电击防护：绝缘

2008-12-31 来源:安全文化网热度: 收藏发表评论 0

　　绝缘是指利用绝缘材料对带电体进行封闭和隔离。长久以来，绝缘一直是作为防止触电事故的重要措施，良好的绝缘也是保证电气系统正常运行的基本条件。

　　一、绝缘材料的电气性能

　　绝缘材料又称为电介质，其导电能力很小，但并非绝对不导电。工程上应用的绝缘材料的电阻率一般都不低于1×10⁷Ω•m。

　　绝缘材料的主要作用是用于对带电的或不同电位的导体进行隔离，使电流按照确定的线路流动。

　　绝缘材料的品种很多，一般分为：①气体绝缘材料，常用的有空气、氮、氢、二氧化碳和六氟化硫等；②液体绝缘材料，常用的有从石油原油中提炼出来的绝缘矿物油，十二烷基苯、聚丁二烯、硅油和三氯联苯等合成油以及蓖麻油；③固体绝缘材料，常用的有树脂绝缘漆，纸、纸板等绝缘纤维制品，漆布、漆管和绑扎带等绝缘浸渍纤维制品，绝缘云母制品，电工用薄膜、复合制品和粘带，电工用层压制品，电工用塑料和橡胶，玻璃、陶瓷等。

　　电气设备的质量和使用寿命在很大程度上取决于绝缘材料的电、热、机械和理化性能，而绝缘材料的性能和寿命与材料的组成成分、分子结构有着密切的关系。

　　绝缘材料的电气性能主要表现在电场作用下材料的导电性能、介电性能及绝缘强度。它们分别以绝缘电阻率ρ(或电导率Ɣ)、相对介电常数εr、介质损耗角tanδ及击穿场强EB四个参数来表示。本节暂先介绍前三个参数，击穿场强将在后面介绍。

　　1．绝缘电阻率和绝缘电阻

　　任何电介质都不可能是绝对的绝缘体，总存在一些带电质点，主要为本征离子和杂质离子。在电场的作用下，它们可作有方向的运动，形成漏导电流，通常又称为泄漏电流。在外加电压作用下的绝缘材料的等效电路如图2—1a所示；在直流电压作用下的电流如图2—1b所示。图中，电阻支路的电流Ii即为漏导电流；流经电容和电阻串联支路的电流Ia。称为吸收电流，是由缓慢极化和离子体积电荷形成的电流；电容支路的电流IC，称为充电电流，是由几何电容等效应构成的电流。

　　绝缘电阻率和绝缘电阻分别是绝缘结构和绝缘材料的主要电性参数之一。为了检验绝缘性能的优劣，在绝缘材料的生产和应用中，经常需要测定其绝缘电阻率，包括体积电阻率和表面电阻率，而在绝缘结构的性能和使用中经常需要测定绝缘电阻。

　　温度、湿度、杂质含量和电场强度的增加都会降低电介质的电阻率。温度升高时，分子热运动加剧，使离子容易迁移，电阻率按指数规律下降。

　　湿度升高，一方面水分的浸入使电介质增加了导电离子，使绝缘电阻下降；另一方面，对亲水物质，表面的水分还会大大降低其表面电阻率。电气设备特别是户外设备，在运行过程中，往往因受潮引起绝缘材料电阻率下降，造成泄漏电流过大而使设备损坏。因此，为了预防事故的发生，应定期检查设备绝缘电阻的变化。

　　杂质的含量增加，增加了内部的导电离子，也使电介质表面污染并吸附水分，从而降低了体积电阻率和表面电阻率。

　　在较高的电场强度作用下，固体和液体电介质的离子迁移能力随电场强度的增强而增大，使电阻率下降。当电场强度临近电介质的击穿电场强度时，因出现大量电子迁移，使绝缘电阻按指数规律丁降。

　　2.介电常数

　　电介质在处于电场作用下时，电介质中分子、原子中的正电荷和负电荷发生偏移，使得正、负电荷的中心不再重合，形成电偶极子。电偶极子的形成及其定向排列称为电介质的极化。电介质极化后，在电介质表面上产生束缚电荷。束缚电荷下能自由移动。

　　介电常数是表明电介质极化特征的性能参数。介电常数愈大，电介质极化能力愈强，产生的束缚电荷就愈多。束缚电荷也产生电场，且该电场总是削弱外电场的。因此，处在电介质中的带电体周围的电场强度，总是低于同样带电体处在真空中时其周围的电场强度。

　　现用电容器来说明介电常数的物理意义。设电容器极板间为真空时，其电容量为C0，而当极板间充满某种电介质时，其电容量变为C，则C与C0的比值即该电介质的相对介质常数，即

　　在填充电介质以后，由于电介质的极化，使靠近电介质表面处出现可束缚电荷，与其对应，在极板上的自由电荷也相应增加，即填充电介质之后，极板上容纳了更多的自由电荷，说明电容被增大。因此，可以看出，相对介电常数总是大于1的。

　　绝缘材料的介电常数受电源频率、温度、湿度等因素而产生变化。

　　随频率增加，有的极化过程在半周期内来不及完成，以致极化程度下降，介电常数减小随温度增加，偶极子转向极化易于进行，介电常数增大；但当温度超过某一限度后，由于热运动加剧，极化反而困难一些，介电常数减小。

　　随湿度增加，材料吸收水分，由于水的相对介电常数很高(在80左右)，且水分的侵入能增加极化作用，使得电介质的介电常数明显增加。

因此，通过测量介电常数，能够判断电介质受潮程度等。

　　大气压力对气体材料的介电常数有明显影响，压力增大，密度就增大，相对介电常数也增大。

　　3．介质损耗

　　在交流电压作用下，电介质中的部分电能不可逆地转变成热能，这部分能量叫做介质损耗。单位时间内消耗的能量叫做介质损耗功率。介质损耗一种是由漏导电流引起的；另一种是由于极化所引起的。介质损耗使介质发热，这是电介质发生热击穿的根源。

　　施加交流电压时，电流、电压的相量关系图如图2—2所示。

　　总电流与电压的相位差，即电介质的功率因φ数角。功率因数角的余角δ称为介质损耗角。根据相量图，不难求出单位体积内介质损耗功率为

　　式中：ω——电源角频率，ω=2πf

　　ε——电介质介电常数；

　　E——电介质内电场强度；

　　tanδ--介质损耗角正切。

　　由于户值与试验电压、试品尺寸等因素有关，难于用来对介质品质作严密的比较，所以，通常是以tanδ来衡量电介质的介质损耗性能。

　　对于电气设备中使用的电介质，要求它的tanδ值愈小愈好。而当绝缘受潮或劣化时，因有功电流明显增加，会使tanδ值剧烈上升。也就是说，taanδ能更敏感地反映绝缘质量。因此，在要求高的场合，需进行介质损耗试验。

　　影响绝缘材料介质损耗的因素主要有频率、温度、湿度、电场强度和辐射。影响过程比较复杂，从总的趋势上来说，随着上述因素的增强，介质损耗增加。

　　二、绝缘的破坏

　　在电气设备的运行过程中，绝缘材料会由于电场、热、化学、机械、生物等因素的作用，使绝缘性能发生劣化。

　　1.绝缘击穿

　　当施加于电介质上的电场强度高于临界值时，会使通过电介质的电流突然猛增，这时绝缘材料被破坏，完全失去了绝缘性能，这种现象称为电介质的击穿。发生击穿时的电称为击穿电压，击穿时的电场强度简称击穿场强。

　　(1)气体电介质的击穿。气体击穿是由碰撞电离导致的电击穿。在强电场中，气体的带电质点(主要是电子)在电场中获得足够的动能，当它与气体分子发生碰撞时，能够使中性分子电离为正离子和电子。新形成的电子又在电场中积累能量而碰撞其他分子，使其电离，这就是碰撞电离。碰撞电离过程是一个连锁反应过程，每一个电子碰撞产生一系列新电子，因而形成电子崩。电子崩向阳极发展，最后形成一条具有高电导的通道，导致气体击穿。

　　在均匀电场中，当温度一定，电极距离不变，气体压力很低时，气体中分子稀少，碰撞游离机会很少，因此击穿电压很高。随着气体压力的增大，碰撞游离增加，击穿电压有所下降，在某一特定的气压下出现最小值；但当气体压力继续升高，密度逐渐增大，平均自由行程很小，只有更高的电压才能使电子积聚足够的能量以产生碰撞游离，击穿电压也逐渐升高。利用此规律，在工程上常采用高真空和高气压的方法来提高气体的击穿场强。

　　空气的击穿场强约为25~30KV/cm

　　(2)液体电介质的击穿。液体电介质的击穿特性与其纯净度有关，一般认为纯净液体的击穿与气体的击穿机理相似，是由电子碰撞电离最后导致击穿。但液体的密度大，电子自由行程短，积聚能量小，因此击穿场强比气体高。工程上液体绝缘材料不可避免地含有气体、液体和固体杂质。如液体中含有乳化状水滴和纤维时，由于水和纤维的极性强，在强电场的作用下使纤维极化而定向排列，并运动到电场强度最高处联成小桥、小桥贯穿两电极间引起电导剧增，局部温度骤升，最后导致击穿。例如，变压器油中含有极少量水分就会大大降低油的击穿场强。

　　含有气体杂质的液体电介质的击穿可用气泡击穿机理来解释。气体杂质的存在使液体呈现不均匀性，液体局部过热，气体迁移集中，在液体中形成气泡。由于气泡的相对介电常数较低，使得气泡内的电场强度较高，约为油内电场强度的2．2～2．4倍，而气体的临界场强比油低得多，致使气泡游离，局部发热加剧，体积膨胀，气泡扩大，形成连通两电极的导电小桥，最终导致整个电介质击穿。

　　为此，在液体绝缘材料使用之前，必须对其进行纯化、脱水、脱气处理；在使用过程中应避免这些杂质的侵入。液体电介质击穿后，绝缘性能在一定程度上可以得到恢复。

　　(3)固体电介质的击穿。固体电介质的击穿有电击穿、热击穿、电化学击穿、放电击穿等形式。

　　①电击穿。这是固体电介质在强电场作用下，其内少量处于导带的电子剧烈运动，与晶格上的原子(或离子)碰撞而使之游离，并迅速扩展下去导致的击穿。电击穿的特点是电压作用时间短，击穿电压高。电击穿的击穿场强与电场均匀程度密切相关，但与环境温度及电压作用时间几乎无关。

　　②热击穿。这是固体电介质在强电场作用下，由于介质损耗等原因所产生的热量不能够及时散发出去，会因温度上升，导致电介质局部熔化、烧焦或烧裂，最后造成击穿。热击穿的特点是电压作用时间长，击穿电压较低。热击穿电压随环境温度上升而下降，但与电场均匀程度关系不大。

　　③电化学击穿。这是固体电介质在强电场作用下，由游离、发热和化学反应等因素的综合效应造成的击穿。其特点是电压作用时间长，击穿电压往往很低。它与绝缘材料本身的耐游离性能、制造工艺、工作条件等因素有关。

　　④放电击穿。这是固体电介质在强电场作用下，内部气泡首先发生碰撞游离而放电，继而加热其他杂质，使之气化形成气泡，由气泡放电进一步发展，导致击穿。放电击穿的击穿电压与绝缘材料的质量有关。

　　固体电介质一旦击穿，将失去其绝缘性能。

　　实际上，绝缘结构发生击穿，往往是电、热、放电、电化学等多种形式同时存在，很难截然分开。一般来说，在采用tanδ值大、耐热性差的电介质的低压电气设备，在工作温度高、散热条件差时热击穿较为多见。而在高压电气设备中，放电击穿的概率就大些。脉冲电压下的击穿一般属电击穿。当电压作用时间达数十小时乃至数年时，大多数属于电化学击穿。

　　2.绝缘老化

　　电气设备在运行过程中，其绝缘材料由于受热、电、光、氧、机械力(包括超声波)、辐射线、微生物等因素的长期作用，产生一系列不可逆的物理变化和化学变化，导致绝缘材料的电气性能和机械性能的劣化。

　　绝缘老化过程十分复杂。就其老化机理而言，主要有热老化机理和电老化机理。

　　(1)热老化。一般在低压电气设备中，促使绝缘材料老化的主要因素是热。热老化包括低分子挥发性成分的逸出，包括材料的解聚和氧化裂解、热裂解、水解，还包括材料分子链继续聚合等过程。

　　每种绝缘材料都有其极限耐热温度，当超过这——极限温度时，其老化将加剧，电气设备的寿命就缩短。在电工技术中，常把电机和电器中的绝缘结构和绝缘系统按耐热等级进行分类。表2—1所列是我国绝缘材料标准规定的绝缘耐热分级和极限温度。

　　(2)电老化。它主要是由局部放电引起的。在高压电气设备中，促使绝缘材料老化的主要原因是局部放电。局部放电时产生的臭氧、氮氧化物、高速粒子都会降低绝缘材料的性能，局部放电还会使材料局部发热，促使材料性能恶化。

　　3.绝缘损坏

　　绝缘损坏是指由于不正确选用绝缘材料，不正确地进行电气设备及线路的安装，不合理地使用电气设备等，导致绝缘材料受到外界腐蚀性液体、气体、蒸气、潮气、粉尘的污染和侵蚀，或受到外界热源、机械因素的作用，在较短或很短的时间内失去其电气性能或机械性能的现象。另外，动物和植物也可能破坏电气设备和电气线路的绝缘结构。

　　三、绝缘检测和绝缘试验

　　绝缘检测和绝缘试验的目的是检查电气设备或线路的绝缘指标是否符合要求。绝缘检测和绝缘试验主要包括绝缘电阻试验、耐压试验、漏电电流试验和介质损耗试验。其中：绝缘电阻试验是最基本的绝缘试验；耐压试验是检验电气设备承受过电压的能力，主要用于新品种电气设备的型式试验及投入运行前的电力变压器等设备、电工安全用具等；泄漏电流试验和介质损耗试验只对一些要求较高的高压电气设备才有必要进行。现仅对绝缘电阻试验和耐压试验进行介绍。

　　1. 绝缘电阻试验

　　绝缘电阻是衡量绝缘性能优劣的最基本的指标。在绝缘结构的制造和使用中，经常需要测定其绝缘电阻。通过绝缘电阻的测定，可以在一定程度上判定某些电气设备的绝缘好坏，判断某些电气设备(如电机、变压器)的受潮情况等。以防因绝缘电阻降低或损坏而造成漏电、短路、电击等电气事故。

　　(1)绝缘电阻的测量。绝缘材料的电阻可以用比较法(属于伏安法)测量，也可以用泄漏法来进行测量，但通常用兆欧表（摇表）测量。这里仅就应用兆欧表测量绝缘材料的电阻进行介绍。

　　兆欧表主要由作为电源的手摇发电机(或其他直流电源)和作为测量机构的磁电式流比计(双动线圈流比计)组成。测量时，实际上是给被测物加上直流电压，测量其通过的泄漏电流，在表的盘面上读到的是经过换算的绝缘电阻值。

　　磁电式流比计的工作原理如图2—3所示。在同一转轴上装有两个交叉的线圈，当两线圈通有电流时，两个线圈分别产生互为相反方向的转矩。其大小分别为

　　式中：K_l，K₂——比例常数；

　　I₁，I₂——通过两个线圈的电流；

　　α——线圈带动指针偏转的偏转角。

　　当Ml≠M2时，线圈转动，指针偏转。当M1=M2时，线圈停止转动，指针停止偏转，且两电流之比与偏转角满足如下的函数关系，即

　　兆欧表的测量原理如图2—4所示。在接入被测电阻R。后，构成了两条相互并联的支路，当摇动手摇发电机时，两个支路分别通过电流I1和I2。可以看出

　　考虑到两电流之比与偏转角满足的函数关系，不难得出

　　可见，指针的偏转角。仅仅是被测绝缘电阻R。的函数，而与电源电压没有直接关系。

　　在兆欧表上有三个接线端钮，分别标为接地E、电路L和屏蔽G。一般测量仅用E，L两端，E通常接地或接设备外壳，L接被测线路，电机、电器的导线或电机绕组。测量电缆芯

　　线对外皮的绝缘电阻时，为消除芯线绝缘层表面漏电引起的误差，还应在绝缘上包以锡箔，并使之与G端连接，如图2—5所示。这样就使得流经绝缘表面的电流不再经过流比计的测量线圈，而是直接流经G端构成回路，所以，测得的绝缘电阻只是电缆绝缘的体积电阻。

　　使用兆欧表测量绝缘电阻时，应注意下列事项：

　　①应根据被测物的额定电压正确选用丕同电压等级的兆欧表。所用兆欧表的工作电压应高于绝缘物的额定工作电压。一般情况下，测量额定电压500V以下的线路或设备的绝缘电阻，应采用工作电压为500V或1 000V的兆欧表；测量额定电压500V以上的线路或设备的绝缘电阻，应采用工作电压为1 000V或2 500V的兆欧表。

　　②与兆欧表端钮接线的导线应用单线，单独连接，不能用双股绝缘导线，以免测量时因双股线或绞线绝缘不良而引起误差。

　　③测量前，必须断开被测物的电源，并进行放电；测量终了也应进行放电。放电时间一般不应短于2～3min。对于高电压、大电容的电缆线路，放电时间应适当延长，以消除静电荷，防止发生触电危险。

　　④测量前，应对兆欧表进行检查。首先，使兆欧表端钮处处于开路状态，转动摇把，观察指针是否在“oo”位；然后，再将E和l两端短接起来，慢慢转动摇把，观察指针是否迅速指向“0”位。

　　⑤进行测量时，摇把的转速应由慢至快，到120 r／min左右时，发电机输出额定电压。摇把转速应保持均匀、稳定，一般摇动1 min左右，待指针稳定后再进行读数。

　　⑥测量过程中，如指针指向“0”，表明被测物绝缘失效，应停止转动摇把，以防表内线圈发热烧坏。

　　⑦禁止在雷电时或邻近设备带有高电压时用兆欧表进行测量工作。

　　⑧测量应尽可能在设备刚刚停止运转时进行，这样，由于测量时的温度条件接近运转时的实际温度，使测量结果符合运转时的实际情况。

　　(2) 吸收比的测定。对于电力变压器、电力电容器、交流电动机等高压设备，除测量绝缘电阻之外，还要求测量其吸收比。吸收比是加压测量开始后60s时读取的绝缘电阻值与加压测量开始后15s时读取的绝缘电阻值之比。由吸收比的大小可以对绝缘受潮程度和内部有无缺陷存在进行判断。这是因为，绝缘材料加上直流电压事都有一充电过程，在绝缘材料受潮或内部有缺陷时，泄露电流增加很多，同时充电过程加快，吸收比的值小，接近于1；绝缘材料干燥时，泄漏电流小，充电过程慢。吸收比明显增大。例如，干燥的发电机定子绕组，在10～30℃时的吸收比远大于1．3。吸收比原理如图2—6所示。

　　(3)绝缘电阻指标。绝缘电阻随线路和设备的不同，其指标要求也不一样。就一般而言，高压较低压要求高；新设备较老设备要求高；室外设备较室内设备要求高；移动设备较固定设备要求高等。以下为几种主要线路和设备应达到的绝缘电阻值。

　　①新装和大修后的低压线路和设备，要求绝缘电阻不低于0．5 MΩ；运行中的线路和设备，要求可降低为每伏工作电压不小于1 000Ω；安全电压下工作的设备同220V一样，不得低于0.22MΩ；在潮湿环境，要求可降低为每伏工作电压500Ω。

　　②携带式电气设备的绝缘电阻不应低于2MΩ。

　　③配电盘二次线路的绝缘电阻不应低于1 MΩ，在潮湿环境，允许降低为0．5MΩ。

　　④10kV高压架空线路每个绝缘子的绝缘电阻不应低于300 MΩ；35 kV及以上的不应低于500Mfl。

　　⑤运行中6～10 kV和35 kV电力电缆的绝缘电阻分别不应低于400～1 000 MΩ和600 1 500MΩ。干燥季节取较大的数值；潮湿季节取较小的数值。

　　⑥电力变压器投入运行前，绝缘电阻应不低于出厂时的70％，运行中的绝缘电阻可适当降低。

　　2．耐压试验

　　电器设备的耐压试验主要用以检查电气设备承受过电压的能力。在电力系统中，线路及发电、输变电设备的绝缘，除了在额定交流直流电压下长期运行外，还要短时承受大气过电压、内部过电压等过电压的作用。另外，其他技术领域的电气设备也会遇到各种特殊类型的高电压。因此，耐压试验是保证电气设备安全运行的有效手段。耐压试验主要有工频交流耐压试验、直流耐压试验和冲击电压试验等。其中，工频交流耐压试验最为常用，这种方法接近运行实际，所需设备简单。对部分设备，如电力电缆、高压电机等少数电气设备因电容很大，无法进行交流耐压试验时，则进行直流耐压试验。

　　图2—7所示为工频高压试验装置电路。该装置由调压器T1、试验变压器丁2、测量及过电压保护装置(球隙)S、保护电阻R1，R2组成。Zx是被试品。