電機絕緣結(jié)構(gòu)應具有產(chǎn)品技術(shù)條件要求的耐熱性能、耐電性能、機械強度,并能在規(guī)定的環(huán)境條件中長期使用。
1、 材料的基本概念
絕緣材料又稱電介質(zhì)。它在外加電壓作用下,只有微小的電流通過,基本上可以忽略而認定其不導電,其電阻率大于107ω·m
絕緣材料種類繁多,一般分為氣體、液體、固體三類。
氣體絕緣材料:常用的有空氣、氮氣、二氧化碳和六氟化硫(sf6)等。
液體絕緣材料:常用的有變壓器油、斷路器油、電容器油、電纜油等。
固體絕緣材料:常用的有絕緣漆、膠、紙板等絕緣材料制品,以及漆布、漆管等絕緣浸漬纖維制品,云母制品,電工塑料,陶瓷,橡膠等。
2、 絕緣材料的用途
在電工產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)中,絕緣材料只要作用是隔離不同電位的導體,使電流能按一定方向流動。其次是在不同的電工產(chǎn)品中,根據(jù)電工產(chǎn)品技術(shù)要求的需要,起著散熱冷卻、滅弧、儲能、機械支撐、防暈、防潮、防霉以及保護導體等作用。
3、 絕緣材料的性能
絕緣材料的好壞,一般以它的電氣、機械、物理和化學性能來衡量。電工產(chǎn)品的質(zhì)量和使用壽命,很大程度上取決于絕緣材料的這些性能。因為絕緣材料的耐熱性、機械強度和壽命都比金屬材料低,因此,絕緣材料是電工產(chǎn)品中最薄弱環(huán)節(jié),許多故障發(fā)生在絕緣部分。各種絕緣材料都具有不同的特性,這些特性主要有以下幾項。
(1)、電導率與電阻率
絕緣材料在被施加一定的直流電壓后,就會流過微弱的電流,其中由內(nèi)部帶電質(zhì)點導電而產(chǎn)生的電流,即漏電電流。漏電電流密度ie和直流電場強度e之比值γ=ie/e,稱為絕緣材料電導率,電導率的倒數(shù)ρ為絕緣材料的電阻率。在固體絕緣材料中,漏電電流分為表面電流和體積電流兩部分。電阻率也相應分為兩個部分:表面電阻率ρs,單位為ω,它表征絕緣材料表面的電導特性;體積電阻率ρv,單位為ω·㎝,它表征絕緣材料內(nèi)部的電導特性,通常在109~1012ω·㎝范圍內(nèi)。
(2)、相對介電系數(shù)
設電容器極間為真空時的電容量為c0,當極間充以某電介質(zhì)時,電容量為c,則兩種容量的比值εr=c/c0叫做電介質(zhì)(即絕緣材料)的相對介電常數(shù)。c總是比c0大,故εr總是大于1,這是絕緣材料極化所造成的。絕緣材料極化的結(jié)果,是靠近其表面處出現(xiàn)束縛電荷,相應地使電容器板上的自由電荷也增加,造成電容量增大。絕緣材料的相對介電系數(shù)是表征在電場下絕緣材料極化程度的一個參數(shù),介質(zhì)的極化x率越大,相對介電系數(shù)εr就越大。
(3)、介質(zhì)損耗
在交流電場作用下,絕緣材料中的部分電能將轉(zhuǎn)變成熱能,這部分的能量稱為電介質(zhì)損耗,單位時間內(nèi)消耗的能量稱為介質(zhì)損耗功率。工程上常用介質(zhì)損耗因數(shù)---介質(zhì)損耗正切tanδ作為衡量電介質(zhì)損耗的參數(shù)。δ是對絕緣材料施加交流電壓后,絕緣材料中流過的電流和電壓相角差的余角。絕緣材料在單位電場強度下,電場交變一次所產(chǎn)生的單位體積介質(zhì)損耗功率稱為損耗指數(shù)。
(4)、電介質(zhì)的擊穿強度
絕緣材料在高于某一極限數(shù)值的電場強度作用下,通過電介質(zhì)的電流與施加在介質(zhì)上的電壓關(guān)系就不符合歐姆定律,電流將會突然猛增。這時絕緣材料就被破壞而失去了絕緣性能。這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的擊穿。電介質(zhì)發(fā)生擊穿時的電壓稱為擊穿電壓。電介質(zhì)被擊穿時的電場強度,稱為擊穿強度,單位為kv/mm。固體絕緣的擊穿,常發(fā)生在電極邊緣,一般分為熱擊穿、電擊穿和局部放電擊穿三種形式。
熱擊穿是由于電介質(zhì)內(nèi)部介質(zhì)損耗發(fā)熱而引起的。在這場合,熱量來不及發(fā)散出去,使電介質(zhì)內(nèi)部溫度增高,導致分子結(jié)構(gòu)破壞而擊穿。熱擊穿是電器設備中絕緣破壞最常見的一種擊穿形式。因此,運行維護人員必須經(jīng)常注意檢查運行的電器設備的溫升情況。
電擊穿是指在強電場作用下,電介質(zhì)內(nèi)部帶電介質(zhì)點強烈運動,發(fā)生碰撞電離,破壞了分子結(jié)構(gòu),結(jié)果使絕緣材料擊穿。
放電擊穿是指在強電場作用下,電介質(zhì)內(nèi)部的氣泡首先發(fā)生碰撞電離而放電,雜質(zhì)也因受到電場加熱而氣化,產(chǎn)生氣泡,于是使氣泡放電進一步發(fā)展,導致材料裂解、分解、腐蝕破壞而擊穿。
(5)、絕緣材料的老化
絕緣材料在運行過程中,由于熱、電、光照、氧化、機械、輻射、微生物等各種因素的作用,而發(fā)生一系列不可恢復的物理、化學變化,導致絕緣材料電氣性能與機械性能的劣化,稱為老化。主要的老化形式有環(huán)境老化、熱老化與電老化三種。
影響絕緣材料老化的因素很多,主要是熱的因素。使用時溫度過高,會加速絕緣材料的老化過程,因此對各種絕緣材料都規(guī)定了它們的使用過程中的極限溫度以延緩絕緣材料的老化過程,保證電工產(chǎn)品的使用壽命。
低壓電機、電器的額定功率實際上決定于絕緣材料在運行所能承受的溫度。使用耐熱性好的絕緣材料,可是電機、電器的體積和重量都大大減小,技術(shù)經(jīng)濟指標和使用壽命得到提高。
溫度超過允許值,會大大降低絕緣材料使用壽命,如a級絕緣材料每超過最高允許工作溫度8℃,使用壽命就降低一半。對b級絕緣材料,每超過最高允許工作溫度12℃,絕緣使用壽命就降低一半。
絕緣材料的老化與電擊穿不同,材料一旦發(fā)生老化,其絕緣性能將永遠喪失不可恢復。
工程上采用下列方法防止絕緣材料的老化:在絕緣材料制作過程中加入防老化劑,常用酚類防老化劑。戶外用絕緣材料,可添加紫外光吸收劑,以吸收紫外光,或用隔層隔離,以避免強陽光直接照射。濕熱帶使用的絕緣材料,可加入防霉劑。加強高壓電氣設備的放電暈、防局部放電措施。