電氣設(shè)備中的常用絕緣材料及其性能分析

宗強(qiáng) 張小祥 陸文娟

摘 要：電氣設(shè)備中絕緣材料關(guān)系著電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在電氣設(shè)備中有十分重要的作用，所以，想要確保電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行就要做好絕緣材料的選擇與性能分析。文章闡述了絕緣材料及其性能在電氣設(shè)備的重要性，分析了絕緣材料特點(diǎn)要求與使用，對(duì)電氣絕緣穩(wěn)定性進(jìn)行了論述，希望對(duì)電氣設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行起到幫助性作用。

關(guān)鍵詞：電氣設(shè)備;絕緣材料;性能分析

中圖分類號(hào)：TM21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）14-0151-02

電氣設(shè)備一旦故障將帶來(lái)大范圍停電，給人們生活與社會(huì)生產(chǎn)帶來(lái)不便。總結(jié)以往電氣設(shè)備故障類型發(fā)現(xiàn)，絕緣故障發(fā)生率最多，所以，加強(qiáng)絕緣材料性能研究具有重要意義，選擇優(yōu)質(zhì)絕緣材料保證電氣設(shè)備順利運(yùn)行。

1 絕緣材料特性與選擇要求

絕緣材料指的是體積電阻率超過(guò)109Ω·cm物質(zhì)組成的材料，其作用是抑制電流通過(guò)?，F(xiàn)階段，市面上的絕緣材料類型較多，包括液體、氣體、固體。其中，液體材料有礦物絕緣油、合成絕緣油。氣體材料有空氣、氮?dú)?、六氟化硫等。固體材料氛圍有機(jī)固體與無(wú)機(jī)固體，有機(jī)固體有絕緣膠、纖維制品、塑料、漆管、復(fù)合制品等。無(wú)機(jī)固體材料氛圍玻璃、陶瓷、云母等。在選擇絕緣材料過(guò)程中，首先以絕緣電阻與耐電壓強(qiáng)度高的為主，防止發(fā)生漏電、擊穿。隨后以導(dǎo)熱性、耐潮防雷、高機(jī)械強(qiáng)度的材料為主。

1.1 絕緣材料性能指標(biāo)

第一，耐電壓強(qiáng)度。在電場(chǎng)強(qiáng)度提高至某個(gè)極限后絕緣材料將被擊穿，擊穿材料的電場(chǎng)強(qiáng)度叫做耐電壓強(qiáng)度，以1mm厚的絕緣材料承載的電壓kV參數(shù)代表。外部環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備無(wú)較大影響，不管是固體、液體、氣體，單絕緣材料，但容易受到溫度、加熱、受潮等因素影響，通常絕緣強(qiáng)度無(wú)法自主恢復(fù)。第二，耐熱等級(jí)。電力設(shè)備中由于熱能、機(jī)械、化學(xué)等因素影響也會(huì)造成絕緣層老化，絕緣材料過(guò)早擊穿。其中，熱能是重要因素;溫度高絕緣材料絕緣性越低。為此，保證絕緣材料處于適合的溫度下尤為重要，延長(zhǎng)使用時(shí)間。第三，阻燃等級(jí)。阻燃等級(jí)指的是絕緣材料與火接觸后能夠抑制燃燒的程度，根據(jù)可燃材料燃燒狀態(tài)建議通過(guò)凝聚相阻燃、氣相阻燃等方法。其中，凝聚相阻燃指的是抑制有機(jī)聚合物的熱分解速度，減少可燃?xì)怏w釋放。氣相阻燃指的是抑制可燃性氣體燃燒。絕緣材料阻燃性越高穩(wěn)定性越高，根據(jù)UL94標(biāo)準(zhǔn)判斷，阻燃等級(jí)從低至高不斷增加，等級(jí)越高阻燃效果越理想。

1.2 絕緣材料要求

第一，特點(diǎn)與用途。掌握各絕緣材料的型號(hào)、組成、特點(diǎn)、用途。第二，掌握材料使用范圍與環(huán)境，確定絕緣材料適用性，掌握耐電壓強(qiáng)度等級(jí)、耐熱等級(jí)、阻燃等級(jí)、機(jī)械性要求。第三，產(chǎn)品配套性。結(jié)合耐熱等級(jí)完善材料配套性，防止導(dǎo)致材料浪費(fèi)。第四，經(jīng)濟(jì)性。盡可能減少特殊材料使用量，結(jié)合材料設(shè)計(jì)、加工，將成本支出降低到最少。

2 電機(jī)設(shè)備絕緣材料性能

2.1 絕緣材料

電力運(yùn)行時(shí)，電機(jī)應(yīng)用到的絕緣材料有電磁線、槽絕緣、浸漬漆等，對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)與使用效果影響較大。其中，電磁線產(chǎn)生僅需3C認(rèn)證，但傳統(tǒng)電機(jī)則需要進(jìn)行溫度檢測(cè)，對(duì)絕緣材料性能進(jìn)一步檢驗(yàn)。槽絕緣是不同種混合材料組成，電機(jī)必須要通過(guò)性能與放電檢測(cè)。浸漬漆分為溶劑與非溶劑，包括B、F、H不同級(jí)別，因?yàn)殡姍C(jī)功率較大，所以B級(jí)不能應(yīng)用。絕緣材料的定義是：用來(lái)使器件在電氣上絕緣的材料。用來(lái)使器件在電氣上絕緣的材料也就是能夠阻止電流通過(guò)的材料，它的電阻率很高。電介質(zhì)電絕緣性能的基本概念相當(dāng)一部分塑料用作絕緣材料，又稱電介質(zhì)。電介質(zhì)在外電場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生電導(dǎo)、極化，損耗、擊穿等，這是電介質(zhì)的基本特性。在長(zhǎng)期使用后，電介質(zhì)還會(huì)老化。電介質(zhì)的電導(dǎo)有不導(dǎo)電的作用，但實(shí)際上絕緣材料在電場(chǎng)作用下都會(huì)有很小的電流通過(guò)，這一電流稱為漏泄電流。電工常用體積電阻率和表面電阻率來(lái)表征材料內(nèi)部和表面的絕緣特性。它們的數(shù)值越大，材料的絕緣性能愈好。相對(duì)介電常數(shù)（簡(jiǎn)稱介電常數(shù)）當(dāng)在一個(gè)電容器兩極之間的周圍全部只由所指明的電介質(zhì)充滿時(shí)的電容值與同樣電極形式的真空電容值的比。

2.2 性能分析

電機(jī)設(shè)備絕緣材料性能分析主要研究是否由于絕緣機(jī)構(gòu)老化造成，需要預(yù)防絕緣材料的電氣老化、機(jī)械老化等問(wèn)題。加之，電機(jī)設(shè)備持續(xù)運(yùn)行溫度不斷升高，容易出現(xiàn)絕緣材料外漏現(xiàn)象。當(dāng)電機(jī)設(shè)備溫度超過(guò)絕緣材料限定參數(shù)就會(huì)產(chǎn)生退化。此外，電機(jī)設(shè)備縫隙與表面放電，長(zhǎng)期下去造成材料侵蝕降低絕緣效果，影響電機(jī)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3 電力電子設(shè)備性能分析

3.1 電力電子設(shè)備中的絕緣材料

目前，電力電子設(shè)備應(yīng)用的廣泛，設(shè)備選擇對(duì)電力運(yùn)行穩(wěn)定性也有較大影響。電力電子設(shè)備常見(jiàn)絕緣材料有：第一，絕緣子。他是一種特殊的絕緣組件，主要應(yīng)用在支撐、固定、電流控制中，常見(jiàn)絕緣子材料包含PF、BMC、玻璃、陶瓷、硅橡膠等，能夠抑制懸浮物依附與絕緣子表層，增加絕緣子表面距離，懸浮物嚴(yán)重的范圍控制在32mm/kV。第二，環(huán)氧樹(shù)脂板。該材料是將玻璃浸在含有環(huán)氧樹(shù)脂的液體內(nèi)，隨后烘干熱壓。環(huán)氧樹(shù)脂分子結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的環(huán)氧基團(tuán)，遍布分子結(jié)構(gòu)首端、中心、末尾。此外，經(jīng)過(guò)固化的環(huán)氧樹(shù)脂可以避免表面漏電，通常厚度約1-40mm，也可根據(jù)使用要求厚度控制在50-100mm。第三，熱縮套管。它是由一種特殊的聚烯烴材料形成的，具有很強(qiáng)的彈性、受熱收縮、耐高溫強(qiáng)，在電氣設(shè)備絕緣材料中也有著廣泛應(yīng)用。根據(jù)溫度劃分，熱縮套管等級(jí)包括135、150、175、200。

3.2 常見(jiàn)絕緣材料指標(biāo)

第一，耐電壓強(qiáng)度。通常電壓強(qiáng)度達(dá)到限定的條件將擊穿絕緣材料。外部環(huán)境對(duì)電氣設(shè)備無(wú)直接影響，但絕緣材料的高溫、加熱的將對(duì)絕緣強(qiáng)度產(chǎn)生影響。第二，抗熱等級(jí)。通常電氣設(shè)備的絕緣層不僅受電壓影響還會(huì)受到機(jī)械影響，導(dǎo)致材料被穿透。

4 電線電纜絕緣材料性能

4.1 絕緣材料應(yīng)用

常見(jiàn)電線電纜分為聚氯乙烯、氟塑料、交聯(lián)聚乙烯。其中，聚氯乙烯具有較強(qiáng)的物力性能與抗腐蝕性，成本支出較少，但是絕緣性能一般，適用于低壓電線電纜，在高溫條件下加速老化。此外，交聯(lián)聚乙烯耐熱性、絕緣性較強(qiáng)，現(xiàn)已得到了廣泛應(yīng)用，且燃燒時(shí)不會(huì)釋放有毒氣體，但對(duì)紫外線照射容易產(chǎn)生過(guò)敏，需借助聚氯乙烯作為保護(hù)。

4.2 絕緣材料性能

電線電纜絕緣材料性能主要集中于耐火性研究。目前，電線電纜絕緣材料包含鹵型與非鹵型，鹵型是由含鹵素的碳?xì)浠衔镄纬?，在制作時(shí)添加氯化石蠟有助于提升絕緣材料阻燃性。非鹵型是由不含鹵素的碳?xì)浠衔锝M成，制作時(shí)添加阻燃劑，但機(jī)械性與耐水性容易受到影響。

5 絕緣系統(tǒng)穩(wěn)定性與性能檢測(cè)

5.1 絕緣系統(tǒng)穩(wěn)定性

電氣設(shè)備故障原因是由不同方面引起的，由于絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題使設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行成為主要因素。中低壓開(kāi)關(guān)柜等電氣設(shè)備得絕緣材料在潮濕、高溫條件下運(yùn)行對(duì)絕緣材料性能要求嚴(yán)格。任何絕緣位置失效都會(huì)引起系統(tǒng)故障。中低壓電氣設(shè)備絕緣故障原因和控制方法，詳見(jiàn)表1。

5.2 絕緣性能檢驗(yàn)

絕緣性能需要從多環(huán)節(jié)判斷絕緣特點(diǎn)，檢驗(yàn)分為直流檢驗(yàn)、絕緣電阻檢測(cè)、介質(zhì)損耗角正切測(cè)量、交流電流、局部放電。中低壓電氣設(shè)備絕緣材料中，交流電流檢驗(yàn)使用較多，施加交流電流，按照電流--電壓特性、電流波形--電壓特點(diǎn)判斷絕緣效果。施加交流電流過(guò)程中根據(jù)施加電流的大小、頻率、式樣電容量、介質(zhì)消耗角正切確定。如果材料長(zhǎng)期在潮濕環(huán)境下出現(xiàn)老化，電流和電壓呈非線性關(guān)系，電流增加使得電壓參數(shù)過(guò)大，這與局部放電電壓和擊穿電壓有直接關(guān)系。

6 電氣設(shè)備絕緣材料

6.1 絕緣子

絕緣子主要用于固定與支撐銅排、母線等帶電導(dǎo)體，避免電流回地，常見(jiàn)絕緣材料包括PF、BMC、玻璃、陶瓷、硅橡膠等。為避免雜物依附于絕緣子表層生成通路被絕緣子兩側(cè)電壓擊穿，需增加絕緣子表面距離。交流電力設(shè)備外絕緣最小爬電比距為：0級(jí)線路13.9、電站設(shè)備14.8;I級(jí)線路16、電站設(shè)備16;II級(jí)線路20、電站設(shè)備20;III級(jí)線路25、電站設(shè)備25;IV級(jí)線路31、電站設(shè)備31。

6.2 環(huán)氧玻璃纖維板

改材料以分資鏈中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)為特征，處于分子鏈尾端、中心。固化后改材料體系具有高介電性能、耐表面漏電、耐電弧的優(yōu)良絕緣材料，通常厚度0.5-50mm，或者根據(jù)生產(chǎn)要求到50-150mm厚度。改材料具有電絕緣穩(wěn)定、平整性好、表面光滑的優(yōu)勢(shì)，國(guó)際牌號(hào)為3240，應(yīng)用在IEC893-3-2中的EPGC201型。3240環(huán)氧樹(shù)脂板表層光滑、沒(méi)有氣泡、皺紋，耐熱等級(jí)為B級(jí)，分為黃色、紅色、綠色等，固化后的環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)性良好，中溫下機(jī)械強(qiáng)度高，高濕度條件下也能夠保證良好的穩(wěn)定性。

7 結(jié)語(yǔ)

伴隨著工業(yè)產(chǎn)品的進(jìn)步發(fā)展，對(duì)電氣產(chǎn)品安全絕緣性有了新的要求，因?yàn)椴牧系倪x擇關(guān)系著產(chǎn)品穩(wěn)定性與使用效果。因此，做好絕緣材料特性與性能分析尤為重要。為使電網(wǎng)絕緣穩(wěn)定運(yùn)行，要求電纜、電機(jī)、電子設(shè)備等電氣產(chǎn)品具有較強(qiáng)的絕緣性。因此，選擇絕緣材料過(guò)程中注意材料特性與性能分析，這對(duì)電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用，保證工作的全面落實(shí)。適合的絕緣材料有助于提高系統(tǒng)絕緣性能，提升電氣設(shè)備運(yùn)行安全性，降低故障發(fā)生率。

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