【文章內容簡介】 ，甚至造成樹枝狀放電或直接貫穿性擊穿，導致電纜出現(xiàn)故障。另外，在大氣過電壓和電力系統(tǒng)內部過電壓的作用下，使電纜絕緣層擊穿，形成故障，這種情形下?lián)舸c一般是由于存在材料缺陷。 (3)護層的腐蝕。由于地下酸堿腐蝕、雜散電流的影響，使電纜鉛包外皮受到腐蝕出現(xiàn)麻點、開裂 或穿孔，致使水分進入電纜也可以造成故障。 電力電纜故障的分類方法比較多，通常有以下幾種方法： (1)從故障形式上可分為串聯(lián)與并聯(lián)故障。串聯(lián)故障是指電纜一個或多個導體 (包括鉛、鋁外 皮 )斷開；并聯(lián)故障是指導體對外皮或導體之間的絕緣下降，而不能承受正常運行電壓。導體斷路往往是電纜故障電流過大而燒斷的，這種故障一般伴有并聯(lián)接地或相間絕緣下降的情況。實際發(fā)生的故障絕大部分是單相對地絕緣下降故障。電纜故障點可用 圖 21 所示 的電路來等效。 Rf 代表故障點處絕緣電阻， G 是擊穿電壓為 Ug的擊穿間隙， Cf 代表局部分布電容，上述 3個數(shù)值隨不同的故障情況變化很大，并且相互之問并沒有必然的聯(lián)系。 間隙擊穿電壓 Ug的大小取決于放電通道的距 離，電阻 R 的大小取決于電纜介質的碳化程度，電容 C 的大小取決于電纜絕緣材料的 性質和故障點受潮的程度，數(shù)值很小，一般可忽略。 13 圖 21 電纜故障等效電路圖 [8] (2)根據(jù)故障電阻與擊穿間隙情況，電纜故障可分為開路、低阻、高阻與閃絡性故障。①開路 (斷路 )故障：電纜的各線芯絕緣良好，但有一芯或數(shù)芯導體斷開。具體表現(xiàn)為電纜相間或相對地絕緣電阻達到所要求的范圍值，但工作電壓不能傳送到終端，或終端有電壓，但負載能力很差 (低壓脈沖測試時，故障有反射且反射波與發(fā)射波同相 )。②低阻絕緣故障：按照過去工程慣例，凡是電纜故障點的殘余絕緣電阻小于 10倍電纜特性阻抗的電纜絕緣 故障稱為低阻絕緣故障。有時把故障點殘余絕緣電阻接近零的故障稱為短路故障 (低壓脈沖測試時，故障有反射且反射波與發(fā)射波反相 )。③高阻故障：按照過去工程慣例，把電纜故障點的殘余絕緣電阻大于 10 倍電纜特性阻抗的故障均稱為高阻故障 (低壓脈沖測試時反射不明顯 )。④閃絡性故障：試驗電壓升至某值時，泄漏電流突然升高，監(jiān)視泄漏電流的表針間歇性擺動。電壓稍下降時，此現(xiàn)象消失，但電纜絕緣仍有極高的阻值。閃絡性故障多是在進行預防性試驗時發(fā)生，并多出現(xiàn)于電纜中間接頭或終端頭內。 絕緣老化的原因及類型 對于固體絕緣材料在使用一 定的年限以后，絕緣性能都會呈現(xiàn)一定程度的劣化，這被稱為“絕緣老化”。這些損壞和劣化主要是由于機械力的作用、熱的作用、電場的 作用、化學腐蝕等因素綜合作用產生的。由于絕緣層的介質損耗，可能造成電纜過熱，進而加速了絕緣層老化。電纜過負荷或散熱不良，安裝于電纜密集區(qū)、電纜溝及電纜隧道等通風不良處的電纜，穿在干燥管中的電纜以及與熱力管道接近的電纜，都會因過熱而使絕緣加速老化。絕緣材料老化的表現(xiàn)主要有絕緣電阻下降、介質損耗增大等，對老化了的絕緣材料進行顯微觀察，可以發(fā)現(xiàn)樹枝狀結構存在。 絕緣材料的老化原因是多樣的、復 雜的，最具代表性的主要有 :熱老化、機械老化、電壓老化等。 [9] 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(fā)生變化，使得絕緣性能下降的 14 現(xiàn)象。熱老化的本質是絕緣材料在熱量的影響下發(fā)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(huán)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(fā)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 CH 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(xiàn)還是材料的伸長率、拉伸強度等機械特性的變化。例如 ,XLPE 材料被認為當拉伸率從初始的 400%～ 600%降低到 100%時壽命終止。 [9] 一般地區(qū)，大氣的溫度對熱老化的作用不明顯，炎熱高溫的地區(qū)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 ROO 結合，以阻止連鎖反 應繼續(xù)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，即式 : （ ） f(T):表示老化狀態(tài)的物理量 ； EA:引起老化所必須的能量； T:熱力學溫度； fC, k:常數(shù)，式中 ,fC, k 和 k 由材料的特性決定。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(shù)下降。 熱氧化老化是熱和空氣中氧長期聯(lián)合作 用所引起的一種老化形式。由于應用中的絕緣材料大部分都是要和空氣接觸 (空氣中氧對氧化機理有很大影響 )，熱氧化老化是有機絕緣材料老化的一種主要形式，習慣上又稱為熱老化。 機械老化 機械老化是固體絕緣系統(tǒng)在生產、安裝、運行過程中受到各種機械應力的作用發(fā)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(xù)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(xiàn)象，這種現(xiàn)象也被稱為“電 機械擊穿” 。它對絕緣老化的速度有很大的影響。 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(tǒng)中發(fā)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( ) e x p ( )Ac Ef T f kT?? 15 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(shù)量級。但是，實際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?？傊菊鲹舸姸缺碚鞯氖抢硐肭闆r下材料的擊穿場強。 [9] 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(shù)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”，如式 2. 2 所示： （ ） 前已提及，介質電老化的主要原因是介質中的局部放電。固體介質耐受局部放電的性能是有差別的，例如有機高分子聚合材料的短時擊穿場強很高，但因耐受局部放電的性能差，因此長時間擊穿場強并不高。在絕緣設計時必須將工作場強選得比局部放電起始場強低，以保證電氣設備有足夠長的壽命。 其它類型 其它類型還包括光氧化，臭氧氧化，生物氧化，高能輻射氧化等。 當然絕緣老化是電場、熱、機械力、環(huán)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。 絕緣介質在電場作用下的 特性 絕緣介質在電場作用下， 會呈現(xiàn)出極化、電導、損耗等其它重要特性。 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(xiàn)電介質的特性，極化現(xiàn)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(xiàn)象。根據(jù)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；（ 2） 熱離子位移極化 ；（ 3） 偶極子極化 ；（ 4） 夾層極化 。 * nt k E?? 16 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 ζ 等于 0，介質是不導電的。但是實際上， ζ 總會呈現(xiàn)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 的 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(shù)目增多， ζ 下降。當然，介質受潮后 ζ 也會下降。 表征 電導的參數(shù)是電導率 γ，在高電壓工程中一般常用電阻率 ρ（ ρ=1/γ）來表征介質的絕緣電阻。電介質電導主要是離子電導，其電導隨溫度的變化規(guī)律與屬于電子電導的金屬材料是相反的。 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 ；（ 2） 極化損耗 ；（ 3） 游離損耗 。 [9] 如 圖 22 所示， 介質兩端施加交流電壓 U 時，由于介質中有損耗，所以電流 I 不是電容電流，而是包含有有功和無功兩個分量 Ir 和 Ic。 圖 22 介質在交流電壓作用下的電流相量圖 由 圖 23所示，介質在交流電壓作用下的功率三角形可見，介質損耗 P=Qtanδ=U2ωCtanδ （ ） 17 圖 23 介質在交流電壓作用下的功率三角形 用介質損耗 P 表示介質品質好壞是不便的，因此 P值和試驗電壓、試品電容量等因素有關，不同試品間難以相互比較，所以改用介質損失角的正切 tanδ（介質損失角 δ 是功率因數(shù)角 θ 的余角）來判斷介質的品質。 tanδ 同 εr 一樣，是僅取決于材料的特 性而與材料的尺寸無關的物理量。 有損介質可用電阻、電容的串聯(lián)或并聯(lián)等效電路來表示。如果損耗主要是電導引起的，則常用并聯(lián)等效電路；如果損耗主要由介質極化及連接導線的電阻等引起，則常用串聯(lián)等效電路。 絕緣介質的吸收現(xiàn)象 許多電氣設備的絕緣都是多層的，多層介質的特性可以粗略地用雙層介質來分析，如下圖 24所示。 18 圖 24（ a） 雙層介質的等效電路 圖 24(b) 吸收曲線 C C2介質 2 的等效電容 R R2介質 2 的絕緣 電阻 當開關 Q 合上，直流電壓加到絕緣介質上后，電流表 A 的讀數(shù)變化 如圖 24(b)中曲線所示。 直流電壓加上瞬間，電流很大，回路電流主要由電容電流分量組成。而加壓時間很久之后，電容 C1 和 C2 相當于開路，回路電流為泄露電流 Ig，此時 Ig 取決于絕緣電阻R1 與 R2 之和，這就出現(xiàn)了由最初的電容電流到最終的泄露電流之間的過渡過程。當試品電容量較大時，這一過渡過程進行得很慢，甚至達數(shù)分鐘或更長。 圖 24(b)中 陰影部分的面積為絕緣在充電過程中逐漸“吸收”的電荷 Qa。這種逐漸“吸收”電荷的現(xiàn)象叫作“吸收現(xiàn)象”，對應的電流 Ia 稱為吸收電流。它是由于介質中偶極子逐漸轉向，并沿電場方向排列而產生的。 [9] 當開關合上時，絕緣兩端突然有一個很大的電壓變化，在極短的時間內（ t=0+）介質上的電壓按電容分壓，此時 （ ） （ ） 當達到穩(wěn)態(tài)后，介質上的電壓將按電阻分壓，此時回 路電流 （ ） 而 （ ） （ ） 由 t=0+至電壓達到穩(wěn)態(tài)一般有一個過渡過程，例 如，當式（ ）中 U1 比式（ ）中的 U1 小時，在過渡過程中 C1 要放電，同時 C2 要進一步充電。這個過渡過程的快慢取決于時間常數(shù) η 2112CUUCC? ?1212CUUCC? ?12gUII RR?? ?1112RUURR? ?2212RUURR? ? 19