕緣性能下降以致擊穿。

四、絕緣材料的電氣性能

絕緣材料的電氣性能主要表現在電場作用下材料的導電性能、介電性能及絕緣強度。它們分別以絕緣電阻率ρ、相對介電常數ε、介質損耗角正切值tanδ及擊穿場強E_b四個參數來表示。

1.絕緣電阻率和絕緣電阻

任何電介質都不可能是絕對的絕緣體，總存在一些帶電粒子，在電場的作用下，它們做有方向的運動，形成漏電流，在外加電壓作用下的絕緣材料的等效電路如圖2-1（a）所示。絕緣材料在直流電壓下的電流曲線如圖2-1（b）所示。圖2-1中電阻支路電流I_G即為漏電流；流經電容和電阻串聯支路的電流I_a稱為吸收電流，是由緩慢極化和離子體積電荷形成的電流；電容支路的電流I_c稱為充電電流，是由幾何電容等效而構成的電流。

絕緣電阻率和絕緣電阻是電氣設備和電氣線路最基本的絕緣電氣性能指標。足夠的絕緣電阻能把電氣設備的漏電流限制在很小的范圍內，防止由漏電引起觸電事故。不同的線路或設備對絕緣電阻有不同的要求。一般來說，高壓較低壓要求高；室外設備較室內設備要求高；移動設備較固定設備要求高。

為了檢驗絕緣性能的優劣，在絕緣材料的生產和應用中，需要經常測定其絕緣電阻率及絕緣電阻。溫度、濕度、雜質含量和電場強度的增加都會降低電介質的電阻率。

①溫度升高時，分子熱運動加劇，使離子容易遷移，電阻率按指數規律下降。

②濕度加大時，一方面，水分侵入使電介質導電離子增加，絕緣電阻下降；另一方面，對親水物質，表面的水分還會大大降低其表面電阻率。電氣設備特別是戶外設備，在運行過程中，往往受潮而引起絕緣材料電阻率下降，造成漏電流過大而使設備損壞。因此，為了預防事故的發生，應定期檢查設備絕緣電阻的變化。

③雜質含量增加，增加了電介質內部的導電離子，也使電介質表面污染并吸附水分，從而降低了體積電阻率和表面電阻率。

④在較高的電場強度作用下，固體或液體電介質的離子遷移能力隨電場強度增大而增大，使電阻率下降。當電場強度臨近電介質的擊穿電場強度時，因出現大量電子遷移，使電阻率按指數規律下降。

2.介電常數

電介質處于電場作用下時，電介質分子、原子中的正電荷和負電荷發生偏移，使得正、負電荷的中心不再重合，形成電偶極子。電偶極子的形成及其定向排列稱為電介質極化。電介質極化后，在電介質表面產生束縛電荷，束縛電荷不能自由移動。

介電常數是表示電介質極化特征的性能參數。介電常數越大，電介質極化能力越強，產生的束縛電荷就越多。束縛電荷也產生電場，且該電場總是削弱外電場。因此，處在電介質中的帶電體周圍的電場強度，總是低于同樣處在真空中時其周圍的電場強度。

絕緣材料的介電常數受頻率、溫度、濕度等因素影響而產生變化。

隨頻率增加，有的極化過程在半周期內來不及完成，以致極化程度下降，介電常數減小。

隨溫度增加，電偶極子轉向極化易于進行，介電常數增大；但當溫度超過某一限度后，由于熱運動加劇，極化反而困難一些，介電常數減小。

隨濕度增加，材料吸收水分，由于水的相對介電常數很高，且水分的侵入能增加極化作用，使得電介質的介電常數明顯增加。因此，通過測量介電常數，能夠判斷電介質受潮程度。

大氣壓力對氣體材料的介電常數有明顯影響，壓力增大，密度就增大，相對介電常數也增大。

3.介質損耗

在交流電壓作用下，電介質中的部分電能不可逆地轉變成熱能，這部分能量叫作介質損耗。單位時間內消耗的能量叫作介質損耗功率。介質損耗一種是由漏電流引起，另一種是由極化作用引起。介質損耗使介質發熱，這是電介質發生熱擊穿的根源。

絕緣材料的等效電路如圖2-1（a）所示，在外施交流電壓時，等效電路圖中的電壓、電流相量關系如圖2-2所示。

總 電流與外施電壓的相位差φ為電介質的功率因數角。功率因數角的余角δ稱為介質損耗角。單位體積內介質損耗功率為

式中　ω——電源角頻率，ω=2πf；

　ε——電介質介電常數；

　E——電介質內電場強度；

tanδ——介質損耗角正切值。

由于P值與試驗電壓、試品尺寸等因素有關，難以用來對介質品質做嚴格的比較，所以通常用tanδ來衡量電介質的介質損耗性能。

對于電氣設備中使用的電介質，要求它的tanδ值越小越好。而當絕緣材料受潮或劣化時，因有功電流明顯增加，會使tanδ值劇烈上升，也就是說，tanδ能更敏感地反映絕緣材料質量。因此，在要求高的場合，需進行介質損耗試驗。

影響絕緣材料介質損耗的因素主要有頻率、溫度、濕度、電場強度和輻射。影響過程比較復雜，從總的趨勢上來說，隨著上述因素的增強，介質損耗增大。

五、絕緣的破壞

1.絕緣擊穿

當施加于電介質上的電場強度高于臨界值時，會使通過電介質的電流猛增，這時絕緣材料被破壞，完全失去了絕緣性能，這種現象稱為電介質擊穿。發生擊穿時的電壓稱為擊穿電壓，擊穿時的電場強度稱為擊穿場強。

①氣體絕緣材料的擊穿。氣體絕緣材料的擊穿是由碰撞電離導致的電擊穿。在強電場中，氣體的帶電粒子（主要是電子）在電場中獲得足夠的動能，當它與氣體分子發生碰撞時，能使中性分子電離為正離子和電子。新形成的電子又在電場中積累能量而碰撞其他分子，使其電離，這就是碰撞電離。碰撞電離的過程是一個連鎖反應過程，每一個電子碰撞產生一系列的電子，因而形成電子崩。電子崩向陽極發展，最后形成一條具有高電導的通道，導致氣體擊穿。

在均勻電場中，當溫度一定，電極距離不變，氣體壓力很低時，氣體中分子稀少，碰撞游離機會很少，因此擊穿電壓很高。隨著氣體壓力的增大，碰撞游離機會增加，擊穿電壓有所下降，在某一特定的氣壓下出現了擊穿電壓最小值。但當氣體壓力繼續升高時，氣體密度逐漸增大，平均自由行程很小，只有更高的電壓才能使電子積聚足夠的能量以產生碰撞游離，擊穿電壓也逐漸升高。利用此規律，在工程上常采用高真空和高氣壓的方法來提高氣體絕緣的擊穿場強。空氣的擊穿場強約為25～30kV/cm。氣體絕緣擊穿后能自行恢復絕緣性能。

②液體絕緣材料的擊穿。液體絕緣材料的擊穿特征與其純凈程度有關。一般認為純凈液體的擊穿與氣體的擊穿機理相似，是由碰撞電離最后導致擊穿。但液體的密度大，電子自由行程短，積聚的能量小，因此液體的擊穿場強比氣體高。工程上液體絕緣材料不可避免地含有氣體、液體和固體雜質。如液體中含有乳化狀水滴和纖維時，由于水和纖維的極性強，在強電場的作用下使纖維極化而定向排列，并運動到電場強度處連成小橋，小橋貫穿兩電極間引起電導劇增，局部溫度驟升，最后導致熱擊穿。例如，變壓器油中含有極少量水分就會大大降低變壓器油的擊穿場強。

含有氣體雜質的液體擊穿可用氣泡擊穿機理來解釋。氣體雜質的存在使液體呈現不均勻性，液體局部過熱，氣體遷移集中，在液體中形成氣泡。由于氣泡的相對介電常數較小，使得氣泡內電場強度較高，約為油內電場強度的2.2～2.4倍，而氣體的臨界場強比油低得多，致使氣泡游離。為此，在液體絕緣材料使用之前，必須對其進行純化、脫水、脫氣處理，在使用過程中應避免這些雜質的侵入。

液體絕緣材料擊穿后，絕緣性能在一定程度上可以得到恢復。但經過多次擊穿將可能導致液體絕緣材料失去絕緣性能。

③固體絕緣材料的擊穿。固體絕緣材料的擊穿有電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿、放電擊穿等多種形式。

電擊穿是固體絕緣材料在強電場作用下，其內少量處于導電的電子劇烈運動，破壞中性分子的結構，發生撞擊電離，并迅速擴展導致的擊穿。電擊穿的特點是電壓作用時間短（微秒至毫秒），擊穿電壓高。電擊穿的擊穿場強與電場均勻程度密切相關，但與環境溫度及電壓作用時間幾乎無關。

熱擊穿是固體絕緣材料在強電場作用下，介質損耗等產生的熱量不能夠及時散發出去，使溫度上升，導致絕緣材料局部熔化、燒焦或燒裂，最后造成擊穿。熱擊穿的特點是電壓作用時間長（數秒至數小時），而擊穿電壓較低。熱擊穿電壓隨環境溫度上升而下降，但與電場均勻程度關系不大。

電化學擊穿是固體絕緣材料在強電場作用下，由電離、發熱和化學反應等因素的綜合作用造成的擊穿。電化學擊穿的特點是電壓作用時間長（數小時至數年），而擊穿電壓往往很低，它與絕緣材料本身的耐電離性能、制造工藝、工作條件等因素有關。

放電擊穿是固體絕緣材料在強電場作用下，內部起泡發生碰撞電離而放電，繼而加熱其他雜質，使之汽化形成氣泡，由氣泡放電進一步發展導致的擊穿。放電擊穿的擊穿電壓與絕緣材料的質量有關。

固體絕緣材料一旦擊穿，將失去其絕緣性能。

實際上，絕緣材料發生擊穿，往往是電、熱、放電、電化學等多種形式同時存在，很難截然分開。一般來說，采用介質損耗大、耐熱性差的絕緣材料的低壓電氣設備，在工作溫度高、散熱條件差時熱擊穿較為多見。而在高壓電氣設備中，放電擊穿的概率就大些。脈沖電壓下的擊穿一般屬于電擊穿。當電壓作用時間達數十小時乃至數年時，大多數屬于電化學擊穿。

電工領域常用氣體、液體、固體絕緣材料的電阻率、相對介電常數、擊穿場強見表2-1（其中，空氣的擊穿場強E₀≈25～30kV/cm）。

2.絕緣老化

絕緣材料經過長時間使用，受到熱、電、光、氧、機械力（包括超聲波）、輻射線、微生物等因素的作用，將發生一系列不可逆的物理和化學變化，逐漸喪失原有電氣性能和力學性能而破壞，這種破壞方式稱為絕緣老化。

絕緣材料老化過程十分復雜。老化機理隨材料種類和使用條件的不同而異。最主要的是熱老化機理和電老化機理。

熱老化一般發生在低壓電氣設備中，絕緣材料老化的主要因素是熱。熱老化包括材料中揮發性成分的逸出，材料的氧化裂解、熱裂解和水解，還包括材料分子鏈繼續聚合等過程。每種絕緣材料都有其極限耐熱溫度，當超過這一極限溫度時，其老化將加劇，電氣設備的壽命就縮短。在電工技術中，常把電動機和電器中絕緣結構和絕緣系統按耐熱等級進行分類。表2-2所列是我國絕緣材料標準規定的耐熱等級和極限溫度。

通常情況下，工作溫度越高，材料老化越快，按照表 2-2 允許的極限溫度將絕緣材料分為若干耐熱等級。Y級絕緣材料有木材、

紙、棉花及其紡織品等；A級絕緣材料有瀝青漆、漆布、漆包線及浸漬過的Y級絕緣材料；E級絕緣材料有玻璃布、油性樹脂漆、聚酯薄膜與A級絕緣材料的復合物、耐熱漆包線等；B級絕緣材料有玻璃纖維、石棉、聚酯漆、聚酯薄膜等；F級絕緣材料有玻璃漆布、云母制品、復合硅有機樹脂漆、以玻璃絲布及石棉纖維為基礎的層壓制品；H級絕緣材料有復合云母、硅有機漆、復合玻璃布等；C級絕緣材料有石英、玻璃、電瓷、補強的云母絕緣材料等。

電氣設備絕緣老化的原因如下。

（1）電氣設備絕緣老化的一個重要原因是化學原因。電氣設備的絕緣材料長期在含有化學腐蝕性氣體環境下工作，絕緣材料會發生一系列化學反應。使絕緣材料的性能發生變化，降低絕緣的電氣和力學性能。

（2）溫度也是影響電氣設備絕緣老化的重要原因之一。電氣設備的過負荷、短路或局部介質損耗過大引起的過熱都會使絕緣材料溫度大大升高，導致絕緣材料熱穩定性變差。另外，當溫度發生劇烈變化時，會使絕緣龜裂等。

（3）機械原因也是影響電氣設備絕緣老化的重要原因之一。電氣設備的絕緣除承受電場作用外，還要受到外界機械負荷、電動力和機械振動等作用。

3.絕緣損壞

絕緣損壞是絕緣物受外界腐蝕性液體、氣體、潮氣、粉塵等的污染和侵蝕，或受到外界熱源、機械因素的作用，在較短或很短的時間內失去其電氣性能或力學性能的現象。另外，動物和植物的影響以及工作人員的錯誤操作，也可能破壞電氣設備或電氣線路的絕緣。

六、加強絕緣

1.加強絕緣結構

典型的雙重絕緣和加強絕緣的結構如圖2-3所示。現將各種絕緣的意義介紹如下：

a.工作絕緣。又稱基本絕緣或功能絕緣，是保證電氣設備正常工作和防止觸電的基本絕緣，位于帶電體與不可觸及金屬件之間。

b.保護絕緣。又稱附加絕緣，是在工作絕緣因機械破損或擊穿等而失效的情況下，可防止觸電的獨立絕緣，位于不可觸及金屬件與可觸及金屬件之間。

c.雙重絕緣。兼有工作絕緣和保護絕緣的絕緣。

d.加強絕緣。基本絕緣經改進后，在絕緣強度和力學性能上具備了與雙重絕緣同等防觸電能力的單一絕緣，在構成上可以包含一層或多層絕緣材料。

另加總體絕緣是指若干設備在其本身工作絕緣的基礎上，另外裝設的一套防止電擊的附加絕緣物。

具有雙重絕緣或加強絕緣的設備屬于Ⅱ類設備。按外殼特征，Ⅱ類設備可分為以下三種類型：

a.絕緣外殼基本上連成一體的Ⅱ類設備。此類設備其外殼上除了銘牌、螺釘、鉚釘等小金屬物件外，其他金屬件都在連續無間斷的封閉絕緣外殼內。外殼成為加強絕緣的補充或全部。

b.金屬外殼基本上連成一體的Ⅱ類設備。此類設備有一個金屬材料制成的無間斷的封閉外殼。其外殼與帶電體之間應盡量采取雙重絕緣，無法采用雙重絕緣的部件可采用加強絕緣。

c.兼有絕緣外殼和金屬外殼兩種特征的Ⅱ類設備。

2.加強絕緣的安全條件

由于具有雙重絕緣或加強絕緣，Ⅱ類設備無須再采取接地、接零等安全措施。因此，對雙重絕緣和加強絕緣的設備的可靠性要求較高。雙重絕緣和加強絕緣的設備應滿足以下安全條件：

①絕緣電阻和電氣強度

a.絕緣電阻在直流電壓為500V的條件下測試，工作絕緣的絕緣電阻不得低于2MΩ，保護絕緣的絕緣電阻不得低于5MΩ，加強絕緣的絕緣電阻不得低于7MΩ。

b.交流耐壓試驗的試驗電壓：工作絕緣為1250V；保護絕緣為2500V；加強絕緣為3750V；對于有可能產生諧振電壓的情況，試驗電壓應比2倍諧振電壓高出1000V。耐壓持續時間為1min，試驗中不得發生閃絡（當固體電介質或液體電介質與氣體同處于電場中時，可能發生沿分界面的所謂沿面放電。當沿面放電由一個電極發展到另一個電極時則稱為閃絡）或擊穿。

c.直流漏電流試驗的試驗電壓：對于額定電壓不超過250V的Ⅱ類設備，試驗電壓為其額定電壓上限值或峰值的1.06倍。于施加電壓5s后讀數，漏電流允許值為0.25mA。

②外殼防護和機械強度

a.Ⅱ類設備應能保證在正常工作時以及在打開門蓋和拆除可拆卸部件時，人體不會觸及僅用工作絕緣與帶電體隔離的金屬部件。其外殼上不得有易于觸及上述金屬部件的孔洞。

若利用絕緣外護物實現加強絕緣，則要求外護物必須用鑰匙或工具才能開啟，其上不得有金屬件穿過，并有足夠的絕緣水平和機械強度。

b.Ⅱ類設備應在明顯位置上標有作為Ⅱ類設備技術信息一部分的“回”形標志，例如標在額定值標牌上。

③電源線

a.Ⅱ類設備的電源線應符合加強絕緣要求，電源插頭上不得有起導電作用以外的金屬件。電源線與外殼之間至少應有兩層單獨的絕緣層，能有效地防止損傷。

b.電源線的固定件應使用絕緣材料，如用金屬材料，則應加以保護絕緣等級的絕緣。

c.對電源線截面積的要求見表2-3。

d.電源線還應經受基于電源線拉力試驗標準的拉力試驗而不損壞：在1min時間范圍內，設備質量為1kg及以下時，試驗拉力為30N；設備質量為1kg以上、4kg及以下時，試驗拉力為60N；設備質量為4kg以上時，試驗拉力為100N。

從安全角度考慮，一般場所使用的手持電動工具應優先選用Ⅱ類設備。在潮濕場所或金屬構架上工作時，除選用安全電壓工具外，也應盡量選用Ⅱ類工具。

3.不導電環境

利用不導電的材料制成地板、墻壁等，使人員所處的場所成為一個對地絕緣水平較高的環境，這種場所稱為不導電環境或非導電場所。不導電環境應符合以下安全要求：

①地板和墻壁每一點對地電阻：500V及以下者不應小于50kΩ；500V以上者不應小于100kΩ。

②保持間距或設置屏障，使得在電氣設備工作絕緣失效的情況下，人體也不可能同時觸及不同電位的導體。

③為了維護不導電的特征，場所內部需設置保護零線或保護地線，并應有防止場所內高電位引出場所外的措施。

④場所的不導電性能應具有永久性特征。為此，場所不會因受潮而失去不導電性能，不會因設備的變動等原因而降低安全水平。