电线电缆绝缘老化机理及其表现形式研究

电线电缆绝缘老化机理及其表现形式研究

【摘要】绝缘材料在使用一定的年限以后，绝缘性能都会呈现一定程度的劣化，这被称为“绝缘老化”。绝缘材料的老化原因是多样的、复杂的，最具代表性的主要有：热老化、机械老化、电压老化等。绝缘材料老化的表现主要有绝缘电阻下降、介质损耗增大等，对老化了的绝缘材料进行显微观察，可以发现树枝状结构存在。

【关键词】电线电缆；绝缘老化；电阻下降；介质损耗；绝缘检测；综合分析；不确定性

0 引言

据统计数据表明，电力设备运行中60%-80%的事故是由绝缘故障导致的，所以研究电力设备绝缘检测与诊断技术对于提高电力设备运行可靠性、安全性具有极其重要的意义。

1 绝缘老化机理

1.1 热老化

热老化指的是绝缘介质的化学结构在热量的作用下发生变化，使得绝缘性能下降的现象。热老化的本质是绝缘材料在热量的影响下发生了化学变化，所以热老化也被称为化学老化。一般情况下，化学反应的速度随着环境温度的升高而加快。用于绝缘的高分子有机材料会在热的长期作用下发生热降解，主要是氧化反应，这种反应也被称为自氧化游离基连锁反应，如聚乙烯的氧化反应就是从C-H 键中H 的脱离开始的。

热老化使得绝缘材料的电气和机械性能同时产生劣化，绝缘寿命减少，但是最显著的表现还是材料的伸长率、拉伸强度等机械特性的变化。

一般地区，大气的温度对热老化的作用不明显，炎热高温的地区作用相对大些，但不是主要因素，热老化主要是电力设备自身产生的比较大的热量所致，如电能损耗、局部放电等引起的较大的温升。为了防止绝缘材料被氧化，减缓连锁反应的速度，一般都是采用添加抗氧化剂的方法。聚乙烯的抗氧化剂常使用苯酚系化合物，其主要作用是提供H-，与氧化老化连锁反应中产生的COO-结合，以阻止连锁反应继续进行。

大量实践经验的积累表明绝缘材料的热老化寿命与温度的关系服从Arrhenius 定律，即下式：

f（T）=f■exp-■

其中：f（T）表示老化状态的物理量；E■为引起老化所必须的能量；T为热力学温度；f■、k均为常数；

由上式可以看出T 越高，对材料的绝缘要求也越高，相同绝缘材料的使用寿命成指数下降。

1.2 机械老化

机械老化是固体绝缘系统在生产、安装、运行过程中受到各种机械应力的作用发生的老化。这种老化主要是绝缘材料在机械应力作用下产生微观的缺陷，这些微小的缺陷随着时间的流逝和机械应力的持续作用慢慢恶化，形成微小裂缝并逐渐扩大，直至引起局部放电等破坏绝缘的现象，这种现象也被称为“电-机械击穿”。

1.3 电老化

电老化指的是在电场长期作用下，电力设备绝缘系统中发生的老化。电老化机理很复杂，它包含因为绝缘击穿产生的放电引起的一系列物理和化学效应。

一般可以用绝缘材料的本征击穿场强表示绝缘材料耐强电场的性能。各种高分子材料的本征击穿场强都在MV/cm 的数量级。但是，实际所以中绝缘材料的绝缘击穿强度比本征击穿强度要小很多。这其中的原因是多种的，比如厚度效应、杂质的混入、制造时产生的气孔、材料的不均匀形成的凸起产生的电极效应等等。总之，本征击穿强度表征的是理想情况下材料的击穿场强。

固体绝缘材料的绝缘击穿机理主要有以下两种理论：

1）达到一定电场时，电子数量急剧增加，使得绝缘材料遭到击穿破坏，由于击穿破坏的主要原因是电子，因而称为“电击穿”；

2）在绝缘体上加上电压后，有微电流通过，由这一电流产生的焦耳热导致材料击穿破坏，这被称为“热击穿”。

此外，还有上文提到的“电-机械击穿”，也是原因之一。

和热老化寿命类似，绝缘材料的电老化寿命t 与电场强度 E 的关系满足“n 次方法则”，如下式所示：

t=k·E-n

式中：n 值的大小因为材料不同、材料中的缺陷不同等因素而不同。n 越大，老化速度越慢，绝缘在额定工作电压下的寿命越长；反之，绝缘在额定工作电压下的寿命越短。在不同电场强度下，试验绝缘击穿的时间，依据上式，作出lgt 和lgE 的关系曲线可以近似估计绝缘在额定工作电压下的寿命。

当然绝缘老化是电场、热、机械力、环境（水分、阳光等）等众多因素综合作用的结果，是一个非常复杂的过程，在推算绝缘材料使用寿命时应该尽量综合以上因素考虑。

2 绝缘老化的表现形式

2.1 绝缘老化中的树枝结构

1）电树枝

研究发现，在固体绝缘材料的高压击穿试验后，可以观察到类似树枝或者树根一样的击穿痕迹。在高电压工程学上，这种树枝状的绝缘击穿部分称为“树枝”，其发生、发展的现象叫做“树枝形成”。这种树枝是由电场的作用导致击穿所致，所以又被称为“电树枝”。

电树枝产生的原因和电老化的原因一样有多种理论，但是尚无定论。其中有本征破坏说、离子碰撞说、龟裂发生说以及机械破坏说等等。现在实验室制造电树枝的方法是通过在插入绝缘材料内部的细针施加高压，这在一定程度上说明电树枝的形成和绝缘材料不均匀引起的电极效应有关。

电树枝形成后会不断发展，直至形成直径数微米到数百微米的细小中空管，这是引起绝缘局部放电原因之一。

2）水树枝

橡皮、塑料电缆等浸水后施加电压作长期试验时，与不加电压只浸水的情况相比较其绝缘介质特性要低。这一现象被称为“浸水课电现象”。对产生“浸水课电现象”的绝缘材料进行显微观察，发现有和电树枝相似的树枝状结构的存在，因为这种树枝结构和水有关，并且是在低电场强度、长时间作用下形成的，为与电树枝区别，称之为水树枝。水树枝在充满水的状态下看起来是白色的，但是干燥后就不易观察到。水树枝多见于结晶性材料如聚乙烯和交联聚乙烯，而在无定型材料的PVC、丁基橡胶等聚合物中少有发现。此外，水树枝在直流电压的作用下较难产生，但是在交流电压作用下较易产生，高频电压也能促使水树枝的产生。在显微观察下发现水树枝的结构和电树枝还是存在一定差别的。水树枝一般为直径0.1-1μm 的微小气泡的集合，它们之间由直径为0.05μm 的微小导管相连，这些微气泡和微导管中有水的存在。

水树枝的发生一般需要三个条件：水、起点、电场，这为防止水树枝的产生提供了指导。首先，对于铺设在地面以下的电力电缆，要尽量避免与水直接接触。但是，完全和水隔离是比较难做到的。其次，消除绝缘材料中的微隙、杂质、凸起等作为水树枝产生的起点的部分，这是最现实有效的方法。

3）化学树枝