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固體絕緣老化(degradation)現象

發布時間:2020-10-22 12:56:19人氣:

當空穴中(zhōng)氣(qì)體擊穿(chuān)的時候,絕緣(yuán)的相對麵瞬間就(jiù)成了陰極和陽(yáng)極。一些電子(zǐ)撞擊陽極,其能量足以破壞絕緣表(biǎo)麵的化學性質。陰極被正離子轟擊,可能造成(chéng)表麵溫度升高而損壞(huài)和產生局部的熱不穩定性。這些(xiē)少量通道的老化效應,以及表麵的凹陷,會在絕緣材料中擴展。而(ér)且,離子(zǐ)的轟擊,化學老化,會產生活動放(fàng)電產物,就像(xiàng)在空氣中放電形成的O3(臭氧(yǎng))或NO2(二氧化氮(dàn))。這種網狀效應就是絕緣材料的緩慢電腐蝕,將(jiāng)逐(zhú)漸增加空穴的尺寸。


1. 放電樹

放電(diàn)樹首先被發現早在20世紀20年代,當時康門威爾斯.愛迪生公司(Commonwealth Edison Company)開始安裝住宅區地下電纜的時候發現(xiàn)了這(zhè)種現象。放電樹包含一係列互(hù)聯通道或放電路徑(jìng),直徑範圍從一(yī)微米以下到數十(shí)微米。空穴中的放電活動最終將(jiāng)集中到特殊部位,並在表麵產生很深(shēn)的空穴。這種空穴將沿著放電軸線增長,放電(diàn)能量沿著(zhe)它們的(de)尖端分支延伸。這樣的電場集(jí)中為點狀,導致放電空穴頂端電場強度增大,最終在絕緣材料空(kōng)穴端部附近超過擊穿場(chǎng)強,接著就是有少量的材料在(zài)數納秒內擊穿並揮發。這種快速變化,會對絕緣材料產生(shēng)小的衝擊波,同時這些波將導致絕緣(yuán)材料結構細微裂紋的擴展(zhǎn)。由它們在絕(jué)緣材料中出現的形狀得名為樹形放電(或放電樹)。下圖表示在聚醋樹脂中一個(gè)尖端樹形放電增長的現象(xiàng)。
樹形放電圖
樹形放電圖
樹(shù)形放(fàng)電發生於絕緣材料中電場強度大的點狀部位。這(zhè)些放電點有可能(néng)在含有金屬的地方,或(huò)者存在於導體的突(tū)出部位,但實(shí)際上更多的是發生在空穴(xué)中。樹形放電傳播的詳細過程目前仍不完全清(qīng)楚。然而,一般都(dōu)認為是機(jī)械和(hé)熱效應綜合的結果。

在交流電壓作用下,樹形放電的發展(zhǎn),有兩個明確的(de)階段,在開始階段,可以認為是一個(gè)很短(duǎn)的形成階段。最後階(jiē)段形(xíng)成絕緣材(cái)料中的樹形放電橋(qiáo),但是繼續放電並沒有發生擊穿,因為在通道中,空間電荷產生一個(gè)反向(xiàng)的電場,與電極之間形(xíng)成(chéng)的(de)電場(指外部所加電壓)相反,在這個階段放電通道擴展緩慢。最(zuì)終,這種電場,在擴展的通道中不(bú)再維(wéi)持平衡,從而(ér)發生災難(nán)性的(de)擊穿,並(bìng)產(chǎn)生(shēng)非常大的、貫穿絕緣材料的放電(diàn)通道。


2. 水狀放電樹

20世(shì)紀六十年代,開始采用擠壓成型的聚乙烯作為絕緣材(cái)料製(zhì)造高壓電纜。六十年代後期發現,這種電纜可以(yǐ)用在(zài)潮濕的地方,比如在(zài)河流中使用,從而電纜的故障率也明顯地增加了(le)。

水從電纜外層護套滲透進去(qù),並(bìng)被絕緣材料吸收。可多達百(bǎi)分之幾(按重量)的水被聚乙(yǐ)烯吸收。1969年,米亞西塔(Miyashita)首次發表文章,發現在水和樹形放電的綜(zōng)合作用下,聚乙烯絕緣惡化(degradation)的現(xiàn)象。到1970年(nián)代初,這種惡化現象被普遍稱為水放電樹。水放電樹結構上像灌木或扇形,發展過程像樹形放電,從電場強度集(jí)中的點散開。水放電樹導致絕緣材料的擊穿場強水(shuǐ)平降低,促使擊穿。樹形放電(diàn)有時起(qǐ)源於水樹形放電,加速了擊穿過程。雖然一般都認為這是聚乙烯絕(jué)緣電纜故障的主要原因,但(dàn)卻沒有公認的(de)水放電樹的模式。有兩種模式尚在研究中。其(qí)中之一,水放電樹具(jù)有連續的放電路徑,像(xiàng)微通道(如下圖);而另一種放電樹模式,是有很高密度的微型空(kōng)穴,但沒有連接在一起(如下圖)。
噴射形的水放電樹(shù)
噴射形的(de)水放電樹
蟲胡蝶結形水放電樹
蟲胡蝶結形水放(fàng)電(diàn)樹
水放電樹(shù)比放電樹更易擴散,通常(cháng)發生在比較低的場強的部位。兩種水放電樹的識別可以根據樹的起始階(jiē)段,是“蝴蝶結”狀(zhuàng),還是“噴(pēn)射”形的來區別。“蝴蝶結”形樹常發生在大型的絕緣材(cái)料中,從一個空穴,向導電(diàn)屏蔽層引伸(shēn)。因它們的(de)形(xíng)狀而得名。噴射(shè)型(xíng)樹(shù)從一個導電屏蔽層向絕(jué)緣材料塊擴散。

3. 閃絡(Tracking)

閃絡是一種通過絕緣材料(liào)表麵,具有永久導電路徑的放電形(xíng)式。放電(diàn)路徑的產生,通常是由於(yú)絕緣材料老化(huà)的結果(guǒ)。發生閃絡的絕緣(yuán)材料,必然是碳基化合物。

某些室外安裝(zhuāng)的(de)高壓設備,在工業環境下,絕緣部件由於(yú)空氣(qì)汙染、灰塵而沾汙。那些設在靠近海邊的變電站,鹽分很快(kuài)就覆蓋了設備。在潮濕(shī)環境(jìng)下(xià),那些汙染層將導致絕緣(yuán)物表麵漏電電流的上升,從而加熱了表麵,產生揮發,致使潮濕薄層斷開,造成潮濕膜層間隙之間的電位差加大,那麽(me)就會產生小的火花,橋連了(le)這些間隙。火花又會(huì)加熱絕緣材料中的碳化物,導致表麵永久放電碳跡的形成。

閃絡(表麵放電)嚴重地限製了有機絕緣材料在室外環境中的應(yīng)用(yòng)。閃絡的可能性取決於高分子(zǐ)材料(liào)的結構。向無碳化物的高分子材料添加相應的(de)填充物,可以顯著地減小閃絡。

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