（电力系统及其自动化专业论文）高海拔和磁场环境下环氧树脂的绝缘破坏.pdf

a b s t r a c t e p o x yr e s i ni sw i d e l yu s e da st h ei n s u l a t i o no fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i cd e v i c e s f o ri t sg r e a td i e l e c t r i cp r o p e r t i e s i nt h ep r o c e s so fd e v e l o pw e s t e r nr e g i o n s ，d e v i c e s h a v et oo p e r a t eo nh i g ha l t i t u d er e g i o n sa b o v e4 0 0 0 m ，w h e r et h ea m b i e n tp r e s s u r ei s v e r yl o w a sar e s u l t t h ed i e l e c t r i cp r o p e r t i e so fe p o x yr e s i na r ec h a n g e d a tt h es a m e t i m e ，t h e r ei sa l w a y sm a g n e t i cf i e l da r o u n dt r a n s f o r m e r s ，r e a c t o r sa n dc t ew h i c h m a k e sd i e l e c t r i cb r e a k d o w no f e p o x yr e s i ni nt h ed e v i c e sa n df m a u yr e s u l t si ns e r i o u s f a i l u r e s i - i o w e v e r ，e f f e c to fm a g n e t i cf i e l do nd i e l e c t r i cb r e a k d o w nh a sn o tb e e n s u f f i c i e n t l ys t u d i e do i le p o x yr e s i n t h e r e f o r e ，f r o mt h es a f e t yl i n to fv i e w , i t sv e r y i m p o r t a n tf o ru st oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c eo fl o wp r e s s u r ea n dm a g n e t i cf i e l d0 1 3 d i e l e c t r i cb r e a k d o w no f e p o x yr e s i n i nt h i sp a p e r , e p o x yr e s i nl a m i n a t eo nw h i c hc o p p e re l e c t r o d e sw a sp r i n t e dh a s b e e ne m p l o y e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c t so fl o wp r e s s u r ea n dm a g n e t i cf i e l do nt h e d m e e t r i eb r e a k d o w n t h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u tu n d e re l e c t r i ca n dm a g n e t i c f i e l db yu s i n gad cp o w e ru n d e rd e c r e a s e dp r e s s u r ec o n d i t i o n s t h et e s tr e s u l t ss h o w t h a t 、辆t 1 1d e c r e a s i n gt h ep r e $ s , u r e ，t h et i m et od i e l e c t r i cb r e a k d o w ni n c r e a s e s ，t h e i n c e p t i o nv o l t a g ed e c r e a s e s t h ev a l u eo fi n c e p t i o nv o l t a g ei ss m a l l e ru n d e rm a g n e t i c f k l dt h a nt h a to fn o n - m a g n e t i cf i e l d t h et i m et od i e l e c t r i cb r e a k d o w nu n d e r m a g n e t i cf i e l dd e p e n d so nt h ed i r e c t i o no fe x b w h e ne x b d r i f i si n t ot h es u r f a c eo f e p o x yr e s i n , t h et i m et ob r e a k d o w ni s s h o r t e n e d w h e ne x bd r i l l sa w a yf r o mt h e s u r f a c eo fe p o x yr e s i n ，t h et i m et ob r e a k d o w ni sd e l a y e d f u r t h e r m o r e ，t h ei n f l u e n c e o fm a g n e t i cf i e l do nd i e l e c t r i cb r e a k d o w nd e p e n d so i la m b i e n tp r e s s u r ea n de l e c t r o d e p a t t e m ， k e yw o r d s ：l o w p l e $ s u r e ，m a g n e t i cf i e l d ，e p o x yr e s i n , d i e l e c t r i cb r e a k d o w n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高i 孚 签字日期：力。g 年弓月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：高f 孚 导师签名： 签字日期：加。6 年月f 日签字日期：砒3 月1日 天津大学硕士学位论文 第一章序论 1 1 概述 第一章绪论 2 0 世纪5 0 年代开始，有机高分子绝缘材料凭借其高电阻率，低介质损耗， 高耐电强度，易于加工等特点，逐步取代了天然绝缘介质材料，成为电工材料的 重要分支【1 l 。 环氧树脂作为有机绝缘材料，具有优异的物理、化学和机械特性。因此，在 电气绝缘的各个领域都得到了广泛的应用，得到很好的效果。不同容量的大电机、 汽轮和水轮发电机以及超导电机和1 1 0 2 2 0 k v 级超高压发电机，以环氧树脂及 其制品作为绝缘，所获得的技术经济效果很大，例如：6 0 1 3 0 万千瓦的汽轮和 原子能发电机采用环氧树脂绝缘，可保持发电机的可靠性，并延长发电机绝缘的 寿命及维修周期。运行日久或将“退休”的中、小型水轮和火力发电机，采用环 氧树脂绝缘，可在结构不变的情况下提高功率，继续运行。各种无线电、电信、 遥控装置以及电子电器的电负荷很小，而工作的准确度和可靠性要求极高，故在 许多场合采用环氧树脂绝缘，以减小高频下的功率损耗，保持稳定的介电常数， 增强防潮、耐菌、抗机械振动的能力。环氧树脂还应用于以下各种场合：高能电 气装置和原子能电站、中小型电机、变压器、开关、各种组合电器、互感器、电 瓷制品、电线电缆【2 】 在电力工业中，随着传输容量的不断增大，电压等级逐步升高，对各种电力 设备运行的安全性和可靠性要求也越来越高。长久以来，绝缘故障一直是电力系 统故障的主要原因之一1 3 】。作为电气电子设备的重要组成部分，环氧树脂绝缘性 能的好坏，直接关系到设备乃至整个系统运行的安全性和可靠性。因此，对环氧 树脂绝缘特性的研究日益受到重视。 环氧树脂在实际的应用中会遇到各种各样的运行环境，例如高温、高场强、 低气压、强磁场等等【”】。每一种因素对绝缘破坏均有重要的影响。随着环氧树 脂应用越来越广泛，研究者纷纷把目光投向了环境因素对绝缘破坏影响的研究 嘲。 我国对有机高分子聚合物绝缘材料的研究起步较晚，但在使用方面却发展迅 速。为了提高聚合物绝缘使用的安全性和可靠性，防止各类由绝缘老化现象引起 天津大学硕士学位论文第一章序论 的停电乃至火灾事故发生，高聚物的绝缘特性研究迫在眉睫。关于绝缘击穿现象 研究的最新动向大概可分为以下三个方向：( 1 ) 绝缘击穿机理的研究；( 2 ) 标准 实验法的研究；( 3 ) 绝缘击穿与环境因素影响的研究【9 i 。本文主要把重点放在环 境因素对环氧树脂绝缘破坏的影响上。 1 2 选题背景 上世纪9 0 年代以来，我国加大了发展西部经济的力度。随着西部开发的进 行，越来越多的输电线路和电气设备将工作于海拔超过4 0 0 0 m 的高原上 1 0 - 1 2 】。我 国广袤的高原地区，具有低温、低气压、强紫外线辐射等特点。这些恶劣因素都 将对电气设备的绝缘构成极大威胁i m 。表卜1 列出了我国西藏部分地区的海拔 高度与气压的关系。 表卜1 西藏部分地区的海拔高度与气压的关系【1 3 】 地点 格尔木 当雄那曲五道梁 安多 2 8 7 0 m4 2 0 0 4 5 0 7 m4 6 4 5 m 4 8 0 0 m 高度 7 2 5 k p a6 0 4 k p a5 8 7 k p a5 7 8 k p a 5 7 3 k p a 气压 如表卜1 所示，当海拔高于4 0 0 0 m 时，气压已经下降到7 0 k p a 以下。根据巴 申定律，随着气压的降低，气体的起始放电电压逐步减小【1 4 】。重庆大学孙才新 院士等人的研究证明，气压的降低严重影响了绝缘材料表面击穿的特性，进而威 胁系统运行的安全稳定性。因此，对低气压下绝缘表面破坏机理的研究，对维护系 统安全，保障西部开发输变电工程的顺利实施，具有重大的意义。 电和磁是密不可分的自然现象，在自然界中就广泛分布着磁场，如地磁场等。 在工业生产应用中，由于工作大电流的作用，在如电动机、变压器、电抗器、电 磁铁等设备周围也分布着强大的磁场f 1 5 】。通常，磁场的强弱可以用磁通密度来表 征。磁通密度的定义为单位面积中穿过的磁通量，其单位为特斯拉( t ) ，磁通密度 也称为磁感应强度。空间某点处的磁通密度越大，说明该点的磁场越强 1 6 1 。表卜2 列出了常见的自然界及工业设备中的磁场分布状况。 电磁场的存在不仅会对通信造成干扰【1 7 】，使得传输信号发生畸变，也会对生 活于电磁场环境下的人身健康造成伤害。电磁兼容和电磁污染的研究指出，人类 长期生活于磁通密度超过0 1 m t 的环境中，就会对人体造成伤害【1 s 】。另外，工业 中存在的强大磁场，会对周围的电气电子设备的绝缘材料特性造成影响，威胁了 天津大学硕士学位论文第一章序论 设备运行的可靠性和安全性m l 。因此，考察磁场环境下的绝缘表面破坏现象，不 仅为电气电子设备的安全运行提供理论基础，对保证系统的安全运行，具有现实 意义。 表卜2 磁场的分布 1 5 , 1 6 , 1 9 , 2 0 1 磁场条件磁场分布磁通密度 自然界的磁地球赤道处磁场的水 ( 0 3 0 4 ) 1 0 - 4 t 场平强度 地球两极处磁场的竖 ( o 6 0 7 ) x 1 0 - 4 t 直强度 普通永久磁铁 0 4 0 7 t 电动机和变压器铁心 o 9 1 7 r 工业中的磁 场 超导脉冲磁场l o 1 0 0 r 电抗器磁通0 0 5 o 3 r 目前，我国的西部开发工程正在进行当中。每年，大量的绝缘子、传输线及电 气电子设备等被运往高原地区安装运行 1 2 1 。这些电气电子设备需要工作于低气 压和磁场环境下，受其影响，电气电子设备的绝缘性能发生了变化。本文采用实验 方法，测试研究了低气压磁场环境下环氧树脂板的绝缘特性，为电气电子设备在 高海拔地区的安全应用，提供了理论保障。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 低气压环境下绝缘破坏的研究 气体放电现象受气压影响很大，巴申定律很好的解释了气压对气体放电的影 响：当气压高于巴申最低点时，随着气压的升高，气体的放电电压逐渐增大；当 气压低于巴申最低点时，随着气压的降低，气体放电电压逐渐增大1 。气体放 电的这种特性也被应用于电气绝缘的诸多领域。 但是，固体绝缘表面的闪络，是一种特殊的气体放电现象。其特性不仅与气 天津大学硕士学位论文第一章序论 体放电特性相关，还与固体表面的特性有关【1 4 】。因此，考察绝缘表面放电受气 压环境的影响，应该综合考虑气体放电和固体放电的特性。 近年来，为了使传输线路能适应高原地区低气压覆冰环境工作的需要，有学 者在多功能人工气候室内进行了低气压下覆冰绝缘子直流闪络特性的研究，得出 完全覆冰绝缘子的闪络电压随气压的降低而下降的结论 2 1 , 2 2 。此外，还模拟了 4 0 0 0 m - 5 5 0 0 m 的高海拔，覆冰，污秽作用下合成绝缘子的交流闪络电压。提出了最 低交流闪络电压的校正公式瞄j 。 文献 2 4 指出大气污染造成的输变电设备外绝缘污闪对电力系统造成了严 重危害，我国复杂的地貌和气象特征也使得污闪问题尤为突出。文献 2 5 中使用 三种复合绝缘子在四种海拔高度上进行了低气压和人工污秽的实验。并和典型的 电瓷绝缘子作了比较，同时进行了僧水性状态下复合绝缘子的污闪实验。结果表 明，复合绝缘子污闪电压随气压降低有规律地降低。 对于大气环境下电力系统的外绝缘特性方面的研究，文献 1 2 指出，由于我 国西部存在高海拔的地质特征，低气压等自然条件对输电线路的外绝缘有着很大 的影响，深入研究上述恶劣环境对材料绝缘特性的影响，能够为我国高原地区的 电气设备运行提供必要的理论基础，具有极大的社会意义和经济价值。 但是，对于海拔高于4 0 0 0 m 的地区，国家标准中的试验规程乃至经验公式并 不适用，需要进行进一步的深入考察研究并进行修正 1 1 1 3 捌。另外，国内对于有 机绝缘材料在低气压环境下的绝缘破坏特性的研究甚少，仍处于初级阶段。 对于有机绝缘材料的破坏现象，b xd u 等人进行了较系统的研究m m 。文献 5 采用i e c 6 0 1 1 2 试验方法在减压状态下测试了有机绝缘材料的绝缘性能，发表 了c t i 值受气压影响i 琦观点，并对各种有机绝缘材料进行了分类，并且认为，低 气压环境下有机绝缘的破坏特性与材料固有的示氧值有关。在对p l 、p b t 、e x 等 有机材料的研究中发现，气压对有机绝缘材料表面破坏的作用，还因材料的分子 结构不同而有很大的差异。 综上所述，国内目前对低气压下有机绝缘表面破坏的机理研究仍处于初级的 探索阶段。随着有机绝缘材料在高海拔低气压环境下应用的增多，此类研究也正 逐渐发展起来。 1 3 2 磁场环境下绝缘破坏的研究 上世纪6 0 年代起，各国科学家已经开始对磁场环境下气体的电离进行研究。 英国科学家h e y l e n 在他的研究中系统的阐述了磁场对于气体的电离和击穿的作 用，并总结了磁场的“等价削弱电场法则”。他的研究在原有的巴申定理基础上， 天津大学硕士学位论文 第一章序论 通过对加入磁场后电子运动轨迹的推导，修正了巴申定理，为其他各国学者的后 续研究，提供了坚实的理论基础闭。美国学者h e g e l e r 进行了模拟近地运行轨 道环境下绝缘子表面的击穿特性的研究。h e g e l e r 通过等离子体和紫外线照射来 模拟空间环境。实验中采用的磁场与材料表面平行，但和电场垂直。磁通密度可 以取到4 0 r o t 研究结果表明：磁通密度为3 0 m t 的磁场就足以使得等离子体偏出绝 缘间隙，因此当e b 偏转向外时，磁场的加入会显著推迟表面击穿的发生】。 波兰学者k o l a c z k o w s k i 对真空环境下，磁场对气体间隙预放电电流的影响做了 细致的研究。他的研究表明，间隙的长度，电极的形状和极性，磁通密度的大小均 会影响间隙击穿电压【”】；印度学者j cp a u l 从理论上对气体，液体，固体介 质在磁场作用下的松弛极化现象做了深入的研究，并建立了相关模型 3 1 , 3 2 。另外， b xd u 曾对磁场环境下印刷电路板的表面破坏进行了研究。其研究通过在固定 时间里滴加电解液方式，并记录滴加数量的方法来确定破坏时间。结果表明，印刷 电路板破坏的难易程度依赖于磁场和电场的夹角：当夹角为9 0 度时，印刷电路板 难破坏：当夹角为2 7 0 度时，印刷电路板容易破坏【6 - ，捌。 在国外学者的研究中，日本学者m o h k i 和s s a i t o 对磁场环境下，真空中 固体绝缘表面的气体绝缘破坏的研究p 4 】以及美国德克萨斯大学的r k o r z e k w a 对 近地运行轨道的高真空下磁场作用的固体介质的表面闪络的研究 3 5 ”4 1 最全面。 m o h k i 和s s a i t o 对高真空度下，磁场对表面闪络的影响进行研究。采用 了密封容器以获得t o r t 数量级的高真空，利用电磁场，并分别使用点对点电极， 环对环电极，环对点电极，点对环电极四种不同形式的电极，并考虑了背后电极 的影响，实验设置的示意图如图1 1 所示： 真空容器 背 图1 - 1 实验装置的示意图 天津大学硕士学位论文 第一章序论 m 0 h k ia n ds s a i t o 研究的主要结论可以阐述如下：电极形状和背后电极对 闪络的影响极大。无论电极形状如何，磁通密度如何，当施加负脉冲时，不会产 生v 型的特征曲线。无磁场时，当气压低于巴申最小值时，背后电极对闪络影 响极大。 r k o r z e k w a 的研究主要针对近地运行轨道中的磁绝缘子效应。在近地运行 轨道中，部分元件暴露于真空环境中，脉冲电源系统的正常工作受到了由等离子 体，紫外线辐射，真空中的释放气体等作用引起的闪络的影响。而主要限制脉冲 电源系统工作电压的，就是绝缘表面的闪络。 提高给定的电极一绝缘配置系统稳定工作电压的方法之一，是在绝缘表面适 当的放置磁场，并把这个称为“磁绝缘子效应”。人们已经对“磁绝缘子效应” 的基本机理已经进行了大量研究并付诸应用。 鉴于以上的研究背景，r k o r z e k w a 设计了两个实验，来研究近地运行轨道中 磁绝缘子作用。在这两个实验中，分别使用了直流磁场和脉冲磁场，对实验试样 g 一1 0 ( 直流磁场时) 和p y r e x ( 脉冲磁场时) 表面的闪络进行考察。实验的装置图如 图1 2 所示： 高 a ) 直流磁场实验 绝缘子 励磁电流 b 凸 - - - + 曰 绝缘子 b ) 脉冲磁场实验 图1 - 2 实验装置图 实验结论：当e b 的方向偏离试样表面( & k o r z e k w a 定义为负磁场) ，磁通 密度达到0 4 t 时，闪络电压显著提高。而对于脉冲磁场( e x b 的方向指向表面) ， 闪络电压先降低，然后又升高到一个更高的幅值。在最大的负磁场中，直流磁场 已经使得放电通道存在于绝缘试样的边缘，构成了一个闭合的环形。r k o r z e k w a 天津大学硕士学位论文第一章序论 认为，这种情况下的闪络电压比直接贯通两极的闪络电压低。并可以解释为：当 b 0 时，磁场使得电子向表面 运动，从而引起了表面气体的解吸附。 k o r z e k w a 的研究还讨论了不同的实验条件，如表面粗糙度、气压、介质的 类型、低密度背后等离子体等，对磁绝缘子效应的影响。一般来说，增大表面粗 糙度和气压，会降低磁绝缘子效应。 在国内，天津大学的范震冈和袁晓燕曾在其研究中指出，环氧树脂的体电阻 率随着磁通密度的增加而增大 4 2 , 4 3 】。但是，与此类似的研究却极少。国内的研究 者主要把目光放在了磁场所引起的机械效应和热效应所引起的事故和损失上 1 9 , 2 0 棚l ，却忽略了磁场环境下绝缘介质的破坏而导致设备事故这一重要的现象。 综上所述，国内外对磁场环境下绝缘击穿的研究还存在以下不足。第一，多数 研究是在真空环境下开展的，对于常压下磁场的存在所引起的沿面闪络及事故的 研究考察较少。第二，对于有机材料表面破坏特性的研究较少。有机绝缘材料的 表面破坏会形成碳化痕迹而造成短路，严重的会造成设备起火等事故 4 - 9 。因此。 对磁场环境下的有机绝缘表面破坏，还有待深入研究。 1 4 本文的主要工作 本文考察了高海拔低气压环境下，磁场对环氧树脂表面绝缘破坏过程的影 响。利用高密封度真空容器来模拟我国青藏高原地区海拔高度在4 0 0 0 m 以上的低 气压环境。采用可调节间距的永磁铁模拟磁场环境，磁场选取为m t 数量级。 在本文中，主要进行了如下实验： l 板一板电极下环氧树脂的绝缘破坏的实验。 2 半圆板一板电极下环氧树脂的绝缘破坏的实验。 实验的整个过程包括：试样的制备、磁路和电路设计、数据的采集、整理和 分析。本实验采用印刷电极方式，使用板一板和半圆板一板两种电极分别模拟均 匀电场和不均匀电场，测量了间隙的起始放电电压和形成炭化导电通路的绝缘破 坏时间。采用高分辨率的多功能数据采集卡来纪录放电波形，并利用傅立叶变换 等信号处理工具对波形进行分析。利用软件m a t l a b 对实验的数据进行整理和分 析。 结果证明，在本实验气压范围内，磁场对环氧树脂的沿面放电和绝缘破坏的 机理，与高真空环境下差别较大。 本文还对电子在电场和磁场共同作用下的运动轨迹进行了理论推导。为分析 天津大学硕士学位论文 第一章序论 磁场环境下绝缘破坏的机理及后续研究作理论基础。 天津大学硕士学位论文第二章固体介质的击穿机理 第二章固体介质的击穿机理 固体介质具有较好的绝缘特性，被广泛地应用于电气绝缘的各个领域。本章 介绍了固体电介质的基本击穿类型及影响因素，并对发生在固体表面的沿面闪络 现象进行了综述。有机固体材料具有独特的破坏特性，本章对有机固体材料表面 的破坏机理进行了简述，并对影响有机绝缘表面破坏的因素进行简单介绍。 2 1 固体的击穿理论 2 1 1 固体击穿的基本类型【3 ，1 4 4 5 1 在电场的作用下，固体介质的击穿可能是电击穿、热击穿、电化学击穿所 引起的。实际的电气设备中的固体介质击穿过程是错综复杂的，它不仅取决于介 质本身的特性，还与绝缘结构形式，电场的均匀性，外加电压波形和加压时间以 及工作环境等诸多因素有关，所以往往要用多种理论来说明其击穿过程。 1 电击穿理论 固体介质的电击穿是指仅仅由于电场的作用而直接使介质破坏并丧失绝缘 性能的现象。 固体介质中存在少量处于导带能级的电子，它们在强电场的作用下加速，并 与晶格节点上的原子不断碰撞。当单位时间内传导电子从电场获得的能量大于碰 撞失去的能量，则在电子的能量达到了能使晶格原子发生电离的水平时，传导电 子的数目将迅速增多，引起电子崩，破坏了固体介质的晶格结构，使电导增大而 导致击穿。 在介质的电导很小，又有良好的散热条件以及介质内部不存在局部放电的情 况下，固体介质的击穿通常为电击穿，其击穿场强一般可达l o5 1 0s k v m ，比 热击穿时的击穿场强高很多，后者仅为1 0 ，1 0 k v m 。 电击穿的主要特征为：击穿电压几乎与环境温度无关；除时间很短的情况外， 击穿时间与电噩作用时间关系不大；介质发热不明显；电场的均匀程度对击穿电 压有显著影响。 2 热击穿理论 天津大学硕士学位论文第二章固体介质的击穿机理 热击穿是由于固体介质内热不稳定过程造成的。当固体介质较长期地承受电 压的作用时，会因介质损耗而发热，与此同时也向周围散热，如果周围环境温度 低，散热条件好，发热和散热将在一定条件下达到平衡，这时的固体介质处于热 稳定状态，介质温度不会不断上升而导致绝缘的破坏。但是，如果发热大于散热， 介质温度将不断上升，导致介质分解、溶化、碳化或烧焦，从而以热击穿形式完 成，也可以因介质劣化后电气强度下降而以电击穿形式完成。 3 电化学击穿 固体介质在长期工作电压的作用下，由于介质内部发生局部放电等原因， 使得绝缘劣化，电气强度逐步下降并引起击穿的现象称为电化学击穿。在临近最 终击穿阶段，可能因为劣化处温度过高而以热击穿形式完成。 电化学击穿电压的大小与加电压时间的关系很密切，但也因介质种类的不 同而不同。有实验表明，无机绝缘材料耐局部放电的性能较好。 在电化学击穿中，还有一种树枝化放电的情况，这通常发生在有机绝缘材 料的场合。当有机绝缘材料中因小曲率半径电极、微小空气隙、杂质等因素而出 现高场强区时，往往在此处先发生局部的树枝状放电，并在有机固体介质上留下 纤细的沟状放电通道的痕迹，这就是树枝状放电劣化。 在交流电压下，树枝化放电劣化是局部放电产生带电粒子冲击固体介质引 起固体介质电化学劣化的结果。在冲击电压下，则可能是局部放电场强超过了材 料的电击穿场强所造成的结果。 2 1 2 影响固体击穿的因素 3 “，4 5 影响固体介质击穿电压的因素很多，主要因素如下： 1 电压作用时间 如果作用时间很短( 0 1 s 以下) ，固体介质的击穿往往是电击穿，击穿电压当 然也很高。随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果再加压后数分钟到 数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。不过二者有时候很难区分清楚。 比如在工频交流l m i n 耐压试验中的试品被击穿，常常是电和热双重作用的结果。 电压作用时问长达数十小时甚至几年才能发生击穿，大多属于电化学击穿。 2 电场的均匀程度 处于均匀电场中的固体介质，其击穿电压往往较高，且随介质厚度的增加近 似地成线性增大：若在不均匀电场中，介质厚度增加将使电场更不均匀，于是击 穿电压不再随厚度的增加而线性上升。当厚度增加使散热困难到可能引起热击 穿，增加厚度的意义就更小了。 天津大学硕士学位论文 第二章固体介质的击穿机理 常用的固体介质一般都含有介质和气隙，这时即使处于均匀电场中，介质内 部电场分布也是不均匀的，最大电场强度集中于气隙处，使击穿电压下降。如果 经过真空干燥，真空浸油或浸漆处理，则击穿电压可明显提高。 3 温度 固体介质在某个温度范围内其击穿性质属于电击穿，这时的击穿场强很高， 且与温度几乎无关。超过某个温度后将发生热击穿，温度越高热击穿电压越低； 如果其周围媒质的温度也高，且散热条件又差，热击穿电压将更低。因此，以固 体介质作为绝缘材料的电气设备，如果某处局部温度过高，在工作电压下即有热 击穿的危险。 不同的固体介质其耐热性能和耐热等级是不同的，因此它们由电击穿转化为 热击穿的临界温度一般也是不同的。 4 受潮 受潮对固体介质击穿电压的影响与材料的性质有关。对不易吸潮的材料，如 聚乙烯，聚四氟乙烯等中性介质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的 极性介质，如棉纱，纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥时的百分之 几或更低，这是因为电导率和介质损耗大大增加的缘故。 所以高压绝缘结构在构造时要注意除去水分，在运行中要注意防潮，并定期 检查受潮情况。 5 累计效应 固体介质在不均匀电场中以及在幅值不很高的过电压，特别是雷电冲击电压 下，介质内部可能出现局部损伤，并留下局部碳化，烧焦或裂缝的痕迹。多次加 压时，局部损伤会逐步发展，这成为累积效应。显然，它会导致固体介质击穿电 压的下降。在幅值不高的内部过电压下及幅值虽高，但作用时间很短的雷电过电 压下，由于加压时间短，可能来不及形成贯穿性的击穿通道，但可能在介质内部 引起强烈的局部放电，从而引起局部损伤。 近几年来，有学者还对非常规环境下固体介质的老化击穿现象进行了研究。 陈正平等人使用了x 射线对有机固体介质中的气隙进行照射，测试研究了气隙内 局部放电的特征。由于x 射线的作用，气隙中电子的能量较大，二次电子崩容易形 成，气隙中的起始放电电压较低。同时，由于产生了较强的局部放电对固体介质 的破坏作用也增强了【拍】。 2 2 固体介质表面的沿面闪络 天津大学硕士学位论文 第二章固体介质的击穿机理 2 2 1 固体介质表面沿面闪络的一般过程【3 1 4 朋】 沿面闪络是沿着固体介质表面发展并贯通两电极的气体放电现象。沿着污染 表面发展的闪络称为污闪，但这时的放电机理与表面干净时有很大的不同，而且 污闪电压要低得多，甚至可能在工作电压下发生，严重影响了电气设备的正常运 行，并日益受到重视。 由于大多数绝缘子以电瓷，玻璃等硅酸盐材料制成，所以沿着它们的表面发 生放电或闪络时，一般不会导致绝缘子的永久性损坏。电力系统的外绝缘一般为 自恢复绝缘，因为绝缘子闪络或空气间隙击穿后，只要切除电源，它们的绝缘性 能都能很快地自动彻底恢复。与之相反的是大多数电力设备的内绝缘均属非自恢 复绝缘，一旦击穿，即意味着不可逆转低丧失绝缘性能。 实验表明：沿固体介质表面的闪络电压不但要比固体介质本身的击穿电压低 得多，而且也比极间距相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见一个绝缘装置的实 际耐压能力并非取决于固体介质部分的击穿电压，而取决于它的沿面闪络电压， 后者在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时起决定性作用。 2 2 2 影响固体介质沿面闪络的因素 影响固体介质沿面闪络的因素有很多，比如固体介质的材料、表面特性、电 场形式等等在实际的应用中，较常见的是绝缘表面污损盐碱的影响。如工厂附 近的煤烟，海岸附近的盐雾等使得绝缘子表面出现污秽。一般情况下，如果表面的 污秽处于干燥状态，不容易引发绝缘故障。但若出现浓雾，小雨等恶劣天气时，绝 缘表面受潮，污秽物中的电解质溶解，绝缘表面的电导增加，将会导致闪络的发 生。 文 2 4 的研究指出大气污染造成的输变电设备外绝缘污闪对电力系统造成 了严重危害，我国幅员辽阔，复杂的地貌和气象特征也使得污闪问题尤为突出。 此外，文 2 5 还使用三种复合绝缘子在四种海拔高度上进行了低气压和人工污秽 的实验。并和典型的电瓷绝缘子作了比较，同时进行了憎水性状态下复合绝缘子 的污闪实验。结果表明，复合绝缘子污闪电压随气压降低有规律地降低。 近年来，为了使传输线路能适应高原地区低气压覆冰环境工作的需要，有学 者在多功能人工气候室内进行了低气压下覆冰绝缘子直流闪络特性的研究，得出 完全覆冰绝缘子的闪络电压随气压的降低而下降的结论 2 1 矧。此外，还模拟了 4 0 0 0 m - 5 5 0 0 m 的高海拔、覆冰、污秽作用下合成绝缘子的交流闪络电压，提出了 天津大学硕士学位论文 第二章固体介质的击穿机理 最低交流闪络电压的校正公式。 上世纪9 0 年代以来，对空间电荷集聚现象导致的沿面闪络研究较多。固体绝 缘长期处于高电场之中，由于局部放电，空间电离等作用，将使得绝缘表面带电。 或者电荷在电场的作用下，注入到固体绝缘的陷阱当中，形成空间电荷。空问电荷 的存在使得固体表面的电场分布发生了变化，当电场的极性发生转变时，极易发 生沿面闪络现象【4 7 例。文 5 4 对冲击电压和直流电压下g i s 表面的空间电荷集 聚现象进行了研究，讨论了表面电荷分布随时间、电压幅值、极性等因素的变化， 并发展了相关模型。研究结果还显示，在有些条件下，随着表面电荷密度的逐渐增 加，绝缘子的起始放电电压降低：表面电荷集聚可以增强先导头部的电场使得绝 缘子闪络从流注向先导转变过程加快。实验表明，表面电荷的集聚可以使沿面闪 络电压降低2 0 以上。 2 2 3 真空环境下固体介质沿面闪络 真空作为一种特殊的介质，被广泛应用于电气设备和现代电力电子器件中。 在真空间隙中的绝缘支撑表面上，或在真空器件的绝缘外壳上同样存在着沿面闪 络现象。有报道显示，真空中固体表面的沿面闪络场强要远低于真空的临界击穿 场强矧。因此，真空中固体绝缘材料表面的沿面闪络现象严重制约了真空器件 的性能，影响了设备的正常运行。 真空中带电质点的平均自由行程很大，气体分子对闪络的影响很小，因此真 空中的沿面闪络现象的机理独特。真空中绝缘子沿面闪络现象的重要性引起了各 国学者的重视，并从上世纪五六十年代展开了研究【5 7 1 。 国外最初的研究主要是寻找影响沿面闪络的因素，如电压波形、真空度、绝 缘子外形等，初步探讨了真空中沿面闪络的机理。上世纪九十年代以来，随着实验 设备的改善和测量技术的提高( 3 s - 6 1 ) ，人们逐步采用以光学为主的方法来进行真 空中沿面闪络研究，并取得了一定的进展。 真空中介质表面的闪络现象，其全部过程可以分为三个阶段：起始阶段：发展 阶段；闪络击穿。在大量实验的基础上，人们对于上述三个阶段的起始阶段和闪络 击穿阶段的认识基本一致，而对中间的发展阶段即电子倍增过程的看法却众说纷 纭。比较有代表性的模型有两种：二次电子发射雪崩模型和电子触发的极化松弛 模型 3 3 。5 7 】。 1 二次雪崩模型( s e 队) 是由a n d e r s o n 等人提出的，其主要观点包括： 天津大学硕士学位论文 第二章固体介质的击穿机理 a 当在绝缘子两端施加电压时，金属电极，真空和绝缘材料表面三结合处的 局部电场强度较高，此处发生场致电子发射，并产生一次电子。 b 一次电子在电场的作用下加速并获得能量撞击绝缘子的表面，根据一次电 子的能量和入射方向的不同以及绝缘材料的差异，对应于不同的发射系数，一次 电子或者被材料吸收，或者从绝缘材料中激发二次电子。 c 绝缘材料表面发射二次电子后留下了正电荷，即表面带正电，而后不断发 生二次电子发射，二次电子再次碰撞绝缘表面以及电子的在此发射和再次碰撞等 过程这使得绝缘子表面累积了大量的正电荷，导致产生电子雪崩，即二次电子发 射雪崩同时电子崩在电场的作用下向阳极运动。 d 电子对绝缘子不断的撞击同时，还会使吸附在绝缘子表面的部分气体分子 获得能量，当这一能量达到一定值时，这些分子可以克服绝缘子表面吸引而产生 解吸附。解吸附的气体分子可以吸附电子成为负离子，也可能被电子碰撞发生电 离。在电场作用下，带电气体分子也随着电子崩向阳极移动。 e 当电子崩和解吸附气体向阳极移动时，靠近阴极的绝缘子表面累积的正电 荷加强了该区域的电场，于是又加强了场致电子发射加剧了二次电子发射以及气 体分子的解吸附和电离的过程，并最终达到沿面闪络。 该模型能够很好的解释一些实验现象，包括表面气体的解吸附，二次电子发 射系数等对沿面闪络的影响。 2 电子触发的极化松弛模型( e t p r ) 是由b l a i s e 和g r e s s u s 提出的，该模型 主要观点如下。 a 极化的电介质在电场或机械应力等的作用下都会有所响应，例如介质中的 极化松弛，电荷与偶极子的移动，光子发射以及物质晶相的改变等。 b 绝缘子的带电现象是由于介质本身的缺陷，介质中极化电荷的存在使绝缘 子局部区域形成了陷阱中心，从而俘获电荷而产生的，而介质中极化电荷是由介 质的介电常数不均匀引起的。由于带电使得绝缘子在各个不同的局部区域中分别 形成正的或者负的电荷聚焦点。这些电荷可以产生一个较强的静电场，以维持其 平衡状态。该平衡状态极不稳定，容易被打破。一旦被打破，其极化平衡状态储存 的大量能量将得到释放，从而使得表面的气体解吸附。 c 闪络现象正是在外界的扰动下，破坏了介质的极化平衡状态而产生的。被 陷阱捕获的电荷在受到外来电子、热、射线、电场等扰动作用下获得足够能量后 快速逃逸，破坏了原来建立的极化平衡状态，引起了极化能的释放。该过程包含了 高能电子和光子的发射。 电子触发松弛极化模型还可以用来解释直流电压下的沿面闪络现象，表面解 吸附气体和机械特性对沿面闪络的影响。 天津大学硕士学位论文第二章固体介质的击穿机理 绝缘介质的表面带电现象对沿面闪络的进展有着重要的影响。尽管国内外已 经开展对绝缘表面带电现象的研究，但对真空中绝缘子表面带电的机理，表面电 荷对沿面闪络的作用认识还不够清楚。对于表面带电的机理，通常有三种观点 5 5 - 5 7 , 。 1 认为在外电压作用下，由三结合处产生的初始电子在真空中被加速，与绝 缘子表面相碰撞产生二次电子，从而使得表面留下了正电荷，使表面带电该过程 包括二次电子的激发，二次电子向表面扩散以及克服表面势垒并最终逸出的过 程。 2 认为初始电子在绝缘子内表层的导带中被加速而获得能量，在导带中被加 速而获得能量，并在导带中碰撞电离而导致绝缘子表面带电。这种观点能够解释 当电极与材料接触紧密时，在场致发射以前，电极向绝缘体的电荷注入现象而产 生的带电。 3 该观点将绝缘子表面带电归结于绝缘子表面( 或本身) 的缺陷所引起的陷 阱在捕获和释放电荷过程。所谓陷阱，实际上是电荷的吸引中心，分子结构中任何 正负电荷作用中心不重合的地方均有可能形成陷阱。 在上述三种观点中，第一种观点属于表面带电的体外过程。第二。三种观点均 属于体内过程。 2 3 有机绝缘材料表面的绝缘破坏 2 3 1 有机绝缘材料表面的绝缘破坏 当有机绝缘材料表面发生放电时，放电的热量会切断有机绝缘材料的碳链， 使得在表面形成碳的堆积物，由于碳化物的电导率较高，场强将集中于碳化物的 前方，从而使得放电加强，进一步导致了碳化物的生成，当碳的堆积物贯通两极形 成碳化导电路时，就形成了有机绝缘表面的绝缘破坏【4 - 9 】可见。一旦表面破坏发 生，将意味着有机材料不可逆转地丧失绝缘性能。 一般在有机绝缘表面破坏过程中，分解生成的物质有气体和残留物。分解生 成的气体主要是一氧化碳和二氧化碳。有机材料中含有大量的碳元素，通过放电 热分解过程碳与氧结合生成气体放出，多余的碳残留在材料表面，因此容易汽化 的材料，碳化导电路难以形成，绝缘破坏难以发生【3 ，1 ； 天津大学硕士学位论文 第二章固体介质的击穿机理 2 3 2 影响有机绝缘材料表面破坏的因素 在实际的运行过程中，绝缘材料需要运行于各种各样的环境中，比如高温、高 电场、高频、核辐射、紫外线照射、气压等。而环境因素对有机绝缘材料的表面 绝缘破坏有重要的影响。温度、湿度、频率等的变化，均会影响绝缘破坏的时间 1 4 9 , 6 2 - 6 5 。下面将对温度，频率和场强等对有机绝缘材料的表面破坏影响进行简 单叙述。 1 潮湿污秽环境的影响1 9 在潮湿污秽状态下，电场足够大时，材料表面将会有漏电流产生，由于焦耳热 的作用，其水分被蒸发，随着材料表面液膜的分离形成的缝隙称为干燥带。在干燥 带形成瞬间液膜间场强达到放电场强而导致放电，放电产生的热量使材料表面局 部碳化由于碳化物的导电率较高，此处的电场密度集中于该碳化部分，并引起放 电的重复发生，并在其周围产生更多的碳化物形成碳化导电路向电极方向发展， 最终导致短路击穿，这个过程被称为电痕破坏。电痕破坏是有机绝缘特有的破坏 形式。电痕破坏的一般过程如图2 - 1 所示： 材车| 衰耐发，上髓 光辫咒。礅小火花 放电 谯蛾热挽高氧禽 、供蛤热能赢氧禽 雹坚。釜供赫热主 鬣西 材料碳纯 光放电 t 一 嚣骧阿嘲 碳化舒键全体 蕊热 工 生成磺他物的 岢电奉高 弋一。 丽 徽心火花坡电 碳化物被局龋 加热 工 舷成碱化物的 号电率低 图2 - 1 电痕破坏的一般过程 材辑气化 忑 天津大学硕士学位论文 第二章固体介质的击穿机理 研究表明，表面接触角、电极的材质、分子结构等因素对电痕破坏都有一定 的影响。另外，也有学者研究发现，耐电痕性取决于化学结构中碳原子与其他原子 的比值和放电生成物。但由于实际中使用的聚合物经常是复合材料，因此，通过计 算化学结构中碳原子脱出难易程度来推算绝缘强度的方法具有一定的局限性。 测试有机绝缘的耐电痕性，需要国际标准试验法。文献 9 对试验法 i e c 6 0 1 1 2 ，a s t md 2 1 3 2 6 2 t 和i e c 6 0 5 8 7 进行了简介。 2 场强的影响【“】 施加在有机绝缘表面的电极之间的场强，对绝缘破坏的形成有着重要的影 响。众所周知，场强越高，空气越容易电离。电离后的大量电荷在强电场的作用 下向对面电极运动，发生电子崩并导致击穿。由于场强较大，电子在运行过程中 所受的电场力也增大，单位距离内集聚的动能也很大。这样，碰撞材料表面的高 能电子更容易切断分子链而形成碳化导电路。所以，场强越高，有机绝缘的表面破 坏越容易形成。 3 温度的影响 由于机械设计，散热条件的影响，有机绝缘材料经常工作于高温状态下以环 氧树脂为例，文献 6 4 ，6 5 研究了温度从2 3 度变化到1 5 0 度时的环氧树脂绝缘破 坏时间的变化结果显示，随着温度的增加，绝缘破坏的时间减少温度的影响主 要体现在温度对材料表面分子活性的作用上。随着温度的增高，分子的活性变大， 这样，连接分子的分子键变得脆弱，更容易被切断，从而发生表面破坏。不同的 绝缘材料耐受温度影响的能力不同。另外，对于有些绝缘材料，当温度升高到某一 范围时，材料将转变为玻璃态，这时，其破坏机理又与前述不同，也是目前本领域 研究的热点之一。 4 电源频率的影响 当有机材料工作于脉冲电场条件下时，电源的频率也是影响有机绝缘材料表 面破坏的一个重要因素。实验表明，随着频率的增加，单位时间内的放电量增大， 绝缘破坏时间减少这是因为，当电源的频率升高时，单位时间内发射的电子数增 加，这不仅会将使得同一时间内的放电能量变大，也