电气设备绝缘的击穿与保护

电气设备是维持电网正常运行的基本元件，只有在额定电压与额定电流和良好工作环境下，设备才能安全运行，使之保持正常使用寿命。电气设备若是处于超负荷或过电压下运行，不仅使用寿命缩短，而且还可能造成绝缘击穿而无法工作，导致电网停电事故的发生，给经济社会造成极大的影响。

1 电气设备绝缘击穿的机理

1.1电气设备绝缘的热击穿

电气设备都设计在额定负荷下工作的，若设备处于超负荷下运行就会造成设备温度升高，而温度上升会加快绝缘老化的速度，这个速度就与被称为8℃理论有关。例如A级绝缘的电设备，正常工作温度长期在80℃时，绝缘寿命为40年;若长期工作温度为88℃寿命只有20年;当工作温度达104℃时，则寿命只有5年。所以电气设备是不允许长期过负荷运行的，其根本原因就是考虑安全运行的使用寿命。

电气设备长期过负荷运行，因温度上升而发热，而发热与绝缘寿命有关，当设备发热能量不能及时扩散出去，久之必将造成绝缘的击穿，称之为热击穿。电气设备运行中的发热，对绝缘的破坏是一个相对缓慢过程，主要表现为绝缘的老化，化学性质也发生变化，当设备温度不断上升，会加速绝缘老化进程，直至绝缘性能的丧失。如我们常见到的某种使用过的塑料导线其外皮发硬发脆;又如橡胶绝缘导线经长期使用后，其外皮会开裂发粘，这实质上是过负荷发热而造成绝缘的老化，当严重过热将导致绝缘物碳化，绝缘物发黑而变成导体。

当电气设备额定电压与供电电压不符，也会引起绝缘击穿。如将220kV单相设备接入两相380V电源上，马上就会严重发热、冒烟，发出一股焦糊味。又如常见刀闸的固体绝缘物受热，从刀闸背面流淌下来的情况，这是因为刀闸接触不良或过负荷或金属表面氧化而产生的。一般可正常工作的设备，其发热多为外部因素引起的，反映到设备本身即是过负荷而发热，经过长时间发热就会出现绝缘热击穿而不能正常运行了。

1.2电气设备绝缘的电击穿

电气设备的热击穿包含着一个热传递过程，破坏往往是绝缘物整体或大面积。绝缘物接受大量热能后，绝缘材料的化学性质发生变化，其破坏信息容易被我们感觉器官所接受的。而另一种击穿，即绝缘的电击穿，则比较隐蔽，它的击穿往往为瞬时过电压所致，多数发生在电压等级比较高的电气设备上，最常见的雷电所造成的电击穿。

电击穿的机理是：瞬时高电压在固体绝缘最薄处击穿，形成一贯穿性的狭小通道，在这通道内折出碳的小颗粒。因电击穿是永久的不可逆的，由于瞬时高电压作用，狭小通道击穿所需能量及吸收的能量都不大，局部温度还来不及向周围扩散，电击穿过程已结束了。

电击穿后的绝缘介质与击穿以前完好的绝缘介质，从表面上看其形态是没有区别的，这就容易给人们造成错觉，即感觉上不认为绝缘材料已经击穿了。较为典型的事例是：白光灯启辉器中电容的击穿，这是日常生活中常见的现象。日光灯灯管两端发红，就是启不了辉，日光灯亮不起来。原因是启辉器中的电容击穿了，其击穿是瞬时过电压而造成的。击穿过程是：当启辉器中的氖气管内的触头变冷断开时，镇流器产生很高自感电动势，这一瞬间过电压加在灯管两端，同时也加到电容器两端而造成电容被击穿。你只要将启辉器中电容取下，日光灯即可恢复正常发亮。我们仔细观察该电容，是看不出有任何异常及有被破坏痕迹，但电容确实被击穿而坏了。

这里我们应当了解到，某些设备的电击穿并不立即就能反映出其内部故障，而是要经历了由电击穿到热击穿后才明显地反映出故障特征。如配电变压器遭受雷击，其首端匝间线圈绝缘出现电击穿，起初很难发现有任何异常，待运行一段时间后发展到邻近匝间或层间绝缘也击穿，才明显表现出故障的特征。由此可见，高压设备的过电压保护是设备安全运行的重要措施，所以高压设备一定要设置绝缘击穿保护。

2 电气设备绝缘击穿的保护

电气设备若是处于过负荷或瞬时过电压下运行，其绝缘必将遭受击穿而损坏。为此，电气设备必须设置绝缘击穿保护装置，以确保设备的安全运行。

如电网中最常见的配电变压器，一般设有跌落式熔断器和避雷器两种保护装置。其中跌落式熔断器是配变过电流保护，防止配变绝缘的热击穿，而避雷器则是配变瞬时过电压保护，防止配变绝缘的电击穿。避雷器不仅只用于防止雷击，而且还可以用来防止配变空载时倒闸操作产生的过电压。因此要求避雷器应安装在配变三相上，并接于熔断器下方，而不能接于熔断器上方。但避雷器受到自身热容量的限制，不能耐受较长时间的过电压，否则会爆炸，这点在选择避雷器参数时需加考虑。

从避雷器保护原理可知，避雷器的击穿先于被保护设备绝缘的击穿，但普通带有间隙避雷器的击穿存在两个时延，即统计时延和放电形成的时延。这表明当电压达到避雷器间隙击穿电压时，避雷器并不立即击穿放电，而是要经过两个时延后才击穿放电。两个时延又具有统计性，这就使得加在绝缘上的电压是一个范围值，而非一个定值，这给绝缘保护配合带来了困难，因而要求绝缘要有较大的裕度。随着科学技术的发展，更加科学更加完善保护装置的出现，必将会降低电气设备对绝缘配合的要求，因而也会较少出现绝缘的问题。

在绝缘保护装置的设置上，对低电压设备一般不要求设置瞬时过电压保护，只设过电流的保护，除非在有可能受到雷电影响下才设过电压保护。其过电流保护电器有：熔断器、熔断管、空气开关内的过电流保护、热继电器的过电流保护及某些继电器保护装置等。因为低压设备的额定电压较低，即使出现3-5倍的过电压，对低压设备的绝缘来说还是相对较低的电压，因而不需要设置瞬时过电压保护。

但某些设备要求设置较长时间过电压保护，如电压继电器保护装置，它实质上是防止绝缘的热击穿。由此可见，低压设备的保护，还是防止绝缘热击穿为主要内容。

但熔断器保护也存在有不足之处，从熔断器的安时特性可知，熔断器过流倍数越大，熔断时间越短，一般的过电流即使在200%的过流，也难于在短时间内将熔丝熔断，因此它一般只作短路故障保护，不能起到过负荷保护作用。