繞組運(yùn)行的可靠性和使用壽命,很大程度上取決于絕緣材料的性能。對(duì)絕緣材料性能的基本要求包括電氣性能、耐熱性能和機(jī)械性能,絕緣材料的電氣性能包括擊穿強(qiáng)度,絕緣電阻率、介電系數(shù)和介質(zhì)損耗等。
一、絕緣材料擊穿強(qiáng)度
用絕緣材料擊穿處的厚度除擊穿電壓,以千伏/毫米表示。絕緣材料的擊穿,大致可分為電擊穿、熱擊穿和放電擊穿三種形式。
(1)電擊穿。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,絕緣內(nèi)部帶電質(zhì)點(diǎn)劇烈運(yùn)動(dòng),發(fā)生碰撞游離,破壞分子結(jié)構(gòu),以致?lián)舸?,稱(chēng)為電擊穿。電擊穿電壓隨材料的厚度線(xiàn)性增加,在均勻電場(chǎng)中,除非沖擊電壓的時(shí)間短于10秒,電擊穿強(qiáng)度一般與電壓作用時(shí)間無(wú)關(guān)。
(2)熱擊穿。在交變電場(chǎng)作用下,絕緣材料內(nèi)部由于介質(zhì)損耗而產(chǎn)生熱量,如不能及時(shí)散出,將使材料內(nèi)部溫度升高,導(dǎo)致分子結(jié)構(gòu)破壞而擊穿,稱(chēng)為熱擊穿。熱擊穿電壓隨周?chē)劫|(zhì)溫度增加而降低,材料厚度增加,散熱條件變差,擊穿強(qiáng)度降低;頻率增加時(shí),介質(zhì)損耗增大,擊穿強(qiáng)度亦會(huì)降低。
(3)放電擊穿。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下,絕緣材料內(nèi)部包含的氣泡因電離而放電;雜質(zhì)也因受電場(chǎng)加熱氣化,產(chǎn)生氣泡,于是使氣泡放電進(jìn)一步發(fā)展,導(dǎo)致整個(gè)材料的擊穿,稱(chēng)為放電擊穿。
絕緣材料的擊穿,往往是上述三種形式同時(shí)存在,很難截然分開(kāi)。用絕緣漆或膠液浸漬絕緣材料,既可以改善電場(chǎng)分布而提高電擊穿強(qiáng)度,也可以改善散熱條件使熱擊穿強(qiáng)度提高。
二、絕緣電阻率
絕緣材料在電壓的作用下,總會(huì)有微小的漏導(dǎo)電流通過(guò)。此電流一部分流經(jīng)材料內(nèi)部;一部分流經(jīng)材料表面。因而絕緣電阻率可分為體積電阻率和表面電阻率。體積電阻率表征材料內(nèi)部電導(dǎo)特性,單位為歐姆·米;表面電阻率表征材料表面的電導(dǎo)特性,單位為歐姆。絕緣材料的體積電阻率通常在107~1019姆·米范圍內(nèi)。絕緣材料的電阻率,一般與下列因素有關(guān)。
(1)隨著溫度的升高,電阻率成指數(shù)下降。
(2)水能促進(jìn)極性分子的離解,因此絕緣電阻率隨濕度增大而下降,對(duì)多孔材料(如絕緣紙)影響更為靈敏。極性材料等親水物質(zhì),容易在表面形成連續(xù)的水層而降低表面電阻;非極性材料如陶瓷、聚四氟乙烯等不易在表面形成連續(xù)水層,因而對(duì)其表面電阻影響較小。
(3)絕緣材料中的雜質(zhì)大都產(chǎn)生導(dǎo)電離子,又能促使極性分子的離解,使電阻率迅速下降。
(4)在高電場(chǎng)強(qiáng)度作用下,離子的遷移力增大,因而使電阻率下降。
四、絕緣材料的介電系數(shù)
絕緣材料的相對(duì)介電系數(shù),表示電場(chǎng)作用下,絕緣材料內(nèi)部電荷移動(dòng)的情況,即極化程度。一般,隨電場(chǎng)頻率增高而逐級(jí)下降;隨材料吸濕而增大;由于溫度影響極化,在某一溫度會(huì)出現(xiàn)峰值。
五、絕緣材料的介質(zhì)損耗
絕緣材料在電場(chǎng)作用下,由于漏電和極化等原因產(chǎn)生能量損耗。一般用損耗功率或損耗角正切表示介質(zhì)損耗大小。
在直流電壓作用下,將通過(guò)瞬時(shí)充電電流、吸收電流和漏導(dǎo)電流。當(dāng)施加交流電壓時(shí),則瞬時(shí)充電電流為無(wú)功電流(電容電流);漏導(dǎo)電流與電壓同相位,為有功電流;吸收電流則既有無(wú)功電流分量,也有有功電流分量。影響絕緣材料介質(zhì)損耗的主要因素。
(1)頻率。溫度不變時(shí),損耗角正切在某一頻率時(shí)出現(xiàn)高峰,此時(shí)單位體積內(nèi)的介質(zhì)損耗值P增長(zhǎng)快。
由于不同頻率下具有不同的介質(zhì)損耗,故測(cè)量損耗角正切值時(shí)必須選定一定的頻率,通常電機(jī)所用的材料,一般都是測(cè)量其工頻時(shí)的介質(zhì)損耗角正切。
(2)溫度。頻率不變時(shí),損耗角正切在某一溫度時(shí)出現(xiàn)峰值,此時(shí)吸收電流所產(chǎn)生的損耗很大。在低溫區(qū),漏導(dǎo)電流和吸收電流有功分量均很小,故損耗角正切很?。辉诟邷貐^(qū),吸收電流所產(chǎn)生的損耗消失,由漏導(dǎo)損耗決定。
某些有機(jī)絕緣材料,其損耗角正切可能在不同的溫度或頻率下出現(xiàn)幾個(gè)峰值。因此在高頻或高壓電氣設(shè)備中,應(yīng)根據(jù)損耗角正切與溫度和頻率關(guān)系曲線(xiàn),慎重選擇適當(dāng)?shù)慕^緣材料,避免在工作頻率和溫度出現(xiàn)損耗角正切峰值,以防止材料加速老化或發(fā)生熱擊穿。
(3)電場(chǎng)強(qiáng)度增加。損耗角正切也隨之增大,電壓增加到某一值時(shí),介質(zhì)內(nèi)部的氣泡或電極邊緣會(huì)出現(xiàn)局部游離現(xiàn)象,損耗角正切突然顯著增大,這一電壓值稱(chēng)為起始游離電壓。工程上常利用起始游離電壓的測(cè)量,檢查絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的氣隙情況,以控制絕緣質(zhì)量。
此外,有些絕緣材料還應(yīng)考慮耐電暈、耐電弧、抗漏電痕跡等電氣性能。
電機(jī)對(duì)絕緣材料電氣性能要求,以擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度和絕緣電阻由為重要。根據(jù)電機(jī)類(lèi)型不同,對(duì)其他電氣性能要求則不完全一樣,例如高壓電機(jī)的絕緣,要求絕緣材料介質(zhì)損耗要小,耐電暈性要好;并須考慮鐵心和導(dǎo)體之間的電場(chǎng)分布。