绝缘材料

绝缘材料是一种在允许电压下不导电的材料，其电阻率通常在10^10～10^22Ω·m的范围内。虽然绝缘材料不是绝对不导电的材料，在一定外加电场强度作用下，也会发生导电、极化、损耗、击穿等过程，而长期使用还会发生老化。在电机中，绝缘材料被用于隔离导体之间的匝间，并与接地的定子铁芯隔离开来，以保证电机的安全运行。常见的绝缘材料包括橡胶、塑料、纸张、玻璃等。绝缘材料的性能取决于其化学成分、结构和制造工艺等因素。在工业和电气领域，绝缘材料的应用非常广泛，如电缆、变压器、电机、电子元器件等。

绝缘材料是电工产品发展的基础和保证，对电机、电气工业的发展具有特别重要的作用，绝缘材料的发展与进步，有赖于高分子材料的发展并直接制约和影响着电工产品的发展和进步。绝缘材料是电工产品具有先进技术性的关键，也是电工产品长期安全可靠运行的重要保障。因此，要求绝缘材料不断发展新品种，提高产品性能与质量，以适应电工产品不断发展的需要我国绝缘材料行业经过50多年的发展，已初步形成一个产品比较齐全，配套比较完备，具有相当生产规模和科研实力的工业体系。特别是近20多年来，绝缘材料的品种发展迅速，质量有很大提高，产品水平已达到一个新的高度。20世纪以前，绝缘材料基本上都是来自天然材料或其制品。最早的电动机是用丝绸、棉纱、棉布作绝缘材料。为了提高耐水性等，采用虫胶等天然树脂与植物油、沥青进行浸渍。20世纪初，由于有机合成和高分子化学的发展，人类制得了第一个合成聚合物——酚醛树脂，它也是绝缘材料领域中的重要发明。酚醛树脂一经问世，很快获得了广泛应用，先后制成了以酚醛树脂为基础的浸渍漆、塑料、浸渍纤维制品与层压制品。以后又出现了脲[niào]醛树脂、苯胺甲醛树脂、三聚氰[qíng]胺甲醛树脂、甘油树脂等。30年代起，又发展了聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟[fú]乙烯、氯丁橡胶、聚乙烯醇缩醛等。20世纪50年代以后，有机硅树脂、聚酯[zhǐ]薄膜、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等工业化生产，同时玻璃纤维、粉云母制品开始工业化生产，促进了绝缘材料的发展。伴随现代聚合物化学与工业的发展，真正开始了以合成聚合物为基础的新绝缘材料的发展时期。前一段出现的聚合物相继应用于绝缘材料中，并迅速发展了新的绝缘材料品种，如无溶剂漆应用于电机浸渍；薄膜复合制品作为电机的槽绝缘；粉云母制品迅速发展，并被用于大型高压发电机；六氟化硫问世并在高压电器中获得应用等。进入20世纪70年代，聚合物工业在进一步向大型工业化发展的同时，绝缘材料工业开始出现了新的F级、H级绝缘材料体系，相继开发了聚酰亚胺、聚酰胺酰[xiān]亚胺、聚酰亚胺、聚马来酰亚胺、聚二苯醚等耐热性绝缘漆、粘合剂和薄膜，以及改性环氧、不饱和聚酯、聚芳酰胺纤维纸及其复合材料等系列新产品。电工产品耐热等级大批上升为B级，在冶金、吊车、机车电机等特殊电机中开始采用新的F级、H级绝缘材料。进入20世纪80年代后，中国进行大规模的自主开发F级、H级绝缘材料，使性能得到提高，如出现了改性二苯醚，改性双马来酰亚胺，改性聚酯亚胺漆包线漆，聚酰胺酰亚胺漆包线漆，聚酰亚胺漆包线漆，F级、H级玻璃纤维制品，高性能聚酰亚胺薄膜，F级环氧粉云母带等。无溶剂浸渍树脂和快干浸溃漆得到迅速发展。少胶粉云母带、VPI（真空压力浸渍）浸渍树脂开始应用。现代应用纳米技术发展纳米绝缘材料。纳米技术可以应用于许多领域，包括绝缘材料领域。将纳米级（范围在1～100nm之间）粉料均匀地分散在聚合物树脂中，也可以采取在聚合物内部形成或外加纳米级晶粒或非晶粒物质，还可形成纳米级微孔或气泡。由于纳米级粒子的结构特征使复合型材料表现出一系列独特而又奇异的性能，使纳米材料发展成极有前景的新材料领域。目前我国已经开展了这方面的研究，如四川大学已制备聚酰亚胺/蒙脱土纳米复合薄膜获得成功。纳米材料的应用必将为许多传统的绝缘材料无法达到的新异性能，开辟了新材料、新技术的发展前景。2021年10月，中国石化所属燕山石化110千伏电缆绝缘料挂缆示范工程正式启动，并首次应用自主研发生产的高等级电缆绝缘料。

绝缘材料又称电介质，是指在直流电压作用下，不导电或导电极微的物质，其电阻率一般大于10Ω·m。绝缘材料的主要作用是在电气设备中将不同电位的带电导体隔离开来，使电流能按一定的路径流通，还可起机械支撑和固定，以及灭弧、散热、储能、防潮、防霉或改善电场的电位分布和保护导体的作用。因此，要求绝缘材料有尽可能高的绝缘电阻、耐热性、耐潮性，还需要一定的机械强度。

为了防止绝缘材料的绝缘性能损坏造成事故，必须使绝缘材料符合国家标准规定的性能指标。而绝缘材料的性能指标很多，各种绝缘材料的特性也各有不同，常用绝缘材料的主要性能指标有击穿强度、耐热性、绝缘电阻和机械强度等。（1）击穿强度。绝缘材料在高于某一个数值的电场强度的作用下，会损坏而失去绝缘性能，这种现象称为击穿。绝缘材料被击穿时的电场强度，称为击穿强度，单位为：kV/mm。（2）耐热性。当温度升高时，绝缘材料的电阻、击穿强度、机械强度等性能都会降低。因此，要求绝缘材料在规定的温度下能长期工作且绝缘性能保证可靠。不同成分的绝缘材料的耐热程度不同，耐热等级可分为Y、A、E、B、F、H、C等7个等级，并对每个等级的绝缘材料规定了最高极限工作温度。Y级：极限工作温度为90℃，如木材、棉纱、纸纤维、醋酸纤维、聚酰等纺织品及易于热分解和熔化点低的塑料绝缘物。A级：极限工作温度为105℃，如漆包线、漆布、漆丝、油性漆及沥青等绝缘物。E级：极限工作温度为120℃，如玻璃布、油性树脂漆、高强度漆包线、乙酸乙烯耐热漆包线等绝缘物。B级：极限工作温度为130℃，如聚酯薄蜡、经相应树脂处理的云母、玻璃纤维、石棉、聚酯漆、聚酯漆包线等绝缘物。F级：极限工作温度为155℃，如用F级绝缘树脂粘合或浸渍、涂敷后的云母，玻璃丝，石棉，玻璃漆布以及以上述材料为基础的层压制品，云母、粉制品，化学热稳定性较好的聚酯和醇酸类材料，复合硅有机聚酯漆。H级：极限工作温度为180℃，如加厚F级材料、云母、有机硅云母制品、硅有机漆、硅有机橡胶聚酰亚胺复合玻璃布、复合薄膜、聚酰亚胺漆等。C级：极限工作温度大于180℃。指不采用任何有机黏合剂及浸渍剂的无机物，如石英、石棉、云母、玻璃、陶瓷及四氟乙烯塑料等。（3）绝缘电阻。绝缘材料呈现的电阻值为绝缘电阻，通常状态下，绝缘电阻一般达几十兆欧以上。绝缘电阻因温度、厚薄、表面状况（水分、污物等）的不同会存在较大差异。绝缘材料的电阻率虽然很高，但在一定的电压作用下。总有微小电流通过，这种电流称为泄漏电流。（4）机械强度。根据各种绝缘材料的具体要求，相应规定的抗张、抗压、抗弯、抗剪、抗撕、抗冲击等各种强度指标，统称为机械强度。（5）其他特性指标。有些绝缘材料以液态形式呈现，如各种绝缘漆，其特性指标就包含黏度、固定含量、酸值、干燥时间及胶化时间等。有的绝缘材料特性指标还涉及渗透性、耐油性、伸长率、收缩率、耐溶剂性、耐电弧等。

绝缘材料在电场作用下将发生极化、电导、介质发热、击穿等物理现象，在承受电场作用的同时，还要经受机械、化学等诸多因素的影响，长期_T作将会出现老化现象。因此，电气产品的许多故障往往发生在绝缘部分。电介质的老化是指电介质在长期运行中电气性能、力学性能等随时间的增长而逐渐劣化的现象。其主要老化形式有电老化、热老化和环境老化等。（1）电老化。多见于高压电器，产生的主要原因是绝缘材料在高压作用下发生局部放电。（2）热老化。多见于低压电器，其机理是在温度作用下．绝缘材料内部成分氧化、裂解、变质，与水发生水解反应而逐渐失去绝缘性能。（3）环境老化。又称大气老化，是由于紫外线、臭氧、盐雾、酸碱等因素引起的污染性化学老化。其中。紫外线是主要因素．臭氧则由电气设备的电晕或局部放电产生。绝缘材料一旦发生了老化，其绝缘性能通常都不可恢复，工程上常用下列方法防止绝缘材料的老化。（1）在绝缘材料制作过程中加入防老剂。（2）户外用绝缘材料可添加紫外线吸收剂，或用隔层隔离阳光。（3）湿热地带使用的绝缘材料，可加人防霉剂。（4）加强电气设备局部防电晕、防局部放电的措施。

绝缘材料包括气体绝缘材料、液体绝缘材料和固体绝缘材料。涉及电工、石化、轻工、建材、纺织等诸多行业领域。

通常情况下，常温常压下的干燥气体均有良好的绝缘性能。作为绝缘材料的气体电介质，还需要满足物理、化学性能及经济性方面的要求。空气及六氟化硫气体是常用的气体绝缘材料。空气有良好的绝缘性能，击穿后其绝缘性能可瞬时自动恢复，电气物理性能稳定、来源极其丰富、应用面比较广。但空气的击穿电压相对较低，电极尖锐、距离近、电压波形陡、温度高、湿度大等因素均可降低空气的击穿电压，常采用压缩空气或抽真空的方法来提高空气的击穿电压。六氟化硫（SF）气体是一种不燃不爆、无色无味的惰性气体，它具有良好的绝缘性能和灭弧能力，远高于空气，在高压电器中得到了广泛应用。六氟化硫气体还具有优异的热稳定性和化学稳定性，但在600℃以上的高温作用下，六氟化硫气体会发生分解，将产生有毒物质。因此，在使用中应注意以下几个方面。（1）严格控制含水量，做好除湿和防潮措施。（2）采用适当的吸附剂去吸收有害物质及水分。（3）断路器中六氟化硫气体的压力不能过高而出现液化现象。（4）放置六氟化硫设备的场所应有良好的通风条件。（5）对运行、检修人员应有必要和可靠的劳动保护措施。

绝缘油有天然矿物油、天然植物油和合成油，如图所示。天然矿物油应用广泛，它是从石油原油中经过不同程度的精制提炼而得到的一种中性液体，呈金黄色，具有很好的化学稳定

电器绝缘油

性和电气稳定性。主要应用于电力变压器、少油断路器、高压电缆、油浸式电容器等设备。天然植物油有蓖[bì]麻油、大豆油等。合成油有氧化联苯甲基硅油、苯甲基硅油等，主要用于电力变压器、高压电缆、油浸纸介电容器中。绝缘油在储存、运输和运行过程中会受各种因素影响导致污染和老化。热和氧在油的老化中起了最主要的作用。工业中采取的防油老化的措施有：加强散热以降低油温；用氮气、薄膜使变压器油与空气隔绝；使用干燥剂以消除水分；添加抗氧化剂；防止日光照射等。油被污染后可采取压力过滤法或电净化法进行净化和再生。为了保证充油设备的安全运行，必须经常检查油的温升、油面高度、油的闪点、酸值、击穿强度和介质损耗角正切值，必要时还要进行变压器油的色谱分析。需要补充油时，尽量用原型号或相近型号，并应进行混合试验。

固体绝缘材料的种类很多，其绝缘性能优良，在电力系统中的应用很广。常用的固体绝缘材料有：绝缘漆、绝缘胶；纤维制品；橡胶、塑料及其制品；玻璃、陶瓷制品；云母、石棉及其制品等。绝缘漆、绝缘胶都是以高分子聚合物为基础，能在一定条件下固化成绝缘硬膜或绝缘整体的重要绝缘材料。绝缘漆主要由漆基、溶剂、稀释剂、填料等部分组成，绝缘漆的成膜固化后绝缘强度较高，一般可作为电动机、电器线圈的浸渍绝缘或涂覆绝缘。按用途可分为浸渍漆、漆包线漆、覆盖漆、硅钢片漆和防电晕漆等。绝缘胶与绝缘漆相似，一般加有填料，广泛用于浇注电缆接头、套管、220kV及其以下电流互感器、10kV及其以下电压互感器。用的绝缘胶有黄电缆胶、黑电缆胶、环氧电缆胶、环氧树脂胶、环氧聚酯胶等。绝缘纤维制品是指用绝缘纸、纸板、纸管和各种纤维织物等制成的绝缘材料。浸渍纤维制品则是用绝缘纤维制品作底材，浸以绝缘漆制成，它具有一定的机械强度、电气强度、耐潮性能，还具备了一些防霉、防电、防辐射等特殊功能。绝缘电工层压制品是以纤维作底材，浸涂不同的胶黏剂，经热压或卷制而成的层状结构绝缘材料，其性能取决于底材和胶黏剂及其成型工艺，可制成具有优良电气性能、力学性能和耐热、耐霉、耐电弧、防电晕等特性的制品。

（1）不使用质量不合格的电气产品。（2）按工作环境和使用条件正确选用电气设备。（3）按规定正确安装电气设备或线路。（4）按技术参数使用电气设备，避免过电压和过负荷运行。（5）正确选用绝缘材料。（6）按规定的周期和项目对电气设备进行绝缘预防性试验。（7）适当改善绝缘结构。（8）在搬运、安装、运行和维护中避免电气设备的绝缘结构受机械损伤，受潮湿、污物的影响。

展开