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絕緣材料

(在允許電壓下不導電的材料)

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絕緣材料是在允許電壓下不導電的材料,但不是絕對不導電的材料,在一定外加電場強度作用下,也會發生導電、極化、損耗、擊穿等過程,而長期使用還會發生老化。
它的電阻率很高,通常在1010~1022Ω·m的範圍內。如在電機中,導體周圍的絕緣材料將匝間隔離並與接地的定子鐵芯隔離開來,以保證電機的安全運行。
中文名
絕緣材料
外文名
insulating material
特    性
絕緣電阻、耐熱性、耐潮性
電阻率
大於10億Ω·m
分    類
氣體、液體、固體絕緣材料
應    用
電工、石化、輕工等

絕緣材料絕緣材料發展簡史

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絕緣材料是電工產品發展的基礎和保證,對電機、電氣工業的發展具有特別重要的作用,絕緣材料的發展與進步,有賴於高分子材料的發展並直接制約和影響着電工產品的發展和進步。
絕緣材料是電工產品具有先進技術性的關鍵,也是電工產品長期安全可靠運行的重要保障。因此,要求絕緣材料不斷髮展新品種,提高產品性能與質量,以適應電工產品不斷髮展的需要
我國絕緣材料行業經過50多年的發展,已初步形成一個產品比較齊全,配套比較完備,具有相當生產規模和科研實力的工業體系。特別是近20多年來,絕緣材料的品種發展迅速,質量有很大提高,產品水平已達到一個新的高度。
20世紀以前,絕緣材料基本上都是來自天然材料或其製品。最早的電動機是用絲綢、棉紗、棉布作絕緣材料。為了提高耐水性等,採用蟲膠等天然樹脂與植物油、瀝青進行浸漬。
20世紀初,由於有機合成和高分子化學的發展,人類製得了第一個合成聚合物——酚醛樹脂,它也是絕緣材料領域中的重要發明。酚醛樹脂一經問世,很快獲得了廣泛應用,先後製成了以酚醛樹脂為基礎的浸漬漆、塑料、浸漬纖維製品與層壓制品。以後又出現了脲醛樹脂苯胺甲醛樹脂三聚氰胺甲醛樹脂、甘油樹脂等。
30年代起,又發展了聚氯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯氯丁橡膠、聚乙烯醇縮醛等。20世紀50年代以後,有機硅樹脂聚酯薄膜不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂等工業化生產,同時玻璃纖維、粉雲母製品開始工業化生產,促進了絕緣材料的發展。伴隨現代聚合物化學與工業的發展,真正開始了以合成聚合物為基礎的新絕緣材料的發展時期。前一段出現的聚合物相繼應用於絕緣材料中,並迅速發展了新的絕緣材料品種,如無溶劑漆應用於電機
浸漬;薄膜複合製品作為電機的槽絕緣;粉雲母製品迅速發展,並被用於大型高壓發電機;六氟化硫問世並在高壓電器中獲得應用等。
進入20世紀70年代,聚合物工業在進一步向大型工業化發展的同時,絕緣材料工業開始出現了新的F級、H級絕緣材料體系,相繼開發了聚酰亞胺聚酰胺酰亞胺、聚酰亞胺、聚馬來酰亞胺、聚二苯醚等耐熱性絕緣漆、粘合劑和薄膜,以及改性環氧、不飽和聚酯、聚芳酰胺纖維紙及其複合材料等系列新產品。電工產品耐熱等級大批上升為B級,在冶金、吊車、機車電機等特殊電機中開始採用新的F級、H級絕緣材料。
進入20世紀80年代後,中國進行大規模的自主開發F級、H級絕緣材料,使性能得到提高,如出現了改性二苯醚,改性雙馬來酰亞胺,改性聚酯亞胺漆包線漆,聚酰胺酰亞胺漆包線漆,聚酰亞胺漆包線漆,F級、H級玻璃纖維製品,高性能聚酰亞胺薄膜,F級環氧粉雲母帶等。無溶劑浸漬樹脂和快乾浸潰漆得到迅速發展。少膠粉雲母帶、VPI(真空壓力浸漬)浸漬樹脂開始應用。
現代應用納米技術發展納米絕緣材料。納米技術可以應用於許多領域,包括絕緣材料領域。將納米級(範圍在1~100nm之間)粉料均勻地分散在聚合物樹脂中,也可以採取在聚合物內部形成或外加納米級晶粒或非晶粒物質,還可形成納米級微孔或氣泡。由於納米級粒子的結構特徵使複合型材料表現出一系列獨特而又奇異的性能,使納米材料發展成極有前景的新材料領域。我國已經開展了這方面的研究,如四川大學已製備聚酰亞胺/蒙脱土納米複合薄膜獲得成功。納米材料的應用必將為許多傳統的絕緣材料無法達到的新異性能,開闢了新材料、新技術的發展前景。 [1] 

絕緣材料定義

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絕緣材料又稱電介質,是指在直流電壓作用下,不導電或導電極微的物質,其電阻率一般大於1010Ω·m。絕緣材料的主要作用是在電氣設備中將不同電位的帶電導體隔離開來,使電流能按一定的路徑流通,還可起機械支撐和固定,以及滅弧、散熱、儲能、防潮、防黴或改善電場的電位分佈和保護導體的作用。因此,要求絕緣材料有儘可能高的絕緣電阻、耐熱性、耐潮性,還需要一定的機械強度。 [2] 

絕緣材料絕緣材料的基本性能

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絕緣材料絕緣材料的主要性能指標

為了防止絕緣材料的絕緣性能損壞造成事故,必須使絕緣材料符合國家標準規定的性能指標。而絕緣材料的性能指標很多,各種絕緣材料的特性也各有不同,常用絕緣材料的主要性能指標有擊穿強度、耐熱性絕緣電阻和機械強度等。
(1)擊穿強度。絕緣材料在高於某一個數值的電場強度的作用下,會損壞而失去絕緣性能,這種現象稱為擊穿。絕緣材料被擊穿時的電場強度,稱為擊穿強度,單位為:kV/mm。
(2)耐熱性。當温度升高時,絕緣材料的電阻、擊穿強度、機械強度等性能都會降低。因此,要求絕緣材料在規定的温度下能長期工作且絕緣性能保證可靠。不同成分的絕緣材料的耐熱程度不同,耐熱等級可分為Y、A、E、B、F、H、C等7個等級,並對每個等級的絕緣材料規定了最高極限工作温度。
Y級:極限工作温度為90℃,如木材、棉紗、紙纖維、醋酸纖維、聚酰等紡織品及易於熱分解和熔化點低的塑料絕緣物。
A級:極限工作温度為105℃,如漆包線、漆布、漆絲、油性漆及瀝青等絕緣物。
E級:極限工作温度為120℃,如玻璃布、油性樹脂漆、高強度漆包線、乙酸乙烯耐熱漆包線等絕緣物。
B級:極限工作温度為130℃,如聚酯薄蠟、經相應樹脂處理的雲母、玻璃纖維、石棉、聚酯漆、聚酯漆包線等絕緣物。
F級:極限工作温度為155℃,如用F級絕緣樹脂粘合或浸漬、塗敷後的雲母,玻璃絲,石棉,玻璃漆布以及以上述材料為基礎的層壓制品,雲母、粉製品,化學熱穩定性較好的聚酯和醇酸類材料,複合硅有機聚酯漆。
H級:極限工作温度為180℃,如加厚F級材料、雲母、有機硅雲母製品、硅有機漆、硅有機橡膠聚酰亞胺複合玻璃布、複合薄膜、聚酰亞胺漆等。
C級:極限工作温度大於180℃。指不採用任何有機黏合劑及浸漬劑的無機物,如石英、石棉、雲母、玻璃、陶瓷及四氟乙烯塑料等。
(3)絕緣電阻。絕緣材料呈現的電阻值為絕緣電阻,通常狀態下,絕緣電阻一般達幾十兆歐以上。絕緣電阻因温度、厚薄、表面狀況(水分、污物等)的不同會存在較大差異。
絕緣材料的電阻率雖然很高,但在一定的電壓作用下。總有微小電流通過,這種電流稱為泄漏電流。
(4)機械強度。根據各種絕緣材料的具體要求,相應規定的抗張、抗壓、抗彎、抗剪、抗撕、抗衝擊等各種強度指標,統稱為機械強度。
(5)其他特性指標。有些絕緣材料以液態形式呈現,如各種絕緣漆,其特性指標就包含黏度、固定含量、酸值、乾燥時間及膠化時間等。有的絕緣材料特性指標還涉及滲透性、耐油性、伸長率、收縮率、耐溶劑性、耐電弧等。 [3] 

絕緣材料絕緣材料的老化

絕緣材料在電場作用下將發生極化、電導、介質發熱、擊穿等物理現象,在承受電場作用的同時,還要經受機械、化學等諸多因素的影響,長期_T作將會出現老化現象。因此,電氣產品的許多故障往往發生在絕緣部分。
電介質的老化是指電介質在長期運行中電氣性能、力學性能等隨時間的增長而逐漸劣化的現象。其主要老化形式有電老化、熱老化和環境老化等。
(1)電老化。多見於高壓電器,產生的主要原因是絕緣材料在高壓作用下發生局部放電。
(2)熱老化。多見於低壓電器,其機理是在温度作用下.絕緣材料內部成分氧化、裂解、變質,與水發生水解反應而逐漸失去絕緣性能。
(3)環境老化。又稱大氣老化,是由於紫外線、臭氧、鹽霧、酸鹼等因素引起的污染性化學老化。其中。紫外線是主要因素.臭氧則由電氣設備的電暈或局部放電產生。
絕緣材料一旦發生了老化,其絕緣性能通常都不可恢復,工程上常用下列方法防止絕緣材料的老化。
(1)在絕緣材料製作過程中加人防老劑。
(2)户外用絕緣材料可添加紫外線吸收劑,或用隔層隔離陽光。
(3)濕熱地帶使用的絕緣材料,可加人防黴劑。
(4)加強電氣設備局部防電暈、防局部放電的措施。 [3] 

絕緣材料絕緣材料的分類

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絕緣材料包括氣體絕緣材料液體絕緣材料固體絕緣材料。涉及電工、石化、輕工、建材、紡織等諸多行業領域。

絕緣材料氣體絕緣材料

通常情況下,常温常壓下的乾燥氣體均有良好的絕緣性能。作為絕緣材料的氣體電介質,還需要滿足物理、化學性能及經濟性方面的要求。空氣六氟化硫氣體是常用的氣體絕緣材料。
空氣有良好的絕緣性能,擊穿後其絕緣性能可瞬時自動恢復,電氣物理性能穩定、來源極其豐富、應用面比較廣。但空氣的擊穿電壓相對較低,電極尖鋭、距離近、電壓波形陡、温度高、濕度大等因素均可降低空氣的擊穿電壓,常採用壓縮空氣或抽真空的方法來提高空氣的擊穿電壓
六氟化硫(SF6)氣體是一種不燃不爆、無色無味的惰性氣體,它具有良好的絕緣性能和滅弧能力,遠高於空氣,在高壓電器中得到了廣泛應用。六氟化硫氣體還具有優異的熱穩定性和化學穩定性,但在600℃以上的高温作用下,六氟化硫氣體會發生分解,將產生有毒物質。因此,在使用中應注意以下幾個方面。
(1)嚴格控制含水量,做好除濕和防潮措施。
(2)採用適當的吸附劑去吸收有害物質及水分。
(3)斷路器中六氟化硫氣體的壓力不能過高而出現液化現象。
(4)放置六氟化硫設備的場所應有良好的通風條件。
(5)對運行、檢修人員應有必要和可靠的勞動保護措施。 [3] 

絕緣材料液體絕緣材料

圖1 圖1
絕緣油有天然礦物油天然植物油和合成油,如圖1所示。天然礦物油應用廣泛,它是從石油原油中經過不同程度的精製提煉而得到的一種中性液體,呈金黃色,具有很好的化學穩定
性和電氣穩定性。主要應用於電力變壓器少油斷路器、高壓電纜、油浸式電容器等設備。天然植物油有蓖麻油、大豆油等。合成油有氧化聯苯甲基硅油、苯甲基硅油等,主要用於電力變壓器、高壓電纜油浸紙介電容器中。
絕緣油在儲存、運輸和運行過程中會受各種因素影響導致污染和老化。熱和氧在油的老化中起了最主要的作用。工業中採取的防油老化的措施有:加強散熱以降低油温;用氮氣、薄膜使變壓器油與空氣隔絕;使用乾燥劑以消除水分;添加抗氧化劑;防止日光照射等。油被污染後可採取壓力過濾法或電淨化法進行淨化和再生。
為了保證充油設備的安全運行,必須經常檢查油的温升、油麪高度、油的閃點、酸值、擊穿強度和介質損耗角正切值,必要時還要進行變壓器油的色譜分析。需要補充油時,儘量用原型號或相近型號,並應進行混合試驗。

絕緣材料固體絕緣材料

固體絕緣材料的種類很多,其絕緣性能優良,在電力系統中的應用很廣。常用的固體絕緣材料有:絕緣漆絕緣膠;纖維製品;橡膠、塑料及其製品;玻璃、陶瓷製品;雲母、石棉及其製品等。
絕緣漆、絕緣膠都是以高分子聚合物為基礎,能在一定條件下固化成絕緣硬膜或絕緣整體的重要絕緣材料。
絕緣漆主要由漆基、溶劑、稀釋劑、填料等部分組成,絕緣漆的成膜固化後絕緣強度較高,一般可作為電動機、電器線圈的浸漬絕緣或塗覆絕緣。按用途可分為浸漬漆、漆包線漆、覆蓋漆、硅鋼片漆和防電暈漆等。
絕緣膠與絕緣漆相似,一般加有填料,廣泛用於澆注電纜接頭、套管、220kV及其以下電流互感器、10kV及其以下電壓互感器。用的絕緣膠有黃電纜膠、黑電纜膠、環氧電纜膠、環氧樹脂膠、環氧聚酯膠等。
絕緣纖維製品是指用絕緣紙、紙板、紙管和各種纖維織物等製成的絕緣材料。浸漬纖維製品則是用絕緣纖維製品作底材,浸以絕緣漆製成,它具有一定的機械強度、電氣強度、耐潮性能,還具備了一些防黴、防電、防輻射等特殊功能。絕緣電工層壓制品是以纖維作底材,浸塗不同的膠黏劑,經熱壓或卷制而成的層狀結構絕緣材料,其性能取決於底材和膠黏劑及其成型工藝,可製成具有優良電氣性能、力學性能和耐熱、耐黴、耐電弧、防電暈等特性的製品。 [3] 

絕緣材料預防絕緣材料損壞的措施

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(1)不使用質量不合格的電氣產品。
(2)按工作環境和使用條件正確選用電氣設備。
(3)按規定正確安裝電氣設備或線路。
(4)按技術參數使用電氣設備,避免過電壓和過負荷運行。
(5)正確選用絕緣材料。
(6)按規定的週期和項目對電氣設備進行絕緣預防性試驗
(7)適當改善絕緣結構。
(8)在搬運、安裝、運行和維護中避免電氣設備的絕緣結構受機械損傷,受潮濕、污物的影響。 [2] 
參考資料
  • 1.    絕緣材料工藝學  .中國知網.2005.01 [引用日期2017-12-07]
  • 2.    周華敏主編. 基礎知識分冊.北京:中國電力出版社 , 2015.10:69~70
  • 3.    強生澤編著.電工實用技能. 北京:中國電力出版社 ,2015.03 :152~160