聚丙烯电缆绝缘层抵抗电击穿的能力称为耐电性。耐电性以击穿场强和耐电强度来表示。导致绝缘击穿的电压称为击穿电压,单位厚度绝缘材料上所承受的击穿电压称为耐电强度,也称击穿场强、介电强度。因此,耐电强度也是聚丙烯绝缘层耐受电压作用而维持绝缘性能的能力。
聚丙烯电缆绝缘层击穿可分为电击穿、热击穿、电化学击穿三种基本类型:
1、热击穿由于绝缘材料聚丙烯发热大于散热,致使聚丙烯绝缘层温度开高所致。
介质极化和泄漏电流引起的电能损耗使绝缘层发热,如果绝缘体传导热量的速度不足以及时将介质损耗的热量散发出去,其内部的温度就逐渐升高。随着温度升高,电导率迅速增加,介电损耗也更快增加,从而放出更多的热量,使温度进一步升高,如此思性循环的结果致使聚丙烯绝缘层温度持续升高,终以热破坏形式而丧失耐电性,发生电击穿。显然,热击穿易发生在散热不好的地方。
外加电压频率增加,环境温度升高,绝缘层厚度增加,散热条件恶化,都会使热击穿强度下降。
潜油泵电缆因为处于地下上千米深度的工作环境中,外面又有铠装,散热很难,热击穿成为聚丙烯电缆常见的击穿形式。
2)电击穿:在弱电场中,载流子不断与周围的其他载流子、分子、原子产生能量交换,能量处于平衡状态,聚丙烯具有稳定的电导率。但当电压强度达到某一临界值时,载流子从外加电压获得足够的能量,它们与高分子碰撞,使高分子链发生电离,激发出新的电子或离子,这些新生的载流子又再碰撞高分子链,而产生更多的载流子,这一过程反复进行,载流子雪崩似的产生,以致电流急剧上升,终导致PI-2001D聚丙烯绝缘层被击穿,这种击穿称为电击穿。聚丙烯中的杂质,在高电压作用下,也会电离成离子,并撞击高分子,发生类似现象。
与热击穿不同,电击穿通常发生在温度较低条件,而且电压作用时间也较短。它受环境温度影响较少,不像热击穿会受到电压种类、频率、绝缘结构、散热条件等的影响。总之,电击穿易发生在电压集中处或较强处。在非均勾电压下,击穿点往往发生在边沿处,击穿只留下小小的斑点,一般还有辐射性的裂痕。
潜油泵电缆工作时很少遇到这种击穿,但是出厂检测时容易遇到。
3)电化学击穿。电化学击穿是聚丙烯绝缘层在高压下长期作用后出现的。高电压的作用能在聚丙烯绝缘层表面或缺陷、小孔处引起局部的空气碰撞电离,从面生成臭氧或氮的氧化物等,这些化合物都能使聚丙烯老化,引起电导的增加,直至击穿发生。
在高电压作用下,聚丙烯绝缘层表面或内部气泡中的气体,因其介电强度比绝缘层的介电强度低得多,首先发生击穿放电。放电时被电压加速的电子和离子轰击绝缘层表面,可以直接破坏聚丙烯的分子结构,放电产生的热量也可能引起聚丙烯的热降解,放电生成的臭气和氮的氧化物将使聚丙烯氧化老化。特别是当高压电压是交变电压时,这种放电过程的频率成倍地随电压频率面增加,反复放电使聚丙烯所受的侵蚀不断加深,导致绝缘层击穿。这种击穿造成的击穿通道的特征呈树枝状,又称树枝击穿。