1电气绝缘

电气绝缘及基本绝缘试验1、电介质的基本知识1.1、综述电介质即绝缘材料，是电气设备、装置中用来隔离存在不同电位的导体的物质，通过在各类导体（包括大地）间的绝缘割断功用控制电流的方向。由于电介质的绝缘性能，使得其在电气设备、装置得制造中得到广泛应用，如制作各类绝缘支撑、改善电位梯度、保护导体、冷却导体等。电介质长期受到电场、热能、机械应力等的破坏，在电场的作用下，电介质将会发生极化、电导、损耗和击穿等现象，这些现象的相关物理参数可以用相对介电系数、电导率（或电阻率）、介质损耗因数、击穿电压来表征。1.2、电介质的极化1.2.1、电介质极化的基本概念根据电介质的分子结构的不同，电介质被人为的分为极性电介质和非极性电介质两大类。非极性电介质分子的正、付电荷作用中心重合，对单个分子来说对外呈中性。极性电介质分子的正、付电荷的作用中心间存在一定距离，于是单个分子对外呈电性。由于分子热运动的存在，电介质内的极性分子呈不规则排列，其所带正、付电性相互抵消，因此即使是极性电介质，对电介质整体而言，对外也呈中性。极性电介质和非极性电介质，在电场中所呈现出的性质不同。非极性电介质在电场中，其分子内互相起束缚作用的正、付电荷受电场力的作用，沿电场力的方向发生微小的弹性位移。而极性电介质的分子原先就带不同极性的电荷，在电场力的作用下，这些带电荷的分子就会沿电场力的方向做规则性运动，于是，原先对外呈中性的极性电介质对外呈现出电性。这种电介质在外电场作用下发生的束缚电荷的弹性位移和极性电介质分子发生的规则性转向运动，就是通常所说的电介质的极化现象。1.2.2、电介质极化的基本形式简介电介质极化的种类较多，但基本形式只有四种，即电子式极化，离子式极化，偶极式极化，夹层式极化。电子式极化。由于电介质原子内的电子的位移所形成的极化即电子式极化。因为电子的质量极小，所以极化时间极短，决定了这种极化不受外电场频率的影响。电子式极化在外电场消失后将会由于正、付电荷的相互吸引而能够迅速自动回复到原先的中性状态，所以这种极化方式只引起纯电容电流，没有能量的损耗，属于弹性极化。在温度升高时，电子式极化由于电子与原子核的结合力减弱，极化性能有微弱的加强；但温度升高的同时，电介质的膨胀又使得电介质单位体积的质量有所减少，比较之下，后者的影响稍微强一些，所以总体看来温度升高后电介质电子式极化性能略有下降。离子式极化。固体云母、玻璃、陶瓷等具有离子式结构的电介质，在电场作用下，正、付离子的相互作用中心不再重合，电介质整体对外显示出电性，这种异性离子间的相对位移即离子式极化。离子式极化也是一种弹性极化，没有能量损耗，极化过程也极短，不随外施电压的频率而改变。离子式极化受温度影响很大，随着温度的升高，极化性能越强，尽管离子密度随温度的升高减小致使极化降低，但总体看，离子式极化还是具有正温度系数。偶极式极化。松香、橡胶、胶木等由偶极分子组成的电介质，在外电场作用下，偶极分子发生转向或顺电场方向做规则运动，对外显示出电性，即是偶极极化。偶极极化因为分子的转向需要消耗能量来克服分子间吸引力和摩擦力，所以极化时间较长，因此受外电场的频率影响大，当外电场频率很快时，偶极分子的转向很难及时跟随，最终极化将减弱。温度对偶极极化的影响也很大，温度升高时，分子间吸引力减弱，极化加强，但同时由于分子热运动加剧，分子的规则性转向受阻，使极化减弱，相比之下，前者优势明显，所以温度升高时，偶极分子组成的电介质的介电系数增大，只是随温度的不断升高其介电系数的增长比率将逐渐降低。偶极式极化属于非弹性极化。夹层式极化。由多种电介质组成的复合电介质，如大部分高电压设备的绝缘介质，在外电场的作用下，两种不同的电介质的分界面上将发生电荷的移动和累计，即夹层极化现象。夹层极化过程非常缓慢，而且整个过程相当于通过电阻对电容进行充放电，所以夹层极化过程需要消耗能量。空间电荷的极化。即电介质内的自由离子在电场作用下，改变其分布状况，在电极附近形成空间电荷的现象，这种极化过程缓慢。电介质的极化现象在电气设备的制造等实践中应用非常广泛，如可以通过选用介电系数大的电介质可以增大电容的电容量；电缆等的多层绝缘就是利用夹层极化的绝缘吸收性能；通过测试介质在松弛极化过程中的损耗检验电介质的绝缘性能。1.3、电介质的电导电介质并不是完全绝缘的，其中总是要存在一些联系较弱的带电质子，主要是正、付离子，这些质子在电场作用下所做的有规则运动，即电介质的电导。电导率γ即表征电介质电导大小的物理量，其倒数是电阻率ρ。电介质的电导率一般为1010～1022Ω·cm,半导体的电导率一般为10-2～109Ω·cm,导体的电导率一般为10-6～10-2Ω·cm。电介质的电导属于离子性的，所以温度的升高，将使电介质的电导电流按一定规律增大，也就是说，电介质的电阻的温度系数是负数。电介质的电导还与外在电压作用的时间有关，在接近电介质击穿时，电导电流迅速增大，电介质的绝缘电阻剧烈下降。对于固体电介质而言，既有电介质本身的内部泄露电流，又有通过电介质表面的泄露电流，这两者分别应用体积电阻和表面电阻表示，因此，电介质总的绝缘电阻就是这两种绝缘电阻并联后的值。电介质的表面电阻主要和其表面吸附水分的能力有关，所以，电介质在制造和测试绝缘电阻时就需要尽量避免表面电阻的影响，如将绝缘子表面涂釉，绝缘试验前做清洁干燥处理或加装屏蔽环。1.4、电介质的损耗电介质的损耗是衡量其绝缘性能的重要指标，因为电介质在电压作用下都将产生能量损耗，这种损耗很大时，原先的电能转化为热能，使电介质温度升高，绝缘老化，甚至使电介质熔化、烧焦，最终丧失绝缘性能发生热击穿。电介质的损耗通常分三种形式，即电导引起的损耗、极化引起的损耗和游离电晕等局部放电引起的损耗。电导损耗也就是泄露电流在电介质中流过时导致电介质发热所产生的损耗，在直流与交流电压下均会产生。偶极式极化、复合电介质的夹层极化等有损极化在直流电压下产生的损耗非常小，但在交流电的周期性交变电场下，偶极分子做往复式有限位移和重新排列，夹层极化电介质的电荷反复重新分配，这些都需要消耗能量。常见的固体绝缘电介质中不可避免的存在一些气泡、间隙等，在外界电压场强超过其临界场强时，出现局部放电，引起能量损耗。由上可知，外施电压为直流电压且幅值低于局部放电电压时，电介质中将只有电导损耗一种能量消耗方式。电介质的等值电路可以看成纯电阻与纯电容和阻容串联回路三者的并联，如下图所示（a）。其在交流电压电场下的电流、电压的向量关系可以表示如图（b）所示。分析简化上图能够得出，电介质的损耗可以用以下公式计算当电介质在高电压或高频率电场中使用时，其损耗会显著增大，导致温度上升，电介质得损耗随之增大，由是可以知道影响电介质损耗得因素有温度、电场频率和电压等。实践证明，电介质损耗角的测量值只能反映出绝缘整体的受潮、劣化等情况，对电介质的局部缺陷反映不太灵敏甚至反映不出来。1.5、电介质的击穿电介质在外施电压值超过某一临界值时，其泄露电流迅速增大，致使电介质发生破裂或分解，甚至导致其完全丧失绝缘性能，这种现象就是电介质的击穿。导致电介质击穿的临界电压即击穿电压，此时的场强就是击穿场强。对于均匀场强而言，击穿电压U=均匀场强E×d，d为电介质厚度。对于非均匀场强，场强大的地方首先产生局部放电、局部击穿现象，整个绝缘并不一定立刻发生击穿。气体电介质的击穿，当外界电压超过气体的饱和电流后，带电质点（主要为电子）从电场中得到巨大能量，其运动加剧，脱离原分子的电荷束缚，最终使气体分子游离成正离子和电子，这些电子在电场中与其它分子碰撞，导致其游离，如此连锁反应，形成电子崩，电子崩向阳极发展，最终形成具有高电导的通道，气体便击穿了。气体的击穿电压与气压、温度、电极形状和气隙间距等因素有关，通过试验可以得出，在不考虑其它条件影响情况下，对某一气体电介质来说，在一特定电场中，气隙间距越短，气体击穿电压越低；电极形状越是尖锐，气体击穿电压越低；气体击穿电压与气压间存在一定函数关系，其关系曲线的关系即所谓的巴申曲线，如图所示。图中气体介质分别为：液体电介质的击穿，对于纯净的液体电介质而言，其击穿也是由于电子游离所引起的，而应用在工程中的液体电介质都不可避免的存在一些杂质，其击穿则完全是因为杂质造成的。在液体电介质中，往往存在水泡、纤维等杂质，这些杂质的介电常数较液态电介质大，在电场作用下，它们会被吸引到电场较为集中的区域，可能沿电力线排列，顺电场方向构成电导及介电常数都比较大的“小桥”，导致介质击穿电压降低。较大的电导电流还能够使这个“桥”发热，形成介质或杂质水分的局部气化，生成的气泡也会顺电场方向排列，促进介质击穿。固体电介质的击穿，从形式上大致可以分为电击穿、热击穿和电化学击穿三种，不同的击穿形式与外电压作用时间及场强的关系如下图所示。固体电介质在强电场作用下，其带电质点运动剧烈，发生碰撞游离产生电子崩，在电场强度足够高的条件下，发生介质的电子游离性击穿，这种形式的击穿的击穿电压一般只与介质厚度有线性增长关系，与电压作用时间的长短和温度没有关系。固体电介质在强电场作用下，如果由于损耗产生的热能散发不及时，使电介质温度不断升高，引发电介质的分解、炭化等，也能够导致介质分子结构被破坏，最终击穿，这种现象即电介质的热击穿。在外界的强电场作用下，电介质内的气泡会最先发生碰撞游离而放电，水分等杂质也会受热而汽化产生气泡，如此发展的结果便是介质击穿。对于有机电介质，其内部气泡的局部放电会促使产生碳水化合物等游离生成物，引起介质变质和劣化，这些变化逐步发展累计，电介质绝缘性能逐渐降低，最后发生电化学击穿。一般来说，在电介质发生击穿时，这三种形式会同时存在。2、电气设备的基本绝缘试验2.1、绝缘电阻测试电气设备的绝缘电阻测量是检查其绝缘状态最为简单方便的辅助方法，这一工作普遍用兆欧表（即绝缘电阻表）进行。电气设备绝缘电阻的测量，有助于发现设备存在的绝缘受潮和脏化、绝缘介质老化、绝缘物质劣化、绝缘击穿及异物影响等绝缘缺陷，所以测量绝缘电阻是电气试验、检修和运行工作人员必须掌握的基本方法之一。2.1.1、绝缘电阻、吸收比、极化指数的概念2.1.1.1、电气绝缘体的绝缘电阻指的是绝缘体在耐受低于临界电压的直流电压U与其内部的离子沿外施电场方向移动所产生的电导电流I的比值，即通过欧姆定律确定的比值：R=U/I由于外施电压超过绝缘体的临界击穿电压时，介质内将产生电子电导电流，导致绝缘电阻急剧下降，甚至发生绝缘击穿，所以针对不同电压等级的绝缘体的绝缘电阻测试，必须选用不同额定电压的兆欧表。兆欧表的选用规定为，100V以下的电气设备或回路采用250V50MΩ及以上兆欧表，500V以下至100V的电气设备或回路采用500V100MΩ及以上兆欧表，3000V以下至500V的电气设备或回路采用1000V2000MΩ及以上兆欧表，10000V以下至3000V的电气设备或回路采用2500V10000MΩ兆欧表，10000V及以上的电气设备或回路采用2500V或5000V10000MΩ及以上兆欧表。在如变压器、电力电缆等高压电气设备的绝缘电阻测量过程中，往往由于其内绝缘大都为夹层绝缘，在直流电压下，产生多种极化，需要时间很长。这种夹层绝缘的绝缘电阻随时间变化的关系可以作为分析其绝缘水平的依据，其原理是，绝缘介质在外电压作用下其内部的电容电流和吸收电流存在时间很短，在测试过程中，吸收电流、电导电流和电容电流的总合随时间的延长而衰减最终近于只剩电导电流，显现为绝缘电阻值逐渐增大，所以绝缘电阻的测量需要按规定读取施加电压后1min或10min以后的稳定电阻值。2.1.1.2、绝缘介质的吸收比和极化指数不同绝缘的电气设备，或者相同绝缘的电气设备的绝缘层受潮或存在某种绝缘缺陷时，在相同的外界电压下，通过其绝缘层的电流总和曲线不同，即随时间的延长该总电流的下降速率不同，在受潮或存在有绝缘缺陷时，该电流下降较慢，如下图所示。外电压下通过设备绝缘体总电流随时间的变化曲线（a）绝缘良好（b）绝缘受潮从以上曲线可以看出，对于同一绝缘的电气