第5章 电工材料

5.1 绝缘材料

绝缘材料是电工行业中必不可少的，它是使元器件在电气上绝缘的材料，起到保护、隔离的作用，也称为电介质。在电压的作用下，这种材料几乎没有电流通过，一般情况下可忽略不计而认为是不导电的材料，绝缘材料的电阻率越大绝缘性能越好。

5.1.1 电工常用绝缘材料的种类及特点

电工常用绝缘材料的种类有很多，通常可按其形态或材料和制作工艺等进行分类。

1．按形态分类

电工常用绝缘材料按形态可分为气体绝缘材料、液体绝缘材料和固体绝缘材料。电工人员常用到的绝缘材料主要以固体绝缘材料为主。

（1）气体绝缘材料。

气体绝缘材料能够自动恢复，不存在老化变质现象，常用的气体绝缘材料主要有空气、氮气、氢气、二氧化碳、甲烷、六氟化硫（SF6）等。

（2）液体绝缘材料。

液体绝缘材料取代了气体绝缘材料，在设备中不仅起到绝缘的作用，还可起到浸渍、传热和灭弧的作用。常用的液体绝缘材料主要有矿物绝缘油（变压器油、开关油、电容器油、电缆油）、合成绝缘油（硅油、十二烷基苯、聚异丁烯、二芳基乙烷）、植物绝缘油（蓖麻油、大豆油、菜籽油）等。

（3）固体绝缘材料。

固体绝缘材料是用来隔绝不同电位导电体的，与气体绝缘材料和液体绝缘材料相比，固体绝缘材料的密度较高，击穿强度较高。常用的固体绝缘材料主要分为有机绝缘材料和无机绝缘材料。如图5-1所示，有机绝缘材料包括绝缘漆、绝缘胶板、绝缘虫胶、绝缘树脂、绝缘橡胶、绝缘棉纱、绝缘纸、塑料板、绝缘纤维制品、绝缘层压制品、绝缘漆布、绝缘漆管及绝缘浸渍纤维制品等。无机绝缘材料主要包括云母带、石棉、大理石绝缘壁、瓷器绝缘子、玻璃绝缘子、硫磺等，如图5-2所示。

2．按材料和制作工艺分类

绝缘材料按材料和制作工艺可大致分为绝缘纤维制品、浸渍纤维制品和绝缘层压制品，此种分类方法也是电工行业较普遍的。

（1）绝缘纤维制品。

绝缘纤维制品是指在电工产品中可直接应用的一类绝缘材料，主要包括绝缘纸、绝缘纸板和钢纸板，以及各种纤维织物，如丝、带、绳等。

（2）浸渍纤维制品。

浸渍纤维制品是以绝缘纤维制品为材料，浸以绝缘漆制成的，在其表面有一层光滑的漆膜。电工常用的浸渍纤维制品主要有漆布（带）和漆管两种。与普通的绝缘纤维材料相比，浸渍纤维制品的抗张强度、电气性能、耐热等级、耐潮性能等都有显著提高。它适用于电动机、电器、仪器仪表等电工产品的线圈层间的绝缘或作为衬垫与引出线或连接线的绝缘。

（3）绝缘层压制品。

绝缘层压制品是由天然或合成的纤维纸、布等作为底材浸以不同的胶黏剂后经热压卷制而成的层状结构的绝缘材料。它主要分为层压纸板、层压布板、层压玻璃布板等类型，如图5-3所示。层压制品的性能取决于所用底材和胶黏剂的性质及制作工艺。一般层压制品都具有良好的电气性能和耐热、耐油、耐霉、耐电弧、防电晕等特性。

5.1.2 电工常用绝缘材料的选用

在电工行业中，不同的绝缘材料应用的环境有所不同，下面按形态的分类方式分别介绍气体绝缘材料、液体绝缘材料、固体绝缘材料中常用的几种绝缘材料的选用及其应用环境。

无论选择哪种绝缘材料，都应根据其耐用等级和极限温度进行合理选用，表5-1所示为各种绝缘材料的耐热等级和最高允许的工作温度，可根据不同的工作环境或应用场合进行合理选用。

1．气体绝缘材料

气体绝缘材料不同于固体和液体绝缘材料，它具有密度小、介电常数小、接点损耗小、电阻率高、击穿后能够自动恢复的特点，在电工行业中，通常使用气体作为绝缘材料。图5-4所示为气体绝缘材料的应用。

2．液体绝缘材料

液体绝缘材料通过浸渍和填充消除空气及气隙，提高绝缘介质的绝缘强度，它主要应用在油变压器、油开关、电容器和电缆等电气设备中，如图5-5所示。

3．固体绝缘材料

（1）有机固体绝缘材料。

① 绝缘漆。

绝缘漆是以高分子聚合物为基础，在一定的条件下固化成绝缘膜或绝缘整体的绝缘材料，它是漆类中一种特殊的漆。通常由漆基、稀释剂和辅助材料等组成，可分为浸渍漆、覆盖漆、硅钢片漆、防电晕漆等。

选择绝缘漆时，绝缘漆应具有良好的介电性能、较高的绝缘电阻及电气强度。它通常用于电动机、电器的线圈和绝缘零部件，来填充线圈间隙和微孔，提高线圈的耐热性能、机械性能、耐磨性能、导热性能和防潮性能等，如图5-6所示。

② 绝缘橡胶。

绝缘橡胶是对提取的橡胶树、橡胶草等植物的胶乳进行加工，制成具有高弹性、绝缘性、不透水的橡胶绝缘材料。可分为天然橡胶和合成橡胶，电工领域中的绝缘手套、绝缘防尘套、绝缘垫都是通过橡胶制成的，如图5-7所示。

③ 绝缘纸。

绝缘纸主要是由未漂白的硫酸盐木浆（植物纤维）或合成纤维为材料制成的，根据其组成材料可分为植物纤维纸和合成纤维纸。图5-8所示为绝缘纸在隔离变压器上的应用。

④ 塑料。

塑料是一种用途广泛的合成高分子材料，具有可塑性、耐腐蚀性、绝缘性，并具有较高的强度和弹性。在电工行业应用十分广泛，如室内的开关、插座等都是使用塑料进行绝缘的，如图5-10所示。

⑤ 绝缘漆布。

绝缘漆布是由不同材料浸以不同的绝缘漆制成的。电工材料中常采用的漆布主要有黄漆带（厚度为0.15～0.3mm）、黄漆绸（厚度为0.04～0.15mm）、醇酸玻璃漆布等，如图5-11所示。常见绝缘漆布的特点及应用见表5-2。

⑥ 绝缘漆管。

绝缘漆管是由棉、涤纶、玻璃纤维管等浸以不同的绝缘漆制成的，常用的绝缘漆管为2730型醇酸玻璃漆管，通常称为黄腊管，该材料具有良好的电气性能和机械性能，耐油、耐热、耐潮性能较好，主要用作电动机、电器的引出线或连接线的绝缘套管。图5-12所示为绝缘漆管的应用。

⑦ 绝缘层压制品。

绝缘层压制品是由两层或多层浸有树脂的纤维或织物经叠合、热压结合成的绝缘整体，具有良好的电气性能、耐热、耐油、耐霉、耐电弧、防电晕等特性，广泛应用在电动机、变压器、高低压电器、电工仪表和电子设备中，通常可分为层压纸板、层压布板和层压玻璃布板等。

层压纸板主要是指酚醛层压纸板，其厚度为0.2～60mm，如图5-13所示。一般可在电气设备中用作绝缘结构零部件。常用层压纸板的特点及应用见表5-3。

层压布板通常称为酚醛层压布板，如图5-14所示，通常可用在电气设备中的绝缘零部件。常用层压布板的特点及应用见表5-4。

层压玻璃布板的类型较多，常见的电工用层压玻璃布板主要有酚醛层压玻璃布板和环氧酚醛玻璃布板等，如图5-15所示。常用层压玻璃布板的特点及应用见表5-5。

（2）无机固体绝缘材料。

① 云母。

云母是一种板状、片状、柱状的晶体造岩矿物，具有良好的绝缘性、隔热性、弹性、韧性、耐高温性、抗酸性、抗碱性、抗压性等特点，还具有较大的电阻、较低的电介质损耗和抗电弧、耐电晕等介电性能，且质地坚硬、机械强度高。通常可分为白云母、黑云母和锂云母三类，其中白云母包括白云母及其亚种（绢云母）和较少见的钠云母；黑云母包括金云母、黑云母、铁黑云母和锰黑云母；锂云母包括含有氧化锂的各种云母的细小鳞片。在电工行业中常用的云母为白云母和金云母，可通过云母碎和云母粉加工成云母带、云母板等绝缘材料，如图5-16所示。

在电工行业中主要是利用云母的绝缘性和耐高温性，其绝缘性是由云母的电气性能决定的，当云母片厚度为0.015mm时，平均击穿电压为2.0～5.7kV，平均击穿强度为133～407kV/mm，此数据为我国矿区对云母的测试结果；而耐高温性通过测试白云母加热在100～600℃时，弹性和表面性质均不变，加热在700～800℃时，脱水、机械、电气性能有所改变、弹性丧失，加热在1050℃时，结构才会被破坏；金云母相对白云母来讲，加热在700℃左右时，电气性能较好。除此之外，在电工行业中也会利用云母的抗酸、抗碱和耐压特性。

② 石棉。

石棉是天然纤维状的硅质矿物，是一种天然矿物纤维，具有良好的绝缘性、隔热性、抗压性、耐水、耐酸、耐化学腐蚀等特点，在电工行业中常用于热绝缘和电绝缘材料。它可通过加工制成纱、线、绳、布、衬垫、刹车片等，如图5-17所示。

石棉虽然具有很多的优良性能，但石棉对人体的健康有一定的影响，进入人体内的石棉纤维会有致病的可能性，因此，在石棉粉尘严重的环境中应注意防护。

③ 陶瓷。

陶瓷是以黏土、石英、长石等天然矿物为原料加工制成的多晶无机绝缘材料。它具有电阻率高、介电常数小、介电损耗小、机械强度高、热膨胀系数小、热导率高、抗热冲击性好等性能。在电力、电子工业中广泛用于电器的安装、支撑、绝缘、隔离、连接等，图5-18所示为低压架空的绝缘子。

陶瓷还可用于电阻机体、线圈框架、晶闸管外壳、绝缘衬套、集成电路基片、电真空器件、电热设备等绝缘的环境中，常见陶瓷的特点及应用见表5-6。

④ 玻璃。

玻璃是由二氧化硅、氧化钙、氧化钠、三氧化二硼等原料加工制成的无晶玻璃体，在电工、电子行业中得到广泛应用，图5-19所示是由玻璃制成的玻璃绝缘子。

将玻璃进行高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺后，形成的玻璃纤维具有耐温高、耐腐蚀、隔热、不燃、绝缘等特点，但其耐磨性差，在电工行业中常用于电绝缘材料，如图5-20所示。玻璃纤维的类型较多，按其特点和应用可分为不同的级别，常用几种不同级别玻璃纤维的特点和应用见表5-7，但在电工行业中常用的为E级玻璃纤维。

玻璃纤维可通过加工生产出不同的玻璃纤维织物，如玻璃布、玻璃带、玻璃纤维绝缘套管等，如图5-21所示，常用玻璃纤维织物的特点及应用见表5-8。