主绝缘击穿过程简析及判别方法

电压瞬变可以导致所有的定子主绝缘，以及多匝线圈的匝间绝缘被击穿。主绝缘的故障过程是简单明了的，即瞬态交流电压或脉冲电压超过了绝缘的击穿强度，绝缘被击穿并使接地保护动作。

上升沿很陡的冲击电压尤其对多匝线圈的定子绕组匝间绝缘具有危险性。电动机起动过程中可以产生上升沿时间短至100ns左右的瞬态电压。通过傅里叶变换，这种陡上升沿波形的等效频率高达约3MHz。在第1.4.2节已经讨论过，工频情况下一个线圈中的每个相邻线匝间的电压是相等的，也就是说，工频电压是线性、等值地分布在从相首端到中性点端的每个匝间上。然而，当一个很高频率的电压施加到定子绕组上时，电压分布是非线性的，与相出线端相连接的第一个线圈各匝上将会承受较多的电压。发生这种非均匀电压分布的原因，是在高频时绕组串联线圈的电感性阻抗，要比相对较小的对地并联的电容性阻抗（由跨接线圈主绝缘的电容产生）大很多^[13]。因此，在一个多匝定子绕组上施加一个快速上升沿的冲击电压，其后果就是在少于1μs的时间内将一个很高的电压加在绕组头几匝线圈的匝间绝缘上。成型绕组线圈第一匝上的冲击电压可以达到所施加电压的40%之多^[13]。

当电动机合闸时，电动机侧在开关最先闭合时将突然从零值（最坏情况下）跃至（电源）交流对地峰值线电压。这种突然的电压跳跃产生的电压脉冲沿着动力电缆进入定子绕组。由于上升沿很短，假设动力电缆超过30m长，就产生一个行波效应，即动力电缆此时的作用如同冲击阻抗（约30Ω以内），与电动机（定子）的波阻抗连接。如果电动机的波阻抗很高，则由传输线效应增加的电压达两倍（持续几百纳秒）^[13]。试验表明，在第二个闭合的触头上甚至会有更高的瞬态电压，因为来自第一个闭合触头的部分电压将穿过定子绕组传输，并且出现在该（尚开路的）断路器触头的电动机侧。在即将闭合的第二个触头两端就会产生更高的电压。当第二个触头闭合时，传输线效应再次发生，结果是理论上可能在电动机接线端上出现5倍于线对地交流电压峰值的陡上升沿冲击电压。实际上开关不可能总是在交流电压周期的峰值上闭合，并且定子波阻抗也不会总是比电缆波阻抗大很多，因此由电动机合闸产生的瞬态电压的典型值可能是交流电压峰值的2倍（即额定4.1kV的电动机，线对地峰值电压是3.4kV，因此可能发生的瞬态电压大约是6.8kV）。这个暂态电压导致连接到相出线端的线圈第一匝上出现2.7kV的电压（按照上面所说的40%比例因素）。这就比正常运行时匝间绝缘上承受的几十伏电压要高太多了。如果匝间绝缘制造质量不良，或者由于（譬如说）热老化（见第8.1节）变得脆弱了，匝间绝缘就可能被击穿，紧随其后主绝缘也通常会在数秒钟之内发生击穿故障（见第1.4.2节）。(www.xing528.com)

虽然20世纪80年代人们猜想真空和SF₆断路器和断流器可产生更严重的电压冲击，但在电厂从来没有通过实际测量验证过这个结论。电动机合闸过程中的电压冲击的幅值和上升沿时间，对于空气-磁场、真空和SF₆开关设备是一样的，不过，真空和SF₆开关设备的每次开关操作可能会产生数十、上百次电压瞬态过程，而空气—磁场开关只有一次瞬态过程。其余的瞬态过程似乎不致引起绝缘老化^[12]。

通常只是在电动机起动时产生短上升沿时间的电压瞬变，而在停机过程中通常不会导致任何瞬变。因为电动机断路器断开瞬间，由于电动机定子绕组实际上在断路器触头完全打开之前的几秒钟内（因电动机内部原有的电动势）变成了发电机，使断路器触头之间没有电压。然而，如果是电动机正在升速过程中，在到达运行转速之前断开断路器，电动机产生的电动势与电力系统的电压不相等，从而正在打开时的断路器触头之间将会产生一个电压。在某些情况下，通常是真空和SF₆断路器，由于断路器触头从第一次断开后会产生电压振荡，触头间出现“电弧重燃”。这种重燃在断路器触头断开时将连续发生，引起不断上升的重复电压^[13]。断路器开断时产生的电压冲击可以通过在适当位置安装合适的避雷器来防止，同时也应避免在电动机升速过程中断开断路器^[13]。