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技術(shù)文章

固體絕緣老化(degradation)現(xiàn)象

閱讀：46發(fā)布時(shí)間：2025-5-13

當(dāng)空穴中氣體擊穿的時(shí)候，絕緣的相對(duì)面瞬間就成了陰極和陽極。一些電子撞擊陽極，其能量足以破壞絕緣表面的化學(xué)性質(zhì)。陰極被正離子轟擊，可能造成表面溫度升高而損壞和產(chǎn)生局部的熱不穩(wěn)定性。這些少量通道的老化效應(yīng)，以及表面的凹陷，會(huì)在絕緣材料中擴(kuò)展。而且，離子的轟擊，化學(xué)老化，會(huì)產(chǎn)生活動(dòng)放電產(chǎn)物，就像在空氣中放電形成的O3(臭氧)或NO2(二氧化氮)。這種網(wǎng)狀效應(yīng)就是絕緣材料的緩慢電腐蝕，將逐漸增加空穴的尺寸。

1. 放電樹

放電樹首先被發(fā)現(xiàn)早在20世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)康門威爾斯.愛迪生公司(Commonwealth Edison Company)開始安裝住宅區(qū)地下電纜的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了這種現(xiàn)象。放電樹包含一系列互聯(lián)通道或放電路徑，直徑范圍從一微米以下到數(shù)十微米?？昭ㄖ械姆烹娀顒?dòng)最終將集中到特殊部位，并在表面產(chǎn)生很深的空穴。這種空穴將沿著放電軸線增長(zhǎng)，放電能量沿著它們的分支延伸。這樣的電場(chǎng)集中為點(diǎn)狀，導(dǎo)致放電空穴頂端電場(chǎng)強(qiáng)度增大，最終在絕緣材料空穴端部附近超過擊穿場(chǎng)強(qiáng)，接著就是有少量的材料在數(shù)納秒內(nèi)擊穿并揮發(fā)。這種快速變化，會(huì)對(duì)絕緣材料產(chǎn)生小的沖擊波，同時(shí)這些波將導(dǎo)致絕緣材料結(jié)構(gòu)細(xì)微裂紋的擴(kuò)展。由它們?cè)诮^緣材料中出現(xiàn)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)樹形放電增長(zhǎng)的現(xiàn)象。

樹形放電圖

樹形放電發(fā)生于絕緣材料中電場(chǎng)強(qiáng)度大的點(diǎn)狀部位。這些放電點(diǎn)有可能在含有金屬的地方，或者存在于導(dǎo)體的突出部位，但實(shí)際上更多的是發(fā)生在空穴中。樹形放電傳播的詳細(xì)過程目前仍不清楚。然而，一般都認(rèn)為是機(jī)械和熱效應(yīng)綜合的結(jié)果。

在交流電壓作用下，樹形放電的發(fā)展，有兩個(gè)明確的階段，在開始階段，可以認(rèn)為是一個(gè)很短的形成階段。最后階段形成絕緣材料中的樹形放電橋，但是繼續(xù)放電并沒有發(fā)生擊穿，因?yàn)樵谕ǖ乐?，空間電荷產(chǎn)生一個(gè)反向的電場(chǎng)，與電極之間形成的電場(chǎng)(指外部所加電壓)相反，在這個(gè)階段放電通道擴(kuò)展緩慢。最終，這種電場(chǎng)，在擴(kuò)展的通道中不再維持平衡，從而發(fā)生災(zāi)難性的擊穿，并產(chǎn)生非常大的、貫穿絕緣材料的放電通道。

2. 水狀放電樹

20世紀(jì)六十年代，開始采用擠壓成型的聚乙烯作為絕緣材料制造高壓電纜。六十年代后期發(fā)現(xiàn)，這種電纜可以用在潮濕的地方，比如在河流中使用，從而電纜的故障率也明顯地增加了。

水從電纜外層護(hù)套滲透進(jìn)去，并被絕緣材料吸收?？啥噙_(dá)百分之幾(按重量)的水被聚乙烯吸收。1969年，米亞西塔(Miyashita)發(fā)表文章，發(fā)現(xiàn)在水和樹形放電的綜合作用下，聚乙烯絕緣惡化(degradation)的現(xiàn)象。到1970年代初，這種惡化現(xiàn)象被普遍稱為水放電樹。水放電樹結(jié)構(gòu)上像灌木或扇形，發(fā)展過程像樹形放電，從電場(chǎng)強(qiáng)度集中的點(diǎn)散開。水放電樹導(dǎo)致絕緣材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)水平降低，促使擊穿。樹形放電有時(shí)起源于水樹形放電，加速了擊穿過程。雖然一般都認(rèn)為這是聚乙烯絕緣電纜故障的主要原因，但卻沒有的水放電樹的模式。有兩種模式尚在研究中。其中之一，水放電樹具有連續(xù)的放電路徑，像微通道(如下圖)；而另一種放電樹模式，是有很高密度的微型空穴，但沒有連接在一起(如下圖)。

噴射形的水放電樹

蟲胡蝶結(jié)形水放電樹

水放電樹比放電樹更易擴(kuò)散，通常發(fā)生在比較低的場(chǎng)強(qiáng)的部位。兩種水放電樹的識(shí)別可以根據(jù)樹的起始階段，是“蝴蝶結(jié)”狀，還是“噴射”形的來區(qū)別。“蝴蝶結(jié)”形樹常發(fā)生在大型的絕緣材料中，從一個(gè)空穴，向?qū)щ娖帘螌右?。因它們的形狀而得名。噴射型樹從一個(gè)導(dǎo)電屏蔽層向絕緣材料塊擴(kuò)散。

3. 閃絡(luò)(Tracking)

閃絡(luò)是一種通過絕緣材料表面，具有導(dǎo)電路徑的放電形式。放電路徑的產(chǎn)生，通常是由于絕緣材料老化的結(jié)果。發(fā)生閃絡(luò)的絕緣材料，必然是碳基化合物。

某些室外安裝的高壓設(shè)備，在工業(yè)環(huán)境下，絕緣部件由于空氣污染、灰塵而沾污。那些設(shè)在靠近海邊的變電站，鹽分很快就覆蓋了設(shè)備。在潮濕環(huán)境下，那些污染層將導(dǎo)致絕緣物表面漏電電流的上升，從而加熱了表面，產(chǎn)生揮發(fā)，致使潮濕薄層斷開，造成潮濕膜層間隙之間的電位差加大，那么就會(huì)產(chǎn)生小的火花，橋連了這些間隙。火花又會(huì)加熱絕緣材料中的碳化物，導(dǎo)致表面放電碳跡的形成。

閃絡(luò)(表面放電)嚴(yán)重地限制了有機(jī)絕緣材料在室外環(huán)境中的應(yīng)用。閃絡(luò)的可能性取決于高分子材料的結(jié)構(gòu)。向無碳化物的高分子材料添加相應(yīng)的填充物，可以顯著地減小閃絡(luò)。

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