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絕緣材料

絕緣材料是電工絕緣材料。按國家標準GB2900.5規定絕緣材料的定義是:“用來使器件在電氣上絕緣的材料”。也就是能夠阻止電流通過的材料。它的電阻率很高,通常在10~10Ω·m的范圍內。如在電機中,導體周圍的絕緣材料將匝間隔離并與接地的定子鐵芯隔離開來,以保證電機的安全運行。


目錄

簡介
分類和性能
影響絕緣材料性能的主要指標
絕緣材料等級劃分
發展歷史
發展趨勢
 簡介
  絕緣材料 : jué yuán cái liào 英文insulation material.   電工器材中使帶電體與其他部分隔離的材料。常用的固態材料有絕緣套管.絕緣紙、層壓板、橡皮、塑料、油漆、玻璃、陶瓷、云母等。常用的液態材料有變壓器油等。氣態材料中以空氣、氮氣、六氟化硫等用得較多。   絕緣材料:電阻率為109~1022 Ω•Cm的物質所構成的材料在電工技術上稱為絕緣材料,又稱電介質。簡單的說就是使帶電體與其他部分隔離的材料。絕緣材料對直流電流有非常大的阻力,在直流電壓作用下,除了有極微小的表面泄漏電流外,實際上幾乎是不導電的,而對于交流電流則有電容電流通過,但也認為是不導電的。絕緣材料的電阻率越大,絕緣性能越好。   絕緣材料在電工產品中是必不可少的材料。例如一臺300MW汽輪發電機就需絕緣漆10t、云母制品8t、層壓板5t、漆布和薄膜約1t;一臺3200kW的變壓器所需絕緣材料占其總質量的34%;一臺10kV的高壓斷路器所需絕緣材料占其總量的18%。按我國發電設備裝機容量及與之配套的電工設備的絕緣材料消耗定額平均為65t/10MW,由此可見絕緣材料在電工設備中所占比例是很大的。   大體上,電機、電器設備都是由導體材料、磁性材料、絕緣材料和結構材料構成的。除絕緣材料之外,其他都是金屬材料。電機、電器在運行中,不可避免地要受到溫度、電、機械的應力和振動,有害氣體、化學物質、潮濕、灰塵和輻照等各種因素的作用。這些因素對絕緣材料比對其他材料有更顯著的作用。可以說,絕緣材料對這些因素更為敏感,容易變質劣化,致使電工設備損壞。所以絕緣材料是決定電機、電器運行可靠性的關鍵材料。隨著運行時間的延續,絕緣材料必然要老化,并且其老化速度要比其他材料快,所以決定電機、電器使用壽命的關鍵材料也是絕緣材料。   絕緣材料是決定電機、電器技術經濟指標的關鍵因素之一。電機的重要技術經濟指標之一是質量功率比,即kg/kw值。減少比值,對電機有重要意義。據報道,從1900年到1967年,1hp(0.75kW)的電機質量由40kg減少到10kg,目前已降低到6kg/kW水平。導致這種變化的重要原因是采用耐熱性高的絕緣材料。降低kg/kW值可節約大量金屬材料,降低電機成本。如一臺A級(105℃)電動機采用H級(180℃)絕緣之后,可縮小體積30%~50%,節約銅20%、硅鋼片30%~50%、鑄鐵25%。當然,采用同一型號機,用耐溫指數更高的絕緣材料,可以提高功率或延長電機的使用壽命。從電機、電器產品的造價情況來看,絕緣材料所占費用約在一半,這些都說明了絕緣材料在電機、電器工業中所占的地位和作用了。   --------------------------------   絕緣材料   用于使不同電位的導電部分隔離的材料。其電導率約在10-10 西/米以下。不同的電工產品中,根據需要,絕緣材料往往還起著儲能、散熱、冷卻、滅弧、防潮、防霉、防腐蝕、防輻照、機械支承和固定、保護導體等作用。
分類和性能
  絕緣材料種類很多,可分氣體、液體、固體三大類。常用的氣體絕緣材料有空氣、氮氣、六氟化硫  絕緣PC薄膜
等。液體絕緣材料主要有礦物絕緣油、合成絕緣油(硅油、十二烷基苯、聚異丁烯、異丙基聯苯、二芳基乙烷等)兩類。固體絕緣材料可分有機、無機兩類。有機固體絕緣材料包括絕緣漆、絕緣膠、絕緣紙、絕緣纖維制品、塑料、橡膠、漆布漆管及絕緣浸漬纖維制品、電工用薄膜、復合制品和粘帶、電工用層壓制品等。無機固體絕緣材料主要有云母、玻璃、陶瓷及其制品。相比之下,固體絕緣材料品種多樣,也最為重要。   不同的電工設備對絕緣材料性能的要求各有側重。高壓電工裝置如高壓電機、高壓電纜等用的絕緣材料要求有高的擊穿強度和低的介質損耗。低壓電器則以機械強度、斷裂伸長率、 耐熱等級等作為主要要求。   絕緣材料的宏觀性能如電性能、熱性能、力學性能、耐化學藥品、耐氣候變化、耐腐蝕等性能與它的化學組成、分子結構等有密切關系。無機固體絕緣材料主要是由硅、硼及多種金屬氧化物組成,以離子型結構為主,主要特點為耐熱性高,工作溫度一般大于180℃,穩定性好,耐大氣老化性、耐化學藥品性及長期在電場作用下的老化性能好;但脆性高,耐沖擊強度低,耐壓高而抗張強度低;工藝性差。有機材料一般為聚合物,平均分子量在104~106之間,其耐熱性通常低于無機材料。含有芳環、雜環和硅、鈦、氟等元素的材料其耐熱性則高于一般線鏈形高分子材料。   影響絕緣材料介電性能的重要因素是分子極性的強弱和極性組分的含量。極性材料的介電常數、介質損耗均高于非極性材料,并且容易吸附雜質離子增加電導而降低其介電性能。故在絕緣材料制造過程中要注意清潔,防止污染。電容器用電介質要求有高的介電常數以提高其比特性。
影響絕緣材料性能的主要指標
  1、絕緣電阻、電阻率:電阻是電導的倒數,電阻率是單位體積內的電阻。材料導電越小,其電阻越大,兩者成倒數關系,對絕緣材料來說,總是希望電阻率盡可能高。   2、相對介電常數和介質損耗角正切:絕緣材料用途有二:電網絡各部件的相互絕緣和電容器的介質(儲能)。前者要求相對介電常數小,后者要求相對介電常數大,而兩者都要求介質損耗角正切小,尤其是在高頻與高壓下應用的絕緣材料,為使介質損耗小,都要求采用介質損耗角正切小的絕緣材料。   3、擊穿電壓、電氣強度:在某一個強電場下絕緣材料發生破壞,失去絕緣性能變為導電狀態,稱為擊穿。擊穿時的電壓稱為擊穿電壓(介電強度)。電氣強度是在規定條件下發生擊穿時電壓與承受外施電壓的兩電極間距離之商,也就是單位厚度所承受的擊穿電壓。對于絕緣材料而言,一般其擊穿電壓、電氣強度的值越高越好。   4、拉伸強度:是在拉伸試驗中,試樣承受的最大拉伸應力。它是絕緣材料力學性能試驗應用最廣、最有代表性的試驗。   5、耐燃燒性:指絕緣材料接觸火焰時抵制燃燒或離開火焰時阻止繼續燃燒的能力。隨著絕緣材料應用日益擴大,對其耐燃燒性要求更顯重要,人們通過各種手段,改善和提高絕緣材料的耐燃燒性。耐燃燒性越高,其安全性越好。   6、耐電弧:在規定的試驗條件下,絕緣材料耐受沿其表面的電弧作用的能力。試驗時采用交流高壓小電流,借高壓在兩電極間產生的電弧作用,使絕緣材料表面形成導電層所需的時間來判斷絕緣材料的耐電弧性。時間值越大,其耐電弧性越好。   7、密封度:對油質、水質的密封隔離比較好。
絕緣材料等級劃分
  絕緣材料的絕緣性能與溫度有密切的關系。溫度越高,絕緣材料的絕緣性能越差。為保證絕緣強度,每種絕緣材料都有一個適當的最高允許工作溫度,在此溫度以下,可以長期安全地使用,超過這個溫度就會迅速老化。按照耐熱程度,把絕緣材料分為Y、A、E、B、F、H、C等級別,各耐熱等級對應的溫度如下:   Y級絕緣耐溫90℃、A級絕緣耐溫105℃、E級絕緣耐溫120℃、B級絕緣耐溫130℃ 、F級絕緣耐溫155℃ 、H級絕緣耐溫180℃ 、C級絕緣耐溫200℃ 以上
發展歷史
  最早使用的絕緣材料為棉布、絲綢、云母、橡膠等天然制品。在20世紀初,工業合成塑料酚醛樹脂首先問世,其電性能好,耐熱性高。以后又相繼出現了性能更好的脲醛樹脂、醇酸樹脂。三氯聯苯合成絕緣油的出現使電力電容器的比特性出現了一次飛躍(但因有害人體健康,后已停止使用)。同期還合成了六氟化硫。   30年代以來人工合成絕緣材料得到了迅速發展,主要有縮醛樹脂、氯丁橡膠、聚氯乙烯、丁苯橡膠、聚酰胺、三聚氰胺、聚乙烯及性能優異稱之為塑料王的聚四氟乙烯等。這些合成材料的出現,對電工技術的發展起了重大作用。如縮醛漆包線用于電機,使其工作溫度和 可靠性提高,而電機的體積和重量大大降低。玻璃纖維及其編織帶的研制成功及有機硅樹脂的合成又為電機絕緣增加了H級這個耐熱等級。   40年代以后不飽和聚酯、環氧樹脂問世。粉云母紙的出現使人們擺脫了片云母資源匱乏的困境。   50年代以來,合成樹脂為基的新材料得到了廣泛應用,如不飽和聚酯和環氧等絕緣膠可供高壓電機線圈浸漬用。聚酯系列產品在電機槽襯絕緣、漆包線及浸漬漆中使用,發展了E級和B級低壓電機絕緣,使電機的體積和重量進一步下降。六氟化硫開始用于高壓電器,并使之向大容量小型化發展。斷路器的空氣絕緣及變壓器的油和紙絕緣部分地被六氟化硫所取代。   60年代含雜環和芳環的耐熱樹脂得到了大發展,如聚酰亞胺、聚芳酰胺、聚芳砜、聚苯硫醚等屬 H級及更高耐熱等級的材料。這些耐熱材料的合成為以后發展 F級、H級電機創造了有利條件。聚丙烯薄膜在這一時期也成功地用于電力電容器。   70年代以來新材料的開發研究相對比較少,這一時期主要是對現有材料進行各種改性及擴大應用范圍。對礦物絕緣油采用新方法精制以降低其損耗;環氧云母絕緣在提高其機械性能和實現無氣隙以提高其電性能方面做了很多改進。電力電容器由紙膜復合結構向全膜結構過渡。1000千伏級特高壓電力電纜開始研究用合成紙絕緣取代傳統的天然纖維紙。無公害絕緣材料70年代以來也發展很快,如以無毒介質異丙基聯苯、酯類油取代有毒介質氯化聯苯,無溶劑漆的擴大應用等。隨著家用電器的普及,其絕緣材料著火而導致重大火災事故屢有發生,所以對阻燃材料的研究引起了重視。
發展趨勢
  絕緣材料的研制和開發的水平是影響制約電工技術發展的關鍵之一。從今后趨勢來看,要求發展耐高壓、耐熱絕緣,耐沖擊,環保絕緣,復合絕緣,耐腐蝕、耐水、耐油、耐深冷、耐輻照及阻燃材料,研發環保節能材料。重點是發展用于高壓大容量發電機的環氧云母絕緣體系,如FR5,金云母等;中小型電機用的F、H級絕緣系列,如不飽和聚酯樹脂玻璃氈板等;高壓輸變電設備用的六氟化硫氣態介質;取代氯化聯苯的新型無毒合成介質;高性能絕緣油;合成紙復合絕緣;阻燃性橡塑材料和表面防護材料等,同時要積極推動傳統電工設備絕緣材料的更新換代。

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