6. 4 高场强时的绝缘响应
6. 4. 1 介 绍
这里高场强被定义或者是比正常外加场强 （ 比工作场强要大） 要高的场强或者是比正常局部场强要高的场强。 后者指的是在绝缘层内已经退化的点， 或者是空隙或外来污染物所位于的点。 在这些情况下， 局部场强可能比工作场强要高， 即使工作场强可能很低。 本节讨论的是介电强度和击穿， 并包括绝缘材料和相同影响因数的故障、 试验方法和局部放电 （ 故障的主要原因）。
在检查高电压场强中的绝缘响应时， 讨论将集中在电缆和材料上。 其原因是我们最终讨论的故障和这些涉及电缆故障机理的问题与单独绝缘材料是不相关的。 一个例子是局部放电 （ 见 6. 4. 5 节）， 相比于单独绝缘材料， 在制造电缆上的绝缘对故障模型更相关， 这是由于相比于在聚合物板里空隙有更大的可能性存在电缆里。因此， 我们将检查绝缘和电缆故障模型， 部分讨论高场强时的绝缘响应。
6. 4. 2 介电强度
当工作场强很高时， 其重要性就代替 6. 3 节中讨论的相关性能， 因为绝缘现在更容易出现故障。 发生这种情况时， 有可能即使绝缘没有物理破坏也不能承受这个电压。 电子流释放和过量电流通过绝缘 （ 见 6. 4. 4 节）。 影响其响应的关键参数是绝缘的介电强度。 介电强度可以被定义为当超过电压强度极限时， 介质不再保持其完整性， 发生显著地破裂， 绝缘烧焦而不起作用。 击穿强度值起初是很高的， 如果发生故障， 外加电场就必须非常高。 当绝缘在热或者热/ 电场强下老化时 （ 存在
水/ 不存在水）， 介电强度下降， 使诱发故障所需的外加电压场强下降。 以上适用于绝缘材料、 全尺寸电缆或在役电缆的实验室测试。
老化后介电强度减少的原因是在老化后缺陷发展， 或者是起初存在的小缺陷变大。 这也适用于全部绝缘材料 （ 和电缆）。 水的存在加速了这一过程， 老化后水树的发展表示一个众所周知的现象， 导致挤出电缆材料和电缆的介电强度降低 （ 见第 19 章）。
介电强度是在绝缘故障时的外加电压， 在绝缘厚度上为 V / mil （ 或 kV / mm）。
介电强度能够通过不同的方法来确定： 通过施加直流、 交流 （ 不同频率的）或脉冲。 对电缆来说， 交流是最普遍的 （ 因为电缆运行在 50 ～ 60Hz）， 脉冲对模拟雷电和操作过电压是有益的。 关于电缆的测试方法在第 10 章中讨论。 对材料测试来说， 交流和直流都是普遍的。 外加交流电压的升压速率在小测试试样上经常比全尺寸电缆要大 （ 见 6. 4. 4 节）。
虽然不会直接导致故障， 但水树存在能导致介电强度的降低。 水树在低
（ 正常） 工作场强下可以生长， 能够渗透整个绝缘层， 然而电缆能够继续工作，
不会导致立即故障。 水树是由被氧化聚合物的 “ 痕迹” 分离的充满水的小空隙组成， 水树区域拥有比周围的聚合物基体 （ 至少对XLPE 来说） 更高的 K 值。 故障仅仅在水树转化成电树后发生， 树枝缺陷的两种类型有不同的形状。 不同点概述如下：
水 树 ： 需 要 水 电 树 ： 不 需 要 水
发 散 形 或 领 结 状 针 状 或 纺 锤 状
生 长 需 要 很 多 年 形 成 后 很 短 时 间 就 故 障 氧 化 聚 合 物 的 痕 迹 连 接 的 微 孔 碳 化 的 区 域
下节详细讨论击穿测量和测试。
6. 4. 3 测试方法
当研究绝缘材料时， 可以使用许多可能的方法。 由绝缘材料做成平板或块状的小样品放置在电极之间。对小样品测试， 电极的形状和尺寸代表了重要参数。 施加电压并不断
增加直至发生故障。 一个通常的方
法是使用针电极 （ 见图 6- 8 ） 。 将一
图 6- 8 进行击穿测试的针电极示意图
个端部是尖的， 并且曲率半径可控的针， 插入到样本 （ 平片或板） 中， 指向接地平面 （ 它可能在热状态插入以避免引发半结晶聚合物中 “ 裂缝”） 。 然后施加电压， 在可控的上升速率条件下直到发生故障。 在针尖的位置上会诱发测试样本的故障， 这就是高场强位置。 记录介电强度， kV / mm （ 或 V / mil） 。 这个试验方
法是模拟绝缘中尖锐缺陷的影响， 当研究添加剂对介电强度的影响时， 这个方法不经常采用。
另一个普遍使用的方法是弯曲的电极 （ 见图 6- 9）， 插入到聚合物平板或块里； 这个提供了均匀的电压场强梯度 （ 相比于针尖）， 能够测试绝缘本身的介电强度， 可能故障在电极和聚合物界面的任何地方。 这个电极被称为罗戈夫斯基 （ Rogowski） 电极， 且试验条件与针尖试验是相同的。
这些试验结构代表两个普遍使用的方法来
确定绝缘材料 （ 不是电缆） 的介电强度。 在实际应用中， 还要控制许多变量来确定获得可靠的数据。 这些控制包括：
● 样品厚度。
● 样本的预处理 （ 例如退火热处理）。
● 温度。
● 环境 （ 相对湿度）。
● 电极种类 （ 如上描述的）。
图 6- 9 弯曲 Rogowski 电极提供了均匀电压场强梯度， 介电强度测试
● 试验参数： 外加电压的升压速率； 试验频率， 可以使用 DC， 50 ～ 60Hz， 或脉冲。
如前所述， 试验期间的故障肯定发生在电极/ 聚合物的界面 （ 见图 6- 9） 上而不是沿着试样的周围 （ 边缘）； 如果后者发生， 其被称为闪络， 其不是绝缘完整的有效缺陷。 如果试样里存在外界污染物 （ 如金属）， 它们充当局部高场强点， 且该部位会发生故障。 最终， 由于涉及相对小的试样 （ 相比全尺寸电缆）， 需要测试大量的样品来克服结果固有的不确定性， 并且对结果进行统计分析。
可以想象， 在高表面能材料 （ 金属） 和低表面能材料 （ 非极性聚合物） 的界面上会存在一个弱界面层。
需要提及一个关于诱导退化的材料测试方法 （ ASTM D- 6097）。 这个测试方法是研究水树的生长， 但是击穿可能根据试验条件和材料而不同。 该测试使用绝缘
（ 或者组合半导电屏蔽层） 的小模型试样， 是一个圆锥形的预先制造缺陷 （ 用钢针） 的小试样。 样品 （ 至少 10 个） 放入一定浓度的盐水溶液里， 施加电压， 在一个可控的时间周期 （30 ～ 90 天） 下老化。
针对全尺寸电缆的试验方法是比较复杂的 （ 和昂贵的）， 当涉及全尺寸结构时
（ 导体、 屏蔽和绝缘） 聚合物层大大增厚。 由于这些原因， 有时使用模拟电缆； 模
拟电缆可能有约 60mil 带有导体屏蔽和绝缘屏蔽的绝缘层。 小型和全尺寸电缆试验都进行加速水树生长试验。 绝缘电缆的全尺寸试验在第 10 章讨论。
6. 4. 4 击穿和故障
当外加场强高于绝缘材料能承受的值时发生故障。 由于老化后介电强度下降，故障可能更多 （ 在任意明确的工作场强下）。 虽然介电强度是与绝缘故障有关的最普遍和最重要的参数， 但是还需要解释澄清与测量技术有关的很多问题。
6. 4. 4. 1 固有强度
或许最明显的假定是介电强度的测量值就是预期的绝缘固有强度。 固有强度是纯净、 没有缺陷的材料的固有电气特性参数， 它是在理想测试条件下进行测试得到的最高可能击穿的电场强度。 但是实际上， 这是不可能获得的。 一个原因就是很难获得无缺陷、 纯的绝缘试样。 我们已经提及， 在制造期间正常会发生少量的氧化。此外， 事实上由于测试样品绝缘厚度增加， 制造过程产生非常小的 （ 微小的） 空隙的可能也增加了。 空隙超过一定尺寸就是薄弱环节， 会导致故障 （ 见 6. 4. 5节）。 因此， 通常认为 2cm 厚的平板的更小 （ 微小） 空隙比 1cm 厚的平板 （ 或薄膜） 多。 全尺寸电缆 （ 例如 175mil / 445mm 厚） 介电强度 （ V / mil 或 kV / mm） 显著地小于同样绝缘材料的平板或薄膜的介电强度。
最接近固有强度的测试结果是使用精心准备的、 非常薄的样品以及采用合适的
电极来测量得到的。 在这种理想试验条件下， 由于其固有性能， 绝缘本身将会更接近击穿。
6. 4. 4. 2 击穿强度考虑因素
下列各方面是评估击穿强度信息的重要性时需要考虑的。
1） 发生击穿时的场强取决于绝缘的几何形状和施加电场的电极。 对绝缘材料测试和电缆测试， 这些是明确的， 但它们显著地不同也是明显的。 这是导致在材料和电缆测试中介电强度值不同的原因之一。
2） 我们已经提到这样一个事实， 由于制造时诱发的局部退化， 绝缘材料会有微小的缺陷。 这会导致介电强度的降低， 使其远低于无缺陷材料的固有值。 这个退化 （ 氧化） 的程度在样品之间 （ 平板或把电缆切成片） 可能会有显著地不同。 对表面上相似的样品， 这可能导致出不同的击穿值。 此外， 外来的离子可能在绝缘层里分布不均， 造成从一个样品到另一个的不均匀。
3） 表面上看普通聚合物绝缘材料在击穿 （ kV） 时的介电强度随着测试试样厚度的增加而增加； 但是， 当对介电强度数据对厚度进行规一化后， 以 V / mil （ kV /
mm） 表示击穿强度， 厚试样的数值降低。
4） 介电强度的测量值与施加电压场强增加速率有关。 因此， 当测试条件改变时结果也会改变。 这是另一个原因为什么在绝缘故障时获得的击穿值 （ kV / mm）不是绝对的。
为了补偿这个因素， 在工业规范中控制这个升压速率参数。 因此， 图 6- 10
（ 见 6. 4. 4. 3 节） 显示的 AC 击穿强度数据是 5min 一步的上升时间。 意思就是当测
试开始时， 施加电压 （ 通常初始约是预计击穿强度的 50% ） 保持 5min； 然后增加
电压 （ 由 40V / mil 或 1. 6V / mm） 并再保持另一个 5min。 重复这个过程， 增加相同数值的电压并保持 5min 在每一个 V / mil （ kV / mm） 值， 直到发生故障。 通过控制升压速率并保持恒定可以排除这个变化。
图 6- 10 XLPE 绝缘电缆的 AC 击穿
5） 表面上看介电强度随着工作温度的增加而降低， 我们在前面已经看到 （ 见第 5 章） 当温度升高分子运动的增加是如何影响性能的。
6） 也有可能由于热击穿而发生故障； 这个可能发生在当绝缘里的温度增加的速率远高于散热的速率时。 在电场下， 一些绝缘系统的高损耗会产生热量， 如果加热的速率超过降温的速率 （ 通常通过热传导来降温）， 然后可能发生热击穿， 绝缘故障实质上是热致退化。 许多相关的论点如下： ①聚烯烃的热传导能力是低的， 且散热一般是不迅速的。 ②存在/ 不存在放电时， 这些事件都可能发生 （ 见 6. 5 节）。
③例如无机填料或有机成分的添加剂能增加介质损耗。 对直埋电缆来说， 土壤也自然会起到作用。
7） 最后， 在这里应当指出有金属屏蔽电缆的故障可能由不同的原因所致。 也会涉及同心中性线的腐蚀， 进一步腐蚀绝缘屏蔽， 最终使挤包电缆的绝缘外层劣化。
这里主要的主题是当讨论介电强度时， 有必要明白是如何完成测试的。 在比较不同时间和不同地点完成测试的 AC 介电强度值时， 尤其重要的是测试相关参数。这也适用无论是比较相同材料 （ 不同等级的聚乙烯或 XLPE） 的不同等级， 还是比较不同的绝缘材料 （ 聚乙烯与聚丙烯或 EPR 比较）。 当比较不同等级绝缘的性能时， 这里强调特别重要的是确定测试时使用同样的条件。
6. 4. 4. 3 数据分析
很多类似的电缆聚合物绝缘的击穿测试测量结果不都是完全相同的， 且在统计上的波动是其固有的特性。 例如， 图 6- 10 显示的是全尺寸 XLPE 电缆的 30ft 长度的 AC 击穿强度是从一次挤出 50000ft 电缆的过程中抽取 5000ft 电缆上获得的试验结果。 对电缆测试尽可能完全一样： 相同的导体， 相同的导体屏蔽， 相同的绝缘屏蔽， 相同的绝缘， 相同挤出条件和相同的 AC 击穿强度测试步骤。 尽管样品是从相
如上所述的， 提到影响电性能的物理化学的现象， 最可能的是， 这些变化是由于在加工期间不可避免的缺陷造成的 （ 虽然在 6. 4. 4. 2 节中已经指出了涉及的其他因素）。 上述波动是很常见的。
用统计的方式来分析数据。 认为最可靠的方法就是威布尔分布 （ 也是普遍使用的对数正态分布）。 绘制击穿强度值和故障的累积概率的分布图。 因此， 如果测试 10 个样品并且发生击穿， 各个击穿强度绘制在 X 轴上， 用第一个样品代表总试验样品的 10% 在Y 轴上， 第二个值会是 20% ， 等等。 如果完成 20 个击穿强度的测试， 第一个值是 5% 值。 （ 如果仅有 4 个样品测试， 第一个值代表 25% 。）
在理想情况下， 将得到一条直线 （ 使用商业可用的软件。 过去是在概率纸上手工处理数据）。 这条直线的最小二乘拟合提供了两个重要的参数： （ a） 尺度参数， 这是故障累积概率的 63. 2% 。 （ b） 形状参数， 这是直线的斜率。 尺度参数一般在技术文献中报道； 还是早期文献中研究的重点。 形状参数是重要的， 因为其提供了故障数据的延伸指导。 纵向斜率表示相同的电缆， 而趋于垂直的斜率指示样本
（ 绝缘平板或电缆） 长度之间的不均匀性和差异。
因此， 在相同的方式下进行多个样品的测试得到的 “ 最佳击穿强度值” 还需要进一步补充信息才是真正有意义的。
6. 4. 5 局部放电
局部放电是由于在绝缘材料层或屏蔽表面界面上的空隙的空气分解。 这个放电导致聚合物最终退化和击穿。 这一过程涉及的电子和离子的撞击是电缆中绝缘击穿的主要原因。 空隙存在可能是由于杂质导致的界面接触不好， 老化引发的退化也许与制造过程相关。 该部分包括聚合物绝缘电性能基本原理。 在这里指出局部放电方面没有直接关系的绝缘材料现象， 但在本章中不包括： 这些包括沿着导体和屏蔽传输的高频信号， 周围区域辐射的电磁波， 以及发射的光波和声波。 应该查阅参考文献来研究放电类型或脉冲幅值的重要性。
6. 4. 5. 1 空隙里发生了什么
挤出电缆绝缘里可能会存在小的空隙， 由于老化引起的改变导致它们的发展。符合工业规范要求的挤出电缆中不应存在超过一定尺寸的空隙。 在新制作电缆上进行局部放电测试能防止带有一定尺寸 （ 和数量） 空隙的电缆到达用户的手上。
必须知道空气 （ 在空隙里） 的介电强度。 绝缘的介电强度越大， 在放电条件下的电阻就越大。 因此， 当 （ 聚乙烯或 XLPE） 绝缘薄膜的介电强度本身很高时
（ 也许高达 16000V / mil）， 而空气的介电强度则低 2 ～ 3 个数量级， 这是最容易受加速电子老化的。
对已发生的放电， 空隙的尺寸 （ 直径）、 形状、 压强和温度都有显著影响。 当遭遇带电的电子时不同的绝缘材料会有不同的响应， 但是空气的基本老化响应是不变的。
空气的老化过程会导致形成额外的电子和离子， 如图 6- 11 所示。
图 6- 11 电子分解空气分子产生额外的电子和离子
约含有 80% 氮气的空气的降解可能会导致形成离子和其他有氮的 （ 例如氮氧化物） 降解产生物。 一旦产生新形成的离子和电子， 它们会继续这个过程； 攻击空隙中剩余的空气， 如图 6- 12 所示。
图 6- 12 产生的电子与额外的中性分子起反应
（ PD
0）。
在某一时刻， 临界值一过就会发生击穿； 这个击穿被称为是局部放电起始电压 IV） （ 见 6. 5. 4. 3. 1 节）。 在击穿之后， 穿过空隙的电压立即降为 0 （ 或接近这就是局部放电熄灭电压 （ PDEV）。 如要继续放电过程和发生额外的击穿，
电压必须再次建立起来。 空隙中空气的降解就是重复这一过程， 是非常有害的。 因此， 放电导致空隙的击穿， 引起空气降解。
6. 4. 5. 2 局部放电过程
在雪崩过程发生时， 绝缘层的固/ 气界面会受到大量电子轰击。 这会导致绝缘分子链断裂并产生解离副产物， 如一氧化碳、 二氧化碳、 甲烷以及其他低分子量碳氢化合物， 同时也会生成无机碳酸盐。 这些生成物会与气体解离产物混杂在一起。解离出来的电子、 离子以及其他产物将沉积在绝缘表面 （ 这将大大增强绝缘表面的极性）。 电子可能被束缚在表面上一段时间， 然后再释放出来。 如果这一过程持
续发生， 解离过程将会导致从绝缘/ 气孔界面向绝缘内部发展， 而不仅限于初始放电的气孔。 部分本来完好的聚合物绝缘将被解离后的聚合物取代。 解离产生的高氧化性炭黑会破坏聚合物的连续性， 形成电树。 在电树发展的路径里， 充斥着放电产生的各种气体。 如果局部放电一直存在， 电树最终会延展到绝缘表面形成放电通道， 导致材料的击穿。
相对于同种聚合物制成的薄膜或薄片， 这一放电机制更容易发生在电缆绝缘中。 因为加工薄膜或薄片 （ 如注塑） 的方法更易于消除绝缘内部缺陷， 而电缆的挤出工艺常常不可避免地会在绝缘内留下一些微小的气孔， 例如， 传统的中压电缆绝缘厚度一般为 175mil， 而薄膜的厚度通常只有 1 ～ 5mil。 薄片的针刺测试 （ 见第
5 章） 会导致空洞的产生。
对于纸绝缘系统， 存在因循环负载导致的绕包绝缘接缝处发生孔洞的可能性
（ 见 5. 10. 2. 3 节）。
尽管本书中把气孔中的放电机理和绝缘内放电分别放在 6. 4. 5. 1 节和 6. 4. 5. 2
节中介绍， 但在局部放电发生时， 这两者常常是同时发生的。
6. 4. 5. 3 局部放电的主要参数
本节将对表征局部放电的主要参数做简单介绍。 如果读者想作进一步的了解，可以参阅本章的参考文献。
6. 4. 5. 3. 1 局部放电起始电压 （ PDIV） 和局部放电熄灭电压 （ PDEV）
影响 PDIV 的主要因素：
● 气孔形状： 大多数情况下， 气孔是球形或是椭圆形的。 然而， 气孔在靠近一个高能表面例如金属颗粒时会被拉长。 气孔的形状越尖锐， PDIV 越低。
● 在电缆绝缘层内的位置： 对形状和大小均相同的气孔， 离导体越近， PDIV
越低。
● 气孔内的气压： 增大气压会提高 PDIV， 但是这一参数会随着放电过程发生变化， 因为放电产生的气体会导致气压的动态改变。
● 孔洞大小： 越大的孔洞越容易产生放电 （ 在其他因素相同的情况下）， 因为越大体积的气体受到电子轰击的可能性越大。
在放电发生后， 电压降低， 到一定程度时， 放电停止， 此时对应的电压被称为
PDEV。 经过一段时间后， 放电会反复发生。 6. 4. 5. 3. 2 延迟时间
一旦外加电压达到击穿电压时， 自由电子加速到产生放电所需要的时间被称为静态延迟时间。 （ 延迟时间越长， 击穿发生前所积累的实际击穿电压越高。） 延迟时间由几个主要因素决定： 空气 （ 氧气和氮气） 和绝缘材料的击穿机理。 氧气是电负性气体， 这意味着它比氮气更容易吸收电子。 在放电早期， 电子被电负性气体如氧气所束缚， 这使得放电发生前有一段相对较长的等待时间。 当氧气被消耗完时， 等待时间就结束了。 这段时间可能刚开始是几分钟， 之后会急剧下降到微
这一现象不仅存在于内部气孔放电， 也存在于聚合物表面放电。 当聚合物表面的分子链被氧化后， 束缚电子的能力上升。 被束缚的电子随着放电的进行会逐步释放。 在放电的起始阶段， 只有很少的电子能够脱离束缚。 但是当时间积累到一定程度时， 大量电子脱陷就导致整体放电的产生， 这一时间对应的就是延迟时间， 在放电开始时， 延迟时间很长， 但随着束缚电子逐步释放后， 延迟时间就会大大缩短。
需要牢记的是， 在放电发生时， 正负离子会分别沉积在气孔的相反两侧。 6. 4. 5. 3. 3 残余电压
当 PDEV 发生时， 电压可能不会完全降到零。 换句话说， 在气孔内还会残余一些未参与放电的电荷。 这种现象并不罕见， 但一般残余电压都很小 （ 在极端情况下， 如果残余电压过大， 乃至接近击穿电压时， 会发生持续的局部放电）。 残余电压与气孔尺寸、 放电重复率和材料电导率都有关系。 研究残余电压的重要性在于，某些气孔的局部放电在早期并不显著， 只有当残余电压积累到一定程度后才会产生明显的局部放电。