電線電纜絕緣老化機(jī)理及其表現(xiàn)形式研究

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(jì)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(cè)與診斷技術(shù)對(duì)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(huì)在熱的長(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)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(duì)熱老化的作用不明顯，炎熱高溫的地區(qū)作用相對(duì)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(duì)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(guò)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(shí)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(chǎng)長(zhǎng)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(chǎng)強(qiáng)表示絕緣材料耐強(qiáng)電場(chǎng)的性能。各種高分子材料的本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)都在MV/cm 的數(shù)量級(jí)。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(shí)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(chǎng)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(chǎng)時(shí)，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(guò)，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(chǎng)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(zhǎng)；反之，絕緣在額定工作電壓下的壽命越短。在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下，試驗(yàn)絕緣擊穿的時(shí)間，依據(jù)上式，作出lgt 和lgE 的關(guān)系曲線可以近似估計(jì)絕緣在額定工作電壓下的壽命。

當(dāng)然絕緣老化是電場(chǎng)、熱、機(jī)械力、環(huán)境（水分、陽(yáng)光等）等眾多因素綜合作用的結(jié)果，是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，在推算絕緣材料使用壽命時(shí)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(chǎng)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(wú)定論。其中有本征破壞說(shuō)、離子碰撞說(shuō)、龜裂發(fā)生說(shuō)以及機(jī)械破壞說(shuō)等等。現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室制造電樹枝的方法是通過(guò)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(shuō)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(huì)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(zhǎng)期試驗(yàn)時(shí)，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(duì)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(chǎng)強(qiáng)度、長(zhǎng)時(shí)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(lái)是白色的,但是干燥后就不易觀察到。水樹枝多見(jiàn)于結(jié)晶性材料如聚乙烯和交聯(lián)聚乙烯，而在無(wú)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(gè)條件：水、起點(diǎn)、電場(chǎng)，這為防止水樹枝的產(chǎn)生提供了指導(dǎo)。首先，對(duì)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?；瘜W(xué)樹枝呈現(xiàn)為黑色或者紅褐色的連續(xù)結(jié)構(gòu)，在無(wú)電場(chǎng)的作用下也會(huì)發(fā)生。

2.2 絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)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(chǎng)中的電介質(zhì)，沿著電場(chǎng)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(chǎng)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(huì)出現(xiàn)類似的情況，正負(fù)離子在電場(chǎng)作用下偏離原來(lái)的位置，形成偶極子。

位移極化程度隨電場(chǎng)強(qiáng)度增大而增大，而且形成的速度極快，外電場(chǎng)一旦消失，極化隨即也消失。這種極化過(guò)程中沒(méi)有能量損耗，故稱為無(wú)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(chǎng)的作用下，其熱運(yùn)動(dòng)趨向于順電場(chǎng)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(dòng)的限制，溫度越高，熱運(yùn)動(dòng)越活躍，極化越困難。因此，這種極化建立速度較緩慢，電場(chǎng)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(méi)有電場(chǎng)的作用，它本身也呈現(xiàn)為一個(gè)偶極子。沒(méi)有外電場(chǎng)時(shí)，它們隨著熱運(yùn)動(dòng)隨機(jī)排列，因此整體對(duì)外不顯電極性。但在電場(chǎng)作用下，偶極子會(huì)隨著電場(chǎng)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(chǎng)的作用下沿著電場(chǎng)方向遷移，改變分布狀況，在遷移過(guò)程中被介質(zhì)中的電極或缺陷捕獲，不能及時(shí)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(duì)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(huì)呈現(xiàn)一個(gè)很小的值，就是說(shuō)，介質(zhì)中有少量自由的帶電粒子存在。帶電粒子在電場(chǎng)的作用下會(huì)定向運(yùn)動(dòng)，形成微弱的電流，這就是平時(shí)所說(shuō)絕緣漏電流。

介質(zhì)中的載流子一般是自由離子，它們來(lái)源于介質(zhì)本身，也有的來(lái)自外部雜質(zhì)。外部溫度越高，分子熱運(yùn)動(dòng)就越劇烈，對(duì)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(chǎng)的作用下，會(huì)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(huì)下降。

3）損耗

絕緣介質(zhì)在電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電能的損耗，這些損耗主要來(lái)自以下三個(gè)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(dòng)時(shí)會(huì)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(chǎng)對(duì)介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)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(chǎng)頻率的增加，電荷往復(fù)運(yùn)動(dòng)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(chǎng)集中處電場(chǎng)強(qiáng)度高于某一數(shù)值時(shí)產(chǎn)生游離放電引起的。游離損耗只有當(dāng)電壓超過(guò)一定數(shù)值時(shí)才會(huì)發(fā)生，并且隨著電壓的升高而急劇增加。

3 結(jié)束語(yǔ)

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(cè)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(cè)技術(shù)和開發(fā)出合適的絕緣檢測(cè)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(cè)方法分析[J].武漢工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),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(cè)儀的設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2003(02）.