關于絕緣介質的極化

一、絕緣的相關概念

1、絕緣

絕緣是指用不導電的物質將帶電體隔離或包裹起來，以防止電氣設備短路和接地，保證電氣設備與線路的安全運行，防止人身觸電事故的發生。

2、絕緣介質

不善于傳導電流的物質稱為絕緣體，絕緣體又稱為電介質，電介質即絕緣介質，是指用來隔離帶電體的絕緣材料。

絕緣介質在某些外界條件，如加熱、加高壓等影響下，會被“擊穿”而轉化為導體。在未被擊穿之前，絕緣介質也不是絕對不導電的物體，如果在絕緣介質兩端施加電壓，材料中將會出現微弱的電流。

絕緣介質通?？煞譃闅怏w絕緣、液體絕緣和固體絕緣三類。固體的如塑料、橡膠、玻璃，陶瓷等；液體的如各種天然礦物油、硅油、三氯聯苯等；氣體的如空氣、二氧化碳、六氟化硫等。

3、絕緣電阻

絕緣電阻是絕緣物在規定條件下的直流電阻，即加直流電壓于電介質，經過一定時間極化過程結束后，流過電介質的泄漏電流對應的電阻。電氣設備絕緣電阻的大小就是其隔離電壓的能力。

4、吸收比

當絕緣受潮或有缺陷時，電流的吸收現象不明顯，總電流隨時間下降較緩慢。因此，對于同一電氣設備可根據i15s~i60s的變化初步判斷設備絕緣狀況。在電氣設備的絕緣試驗中，取加壓后15s的絕緣電阻R15s，取加壓后60s的絕緣電阻R60s，其比值R60s/R15s稱為吸收比，K=R60s/R15s。

測量K值的試驗叫做吸收比試驗，K的最小值為1，K值越大，電氣設備絕緣的耐電性越好；K值越小，表明設備的絕緣可能受潮或者存在裂紋等缺陷；受潮嚴重時吸收比可能接近于1。吸收比和溫度有關。

5、極化指數

大容量的變壓器、發電機、電纜等電氣設備，吸收電流衰減得很慢，在1min時測量的絕緣電阻仍會受吸收電流的影響，吸收比不足以反映絕緣介質的電流吸收全過程，為了便于更好地判斷絕緣體是否受潮，可采用較長時間的絕緣電阻比值進行衡量，即10min和1min時的絕緣電阻比值，K2=R10min/R1min，K2稱為絕緣的極化指數。

極化指數測量加壓時間較長，測定的比值與溫度無關。被試品受潮或處于污染狀態時，不隨時間變化的泄漏電流所占比例較大，所以K2接近于1；絕緣體處于干燥狀態時，K2較大。變壓器的極化指數一般大于1.5，絕緣較好時可達到3～4。

二、絕緣介質的極化

1、極化

極化是指在電場作用下，電介質內部沿電場方向產生感應電偶極矩，電介質表面出現束縛電荷的現象。理想的絕緣介質內部沒有自由電荷，實際的電介質內部總是存在少量自由電荷，它們是造成電介質漏電的原因。一般情況下，未經電場作用的電介質內部的正負束縛電荷平均說來處處抵消，宏觀上并不顯示極性。在外電場的作用下，束縛電荷的局部移動導致宏觀上顯示出極性，在電介質的表面和內部不均勻的地方出現電荷，這種現象稱為極化，出現的電荷稱為極化電荷。這些極化電荷改變原來的電場。充滿電介質的電容器比真空電容器的電容大就是由于電介質的極化作用。

2、極化的基本形式

電介質極化有四種基本形式：電子極化、原子或離子極化、偶極子轉向極化和夾層介質界面極化。

1）電子極化

是指在電場作用下，負電子云相對原子核位移，使正、負電荷等效中心分離，形成帶有正、負極性的偶極子。

2）原子或離子極化

是指在電場作用下，原子中的電子和原子核之間或正離子和負離子之間沿電場方向相對位移，其正、負電荷作用中心分離，形成帶有正、負極性的偶極子。

3）偶極子轉向極化

電介質含有固有的極性分子，它們本來就是帶有極性的偶極子，其正、負電荷作用中心不重合。當無電場作用時，它們的分布是混亂的，宏觀上看，電介質不呈現極性；在電場作用下，這些偶極子順電場方向扭轉或順電場方向排列，整個電介質就形成了帶正電和帶負電的兩極。

4）夾層介質界面極化

由兩層或多層不同材料組成的不均勻電介質叫做夾層電介質。由于各層的介電常數和電導率不同，在電場作用下，各層電介質交界面上的電荷必然移動，以適應電位的重新分布，最后在交界面上積累起電荷，形成帶正電和帶負電的兩極。

三、絕緣介質的損耗

介質損耗是指絕緣材料在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，在其內部引起的能量損耗。介質損耗也叫介質損失，簡稱介損。表征某種絕緣材料的介質損耗，一般不用W或J等單位來表示，而是用電介質中流過電流的有功分量和無功分量的比值來表示，即tanδ。tanδ與絕緣材料的性質有關，而與其結構、形狀、幾何尺寸等無關。介質損耗的功率P與外加電壓的平方和電源頻率成正比。介質損耗有電導損耗、游離損耗、極化損耗等形式。

1、電導損耗

電導損耗是指在電場作用下，電導電流使電介質發熱產生的損耗。氣體的電導損耗很小，液體、 固體中的電導損耗則與它們的結構有關。非極性的液體電介質、無機晶體和非極性有機電介質的介質損耗主要是電導損耗。而在極性電介質及結構不緊密的離子固體電介質中，則主要由極化損耗和電導損耗組成。它們的介質損耗較大，并在一定溫度和頻率上出現峰值。電導損耗實質上相當于交流、直流電流流過電阻做功。絕緣好時，液、 固電介質在工作電壓下的電導損耗是很小的，與電導一樣是隨溫度的增加而急劇增加的。

2、游離損耗

氣體間隙中的電暈損耗和液、固絕緣體中局部放電引起的功率損耗稱為游離損耗。電介質中局部電場集中處，當電場強度高于某一值時，就會產生游離放電，又稱局部放電。電暈是在空氣間隙中或固體絕緣體表面氣體的局部放電現象。但這種放電現象不同于液、固體介質內部發生的局部放電。游離損耗只有在外加電壓超過一定值時才會出現，且隨電壓升高而急劇增加。

3、極化損耗

發生緩慢極化，如松弛極化、空間電荷極化時，帶電粒子在電場力的影響下因克服熱運動而引起的能量損耗叫極化損耗。對于偶極子的電介質，在交變電場中偶極子隨電場變化來回扭動，在電介質內部發生的摩擦損耗，也是極化損耗的一種形式。極化損耗與溫度、 電場頻率有關。

四、絕緣介質的擊穿

當施加在電介質上的電壓超過某臨界值時，則使通過電介質的電流劇增。電介質發生破壞或分解，直至電介質喪失固有的絕緣功能，這種現象叫做介質擊穿。電介質發生擊穿的臨界電壓稱為擊穿電壓，擊穿時的電場強度稱為擊穿場強。

1、氣體電介質的擊穿

加在氣體電介質的電壓超過氣體飽和電流階段之后，即進入電子碰撞游離階段，帶電質點在電場中獲得巨大能量，使氣體分子碰裂游離成正離子和電子。新形成的電子又在電場中積累能量去碰撞其他分子，使其游離，如此連鎖反應，便形成電子崩。電子崩向陽極發展，形成一個具有高電導的通道，導致氣體擊穿。氣體電介質擊穿電壓與氣壓、溫度、電極形狀及氣隙距離等有關。

2、液體電介質的擊穿

純凈的液體電介質擊穿也是由于游離所引起。工程用的液體電介質多少總會有雜質，如工程用的變壓器油擊穿完全是由雜質所造成的。在電場作用下變壓器油中的雜質如水泡、纖維等，聚集到兩電極之間，被吸向電場較集中的區域，順電場方向構成橋路，較大的電導電流使橋路發熱，形成油和水分局部氣化，生成的氣泡也沿著電力線排列形成擊穿。

3、固體電介質的擊穿

固體電介質的擊穿可分為電擊穿、熱擊穿和電化學擊穿三種形式。

1）電擊穿

在強電場作用下，當電介質的帶電質點劇烈運動發生碰撞游離的連鎖反應時，就產生電子崩。當電場強度足夠高時，電介質就會失去絕緣性能發生電擊穿。電擊穿的擊穿電壓隨著電介質的厚度呈線性增加，與加壓時的溫度無關。電擊穿的時間很短，一般以微秒計，其擊穿電壓較高，而擊穿場強與電場均勻程度關系很大。

2）熱擊穿

在強電場作用下，由于電介質內部介質損耗而產生的熱量，如果來不及散發出去，將使電介質內部溫度升高，電阻變小，使電導電流進一步增大，介質損耗發熱進一步增大，導致溫度不斷上升，引起電介質分解、炭化等。因此導致的電介質分子結構被破壞而發生的擊穿稱為熱擊穿。熱擊穿電壓隨著溫度升高而下降。

3）電化學擊穿

在強電場作用下，電介質內部包含的氣泡首先發生碰撞游離而放電，雜質如水分也因受電場加熱而汽化并產生氣泡，于是氣泡放電進一步發展，電介質發生化學變化，逐漸變質和劣化，最終喪失絕緣能力導致整個電介質擊穿。電化學擊穿與介質的電壓作用時間、溫度、電場均勻程度、累積效應、受潮、機械負荷等多種因素有關。電化學擊穿強度低而且分散性較大。

4）固體電介質擊穿往往是上述三種形式同時存在的。固體電介質的化學變化通常使其電導增加，這會使介質的溫度上升，因而電化學擊穿的最終形式是熱擊穿。溫度和電壓作用時間對電擊穿的影響小，對熱擊穿和電化學擊穿的影響大；電場局部不均勻性對熱擊穿的影響小，對其他兩種影響大。

五、影響絕緣強度的因素

絕緣強度是指絕緣材料在電場中的最大耐壓，通常以1mm厚絕緣材料所能耐受的電壓kV值表示。影響介質絕緣強度的因素主要有：

1、電壓的作用

作用在介質上的電壓超過了它的耐受能力，介質就會擊穿，除此之外還和電壓的波形、極性、頻率、施加電壓的時間、電壓上升的速度和電極的形狀等有關系；

2、水分的作用

水分和潮氣會導致絕緣電阻急劇下降，使絕緣強度也急劇下降；

3、溫度的作用

高溫會使絕緣發熱、老化、絕緣強度下降；

4、機械力的作用

絕緣結構可能因承受機械負荷、電動力和機械震動的作用受到損壞，從而使耐受電壓能力下降；

5、化學的作用

化學氣體的侵蝕會使絕緣受到損壞，使耐受電壓的能力下降；

6、大自然的作用

暴露在空氣中的介質長期受著日光、風、雨、露、霜、雪、塵埃污染等的作用，會發生老化，引起耐受電壓的能力降低。

六、絕緣老化的主要原因

絕緣材料在使用或保管過程中，隨著時間的增長，其性能會出現逐漸變壞的現象，性能變壞后不能恢復到原來的狀態，叫做絕緣老化。絕緣老化的主要原因有:

1、電老化

絕緣材料在長期的電壓作用下，在電場強度集中的地方，如導體的棱角，邊緣處附近的氣體會發生局部放電，絕緣層內部空隙的氣泡，由于電場強度集中，也會產生局部放電，局部放電使其鄰近的絕緣受到腐蝕，嚴重的會發展到干枯、燒焦而變質。

2、熱老化

電氣設備中的絕緣材料在有電流流過時，會產生熱量，從而導致絕緣材料的熱分解，氧化、變質、電氣性能下降導致擊穿。

3、化學老化

過熱加速了絕緣材料內的化學反應，導致絕緣材料硬化、脆化。

4、機械老化

電氣設備中的絕緣材料，如電機絕緣經常受到振動和電磁場力的作用，會緩慢地出現變形和破損。

5、環境因素的影響

大自然中的日光、紫外線、風雨的侵蝕、水分、溫度、化學氣體以及微生物(霉菌)等的作用，使絕緣材料的老化速度加快，壽命縮短。

七、絕緣材料的耐熱等級

電工絕緣材料按其允許最高溫度分為七個耐熱等級：

1、Y級

極限溫度為90℃，主要絕緣材料有木材、棉花、紙、纖維等天然的紡織品，還有醋酸纖維和聚酰胺為基礎的紡織品和易于熱分解和溶化點較低的塑料等。

2、A級

極限溫度為105℃，主要絕緣材料有工作于礦物油中的Y級材料，用油或油樹脂復合膠浸過的Y級材料，漆包線、濾布、瀝青漆等。

3、E級

極限溫度120℃，主要絕緣材料有聚酯薄膜和A級材料復合、玻璃布、油性樹脂漆、乙酸乙烯耐熱漆包線等。

4、B級

極限溫度130℃，主要絕緣材料有聚酯薄膜，經合適樹脂黏合式浸漬復涂的云母、玻璃纖維、石棉等制品、聚酯漆包線等。

5、F級

極限溫度155℃，主要絕緣材料有以有機纖維材料補強的云母片制品、玻璃纖維和石棉、玻璃漆布等。

6、H級

極限溫度180℃，主要絕緣材料有無補強或以無機材料補強的云母制品、加厚的F級材料、硅有機漆、硅有機橡膠等。

7、C級

極限溫度180℃以上，主要絕緣材料有不采用任何有機黏合劑及浸漬劑的無機礦物，如石英、石棉、云母、玻璃和電瓷材料等。

八、絕緣電阻的測試

1、測試的目的和意義

電氣設備停用時間較長時，受潮或表面積有大量灰塵，影響電氣設備的絕緣；長期使用的電氣設備，受高溫、高壓、化學、機械振動以及其它因素的影響，絕緣體的絕緣性能將會出現劣化，甚至失去絕緣性能造成事故。測量電氣設備的絕緣就能發現電氣設備中影響絕緣的異物、受潮和臟污、絕緣油老化、絕緣介質擊穿和嚴重熱老化等缺陷，以便了解電氣設備的絕緣狀況，及時對設備進行維護保養和檢修。

2、測試的試驗原理

1）電氣設備的絕緣體（電介質）并非是完全不導電的，在一定的直流電壓作用下，絕緣體中總會有微弱的電流通過，根據電介質材料的性質和構成等不同，該電流可分為三部分，即電導電流（泄漏電流），電容電流和吸收電流。兆歐表產生的直流電壓與泄漏電流之比為絕緣電阻，用兆歐表檢查絕緣材料是否合格的試驗叫做絕緣電阻試驗。

2）上圖a為電氣設備絕緣介質在直流電壓作用下的電路圖。閉合開關S，記錄微安表在不同時刻的讀數，據此繪成上圖c中的i曲線。上圖b等效電路中，C1支路中的電流代表電容電流i1，r、C支路中的電流代表吸收電流i2，R支路中的電流代表電導電流i3，三個電流加起來i=i1+i2+i3就是在直流電壓作用下通過被試品的總電流i隨時間變化的曲線，通常稱為吸收曲線。

3）從該曲線中可以看出，隨著時間增加，電容電流i1和吸收電流i2趨近于零，最終i趨近于i3。絕緣電阻值則由原來的極小值隨著時間增加而相應增大，所以規程要求在加壓1min后讀取兆歐表測量值。正常情況下，泄漏電流i3很小且不隨時間變化，在絕緣體受潮、臟污或存在其他缺陷時，在直流電壓的作用下，泄漏電流會急劇增加，絕緣電阻相應減小。因此，通過測量絕緣電阻大小可以初步判斷電氣設備的絕緣狀況。

3、測試的工具

測量絕緣電阻用兆歐表，手搖兆歐表又叫搖表，它由手搖直流發電機、倍壓整流電路、磁電系比率表等部件組成。

1）兆歐表的選用

兆歐表的額定電壓應根據被測電氣設備的額定電壓來選擇。

（1）100V以下的電氣設備或回路，選用250V，50MΩ及以上兆歐表；

（2）500V以下至100V的電氣設備或回路，選用500V，100MΩ及以上兆歐表；

（3）3kV以下至500V的電氣設備或回路，選用1000V，2000MΩ及以上兆歐表；

（4）10kV以下至3kV的電氣設備或回路，選用2500V，10000MΩ及以上兆歐表；

（5）10kV及以上的電氣設備或回路，選用2500V或5000V，10000MΩ及以上兆歐表；

（6）用于極化指數測量時，兆歐表短路電流不應低于2mA。

2）兆歐表的檢查

將兆歐表水平且平穩放置，檢查指針偏轉情況：

（1）對于手搖式兆歐表，將E、L兩端開路，以約120r/min的轉速搖動手柄，觀察指針是否指到“∞”處；然后將E、L兩端短接，緩慢搖動手柄，觀察指針是否指到“0”處。

（2）對于數字式兆歐表，首先選擇需要輸出的電壓，然后將E、L兩端開路，點擊面板啟動按鈕，觀察是否顯示“1”；然后將E、L兩端短接，點擊面板啟動按鈕，觀察指針是否顯示“0”。

4、測試的步驟

1）兆歐表放置平穩牢固，被測物表面擦干凈，以保證測量正確。

2）正確接線 ：兆歐表有三個接線柱：線路（L）、接地（E）、屏蔽（G）。跟據不同測量對象，作相應接線。

（1）測量線路對地絕緣電阻時，E接地，L接被測線路。

（2）測量電機或設備絕緣電阻時，E接電機或設備外殼，L接被測繞組的一端。

（3）測量電機或變壓器繞組間絕緣電阻時，先拆除繞組間的連接線，將E、L分別接在被測的兩相繞組上。

（4）測量電纜絕緣電阻時，E接電纜外表皮上，L端接線芯，G端接芯線最外層絕緣層上，如下圖所示。

3）對于手搖式兆歐表，由快到慢搖動手柄，直到轉速達120r/min左右，保持手柄的轉速均勻穩定，一般轉動1min，待指針穩定后讀數；對于數字式兆歐表，按下啟動按鈕自動升壓至數字穩定后讀數。

4）測量完畢，應首先將L線與被測物分離，然后再讓兆歐表停止電壓輸出，避免被測物的反電動勢作用損壞兆歐表，最后將被測物接地充分放電后方能拆除連接導線。

5、測試的注意事項

1）測試絕緣應由兩人進行，一人操作，一人監護，操作人穿絕緣鞋，戴絕緣手套。

2）測量絕緣電阻前，被測設備上其它的工作票應收回，被測設備上禁止一切工作，人員全部撤離。

3）測量前必須將被測設備切斷電源和負載，并進行充分放電；被測設備與電源應有明顯斷開點，二次側的保險、空開應斷開，已用兆歐表測量過的設備如要再次測量，也必須先接地放電，以免殘余電荷損壞儀表和危及人身安全。

4）被測設備中如有半導體器件，測量前應先將其插件板拆去。

5）禁止在雷電時或高壓設備附近測絕緣電阻，使用兆歐表測量絕緣電阻時，要遠離大電流導體和外磁場，測試人員須注意與帶電設備的安全距離。

6）同桿雙回架空線或雙母線，當一路帶電時，不得測量另一回路的絕緣電阻，以防感應高壓損壞實驗設備和危及人身安全；對于平行線路，也應注意其感應電壓，一般不應測其絕緣電阻。

7）與被測設備的連接導線應用兆歐表專用測量線或選用絕緣強度高的兩根單芯多股軟線，兩根導線切忌絞在一起，也不能隨意堆放在地上，以免影響測量準確度。

8）測量過程中，如果指針指向“0”位，表示被測設備短路，應立即停止測量，以防表內線圈發熱損壞。

9）兆歐表未停止輸出電壓之前或被測設備未放電之前，嚴禁用手觸及導體。斷開L線時，也不要觸及引線的金屬部分，以防被電擊。

10）在測量電容性設備的絕緣電阻后，應先將線路L端連線斷開再停止電壓輸出，以免被測設備向兆歐表倒充電而損壞儀表。然后對設備充分放電，一般放電時間在5min以上。

11）做絕緣電阻記錄時，要記錄設備銘牌和測量時的溫度、天氣情況。將所測得的絕緣電阻換算至同一溫度，并與出廠、交接、歷年、大修和耐壓前后的數值進行比較，同型設備間相互比較，同一設備間相互比較，應無明顯差別。

6、影響測試結果的因素

1）溫度

一般絕緣電阻是隨溫度的上升而減小的，其原因是隨著溫度升高，絕緣體內部的離子運動加快，絕緣物內部的水分與絕緣物的結合松弛，在外電場作用下，水分子順纖維物質呈細長絨狀伸長，使其導電率增加。絕緣物內含有的鹽類、酸性物質，被水溶解的速率加劇，也會增加導電率而降低絕緣電阻。絕緣電阻的變化隨絕緣材料的不同而不同，富有吸濕性的材料隨溫度變化最大。由于溫度對絕緣電阻影響很大，而且每次測量又難以在同一溫度下進行，為了能對測量結果進行比較，測量時要記錄溫度，將測量結果換算到同一溫度。

2）濕度

當空氣相對濕度增大時，絕緣材料由于毛細管作用將吸收更多的水分使電導增加，降低了絕緣電阻，尤其對表面泄漏電流的影響更大。實踐證明，霧雨天氣時絕緣體表面吸附潮氣，形成水膜，常使絕緣電阻顯著降低。

3）表面臟污

被測設備的表面臟污會使其表面電阻率大大降低，同時臟污部分的吸潮能力更加顯著，致使絕緣電阻明顯下降。

4）剩余電荷

每測完一次絕緣后應將被測試體充分放電，放電時間應大于充電時間，以將剩余電荷放盡，否則在重新測量時，當剩余電荷的極性與兆歐表的極性相同時，由于剩余電荷的影響，其充電電流和吸收電流將比第一次測量時小，因而造成吸收比減小、絕緣電阻值增大的虛假現象。相反，剩余電荷的極性與兆歐表的極性相反時，測得的絕緣電阻將比真實值偏小。在測試電纜或被測設備容量較大時，剩余電荷對絕緣電阻的測量值影響較大。

5）感應電壓

在帶電環境中測量停電設備的絕緣電阻時，由于帶電設備與停電設備之間的電容耦合，使得停電設備帶有一定電壓等級的感應電壓，感應電壓對絕緣電阻的測量有很明顯的影響，感應電壓強烈時，可能會造成兆歐表的損壞，甚至危及人身安全，采取電場屏蔽等措施可以有效克服感應電壓的影響。

6）試驗設備容量

實測表明，兆歐表的容量對絕緣電阻、吸收比的測量結果都有一定的影響。對于同一被測設備，兆歐表容量大的測量結果較準，而容量小的結果偏差較大?，F場試驗中盡量選用最大輸出電流1mA及以上的兆歐表。