中压开关设备的使用寿命（二）

1. 2.2   温度过高对绝缘的影响

影响开关设备使用寿命的关键因素就是温度，金属封闭开关设备的标准将大多数母线导体的最高温度限制在 115°C，这是由最高设计环境温度40°C加上75°C 的允许温升计算而得的。因此，大多数绝缘材料需要接触到的最高连续温度为115°C。温升和绝缘息息相关，限制温升的一个主要目的是避免绝缘问题，空气绝缘开关柜长期使用时会由于温度升高导致热失控，加速绝缘老化，进而导致绝缘系统失效。

一般开关设备采用的环氧树脂热寿命温度等级是B级，即这种环氧树脂在 130°C 下的预期寿命为 20,000 小时，绝缘寿命与温度的物理关系遵循阿伦尼乌斯Arrhenius公式，

式（   3   ）中，由于   A   、   Ea   和   R   是常数，因此它变成了一条直线，斜率为   (Ea/R)   与温度的倒数   (1/T)   。

该表达式的实际用途是估计电气绝缘的寿命，即Arrhenius公式中的值“k”。开关设备中使用的绝缘材料种类繁多，但一般的经验法则是，绝缘材料平均温度每升高10°C，电气绝缘的寿命就会减少一半。电绝缘寿命最常用的指标是介电能力，因此Arrhenius公式成为介电寿命的指标，这就是加速寿命测试的方式，绝缘材料被放置在受控烘箱中并保持在升高的温度以压缩失效时间。

母线的温度以及支撑母线的绝缘材料的温度和母线周围环境温度以及负载有关。

 

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以热寿命等级是B级（20000h）的环氧树脂材料为例，绝缘件不同使用温度下的预期寿命见图2。假定开关柜满负荷运行（设备额定电流）情况下运行铜排温度是110°C（即有5k的裕度），如图2所示其使用寿命是9.1年，而如果该开关柜能够在较低的环境温度20°C下运行，则总温度降低 20°C，寿命将增加到 36 年以上。

图2 绝缘件不同使用温度下的预期寿命

按照2.1节计算数据是开关柜在额定电流满负荷情况下的发热功率，而实际运行还需要考虑是否备用（正常情况不投运），实际运行电流（CT电流）等情况计算，如额定电流3150A的开关柜，当实际运行（CT)电流只有2800A时开关柜的发热只有2080W。因此，假定100%的电流产生70°C的温升，则80%的负载将产生70°C 的64%，即只有45°C的温升，这比100%负载时的温度降低了25°C，从而使预期寿命从9年增加到约 50年。实际上受到柜体散热表面积、防护等级、通风等影响，会有不同。根据发热功率，按照IEC60890计算温升，3150A开关柜在不同运行电流情况下温升如图3所示，运行电流2600A情况下温升是51k，因此按环境温度40°C是温度是91°C，绝缘寿命可以达到35年。

图3 3150A开关柜不同运行电流情况下的温升

这个例子说明了温度作为绝缘寿命的决定因素的主导地位，并解释了为什么良好应用的电气设备在40年后仍在使用。环境温度很重要，实际运行的电流更重要，因为它的影响是平方关系。

其次温度对绝缘件局部放电也有影响，局部放电是指在电场作用下发生在绝缘体内局部区域中的放电现象，而绝缘体的整体部分并未发生贯穿性放电，仍然保持绝缘的性能。在交变电场下，电场强度的分布与介质常数成反比。所以，如果在固体介质内含有气泡时，气泡内的电场强度要比周围介质的高，而气泡的击穿强度比固体介质低得多，故气泡首先放电，而其他介质   仍然保持绝缘性能，这就形成了局部放电。对于空气绝缘开关柜，温度和湿度的影响是局放放电损坏的重要因素，温度过高、湿度过大都会使局部放电会加大。

当气泡放电时，放电便在这一区域产生了空间电荷，并形成了电荷积累，从而出现了一个与外加电场方向相反的内部电压，这就使得气泡放电变成断续的过程，并出现一系列电脉冲。局部放电电离的电子、正负离子在电场的作用下，具有的能量一般都比高聚物的键能大，这些带电质子撞击到气隙壁上，就可能打断绝缘体的化学键；放电点上介质发热可达很高的温度，使绝缘产生热裂解；局部放电过程中生成的许多活性生成物而腐蚀绝缘体，使之介电性能劣化。

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