高场强时的绝缘响应
本文节选自《电力电缆工程》（原书第三版）第六章 电缆绝缘材料电气性能（有删减和调整），主要介绍了高电场时绝缘的介电强度、绝缘材料的固有强度、击穿强度考虑因素等。
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高场强时的绝缘响应
1.高场强的定义
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，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，我们将检査绝缘和电缆故障模型，部分讨论高场强时的绝缘响应。
2.介电强度
当工作场强很高时，绝缘更容易出现故障。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，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。
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50-60 Hz），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将在后续讨论。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。
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：
绝缘材料介电强度的测试方法参见原书。
3.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。
3.1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。
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。
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 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。
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，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。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。
3.3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，尽管样品是从相同的生产运行和相同的盘上进行测试的，但是全尺寸电缆的介电强度变化是从最低 约600V/mil到最大约135OV/mil。这也证明了尽管电缆是相同的方式制造的（假 定），在电缆不同段还是存在显著地差异（这是对全尺寸电缆完成击穿强度测试 结果的补充论述。）
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。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。