《城市軌道交通電氣設(shè)備測(cè)試（第2版）》 課件2.1電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗

《絕緣材料特性》電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗目錄01絕緣材料定義與特性02電介質(zhì)的極化03電介質(zhì)電導(dǎo)04電介質(zhì)損耗05影響絕緣材料性能的指標(biāo)01絕緣材料定義與特性

絕緣材料是用于電氣絕緣的材料，具有高電阻率（10^9～10^22Ω·m）。絕緣材料定義與特性其特性主要包括以下幾條：（1）耐化學(xué)侵蝕。（2）具光澤，部分透明或半透明。（3）大部分為良好絕緣體。（4）重量輕且堅(jiān)固。（5）用途廣泛、效用多、耐高溫。絕緣材料分類(lèi)：絕緣材料定義與特性由兩種絕緣材料加工制成?；旌辖^緣材料如橡膠、樹(shù)脂、蟲(chóng)膠等。有機(jī)絕緣材料如云母、大理石、玻璃等。無(wú)機(jī)絕緣材料

了解絕緣材料及其絕緣機(jī)理，對(duì)絕緣設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)都具有相當(dāng)重要的意義，可以根據(jù)不同的絕緣材料特性，提高絕緣耐壓水平，減少設(shè)備故障率。

研究介質(zhì)傳導(dǎo)電流的意義在于了解絕緣絕緣材料的絕緣特性，減少電流通過(guò)，在外界不同因素下，電流在介質(zhì)中增大時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部會(huì)發(fā)熱，促進(jìn)絕緣劣化，增加事故的發(fā)生率。而研究電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗則是了解絕緣狀態(tài)的三個(gè)重要指標(biāo)。絕緣材料定義與特性02電介質(zhì)的極化

電介質(zhì)的極化是電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，其束縛電荷相應(yīng)于電場(chǎng)方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。這時(shí)電荷的偏移大都是在原子或分子的范圍內(nèi)作微觀移動(dòng)，并產(chǎn)生電矩（即偶極矩）。

電介質(zhì)的介電常數(shù)也稱(chēng)為電容率，是描述電介質(zhì)極化的宏觀參數(shù)。電介質(zhì)極化的強(qiáng)弱可用介電常數(shù)的大小來(lái)表示，它與該介質(zhì)分子的極性強(qiáng)弱有關(guān)，還受到溫度、外加電場(chǎng)頻率等因素的影響。電介質(zhì)的極化2.1電介質(zhì)的極化定義

根據(jù)靜電場(chǎng)中關(guān)于均勻各向同性的電介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的定義，電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)為式中D、E——分別為電介質(zhì)中電通量密度、宏觀電場(chǎng)強(qiáng)度。電介質(zhì)的極化03電介質(zhì)電導(dǎo)

氣體中無(wú)吸收電流，氣體離子的濃度為500～1000對(duì)/cm2。電介質(zhì)電導(dǎo)3.1氣體電介質(zhì)電導(dǎo)3.2液體電介質(zhì)電導(dǎo)

液體電介質(zhì)電導(dǎo)一是由液體本身的分子和雜質(zhì)的分子解離成離子，構(gòu)成離子電導(dǎo)；二是由液體中的膠體質(zhì)點(diǎn)（如變壓器油中懸浮的小水滴）吸附電荷后，變成帶電質(zhì)點(diǎn)，構(gòu)成電泳電導(dǎo)。液體電介質(zhì)電導(dǎo)與液體純凈度、離解度、電場(chǎng)強(qiáng)度、溫度有關(guān)。液體雜質(zhì)越多，電導(dǎo)越大。液體離解度大，介電常數(shù)越大，電導(dǎo)就越大。當(dāng)液體場(chǎng)強(qiáng)到達(dá)一定程度后，電導(dǎo)將迅速增大。溫度升高，液體電介質(zhì)或離子的熱離解度增加，黏度降低，離子遷移率增加，電導(dǎo)增大。電介質(zhì)電導(dǎo)3.3固體電介質(zhì)的表面電導(dǎo)

固體電介質(zhì)由附著于介質(zhì)表面的水分和污穢引起。討論介質(zhì)電導(dǎo)的意義在于以下方面：（1）絕緣電阻和泄漏電流的應(yīng)用。

在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，要測(cè)絕緣電阻和泄漏電流以判斷絕緣是否受潮或有其他劣化現(xiàn)象。在試驗(yàn)中需注意將表面電導(dǎo)與體積電導(dǎo)區(qū)別開(kāi)來(lái)。吸收比K是加壓60s測(cè)量的絕緣電阻與加壓15s測(cè)量的絕緣電阻的比值，如良好、干燥的絕緣，吸收電流較大，K值較大（應(yīng)大于某一定值）；受潮或有缺陷的絕緣，吸收比較小。利用這個(gè)特性可以有效地判斷絕緣的好壞。如圖2-1所示為某變壓器的絕緣電阻與時(shí)間關(guān)系曲線。電介質(zhì)電導(dǎo)圖2-1某變壓器的絕緣電阻與時(shí)間關(guān)系曲線1受潮時(shí)；2經(jīng)干燥后電介質(zhì)電導(dǎo)（2）絕緣材料與環(huán)境關(guān)系

設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)要考慮到環(huán)境條件，特別是濕度的影響。注意環(huán)境濕度對(duì)固體介質(zhì)表面電阻的影響，注意親水性材料的表面防水處理。（3）絕緣電阻工程應(yīng)用

并不是所有情況下都希望絕緣電阻高，有些情況下要設(shè)法減小或者平衡絕緣電阻值。如在高壓套管法蘭附近涂上半導(dǎo)體釉，高壓電機(jī)定子繞組出口部分涂半導(dǎo)體漆等，都是為了改善電壓分布，以消除電暈。04電介質(zhì)損耗電介質(zhì)損耗4.1電介質(zhì)損耗形式

（1）電導(dǎo)損耗：由電介質(zhì)中的泄漏電流引起，氣體、液體和固體均存在。

（2）極化損耗：由偶極子極化和夾層極化引起，與電源頻率有關(guān)，f增大，損耗增加。直流下無(wú)極化損耗。

（3）游離損耗：氣體在電場(chǎng)作用下游離產(chǎn)生的損耗。電壓較高時(shí)各種含氣泡的介質(zhì)都產(chǎn)生。4.2介質(zhì)的優(yōu)劣狀況

介質(zhì)損耗角正切值tan反映了介質(zhì)損失的大小。介質(zhì)損失角正切值意義在于研究介質(zhì)的優(yōu)劣狀況。

介質(zhì)就是絕緣材料，絕緣材料的絕緣電阻愈高愈好，即泄漏電流愈小愈好。把在電壓作用下電介質(zhì)中產(chǎn)生的一切損耗稱(chēng)為介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失。電介質(zhì)損耗如果電介質(zhì)損耗很大，會(huì)使電介質(zhì)溫度升高，促使材料發(fā)生老化（發(fā)脆、分解等），如果介質(zhì)溫度不斷上升，甚至?xí)央娊橘|(zhì)熔化、燒焦，喪失絕緣能力，導(dǎo)致熱擊穿，因此電介質(zhì)損耗的大小是衡量絕緣介質(zhì)電性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

在外加交流電壓作用下，絕緣介質(zhì)就流過(guò)電流，電流在介質(zhì)中產(chǎn)生能量損耗，這種損耗稱(chēng)為介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗很大時(shí)，就會(huì)使介質(zhì)溫度升高而老化，甚至導(dǎo)致熱擊穿。因此，介質(zhì)損耗的大小就反映了介質(zhì)的優(yōu)劣狀況。

在電場(chǎng)的影響下，絕緣材料因介質(zhì)電導(dǎo)與介質(zhì)極化產(chǎn)生的滯后效應(yīng)，使材料內(nèi)部中出現(xiàn)了大量的能量消耗，這種現(xiàn)象也就是介質(zhì)損失，又稱(chēng)介質(zhì)損耗。電介質(zhì)損耗電介質(zhì)損耗的作用就在于：在變電場(chǎng)作用下，使電介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱量能量，而這些能量的存在會(huì)引起電介質(zhì)的溫度迅速提高，導(dǎo)致出現(xiàn)發(fā)熱量超出散熱量的惡性循環(huán)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電介質(zhì)出現(xiàn)熔化及燒焦等現(xiàn)象，使其絕緣性能完全消失。

因此，在電氣絕緣材料中，尤其是應(yīng)用在高電場(chǎng)強(qiáng)度場(chǎng)合的絕緣材料，必須要盡可能采取介質(zhì)損耗因數(shù)，也就是電介質(zhì)損耗角正切tan比較低的材料。具體常用絕緣材料等級(jí)與溫度如表2-1所示。4.3絕緣材料等級(jí)與溫度電介質(zhì)損耗絕緣等級(jí)工作溫度材料用途Y級(jí)極限工作溫度為90°C如木材、棉花、紙、纖維極易于熱分解和融化點(diǎn)低的塑料絕緣物A級(jí)極限工作溫度為105°C如變壓器油、漆包線、漆布、瀝青、天然絲等E級(jí)極限工作溫度為120°C如高強(qiáng)度漆包線等B級(jí)極限工作溫度為130°C如環(huán)氧布板、玻璃纖維、石棉等F級(jí)極限工作溫度為155°C如有機(jī)纖維材料、玻璃絲聚酯漆等絕緣物H級(jí)極限工作溫度為180°C如聚酰亞胺薄膜C級(jí)極限工作溫度超過(guò)180°C指不采用任何有機(jī)黏合劑，如石英玻璃和電瓷材料表2-1常用絕緣材料等級(jí)與溫度電介質(zhì)損耗4.4絕緣材料電氣強(qiáng)度

絕緣材料都有一定的機(jī)械強(qiáng)度和電氣強(qiáng)度。機(jī)械強(qiáng)度是指絕緣承受機(jī)械荷載（張力、壓力、彎曲等）的本領(lǐng)；電氣強(qiáng)度（或稱(chēng)絕緣強(qiáng)度）是指絕緣抵抗電擊穿的本領(lǐng)。促使變壓器絕緣老化的主要因素有：溫度、濕度、氧氣及油的老化產(chǎn)物，變壓器絕緣的損壞，多由熱作用開(kāi)始，溫度升高，降低了絕緣的電氣性能和機(jī)械性能，從而加速絕緣的老化。

絕緣老化則是絕緣在長(zhǎng)期的高溫、電場(chǎng)、環(huán)境等各種因素作用下發(fā)生一系列的化學(xué)物理變化，導(dǎo)致絕緣電氣性能和機(jī)械性能等不斷下降。一般電氣設(shè)備絕緣中常見(jiàn)的老化是電老化和熱老化。電介質(zhì)損耗

以油浸式變壓器絕緣為例，變壓器的材料有金屬材料和絕緣材料兩大類(lèi)。雖然金屬材料能耐受較高的溫度不致?lián)p壞，但是高溫下，線圈的絕緣在幾秒鐘內(nèi)就會(huì)燒毀。因此運(yùn)行時(shí)間和溫度是影響變壓器壽命的主要因素。油浸變壓器絕緣等級(jí)屬于A級(jí)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1094—2013中規(guī)定的線圈溫升65C和最高環(huán)境溫度40C，是以A級(jí)絕緣等級(jí)為基礎(chǔ)加上環(huán)境溫度，即65C+40C＝105C，這是變壓器線圈的極限工作溫度。如圖2-2所示為變壓器溫度控制器。黑色指針為變壓器油面溫度，隨變壓器油實(shí)際溫度變化，紅色指針為變壓器繞組出廠設(shè)定溫控固定值，當(dāng)黑色指針超過(guò)設(shè)定的紅色指針報(bào)警值時(shí)，接點(diǎn)閉合報(bào)警并啟動(dòng)風(fēng)扇冷卻，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的跳閘閥值時(shí)，變壓器跳閘停運(yùn)。電介質(zhì)損耗圖2-2變壓器溫度控制器05影響絕緣材料性能的指標(biāo)影響絕緣材料性能的指標(biāo)5.1絕緣電阻和電阻率

電阻是電導(dǎo)的倒數(shù)，電阻率是單位體積內(nèi)的電阻。材料導(dǎo)電越小，其電阻越大，兩者呈倒數(shù)關(guān)系，對(duì)絕緣材料來(lái)說(shuō)，總是希望電阻率盡可能高。5.2相對(duì)介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切

絕緣材料用途包括各部件的相互絕緣和絕緣介質(zhì)性能。兩者都要求介質(zhì)損耗角正切小，尤其是在高頻與高壓下應(yīng)用的絕緣材料，為使介質(zhì)損耗小，都要求采用介質(zhì)損耗角正切小的絕緣材料。5.3擊穿電壓和電氣強(qiáng)度

在某一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)下絕緣材料發(fā)生破壞，失去絕緣性能變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，稱(chēng)為擊穿。擊穿時(shí)的電壓稱(chēng)為擊穿電壓（介電強(qiáng)度）。電氣強(qiáng)度是在規(guī)定條件下發(fā)生擊穿時(shí)電壓與承受外施電壓的兩電極間距離之商，也就是單位厚度所承受的擊穿電壓。對(duì)于絕緣材料而言，一般其擊穿電壓、電氣強(qiáng)度的值越高越好。影響絕緣材料性能的指標(biāo)5.4拉伸強(qiáng)度

在拉伸試驗(yàn)中，試品承受的最大拉伸應(yīng)力即為拉伸強(qiáng)度。它是絕緣材料力學(xué)性能試驗(yàn)應(yīng)用最廣、最有代表性的試驗(yàn)。5.5耐燃燒性

耐燃燒性指絕緣材料接觸火焰時(shí)抵制燃燒或離開(kāi)火焰時(shí)阻止繼續(xù)燃燒的能力。隨著絕緣材料應(yīng)用日益擴(kuò)大，對(duì)其耐燃燒性要求更顯重要，耐燃燒性越高，其安全性越好。5.6耐電弧

耐電弧是在規(guī)定的試驗(yàn)條件下，絕緣材料耐受沿其表面的電弧作用的能力。試驗(yàn)時(shí)采用交流高壓小電流，借高壓在