电气工程教育中的“电气绝缘”新探

摘要：电气“绝缘”是日常所用的电气工程术语，人们对它有不少误解，其中绝缘的“隔离论”最为流行。为此研究了电气“绝缘”的科学概念及其现实意义。

关键词：电气绝缘；媒介；电介质；绝缘系统；绝缘设计；绝缘技术

作者简介：巫松桢（1935-），男，浙江衢州人，西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，教授；钟力生（1961-），男，四川隆昌人，西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，教授。（陕西 西安 710049）

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）23-0231-02

现今我国电气绝缘技术发展很快。例如，在超/特高压交、直流输变电工程、长江三峡等大型水电站以及大型风力发电厂的建设中，许多重大电力装备的成功运行等，都与绝缘技术发展密切相关，表明我国在绝缘系统的设计、制造等方面已经达到国际较高的水平。

但是还应看到当前我国在电气工程中的“电气绝缘”教育方面存在的问题：人们对电气“绝缘”的基本概念的理解有偏差，既不利于用电安全，也不利于绝缘行业产品创新。因此很有必要重新认识并理清电气“绝缘”的科学概念，使电气绝缘科学的研究更深入，并推进电气绝缘专业的教学改革。

一、电气“绝缘”传统观念中的“隔离论”

1.对电气“绝缘”最流行的解释

电气工程中的术语“绝缘”既可作名词，也可作动词。作名词用时，常指“绝缘体”或“绝缘材料”。现代汉语规范词典[1]对“绝缘体”的解释是“极不容易导电的物体”；而电工术语国家标准[2]对“绝缘材料”的解释是“用于防止导电元件之间导电的材料”。作动词用时，现代汉语规范词典[1]、电工术语国家标准[2]的解释是“隔绝电流，使不能通过”等。

术语“电气绝缘”译自英文“Electrical Insulation”，国际标准如IEC 60050（212） ：1990等也提及“Insulation”，牛津现代高级英汉双解辞典等英汉词典中的解释是：“Prevent passage of electricity”等。因此，英汉词典和有关国际标准对“Insulation”的解释都表明中文翻译完全忠实于原文，都是指隔绝电流、极不导电等，本文统称为“绝缘”的“隔离论”。

2.“绝缘”总能起到电气“隔离”作用吗？

通过电容器模型实验和《电介质物理学》[3]可认清“隔离论”的真伪。

在电容器模型中有两个导电极板，极板间用绝缘薄膜或绝缘油隔开，即极板在电气上已被“隔离”。然后在两个极板间施加直流电压，极板间立刻会测到电流脉冲（吸收电流），同时还会持久流过相当小的泄漏电流。如果粗心大意，就以为在电气上已实现了“隔离”。但是，极板间流过的电流表明两个极板并没有真正被“隔离”。若两个极板之间施加的是交流电压，则在极板间还能测量到比泄漏电流大得多的电流，表明隔离作用显著降低。若在两个极板之间施加脉冲电压，则“绝缘”的隔离作用就更小了。

因此，作用电压类型不同时，“绝缘”的电气隔离能力差别很大，电压频率愈高则电气隔离作用愈小。在脉冲电压下，“绝缘”甚至很难起电气隔离作用。即使是在直流电压下，电气隔离作用也是很有限的。

还应指出，当“绝缘”的工作条件或环境条件变化时，“绝缘”甚至连很有限的电气隔离能力也可能失去。例如当“绝缘”所受电压较高或在环境温度、湿度较高的环境中，电气隔离能力就会严重降低。长期运行中的“绝缘”也会逐渐丧失电气隔离能力，这是由于发生“绝缘老化”所致。电气工程中的“绝缘老化”是相当普遍的现象。

“定义”或“概念”要反映事物的本质特性，[1]而“绝缘”与“隔离”间却没有必然联系。因此，“隔离论”只是人们对“绝缘”的一种粗浅解释，或表达对绝缘的一种期望。

二、电气绝缘的“媒介”论

1.电气绝缘是一种“媒介”、“介质”或“电介质”

电容器模型实验还能进一步帮助人们揭示“绝缘”的本质。电容器模型实验中电极间总有电流流过（在稍微复杂一点的实验中，电极间除电流外还可能有光、磁、力等的联系），说明电极间必定有联系，而联系两个电极板的物质不是别的，正是电极导体之间的“绝缘”。

现代汉语规范词典[1]把“起介绍或引导作用，使双方发生联系的人或事物”称为“媒介”。因此这里的“绝缘”就是一种“媒介”。极板借助“绝缘”把电磁波、电流等信号从一个极板传播到对方。词典[1]把“某些波动借以传播的物质叫做这些波动的介质”，因此“绝缘”也是一种“介质”，或“电介质”。

2.电介质与电气绝缘

“电介质”有三大特点：组成电介质的各种带电粒子都是束缚电荷，即所有带电粒子分别被原子、离子、分子的内力或分子间力紧密束缚着；在静电场中电介质内部也能持久存在电场；而且束缚电荷在静电场中能沿电场方向发生极化（即有限位移）。[3]

若“电介质”中不存在自由电荷，则称为“理想电介质”。在恒定电压作用下，显然它不会导电，也就是能隔绝电流，这可能就是上节出现绝缘“隔离论”的依据。

实际“电介质”即工程电介质，其内部不可能没有自由电荷，不可能实现绝缘的电气“隔离”作用。其中有一部分能满足一定的电气要求，这种电介质就称为“绝缘电介质”。

3.“媒介论”对绝缘创新有重要意义

“绝缘”处于电极间特殊的“媒介”位置上，绝缘通过调节自身组成、相态、宏观或微观结构等使媒介变化，便能出现不同的媒介效应，例如使体内的电荷发生积聚、移动、增多或减少、甚至化学变化等，从而可得出介电性能特殊的绝缘制品。

例如氧化锌介质，其伏安特性与电压的高低有关，在低电压下具有很强的电气“绝缘”能力，而在高电压下却能导电。正是利用这种非线性伏安特性，使它具有非常重要的过电压保护作用，因而在电力系统、电子线路和家用电气设备中成为重要的电气安全保护器件。

再如PTC（正温度系数）电介质，利用其PTC特性，即在一定的温度范围（开关温度）内其体积电阻率能随温度升高而显著变化，从而能控制流过电介质内电流的升、降。利用这一特性，就能有效控制绝缘体内的发热特性，该系统在运行中还具有安全可靠、节电、方便等优点，因此广泛用于电加热设备。

近年来，纳米材料改性的纳米-聚合物绝缘材料[4]发展很快，例如纳米Al2O3-聚酰亚胺（PI）耐电晕漆包线漆中，当纳米Al2O3粉料含量为20%时，耐电晕寿命可提高100多倍。再如纳米云母绝缘线，是一种由高纯度云母粉与C级绝缘漆融合后制成的绝缘导线，具有耐高低温、高导热、抗电晕等性能，它可用于制造各种特种电机。

G L Moses[5]说：“Insulation is man’s tool for harnessing electricity to do useful work”。意思大致是：“绝缘”是人们用来引导“电”为人们做有用工作的工具。显然，Moses所预期的绝缘这个“工具”，所能发挥的功能远比“隔离”作用多得多。前面事例也说明摈弃绝缘的“隔离论”后，确实能使人们的创新思路获得解放。

三、“媒介论”对电气绝缘学科教学科研的影响

绝缘的“媒介论”涉及“绝缘”的基础论述，因此直接影响到电气绝缘科学技术的研究深度和广度，甚至会影响到电气绝缘学科的课程改革，以下面三门课程加以说明。

1.电介质物理

该课程把电介质作为学习绝缘材料的基础，表明该课程肯定“媒介论”。该课程内容通常主要讨论电介质的一般介电特性，建议今后最好能从能带、势垒、陷阱等微观或半微观角度把绝缘的“媒介论”具体化，系统介绍绝缘中“媒介”作用原理及其与介电特性的关系，从而更能启发人们开发性能更好的电介质。

2.绝缘设计

即“绝缘系统设计”。特别要注意其中的“绝缘系统”。系统是由无数相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的事物和过程所形成的统一体，[1]绝缘系统是电系统（泛指常带电的一切装置/设备/元件）中的一个不可分隔部分，电系统中的“绝缘系统”并不是只有电系统中的绝缘材料，还必须包括与其联系紧密、不可分割的导体。

绝缘设计内容应有三项：根据电系统的要求提出绝缘系统的技术条件；确定优化的绝缘系统结构型式（结构优化）；设计中还应充分考虑到最适合的绝缘材料（材料优化）和最合适的绝缘系统工艺（工艺优化）。使所设计的绝缘系统达到技术上先进、经济上合理、运行中可靠，突出绝缘系统的整体性。国内的绝缘结构设计，与实际工程的联系比较欠缺。

绝缘设计是实现绝缘工程的关键。例如人们都要求绝缘能起电气隔离作用，但已指出绝缘体的隔离作用有限。只有通过科学合理的绝缘设计，使电场分布合理，才能解决该矛盾。

3.绝缘技术

现代绝缘技术中往往已经不是一般的工艺，而是一项“绝缘工程”，或“电介质工程”。

绝缘技术主要包含：提交完整的绝缘系统设计；研究所设计的绝缘系统的加工路线和方法，并设计或选用适合的制造工艺和设备；以所提的技术条件逐一检验已制成的绝缘系统的各项性能指标，并且严格监督绝缘系统的性能变化，要求所设计的系统及其电设备能在规定的工作/环境条件下安全、可靠运行，能全面实现电气设备的各项功能。

电气绝缘科学没有终点，它具有多学科综合性特征，或者说具有某种边缘科学技术的特征。高度关注这一特征，不断融合其他学科的成就，绝缘技术就能不断得到丰富和创新。

四、结语

“绝缘”与“隔离”之间并不存在必然联系，即使“绝缘”的有限电气隔离能力，还得取决于电压类型、时间长短、温度、湿度和应力高低等因素。中外词典或标准的有关条目中占据主流地位的“隔离论”的产生，可能是由于把实际绝缘体当作“理想电介质”所致，建议加以科学纠正。

“绝缘”是电极间的一种“媒介”、“介质”或“电介质”。通过调节材料组成、相态、宏观或微观结构等来调节媒介效应，就可能开发电气绝缘新产品。摈弃绝缘“隔离论”并接纳绝缘“媒介论”后，确实能使人们的创新思路获得解放。

绝缘“媒介论”为“电介质物理学”、“绝缘系统”、“绝缘设计”、“绝缘技术”等课程内容的推陈出新提供了新思路，对推动电气绝缘学科的发展有着重要意义。

参考文献：

[1]李行健.现代汉语规范词典[M].北京：外语教学与研究出版社，2004.

[2]GB/T 2900.5-2002，电工术语——绝缘固体、液体和气体[Z].

[3]陈季丹，刘子玉.电介质物理学[M].北京：机械工业出版社，1982.

[4]《电气电子绝缘技术手册》编委会.电气电子绝缘技术手册[M].北京：机械工业出版社，2008.

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