絕緣是指利用絕緣材料對帶電體進行封閉和隔離。長久以來，絕緣一直是作為防止觸電事故的重要措施，良好的絕緣也是保證電氣系統正常運行的基本條件。

　　一、絕緣材料的電氣性能

　　絕緣材料又稱為電介質，其導電能力很小，但并非絕對不導電。工程上應用的絕緣材料的電阻率一般都不低于1×10⁷Ω•m。

　　絕緣材料的主要作用是用于對帶電的或不同電位的導體進行隔離，使電流按照確定的線路流動。

　　絕緣材料的品種很多，一般分為：①氣體絕緣材料，常用的有空氣、氮、氫、二氧化碳和六氟化硫等；②液體絕緣材料，常用的有從石油原油中提煉出來的絕緣礦物油，十二烷基苯、聚丁二烯、硅油和三氯聯苯等合成油以及蓖麻油；③固體絕緣材料，常用的有樹脂絕緣漆，紙、紙板等絕緣纖維制品，漆布、漆管和綁扎帶等絕緣浸漬纖維制品，絕緣云母制品，電工用薄膜、復合制品和粘帶，電工用層壓制品，電工用塑料和橡膠，玻璃、陶瓷等。

　　電氣設備的質量和使用壽命在很大程度上取決于絕緣材料的電、熱、機械和理化性能，而絕緣材料的性能和壽命與材料的組成成分、分子結構有著密切的關系。

　　絕緣材料的電氣性能主要表現在電場作用下材料的導電性能、介電性能及絕緣強度。它們分別以絕緣電阻率ρ(或電導率Ɣ)、相對介電常數εr、介質損耗角tanδ及擊穿場強EB四個參數來表示。本節暫先介紹前三個參數，擊穿場強將在后面介紹。

　　1．絕緣電阻率和絕緣電阻

　　任何電介質都不可能是絕對的絕緣體，總存在一些帶電質點，主要為本征離子和雜質離子。在電場的作用下，它們可作有方向的運動，形成漏導電流，通常又稱為泄漏電流。在外加電壓作用下的絕緣材料的等效電路如圖2—1a所示；在直流電壓作用下的電流如圖2—1b所示。圖中，電阻支路的電流Ii即為漏導電流；流經電容和電阻串聯支路的電流Ia。稱為吸收電流，是由緩慢極化和離子體積電荷形成的電流；電容支路的電流IC，稱為充電電流，是由幾何電容等效應構成的電流。

 

　　絕緣電阻率和絕緣電阻分別是絕緣結構和絕緣材料的主要電性參數之一。為了檢驗絕緣性能的優劣，在絕緣材料的生產和應用中，經常需要測定其絕緣電阻率，包括體積電阻率和表面電阻率，而在絕緣結構的性能和使用中經常需要測定絕緣電阻。

　　溫度、濕度、雜質含量和電場強度的增加都會降低電介質的電阻率。溫度升高時，分子熱運動加劇，使離子容易遷移，電阻率按指數規律下降。

　　濕度升高，一方面水分的浸入使電介質增加了導電離子，使絕緣電阻下降；另一方面，對親水物質，表面的水分還會大大降低其表面電阻率。電氣設備特別是戶外設備，在運行過程中，往往因受潮引起絕緣材料電阻率下降，造成泄漏電流過大而使設備損壞。因此，為了預防事故的發生，應定期檢查設備絕緣電阻的變化。

　　雜質的含量增加，增加了內部的導電離子，也使電介質表面污染并吸附水分，從而降低了體積電阻率和表面電阻率。

　　在較高的電場強度作用下，固體和液體電介質的離子遷移能力隨電場強度的增強而增大，使電阻率下降。當電場強度臨近電介質的擊穿電場強度時，因出現大量電子遷移，使絕緣電阻按指數規律丁降。

　　2.介電常數

　　電介質在處于電場作用下時，電介質中分子、原子中的正電荷和負電荷發生偏移，使得正、負電荷的中心不再重合，形成電偶極子。電偶極子的形成及其定向排列稱為電介質的極化。電介質極化后，在電介質表面上產生束縛電荷。束縛電荷下能自由移動。

　　介電常數是表明電介質極化特征的性能參數。介電常數愈大，電介質極化能力愈強，產生的束縛電荷就愈多。束縛電荷也產生電場，且該電場總是削弱外電場的。因此，處在電介質中的帶電體周圍的電場強度，總是低于同樣帶電體處在真空中時其周圍的電場強度。

　　現用電容器來說明介電常數的物理意義。設電容器極板間為真空時，其電容量為C0，而當極板間充滿某種電介質時，其電容量變為C，則C與C0的比值即該電介質的相對介質常數，即

 

　　在填充電介質以后，由于電介質的極化，使靠近電介質表面處出現可束縛電荷，與其對應，在極板上的自由電荷也相應增加，即填充電介質之后，極板上容納了更多的自由電荷，說明電容被增大。因此，可以看出，相對介電常數總是大于1的。

　　絕緣材料的介電常數受電源頻率、溫度、濕度等因素而產生變化。

　　隨頻率增加，有的極化過程在半周期內來不及完成，以致極化程度下降，介電常數減小隨溫度增加，偶極子轉向極化易于進行，介電常數增大；但當溫度超過某一限度后，由于熱運動加劇，極化反而困難一些，介電常數減小。

　　隨濕度增加，材料吸收水分，由于水的相對介電常數很高(在80左右)，且水分的侵入能增加極化作用，使得電介質的介電常數明顯增加。

因此，通過測量介電常數，能夠判斷電介質受潮程度等。   

　　大氣壓力對氣體材料的介電常數有明顯影響，壓力增大，密度就增大，相對介電常數也增大。

　　3．介質損耗

　　在交流電壓作用下，電介質中的部分電能不可逆地轉變成熱能，這部分能量叫做介質損耗。單位時間內消耗的能量叫做介質損耗功率。介質損耗一種是由漏導電流引起的；另一種是由于極化所引起的。介質損耗使介質發熱，這是電介質發生熱擊穿的根源。

　　施加交流電壓時，電流、電壓的相量關系圖如圖2—2所示。  

　　總電流與電壓的相位差，即電介質的功率因φ數角。功率因數角的余角δ稱為介質損耗角。根據相量圖，不難求出單位體積內介質損耗功率為

 

　　式中：ω——電源角頻率，ω=2πf

　　ε——電介質介電常數；

　　E——電介質內電場強度；

　　tanδ--介質損耗角正切。

　　由于戶值與試驗電壓、試品尺寸等因素有關，難于用來對介質品質作嚴密的比較，所以，通常是以tanδ來衡量電介質的介質損耗性能。

　　對于電氣設備中使用的電介質，要求它的tanδ值愈小愈好。而當絕緣受潮或劣化時，因有功電流明顯增加，會使tanδ值劇烈上升。也就是說，taanδ能更敏感地反映絕緣質量。因此，在要求高的場合，需進行介質損耗試驗。

　　影響絕緣材料介質損耗的因素主要有頻率、溫度、濕度、電場強度和輻射。影響過程比較復雜，從總的趨勢上來說，隨著上述因素的增強，介質損耗增加。

　　二、絕緣的破壞 

　　在電氣設備的運行過程中，絕緣材料會由于電場、熱、化學、機械、生物等因素的作用，使絕緣性能發生劣化。

　　1.絕緣擊穿

　　當施加于電介質上的電場強度高于臨界值時，會使通過電介質的電流突然猛增，這時絕緣材料被破壞，完全失去了絕緣性能，這種現象稱為電介質的擊穿。發生擊穿時的電稱為擊穿電壓，擊穿時的電場強度簡稱擊穿場強。

　　(1)氣體電介質的擊穿。氣體擊穿是由碰撞電離導致的電擊穿。在強電場中，氣體的帶電質點(主要是電子)在電場中獲得足夠的動能，當它與氣體分子發生碰撞時，能夠使中性分子電離為正離子和電子。新形成的電子又在電場中積累能量而碰撞其他分子，使其電離，這就是碰撞電離。碰撞電離過程是一個連鎖反應過程，每一個電子碰撞產生一系列新電子，因而形成電子崩。電子崩向陽極發展，最后形成一條具有高電導的通道，導致氣體擊穿。

　　在均勻電場中，當溫度一定，電極距離不變，氣體壓力很低時，氣體中分子稀少，碰撞游離機會很少，因此擊穿電壓很高。隨著氣體壓力的增大，碰撞游離增加，擊穿電壓有所下降，在某一特定的氣壓下出現最小值；但當氣體壓力繼續升高，密度逐漸增大，平均自由行程很小，只有更高的電壓才能使電子積聚足夠的能量以產生碰撞游離，擊穿電壓也逐漸升高。利用此規律，在工程上常采用高真空和高氣壓的方法來提高氣體的擊穿場強。

　　空氣的擊穿場強約為25~30KV/cm

　　(2)液體電介質的擊穿。液體電介質的擊穿特性與其純凈度有關，一般認為純凈液體的擊穿與氣體的擊穿機理相似，是由電子碰撞電離最后導致擊穿。但液體的密度大，電子自由行程短，積聚能量小，因此擊穿場強比氣體高。工程上液體絕緣材料不可避免地含有氣體、液體和固體雜質。如液體中含有乳化狀水滴和纖維時，由于水和纖維的極性強，在強電場的作用下使纖維極化而定向排列，并運動到電場強度最高處聯成小橋、小橋貫穿兩電極間引起電導劇增，局部溫度驟升，最后導致擊穿。例如，變壓器油中含有極少量水分就會大大降低油的擊穿場強。

　　含有氣體雜質的液體電介質的擊穿可用氣泡擊穿機理來解釋。氣體雜質的存在使液體呈現不均勻性，液體局部過熱，氣體遷移集中，在液體中形成氣泡。由于氣泡的相對介電常數較低，使得氣泡內的電場強度較高，約為油內電場強度的2．2～2．4倍，而氣體的臨界場強比油低得多，致使氣泡游離，局部發熱加劇，體積膨脹，氣泡擴大，形成連通兩電極的導電小橋，最終導致整個電介質擊穿。

　　為此，在液體絕緣材料使用之前，必須對其進行純化、脫水、脫氣處理；在使用過程中應避免這些雜質的侵入。液體電介質擊穿后，絕緣性能在一定程度上可以得到恢復。

　　(3)固體電介質的擊穿。固體電介質的擊穿有電擊穿、熱擊穿、電化學擊穿、放電擊穿等形式。

　　①電擊穿。這是固體電介質在強電場作用下，其內少量處于導帶的電子劇烈運動，與晶格上的原子(或離子)碰撞而使之游離，并迅速擴展下去導致的擊穿。電擊穿的特點是電壓作用時間短，擊穿電壓高。電擊穿的擊穿場強與電場均勻程度密切相關，但與環境溫度及電壓作用時間幾乎無關。

　　②熱擊穿。這是固體電介質在強電場作用下，由于介質損耗等原因所產生的熱量不能夠及時散發出去，會因溫度上升，導致電介質局部熔化、燒焦或燒裂，最后造成擊穿。熱擊穿的特點是電壓作用時間長，擊穿電壓較低。熱擊穿電壓隨環境溫度上升而下降，但與電場均勻程度關系不大。

　　③電化學擊穿。這是固體電介質在強電場作用下，由游離、發熱和化學反應等因素的綜合效應造成的擊穿。其特點是電壓作用時間長，擊穿電壓往往很低。它與絕緣材料本身的耐游離性能、制造工藝、工作條件等因素有關。

　　④放電擊穿。這是固體電介質在強電場作用下，內部氣泡首先發生碰撞游離而放電，繼而加熱其他雜質，使之氣化形成氣泡，由氣泡放電進一步發展，導致擊穿。放電擊穿的擊穿電壓與絕緣材料的質量有關。

　　固體電介質一旦擊穿，將失去其絕緣性能。

　　實際上，絕緣結構發生擊穿，往往是電、熱、放電、電化學等多種形式同時存在，很難截然分開。一般來說，在采用tanδ值大、耐熱性差的電介質的低壓電氣設備，在工作溫度高、散熱條件差時熱擊穿較為多見。而在高壓電氣設備中，放電擊穿的概率就大些。脈沖電壓下的擊穿一般屬電擊穿。當電壓作用時間達數十小時乃至數年時，大多數屬于電化學擊穿。

　　2.絕緣老化

　　電氣設備在運行過程中，其絕緣材料由于受熱、電、光、氧、機械力(包括超聲波)、輻射線、微生物等因素的長期作用，產生一系列不可逆的物理變化和化學變化，導致絕緣材料的電氣性能和機械性能的劣化。

　　絕緣老化過程十分復雜。就其老化機理而言，主要有熱老化機理和電老化機理。

　　(1)熱老化。一般在低壓電氣設備中，促使絕緣材料老化的主要因素是熱。熱老化包括低分子揮發性成分的逸出，包括材料的解聚和氧化裂解、熱裂解、水解，還包括材料分子鏈繼續聚合等過程。

　　每種絕緣材料都有其極限耐熱溫度，當超過這——極限溫度時，其老化將加劇，電氣設備的壽命就縮短。在電工技術中，常把電機和電器中的絕緣結構和絕緣系統按耐熱等級進行分類。表2—1所列是我國絕緣材料標準規定的絕緣耐熱分級和極限溫度。

 

　　(2)電老化。它主要是由局部放電引起的。在高壓電氣設備中，促使絕緣材料老化的主要原因是局部放電。局部放電時產生的臭氧、氮氧化物、高速粒子都會降低絕緣材料的性能，局部放電還會使材料局部發熱，促使材料性能惡化。

　　3.絕緣損壞

　　絕緣損壞是指由于不正確選用絕緣材料，不正確地進行電氣設備及線路的安裝，不合理地使用電氣設備等，導致絕緣材料受到外界腐蝕性液體、氣體、蒸氣、潮氣、粉塵的污染和侵蝕，或受到外界熱源、機械因素的作用，在較短或很短的時間內失去其電氣性能或機械性能的現象。另外，動物和植物也可能破壞電氣設備和電氣線路的絕緣結構。

　　三、絕緣檢測和絕緣試驗

　　絕緣檢測和絕緣試驗的目的是檢查電氣設備或線路的絕緣指標是否符合要求。絕緣檢測和絕緣試驗主要包括絕緣電阻試驗、耐壓試驗、漏電電流試驗和介質損耗試驗。其中：絕緣電阻試驗是最基本的絕緣試驗；耐壓試驗是檢驗電氣設備承受過電壓的能力，主要用于新品種電氣設備的型式試驗及投入運行前的電力變壓器等設備、電工安全用具等；泄漏電流試驗和介質損耗試驗只對一些要求較高的高壓電氣設備才有必要進行。現僅對絕緣電阻試驗和耐壓試驗進行介紹。   

　　1. 絕緣電阻試驗

　　絕緣電阻是衡量絕緣性能優劣的最基本的指標。在絕緣結構的制造和使用中，經常需要測定其絕緣電阻。通過絕緣電阻的測定，可以在一定程度上判定某些電氣設備的絕緣好壞，判斷某些電氣設備(如電機、變壓器)的受潮情況等。以防因絕緣電阻降低或損壞而造成漏電、短路、電擊等電氣事故。

　　(1)絕緣電阻的測量。絕緣材料的電阻可以用比較法(屬于伏安法)測量，也可以用泄漏法來進行測量，但通常用兆歐表（搖表）測量。這里僅就應用兆歐表測量絕緣材料的電阻進行介紹。

　　兆歐表主要由作為電源的手搖發電機(或其他直流電源)和作為測量機構的磁電式流比計(雙動線圈流比計)組成。測量時，實際上是給被測物加上直流電壓，測量其通過的泄漏電流，在表的盤面上讀到的是經過換算的絕緣電阻值。

　　磁電式流比計的工作原理如圖2—3所示。在同一轉軸上裝有兩個交叉的線圈，當兩線圈通有電流時，兩個線圈分別產生互為相反方向的轉矩。其大小分別為

 

　　式中：K_l，K₂——比例常數；

　　I₁，I₂——通過兩個線圈的電流；

　　α——線圈帶動指針偏轉的偏轉角。

　　當Ml≠M2時，線圈轉動，指針偏轉。當M1=M2時，線圈停止轉動，指針停止偏轉，且兩電流之比與偏轉角滿足如下的函數關系，即

 

　　兆歐表的測量原理如圖2—4所示。在接入被測電阻R。后，構成了兩條相互并聯的支路，當搖動手搖發電機時，兩個支路分別通過電流I1和I2。可以看出   

 

　　考慮到兩電流之比與偏轉角滿足的函數關系，不難得出

 

　　可見，指針的偏轉角。僅僅是被測絕緣電阻R。的函數，而與電源電壓沒有直接關系。

 

　　在兆歐表上有三個接線端鈕，分別標為接地E、電路L和屏蔽G。一般測量僅用E，L兩端，E通常接地或接設備外殼，L接被測線路，電機、電器的導線或電機繞組。測量電纜芯

　　線對外皮的絕緣電阻時，為消除芯線絕緣層表面漏電引起的誤差，還應在絕緣上包以錫箔，并使之與G端連接，如圖2—5所示。這樣就使得流經絕緣表面的電流不再經過流比計的測量線圈，而是直接流經G端構成回路，所以，測得的絕緣電阻只是電纜絕緣的體積電阻。

　　使用兆歐表測量絕緣電阻時，應注意下列事項：

　　①應根據被測物的額定電壓正確選用丕同電壓等級的兆歐表。所用兆歐表的工作電壓應高于絕緣物的額定工作電壓。一般情況下，測量額定電壓500V以下的線路或設備的絕緣電阻，應采用工作電壓為500V或1 000V的兆歐表；測量額定電壓500V以上的線路或設備的絕緣電阻，應采用工作電壓為1 000V或2 500V的兆歐表。

　　②與兆歐表端鈕接線的導線應用單線，單獨連接，不能用雙股絕緣導線，以免測量時因雙股線或絞線絕緣不良而引起誤差。

　　③測量前，必須斷開被測物的電源，并進行放電；測量終了也應進行放電。放電時間一般不應短于2～3min。對于高電壓、大電容的電纜線路，放電時間應適當延長，以消除靜電荷，防止發生觸電危險。

　　④測量前，應對兆歐表進行檢查。首先，使兆歐表端鈕處處于開路狀態，轉動搖把，觀察指針是否在“oo”位；然后，再將E和l兩端短接起來，慢慢轉動搖把，觀察指針是否迅速指向“0”位。

　　⑤進行測量時，搖把的轉速應由慢至快，到120 r／min左右時，發電機輸出額定電壓。搖把轉速應保持均勻、穩定，一般搖動1 min左右，待指針穩定后再進行讀數。

　　⑥測量過程中，如指針指向“0”，表明被測物絕緣失效，應停止轉動搖把，以防表內線圈發熱燒壞。

　　⑦禁止在雷電時或鄰近設備帶有高電壓時用兆歐表進行測量工作。

　　⑧測量應盡可能在設備剛剛停止運轉時進行，這樣，由于測量時的溫度條件接近運轉時的實際溫度，使測量結果符合運轉時的實際情況。

 

　　(2) 吸收比的測定。對于電力變壓器、電力電容器、交流電動機等高壓設備，除測量絕緣電阻之外，還要求測量其吸收比。吸收比是加壓測量開始后60s時讀取的絕緣電阻值與加壓測量開始后15s時讀取的絕緣電阻值之比。由吸收比的大小可以對絕緣受潮程度和內部有無缺陷存在進行判斷。這是因為，絕緣材料加上直流電壓事都有一充電過程，在絕緣材料受潮或內部有缺陷時，泄露電流增加很多，同時充電過程加快，吸收比的值小，接近于1；絕緣材料干燥時，泄漏電流小，充電過程慢。吸收比明顯增大。例如，干燥的發電機定子繞組，在10～30℃時的吸收比遠大于1．3。吸收比原理如圖2—6所示。

　　(3)絕緣電阻指標。絕緣電阻隨線路和設備的不同，其指標要求也不一樣。就一般而言，高壓較低壓要求高；新設備較老設備要求高；室外設備較室內設備要求高；移動設備較固定設備要求高等。以下為幾種主要線路和設備應達到的絕緣電阻值。

　　①新裝和大修后的低壓線路和設備，要求絕緣電阻不低于0．5 MΩ；運行中的線路和設備，要求可降低為每伏工作電壓不小于1 000Ω；安全電壓下工作的設備同220V一樣，不得低于0.22MΩ；在潮濕環境，要求可降低為每伏工作電壓500Ω。

　　②攜帶式電氣設備的絕緣電阻不應低于2MΩ。

　　③配電盤二次線路的絕緣電阻不應低于1 MΩ，在潮濕環境，允許降低為0．5MΩ。

　　④10kV高壓架空線路每個絕緣子的絕緣電阻不應低于300 MΩ；35 kV及以上的不應低于500Mfl。

　　⑤運行中6～10 kV和35 kV電力電纜的絕緣電阻分別不應低于400～1 000 MΩ和600  1 500MΩ。干燥季節取較大的數值；潮濕季節取較小的數值。

　　⑥電力變壓器投入運行前，絕緣電阻應不低于出廠時的70％，運行中的絕緣電阻可適當降低。

　　2．耐壓試驗

　　電器設備的耐壓試驗主要用以檢查電氣設備承受過電壓的能力。在電力系統中，線路及發電、輸變電設備的絕緣，除了在額定交流直流電壓下長期運行外，還要短時承受大氣過電壓、內部過電壓等過電壓的作用。另外，其他技術領域的電氣設備也會遇到各種特殊類型的高電壓。因此，耐壓試驗是保證電氣設備安全運行的有效手段。耐壓試驗主要有工頻交流耐壓試驗、直流耐壓試驗和沖擊電壓試驗等。其中，工頻交流耐壓試驗最為常用，這種方法接近運行實際，所需設備簡單。對部分設備，如電力電纜、高壓電機等少數電氣設備因電容很大，無法進行交流耐壓試驗時，則進行直流耐壓試驗。

　　圖2—7所示為工頻高壓試驗裝置電路。該裝置由調壓器T1、試驗變壓器丁2、測量及過電壓保護裝置(球隙)S、保護電阻R1，R2組成。Zx是被試品。

 

　　圖中，調壓器T1用于調節試驗電壓，試驗變壓器T2用于將電壓升高。球隙S既可以測量放電電壓，又可以限制球隙間電壓不超過某一限值，對被試品起到保護作用。

　　工頻耐壓試驗的試驗電壓為被試設備額定電壓的一倍多至數倍之前間，但不得低于1KV。

　　進行工頻耐壓試驗時，先以任意速度加壓至試驗電壓的40%左右，在以每秒3%試驗電壓的速度升高到試驗電壓，并持續規定時間，然后在5s內將電壓降至試驗電壓的25%以下，再切斷電源。

　　通常，耐壓試驗的加壓時間對瓷質和液體為60s，對以有機固體作為主要絕緣的設備為300s，但根據被試設備、線路種類的不同，也有其他不同的加壓時間情況。

　　耐壓試驗應注意如下事項：

　　①耐壓試驗須在絕緣電阻試驗合格之后方能進行。

　　②要確保高電壓試驗回路與接地物體和工作人員的距離不小于安全距離，試驗現場應設置圍欄，圍欄上向外懸掛“止步，高壓危險!”的標示牌，圍欄應具有機械聯鎖和電氣聯鎖。此外，還應設置紅色信號燈和警鈴，給出聲、光警示信號。

　　③試驗前應由試驗負責人全面檢查試驗裝置的所有接線，確保連接無誤。

　　④控制室、示波器室、電橋操作間和配電柜前，應鋪設5mm以上厚度的絕緣膠墊。

　　⑤試驗后應使用串聯有負載電阻的放電棒，對被試設備進行放電。

　　⑥為了泄放高壓殘余電荷，以及當發生誤送電源時能迅速作用于自動開關跳閘或使熔斷器熔斷，保證人員安全，試驗后，必須將升壓設備的高壓部分短路接地。

　　變配電設備的交流耐壓試驗電壓標準見表2—2。