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電壓互感器的絕緣老化的因素
[作者:謝凱華 | 文章來源:論壇 | 點擊數:350 ]
電氣設備的絕緣在長期運行過程中會發生一系列如固體介質軟化或熔解等形態變化、低分子化合物及增塑劑的揮發等的物理變化和如氧化、電解、電離、生成新物質等的化學變化,致使其電氣、機械及其他性能逐漸劣化如電導和介質損耗增大、變脆、開裂等,這些現象統稱為絕緣的老化。絕緣老化最終導致絕緣失效,電力設備不能繼續運行。所示絕緣材料的壽命與老化時間的關系見圖1。

 

圖1  絕緣材料的壽命與老化時間的關系

  促使絕緣老化的原因很多,主要有熱、電和機械力的作用,此外還有水分(潮氣)、氧化、各種射線、微生物等因素的作用。絕緣老化的速度與絕緣結構、材料、制造工藝、運行環境、所受電壓、負荷情況等有密切關系。

1、熱老化

  電氣設備絕緣在運行過程中因周圍環境溫度過高,或因電氣設備本身發熱而導致絕緣溫度升高。1930年v.m.montsinger首次提出了絕緣壽命與溫度之間的經驗關系即10℃規則,認為溫度每升高10℃則絕緣壽命約減半。但實際上,不同絕緣的老化速度應該不同,因此10℃規則不能簡單地應用于所有的絕緣系統。1948年Dakin提出的新觀點認為熱老化實為有聚合鏈分裂等作用的氧化效應,本質為一種化學反應過程,因此應當遵循化學反應速率方程:

  Lnl =lnα+b/t

  其中,α、b 分別是由特定老化反應所決定的常數,l為絕緣壽命,t為絕對溫度。該方程的提出,為高溫加速老化試驗及試驗結果的外推提供了理論依據,彌補了Montsinger 10℃規則難以區分不同條件下老化的差異的缺點。

  在高溫作用下,絕緣的機械強度下降,結構變形,因氧化、聚合而導致材料喪失彈性,或者造成耐放電性能降低;因材料裂解而造成絕緣擊穿,電老化壽命縮短,因為溫度增高時,放電起始電壓降低,放電強度增加,放電產生的化學腐蝕增加,熱的不穩定性也能在更低的電壓與頻率下發生。戶外電氣設備會因熱脹冷縮而使密封破壞,水分侵入絕緣;或因瓷絕緣件與金屬件的熱膨脹系數不同,在溫度劇烈變化時,瓷絕緣件破裂。但是有試驗數據表明,不能用室溫下所得材料耐放電性的試驗結果來預測高溫下的性能。

2、電老化

  電氣設備絕緣在運行過程中會受到電場的作用。絕緣所承受的電場強度對其壽命有非常大的影響,原因是,一方面場強增加,放電次數增加;另一方面加快了從局部放電到擊穿的過程。絕緣在電場應力作用下的老化行為,尚無定量化描述的理論公式。一般,電老化壽命與場強不是線性關系,而是反冪關系。在雷電過電壓和操作過電壓的作用下,絕緣中可能發生局部損壞。以后再承受過電壓作用時,損壞處逐漸擴大,最終導致完全擊穿。

  電老化是所有的高壓電氣設備不可避免的一種老化形式,用于高壓電氣設備的絕緣在制造過程中內部或多或少會存在一些微觀尺度甚至宏觀尺度的氣隙缺陷。當外電場達到氣隙的起始放電電壓時,就會發生局部放電,破壞絕緣的結構,逐步降低它的絕緣性能。常用的單應力電老化模型有反冪及指數模型分別為

  L=K-n

  L=αexp(-bE)

  式中,E 為電場強度;k,n,α,b為實驗確定的常數。

  電老化的機理十分復雜,如電場的均勻程度與電壓的頻率均會對電老化的速度造成影響,當固體絕緣介質處在均勻電場中時,其擊穿電壓往往較高;而在不均勻的電場中,其擊穿電壓往往較低。同一種絕緣介質在不同的電壓頻率下,放電次數隨頻率成比例增加,因此,除頻率非常高引起熱擊穿外,一般絕緣的電老化壽命與頻率成反比。此外,不同材料的壽命一場強曲線是交錯的。

  不少研究者認為,當外施電壓低于絕緣的局部放電起始放電電壓時,材料就不會發生由電場所引起的老化。在溫度確定的條件下,絕緣材料的壽命曲線趨向一電場閩值式,當絕緣承受的外加電場低于或接近該電場闡值時,其壽命將趨于無窮。對于上述聞值電場的存在,也有持不同觀點的人認為,絕緣介質在外施電場作用下的老化是一個連續的過程,不存在任何明顯影響老化進程的電場闡值。一些學者通過對氣穴中空氣從亞電暈到強烈電暈過渡過程中非線性電導率的理論計算和實測數據表明,低電壓下的微小亞電暈電流將引起氣穴中氣體和氣穴表面溫度的升高。隨電壓的提高,亞電暈放電形式向強烈電暈放電形式轉化,放電源的溫度將不斷上升,說明絕緣介質在外施電場作用下的老化是一個連續的過程,不存在任何明顯影響老化進程的電場闡值。該觀點如被更多的實驗證實,將因其物理過程清晰,測量方法明確,可能具有更大的說服力。

3、機械力老化

  在機械負荷、自重、振動、撞擊和短路電流電動力的作用下,絕緣會破壞,機械強度下降。另外材料內部存在拉伸應力時,它的耐放電性能下降。但壓縮應力對它的耐放電性能影響不大。由于材料在制造和應用過程中常存在殘余拉伸應力,因此它對材料老化壽命的影響極為重要。

4、濕度老化

  環境的相對濕度對絕緣材料耐受表面放電的性能有影響。如果絕緣承受表面放電,環境的相對濕度對材料的耐放電性有顯著影響。由于在高相對濕度下,放電的結果在材料表面會生成一層半導電層,使放電產生自衰。因此,在表面放電情況下,一定相對濕度范圍內,絕緣材料的電老化壽命隨相對濕度的增高而增長;但在較高的相對濕度下,壽命隨相對濕度的增高而縮短。如果水分侵入絕緣內部,將會造成介質電損耗增加或擊穿電壓下降。對于某些絕緣材料,例如聚乙烯,由于水分的存在,在很低的電場強度下也會發生樹枝現象。

5、化學老化

  絕緣材料在水分、酸、臭氧、氮的氧化物等的作用下,物質結構和化學性能會改變,以致降低電氣和機械性能。例如變壓器油在空氣中會因氧化產生有機酸,使介質損耗增加:同時還會形成固體沉淀物,堵塞油道,影響對流散熱,使絕緣的溫度上升而使絕緣性能下降。

6、其他老化因素

  絕在戶外使用的絕緣材料受日光直接照射,在紫外線作用下也會發生老化。在核反應堆、X射線裝置中用的絕緣材料受到輻射作用,均會發生老化。此外,在溫熱帶地區絕緣材料還會受到各種微生物的損害,即所謂微生物老化。

  絕緣材料在實際應用中往往同時受到多種老化因素的共同作用,其效應并不是各種單一因素老化效應的簡單疊加。它們之間還存在著相互作用,所以老化機理很復雜。

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