固体绝缘材料介电常数与介电强度在各行业的应用

1、固体绝缘材料的应用现状

当前在油浸式变压器中普遍使用绝缘纸以及绝缘纸板作为基本绝缘，绝缘纸的主要成分是纤维素。绝缘纸分子内含有大量的无水右旋糖环和弱的C-O键及糖苷键，热稳定性比油中的碳氢键弱，并能在较低的温度下重新化合。聚合物裂解的有效温度高于105℃聚合物热解(全裂解和碳化)温度高于300℃，生成水的同时，生成大量的CO和CO2及少量烃类气体和糠醛化合物。

目前在油浸式电力变压器中常用的固体绝缘有电话纸、皱纹纸和绝缘纸板。为了提高绝缘纸的耐热性，国外在绝缘纸改性方面做了大量研究工作，出现了多种改性的耐热绝缘纸。如将纸浆在有碱性触媒的条件下使纤维素与氰乙烯起化学反应(以及对纸进行醋酸处理，即在纸浆中加入35%左右醋酸)，可得到耐热性大为提高的绝缘纸。在普通的纤维分子中，最容易老化的是第一羟基，而在氰化纸中，第一羟基被氰乙烯置换了。研究表明，经氰化处理的绝缘纸，使用温度可提高20℃，如果使用温度不变，则可延长使用寿命，并且采用这种纸可减轻变压器的重量。还有在纸浆中添加一系列安定剂的方法来提高绝缘纸的热稳定性，如用一种或多种含氮化合物改性天然纤维提高纤维中的含氮量，使天然纤维穿上一层含氮的“隔热服”，从而防止纤维素氧化降解。

日本还研制了各种改良的绝缘纸板。考虑到绝缘纸和绝缘纸板的介电常数εz为4～5左右，比变压器油的介电常数εy=2.2高出一倍以上。在电场作用下，复合绝缘中分担的场强与介电常数成反比，故油中场强比纸板中场强高得多，而油的电气强度低于纸板，因此，易在油中发生局部放电，劣化油的品质。为了使变压器油、纸绝缘的电气强度得到充分利用，降低纸板中的介电常数，可在木质纤维中掺合适当组分的合成树脂纤维制成纸板。目前采用的合成树脂为聚甲烯戊烷(介电常数为2.12)纤维与木质纤维掺合成原料制成白纸板，称为PMP纸板。PMP纸板中掺合树脂纤维一般在15%左右，新纸板的介电常数应低于3.5，而其他电气、机械性能均无影响。

2、聚合物固体绝缘材料应用

2.1聚合物固体绝缘材料简述

聚合物是指具有非常大的分子量的化合物，分子间由结构单位或单体经由共价键连接在一起。高聚物的分子比低分子有机化合物的分子大得多。一般有机化合物的相对分子质量不超过1000，而高聚物的相对分子质量可高达10⁴～10⁶。由于高聚物的相对分子质量很大，所以在物理、化学和力学性能上与低分子化合物有很大差异。常用的6种聚合物是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚苯乙烯和聚碳酸酯。这6种材料占了聚合物与塑胶材料98%的比例。聚合物材料还没有在油浸式变压器中广泛应用，研究分析表明，以下几种聚合物有良好的应用前景:

聚四氟乙烯:由四氟乙烯经聚合而成的高分子化合物，有优良的化学稳定性，电绝缘性良好，抗老化，能在－180℃～250℃的温度下长期工作，在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。不溶于强酸、强碱和有机溶剂，能耐强氧化剂的腐蚀。

聚酯薄膜:长期使用温度可达120℃，吸水率很低，电绝缘性能优良，介电常数在3.3左右，介电损耗很低，电性能在较宽的频率范围内比较稳定，有较高的绝缘电阻和击穿电压，击穿电压在130℃时为100MV/m，其介电常数为3.0～4.0，介质损耗因数为0.005%，工作温度为－60℃～120℃。

聚碳酸酯可在－100℃～140℃范围内使用，吸水率低，在较大的温度范围内电性能良好，介电常数约为3.1，有较高的强度和刚性，抗冲击和耐蠕变性能优异。

2.2聚合物固体绝缘材料电气特性试验

变压器用绝缘材料必须在绝缘电阻、介电常数和介质损耗及击穿强度等方面满足一定的特性，即有较低的介电常数和介质损耗，并且材料的介电常数和介质损耗随着温度的变化较为稳定。本文就介电常数、介质损耗因数和工频击穿强度研究聚合物材料的性能。实验材料为直径15mm，厚度0.5mm的聚酯薄膜、聚碳酸酯和聚四氟乙烯圆形薄片。分别测试材料介电常数和介质损耗因素结果见图1～6所示。

2.2.1介电常数与介质损耗因数测试

(1)聚四氟乙烯

（2)聚酯薄膜

2.2.2击穿强度测试

击穿强度表征的是绝缘材料的固有特性，但是由于在直流、工频和脉冲电压下电介质击穿的机理各不相同，其相应的击穿强度就存在很多的差异。一般认为工频电压对绝缘材料的考验要比直流和脉冲严格，因此在本论文中只研究绝缘材料的工频击穿强度。

在聚合物电老化的过程中，聚合物材料将会发生化学结构变化，引入更多的缺陷，导致击穿强度下降。

考虑到试样本身性能的分散性和击穿实验中各种偶然因素的影响，每一种试样取了5个，取5个试样击穿强度的算术平均值作为材料的击穿强度值。

实验时升压方式选择的是逐级升压法，对于所选的4种聚合物材料，严格按照《GBT_1408.1-2006_绝缘材料电气强度试验方法第1部分_工频下试验》标准进行。测试结果如表1所示，测试温度为常温。

3、结论

(1)在常温下，聚四氟乙烯、聚酯薄膜和聚碳酸酯的基本电气参数都比绝缘纸好，聚酯薄膜在90°左右介电常数和介质损耗明显增大，聚四氟乙烯和聚碳酸酯的介电常数和介质损耗基本不受温度影响。

(2)研究发现，在变压器油中热老化后，聚四氟乙烯的介电常数和介质损耗均增大;聚酯薄膜和聚碳酸酯的介电常数和介质损耗均减小。聚四氟乙烯、聚酯薄膜、的击穿强度均降低;聚碳酸酯的击穿强度提高。