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電纜絕緣性能的探讨

發布時間:2016/07/26 點擊量:
電纜絕緣性能的探讨
  所謂絕緣就是使用不導電的物質将帶電體隔離或包裹起来,以對觸電起保護作用的一種安全措施。良好的絕緣對于保證電氣設備與線路的安全運行,防止人身觸電事故的發生是最基本的和最可靠的手段。
絕緣通常可分为氣體絕緣、液體絕緣和固體絕緣三類。在實際應用中,固體絕緣仍是最为廣泛使用,且最为可靠的一種絕緣物質。
有強電作用下,絕緣物質可能被擊穿而喪失其絕緣性能。在上述三種絕緣物質中,氣體絕緣物質被擊穿後,一旦去掉外界因素(強電場)後即可自行恢複其固有的電氣絕緣性能;而固體絕緣物質被擊穿以後,則不可逆地完全喪失了其電氣絕緣性能。因此,電氣線路與設備的絕緣選擇必須與電壓等級相配合,而且須與使用環境及運行條件相适應,以保證絕緣的安全作用。
此外,由于腐蝕性氣體、蒸氣、潮氣、導電性粉塵以及機械操作等原因,均可能使絕緣物質的絕緣性能降低甚至破壞。而且,日光、風雨等環境因素的長期作用,也可以使絕緣物質老化而逐漸失去其絕緣性能。
概括来說,影響絕緣材料性能的主要指标有:
1、絕緣電阻、電阻率:電阻是電導的倒數,電阻率是單位體積内的電阻。材料導電越小,其電阻越大,兩者成倒數關系,對絕緣材料来說,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,後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,为使介質損耗小,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,失去絕緣性能變为導電狀态,稱为擊穿。擊穿時的電壓稱为擊穿電壓(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:是在拉伸試验中,試樣承受的最大拉伸應力。它是絕緣材料力学性能試验應用最廣、最有代表性的試验。
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。随着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:在規定的試验條件下,絕緣材料耐受沿其表面的電弧作用的能力。試验時采用交流高壓小電流,借高壓在兩電極間産生的電弧作用,使絕緣材料表面形成導電層所需的時間来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。
而影響電介質的四大基本常數是:
介電常數:是指以電極化的方式傳遞、存儲或記錄電的作用。
電導:是指電介質在電場作用下存在的洩漏電流。
介電損耗:是電介質在電場作用下存在電能的損耗。
介電強度:是指在強電場下可能導致電介質的破壞。
好的電介質要求較容易極化,具有較高的介電常數和介電強度,較低的電導和介電損耗。當電場強度超過某一臨界值時,介質由介電狀态變为導電狀态,这種現象稱介電強度的破壞,或叫介質的擊穿。介質擊穿時,相應的臨界電場強度稱为介電強度,或稱为擊穿電場強度。故介電強度是一種材料作为絕緣體時的耐電強度的量度。它定義为試樣被擊穿時,單位厚度承受的最大電壓, 表示为伏特每單位厚度;物質的介電強度越大, 它作为絕緣體的質量越好。下表列出了電纜常用絕緣材料的介電強度參考值,其中橡膠類是以原膠作为參考材料。
電纜常用絕緣材料的介電強度(僅供參考)
材料 介電強度(kV/cm) 材料 介電強度(kV/cm)
空氣 33 XLPE 250
雲母帶 180 低煙無鹵 200
聚酯帶 1300 EPDM 300
PVC 200 CPE 220
PE 250 矽橡膠 300
氣體絕緣材料具有高的電離場強和擊穿場強,擊穿後能迅速恢複絕緣性能,化学穩定性好,不燃、不爆、不老化,無腐蝕性,不易为放電所分解,而且比熱容大,導熱性、流动性均好。空氣是用得最廣泛的氣體絕緣材料。例如,交、直流輸股指期货配资路的架空導線間,架空導線對地間均由空氣絕緣。高壓标準電容器也采用氣體絕緣介質,早期采用高氣壓的氮或二氧化碳,現多用六氟化硫(SF6)。SF6還用于制造高壓斷路器、金屬封閉式組合電器、氣體絕緣的輸電管道電纜和氣體絕緣變壓器等。
我們讨論的絕緣材料中含有氣泡時,氣泡的相對介電常數ε很小,因此加上電壓後氣泡上的電場較高。而氣泡本身的抗電強度比固體介質要低的多(一般空氣的Eb≈33kv/cm),所以首先氣泡擊穿,引起其他放電(電離),産生大量的熱,容易引起整個介質擊穿;由于在産生熱量的同時,形成相當高的内應力,材料也易喪失機械強度而被破壞。
     空氣的相對介電常數接近1,而所有的固體絕緣材料都大于1。在一個電場中的強度是按各種絕緣材料的介電常數来分配的,與介電常數成反比。所以我們希望各種絕緣材料的介電常數都等于空氣的介電常數1,这是最理想不過的。當然这是不可能的。所以隻有去選擇介電常數盡量低的材料(當然還要考慮其他的因素--比如耐溫、絕緣性能、絕緣電阻和成本等綜合因素来選擇)。但如果兩種材料的介電常數相差很大,他們之間的場強極不均勻,會造成介電常數低的材料(比如空氣)場強反而很大,先被擊穿的不良後果。故相對介電常數與介質的電性能沒有直接和必然的關系。