電氣設(shè)備絕緣的擊穿與保護

電氣設(shè)備是維持電網(wǎng)正常運行的基本元件，只有在額定電壓與額定電流和良好工作環(huán)境下，設(shè)備才能安全運行，使之保持正常使用壽命。電氣設(shè)備若是處于超負(fù)荷或過電壓下運行，不僅使用壽命縮短，而且還可能造成絕緣擊穿而無法工作，導(dǎo)致電網(wǎng)停電事故的發(fā)生，給經(jīng)濟社會造成極大的影響。

1電氣設(shè)備絕緣擊穿的機理

1.1電氣設(shè)備絕緣的熱擊穿

電氣設(shè)備都設(shè)計在額定負(fù)荷下工作的，若設(shè)備處于超負(fù)荷下運行就會造成設(shè)備溫度升高，而溫度上升會加快絕緣老化的速度，這個速度就與被稱為8℃理論有關(guān)。例如*絕緣的電設(shè)備，正常工作溫度長期在80℃時，絕緣壽命為40年;若長期工作溫度為88℃壽命只有20年;當(dāng)工作溫度達(dá)104℃時，則壽命只有5年。所以電氣設(shè)備是不允許長期過負(fù)荷運行的，其根本原因就是考慮安全運行的使用壽命。

電氣設(shè)備長期過負(fù)荷運行，因溫度上升而發(fā)熱，而發(fā)熱與絕緣壽命有關(guān)，當(dāng)設(shè)備發(fā)熱能量不能及時擴散出去，久之必將造成絕緣的擊穿，稱之為熱擊穿。電氣設(shè)備運行中的發(fā)熱，對絕緣的破壞是一個相對緩慢過程，主要表現(xiàn)為絕緣的老化，化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生變化，當(dāng)設(shè)備溫度不斷上升，會加速絕緣老化進(jìn)程，直至絕緣性能的喪失。如我們常見到的某種使用過的塑料導(dǎo)線其外皮發(fā)硬發(fā)脆;又如橡膠絕緣導(dǎo)線經(jīng)長期使用后，其外皮會開裂發(fā)粘，這實質(zhì)上是過負(fù)荷發(fā)熱而造成絕緣的老化，當(dāng)嚴(yán)重過熱將導(dǎo)致絕緣物碳化，絕緣物發(fā)黑而變成導(dǎo)體。

當(dāng)電氣設(shè)備額定電壓與供電電壓不符，也會引起絕緣擊穿。如將220kV單相設(shè)備接入兩相380V電源上，馬上就會嚴(yán)重發(fā)熱、冒煙，發(fā)出一股焦糊味。又如常見刀閘的固體絕緣物受熱，從刀閘背面流淌下來的情況，這是因為刀閘接觸不良或過負(fù)荷或金屬表面氧化而產(chǎn)生的。一般可正常工作的設(shè)備，其發(fā)熱多為外部因素引起的，反映到設(shè)備本身即是過負(fù)荷而發(fā)熱，經(jīng)過長時間發(fā)熱就會出現(xiàn)絕緣熱擊穿而不能正常運行了。

1.2電氣設(shè)備絕緣的電擊穿

電氣設(shè)備的熱擊穿包含著一個熱傳遞過程，破壞往往是絕緣物整體或大面積。絕緣物接受大量熱能后，絕緣材料的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，其破壞信息容易被我們感覺器官所接受的。而另一種擊穿，即絕緣的電擊穿，則比較隱蔽，它的擊穿往往為瞬時過電壓所致，多數(shù)發(fā)生在電壓等級比較高的電氣設(shè)備上，常見的雷電所造成的電擊穿。

電擊穿的機理是：瞬時高電壓在固體絕緣薄處擊穿，形成一貫穿性的狹小通道，在這通道內(nèi)折出碳的小顆粒。因電擊穿是的不可逆的，由于瞬時高電壓作用，狹小通道擊穿所需能量及吸收的能量都不大，局部溫度還來不及向周圍擴散，電擊穿過程已結(jié)束了。

電擊穿后的絕緣介質(zhì)與擊穿以前完好的絕緣介質(zhì)，從表面上看其形態(tài)是沒有區(qū)別的，這就容易給人們造成錯覺，即感覺上不認(rèn)為絕緣材料已經(jīng)擊穿了。較為典型的事例是：白光燈啟輝器中電容的擊穿，這是日常生活中常見的現(xiàn)象。日光燈燈管兩端發(fā)紅，就是啟不了輝，日光燈亮不起來。原因是啟輝器中的電容擊穿了，其擊穿是瞬時過電壓而造成的。擊穿過程是：當(dāng)啟輝器中的氖氣管內(nèi)的觸頭變冷斷開時，鎮(zhèn)流器產(chǎn)生很高自感電動勢，這一瞬間過電壓加在燈管兩端，同時也加到電容器兩端而造成電容被擊穿。你只要將啟輝器中電容取下，日光燈即可恢復(fù)正常發(fā)亮。我們仔細(xì)觀察該電容，是看不出有任何異常及有被破壞痕跡，但電容確實被擊穿而壞了。

這里我們應(yīng)當(dāng)了解到，某些設(shè)備的電擊穿并不立即就能反映出其內(nèi)部故障，而是要經(jīng)歷了由電擊穿到熱擊穿后才明顯地反映出故障特征。如配電變壓器遭受雷擊，其首端匝間線圈絕緣出現(xiàn)電擊穿，起初很難發(fā)現(xiàn)有任何異常，待運行一段時間后發(fā)展到鄰近匝間或?qū)娱g絕緣也擊穿，才明顯表現(xiàn)出故障的特征。由此可見，高壓設(shè)備的過電壓保護是設(shè)備安全運行的重要措施，所以高壓設(shè)備一定要設(shè)置絕緣擊穿保護。

2電氣設(shè)備絕緣擊穿的保護

電氣設(shè)備若是處于過負(fù)荷或瞬時過電壓下運行，其絕緣必將遭受擊穿而損壞。為此，電氣設(shè)備必須設(shè)置絕緣擊穿保護裝置，以確保設(shè)備的安全運行。

如電網(wǎng)中常見的配電變壓器，一般設(shè)有跌落式熔斷器和避雷器兩種保護裝置。其中跌落式熔斷器是配變過電流保護，防止配變絕緣的熱擊穿，而避雷器則是配變瞬時過電壓保護，防止配變絕緣的電擊穿。避雷器不僅只用于防止雷擊，而且還可以用來防止配變空載時倒閘操作產(chǎn)生的過電壓。因此要求避雷器應(yīng)安裝在配變?nèi)嗌?，并接于熔斷器下方，而不能接于熔斷器上方。但避雷器受到自身熱容量的限制，不能耐受較長時間的過電壓，否則會爆炸，這點在選擇避雷器參數(shù)時需加考慮。

從避雷器保護原理可知，避雷器的擊穿先于被保護設(shè)備絕緣的擊穿，但普通帶有間隙避雷器的擊穿存在兩個時延，即統(tǒng)計時延和放電形成的時延。這表明當(dāng)電壓達(dá)到避雷器間隙擊穿電壓時，避雷器并不立即擊穿放電，而是要經(jīng)過兩個時延后才擊穿放電。兩個時延又具有統(tǒng)計性，這就使得加在絕緣上的電壓是一個范圍值，而非一個定值，這給絕緣保護配合帶來了困難，因而要求絕緣要有較大的裕度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更加科學(xué)更加完善保護裝置的出現(xiàn)，必將會降低電氣設(shè)備對絕緣配合的要求，因而也會較少出現(xiàn)絕緣的問題。

在絕緣保護裝置的設(shè)置上，對低電壓設(shè)備一般不要求設(shè)置瞬時過電壓保護，只設(shè)過電流的保護，除非在有可能受到雷電影響下才設(shè)過電壓保護。其過電流保護電器有：熔斷器、熔斷管、空氣開關(guān)內(nèi)的過電流保護、熱繼電器的過電流保護及某些繼電器保護裝置等。因為低壓設(shè)備的額定電壓較低，即使出現(xiàn)3-5倍的過電壓，對低壓設(shè)備的絕緣來說還是相對較低的電壓，因而不需要設(shè)置瞬時過電壓保護。

但某些設(shè)備要求設(shè)置較長時間過電壓保護，如電壓繼電器保護裝置，它實質(zhì)上是防止絕緣的熱擊穿。由此可見，低壓設(shè)備的保護，還是防止絕緣熱擊穿為主要內(nèi)容。

但熔斷器保護也存在有不足之處，從熔斷器的安時特性可知，熔斷器過流倍數(shù)越大，熔斷時間越短，一般的過電流即使在200%的過流，也難于在短時間內(nèi)將熔絲熔斷，因此它一般只作短路故障保護，不能起到過負(fù)荷保護作用。