電氣工程教育中的“電氣絕緣”新探

摘要：電氣“絕緣”是日常所用的電氣工程術(shù)語，人們對(duì)它有不少誤解，其中絕緣的“隔離論”最為流行。為此研究了電氣“絕緣”的科學(xué)概念及其現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：電氣絕緣；媒介；電介質(zhì)；絕緣系統(tǒng)；絕緣設(shè)計(jì)；絕緣技術(shù)

作者簡(jiǎn)介：巫松楨（1935-），男，浙江衢州人，西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授；鐘力生（1961-），男，四川隆昌人，西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，教授。（陜西 西安 710049）

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）23-0231-02

現(xiàn)今我國電氣絕緣技術(shù)發(fā)展很快。例如，在超/特高壓交、直流輸變電工程、長(zhǎng)江三峽等大型水電站以及大型風(fēng)力發(fā)電廠的建設(shè)中，許多重大電力裝備的成功運(yùn)行等，都與絕緣技術(shù)發(fā)展密切相關(guān)，表明我國在絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造等方面已經(jīng)達(dá)到國際較高的水平。

但是還應(yīng)看到當(dāng)前我國在電氣工程中的“電氣絕緣”教育方面存在的問題：人們對(duì)電氣“絕緣”的基本概念的理解有偏差，既不利于用電安全，也不利于絕緣行業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新。因此很有必要重新認(rèn)識(shí)并理清電氣“絕緣”的科學(xué)概念，使電氣絕緣科學(xué)的研究更深入，并推進(jìn)電氣絕緣專業(yè)的教學(xué)改革。

一、電氣“絕緣”傳統(tǒng)觀念中的“隔離論”

1.對(duì)電氣“絕緣”最流行的解釋

電氣工程中的術(shù)語“絕緣”既可作名詞，也可作動(dòng)詞。作名詞用時(shí)，常指“絕緣體”或“絕緣材料”。現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典[1]對(duì)“絕緣體”的解釋是“極不容易導(dǎo)電的物體”；而電工術(shù)語國家標(biāo)準(zhǔn)[2]對(duì)“絕緣材料”的解釋是“用于防止導(dǎo)電元件之間導(dǎo)電的材料”。作動(dòng)詞用時(shí)，現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典[1]、電工術(shù)語國家標(biāo)準(zhǔn)[2]的解釋是“隔絕電流，使不能通過”等。

術(shù)語“電氣絕緣”譯自英文“Electrical Insulation”，國際標(biāo)準(zhǔn)如IEC 60050（212） ：1990等也提及“Insulation”，牛津現(xiàn)代高級(jí)英漢雙解辭典等英漢詞典中的解釋是：“Prevent passage of electricity”等。因此，英漢詞典和有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)“Insulation”的解釋都表明中文翻譯完全忠實(shí)于原文，都是指隔絕電流、極不導(dǎo)電等，本文統(tǒng)稱為“絕緣”的“隔離論”。

2.“絕緣”總能起到電氣“隔離”作用嗎？

通過電容器模型實(shí)驗(yàn)和《電介質(zhì)物理學(xué)》[3]可認(rèn)清“隔離論”的真?zhèn)巍?/p>

在電容器模型中有兩個(gè)導(dǎo)電極板，極板間用絕緣薄膜或絕緣油隔開，即極板在電氣上已被“隔離”。然后在兩個(gè)極板間施加直流電壓，極板間立刻會(huì)測(cè)到電流脈沖（吸收電流），同時(shí)還會(huì)持久流過相當(dāng)小的泄漏電流。如果粗心大意，就以為在電氣上已實(shí)現(xiàn)了“隔離”。但是，極板間流過的電流表明兩個(gè)極板并沒有真正被“隔離”。若兩個(gè)極板之間施加的是交流電壓，則在極板間還能測(cè)量到比泄漏電流大得多的電流，表明隔離作用顯著降低。若在兩個(gè)極板之間施加脈沖電壓，則“絕緣”的隔離作用就更小了。

因此，作用電壓類型不同時(shí)，“絕緣”的電氣隔離能力差別很大，電壓頻率愈高則電氣隔離作用愈小。在脈沖電壓下，“絕緣”甚至很難起電氣隔離作用。即使是在直流電壓下，電氣隔離作用也是很有限的。

還應(yīng)指出，當(dāng)“絕緣”的工作條件或環(huán)境條件變化時(shí)，“絕緣”甚至連很有限的電氣隔離能力也可能失去。例如當(dāng)“絕緣”所受電壓較高或在環(huán)境溫度、濕度較高的環(huán)境中，電氣隔離能力就會(huì)嚴(yán)重降低。長(zhǎng)期運(yùn)行中的“絕緣”也會(huì)逐漸喪失電氣隔離能力，這是由于發(fā)生“絕緣老化”所致。電氣工程中的“絕緣老化”是相當(dāng)普遍的現(xiàn)象。

“定義”或“概念”要反映事物的本質(zhì)特性，[1]而“絕緣”與“隔離”間卻沒有必然聯(lián)系。因此，“隔離論”只是人們對(duì)“絕緣”的一種粗淺解釋，或表達(dá)對(duì)絕緣的一種期望。

二、電氣絕緣的“媒介”論

1.電氣絕緣是一種“媒介”、“介質(zhì)”或“電介質(zhì)”

電容器模型實(shí)驗(yàn)還能進(jìn)一步幫助人們揭示“絕緣”的本質(zhì)。電容器模型實(shí)驗(yàn)中電極間總有電流流過（在稍微復(fù)雜一點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)中，電極間除電流外還可能有光、磁、力等的聯(lián)系），說明電極間必定有聯(lián)系，而聯(lián)系兩個(gè)電極板的物質(zhì)不是別的，正是電極導(dǎo)體之間的“絕緣”。

現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典[1]把“起介紹或引導(dǎo)作用，使雙方發(fā)生聯(lián)系的人或事物”稱為“媒介”。因此這里的“絕緣”就是一種“媒介”。極板借助“絕緣”把電磁波、電流等信號(hào)從一個(gè)極板傳播到對(duì)方。詞典[1]把“某些波動(dòng)借以傳播的物質(zhì)叫做這些波動(dòng)的介質(zhì)”，因此“絕緣”也是一種“介質(zhì)”，或“電介質(zhì)”。

2.電介質(zhì)與電氣絕緣

“電介質(zhì)”有三大特點(diǎn)：組成電介質(zhì)的各種帶電粒子都是束縛電荷，即所有帶電粒子分別被原子、離子、分子的內(nèi)力或分子間力緊密束縛著；在靜電場(chǎng)中電介質(zhì)內(nèi)部也能持久存在電場(chǎng)；而且束縛電荷在靜電場(chǎng)中能沿電場(chǎng)方向發(fā)生極化（即有限位移）。[3]

若“電介質(zhì)”中不存在自由電荷，則稱為“理想電介質(zhì)”。在恒定電壓作用下，顯然它不會(huì)導(dǎo)電，也就是能隔絕電流，這可能就是上節(jié)出現(xiàn)絕緣“隔離論”的依據(jù)。

實(shí)際“電介質(zhì)”即工程電介質(zhì)，其內(nèi)部不可能沒有自由電荷，不可能實(shí)現(xiàn)絕緣的電氣“隔離”作用。其中有一部分能滿足一定的電氣要求，這種電介質(zhì)就稱為“絕緣電介質(zhì)”。

3.“媒介論”對(duì)絕緣創(chuàng)新有重要意義

“絕緣”處于電極間特殊的“媒介”位置上，絕緣通過調(diào)節(jié)自身組成、相態(tài)、宏觀或微觀結(jié)構(gòu)等使媒介變化，便能出現(xiàn)不同的媒介效應(yīng)，例如使體內(nèi)的電荷發(fā)生積聚、移動(dòng)、增多或減少、甚至化學(xué)變化等，從而可得出介電性能特殊的絕緣制品。

例如氧化鋅介質(zhì)，其伏安特性與電壓的高低有關(guān)，在低電壓下具有很強(qiáng)的電氣“絕緣”能力，而在高電壓下卻能導(dǎo)電。正是利用這種非線性伏安特性，使它具有非常重要的過電壓保護(hù)作用，因而在電力系統(tǒng)、電子線路和家用電氣設(shè)備中成為重要的電氣安全保護(hù)器件。

再如PTC（正溫度系數(shù)）電介質(zhì)，利用其PTC特性，即在一定的溫度范圍（開關(guān)溫度）內(nèi)其體積電阻率能隨溫度升高而顯著變化，從而能控制流過電介質(zhì)內(nèi)電流的升、降。利用這一特性，就能有效控制絕緣體內(nèi)的發(fā)熱特性，該系統(tǒng)在運(yùn)行中還具有安全可靠、節(jié)電、方便等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛用于電加熱設(shè)備。

近年來，納米材料改性的納米-聚合物絕緣材料[4]發(fā)展很快，例如納米Al2O3-聚酰亞胺（PI）耐電暈漆包線漆中，當(dāng)納米Al2O3粉料含量為20%時(shí)，耐電暈壽命可提高100多倍。再如納米云母絕緣線，是一種由高純度云母粉與C級(jí)絕緣漆融合后制成的絕緣導(dǎo)線，具有耐高低溫、高導(dǎo)熱、抗電暈等性能，它可用于制造各種特種電機(jī)。

G L Moses[5]說：“Insulation is man’s tool for harnessing electricity to do useful work”。意思大致是：“絕緣”是人們用來引導(dǎo)“電”為人們做有用工作的工具。顯然，Moses所預(yù)期的絕緣這個(gè)“工具”，所能發(fā)揮的功能遠(yuǎn)比“隔離”作用多得多。前面事例也說明擯棄絕緣的“隔離論”后，確實(shí)能使人們的創(chuàng)新思路獲得解放。

三、“媒介論”對(duì)電氣絕緣學(xué)科教學(xué)科研的影響

絕緣的“媒介論”涉及“絕緣”的基礎(chǔ)論述，因此直接影響到電氣絕緣科學(xué)技術(shù)的研究深度和廣度，甚至?xí)绊懙诫姎饨^緣學(xué)科的課程改革，以下面三門課程加以說明。

1.電介質(zhì)物理

該課程把電介質(zhì)作為學(xué)習(xí)絕緣材料的基礎(chǔ)，表明該課程肯定“媒介論”。該課程內(nèi)容通常主要討論電介質(zhì)的一般介電特性，建議今后最好能從能帶、勢(shì)壘、陷阱等微觀或半微觀角度把絕緣的“媒介論”具體化，系統(tǒng)介紹絕緣中“媒介”作用原理及其與介電特性的關(guān)系，從而更能啟發(fā)人們開發(fā)性能更好的電介質(zhì)。

2.絕緣設(shè)計(jì)

即“絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)”。特別要注意其中的“絕緣系統(tǒng)”。系統(tǒng)是由無數(shù)相互聯(lián)系、相互依賴、相互制約、相互作用的事物和過程所形成的統(tǒng)一體，[1]絕緣系統(tǒng)是電系統(tǒng)（泛指常帶電的一切裝置/設(shè)備/元件）中的一個(gè)不可分隔部分，電系統(tǒng)中的“絕緣系統(tǒng)”并不是只有電系統(tǒng)中的絕緣材料，還必須包括與其聯(lián)系緊密、不可分割的導(dǎo)體。

絕緣設(shè)計(jì)內(nèi)容應(yīng)有三項(xiàng)：根據(jù)電系統(tǒng)的要求提出絕緣系統(tǒng)的技術(shù)條件；確定優(yōu)化的絕緣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式（結(jié)構(gòu)優(yōu)化）；設(shè)計(jì)中還應(yīng)充分考慮到最適合的絕緣材料（材料優(yōu)化）和最合適的絕緣系統(tǒng)工藝（工藝優(yōu)化）。使所設(shè)計(jì)的絕緣系統(tǒng)達(dá)到技術(shù)上先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)上合理、運(yùn)行中可靠，突出絕緣系統(tǒng)的整體性。國內(nèi)的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與實(shí)際工程的聯(lián)系比較欠缺。

絕緣設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)絕緣工程的關(guān)鍵。例如人們都要求絕緣能起電氣隔離作用，但已指出絕緣體的隔離作用有限。只有通過科學(xué)合理的絕緣設(shè)計(jì)，使電場(chǎng)分布合理，才能解決該矛盾。

3.絕緣技術(shù)

現(xiàn)代絕緣技術(shù)中往往已經(jīng)不是一般的工藝，而是一項(xiàng)“絕緣工程”，或“電介質(zhì)工程”。

絕緣技術(shù)主要包含：提交完整的絕緣系統(tǒng)設(shè)計(jì)；研究所設(shè)計(jì)的絕緣系統(tǒng)的加工路線和方法，并設(shè)計(jì)或選用適合的制造工藝和設(shè)備；以所提的技術(shù)條件逐一檢驗(yàn)已制成的絕緣系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并且嚴(yán)格監(jiān)督絕緣系統(tǒng)的性能變化，要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)及其電設(shè)備能在規(guī)定的工作/環(huán)境條件下安全、可靠運(yùn)行，能全面實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的各項(xiàng)功能。

電氣絕緣科學(xué)沒有終點(diǎn)，它具有多學(xué)科綜合性特征，或者說具有某種邊緣科學(xué)技術(shù)的特征。高度關(guān)注這一特征，不斷融合其他學(xué)科的成就，絕緣技術(shù)就能不斷得到豐富和創(chuàng)新。

四、結(jié)語

“絕緣”與“隔離”之間并不存在必然聯(lián)系，即使“絕緣”的有限電氣隔離能力，還得取決于電壓類型、時(shí)間長(zhǎng)短、溫度、濕度和應(yīng)力高低等因素。中外詞典或標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)條目中占據(jù)主流地位的“隔離論”的產(chǎn)生，可能是由于把實(shí)際絕緣體當(dāng)作“理想電介質(zhì)”所致，建議加以科學(xué)糾正。

“絕緣”是電極間的一種“媒介”、“介質(zhì)”或“電介質(zhì)”。通過調(diào)節(jié)材料組成、相態(tài)、宏觀或微觀結(jié)構(gòu)等來調(diào)節(jié)媒介效應(yīng)，就可能開發(fā)電氣絕緣新產(chǎn)品。擯棄絕緣“隔離論”并接納絕緣“媒介論”后，確實(shí)能使人們的創(chuàng)新思路獲得解放。

絕緣“媒介論”為“電介質(zhì)物理學(xué)”、“絕緣系統(tǒng)”、“絕緣設(shè)計(jì)”、“絕緣技術(shù)”等課程內(nèi)容的推陳出新提供了新思路，對(duì)推動(dòng)電氣絕緣學(xué)科的發(fā)展有著重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]李行健.現(xiàn)代漢語規(guī)范詞典[M].北京：外語教學(xué)與研究出版社，2004.

[2]GB/T 2900.5-2002，電工術(shù)語——絕緣固體、液體和氣體[Z].

[3]陳季丹，劉子玉.電介質(zhì)物理學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[4]《電氣電子絕緣技術(shù)手冊(cè)》編委會(huì).電氣電子絕緣技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[5]G L Moses.Insulation Engineering Fundamentals[M].Illinois：Lake Publishing company，1958.

（責(zé)任編輯：劉輝）