绝缘体

电绝缘即不导电。电子能带理论(物理学的一个分支)指出，如果存在电子可被激发的状态，电荷就会流动。这允许电子获得能量，从而穿过导体，例如金属。如果没有这样的状态，材料就是绝缘体。

大多数(虽然不是全部，见莫特绝缘体)绝缘体都有很大的带隙。这是因为含有最高能量电子的“价”带是满的，并且一个大的能带间隙将这个能带与它上面的下一个能带分开。总会有一些电压(称为击穿电压)给电子足够的能量被激发到这个能带。一旦超过这个电压，材料就不再是绝缘体，电荷开始通过它。然而，它通常伴随着物理或化学变化，永久降低材料的绝缘性能。

缺乏电子传导的材料如果也缺乏其他移动电荷，就是绝缘体。例如，如果液体或气体包含离子，那么离子可以作为电流流动，并且材料是导体。电解质和等离子体包含离子，无论是否涉及电子流，它们都充当导体。

1.1 故障

当受到足够高的电压时，绝缘体会发生电击穿现象。当施加在绝缘物质上的电场在任何位置超过该物质的击穿电场阈值时，绝缘体突然变成导体，导致电流大幅度增加，电弧穿过该物质。当材料中的电场强到足以将自由电荷载流子(电子和离子，它们总是以低浓度存在)加速到足够高的速度，从而在电子撞击原子时将电子从原子中撞击出来，使原子电离时，就会发生电击穿。这些释放的电子和离子依次加速并撞击其他原子，在链式反应中产生更多的电荷载流子。绝缘体很快被移动电荷载流子填充，其电阻下降到很低的水平。在固体中，击穿电压与带隙能量成正比。当发生电晕放电时，高压导体周围的空气会分解并电离，而不会导致电流的突变性增加。然而，如果空气击穿区域以不同的电压延伸到另一个导体，则在它们之间产生导电路径，并且大电流流过空气，从而产生电弧。即使真空也会发生某种击穿，但在这种情况下，击穿或真空电弧涉及从金属电极表面喷出的电荷，而不是由真空本身产生的电荷。

此外，所有绝缘体在非常高的温度下将成为导体，因为价电子的热能足以将它们置于导带中。^[1][2]

在某些电容器中，当施加的电场减小时，由于电介质击穿而形成的电极之间的短路会消失。^[3][4][5]

绝缘体的非常柔软的涂层通常用于电线和电缆，这被称为绝缘线。电线有时不使用绝缘涂层，只使用空气，因为固体(如塑料)涂层可能不实用。然而，相互接触的电线会产生交叉连接、短路和火灾危险。在同轴电缆中，中心导体必须精确地支撑在中空屏蔽的中间，以防止电磁波反射。最后，暴露高于60 V电压的电线会导致人身电击和触电危险。绝缘涂层有助于防止所有这些问题。

有些电线有一个没有额定电压的机械外壳，例如:接线盒、焊接、门铃、恒温器电线。绝缘线或电缆具有额定电压和最高导体温度。它可能没有载流量(载流能力)额定值，因为这取决于周围环境(例如环境温度)。

在电子系统中，印刷电路板由环氧塑料和玻璃纤维制成。非导电板支撑铜箔导体层。在电子设备中，微小而精密的活性成分嵌入不导电的环氧树脂或酚醛塑料中，或者嵌入烘烤的玻璃或陶瓷涂层中。

在诸如晶体管和集成电路的微电子元件中，硅材料由于掺杂通常是导体，但是通过加热和氧的应用，它可以容易地选择性地转变成良好的绝缘体。氧化硅是石英，即玻璃的主要成分二氧化硅。

在包含变压器和电容器的高压系统中，液体绝缘油是用于防止电弧的典型方法。油可代替那些必须能承受很高的电压而不会发生电击穿的空间中的空气。其他高压系统绝缘材料包括陶瓷或玻璃电线支架、气体、真空以及简单地将电线放置在足够远的地方以使用空气作为绝缘材料。

用于高压电力传输的架空导线是裸露的，并且被周围的空气绝缘。配电中较低电压的导体可能有一些绝缘，但通常也是裸露的。在由电线杆或输电塔支撑的地方，需要称为绝缘体的绝缘支撑。电线进入建筑物或电气设备(如变压器或断路器)时也需要绝缘体，以使电线与外壳绝缘。这些内部有导体的中空绝缘体被称为套管。

美国加利福尼亚州的电力线由陶瓷针型绝缘体支撑。

10 kv陶瓷绝缘子，呈分层棚状。

3.1 材料

用于高压输电的绝缘子由玻璃、陶瓷或复合高分子材料制成。瓷绝缘子由粘土、石英或氧化铝和长石制成，并覆盖有光滑的釉料以排水。由富含氧化铝的陶瓷制成的绝缘体用于以高机械强度为标准的场合。陶瓷的介电强度约为4-10千伏/毫米。^[6]玻璃的介电强度较高，但它会引起冷凝，绝缘体所需的厚的不规则形状在没有内部应变的情况下很难铸造。^[7]一些绝缘体制造商在20世纪60年代末停止生产玻璃绝缘体，转而生产陶瓷材料。

最近，一些电力公司已经开始为某些类型的绝缘体转换成聚合物复合材料。它们通常由纤维增强塑料制成的中心杆和由硅橡胶或三元乙丙橡胶制成的外部遮雨缘组成。复合绝缘子成本较低，重量较轻，并且具有优异的疏水能力。这种组合使它们非常适合在污染地区提供服务。然而，这些材料还没有玻璃和瓷器的长期使用寿命。

3.2 设计

绝缘体因电压过高而发生电击穿有两种方式:

• 击穿电弧是绝缘体材料的击穿和传导，引起穿过绝缘体内部的电弧。电弧产生的热量通常会对绝缘体造成不可修复的损坏。击穿电压是绝缘体上引起击穿电弧的电压(以正常方式安装时)。
• 闪络电弧是绝缘体周围或沿着绝缘体表面的空气击穿和传导，引起绝缘体外部的电弧。绝缘体通常被设计成能承受闪络而不损坏。闪络电压是导致闪络电弧的电压。

大多数高压绝缘子被设计成闪络电压低于击穿电压，因此它们在击穿前一闪而过，以避免损坏。

高压绝缘体表面的灰尘、污染、盐，尤其是水，会在绝缘体上形成导电路径，导致漏电流和闪络。绝缘子潮湿时闪络电压可降低50%以上。户外使用的高压绝缘体的形状是为了使沿表面从一端到另一端的漏电路径长度最大化，这称为爬电距离，以使漏电电流最小化。^[8]为此，绝缘子表面被塑造成一系列波纹或同心圆盘状。这些通常包括一个或多个棚子；面向下的杯形表面充当雨伞，以确保“杯子”下方的表面漏电路径在潮湿天气中保持干燥。最小爬电距离为20-25毫米/千伏，但在高污染或空气传播的海盐区域必须增加。

275 Kv悬架上的悬式绝缘子串(盘形垂直串)。

高压输电线路悬架绝缘子串中悬浮玻璃盘绝缘子单元。

3.3 绝缘体的类型

这些是绝缘体的常见类别:

• 针式绝缘子——顾名思义，针式绝缘子安装在电线杆横臂上的销钉上。绝缘体上端有一个凹槽。导体穿过这个凹槽，与导体相同材料的退火导线连接到绝缘体上。针式绝缘子用于通信传输和配电，电压高达33 kV。工作电压在33kV和69kV之间的绝缘子往往体积很大，近年来变得不经济。
• 支柱绝缘子——20世纪30年代的一种绝缘子，比传统的针式绝缘子更紧凑，它已迅速取代许多在高达69kV的线路和某些配置中的针式绝缘子，可在高达115kV的电压下运行。
• 悬式绝缘子——对于33千伏以上的电压，通常使用悬式绝缘子，由许多玻璃或瓷盘组成，通过金属链串联。导线悬挂在这根线的底端，而顶端固定在塔的横臂上。使用的瓷盘单元数量取决于电压。
• 应变绝缘体——在直线段结束或在另一个方向倾斜的地方使用一个终端或锚杆或塔。这些杆必须能承受长直段电线的横向(水平)张力。为了支持这种横向负载，使用了应变绝缘体。对于低压线路(小于11 kV)，采用钩环绝缘体用作应变绝缘体。然而，对于高压输电线路，使用帽销(悬挂)绝缘子串，沿水平方向连接到横臂上。当线中的张力负荷非常高时，例如在长的河跨中，两条或更多的线并联使用。
• 钩环绝缘体——在早期，钩环绝缘体被用作应变绝缘体。但是现在，它们经常用于低压配电线路。这种绝缘体可以在水平位置或垂直位置使用。它们可以用螺栓直接固定在柱子上或横臂上。

• 套管-使一个或几个导体穿过隔板，如墙壁或水箱，并使导体与隔板绝缘。^[9]

• 线路支柱绝缘子
• 站柱绝缘子
• 断流器

3.4 悬式绝缘子

针式绝缘子不适合线间电压大于约69千伏的情况。较高的传输电压使用悬式绝缘子串，这可以通过在串中添加绝缘子元件来实现任何实际的传输电压。^[10]

高压输电线路通常采用模块化悬式绝缘子设计。电线悬挂在一串相同的圆盘形绝缘体上，这些绝缘体通过金属u形夹销或球窝连接件相互连接。这种设计的优点是，可以通过使用不同数量的基本单元来构造用于不同线路电压的具有不同击穿电压的绝缘子串。此外，如果串中的一个绝缘体单元断裂，可以在不丢弃整个串的情况下进行更换。

每个单元由陶瓷或玻璃盘构成，金属盖和销粘接在相对的两侧。为了使有缺陷的单元显而易见，玻璃单元被设计成过压会导致击穿玻璃的电弧而不是闪络。玻璃经过热处理，因此会破碎，使受损的单元可见。然而，该装置的机械强度不变，因此绝缘子串保持在一起。

标准悬挂盘式绝缘子装置直径为25厘米(9.8英寸)，长为15厘米(6英寸)，可承受80-120千牛顿(18-27千磅)的负载，干闪络电压约为72千伏，额定工作电压为10-12千伏。^[11]然而，串的闪络电压小于其分量盘的总和，因为电场不是均匀分布在串上，而是在最靠近导体的盘上最强，导体首先闪络。有时在高压端的圆盘周围增加金属分级环，以减小圆盘上的电场并提高闪络电压。

在非常高的电压线路中，绝缘体可能被电晕环包围。^[12]这些管道通常由铝环(最常见)或连接到管道上的铜管组成。它们的设计是为了减少绝缘体与线路连接处的电场，防止电晕放电，从而导致电力损失。

3.5 历史

第一个使用绝缘体的电气系统是电报线；人们发现将电线直接连接到木杆上效果很差，尤其是在潮湿的天气里。

第一批大量使用的玻璃绝缘子有一个无螺纹针孔。这些玻璃片被放置在一个锥形木销上，从电极的横臂垂直向上延伸(通常只有两个绝缘体连接到电极上，也许一个在电极本身的顶部)。连接在这些“无螺纹绝缘体”上的电线的自然收缩和膨胀导致绝缘体脱离木销，需要手动复位。

最早生产陶瓷绝缘体的是英国的一些公司，Stiff和Doulton从19世纪40年代中期开始使用石制品，Joseph Bourne(后来改名为Denby)从1860年左右开始生产，Bullers从1868年开始生产。1865年7月25日，路易斯·考维特获得了48906号实用专利，用于生产带螺纹针孔的绝缘子:针式绝缘子仍有螺纹针孔。

悬挂式绝缘子的发明使高压输电成为可能。随着输电线路电压达到并超过60000伏，所需的绝缘体变得非常大且重，安全裕度为88000伏的绝缘体大约是制造和安装的实际极限。另一方面，只要线路电压需要，悬挂绝缘子可以连接成串。

已经制造了各种各样的电话、电报和电力绝缘体；有些人收集它们，既出于历史兴趣，也出于许多绝缘子设计和表面处理的美学质量。美国国家绝缘子协会是一个收藏家组织，它拥有9000多名会员。^[14]

广播无线电天线通常被构建为天线杆辐射器，这意味着整个天线杆结构被高电压供电，并且必须与地面绝缘。它使用滑石支座。它们不仅要承受天线杆辐射器对地的电压，在某些天线上可以达到400千伏，还要承受天线杆结构的重量和动力。因为雷击桅杆经常发生，所以电弧喇叭和避雷器是必不可少的。

支撑天线杆的拉线通常在电缆线路中插入应变绝缘体，以防止天线上的高电压短路接地或产生电击危险。电缆通常有几个绝缘体，用来把电缆分成几段，防止电缆中不必要的电共振。这些绝缘体通常是圆柱形或蛋形的陶瓷制品 (见图)。这种结构的优点是陶瓷处于压缩状态而不是拉伸状态，因此它可以承受更大的负载，并且如果绝缘体断裂，电缆末端仍然连接在一起。

这些绝缘体还必须配备过压保护设备。对于拉线绝缘子的尺寸，必须考虑拉线上的静电荷。对于高天线杆来说，这可能比发射机产生的电压高得多，需要用绝缘体将在最高天线杆上分割为多个部分。在这种情况下，通过一个线圈或者如果可能的话，直接在锚碇基础上接地的拉线是更好的选择。

将天线连接到无线电设备的馈线，尤其是双导线型，通常必须与金属结构保持一定距离。用于此目的的绝缘支架被称为支架绝缘体。

最重要的绝缘材料是空气。各种固体、液体和气体绝缘体也被用于电气设备。在较小的变压器、发电机和电动机中，线圈上的绝缘层由多达四层聚合物清漆薄膜组成。薄膜绝缘磁铁线允许制造商在可用空间内获得最大匝数。使用较厚导体的绕组通常用辅助玻璃纤维绝缘带包裹。绕组也可以浸渍绝缘清漆，以防止电晕和减少磁感应导线振动。大型电力变压器绕组仍然主要用纸、木材、清漆和矿物油绝缘；尽管这些材料已经使用了100多年，但它们仍然提供了经济性和充分性能的良好平衡。开关设备中的母线和断路器可以用玻璃增强塑料绝缘材料进行绝缘，处理后火焰传播小，并防止材料上的电流跟踪。

在20世纪70年代早期制造的旧设备中，可能会发现由压缩石棉制成的板材；虽然这在电源频率下是一个足够的绝缘体，但石棉材料的处理或修理会将危险的纤维释放到空气中，必须小心携带。从20世纪20年代起，用毡石棉绝缘的电线被用于高温和坚固的应用。这种电线被通用电气公司以“德尔塔贝斯顿”的商标出售。^[15]

直到20世纪早期，前门配电板都是由石板或大理石制成的。一些高压设备被设计成在高压绝缘气体如六氟化硫中运行。由于过度的介电损耗导致发热，在功率和低频下表现良好的绝缘材料在射频下可能不令人满意。

电线可以用聚乙烯、交联聚乙烯(通过电子束处理或化学交联)、聚氯乙烯、卡普顿、橡胶状聚合物、油浸纸、特氟隆、硅树脂或改性乙烯四氟乙烯(ETFE)绝缘。根据应用，较大的电力电缆可能使用压缩无机粉末。

柔性绝缘材料如PVC (聚氯乙烯)被用来绝缘电路，防止人们接触“带电”电线——电压为600伏或更低的电线。由于欧盟的安全和环境立法降低了聚氯乙烯的经济性，替代材料可能会越来越多地被使用。

5.1 1级和2级绝缘

所有便携式或手持式电气设备都是绝缘的，以保护用户免受有害冲击。

1级绝缘要求设备的金属体和其他外露金属部件通过接地线接地，接地线在主服务面板接地，但只需要导体上的基本绝缘。该设备需要在电源插头上增加一个接地引脚。

2级绝缘意味着该装置是双重绝缘的。这是用于一些电器，如电动剃须刀，吹风机和便携式电动工具。双重绝缘要求设备具有基本绝缘和辅助绝缘，每种绝缘都足以防止触电。所有内部通电部件都完全封装在绝缘体内，防止与“带电”部件接触。在欧盟，双重绝缘电器都标有两个正方形的符号，其中一个正方形在另一个里面。^[16]