关于绝缘介质的极化

一、绝缘的相关概念

1、绝缘

绝缘是指用不导电的物质将带电体隔离或包裹起来，以防止电气设备短路和接地，保证电气设备与线路的安全运行，防止人身触电事故的发生。

2、绝缘介质

不善于传导电流的物质称为绝缘体，绝缘体又称为电介质，电介质即绝缘介质，是指用来隔离带电体的绝缘材料。

绝缘介质在某些外界条件，如加热、加高压等影响下，会被“击穿”而转化为导体。在未被击穿之前，绝缘介质也不是绝对不导电的物体，如果在绝缘介质两端施加电压，材料中将会出现微弱的电流。

绝缘介质通常可分为气体绝缘、液体绝缘和固体绝缘三类。固体的如塑料、橡胶、玻璃，陶瓷等；液体的如各种天然矿物油、硅油、三氯联苯等；气体的如空气、二氧化碳、六氟化硫等。

3、绝缘电阻

绝缘电阻是绝缘物在规定条件下的直流电阻，即加直流电压于电介质，经过一定时间极化过程结束后，流过电介质的泄漏电流对应的电阻。电气设备绝缘电阻的大小就是其隔离电压的能力。

4、吸收比

当绝缘受潮或有缺陷时，电流的吸收现象不明显，总电流随时间下降较缓慢。因此，对于同一电气设备可根据i15s~i60s的变化初步判断设备绝缘状况。在电气设备的绝缘试验中，取加压后15s的绝缘电阻R15s，取加压后60s的绝缘电阻R60s，其比值R60s/R15s称为吸收比，K=R60s/R15s。

测量K值的试验叫做吸收比试验，K的最小值为1，K值越大，电气设备绝缘的耐电性越好；K值越小，表明设备的绝缘可能受潮或者存在裂纹等缺陷；受潮严重时吸收比可能接近于1。吸收比和温度有关。

5、极化指数

大容量的变压器、发电机、电缆等电气设备，吸收电流衰减得很慢，在1min时测量的绝缘电阻仍会受吸收电流的影响，吸收比不足以反映绝缘介质的电流吸收全过程，为了便于更好地判断绝缘体是否受潮，可采用较长时间的绝缘电阻比值进行衡量，即10min和1min时的绝缘电阻比值，K2=R10min/R1min，K2称为绝缘的极化指数。

极化指数测量加压时间较长，测定的比值与温度无关。被试品受潮或处于污染状态时，不随时间变化的泄漏电流所占比例较大，所以K2接近于1；绝缘体处于干燥状态时，K2较大。变压器的极化指数一般大于1.5，绝缘较好时可达到3～4。

二、绝缘介质的极化

1、极化

极化是指在电场作用下，电介质内部沿电场方向产生感应电偶极矩，电介质表面出现束缚电荷的现象。理想的绝缘介质内部没有自由电荷，实际的电介质内部总是存在少量自由电荷，它们是造成电介质漏电的原因。一般情况下，未经电场作用的电介质内部的正负束缚电荷平均说来处处抵消，宏观上并不显示极性。在外电场的作用下，束缚电荷的局部移动导致宏观上显示出极性，在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷。这些极化电荷改变原来的电场。充满电介质的电容器比真空电容器的电容大就是由于电介质的极化作用。

2、极化的基本形式

电介质极化有四种基本形式：电子极化、原子或离子极化、偶极子转向极化和夹层介质界面极化。

1）电子极化

是指在电场作用下，负电子云相对原子核位移，使正、负电荷等效中心分离，形成带有正、负极性的偶极子。

2）原子或离子极化

是指在电场作用下，原子中的电子和原子核之间或正离子和负离子之间沿电场方向相对位移，其正、负电荷作用中心分离，形成带有正、负极性的偶极子。

3）偶极子转向极化

电介质含有固有的极性分子，它们本来就是带有极性的偶极子，其正、负电荷作用中心不重合。当无电场作用时，它们的分布是混乱的，宏观上看，电介质不呈现极性；在电场作用下，这些偶极子顺电场方向扭转或顺电场方向排列，整个电介质就形成了带正电和带负电的两极。

4）夹层介质界面极化

由两层或多层不同材料组成的不均匀电介质叫做夹层电介质。由于各层的介电常数和电导率不同，在电场作用下，各层电介质交界面上的电荷必然移动，以适应电位的重新分布，最后在交界面上积累起电荷，形成带正电和带负电的两极。

三、绝缘介质的损耗

介质损耗是指绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。介质损耗也叫介质损失，简称介损。表征某种绝缘材料的介质损耗，一般不用W或J等单位来表示，而是用电介质中流过电流的有功分量和无功分量的比值来表示，即tanδ。tanδ与绝缘材料的性质有关，而与其结构、形状、几何尺寸等无关。介质损耗的功率P与外加电压的平方和电源频率成正比。介质损耗有电导损耗、游离损耗、极化损耗等形式。

1、电导损耗

电导损耗是指在电场作用下，电导电流使电介质发热产生的损耗。气体的电导损耗很小，液体、 固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。电导损耗实质上相当于交流、直流电流流过电阻做功。绝缘好时，液、 固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样是随温度的增加而急剧增加的。

2、游离损耗

气体间隙中的电晕损耗和液、固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。电介质中局部电场集中处，当电场强度高于某一值时，就会产生游离放电，又称局部放电。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。游离损耗只有在外加电压超过一定值时才会出现，且随电压升高而急剧增加。

3、极化损耗

发生缓慢极化，如松弛极化、空间电荷极化时，带电粒子在电场力的影响下因克服热运动而引起的能量损耗叫极化损耗。对于偶极子的电介质，在交变电场中偶极子随电场变化来回扭动，在电介质内部发生的摩擦损耗，也是极化损耗的一种形式。极化损耗与温度、 电场频率有关。

四、绝缘介质的击穿

当施加在电介质上的电压超过某临界值时，则使通过电介质的电流剧增。电介质发生破坏或分解，直至电介质丧失固有的绝缘功能，这种现象叫做介质击穿。电介质发生击穿的临界电压称为击穿电压，击穿时的电场强度称为击穿场强。

1、气体电介质的击穿

加在气体电介质的电压超过气体饱和电流阶段之后，即进入电子碰撞游离阶段，带电质点在电场中获得巨大能量，使气体分子碰裂游离成正离子和电子。新形成的电子又在电场中积累能量去碰撞其他分子，使其游离，如此连锁反应，便形成电子崩。电子崩向阳极发展，形成一个具有高电导的通道，导致气体击穿。气体电介质击穿电压与气压、温度、电极形状及气隙距离等有关。

2、液体电介质的击穿

纯净的液体电介质击穿也是由于游离所引起。工程用的液体电介质多少总会有杂质，如工程用的变压器油击穿完全是由杂质所造成的。在电场作用下变压器油中的杂质如水泡、纤维等，聚集到两电极之间，被吸向电场较集中的区域，顺电场方向构成桥路，较大的电导电流使桥路发热，形成油和水分局部气化，生成的气泡也沿着电力线排列形成击穿。

3、固体电介质的击穿

固体电介质的击穿可分为电击穿、热击穿和电化学击穿三种形式。

1）电击穿

在强电场作用下，当电介质的带电质点剧烈运动发生碰撞游离的连锁反应时，就产生电子崩。当电场强度足够高时，电介质就会失去绝缘性能发生电击穿。电击穿的击穿电压随着电介质的厚度呈线性增加，与加压时的温度无关。电击穿的时间很短，一般以微秒计，其击穿电压较高，而击穿场强与电场均匀程度关系很大。

2）热击穿

在强电场作用下，由于电介质内部介质损耗而产生的热量，如果来不及散发出去，将使电介质内部温度升高，电阻变小，使电导电流进一步增大，介质损耗发热进一步增大，导致温度不断上升，引起电介质分解、炭化等。因此导致的电介质分子结构被破坏而发生的击穿称为热击穿。热击穿电压随着温度升高而下降。

3）电化学击穿

在强电场作用下，电介质内部包含的气泡首先发生碰撞游离而放电，杂质如水分也因受电场加热而汽化并产生气泡，于是气泡放电进一步发展，电介质发生化学变化，逐渐变质和劣化，最终丧失绝缘能力导致整个电介质击穿。电化学击穿与介质的电压作用时间、温度、电场均匀程度、累积效应、受潮、机械负荷等多种因素有关。电化学击穿强度低而且分散性较大。

4）固体电介质击穿往往是上述三种形式同时存在的。固体电介质的化学变化通常使其电导增加，这会使介质的温度上升，因而电化学击穿的最终形式是热击穿。温度和电压作用时间对电击穿的影响小，对热击穿和电化学击穿的影响大；电场局部不均匀性对热击穿的影响小，对其他两种影响大。

五、影响绝缘强度的因素

绝缘强度是指绝缘材料在电场中的最大耐压，通常以1mm厚绝缘材料所能耐受的电压kV值表示。影响介质绝缘强度的因素主要有：

1、电压的作用

作用在介质上的电压超过了它的耐受能力，介质就会击穿，除此之外还和电压的波形、极性、频率、施加电压的时间、电压上升的速度和电极的形状等有关系；

2、水分的作用

水分和潮气会导致绝缘电阻急剧下降，使绝缘强度也急剧下降；

3、温度的作用

高温会使绝缘发热、老化、绝缘强度下降；

4、机械力的作用

绝缘结构可能因承受机械负荷、电动力和机械震动的作用受到损坏，从而使耐受电压能力下降；

5、化学的作用

化学气体的侵蚀会使绝缘受到损坏，使耐受电压的能力下降；

6、大自然的作用

暴露在空气中的介质长期受着日光、风、雨、露、霜、雪、尘埃污染等的作用，会发生老化，引起耐受电压的能力降低。

六、绝缘老化的主要原因

绝缘材料在使用或保管过程中，随着时间的增长，其性能会出现逐渐变坏的现象，性能变坏后不能恢复到原来的状态，叫做绝缘老化。绝缘老化的主要原因有:

1、电老化

绝缘材料在长期的电压作用下，在电场强度集中的地方，如导体的棱角，边缘处附近的气体会发生局部放电，绝缘层内部空隙的气泡，由于电场强度集中，也会产生局部放电，局部放电使其邻近的绝缘受到腐蚀，严重的会发展到干枯、烧焦而变质。

2、热老化

电气设备中的绝缘材料在有电流流过时，会产生热量，从而导致绝缘材料的热分解，氧化、变质、电气性能下降导致击穿。

3、化学老化

过热加速了绝缘材料内的化学反应，导致绝缘材料硬化、脆化。

4、机械老化

电气设备中的绝缘材料，如电机绝缘经常受到振动和电磁场力的作用，会缓慢地出现变形和破损。

5、环境因素的影响

大自然中的日光、紫外线、风雨的侵蚀、水分、温度、化学气体以及微生物(霉菌)等的作用，使绝缘材料的老化速度加快，寿命缩短。

七、绝缘材料的耐热等级

电工绝缘材料按其允许最高温度分为七个耐热等级：

1、Y级

极限温度为90℃，主要绝缘材料有木材、棉花、纸、纤维等天然的纺织品，还有醋酸纤维和聚酰胺为基础的纺织品和易于热分解和溶化点较低的塑料等。

2、A级

极限温度为105℃，主要绝缘材料有工作于矿物油中的Y级材料，用油或油树脂复合胶浸过的Y级材料，漆包线、滤布、沥青漆等。

3、E级

极限温度120℃，主要绝缘材料有聚酯薄膜和A级材料复合、玻璃布、油性树脂漆、乙酸乙烯耐热漆包线等。

4、B级

极限温度130℃，主要绝缘材料有聚酯薄膜，经合适树脂黏合式浸渍复涂的云母、玻璃纤维、石棉等制品、聚酯漆包线等。

5、F级

极限温度155℃，主要绝缘材料有以有机纤维材料补强的云母片制品、玻璃纤维和石棉、玻璃漆布等。

6、H级

极限温度180℃，主要绝缘材料有无补强或以无机材料补强的云母制品、加厚的F级材料、硅有机漆、硅有机橡胶等。

7、C级

极限温度180℃以上，主要绝缘材料有不采用任何有机黏合剂及浸渍剂的无机矿物，如石英、石棉、云母、玻璃和电瓷材料等。

八、绝缘电阻的测试

1、测试的目的和意义

电气设备停用时间较长时，受潮或表面积有大量灰尘，影响电气设备的绝缘；长期使用的电气设备，受高温、高压、化学、机械振动以及其它因素的影响，绝缘体的绝缘性能将会出现劣化，甚至失去绝缘性能造成事故。测量电气设备的绝缘就能发现电气设备中影响绝缘的异物、受潮和脏污、绝缘油老化、绝缘介质击穿和严重热老化等缺陷，以便了解电气设备的绝缘状况，及时对设备进行维护保养和检修。

2、测试的试验原理

1）电气设备的绝缘体（电介质）并非是完全不导电的，在一定的直流电压作用下，绝缘体中总会有微弱的电流通过，根据电介质材料的性质和构成等不同，该电流可分为三部分，即电导电流（泄漏电流），电容电流和吸收电流。兆欧表产生的直流电压与泄漏电流之比为绝缘电阻，用兆欧表检查绝缘材料是否合格的试验叫做绝缘电阻试验。

2）上图a为电气设备绝缘介质在直流电压作用下的电路图。闭合开关S，记录微安表在不同时刻的读数，据此绘成上图c中的i曲线。上图b等效电路中，C1支路中的电流代表电容电流i1，r、C支路中的电流代表吸收电流i2，R支路中的电流代表电导电流i3，三个电流加起来i=i1+i2+i3就是在直流电压作用下通过被试品的总电流i随时间变化的曲线，通常称为吸收曲线。

3）从该曲线中可以看出，随着时间增加，电容电流i1和吸收电流i2趋近于零，最终i趋近于i3。绝缘电阻值则由原来的极小值随着时间增加而相应增大，所以规程要求在加压1min后读取兆欧表测量值。正常情况下，泄漏电流i3很小且不随时间变化，在绝缘体受潮、脏污或存在其他缺陷时，在直流电压的作用下，泄漏电流会急剧增加，绝缘电阻相应减小。因此，通过测量绝缘电阻大小可以初步判断电气设备的绝缘状况。

3、测试的工具

测量绝缘电阻用兆欧表，手摇兆欧表又叫摇表，它由手摇直流发电机、倍压整流电路、磁电系比率表等部件组成。

1）兆欧表的选用

兆欧表的额定电压应根据被测电气设备的额定电压来选择。

（1）100V以下的电气设备或回路，选用250V，50MΩ及以上兆欧表；

（2）500V以下至100V的电气设备或回路，选用500V，100MΩ及以上兆欧表；

（3）3kV以下至500V的电气设备或回路，选用1000V，2000MΩ及以上兆欧表；

（4）10kV以下至3kV的电气设备或回路，选用2500V，10000MΩ及以上兆欧表；

（5）10kV及以上的电气设备或回路，选用2500V或5000V，10000MΩ及以上兆欧表；

（6）用于极化指数测量时，兆欧表短路电流不应低于2mA。

2）兆欧表的检查

将兆欧表水平且平稳放置，检查指针偏转情况：

（1）对于手摇式兆欧表，将E、L两端开路，以约120r/min的转速摇动手柄，观察指针是否指到“∞”处；然后将E、L两端短接，缓慢摇动手柄，观察指针是否指到“0”处。

（2）对于数字式兆欧表，首先选择需要输出的电压，然后将E、L两端开路，点击面板启动按钮，观察是否显示“1”；然后将E、L两端短接，点击面板启动按钮，观察指针是否显示“0”。

4、测试的步骤

1）兆欧表放置平稳牢固，被测物表面擦干净，以保证测量正确。

2）正确接线 ：兆欧表有三个接线柱：线路（L）、接地（E）、屏蔽（G）。跟据不同测量对象，作相应接线。

（1）测量线路对地绝缘电阻时，E接地，L接被测线路。

（2）测量电机或设备绝缘电阻时，E接电机或设备外壳，L接被测绕组的一端。

（3）测量电机或变压器绕组间绝缘电阻时，先拆除绕组间的连接线，将E、L分别接在被测的两相绕组上。

（4）测量电缆绝缘电阻时，E接电缆外表皮上，L端接线芯，G端接芯线最外层绝缘层上，如下图所示。

3）对于手摇式兆欧表，由快到慢摇动手柄，直到转速达120r/min左右，保持手柄的转速均匀稳定，一般转动1min，待指针稳定后读数；对于数字式兆欧表，按下启动按钮自动升压至数字稳定后读数。

4）测量完毕，应首先将L线与被测物分离，然后再让兆欧表停止电压输出，避免被测物的反电动势作用损坏兆欧表，最后将被测物接地充分放电后方能拆除连接导线。

5、测试的注意事项

1）测试绝缘应由两人进行，一人操作，一人监护，操作人穿绝缘鞋，戴绝缘手套。

2）测量绝缘电阻前，被测设备上其它的工作票应收回，被测设备上禁止一切工作，人员全部撤离。

3）测量前必须将被测设备切断电源和负载，并进行充分放电；被测设备与电源应有明显断开点，二次侧的保险、空开应断开，已用兆欧表测量过的设备如要再次测量，也必须先接地放电，以免残余电荷损坏仪表和危及人身安全。

4）被测设备中如有半导体器件，测量前应先将其插件板拆去。

5）禁止在雷电时或高压设备附近测绝缘电阻，使用兆欧表测量绝缘电阻时，要远离大电流导体和外磁场，测试人员须注意与带电设备的安全距离。

6）同杆双回架空线或双母线，当一路带电时，不得测量另一回路的绝缘电阻，以防感应高压损坏实验设备和危及人身安全；对于平行线路，也应注意其感应电压，一般不应测其绝缘电阻。

7）与被测设备的连接导线应用兆欧表专用测量线或选用绝缘强度高的两根单芯多股软线，两根导线切忌绞在一起，也不能随意堆放在地上，以免影响测量准确度。

8）测量过程中，如果指针指向“0”位，表示被测设备短路，应立即停止测量，以防表内线圈发热损坏。

9）兆欧表未停止输出电压之前或被测设备未放电之前，严禁用手触及导体。断开L线时，也不要触及引线的金属部分，以防被电击。

10）在测量电容性设备的绝缘电阻后，应先将线路L端连线断开再停止电压输出，以免被测设备向兆欧表倒充电而损坏仪表。然后对设备充分放电，一般放电时间在5min以上。

11）做绝缘电阻记录时，要记录设备铭牌和测量时的温度、天气情况。将所测得的绝缘电阻换算至同一温度，并与出厂、交接、历年、大修和耐压前后的数值进行比较，同型设备间相互比较，同一设备间相互比较，应无明显差别。

6、影响测试结果的因素

1）温度

一般绝缘电阻是随温度的上升而减小的，其原因是随着温度升高，绝缘体内部的离子运动加快，绝缘物内部的水分与绝缘物的结合松弛，在外电场作用下，水分子顺纤维物质呈细长绒状伸长，使其导电率增加。绝缘物内含有的盐类、酸性物质，被水溶解的速率加剧，也会增加导电率而降低绝缘电阻。绝缘电阻的变化随绝缘材料的不同而不同，富有吸湿性的材料随温度变化最大。由于温度对绝缘电阻影响很大，而且每次测量又难以在同一温度下进行，为了能对测量结果进行比较，测量时要记录温度，将测量结果换算到同一温度。

2）湿度

当空气相对湿度增大时，绝缘材料由于毛细管作用将吸收更多的水分使电导增加，降低了绝缘电阻，尤其对表面泄漏电流的影响更大。实践证明，雾雨天气时绝缘体表面吸附潮气，形成水膜，常使绝缘电阻显著降低。

3）表面脏污

被测设备的表面脏污会使其表面电阻率大大降低，同时脏污部分的吸潮能力更加显著，致使绝缘电阻明显下降。

4）剩余电荷

每测完一次绝缘后应将被测试体充分放电，放电时间应大于充电时间，以将剩余电荷放尽，否则在重新测量时，当剩余电荷的极性与兆欧表的极性相同时，由于剩余电荷的影响，其充电电流和吸收电流将比第一次测量时小，因而造成吸收比减小、绝缘电阻值增大的虚假现象。相反，剩余电荷的极性与兆欧表的极性相反时，测得的绝缘电阻将比真实值偏小。在测试电缆或被测设备容量较大时，剩余电荷对绝缘电阻的测量值影响较大。

5）感应电压

在带电环境中测量停电设备的绝缘电阻时，由于带电设备与停电设备之间的电容耦合，使得停电设备带有一定电压等级的感应电压，感应电压对绝缘电阻的测量有很明显的影响，感应电压强烈时，可能会造成兆欧表的损坏，甚至危及人身安全，采取电场屏蔽等措施可以有效克服感应电压的影响。

6）试验设备容量

实测表明，兆欧表的容量对绝缘电阻、吸收比的测量结果都有一定的影响。对于同一被测设备，兆欧表容量大的测量结果较准，而容量小的结果偏差较大。现场试验中尽量选用最大输出电流1mA及以上的兆欧表。