電線電纜絕緣老化機理及其表現形式研究

蔣 萍

（寧夏電子產品監督檢驗院，寧夏 銀川750001）

0 引言

據統計數據表明，電力設備運行中60%-80%的事故是由絕緣故障導致的，所以研究電力設備絕緣檢測與診斷技術對于提高電力設備運行可靠性、安全性具有極其重要的意義。

1 絕緣老化機理

1.1 熱老化

熱老化指的是絕緣介質的化學結構在熱量的作用下發生變化，使得絕緣性能下降的現象。熱老化的本質是絕緣材料在熱量的影響下發生了化學變化，所以熱老化也被稱為化學老化。一般情況下，化學反應的速度隨著環境溫度的升高而加快。用于絕緣的高分子有機材料會在熱的長期作用下發生熱降解，主要是氧化反應，這種反應也被稱為自氧化游離基連鎖反應，如聚乙烯的氧化反應就是從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械性能同時產生劣化，絕緣壽命減少，但是最顯著的表現還是材料的伸長率、拉伸強度等機械特性的變化。

一般地區，大氣的溫度對熱老化的作用不明顯，炎熱高溫的地區作用相對大些，但不是主要因素，熱老化主要是電力設備自身產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中產生的COO-結合，以阻止連鎖反應繼續進行。

大量實踐經驗的積累表明絕緣材料的熱老化壽命與溫度的關系服從Arrhenius 定律，即下式：

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

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下降。

1.2 機械老化

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

1.3 電老化

電老化指的是在電場長期作用下，電力設備絕緣系統中發生的老化。電老化機理很復雜，它包含因為絕緣擊穿產生的放電引起的一系列物理和化學效應。

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

固體絕緣材料的絕緣擊穿機理主要有以下兩種理論：

1）達到一定電場時，電子數量急劇增加，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，由這一電流產生的焦耳熱導致材料擊穿破壞，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 與電場強度E 的關系滿足“n 次方法則”，如下式所示：

式中：n 值的大小因為材料不同、 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。在不同電場強度下，試驗絕緣擊穿的時間，依據上式，作出lgt 和lgE 的關系曲線可以近似估計絕緣在額定工作電壓下的壽命。

當然絕緣老化是電場、熱、機械力、環境（水分、陽光等）等眾多因素綜合作用的結果，是一個非常復雜的過程，在推算絕緣材料使用壽命時應該盡量綜合以上因素考慮。

2 絕緣老化的表現形式

2.1 絕緣老化中的樹枝結構

1）電樹枝

研究發現，在固體絕緣材料的高壓擊穿試驗后，可以觀察到類似樹枝或者樹根一樣的擊穿痕跡。在高電壓工程學上，這種樹枝狀的絕緣擊穿部分稱為“樹枝”，其發生、發展的現象叫做“樹枝形成”。這種樹枝是由電場的作用導致擊穿所致，所以又被稱為“電樹枝”。

電樹枝產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、龜裂發生說以及機械破壞說等等。現在實驗室制造電樹枝的方法是通過在插入絕緣材料內部的細針施加高壓，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有關。

電樹枝形成后會不斷發展，直至形成直徑數微米到數百微米的細小中空管，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時，與不加電壓只浸水的情況相比較其絕緣介質特性要低。這一現象被稱為“浸水課電現象”。對產生“浸水課電現象”的絕緣材料進行顯微觀察，發現有和電樹枝相似的樹枝狀結構的存在，因為這種樹枝結構和水有關，并且是在低電場強度、長時間作用下形成的，為與電樹枝區別，稱之為水樹枝。水樹枝在充滿水的狀態下看起來是白色的,但是干燥后就不易觀察到。水樹枝多見于結晶性材料如聚乙烯和交聯聚乙烯，而在無定型材料的PVC、丁基橡膠等聚合物中少有發現。此外，水樹枝在直流電壓的作用下較難產生，但是在交流電壓作用下較易產生，高頻電壓也能促使水樹枝的產生。

在顯微觀察下發現水樹枝的結構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 的微小導管相連，這些微氣泡和微導管中有水的存在。

水樹枝的發生一般需要三個條件：水、起點、電場，這為防止水樹枝的產生提供了指導。首先，對于鋪設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、凸起等作為水樹枝產生的起點的部分，這是最現實有效的方法。

3）化學樹枝

在電纜絕緣介質中發現的樹枝狀結構還有一種為化學樹枝。化學樹枝主要是由于硫化物從電纜外圍穿透絕緣層并與銅導體發生反應形成硫化銅，硫化銅滲透到聚乙烯電纜的缺陷部位，形成樹枝狀的結晶。化學樹枝呈現為黑色或者紅褐色的連續結構，在無電場的作用下也會發生。

2.2 絕緣介質在電場作用下的其它特性

1）極化

任何不同的絕緣材料，都可以認為是置于電極之間的電介質，并呈現電介質的特性，極化現象就是其一。極化是指置于電場中的電介質，沿著電場方向產生偶極矩、在電介質表面產生束縛電荷的現象。根據形成極化機理的不同，介質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，電子軌道發生彈性位移，從而使得原本呈電中性的分子變成呈現正負極的偶極子。由離子組成的分子結構也會出現類似的情況，正負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

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

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

（3）偶極子極化

在介質中存在一種特殊的分子，即使沒有電場的作用，它本身也呈現為一個偶極子。沒有外電場時，它們隨著熱運動隨機排列，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生偏轉。

（4）夾層極化

絕緣介質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中的電極或缺陷捕獲，不能及時放電或復合，于是在某一空間產生宏觀感應電偶極矩，形成空間電荷極化。

2）電導

對于理想絕緣介質而言，不含任何自由的帶電粒子，電導率σ 等于0，介質是不導電的。但是實際上，σ 總會呈現一個很小的值，就是說，介質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動，形成微弱的電流，這就是平時所說絕緣漏電流。

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

3）損耗

絕緣介質在電場的作用下會產生電能的損耗，這些損耗主要來自以下三個方面：

（1）電導損耗

如前文所述，絕緣介質存在一定的σ 值，于是電流在介質中運動時會產生焦耳熱現象，電能轉化為熱量散發。

（2）極化損耗

電場對介質中運動的電荷做功，產生絕緣介質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，電荷往復運動更加頻繁，極化損耗也越大。

（3）游離損耗

游離損耗是絕緣介質內部由于氣泡、油隙、凸起電極等電場集中處電場強度高于某一數值時產生游離放電引起的。游離損耗只有當電壓超過一定數值時才會發生，并且隨著電壓的升高而急劇增加。

3 結束語

總之，絕緣損壞的原因是復雜多樣的，為了更加準確、可靠、方便的測量到反映電纜絕緣系統劣化程度的特征量，及早發現絕緣隱患，避免事故的發生，不斷研究先進的絕緣檢測技術和開發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].武漢工業學院學報,2003(02）.

［2］王瑞明,曹慶文,董連文.數字式介質損耗因數tanδ 檢測儀的設計[J].電測與儀表,2003(02）.