絕緣材料的介電性能

電介質(zhì)(絕緣體)是其中的正負(fù)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(jià)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(dá)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(qiáng)度和體積電阻率高、tanδ低的特點(diǎn)，在應(yīng)用中往往還需要它同時(shí)起機(jī)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(shí)，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(dāng)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(shí)驗(yàn)方法對(duì)材料性能的測量值也有強(qiáng)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(dāng)容易隨時(shí)間延長而變化。在電工、電子設(shè)備長期運(yùn)行或長期貯存時(shí)，在不同的老化因子作用下，絕緣材料特別是有機(jī)絕緣材料會(huì)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(jī)械老化等。熱老化主要是熱和氧長期聯(lián)合對(duì)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(jī)械老化主要是機(jī)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(duì)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(jí)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(yàn)方法，分別評(píng)定絕緣材料的耐熱指數(shù)和絕緣系統(tǒng)的耐熱等級(jí)，參見[EC60216標(biāo)準(zhǔn)。耐熱指數(shù)由溫度指數(shù)和半壽命溫差兩個(gè)參數(shù)構(gòu)成:溫度指數(shù)是在特定試驗(yàn)條件下，對(duì)應(yīng)規(guī)定壽命(通常為20000h)的攝氏溫度:對(duì)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(gè)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(jí)、材料將加速老化。A級(jí)絕緣如果使用溫度超過8℃壽命將縮短一半左右。B級(jí)絕緣使用溫度超過10℃，H級(jí)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(qiáng)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(qiáng)發(fā)散電場作用下，絕緣材料內(nèi)部將在不同運(yùn)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(qiáng)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(qiáng)度更低，是決定絕緣體系長期工作場強(qiáng)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(yàn)方法進(jìn)行評(píng)定。例如，根據(jù)電量試驗(yàn)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(shí)間長短表示材料的耐電暈性:根據(jù)電痕化試驗(yàn)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(shí)間長短表示材料的耐電痕性;根據(jù)電弧試驗(yàn)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(shí)間長短表示材料的時(shí)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(yàn)最好通過接近相應(yīng)絕緣體系的運(yùn)行條件進(jìn)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(huì)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(shí)，通過材料間分子相互擴(kuò)散、電荷交換、材料運(yùn)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(diǎn)和要求，通過規(guī)定的試驗(yàn)方法，評(píng)價(jià)不同絕緣材料組合時(shí)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(shí)，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(qiáng)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huì)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(shí)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(dá)到絕緣系統(tǒng)綜合性能指標(biāo)的可靠保證。

審核編輯 黃昊宇