绝缘材料(详解)

第一章绪论一、绝缘材料在电机中的应用1.绝缘材料：能够阻止电流通过的材料，体积电阻率通常大于109Ω.cm2.绝缘材料的作用：将带电的部分与不带电的部分或带不同电位的部分相互隔离开来，使电流能够按照一定的路径流动。

3.电机：进行能量转换的电磁机械设备4.电机分类：变压器、直流电机、交流电机、控制电机、脉流电机5、电机的基本结构：静止部分（定子）：产生磁场，构成磁路，机械支撑。

间隙（空气隙）：保证电机安全运行磁路的重要组成部分、旋转部分（转子）：感应电势，产生电磁转矩，实现能量转换。

定子的结构：机座、主磁极、换向极、端盖、电刷装置。

转子的结构：转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器。

5、电枢绕组：由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成；是直流电机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分6.、制造电机使用的主要材料：导电材料（绕组、换向器、电刷）、绝缘材料（将带电部分与铁心、机座等接地部件以及电位不同的带电部分在电气上分离）、导磁材料（制造磁系统的各个部件如铁心、机座等）。

7、电机绝缘结构：匝间绝缘、层间绝缘、对地绝缘、外包绝缘。

还有三个，填充绝缘、衬垫绝缘、换向器绝缘。

匝间绝缘：主极线圈和换向极线圈的匝间绝缘、电枢线圈的匝间绝缘、换向片、片间绝缘、同一线圈的各个线匝之间的绝缘层间绝缘；分层平绕的主极线圈各层间的绝缘、电枢绕组前后端节部分、槽内部分上、下层之间的绝缘、线圈上、下层之间的绝缘对地绝缘：是指电机各绕组对机座和其他不带电部件之间的绝缘、主极线圈换向极线圈的对地绝缘、电枢绕组的对地绝缘、换向器的对地绝缘，把电机中带电部件和机座、铁心等不带电部件隔离，以免发生对地击穿。

外包绝缘：包在对地绝缘外面的绝缘，主要是保护对地绝缘免受机械损伤并使整个线圈结实平整，也起到了对地绝缘的补强作用填充绝缘：填充线圈的空隙，使整个线圈牢固地形成一个整体，减少振动，也使线圈成型规矩、平整，以利于包扎对地绝缘，也有利于散热衬垫绝缘：保护绝缘结构在工艺操作时免受机械损伤换向器绝缘：换向片片间绝缘换、向片组对地绝缘、换向片组和压圈间的V形云母环及云母套筒、多层优质虫胶塑性云母8、定子线棒导线绝缘：排间绝缘、换位绝缘、换位填充。

9、水轮发电机转子绝缘：匝间绝缘、磁极托板、极身绝缘。

二、绝缘材料的耐热等级根据耐热性，划分耐热等级温度通常是对绝缘材料和绝缘结构老化起支配作用的因素温度指数（temperature index，TI）：对应于绝缘材料热寿命图上给定时间(通常为2万小时)的摄氏温度值相对温度指数（relative temperature index，RTI）：将一种温度指数未知的材料试样与温度指数已知的材料试样放在一起，按规定的试验方法作比较试验时，从对应于已知材料的已被公认的运行的温度的时间得到的未知材料的温度指数。

三、绝缘材料的分类：1730 ：聚酯漆包线漆，3表示耐热等级B，用于涂制温度指数130℃的聚酯漆包线代号 温 度 指 数 耐热等级1 不低于105 A2 不低于120 E3 不低于130 B4 不低于155 F5 不低于180 H6 不低于200 C7 不低于220 C四、绝缘材料的常见性能参数1、电流由三部分组成：瞬时充电电流（由介质的几何电容的位移极化产生，随着时间的增加逐渐衰减，用ic表示）、吸收电流（由缓慢极化、导电离子产生的体积电荷等产生，也是随着时间的增加逐渐衰减的，用ia表示。

）、泄漏电流（泄漏电流的大小与绝缘材料本身含离子量有着密切的关系，用ib表示）。

2、绝缘电阻：加在与绝缘体或试样相接触的两个电极之间的直流电压除以通过两电极的总电流所得的商。

3、体积电阻：在试样的相对二表面上放置的两个电极之间施加的直流电压除以这两个电极之间形成的稳态电流所得的商；即绝缘材料相对两表面之间的电阻。

4、体积电阻率：在试样内的直流电场强度除以稳态电流密度所得的商，可看为一个单位立方体积里的体积电阻。

绝缘材料的体积电阻率通常在109～1021 Ω.cm5、表面电阻：加在绝缘体或试样的同一表面上的两个电极之间的直流电压除以经一定的电化时间后的该两个电极间的电流所得的商。

6、表面电阻率：在绝缘材料表面的直流电场强度除以电流线密度所得的商。

7.、影响电阻率的因素：温度、湿度、杂质、电场强度。

（1）温度随着温度的升高，其电阻率呈指数式下降。

原因—— 这是因为当温度升高时，分子热运动加剧，分子的平均动能增大，使分子动能达到活化能的几率增加，离子容易迁移的缘故。

(2) 湿度——绝缘电阻随湿度的增大而降低。

对多孔性材料(如纸)的影响特别显著，电介质表面的电阻对其表面水分的影响很敏感。

电器设备特别是户外设备，定期检查设备绝缘电阻的变化，可以预防事故的发生。

(3)杂质——杂质增加，电阻率下降表面受杂质污染并吸附水分杂质在电介质内部直接增加了导电离子杂质特别容易混人极性材料中，混人后又能促使极性分子的离解8、电介质——在电场作用下，能建立极化的一切物质。

绝缘材料是电介质中的一种。

9、在外电场下，电介质表面产生感应电荷（束缚电荷），称为电介质的极化。

10、极化的基本形式：位移极化、松弛极化、转向极化、空间电荷极化，自发极化。

11、介电常数：ε—介电常数，表征电介质的极化性能。

ε0－真空时介电常数，又称绝对介电常数。

其值为8.854187817×10-12法/米。

εr －相对介电常数，无量纲，通常简称为介电常数。

气体的介电常数基本略大于1 (1.00*)，液体的介电常数一般在1.8～2.8，非极性固体介电常数一般在2.0～2.5，极性固体一般>3。

12、介电损耗：电介质单位时间内引起的能量损耗，即引起电介质发热的能量，称为电介质的损耗。

13、高聚物的介电常数与结构的关系：（1）高聚物极性大小是介电常数的主要决定因素（非极性 2.0～2.3弱极性 2.3～3.0中极性 3.0～4.0强极性 4.0～7.0）（2）极性基团对高聚物的介电常数的贡献大小强烈决定于高聚物所处物理状态（玻璃化温度以上聚氯乙烯从3.5增大到15，聚酰胺从4.0增大到50。

）（3）极性基团在分子链上的位置（主链上介电常数小侧链上介电常数大）（4）分子的对称性（对称性高介电常数小，对称性低介电常数大）（5）交联、拉伸、支化（介电常数升高）14、高聚物的介电损耗：1、电导损耗2、松弛损耗(偶极子滞后于电场变化)3、变形损耗(红外吸收、紫外吸收)4、影响因素a.分子结构b.频率影响c.温度影响d.电压e.杂质五、绝缘材料的老化15、老化：电气设备中的绝缘材料在运行过程中，由于受到各种因素的长期作用，会发生一系列不可逆的变化，从而导致其物理、化学、电和机械等性能的劣化，这种不可逆的变化通称为老化。

15、聚合物老化的主要表现：（1）表观变化：材料变色、变粘、变形、龟裂、脆化（2）物理化学性能变化：相对分子量、相对分子质量分布、熔点、溶解度、耐热性、耐寒性、透气性、透光性等；(3)机械性能：弹性、硬度、强度、伸长率、附着力、耐磨性等；（4）电性能：绝缘电阻、介电常数、介电损耗角正切、击穿强度等16合物老化的本质：（1）交联：交联至一定程度前能改善聚合物的物理机械性能和耐热性能，但随着分子间交联的增多，逐渐形成网络结构，聚合物变成硬、脆、不溶不熔的产物；（2）降解：分子量减小，导致机械性能和电性能降低，出现发粘和粉化。

内因化学结构：链节的组成和结构，大分子中链节的排列方式，端基的性质，支链的长短和多少。

与合成反应的历程和合成条件有关；物理结构：高分子的聚集态，如无定形态、结晶态、取向态以及高聚物与其它材料（增塑剂、填充剂等）的混溶状态等；成型加工条件和外来杂质影响外因影响：能量作用使高分子的共价键发生均裂(生成自由基)或异裂(生成离子)，引起降解和交联反应；外来物质(即化学因素)与高分子发生化学反应引起高分子的降解、交联或其他反应最主要的：电老化，热老化，综合性的环境老化。

17、环境老化：含有酸、碱、盐类成分的污秽尘埃(或与雨、露、霜、雪相结合)对绝缘物的长期作用，显然会对绝缘物(特别是有机绝缘物)产生腐蚀。

环境老化原因：阳光紫外线的能量大于多数有机绝缘物中主价键的键能，多数有机绝缘物在紫外光的作用下会逐渐老化。

高分子电介质吸收紫外光能量后，有部分分子被激励，当存在氧气或臭氧时，还会引发高分子的氧化降解反应，称为光认化反应。

光氧化反应是环境老化中的重要过程之一。

延缓环境老化的方法主要是改善绝缘材料本身的性能：——添加光稳定剂(反射或吸收紫外光)——抗氧化剂、抗臭氧剂以及使用防护蜡——加强高压电气装置的防晕、防局部放电措施18、电老化：绝缘材料在电场的长时间作用下，物理、化学变化性能发生变化，最终导致介质被击穿，这个过程称为电老化。

主要有三种类型：电离性老化（交流电压）；电导性老化（交流电压）；电解性老化（直流电压）19、电离性老化：（1）绝缘材料中存在气泡或气隙（工艺缺陷、冷热收缩、材料分解、材料受潮）（2）气体介质的介电常数接近为1，比固体介质的介电常数小得多，在交变电场下，气隙中的场强比邻近的固体介质中的场强大得多，而其起始游离场强(常压)通常又比固体介质的小得多，所以，游离基最容易在这些气隙中发生，在某些气隙中，甚至可能存在稳定的火花放电。

(3)气隙的游离基将导致20、电导性老化：在两电极之间的绝缘层中(最常见的是在电极与绝缘的交界面处)，存在某些液态的导电物质(最常见的是水)当该处场强超过某定值时，这些导电物质便会沿电场方向逐渐渗入绝缘层深处，形成近似树状的痕迹称入水树枝。

水树枝的累积发展将最终导致绝缘层的击穿。

产生水树枝的机理可能是：水或其他电解液中的离子在交变电场作用下反复冲击绝缘物，使其发生疲劳损坏和化学分解；电解液逐渐渗透、扩散到深处，形成水树枝。

产生和发展水树枝所需的场强，比产生和发展电树枝所需的场强低得多。

21、电解性老化：在直流电压长期作用下，即使所加电压远低于局部放电起始电压，由于介质内部近行着电化学过程，介质也会逐渐老化，最终导致击穿。

22、热老化：在较高温度下，电介质发生热裂解、氧化分解、交联、以及低分子挥发物的逸出，导致电介质失去弹性、变脆、发生龟裂，机械强度降低，也有些介质表现为变软、发粘、失去定形，同时，介质电性能变坏。

热老化的程度主要决定于温度及热作用时间。

此外，诸如空气中的湿度、压力、氧的含量、空气的流通程度等对热老化的速度也有一定影响。

23、高分子材料的防老化原理和方法：(1)改进聚合物本身结构，减少成型加工造成的材料弱点；（2）加入特定添加剂或防护方法来抑制光、热氧等外因对聚合物的降解；（3）改进聚合工艺：选择合适的聚合方法，采用优良的引发剂、催化剂并确认合理用量，消除不稳定的端基，尽量减少聚合过程中在聚合物内产生的杂质（4）采用共聚、共混、交联等物理、化学措施，从根本上克服导致聚合物老化的弱点；（5）改进聚合物成型加工工艺，减少加工过程中杂质的引入量，尽量消除聚合物中的内应力，适当控制聚合物的聚集态结构；（6）采用物理方法进行防护，如使用防护蜡；（7）加入稳定剂24、热稳定剂，8类：碱式铅盐、金属皂、有机锡、环氧化合物、亚磷酸酯、多元醇、纯有机化合物和复合稳定剂稳定剂的作用：防止聚合物材料在热成型加工和使用过程中受热而发生降解、交联或其它化学反应，延长寿命；25、主稳定剂：含有金属的热稳定剂；辅助稳定剂：环氧化合物、亚磷酸酯、多元醇等纯有机化合物26 PVC的热降解：PVC热降解生成HCl，加速降解，生产共轭多烯结构对策：（1）阻止脱HCl的反应或推迟这一作用(预防作用)（2）稳定或饱和在降解开始阶段出现的双键结构(钝化作用)：金属有机盐、环氧衍生物和有机胺能与HCl反应；二烷基马来酸锡等能与多烯反应，稳定降解的双键27、氧化降解和抗氧剂主抗氧剂：链终止剂或自由基捕获剂。