蔣 萍

（寧夏電子產(chǎn)品監(jiān)督檢驗(yàn)院，寧夏 銀川750001）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，電力設(shè)備運(yùn)行中60%-80%的事故是由絕緣故障導(dǎo)致的，所以研究電力設(shè)備絕緣檢測與診斷技術(shù)對于提高電力設(shè)備運(yùn)行可靠性、安全性具有極其重要的意義。

1 絕緣老化機(jī)理

1.1 熱老化

熱老化指的是絕緣介質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)在熱量的作用下發(fā)生變化，使得絕緣性能下降的現(xiàn)象。熱老化的本質(zhì)是絕緣材料在熱量的影響下發(fā)生了化學(xué)變化，所以熱老化也被稱為化學(xué)老化。一般情況下，化學(xué)反應(yīng)的速度隨著環(huán)境溫度的升高而加快。用于絕緣的高分子有機(jī)材料會在熱的長期作用下發(fā)生熱降解，主要是氧化反應(yīng)，這種反應(yīng)也被稱為自氧化游離基連鎖反應(yīng)，如聚乙烯的氧化反應(yīng)就是從C-H 鍵中H 的脫離開始的。

熱老化使得絕緣材料的電氣和機(jī)械性能同時產(chǎn)生劣化，絕緣壽命減少，但是最顯著的表現(xiàn)還是材料的伸長率、拉伸強(qiáng)度等機(jī)械特性的變化。

一般地區(qū)，大氣的溫度對熱老化的作用不明顯，炎熱高溫的地區(qū)作用相對大些，但不是主要因素，熱老化主要是電力設(shè)備自身產(chǎn)生的比較大的熱量所致，如電能損耗、局部放電等引起的較大的溫升。為了防止絕緣材料被氧化，減緩連鎖反應(yīng)的速度，一般都是采用添加抗氧化劑的方法。聚乙烯的抗氧化劑常使用苯酚系化合物，其主要作用是提供H-，與氧化老化連鎖反應(yīng)中產(chǎn)生的COO-結(jié)合，以阻止連鎖反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。

大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累表明絕緣材料的熱老化壽命與溫度的關(guān)系服從Arrhenius 定律，即下式：

其中：f（T）表示老化狀態(tài)的物理量；EA為引起老化所必須的能量；T 為熱力學(xué)溫度；fc、k 均為常數(shù)；

由上式可以看出T 越高，對材料的絕緣要求也越高，相同絕緣材料的使用壽命成指數(shù)下降。

1.2 機(jī)械老化

機(jī)械老化是固體絕緣系統(tǒng)在生產(chǎn)、安裝、運(yùn)行過程中受到各種機(jī)械應(yīng)力的作用發(fā)生的老化。這種老化主要是絕緣材料在機(jī)械應(yīng)力作用下產(chǎn)生微觀的缺陷，這些微小的缺陷隨著時間的流逝和機(jī)械應(yīng)力的持續(xù)作用慢慢惡化，形成微小裂縫并逐漸擴(kuò)大，直至引起局部放電等破壞絕緣的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象也被稱為“電-機(jī)械擊穿”。

1.3 電老化

電老化指的是在電場長期作用下，電力設(shè)備絕緣系統(tǒng)中發(fā)生的老化。電老化機(jī)理很復(fù)雜，它包含因?yàn)榻^緣擊穿產(chǎn)生的放電引起的一系列物理和化學(xué)效應(yīng)。

一般可以用絕緣材料的本征擊穿場強(qiáng)表示絕緣材料耐強(qiáng)電場的性能。各種高分子材料的本征擊穿場強(qiáng)都在MV/cm 的數(shù)量級。但是，實(shí)際所以中絕緣材料的絕緣擊穿強(qiáng)度比本征擊穿強(qiáng)度要小很多。這其中的原因是多種的，比如厚度效應(yīng)、雜質(zhì)的混入、制造時產(chǎn)生的氣孔、材料的不均勻形成的凸起產(chǎn)生的電極效應(yīng)等等?？傊?，本征擊穿強(qiáng)度表征的是理想情況下材料的擊穿場強(qiáng)。

固體絕緣材料的絕緣擊穿機(jī)理主要有以下兩種理論：

1）達(dá)到一定電場時，電子數(shù)量急劇增加，使得絕緣材料遭到擊穿破壞，由于擊穿破壞的主要原因是電子，因而稱為“電擊穿”；

2）在絕緣體上加上電壓后，有微電流通過，由這一電流產(chǎn)生的焦耳熱導(dǎo)致材料擊穿破壞，這被稱為“熱擊穿”。

此外，還有上文提到的“電－機(jī)械擊穿”，也是原因之一。

和熱老化壽命類似，絕緣材料的電老化壽命t 與電場強(qiáng)度E 的關(guān)系滿足“n 次方法則”，如下式所示：

式中：n 值的大小因?yàn)椴牧喜煌?材料中的缺陷不同等因素而不同。n 越大，老化速度越慢，絕緣在額定工作電壓下的壽命越長；反之，絕緣在額定工作電壓下的壽命越短。在不同電場強(qiáng)度下，試驗(yàn)絕緣擊穿的時間，依據(jù)上式，作出lgt 和lgE 的關(guān)系曲線可以近似估計絕緣在額定工作電壓下的壽命。

當(dāng)然絕緣老化是電場、熱、機(jī)械力、環(huán)境（水分、陽光等）等眾多因素綜合作用的結(jié)果，是一個非常復(fù)雜的過程，在推算絕緣材料使用壽命時應(yīng)該盡量綜合以上因素考慮。

2 絕緣老化的表現(xiàn)形式

2.1 絕緣老化中的樹枝結(jié)構(gòu)

1）電樹枝

研究發(fā)現(xiàn)，在固體絕緣材料的高壓擊穿試驗(yàn)后，可以觀察到類似樹枝或者樹根一樣的擊穿痕跡。在高電壓工程學(xué)上，這種樹枝狀的絕緣擊穿部分稱為“樹枝”，其發(fā)生、發(fā)展的現(xiàn)象叫做“樹枝形成”。這種樹枝是由電場的作用導(dǎo)致?lián)舸┧?，所以又被稱為“電樹枝”。

電樹枝產(chǎn)生的原因和電老化的原因一樣有多種理論，但是尚無定論。其中有本征破壞說、離子碰撞說、龜裂發(fā)生說以及機(jī)械破壞說等等。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室制造電樹枝的方法是通過在插入絕緣材料內(nèi)部的細(xì)針施加高壓，這在一定程度上說明電樹枝的形成和絕緣材料不均勻引起的電極效應(yīng)有關(guān)。

電樹枝形成后會不斷發(fā)展，直至形成直徑數(shù)微米到數(shù)百微米的細(xì)小中空管，這是引起絕緣局部放電原因之一。

2）水樹枝

橡皮、塑料電纜等浸水后施加電壓作長期試驗(yàn)時，與不加電壓只浸水的情況相比較其絕緣介質(zhì)特性要低。這一現(xiàn)象被稱為“浸水課電現(xiàn)象”。對產(chǎn)生“浸水課電現(xiàn)象”的絕緣材料進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)有和電樹枝相似的樹枝狀結(jié)構(gòu)的存在，因?yàn)檫@種樹枝結(jié)構(gòu)和水有關(guān)，并且是在低電場強(qiáng)度、長時間作用下形成的，為與電樹枝區(qū)別，稱之為水樹枝。水樹枝在充滿水的狀態(tài)下看起來是白色的,但是干燥后就不易觀察到。水樹枝多見于結(jié)晶性材料如聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯，而在無定型材料的PVC、丁基橡膠等聚合物中少有發(fā)現(xiàn)。此外，水樹枝在直流電壓的作用下較難產(chǎn)生，但是在交流電壓作用下較易產(chǎn)生，高頻電壓也能促使水樹枝的產(chǎn)生。

在顯微觀察下發(fā)現(xiàn)水樹枝的結(jié)構(gòu)和電樹枝還是存在一定差別的。水樹枝一般為直徑0.1-1μm 的微小氣泡的集合，它們之間由直徑為0.05μm 的微小導(dǎo)管相連，這些微氣泡和微導(dǎo)管中有水的存在。

水樹枝的發(fā)生一般需要三個條件：水、起點(diǎn)、電場，這為防止水樹枝的產(chǎn)生提供了指導(dǎo)。首先，對于鋪設(shè)在地面以下的電力電纜，要盡量避免與水直接接觸。但是，完全和水隔離是比較難做到的。其次，消除絕緣材料中的微隙、雜質(zhì)、凸起等作為水樹枝產(chǎn)生的起點(diǎn)的部分，這是最現(xiàn)實(shí)有效的方法。

3）化學(xué)樹枝

在電纜絕緣介質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的樹枝狀結(jié)構(gòu)還有一種為化學(xué)樹枝?；瘜W(xué)樹枝主要是由于硫化物從電纜外圍穿透絕緣層并與銅導(dǎo)體發(fā)生反應(yīng)形成硫化銅，硫化銅滲透到聚乙烯電纜的缺陷部位，形成樹枝狀的結(jié)晶。化學(xué)樹枝呈現(xiàn)為黑色或者紅褐色的連續(xù)結(jié)構(gòu)，在無電場的作用下也會發(fā)生。

2.2 絕緣介質(zhì)在電場作用下的其它特性

1）極化

任何不同的絕緣材料，都可以認(rèn)為是置于電極之間的電介質(zhì)，并呈現(xiàn)電介質(zhì)的特性，極化現(xiàn)象就是其一。極化是指置于電場中的電介質(zhì)，沿著電場方向產(chǎn)生偶極矩、在電介質(zhì)表面產(chǎn)生束縛電荷的現(xiàn)象。根據(jù)形成極化機(jī)理的不同，介質(zhì)極化可以分為以下四種：

（1）電子和離子的位移極化

分子中的電子在電場的作用下，電子軌道發(fā)生彈性位移，從而使得原本呈電中性的分子變成呈現(xiàn)正負(fù)極的偶極子。由離子組成的分子結(jié)構(gòu)也會出現(xiàn)類似的情況，正負(fù)離子在電場作用下偏離原來的位置，形成偶極子。

位移極化程度隨電場強(qiáng)度增大而增大，而且形成的速度極快，外電場一旦消失，極化隨即也消失。這種極化過程中沒有能量損耗，故稱為無損極化或彈性極化。

（2）熱離子位移極化

介質(zhì)中少量與周圍分子聯(lián)系較弱的帶電離子（一般為雜質(zhì)）在外電場的作用下，其熱運(yùn)動趨向于順電場方向在有限的范圍內(nèi)位移，造成這些離子在介質(zhì)中分布不均，形成偶極化。

這種極化受到分子熱運(yùn)動的限制，溫度越高，熱運(yùn)動越活躍，極化越困難。因此，這種極化建立速度較緩慢，電場消失后，復(fù)原也較緩慢。

（3）偶極子極化

在介質(zhì)中存在一種特殊的分子，即使沒有電場的作用，它本身也呈現(xiàn)為一個偶極子。沒有外電場時，它們隨著熱運(yùn)動隨機(jī)排列，因此整體對外不顯電極性。但在電場作用下，偶極子會隨著電場力發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

（4）夾層極化

絕緣介質(zhì)中的自由離子和電子在外電場的作用下沿著電場方向遷移，改變分布狀況，在遷移過程中被介質(zhì)中的電極或缺陷捕獲，不能及時放電或復(fù)合，于是在某一空間產(chǎn)生宏觀感應(yīng)電偶極矩，形成空間電荷極化。

2）電導(dǎo)

對于理想絕緣介質(zhì)而言，不含任何自由的帶電粒子，電導(dǎo)率σ 等于0，介質(zhì)是不導(dǎo)電的。但是實(shí)際上，σ 總會呈現(xiàn)一個很小的值，就是說，介質(zhì)中有少量自由的帶電粒子存在。帶電粒子在電場的作用下會定向運(yùn)動，形成微弱的電流，這就是平時所說絕緣漏電流。

介質(zhì)中的載流子一般是自由離子，它們來源于介質(zhì)本身，也有的來自外部雜質(zhì)。外部溫度越高，分子熱運(yùn)動就越劇烈，對自由離子的約束也越小，形成的電導(dǎo)電流越大，這一點(diǎn)和金屬的導(dǎo)電特性是完全相反的。此外，介質(zhì)在外加高壓電場的作用下，會形成一定程度的電離，使得載流子數(shù)目增多，σ 下降。當(dāng)然，介質(zhì)受潮后σ 也會下降。

3）損耗

絕緣介質(zhì)在電場的作用下會產(chǎn)生電能的損耗，這些損耗主要來自以下三個方面：

（1）電導(dǎo)損耗

如前文所述，絕緣介質(zhì)存在一定的σ 值，于是電流在介質(zhì)中運(yùn)動時會產(chǎn)生焦耳熱現(xiàn)象，電能轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)。

（2）極化損耗

電場對介質(zhì)中運(yùn)動的電荷做功，產(chǎn)生絕緣介質(zhì)因松弛極化而引起的熱損耗，這就是極化損耗。隨著交變電場頻率的增加，電荷往復(fù)運(yùn)動更加頻繁，極化損耗也越大。

（3）游離損耗

游離損耗是絕緣介質(zhì)內(nèi)部由于氣泡、油隙、凸起電極等電場集中處電場強(qiáng)度高于某一數(shù)值時產(chǎn)生游離放電引起的。游離損耗只有當(dāng)電壓超過一定數(shù)值時才會發(fā)生，并且隨著電壓的升高而急劇增加。

3 結(jié)束語

總之，絕緣損壞的原因是復(fù)雜多樣的，為了更加準(zhǔn)確、可靠、方便的測量到反映電纜絕緣系統(tǒng)劣化程度的特征量，及早發(fā)現(xiàn)絕緣隱患，避免事故的發(fā)生，不斷研究先進(jìn)的絕緣檢測技術(shù)和開發(fā)出合適的絕緣檢測裝置是十分必要和迫切的。

［1］周龍,陳明意.電力電纜絕緣性能檢測方法分析[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2003(02）.

［2］王瑞明,曹慶文,董連文.數(shù)字式介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 檢測儀的設(shè)計[J].電測與儀表,2003(02）.