电气设备的绝缘老化因素

　　电气设备的绝缘在长期运行过程中会发生一系列如固体介质软化或熔解等形态变化、低分子化合物及增塑剂的挥发等的物理变化和如氧化、电解、电离、生成新物质等的化学变化，致使其电气、机械及其他性能逐渐劣化如电导和介质损耗增大、变脆、开裂等，这些现象统称为绝缘的老化。绝缘老化最终导致绝缘失效，电力设备不能继续运行。所示绝缘材料的寿命与老化时间的关系见图1。
　　
　　图1绝缘材料的寿命与老化时间的关系
　促使绝缘老化的原因很多，主要有热、电和机械力的作用，此外还有水分(潮气)、氧化、各种射线、微生物等因素的作用。绝缘老化的速度与绝缘结构、材料、制造工艺、运行环境、所受电压、负荷情况等有密切关系。
　　1、热老化
　　电气设备绝缘在运行过程中因周围环境温度过高，或因电气设备本身发热而导致绝缘温度升高。1930年v.m.montsinger首次提出了绝缘寿命与温度之间的经验关系即10℃规则，认为温度每升高10℃则绝缘寿命约减半。但实际上，不同绝缘的老化速度应该不同，因此10℃规则不能简单地应用于所有的绝缘系统。1948年Dakin提出的新观点认为热老化实为有聚合链分裂等作用的氧化效应，本质为一种化学反应过程，因此应当遵循化学反应速率方程：
　　Lnl=lnα b/t
　　其中，α、b分别是由特定老化反应所决定的常数，l为绝缘寿命，t为绝对温度。该方程的提出，为高温加速老化试验及试验结果的外推提供了理论依据，弥补了Montsinger10℃规则难以区分不同条件下老化的差异的缺点。
　　在高温作用下，绝缘的机械强度下降，结构变形，因氧化、聚合而导致材料丧失弹性，或者造成耐放电性能降低;因材料裂解而造成绝缘击穿，电老化寿命缩短，因为温度增高时，放电起始电压降低，放电强度增加，放电产生的化学腐蚀增加，热的不稳定性也能在更低的电压与频率下发生。户外电气设备会因热胀冷缩而使密封破坏，水分侵入绝缘;或因瓷绝缘件与金属件的热膨胀系数不同，在温度剧烈变化时，瓷绝缘件破裂。但是有试验数据表明，不能用室温下所得材料耐放电性的试验结果来预测高温下的性能。
　　2、电老化
　　电气设备绝缘在运行过程中会受到电场的作用。绝缘所承受的电场强度对其寿命有非常大的影响，原因是，一方面场强增加，放电次数增加;另一方面加快了从局部放电到击穿的过程。绝缘在电场应力作用下的老化行为，尚无定量化描述的理论公式。一般，电老化寿命与场强不是线性关系，而是反幂关系。在雷电过电压和操作过电压的作用下，绝缘中可能发生局部损坏。以后再承受过电压作用时，损坏处逐渐扩大，最终导致完全击穿。
　　电老化是所有的高压电气设备不可避免的一种老化形式，用于高压电气设备的绝缘在制造过程中内部或多或少会存在一些微观尺度甚至宏观尺度的气隙缺陷。当外电场达到气隙的起始放电电压时，就会发生局部放电，破坏绝缘的结构，逐步降低它的绝缘性能。常用的单应力电老化模型有反幂及指数模型分别为
　　L=K-n
　　L=αexp(-bE)
　　式中，E为电场强度;k，n，α，b为实验确定的常数。
　　电老化的机理十分复杂，如电场的均匀程度与电压的频率均会对电老化的速度造成影响，当固体绝缘介质处在均匀电场中时，其击穿电压往往较高;而在不均匀的电场中，其击穿电压往往较低。同一种绝缘介质在不同的电压频率下，放电次数随频率成比例增加，因此，除频率非常高引起热击穿外，一般绝缘的电老化寿命与频率成反比。此外，不同材料的寿命一场强曲线是交错的。
　　不少研究者认为，当外施电压低于绝缘的局部放电起始放电电压时，材料就不会发生由电场所引起的老化。在温度确定的条件下，绝缘材料的寿命曲线趋向一电场闽值式，当绝缘承受的外加电场低于或接近该电场阐值时，其寿命将趋于无穷。对于上述闻值电场的存在，也有持不同观点的人认为，绝缘介质在外施电场作用下的老化是一个连续的过程，不存在任何明显影响老化进程的电场阐值。一些学者通过对气穴中空气从亚电晕到强烈电晕过渡过程中非线性电导率的理论计算和实测数据表明，低电压下的微小亚电晕电流将引起气穴中气体和气穴表面温度的升高。随电压的提高，亚电晕放电形式向强烈电晕放电形式转化，放电源的温度将不断上升，说明绝缘介质在外施电场作用下的老化是一个连续的过程，不存在任何明显影响老化进程的电场阐值。该观点如被更多的实验证实，将因其物理过程清晰，测量方法明确，可能具有更大的说服力。
　　3、机械力老化
　　在机械负荷、自重、振动、撞击和短路电流电动力的作用下，绝缘会破坏，机械强度下降。另外材料内部存在拉伸应力时，它的耐放电性能下降。但压缩应力对它的耐放电性能影响不大。由于材料在制造和应用过程中常存在残余拉伸应力，因此它对材料老化寿命的影响极为重要。
　　4、湿度老化
　　环境的相对湿度对绝缘材料耐受表面放电的性能有影响。如果绝缘承受表面放电，环境的相对湿度对材料的耐放电性有显著影响。由于在高相对湿度下，放电的结果在材料表面会生成一层半导电层，使放电产生自衰。因此，在表面放电情况下，一定相对湿度范围内，绝缘材料的电老化寿命随相对湿度的增高而增长;但在较高的相对湿度下，寿命随相对湿度的增高而缩短。如果水分侵入绝缘内部，将会造成介质电损耗增加或击穿电压下降。对于某些绝缘材料，例如聚乙烯，由于水分的存在，在很低的电场强度下也会发生树枝现象。
　　5、化学老化
　　绝缘材料在水分、酸、臭氧、氮的氧化物等的作用下，物质结构和化学性能会改变，以致降低电气和机械性能。例如变压器油在空气中会因氧化产生有机酸，使介质损耗增加:同时还会形成固体沉淀物，堵塞油道，影响对流散热，使绝缘的温度上升而使绝缘性能下降。 　　6、其他老化因素
　　绝在户外使用的绝缘材料受日光直接照射，在紫外线作用下也会发生老化。在核反应堆、X射线装置中用的绝缘材料受到辐射作用，均会发生老化。此外，在温热带地区绝缘材料还会受到各种微生物的损害，即所谓微生物老化。
　　绝缘材料在实际应用中往往同时受到多种老化因素的共同作用，其效应并不是各种单一因素老化效应的简单叠加。它们之间还存在着相互作用，所以老化机理很复杂。

　　6、其他老化因素
　　绝在户外使用的绝缘材料受日光直接照射，在紫外线作用下也会发生老化。在核反应堆、X射线装置中用的绝缘材料受到辐射作用，均会发生老化。此外，在温热带地区绝缘材料还会受到各种微生物的损害，即所谓微生物老化。
　　绝缘材料在实际应用中往往同时受到多种老化因素的共同作用，其效应并不是各种单一因素老化效应的简单叠加。它们之间还存在着相互作用，所以老化机理很复杂。