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語，人們對它有不少誤解，其中絕緣的“隔離論”最為流行。為此研究了電氣“絕緣”的科學概念及其現實意義。

關鍵詞：電氣絕緣；媒介；電介質；絕緣系統；絕緣設計；絕緣技術

作者簡介：巫松楨（1935-），男，浙江衢州人，西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，教授；鐘力生（1961-），男，四川隆昌人，西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，教授。（陜西 西安 710049）

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）23-0231-02

現今我國電氣絕緣技術發展很快。例如，在超/特高壓交、直流輸變電工程、長江三峽等大型水電站以及大型風力發電廠的建設中，許多重大電力裝備的成功運行等，都與絕緣技術發展密切相關，表明我國在絕緣系統的設計、制造等方面已經達到國際較高的水平。

但是還應看到當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，也不利于絕緣行業產品創新。因此很有必要重新認識并理清電氣“絕緣”的科學概念，使電氣絕緣科學的研究更深入，并推進電氣絕緣專業的教學改革。

一、電氣“絕緣”傳統觀念中的“隔離論”

1.對電氣“絕緣”最流行的解釋

電氣工程中的術語“絕緣”既可作名詞，也可作動詞。作名詞用時，常指“絕緣體”或“絕緣材料”。現代漢語規范詞典[1]對“絕緣體”的解釋是“極不容易導電的物體”；而電工術語國家標準[2]對“絕緣材料”的解釋是“用于防止導電元件之間導電的材料”。作動詞用時，現代漢語規范詞典[1]、電工術語國家標準[2]的解釋是“隔絕電流，使不能通過”等。

術語“電氣絕緣”譯自英文“Electrical Insulation”，國際標準如IEC 60050（212） ：1990等也提及“Insulation”，牛津現代高級英漢雙解辭典等英漢詞典中的解釋是：“Prevent passage of electricity”等。因此，英漢詞典和有關國際標準對“Insulation”的解釋都表明中文翻譯完全忠實于原文，都是指隔絕電流、極不導電等，本文統稱為“絕緣”的“隔離論”。

2.“絕緣”總能起到電氣“隔離”作用嗎？

通過電容器模型實驗和《電介質物理學》[3]可認清“隔離論”的真偽。

在電容器模型中有兩個導電極板，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”。然后在兩個極板間施加直流電壓，極板間立刻會測到電流脈沖（吸收電流），同時還會持久流過相當小的泄漏電流。如果粗心大意，就以為在電氣上已實現了“隔離”。但是，極板間流過的電流表明兩個極板并沒有真正被“隔離”。若兩個極板之間施加的是交流電壓，則在極板間還能測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，“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。

還應指出，當“絕緣”的工作條件或環境條件變化時，“絕緣”甚至連很有限的電氣隔離能力也可能失去。例如當“絕緣”所受電壓較高或在環境溫度、濕度較高的環境中，電氣隔離能力就會嚴重降低。長期運行中的“絕緣”也會逐漸喪失電氣隔離能力，這是由于發生“絕緣老化”所致。電氣工程中的“絕緣老化”是相當普遍的現象。

“定義”或“概念”要反映事物的本質特性，[1]而“絕緣”與“隔離”間卻沒有必然聯系。因此，“隔離論”只是人們對“絕緣”的一種粗淺解釋，或表達對絕緣的一種期望。

二、電氣絕緣的“媒介”論

1.電氣絕緣是一種“媒介”、“介質”或“電介質”

電容器模型實驗還能進一步幫助人們揭示“絕緣”的本質。電容器模型實驗中電極間總有電流流過（在稍微復雜一點的實驗中，電極間除電流外還可能有光、磁、力等的聯系），說明電極間必定有聯系，而聯系兩個電極板的物質不是別的，正是電極導體之間的“絕緣”。

現代漢語規范詞典[1]把“起介紹或引導作用，使雙方發生聯系的人或事物”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、電流等信號從一個極板傳播到對方。詞典[1]把“某些波動借以傳播的物質叫做這些波動的介質”，因此“絕緣”也是一種“介質”，或“電介質”。

2.電介質與電氣絕緣

“電介質”有三大特點：組成電介質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、分子的內力或分子間力緊密束縛著；在靜電場中電介質內部也能持久存在電場；而且束縛電荷在靜電場中能沿電場方向發生極化（即有限位移）。[3]

若“電介質”中不存在自由電荷，則稱為“理想電介質”。在恒定電壓作用下，顯然它不會導電，也就是能隔絕電流，這可能就是上節出現絕緣“隔離論”的依據。

實際“電介質”即工程電介質，其內部不可能沒有自由電荷，不可能實現絕緣的電氣“隔離”作用。其中有一部分能滿足一定的電氣要求，這種電介質就稱為“絕緣電介質”。

3.“媒介論”對絕緣創新有重要意義

“絕緣”處于電極間特殊的“媒介”位置上，絕緣通過調節自身組成、相態、宏觀或微觀結構等使媒介變化，便能出現不同的媒介效應，例如使體內的電荷發生積聚、移動、增多或減少、甚至化學變化等，從而可得出介電性能特殊的絕緣制品。

例如氧化鋅介質，其伏安特性與電壓的高低有關，在低電壓下具有很強的電氣“絕緣”能力，而在高電壓下卻能導電。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作用，因而在電力系統、電子線路和家用電氣設備中成為重要的電氣安全保護器件。

再如PTC（正溫度系數）電介質，利用其PTC特性，即在一定的溫度范圍（開關溫度）內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內電流的升、降。利用這一特性，就能有效控制絕緣體內的發熱特性，該系統在運行中還具有安全可靠、節電、方便等優點，因此廣泛用于電加熱設備。

近年來，納米材料改性的納米-聚合物絕緣材料[4]發展很快，例如納米Al2O3-聚酰亞胺（PI）耐電暈漆包線漆中，當納米Al2O3粉料含量為20%時，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級絕緣漆融合后制成的絕緣導線，具有耐高低溫、高導熱、抗電暈等性能，它可用于制造各種特種電機。

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“電”為人們做有用工作的工具。顯然，Moses所預期的絕緣這個“工具”，所能發揮的功能遠比“隔離”作用多得多。前面事例也說明擯棄絕緣的“隔離論”后，確實能使人們的創新思路獲得解放。

三、“媒介論”對電氣絕緣學科教學科研的影響

絕緣的“媒介論”涉及“絕緣”的基礎論述，因此直接影響到電氣絕緣科學技術的研究深度和廣度，甚至會影響到電氣絕緣學科的課程改革，以下面三門課程加以說明。

1.電介質物理

該課程把電介質作為學習絕緣材料的基礎，表明該課程肯定“媒介論”。該課程內容通常主要討論電介質的一般介電特性，建議今后最好能從能帶、勢壘、陷阱等微觀或半微觀角度把絕緣的“媒介論”具體化，系統介紹絕緣中“媒介”作用原理及其與介電特性的關系，從而更能啟發人們開發性能更好的電介質。

2.絕緣設計

即“絕緣系統設計”。特別要注意其中的“絕緣系統”。系統是由無數相互聯系、相互依賴、相互制約、相互作用的事物和過程所形成的統一體，[1]絕緣系統是電系統（泛指常帶電的一切裝置/設備/元件）中的一個不可分隔部分，電系統中的“絕緣系統”并不是只有電系統中的絕緣材料，還必須包括與其聯系緊密、不可分割的導體。

絕緣設計內容應有三項：根據電系統的要求提出絕緣系統的技術條件；確定優化的絕緣系統結構型式（結構優化）；設計中還應充分考慮到最適合的絕緣材料（材料優化）和最合適的絕緣系統工藝（工藝優化）。使所設計的絕緣系統達到技術上先進、經濟上合理、運行中可靠，突出絕緣系統的整體性。國內的絕緣結構設計，與實際工程的聯系比較欠缺。

絕緣設計是實現絕緣工程的關鍵。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。只有通過科學合理的絕緣設計，使電場分布合理，才能解決該矛盾。

3.絕緣技術

現代絕緣技術中往往已經不是一般的工藝，而是一項“絕緣工程”，或“電介質工程”。

絕緣技術主要包含：提交完整的絕緣系統設計；研究所設計的絕緣系統的加工路線和方法，并設計或選用適合的制造工藝和設備；以所提的技術條件逐一檢驗已制成的絕緣系統的各項性能指標，并且嚴格監督絕緣系統的性能變化，要求所設計的系統及其電設備能在規定的工作/環境條件下安全、可靠運行，能全面實現電氣設備的各項功能。

電氣絕緣科學沒有終點，它具有多學科綜合性特征，或者說具有某種邊緣科學技術的特征。高度關注這一特征，不斷融合其他學科的成就，絕緣技術就能不斷得到豐富和創新。

四、結語

“絕緣”與“隔離”之間并不存在必然聯系，即使“絕緣”的有限電氣隔離能力，還得取決于電壓類型、時間長短、溫度、濕度和應力高低等因素。中外詞典或標準的有關條目中占據主流地位的“隔離論”的產生，可能是由于把實際絕緣體當作“理想電介質”所致，建議加以科學糾正。

“絕緣”是電極間的一種“媒介”、“介質”或“電介質”。通過調節材料組成、相態、宏觀或微觀結構等來調節媒介效應，就可能開發電氣絕緣新產品。擯棄絕緣“隔離論”并接納絕緣“媒介論”后，確實能使人們的創新思路獲得解放。

絕緣“媒介論”為“電介質物理學”、“絕緣系統”、“絕緣設計”、“絕緣技術”等課程內容的推陳出新提供了新思路，對推動電氣絕緣學科的發展有著重要意義。

參考文獻：

[1]李行健.現代漢語規范詞典[M].北京：外語教學與研究出版社，2004.

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

[3]陳季丹，劉子玉.電介質物理學[M].北京：機械工業出版社，1982.

[4]《電氣電子絕緣技術手冊》編委會.電氣電子絕緣技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2008.

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

（責任編輯：劉輝）