绝缘如何失效
在电气安全中,绝缘破坏即绝缘失效是主要的防护风险之一,这大多是由于电场、热、化学、机械、生物等因素的综合作用,使绝缘材料的绝缘性能降低,最终致使绝缘性能被破坏。通常来说,绝缘失效包括绝缘击穿、绝缘老化和绝缘损坏。
(1)绝缘击穿:
当施加于电介质的电场强度高于临界值时,通过电介质的电流会突然猛增,使绝缘材料被破坏,完全失去了绝缘性能,这种现象称为电介质击穿。发生击穿时的电压称为击穿电压,击穿时的电场强度简称击穿场强。
包括:
气体电介质的击穿:空气的击穿场强约为 25~30kV/cm 。气体绝缘击穿后,若外加电压消失,能自己恢复绝缘性能。
液体电介质的击穿:液体电介质的击穿特性与其纯净度有关,工程上液体绝缘材料含有气体、液体和固体杂质。这些杂质使液体容易导电(电阻率剧减),因此,在液体绝缘材料使用之前,必须对其进行纯化、脱水、脱气处理;在使用过程中应避免这些杂质的侵入。液体绝缘材料击穿后,绝缘性能在一定程度上可以得到恢复。但经过多次液体击穿后则可能导致液体失去绝缘性能。
固体电介质的击穿:固体电介质的击穿有电击穿、热击穿、电化学击穿等形式。
①电击穿的特点是电压作用时间短(微秒至毫秒级),击穿电压高。电击穿的击穿场强与电场均匀程度密切相关,但与环境温度及电压作用时间几乎无关。
②热击穿的特点是电压作用时间长,击穿电压较低。热击穿电压随环境温度上升而下降,但与电场均匀程度关系不大。
③电化学击穿其特点是电压作用时间长(数小时至数年),击穿电压往往很低。它与绝缘材料本身的耐电离性能、制造工艺、工作条件等因素有关。
与气体、液体介质相比,固体介质的击穿场强较高,是非自恢复绝缘,不像气体、液体介质那样能自行恢复绝缘性能。每次冲击电压下固体介质发生部分损伤,留下有不能恢复的痕迹,如烧焦或熔化的通道、裂缝等,多次作用下部分损伤会扩大而导致击穿。这种现象即为固体介质的累积效应。固体绝缘材料一旦击穿,将永久失去其绝缘性能。
实际上,绝缘结构发生击穿,往往是电、热、放电、电化学等多种形式同时存在,很难截然分开。一般来说,在采用耐热性差的电介质的低压电气设备,在工作温度高、散热条件差时热击穿较为多见。而在高压电气设备中,放电击穿的概率就大些。脉冲电压下的击穿一般属电击穿。当电压作用时间达数十小时乃至数年时,大多数属于电化学击穿。
电工领域常用气体、液体、固体绝缘材料的击穿场强可见下表所示(其中空气的击穿场强E0≈25~30 KV/cm)。
(2)绝缘老化
绝缘老化过程十分复杂。就其老化机理而言,主要有热老化机理和电老化机理。
(1)热老化:一般在电气设备中,促使绝缘材料老化的主要因素是热。每种绝缘材料都有其极限耐热温度,当超过这一极限温度时,其老化将加剧,电气设备的寿命就缩短。
(2)电老化:它主要是由局部放电引起的,如下。局部放电会产生臭氧、氮氧化物和高速粒子,还会使材料局部发热,促使绝缘材料的绝缘性能降低。
(3)绝缘损坏
绝缘损坏是指由于不正确选用绝缘材料,不正确地进行电气设备及线路的安装,不合理地使用电气设备等,导致绝缘材料受到外界腐蚀性液体、气体、蒸气、潮气、粉尘的污染和侵蚀,或受到外界热源、机械因素的作用,在较短或很短的时间内失去其电气性能或机械性能的现象。
电池系统中的绝缘材料大多为固体,需要根据产品的具体使用要求和周围环境来选择电气绝缘特性,如电池系统的污染等级一般为III级(内部有凝露),再次根据不同的瞬态尖峰电压如2500V,正常工作电压电流,最高温度等对电池包内的其他零部件进行提要求,如下表所示。