[科普中国]-电痕破坏

电痕破坏是指当材料表面存在潮湿与污秽、电场足够大时，表面将有漏电流产生，在电流的焦耳热作用下，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，由于碳化生成物的导电率高，此处的电场密度集中于该碳化部分，引起放电的重复发生，在其周围产生更多的碳化物，形成碳化导电路，并向电极方向伸展，最终导致短路。

高海拔环境下聚合物绝缘电痕破坏现象分析通过对低气压条件下绝缘材料表面电痕破坏的相关的综合分析，发现绝缘材料表面电痕破坏是一个复杂的物理化学变化过程，在低气压条件对绝缘材料耐电痕性的影响时，除了要考虑外部条件，如气体密度、氧气含量等的影响外，绝缘材料自身的性质如示氧值和分子结构等对绝缘破坏的影响也不容忽视。以几种常用的典型聚合物介质为例，深入讨论聚合物绝缘破坏的本质，实验分析表明不同绝缘材料的耐电痕破坏能力随着气压的降低会有不同的变化，因此选择高海拔下使用的绝缘材料时必须充分考虑使用环境因素的影响和材料本身的性质。1

绝缘材料表面电痕破坏过程N Yoshimura等指出电气设备发生的绝缘破坏现象是由介质表面放电形成碳化导电通道所致。外界环境因素，如污秽、场强、温度和气压等都会影响有机绝缘材料表面破坏。聚合物有机绝缘材料中含有大量的碳元素，在放电热量的作用下发生分解，一部分碳与氧气反应主要生成一氧化碳和二氧化碳等气体，多余的碳残留在材料表面。

聚合物介质绝缘破坏过程分解生成的物质主要有气体和残留物。对于容易气化的材料，残留在绝缘材料表面的碳很少，碳化导电通路难以形成，绝缘破坏比较难发生。当材料表面残留的碳贯通两极形成导电通路时，绝缘材料破坏完成。一旦绝缘材料表面破坏形成，意味着有机材料会丧失绝缘性能。1

绝缘材料表面漏电痕迹劣化当聚合物绝缘材料处于潮湿与污秽条件下，如在IEC60112—2003标准规定的条件下，当电场强度足够大，电介质表面会产生泄漏电流。由于泄漏电流的焦耳热作用，水分被蒸发，在绝缘材料表面形成不均匀的局部干燥点或干燥带。当干燥带之间的电场强度超过空气击穿场强时，会在干燥带间发生电弧放电。放电产生的热量会使材料表面的碳链断裂，在表面形成碳的堆积物，碳化生成物较高的电导率会使场强畸变，在绝缘材料表面形成较高的电场强度，因而更容易发生闪络放电。由于电场强度集中在碳化部分，放电会在此区域重复发生，并在其周围产生更多的碳化物，形成碳化导电通路并向电极方向伸展，最终形成导电通道。聚合物电介质表面的漏电痕会导致材料绝缘性能劣化，它的持续发展会使绝缘老化甚至使整个绝缘破坏。

干燥区的形成导致此区域的反复放电，当放电产生的热量等因素使绝缘材料表面分解碳化时，会形成局部的导电“电痕”。随着放电的持续发生，这些电痕将发展变大，直到最后贯穿电极形成短路。但在一些情况下，绝缘材料表面在放电破坏时不形成电痕，而是以侵蚀的形式出现。电痕和侵蚀的形成、发展及破坏的整个过程可以描述为以下两种状态。1

电痕破坏过程如果绝缘材料表面放电过程降解生成物大部分为可导电的碳，碳逐渐在绝缘材料表面积累，最终会形成导电通道，当一个完整的碳化导电通路贯通两极时，绝缘材料破坏完成。1

侵蚀过程如果降解产物碳大部分与空气中的氧发生反应，生成易挥发气体等物质，从材料表面逸出，在绝缘材料材料表面就不会产生碳化导电通路，而在材料表面出现侵蚀。在表面侵蚀时，放电只发生在开始位置，不会移动，所以表面击穿很难发生，具有耐侵蚀性的材料通常被用于对表面放电要求很严格的情况。1

交联聚乙烯-硅橡胶界面电痕破坏的影响针对电缆接头处出现的电痕破坏事故，建立了不同压力下界面电痕破坏的实验平台。实验样品由1片聚乙烯和 1片透明硅橡胶重叠压合而成。用二者的接触面来模拟交联聚乙烯电力电缆接头的界面。两个半圆形细铜丝电极位于此界面上，由此构造1个近似匀场电场。高压脉冲电源施加于两电极上直至界面电痕破坏。用数字相机录制了界面从放电至电痕破坏整个过程的放电光和炭化分布。随后，采用图像处理方法并运用Matlab等软件的处理方法，对放电光和炭化通道分布进行分析，得出了放电光分布和炭化分布之间的相互关系以及交联聚乙烯 － 硅橡胶界面电痕破坏的规律。2

界面压力对界面电痕破坏的影响放电光分布的不同直接关系到炭化分布的不同。光的分布随着时间的变化也会变得不太一样，但都比较相似。放电光会出现于距2个半圆形电极最近处的附近区域，而不是完全出现于距两半圆形电极最近的直线上。随着放电的进行，有放电电流流过光亮处即界面处的放电区域，电流的出现使界面上的材料出现了一定程度的变化。能够了解到，放电电流致界面产生的这几种物质中炭物质能够用肉眼观察到，它呈黑色并具有导电性能，随着放电的进行不断产生在实验界面之上，这样会使界面上一些部位的电场强度得到加强，同样也会使另外的一些部位的电场强度减弱： 有炭化效果出现的部位电场强度被减弱了，而没有炭化效果的部位电场强度得到了微小的加强。因此，界面受到影响变黑，另外的2种气体和含硅元素的氧化物都不会被发现。在界面处，电场强度最强的地方往往就是放电光最强的地方，由于出现炭化的量较多，因此界面会逐步丧失其绝缘性能。2

脉冲电压下压力对电痕破坏的规律1、放电光分布变化规律：

根据放电光图，放电光的亮度大小从肉眼上无法准确地被分辨出来，因此采用Matlab软件进行编程，从而将光分布图转化为直观的数据曲线图，这样就能清晰地比较不同时段、不同压力下的放电光的亮度大小。具体的前、中、后以及在压力为1N，施加压力分别为10、20N的情况下的后放电光的亮度分布在 3 个不同的时间段，分别得到了放电光亮度的分布。从单个情况看，曲线呈现波形状，在整条放电光的左端开始处和右端结束处放电光的亮度强度相差不多，基本相同，都为1.4104 (a．u．) 。这是因为放电光都是由2个半圆形的电极发射，呈现对称状，在中间位置( 60mm处) 的放电光变强的原因是放电光从开始到最强处慢慢叠加，不断地重合和积累而形成。在相同压力条件下，不同时间段的放电光亮度的变化规律直观的波形比较。并得出以下结论： 2个半圆形电极处的放电光强度大致一样，且都向中间叠加；在最中间位置放电光的亮度达到最大；在3个不同阶段的中间位置的放电光亮度随着时间的增加，放电光的亮度也不断增强，最强接近1.8104 ( a．u．) 。在起始放电阶段，放电光总体较弱； 在放电中期阶段，放电光随时间变化越来越强； 在放电最后阶段，放电光随时间变得更强。2

2 、炭化分布变化规律：

发现界面的电痕发展具有一定阶段性。但在不同的压力条件下炭化效果和放电光效果也会出现不同的效果和规律，也表现于不同的地方：

1) 炭化效果的宽度变化趋势与放电光通道的变化趋势相反： 炭化效果的宽度越来越宽，并且颜色越来越明显； 放电光通道则是相反变窄。原因是由于随着炭化的进行，界面的场强也开始变化，炭化过后形成的炭具有导电性能，起到导电的作用。炭化的产生间接导致了电极之间距离的变短，只对炭化出现区域的电场有加强或者减弱，但对没有炭化效果出现的两侧电场的强度改变不大。炭出现少的区域电场强度增强，电场增强的区域放电发光强烈。

2) 界面上所产生的炭化量与放电光的强弱无关，无论放电光强度如何变化，随着放电的进行，炭化量一直在增长。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所