絕緣材料的介電性能

電介質(zhì)(絕緣體)是其中的正負電荷在電場作用下主要為極化的一大類物質(zhì)。電介質(zhì)禁帶寬度E較大(大于4eV)，價帶中的電子難以躍遷到導(dǎo)帶，電荷處于束縛狀態(tài)，因而在電場中只能極化，難以參加導(dǎo)電。

利用電介質(zhì)的電絕緣性，在電工、電子設(shè)備中達到隔離不同電位的導(dǎo)體、限制電流流向的目的。因此，絕緣材料都具有擊穿強度和體積電阻率高、tanδ低的特點，在應(yīng)用中往往還需要它同時起機械支撐和固定、散熱冷卻、滅弧等作用。電介質(zhì)作為電氣功能材料應(yīng)用時，不僅限于電絕緣性能，而是利用它的各種特性。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，功能電介質(zhì)發(fā)展很快，并且得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)當注意絕緣材料的電氣性能與環(huán)境條件有密切關(guān)系，通常不能用某一環(huán)培條件下測得的性能代表全部工作范圍內(nèi)的性能。此外，實驗方法對材料性能的測量值也有強烈影響。

絕緣材料的老化

絕緣材料老化直接影響電工、電子設(shè)備的可靠性和使用壽命。

與金屬等材料不同，絕緣材料的性能相當容易隨時間延長而變化。在電工、電子設(shè)備長期運行或長期貯存時，在不同的老化因子作用下，絕緣材料特別是有機絕緣材料會發(fā)生一系列化學(xué)(降解、氧化和交聯(lián)等)變化，導(dǎo)致絕緣材料分解，產(chǎn)生低分子揮發(fā)物，出現(xiàn)氣孔，液體黏度變化，固體材料表面發(fā)黏、脆化、炭化、極性增大、變色、發(fā)生龜裂和變形等，從而使性能發(fā)生不可逆變化，逐步喪失原有的功能特性，這種現(xiàn)象稱為老化。

絕緣材料的老化有熱老化、大氣老化、電老化和機械老化等。熱老化主要是熱和氧長期聯(lián)合對絕緣材料作用;大氣老化主要是光(特別是紫外線)、氧、臭氧、水和其他化學(xué)因素的長期聯(lián)合作用;電老化主要是電場、熱和氧的長期聯(lián)合作用;機械老化主要是機械力、熱和氧的聯(lián)合作用。此外，高能射線、生物和微生物作用等也是不可忽視的老化因素。老化中出現(xiàn)的各種自由基對老化的發(fā)展有重要作用。

1.絕緣材料的熱老化與耐溫等級溫度是影響絕緣材料正常老化速率的最重要因素。各種絕緣系統(tǒng)，要按規(guī)定的老化試驗方法，分別評定絕緣材料的耐熱指數(shù)和絕緣系統(tǒng)的耐熱等級，參見[EC60216標準。耐熱指數(shù)由溫度指數(shù)和半壽命溫差兩個參數(shù)構(gòu)成:溫度指數(shù)是在特定試驗條件下，對應(yīng)規(guī)定壽命(通常為20000h)的攝氏溫度:對應(yīng)壽命減半的溫度為另一溫度指數(shù)，半壽命溫差是兩個溫度指數(shù)的差值。

如果使用溫度超過絕緣材料規(guī)定的耐熱等級、材料將加速老化。A級絕緣如果使用溫度超過8℃壽命將縮短一半左右。B級絕緣使用溫度超過10℃，H級絕緣使用溫度超過12℃，壽命也將縮短一半。

2.電老化放電類型是影響絕緣材料電老化速率的重要因素。在強的法向電場作用下，絕緣材料內(nèi)部氣隙將發(fā)生局部放電，表面間隙發(fā)生電暈放電;在強發(fā)散電場作用下，絕緣材料內(nèi)部將在不同運行條件下分別發(fā)生電樹枝化、水樹枝化和化學(xué)樹枝化放電。引起放電老化擊穿;在強沿面電場作用下，絕緣材料表面將隨電壓的上升而分別發(fā)生沿面電暈放電、電火花放電和電弧放電，引起絕緣材料表面腐蝕、樹枝狀電痕化、炭化直至表面上導(dǎo)休間發(fā)生短路。電老化后的擊穿與化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，其介電強度更低，是決定絕緣體系長期工作場強的主要因素。

絕緣材料的耐放電性可以根據(jù)規(guī)定的電老化試驗方法進行評定。例如，根據(jù)電量試驗得到的材料在一定的電暈放電或局部放電條件下直到擊穿的時間長短表示材料的耐電暈性:根據(jù)電痕化試驗得到的材料在規(guī)定電壓和表面污穢條件下形成規(guī)定電痕化所需的時間長短表示材料的耐電痕性;根據(jù)電弧試驗得到的材料在規(guī)定電壓和電流下形成導(dǎo)電層直至電弧熄滅的時間長短表示材料的時電弧性。參見IEC出版物343、112、587和628，ASTM2275-1968、D3756-1979絕緣材料的壽命與多種因素有關(guān)，與絕緣體系結(jié)構(gòu)緊密聯(lián)系，因此，多因子老化試驗最好通過接近相應(yīng)絕緣體系的運行條件進行。

絕緣材料應(yīng)用中需要注意的問題

1.絕緣材料的兼容性絕緣系統(tǒng)內(nèi)，各絕緣材料間應(yīng)能相互容納、彼此不會出現(xiàn)有害影響。絕緣系統(tǒng)多數(shù)是由幾種絕緣材料組成的，兼容性差時，通過材料間分子相互擴散、電荷交換、材料運行中產(chǎn)生的老化產(chǎn)物的作用等使材料發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，從而使絕緣材料組合后性能顯著降低。要根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點和要求，通過規(guī)定的試驗方法，評價不同絕緣材料組合時的兼容性，以確定合理的絕緣系統(tǒng)。

2.優(yōu)化絕緣系統(tǒng)電場和熱場分布絕緣材料串聯(lián)組合時，絕緣系統(tǒng)電場與各組成材料阻抗成比例分布，把大、較小的絕緣材料放在電場強的部位，有利于改善電場分布，使絕緣材料所承受的最大場強降低。絕緣中氣泡的低，但它小而高，承受的電場高，因而最易擊穿，要力求消除它。絕緣系統(tǒng)中選用導(dǎo)熱性高的材料可以降低絕緣層所承受的溫度差，根據(jù)溫度分布情況可以采用耐熱指數(shù)較低的絕緣材料，以降低成本，實現(xiàn)絕緣系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化。

3.絕緣材料的環(huán)境友好有些絕緣材料雖然介電性能好，但會危害環(huán)境或人們的健康，不宜選用。例如，不宜選用多氯聯(lián)苯絕緣油、氟利昂氣體，氣體要逐步替代;電纜料、絕緣灌注膠等要盡量采用無鹵低煙阻燃料。

4.確保絕緣系統(tǒng)的綜合性能絕緣系統(tǒng)的性能取決于材料結(jié)構(gòu)、而絕緣材料內(nèi)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和絕緣系統(tǒng)中材料的真正組合結(jié)構(gòu)實際上是由絕緣工藝確定的，制備工藝中要盡量防止產(chǎn)生沿電場方向的長氣隙和絕緣層皺折。合理的絕緣工藝是達到絕緣系統(tǒng)綜合性能指標的可靠保證。

審核編輯 黃昊宇