1.2　绝缘材料的主要性能

随着电工技术的发展，电气设备容量和电压等级的不断提高，工作的环境条件日益向多领域扩展，不但要求绝缘材料承受电、热和各种应力的苛刻考验，而且还要根据需要具有能耐受不同的外界因素(如高温、深冷、空间、海洋、高能辐射等)作用的能力，因此要求绝缘材料品种不断发展，以满足不同条件的需要。

电介质一般被用在两个不同的方面：用作电气回路元件的支撑，并且使元件对地绝缘及元件之间相互绝缘；其次是用作电容器介质。通常所指的绝缘材料介电性能主要包括介电常数、绝缘电阻、电容、介质损耗因数、电击穿强度等。它们用来表明电介质在施加电压下所发生的性能变化和绝缘的质量状况。例如：当介电常数大时，说明电介质的极化较强；极化时有能量损失，则介质损耗角偏大；当有较大的泄漏电流时，电介质的体积电阻或表面电阻就不高。

影响介电性能的因素包括频率、温度、湿度和电气强度等。只有少数材料如石英材料、聚苯乙烯或聚乙烯在很宽的频率范围内它们的εr和tanδ几乎是恒定的，且被用作工程电介质材料，而一般的电介质材料必须在所使用的频率下测量其介质损耗因数和介电常数。介电常数和介质损耗因数的变化是由介质极化和电导而导致的，最重要的变化是极性分子引起的偶极子极化和材料的不均匀性导致的界面极化；损耗因数在一个频率下可以出现一个最大值，这个频率值与电介质材料的温度有关。介质损耗因数和电容率的温度系数可以是正的或负的，这取决于测量温度下介质损耗因数最大值的位置；极化的程度随水分的吸收量或电介质材料表面水膜的形成而增加，其结果使电容率、介质损耗因数和直流电导率增大。因此试验前和试验时对环境湿度进行控制是必不可少的。湿度的显著影响常常发生在1MHz以下及微波频率范围内；存在界面极化时，自由离子的数目随电场强度增大而增加，其损耗因数最大值的大小和位置也随此而变化。在较高的频率下，只要电介质中不出现局部放电，电容率和介质损耗因数与电场强度无关。下面对表示介电性能的一些常用指标及其含义进行分类介绍。

1.2.1　介电常数

介电常数就是在一个电容器的电极间用某种电介质填充时，其电容量C与该电容器的电极间为真空时的电容量C0之比，即介电常数ε=C/C0。ε总是大于1，这是由电介质的极化造成的。极化就是在外电场的作用下，电介质中束缚电荷发生可逆性位移的现象。

介电常数的大小随着电场频率的升高而降低，随着环境温度的升高而升高，在某一温度下会出现峰值，温度再升高，介电常数逐渐降低。绝缘材料受潮后，因为水的ε很大，水又会增加夹层极化，因此吸湿后ε增大。利用介电常数对温度及频率变化的特性，结合使用经验，可以判断电气设备的受潮情况，以决定是否需要干燥。此外，在高电压下使用的绝缘材料，如不密实、有空气隙时，往往容易被电击穿。这是由于气体的介电常数小，固体材料的介电常数大，外加电压多集中在气隙上，并在气隙处发生电离，以致整个绝缘系统遭到破坏。

1.2.2　绝缘电阻

在绝缘材料内部，总有一些分子间联系较弱的带电质点存在，当对绝缘材料施加一定的电流、电压后，这些带电质点作定向运动形成微弱的电流，电流随着时间的延长而迅速减小到一个稳定值。绝缘电阻是加在与试样相接触的两电极之间的直流电压与通过两电极的总电流之商。在测量绝缘电阻时，一般都是在加上电压1min后测取读数。

影响绝缘电阻的因素有温度、湿度、杂质。随着温度的升高，绝缘电阻呈指数式降低。在绝缘材料的标准中大都规定了绝缘电阻(包括常态、高温和受潮后)的指标。这是因为温度升高时，分子的热运动加剧，分子的平均动能增大，使分子达到活化能的概率增大，离子容易迁移，所以绝缘电阻急剧降低。绝缘材料吸潮以后，水分的侵入使电介质增加了导电离子，水又能促进杂质及极性分子的离解，因此绝缘电阻随湿度的增大而下降。吸附在绝缘材料表面的水分，对其表面电阻的影响很灵敏，特别是极性材料等吸水物质对水的吸附力大于水分子的内聚力，容易在表面形成连续的水层而降低表面电阻。绝缘电阻的大小受绝缘材料中杂质含量的影响也很灵敏，在绝缘材料的原材料中大都存在杂质，在制造中又会引进一些杂质，这些杂质在绝缘材料内部直接增加了导电离子，使绝缘电阻降低。

绝缘电阻取决于试样的表面电阻和体积电阻。体积电阻率的测量常被用于检查绝缘材料生产是否始终如一，或检测影响材料质量的导电杂质。体积电阻是指在试样两相对表面上放置的两电极间所加直流电压与流过这两个电极之间的稳态电流之商，不包括沿试样表面的电流，在两电极上可能形成的极化忽略不计。对于体积电阻率小于1010Ω·m的材料，其稳定状态通常在1min内达到，因此一般在电化1min之后测定。体积电阻率是在绝缘材料里面的直流电场强度和稳态电流密度之商，即单位体积内的体积电阻，SI单位是Ω·m。

表面电阻是指在试样表面上的两电极间所加电压与在规定的电化时间里流过两电极间的电流之商，在两电极上可能形成的极化忽略不计。当表面电阻较高时，常以不规则方式变化，且通常非常依赖于电化时间。因此测量通常规定电化时间为1min。表面电阻率是绝缘材料表面层里的直流电场强度与线电流密度之商，即单位面积内的表面电阻。面积的大小不重要。SI单位是Ω。表面电导测试中由于或多或少的体积电导会被包括其中，因此不能精确而只能近似地测量表面电阻或表面电导。测得的值主要反映被测试样表面污染的特性，因此表面电阻率不是一个真正意义的材料特性，而是材料表面含有污染物质时与材料特性有关的一个参数。某些材料如层压材料在表面层和内部可能有不同的电阻率，因此测量清洁的表面电阻是有意义的，同时要记录清洁过程中溶剂或其他因素对表面特征可能产生的影响。

试验中影响固体体积电阻和表面电阻的因素有：施加电压的大小和时间；试样处理和测试过程中周围大气条件和试验的温度、湿度等。测量体积电阻率和表面电阻率的试验方法和标准有：GB/T 1410—2006/IEC 60093：1980《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》、GB/T 10064—2006《测定固体绝缘材料绝缘电阻的试验方法》(IEC 60167：1964，IDT)、GB/T 10580—2003《固体绝缘材料在试验前和试验时采用的标准条件》(IEC 60212：1971，IDT)。

测量高电阻常用的方法是直接法或比较法。直接法是测量加在试样上的直流电压和流过它的电流(伏安法)而求得未知电阻。比较法是确定电桥线路中试样未知电阻与电阻器已知电阻之间的比值，或是在固定电压下比较通过两种电阻的电流。对于不大于1011Ω的电阻，可以用检流计采用伏特计或安培计来测定体积电阻率。对于较高的电阻，推荐使用直流放大器或静电计。现已有测量高电阻的一些专门的线路和仪器。测定体积电阻率时试样的形状不限，只要能允许使用第三电极来抵消表面效应和体积效应引起的误差即可。

体积电阻率计算公式为：

ρv=RxA/h

式中，ρv为体积电阻率，Ω·m或Ω·cm；Rx为体积电阻，Ω；A为被保护电极的有效面积，m2或cm2；h为试样的平均厚度，m或cm。

对于某些具有高电阻率的材料，电化以前的短路电流I0与电化期间的稳定电流Is相比，不能忽略不计。这种情况下按下式确定体积电阻：

Rx=Ux/(Is±I0)

式中，Rx为体积电阻，Ω；Ux为施加电压，V；Is为电化期间的稳态电流，A，在电化期间如果电流是变化的，则为1min、10min和100min时的值；I0为电化前的短路电流，A。当Is和I0方向相同时使用负号，反之使用正号。

表面电阻率计算：

ρs=RxP/g

式中，ρs为表面电阻率，Ω；Rx为表面电阻，Ω；P为特定使用电极装置中被保护电极的有效周长，m；g为两电极之间的距离，m。

1.2.3　介质损耗角正切值

在交流电压作用下，电介质中的部分电能转变为热能，这部分能量称为电介质损耗。电介质损耗是电介质中的电导引起的漏导电流所产生的损耗以及电介质周期性的极化而引起的能量损耗。这是由于在交流电压作用下，电介质中带电质点都在移动，将它们在电场中所吸收的能量部分地传给了周围的分子，使电场能量转变为分子的热振荡。

对电介质施加直流电压，电介质中即流过三种电流，瞬时充电电流、吸收电流、漏导电流。当施加交流电压时，瞬时充电电流只能产生电容电流Ic；漏导电流Ic与电压同相位；由缓慢松弛极化所形成的吸收电流，既有有功电流分量Ia，也有无功电流分量Ir，前者与电压同相位，它能引起电介质损耗，电介质中流过的电流与电压的向量关系如图1-1所示。电流和电压相角差φ的余角δ称为损耗角。δ的正切tanδ称为介质损耗角正切值。在电气工程中，常用tanδ作为衡量电介质损耗的参数，是绝缘材料的一个重要介电性能。

绝缘材料的介质损耗角正切tanδ在电气工程上有很重要的实用意义，电工中要求绝缘材料的tanδ要小。影响tanδ的因素有频率、温度、湿度和电场强度等。电气设备在高频高电压下工作时，tanδ增大电介质过分发热，热作用会使耐热等级低的有机材料的绝缘性能发生不可逆损坏即老化，严重时导致热击穿。绝缘材料受潮后，其tanδ可增大10～20倍(绝缘电阻降低10～15倍)，因此根据tanδ随温度的变化速度来判断受潮程度。一般分别在70℃和20℃测得tanδ，算出两种温度下tanδ的比值，并结合实际经验，当比值小于某一数值时，表示受潮已相当严重，需要进行干燥。在电气工程中，也常用测定tanδ随电压变化的曲线来判断整个绝缘的质量。

测量电气绝缘材料在工频下电容率和介质损耗因数的方法和标准有：GB/T 1409—2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频(包括米波波长在内)下电容率和介质损耗因数的推荐方法》；IEC 60247：1978《液体绝缘材料相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》。

1.2.4　击穿强度

当加在绝缘材料上的电场强度高于临界值时，会使通过绝缘材料的电流剧增，绝缘材料发生破裂或分解，完全失去绝缘性能，这种现象称为绝缘的击穿。发生击穿的电压称为击穿电压，击穿时的电场强度称为击穿强度，单位为kV/mm。

固体绝缘材料的击穿大致可分为电击穿、热击穿、放电击穿三种形式。在强电场作用下，绝缘材料内部电质点剧烈运动，发生碰撞电离，破坏分子结构，增加电导，以致最后击穿，称为电击穿；在强电场作用下，绝缘材料内部由于介质损耗而发生的热量，如果来不及散发出去，就会使绝缘材料内部温度升高，导致分子结构破坏而击穿，称为热击穿；在强电场作用下，绝缘材料内部包含的气泡首先发生碰撞电离而放电，杂质也因受电场加热而汽化，杂质汽化又产生气泡，于是使气泡放电进一步发展，导致整个材料的击穿，称为放电击穿。击穿电压即在连续升压试验中，在规定的试验条件下，试样发生击穿时的电压。电气强度是指在规定的试验条件下，击穿电压与施加电压的两电极之间距离的商。电气强度试验结果能用来检测由于工艺变更、老化条件或其他制造或环境情况而引起的性能相对于正常值的变化或偏离。

闪络是指试样和电极周围的气体或液体媒质承受电应力作用时，其绝缘性能损失，由此引起的试验回路电流促使相应的回路断路器动作。炭化通道的出现或穿透试样的击穿可用于区分试验是击穿还是闪络。

实际上绝缘结构发生击穿，往往是电、热、放电等多种形式同时存在，很难截然分开。一般地说，材料的tanδ大、耐热性差、工作温度高、散热条件差时，发生热击穿的可能性要大。固体绝缘材料电击穿强度要比热击穿强度高，而放电击穿强度则取决于气泡和杂质。因此击穿强度的波动很大。击穿强度随着周围环境温度的升高而降低。在均匀电场中，击穿电压与其厚度成正比，即击穿强度不变，而实际中电场分布一般不均匀，绝缘材料中某点的电场强度先达到临界值就先击穿，从而引起整个绝缘材料的击穿。所以在实际使用中，绝缘材料的击穿电压与厚度不成正比关系。

提高绝缘材料的击穿强度可以采用的方法有：保持清洁，材料中无有害杂质；使整个绝缘材料有一个致密的整体结构，用合理浸渍或其他方法根除绝缘材料中的孔隙或气泡；改善电场分布，使其尽量趋于均匀。合理选择材料和组成绝缘结构，以使各部分合理地承担电场强度的作用，防止局部放电引起的击穿；改善绝缘材料所处的环境条件，采用浇注和表面涂封等保护措施，以增强散热，减少振动以及保护主绝缘结构不和潮气、臭氧和其他有害气体直接接触等。测量击穿电压的试验方法和标准为GB/T 1408，它规定了测量固体绝缘材料工频(即48～62Hz)短时电气强度的试验方法，用于液体和气体作为固体绝缘材料试验时的浸渍漆或周围媒质，但不适用于液体和气体的试验。

测量电气绝缘材料击穿强度的方法和标准有：GB/T 1981.2—2009《电气绝缘用漆　第2部分：试验方法》(IEC 60464-2：2001，IDT)；GB/T 10580—2003《固体绝缘材料在试验前和试验时采用的标准条件》(IEC 60212：1971，IDT)。

击穿通常是由试样和电极周围的气体或液体媒质中的局部放电引起的，并使得较小电极(或等径两电极)边缘的试样遭到破坏。击穿电压测试的升压方式有以下5种。

① 短时(快速)试验：将试验电压由零开始以均匀的速度升高直至击穿发生。升压速度通常为100V/s、200V/s、500V/s、1000V/s、2000V/s、5000V/s等。对于大多数材料通常使用500V/s，对于模塑材料推荐使用2000V/s升压速度，以便获得与IEC 60296：2003相适应的可比数据。

② 20s逐级升压：将40%的预计短时击穿电压施加于试样上，根据试样能耐受20s而不击穿的最高试验电压来确定电气强度。如果耐压20s以上还没有击穿，需要按照规定逐级增加电压，每一次增加的电压应立即且连续施加20s直至发生击穿。

③ 慢速升压试验(120～240s)：从40%的预计短时击穿电压开始匀速升压，使击穿发生在120～240s，则认为是满意的。升压速度应从下列数据中选择，2V/s、5V/s、10V/s、20V/s、50V/s、100V/s、200V/s、500V/s、1000V/s等。

④ 60s逐级升压试验：每一级中耐压时间为60s。

⑤ 极慢速升压试验(300～600s)：按照慢速升压试验进行，但击穿时间应发生在300～600s。升压速度应从下列数据中选择，1V/s、2V/s、5V/s、10V/s、20V/s、50V/s、100V/s、200V/s。

除此之外电导和泄漏电流也可以用来表示绝缘材料的介电性能。电介质的电导，主要是外来杂质(水分、酸及其他)的离子或电介质本身离子移动所引起的，在数量上等于其电阻的倒数。因此，对于常用的绝缘材料来说，在施加直流电压时，都有很微小的所谓泄漏电流通过。下面以电气绝缘用漆为例，阐述电气绝缘用浸渍漆试验方法及相关标准。

1.2.5　电气绝缘用漆试验方法及标准

电气绝缘用浸渍漆试验方法严格按照国家标准规定的试验方法进行，具体国家标准如下。

GB/T 1981.2—2009《电气绝缘用漆　第2部分：试验方法》

GB/T 15022.2—2007《电气绝缘用树脂基活性复合物　第2部分：试验方法》

GB/T 1408.1—2006《绝缘材料电气强度试验方法　第1部分：工频下试验》

GB/T 1410—2006《固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率试验方法》

JB/T 1544—1999《电气绝缘浸渍漆和漆布快速热老化试验方法——热重点斜法》

GB/T 27749—2011《绝缘漆耐热性试验规程　电气强度法》

① 外观。试管法：将漆倒入直径15mm的洁净、无色、透明的玻璃试管中，在(23±2)℃下静置至起泡消失后，在白昼散射光下对光观察漆的颜色是否透明、有无机械杂质和不溶解的粒子。

② 黏度。使用旋转黏度计，在(23±1)℃下测定黏度，符合ISO 2555：1989，做两次测定并报告黏度平均值。

③ 固态挥发分。采用底面积45mm×45mm、厚度约0.2mm的试样加入10g漆样，水平放置在烘箱中烘焙，烘焙温度和时间与漆饼制作相同，做三次测定取平均值；采用底面积φ75mm、厚度约0.2mm的铝箔加入2g试样，水平放置在烘箱中烘焙，烘焙温度和时间与漆饼制作相同，做三次测定取平均值。

④ 凝胶时间。使用凝胶测试仪，符合GB/T 15022.2—2007做两次测定并报告凝胶平均时间。

⑤ 厚层固化能力。采用底面积45mm×45mm的铝皿，用二甲苯和无水乙醇擦净，根据固化中挥发分含量计算出试样厚度4mm所需要的漆量。在铝皿中加入试样，水平放置在烘箱中烘焙，烘焙温度和时间与漆饼制作相同，应测试两个试样。

⑥ 密度。按照ISO 2811中规定的方法进行测定，使用比重计，做两次测定并报告密度平均值。

⑦ 储存稳定性。取约150g漆样放在250mL密封容器中称量，精确到0.5g；把容器放到(60±2)℃烘箱中，96h后从烘箱中取出容器，冷却到23℃后称重，除允许的0.5g称量误差外，质量应无变化，测定黏度。

⑧ 漆与铜的反应。铜线直径0.5mm、长120mm，将36根铜线用棉布带包扎三处使其成一捆。将此线束在105℃烘箱中冷却至室温，在被试漆中浸10min，滴漆5min后按产品标准或供方规定进行干燥。冷却后，线束再次浸漆重复前述操作。冷却后拆除棉布带，检查铜线，记录铜的颜色变化。

⑨ 粘接强度。螺旋线圈法：将φ1mm的铝线缠绕在φ6.3mm的心轴上，作用在线上的张力为10N，相邻两匝间无间隙，螺旋部分长为75mm，两端弯成环形，线圈在甲苯乙醇混合溶剂中洗净，再在丙酮中漂洗1～2次然后干燥，垂直浸没于绝缘漆中5min，以10cm/min的速度从漆中取出，垂直滴干30min后倒转180°重复浸渍和固化。

在拉力试样机专用支架上，支点距离为44mm，上压头对准试样中心部位，以50mm/min速度对试样施加弯曲力，记录试样裂开时的力，(23±2)℃进行，高温时预热不少于5min，以5个试样的中间值作为结果。

⑩ 弯曲强度。将绝缘漆注入已脱模处理的圆柱形模具内，模具长90mm、内径(8±0.1)mm。然后将其在一定温度和时间下进行烘焙、固化，再经脱模、压制、冷却后即可待用。测量每个试样的截面直径D，精度≤0.02mm，然后进行试验。压具头部半径r1为(5±0.1)mm，支点处半径r2为(2±0.2)mm，支点间距为60mm，位移5mm/min。将试样放在试验装备上，调整好停车记录仪，持续加压进行弯曲试验，直到试样断裂。记录断裂时的最大负荷。如果破裂发生处不在试棒中间的1/3段，试验结果无效。

弹性模量用下式表示：

弹性模量=8FmaxL/(πD3)

式中，Fmax为断裂前最大负荷，N；D为试样直径，mm；L为支点间距，mm。

对每一试样进行计算，记录所计算的平均值。

击穿电压和电气强度。漆饼法：制作φ(100±1)mm、厚度(1±0.05)mm的漆饼，在变压器油中进行试验，试验5个试样取中间值，结果包括击穿点的试样厚度、击穿电压和电气强度。

介质损耗。漆饼法：制作φ(100±1)mm、厚度(1±0.05)mm的漆饼，使用涂漆板的金属板作为上下电极，上电极直径至少40mm，可不用保护电极包围。上电极和下电极中心相对，并距下电极边缘至少10mm，在(23±2)℃、1kHz或50Hz频率下进行，报告试样的厚度、试验温度、所使用的电极、试验电压、频率和两个结果的平均值。

体积电阻率。漆饼法：制作φ(100±1)mm、厚度(1±0.05)mm的漆饼。采用高阻计，用作电压电极的金属圆柱体直径至少60mm，具有能对试样产生约0.015MPa压力的质量。调整直流电压以提供1000V/mm的电场强度。报告试样的厚度、试验温度、使用的电极、试验电压、频率和两个结果的平均值。结果包括体积电阻和体积电阻率。

表面电阻率。漆饼法：制作φ(100±1)mm、厚度(1±0.05)mm的漆饼，采用高阻计。报告试样的厚度、试验温度、使用的电极、试验电压、频率和两个结果的平均值。结果包括表面电阻和表面电阻率。