第一节　电气的绝缘

绝缘是指利用绝缘材料对带电体进行封闭和隔离。各种线路和设备都是由导电部分和绝缘部分组成的，良好的绝缘是保证设备和线路正常运行的必要条件，也是防止触电事故的重要措施。设备或线路的绝缘必须与所采用的电压相符合，必须与周围环境和运行条件相适应。

绝缘材料又称电介质，其导电能力很小，但并非绝对不导电。工程上应用的绝缘材料的电阻率一般在1×10⁷Ω•m以上。

绝缘材料用于对带电的或不带电的导体进行隔离，使电流按照确定的线路流动。

绝缘材料品种很多，一般分为气体绝缘材料、液体绝缘材料、固体绝缘材料。电气设备的质量和使用寿命在很大程度上取决于绝缘材料的电、热、力学和理化性能。而绝缘材料的性能和寿命不仅与材料的组成成分、分子结构有着密切的关系，还与绝缘材料使用环境有着密切的关系。因此，应当注意绝缘材料的使用条件，以保证电气系统的正常运行。

一、气体绝缘材料

电气设备的绝缘结构应用空气或其他气体作为绝缘介质，如线路的线间绝缘、电器的电气间隙等。空气在正常状态下是良好的绝缘介质，但其击穿电压与大多数液体及固体介质相比是不高的。为了提高击穿电压使气体绝缘性能提高，一是采用高真空，空气稀薄时带电粒子也少，空气中电子与粒子碰撞机会也减少，据此，真空开关已广泛应用于10kV系统中；二是采用高耐电强度气体，如六氟化硫（SF₆），六氟化硫气体常温下不活泼、不燃、无臭味、无毒，500℃时不分解，液化温度也较低，击穿电压是空气的 2.5倍，具有良好的绝缘和灭弧性能，现已应用于220kV及以上电压等级的高压断路器中。

二、液体绝缘材料

常用的液体绝缘材料有变压器油、电容器油和电缆油。变压器油的介电强度（20℃时）为16～21kV/mm，主要用于变压器及油开关的绝缘和散热。电容器油的介电强度（20℃时）为20～23kV/mm，主要用于电容器的绝缘、散热及储能。电缆油中的高压充油介电强度（20℃时）≥20kV/mm，用于高压电缆；35kV油介电强度（20℃时）为14～16kV/mm，用于低压电缆。

绝缘油在储存、运输或运行使用过程中必须防止污染、老化，以保证设备安全运行，延长设备的检修周期。

防止油的老化一般可采用加强散热以降低油温、用氮气或薄膜使变压器油与空气隔绝、添加抗氧化剂、防止日光照射、采用热虹吸过滤器使变压器油再生等措施。除此之外，还必须经常检查充油电气设备的温升、油面高度及其表面张力、闪点、酸值、击穿强度和介质损耗正切值等。

若油面下降，则需补充油液。补充油的主要理化指标（如凝固点、黏度、闪点等）应与设备中的原油液相同或接近，以保证两者混合后的安定度合格。未经处理的运行使用的油不能与变压器油混合使用。运行使用的油质量应符合国家标准的规定要求。

三、固体绝缘材料

固体绝缘材料是应用最广泛的绝缘材料，包括：无机绝缘材料，如云母、陶瓷、石棉等；有机绝缘材料，如棉纱、纸、橡胶等；混合绝缘材料，如绝缘压塑料、绝缘薄膜、复合材料等。

固体绝缘材料的损伤主要是电击穿和热击穿。在均匀电场中，固体绝缘材料的击穿电压与绝缘物的厚度成正比，机械损伤会使绝缘物变薄而易被击穿，化学腐蚀则使绝缘物变质使厚度减小而易被击穿。热击穿往往是在电压作用很长时间后发生，长时间承受电压、通过电流，温度升高，使绝缘材料绝缘性能下降以致击穿。

四、绝缘材料的电气性能

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、相对介电常数ε、介质损耗角正切值tanδ及击穿场强E_b四个参数来表示。

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，总存在一些带电粒子，在电场的作用下，它们做有方向的运动，形成漏电流，在外加电压作用下的绝缘材料的等效电路如图2-1（a）所示。绝缘材料在直流电压下的电流曲线如图2-1（b）所示。图2-1中电阻支路电流I_G即为漏电流；流经电容和电阻串联支路的电流I_a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，是由几何电容等效而构成的电流。

绝缘电阻率和绝缘电阻是电气设备和电气线路最基本的绝缘电气性能指标。足够的绝缘电阻能把电气设备的漏电流限制在很小的范围内，防止由漏电引起触电事故。不同的线路或设备对绝缘电阻有不同的要求。一般来说，高压较低压要求高；室外设备较室内设备要求高；移动设备较固定设备要求高。

为了检验绝缘性能的优劣，在绝缘材料的生产和应用中，需要经常测定其绝缘电阻率及绝缘电阻。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。

①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。

②湿度加大时，一方面，水分侵入使电介质导电离子增加，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，往往受潮而引起绝缘材料电阻率下降，造成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。

③杂质含量增加，增加了电介质内部的导电离子，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。

④在较高的电场强度作用下，固体或液体电介质的离子迁移能力随电场强度增大而增大，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，使电阻率按指数规律下降。

2.介电常数

电介质处于电场作用下时，电介质分子、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极化。电介质极化后，在电介质表面产生束缚电荷，束缚电荷不能自由移动。

介电常数是表示电介质极化特征的性能参数。介电常数越大，电介质极化能力越强，产生的束缚电荷就越多。束缚电荷也产生电场，且该电场总是削弱外电场。因此，处在电介质中的带电体周围的电场强度，总是低于同样处在真空中时其周围的电场强度。

绝缘材料的介电常数受频率、温度、湿度等因素影响而产生变化。

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，电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，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，能够判断电介质受潮程度。

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，相对介电常数也增大。

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，这部分能量叫作介质损耗。单位时间内消耗的能量叫作介质损耗功率。介质损耗一种是由漏电流引起，另一种是由极化作用引起。介质损耗使介质发热，这是电介质发生热击穿的根源。

绝缘材料的等效电路如图2-1（a）所示，在外施交流电压时，等效电路图中的电压、电流相量关系如图2-2所示。

总 电流与外施电压的相位差φ为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。单位体积内介质损耗功率为

式中　ω——电源角频率，ω=2πf；

　ε——电介质介电常数；

　E——电介质内电场强度；

tanδ——介质损耗角正切值。

由于P值与试验电压、试品尺寸等因素有关，难以用来对介质品质做严格的比较，所以通常用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值越小越好。而当绝缘材料受潮或劣化时，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材料质量。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，介质损耗增大。

五、绝缘的破坏

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击穿。发生击穿时的电压称为击穿电压，击穿时的电场强度称为击穿场强。

①气体绝缘材料的击穿。气体绝缘材料的击穿是由碰撞电离导致的电击穿。在强电场中，气体的带电粒子（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。碰撞电离的过程是一个连锁反应过程，每一个电子碰撞产生一系列的电子，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，碰撞游离机会增加，击穿电压有所下降，在某一特定的气压下出现了击穿电压最小值。但当气体压力继续升高时，气体密度逐渐增大，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绝缘的击穿场强。空气的击穿场强约为25～30kV/cm。气体绝缘击穿后能自行恢复绝缘性能。

②液体绝缘材料的击穿。液体绝缘材料的击穿特征与其纯净程度有关。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，积聚的能量小，因此液体的击穿场强比气体高。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，并运动到电场强度处连成小桥，小桥贯穿两电极间引起电导剧增，局部温度骤升，最后导致热击穿。例如，变压器油中含有极少量水分就会大大降低变压器油的击穿场强。

含有气体杂质的液体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小，使得气泡内电场强度较高，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。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。

液体绝缘材料击穿后，绝缘性能在一定程度上可以得到恢复。但经过多次击穿将可能导致液体绝缘材料失去绝缘性能。

③固体绝缘材料的击穿。固体绝缘材料的击穿有电击穿、热击穿、电化学击穿、放电击穿等多种形式。

电击穿是固体绝缘材料在强电场作用下，其内少量处于导电的电子剧烈运动，破坏中性分子的结构，发生撞击电离，并迅速扩展导致的击穿。电击穿的特点是电压作用时间短（微秒至毫秒），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。

热击穿是固体绝缘材料在强电场作用下，介质损耗等产生的热量不能够及时散发出去，使温度上升，导致绝缘材料局部熔化、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（数秒至数小时），而击穿电压较低。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。

电化学击穿是固体绝缘材料在强电场作用下，由电离、发热和化学反应等因素的综合作用造成的击穿。电化学击穿的特点是电压作用时间长（数小时至数年），而击穿电压往往很低，它与绝缘材料本身的耐电离性能、制造工艺、工作条件等因素有关。

放电击穿是固体绝缘材料在强电场作用下，内部起泡发生碰撞电离而放电，继而加热其他杂质，使之汽化形成气泡，由气泡放电进一步发展导致的击穿。放电击穿的击穿电压与绝缘材料的质量有关。

固体绝缘材料一旦击穿，将失去其绝缘性能。

实际上，绝缘材料发生击穿，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，采用介质损耗大、耐热性差的绝缘材料的低压电气设备，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于电击穿。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。

电工领域常用气体、液体、固体绝缘材料的电阻率、相对介电常数、击穿场强见表2-1（其中，空气的击穿场强E₀≈25～30kV/cm）。

2.绝缘老化

绝缘材料经过长时间使用，受到热、电、光、氧、机械力（包括超声波）、辐射线、微生物等因素的作用，将发生一系列不可逆的物理和化学变化，逐渐丧失原有电气性能和力学性能而破坏，这种破坏方式称为绝缘老化。

绝缘材料老化过程十分复杂。老化机理随材料种类和使用条件的不同而异。最主要的是热老化机理和电老化机理。

热老化一般发生在低压电气设备中，绝缘材料老化的主要因素是热。热老化包括材料中挥发性成分的逸出，材料的氧化裂解、热裂解和水解，还包括材料分子链继续聚合等过程。每种绝缘材料都有其极限耐热温度，当超过这一极限温度时，其老化将加剧，电气设备的寿命就缩短。在电工技术中，常把电动机和电器中绝缘结构和绝缘系统按耐热等级进行分类。表2-2所列是我国绝缘材料标准规定的耐热等级和极限温度。

通常情况下，工作温度越高，材料老化越快，按照表 2-2 允许的极限温度将绝缘材料分为若干耐热等级。Y级绝缘材料有木材、

纸、棉花及其纺织品等；A级绝缘材料有沥青漆、漆布、漆包线及浸渍过的Y级绝缘材料；E级绝缘材料有玻璃布、油性树脂漆、聚酯薄膜与A级绝缘材料的复合物、耐热漆包线等；B级绝缘材料有玻璃纤维、石棉、聚酯漆、聚酯薄膜等；F级绝缘材料有玻璃漆布、云母制品、复合硅有机树脂漆、以玻璃丝布及石棉纤维为基础的层压制品；H级绝缘材料有复合云母、硅有机漆、复合玻璃布等；C级绝缘材料有石英、玻璃、电瓷、补强的云母绝缘材料等。

电气设备绝缘老化的原因如下。

（1）电气设备绝缘老化的一个重要原因是化学原因。电气设备的绝缘材料长期在含有化学腐蚀性气体环境下工作，绝缘材料会发生一系列化学反应。使绝缘材料的性能发生变化，降低绝缘的电气和力学性能。

（2）温度也是影响电气设备绝缘老化的重要原因之一。电气设备的过负荷、短路或局部介质损耗过大引起的过热都会使绝缘材料温度大大升高，导致绝缘材料热稳定性变差。另外，当温度发生剧烈变化时，会使绝缘龟裂等。

（3）机械原因也是影响电气设备绝缘老化的重要原因之一。电气设备的绝缘除承受电场作用外，还要受到外界机械负荷、电动力和机械振动等作用。

3.绝缘损坏

绝缘损坏是绝缘物受外界腐蚀性液体、气体、潮气、粉尘等的污染和侵蚀，或受到外界热源、机械因素的作用，在较短或很短的时间内失去其电气性能或力学性能的现象。另外，动物和植物的影响以及工作人员的错误操作，也可能破坏电气设备或电气线路的绝缘。

六、加强绝缘

1.加强绝缘结构

典型的双重绝缘和加强绝缘的结构如图2-3所示。现将各种绝缘的意义介绍如下：

a.工作绝缘。又称基本绝缘或功能绝缘，是保证电气设备正常工作和防止触电的基本绝缘，位于带电体与不可触及金属件之间。

b.保护绝缘。又称附加绝缘，是在工作绝缘因机械破损或击穿等而失效的情况下，可防止触电的独立绝缘，位于不可触及金属件与可触及金属件之间。

c.双重绝缘。兼有工作绝缘和保护绝缘的绝缘。

d.加强绝缘。基本绝缘经改进后，在绝缘强度和力学性能上具备了与双重绝缘同等防触电能力的单一绝缘，在构成上可以包含一层或多层绝缘材料。

另加总体绝缘是指若干设备在其本身工作绝缘的基础上，另外装设的一套防止电击的附加绝缘物。

具有双重绝缘或加强绝缘的设备属于Ⅱ类设备。按外壳特征，Ⅱ类设备可分为以下三种类型：

a.绝缘外壳基本上连成一体的Ⅱ类设备。此类设备其外壳上除了铭牌、螺钉、铆钉等小金属物件外，其他金属件都在连续无间断的封闭绝缘外壳内。外壳成为加强绝缘的补充或全部。

b.金属外壳基本上连成一体的Ⅱ类设备。此类设备有一个金属材料制成的无间断的封闭外壳。其外壳与带电体之间应尽量采取双重绝缘，无法采用双重绝缘的部件可采用加强绝缘。

c.兼有绝缘外壳和金属外壳两种特征的Ⅱ类设备。

2.加强绝缘的安全条件

由于具有双重绝缘或加强绝缘，Ⅱ类设备无须再采取接地、接零等安全措施。因此，对双重绝缘和加强绝缘的设备的可靠性要求较高。双重绝缘和加强绝缘的设备应满足以下安全条件：

①绝缘电阻和电气强度

a.绝缘电阻在直流电压为500V的条件下测试，工作绝缘的绝缘电阻不得低于2MΩ，保护绝缘的绝缘电阻不得低于5MΩ，加强绝缘的绝缘电阻不得低于7MΩ。

b.交流耐压试验的试验电压：工作绝缘为1250V；保护绝缘为2500V；加强绝缘为3750V；对于有可能产生谐振电压的情况，试验电压应比2倍谐振电压高出1000V。耐压持续时间为1min，试验中不得发生闪络（当固体电介质或液体电介质与气体同处于电场中时，可能发生沿分界面的所谓沿面放电。当沿面放电由一个电极发展到另一个电极时则称为闪络）或击穿。

c.直流漏电流试验的试验电压：对于额定电压不超过250V的Ⅱ类设备，试验电压为其额定电压上限值或峰值的1.06倍。于施加电压5s后读数，漏电流允许值为0.25mA。

②外壳防护和机械强度

a.Ⅱ类设备应能保证在正常工作时以及在打开门盖和拆除可拆卸部件时，人体不会触及仅用工作绝缘与带电体隔离的金属部件。其外壳上不得有易于触及上述金属部件的孔洞。

若利用绝缘外护物实现加强绝缘，则要求外护物必须用钥匙或工具才能开启，其上不得有金属件穿过，并有足够的绝缘水平和机械强度。

b.Ⅱ类设备应在明显位置上标有作为Ⅱ类设备技术信息一部分的“回”形标志，例如标在额定值标牌上。

③电源线

a.Ⅱ类设备的电源线应符合加强绝缘要求，电源插头上不得有起导电作用以外的金属件。电源线与外壳之间至少应有两层单独的绝缘层，能有效地防止损伤。

b.电源线的固定件应使用绝缘材料，如用金属材料，则应加以保护绝缘等级的绝缘。

c.对电源线截面积的要求见表2-3。

d.电源线还应经受基于电源线拉力试验标准的拉力试验而不损坏：在1min时间范围内，设备质量为1kg及以下时，试验拉力为30N；设备质量为1kg以上、4kg及以下时，试验拉力为60N；设备质量为4kg以上时，试验拉力为100N。

从安全角度考虑，一般场所使用的手持电动工具应优先选用Ⅱ类设备。在潮湿场所或金属构架上工作时，除选用安全电压工具外，也应尽量选用Ⅱ类工具。

3.不导电环境

利用不导电的材料制成地板、墙壁等，使人员所处的场所成为一个对地绝缘水平较高的环境，这种场所称为不导电环境或非导电场所。不导电环境应符合以下安全要求：

①地板和墙壁每一点对地电阻：500V及以下者不应小于50kΩ；500V以上者不应小于100kΩ。

②保持间距或设置屏障，使得在电气设备工作绝缘失效的情况下，人体也不可能同时触及不同电位的导体。

③为了维护不导电的特征，场所内部需设置保护零线或保护地线，并应有防止场所内高电位引出场所外的措施。

④场所的不导电性能应具有永久性特征。为此，场所不会因受潮而失去不导电性能，不会因设备的变动等原因而降低安全水平。