电线电缆绝缘老化机理及其表现形式研究

蒋 萍

（宁夏电子产品监督检验院，宁夏 银川750001）

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：

其中：f（T）表示老化状态的物理量；EA为引起老化所必须的能量；T 为热力学温度；fc、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：

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

在电缆绝缘介质中发现的树枝状结构还有一种为化学树枝。化学树枝主要是由于硫化物从电缆外围穿透绝缘层并与铜导体发生反应形成硫化铜，硫化铜渗透到聚乙烯电缆的缺陷部位，形成树枝状的结晶。化学树枝呈现为黑色或者红褐色的连续结构，在无电场的作用下也会发生。

2.2 绝缘介质在电场作用下的其它特性

1）极化

任何不同的绝缘材料，都可以认为是置于电极之间的电介质，并呈现电介质的特性，极化现象就是其一。极化是指置于电场中的电介质，沿着电场方向产生偶极矩、在电介质表面产生束缚电荷的现象。根据形成极化机理的不同，介质极化可以分为以下四种：

（1）电子和离子的位移极化

分子中的电子在电场的作用下，电子轨道发生弹性位移，从而使得原本呈电中性的分子变成呈现正负极的偶极子。由离子组成的分子结构也会出现类似的情况，正负离子在电场作用下偏离原来的位置，形成偶极子。

位移极化程度随电场强度增大而增大，而且形成的速度极快，外电场一旦消失，极化随即也消失。这种极化过程中没有能量损耗，故称为无损极化或弹性极化。

（2）热离子位移极化

介质中少量与周围分子联系较弱的带电离子（一般为杂质）在外电场的作用下，其热运动趋向于顺电场方向在有限的范围内位移，造成这些离子在介质中分布不均，形成偶极化。

这种极化受到分子热运动的限制，温度越高，热运动越活跃，极化越困难。因此，这种极化建立速度较缓慢，电场消失后，复原也较缓慢。

（3）偶极子极化

在介质中存在一种特殊的分子，即使没有电场的作用，它本身也呈现为一个偶极子。没有外电场时，它们随着热运动随机排列，因此整体对外不显电极性。但在电场作用下，偶极子会随着电场力发生偏转。

（4）夹层极化

绝缘介质中的自由离子和电子在外电场的作用下沿着电场方向迁移，改变分布状况，在迁移过程中被介质中的电极或缺陷捕获，不能及时放电或复合，于是在某一空间产生宏观感应电偶极矩，形成空间电荷极化。

2）电导

对于理想绝缘介质而言，不含任何自由的带电粒子，电导率σ 等于0，介质是不导电的。但是实际上，σ 总会呈现一个很小的值，就是说，介质中有少量自由的带电粒子存在。带电粒子在电场的作用下会定向运动，形成微弱的电流，这就是平时所说绝缘漏电流。

介质中的载流子一般是自由离子，它们来源于介质本身，也有的来自外部杂质。外部温度越高，分子热运动就越剧烈，对自由离子的约束也越小，形成的电导电流越大，这一点和金属的导电特性是完全相反的。此外，介质在外加高压电场的作用下，会形成一定程度的电离，使得载流子数目增多，σ 下降。当然，介质受潮后σ 也会下降。

3）损耗

绝缘介质在电场的作用下会产生电能的损耗，这些损耗主要来自以下三个方面：

（1）电导损耗

如前文所述，绝缘介质存在一定的σ 值，于是电流在介质中运动时会产生焦耳热现象，电能转化为热量散发。

（2）极化损耗

电场对介质中运动的电荷做功，产生绝缘介质因松弛极化而引起的热损耗，这就是极化损耗。随着交变电场频率的增加，电荷往复运动更加频繁，极化损耗也越大。

（3）游离损耗

游离损耗是绝缘介质内部由于气泡、油隙、凸起电极等电场集中处电场强度高于某一数值时产生游离放电引起的。游离损耗只有当电压超过一定数值时才会发生，并且随着电压的升高而急剧增加。

3 结束语

总之，绝缘损坏的原因是复杂多样的，为了更加准确、可靠、方便的测量到反映电缆绝缘系统劣化程度的特征量，及早发现绝缘隐患，避免事故的发生，不断研究先进的绝缘检测技术和开发出合适的绝缘检测装置是十分必要和迫切的。

［1］周龙,陈明意.电力电缆绝缘性能检测方法分析[J].武汉工业学院学报,2003(02）.

［2］王瑞明,曹庆文,董连文.数字式介质损耗因数tanδ 检测仪的设计[J].电测与仪表,2003(02）.