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空氣中測試擊穿電壓時沿面閃絡、放電、爬電現象
閱讀：1225發布時間：2024-3-27
電力系統中，電氣設備的帶電部分總要用固體絕緣材料來支撐或懸掛。絕大多數情況下，這些固體絕緣是處于空氣之中。如輸電線路的懸式絕緣子、隔離開關的支柱絕緣子等。當加在這些絕緣子的極間電壓超過一定值時，常常在固體介質和空氣的交界面上出現放電現象，這種沿著固體介質表面氣體發生放電稱為沿面放電。當沿面放電發展成貫穿性放電時，稱為沿面閃絡，簡稱閃絡。沿面閃絡電壓通常比純空氣間隙的電壓擊穿低，而且受絕緣表面狀態、污染程度、氣候條件等因素影響很大。電力系統中的絕緣事故，如輸電線路遭受雷擊時絕緣子的閃絡、污穢工業區的線路或變電所在雨霧天時絕緣子閃絡引起跳閘等都是沿面放電造成的。
一、界面電場分布的典型情況
氣體介質與固體介質的交界面稱為界面，界面電場的分布情況對沿面放電的特性有很大的影響。界面電場的分布有以下三種典型的情況：
(1)固體介質處于均勻電場中，且界面與電力線平行，如圖1-24(a)所示，這種情況在實際工程中很少遇到，但實際結構中會遇到固體介質處于稍不均勻電場的情況，此時的放電現象與均勻電場中的放電有相似之處。
(2)固體介質處于極不均勻電場中，且電力線垂直于界面的分量(以下簡稱垂直分量)比平行于界面的分量要大得多，如圖1-24(b)所示。套管就屬于這種情況。
(3)固體介質處于極不均勻電場中，在界面大部分地方(除緊靠電極的很小區域外)，電場強度平行于界面的分量比垂直分量大，如圖1-24(c)所示。支持絕緣子就屬于此情況。
這三種情況下的沿面放電現象有很大的差別，下面分別加以討論。
二、均勻電場中的沿面放電
在平行板的均勻電場中放入一瓷柱，并使瓷柱的表面與電力線平行，瓷柱的存在并未影響電極間的電場分布。當兩電極間的電壓逐漸增加時，放電總是發生在沿瓷柱的表面，即在同樣條件下，沿瓷柱表面的閃絡電壓比純空氣間隙的電壓擊穿要低得多，其關系曲線如圖1-25所示，圖中UF為沿面工頻閃絡電壓(幅值)，S為間隙距離。這是因為：
(1)固體介質與電極表面沒有密合而存在微小氣隙，或者介質表面有裂紋。由于純空氣的介電系數總比固體介質的低，這些氣隙中的場強將比平均場強大得多，從而引起微小氣隙的局部放電。放電產生的帶電質點從氣隙中逸出，帶電質點到達介質表面后，畸變原有的電場，從而降低了沿面閃絡電壓，如圖1-25曲線4所示。在實際絕緣結構中常將電極與介質接觸面仔細研磨，使兩者緊密接觸以消除空氣隙，或在介質端面上噴涂金屬，將氣隙短路，提高沿面閃絡電壓。
(2)介質表面不可能絕對光滑，總有一定的粗糙性，使介質表面的微觀電場有一定的不均勻，貼近介質表面薄層氣體中的最大場強將比其他部分大，沿面閃絡電壓降低。
(3)因體介質表面電阻不均勻，使其電場分布不均勻，造成沿面閃絡電壓的降低。
(4)體介質表面常吸收水分，處在潮濕空氣中的介質表面常吸收潮氣形成一層很薄的水膜。水膜中的離子在電場作用下分別向兩極移動，逐漸在兩電極附近積聚電荷，使介質表面的電場分布不均勻，電極附近場強增加，因而降低了沿面閃絡電壓。介質表面吸附水分的能力越大，沿面閃絡電壓降低得越多。由圖1-25可見，瓷的沿面閃絡電壓曲線比石蠟的低，這是由于瓷吸附水分的能力比石蠟大的緣故。瓷體經過仔細干燥后，沿面閃絡電壓可以提高。
由于介質表面水膜的電阻較大，離子移動積聚電荷致表面電場畸變需要一定的時間，故沿面閃絡電壓與外加電壓的變化速度有關。水膜對電壓作用下的閃絡電壓影響較小，對工頻和直流電壓作用下的閃絡電壓影響較大，即在變化較慢的工頻或直流電壓作用下的沿面閃絡電壓比變化較快的電壓作用下的沿面閃絡電壓要低。
與氣體間隙一樣，增加氣體壓力也能提高沿面閃絡電壓。但氣體必須干燥，否則壓力增加，氣體的相對濕度也增加，介質表面凝聚水滴，沿面電壓分布更不均勻，甚至會出現高氣壓下，沿面閃絡電壓反而降低的異常現象。隨著氣壓的升高，沿面閃絡電壓的增加不及純空氣間隙電壓擊穿的增加那樣顯著。壓力越高，它們間的差別也越大。
三、極不均勻電場中的沿面放電
圖1-24說明按電力線在界面上垂直分量的強弱，極不均勻電場中的沿面放電可分為以下兩種類型。
1.極不均勻電場具有強垂直分量時得沿面放電
固體介質處于不均勻電場中，電力線與介質表面斜交時，電場強度可以分解為與介質表面平行的切線分量和與介質表面垂直的法線分量。具有強垂直分量的典型例子如圖1-24(b)所示。工程上屬于這類絕緣結構的很多，它的沿面閃絡電壓比較低，放電時對絕緣的危害也較大。現以簡單的套管為例進行討論。
圖1-26表示在交流電壓作用下套管的沿面放電發展過程和套管體積電容的等值圖。由于在套管法蘭盤附近的電場很強，故放電首先從此處開始。隨著加在套管上的電壓逐漸升高并達到一定值時，法蘭邊緣處的空氣首先發生游離，出現電暈放電，如圖1-26(a)聽示：隨著電壓的升高，電暈放電火花向外延伸，放電區逐漸形成由許多平行的細線狀火花，如圖1-26(b)所示。電暈和線狀火花放電同屬于輝光放電，線狀火花的長度隨外施電壓的提高增加，由于線狀火花通道中的電阻值較高，故其中的電流密度較小，壓降較大。
線狀火花中的帶電質點被電場的法線分量緊壓在介質表面上，在切線分量的作用下向另一電極運動，使介質表面局部發熱，當電壓增加而使放電電流加大時，在火花通道中個別地方的溫度可能升得較高，當外施電壓超過某一臨界值后，溫度可高到足以引起氣體熱游離的數值。熱游離使通道中的帶電質點急劇增加，介質電導猛烈增大，并使火花通道頭部電場增強，導致火花通道迅速向前發展，形成淺藍色的、光亮較強的、有分叉的樹枝狀火花，如圖1-26(c)所示。這種樹枝狀火花并不固定在一個位置上，而是在不同的位置交替出現，此起彼伏不穩定，并有輕微的裂聲，此時的放電稱為滑閃放電，滑閃效電是以介質表面的放電通道中發生熱游離為特征的。滑閃放電的火花長度隨外施電壓的增加而迅速增長，當外施電壓升高到滑閃放電的樹枝狀火花到達另一電極時，就產生沿面閃絡。此后依電源容量之大小，放電可轉入火花放電或電弧。
為近一步分析固體絕緣的介電性能和幾何尺寸對沿面放電的影響，可將介質用電容和電阻等值表示，將套管的沿面放電問題就化為鏈形等值回路，如圖1-27所示，當在套管上加上交流電壓時，沿套管表面將有電流流過，由于R及C的存在，沿套管表面的電流是不相等的。越近法蘭處(B)，電流越大、單位距離上的壓降也越大，電場也越強，故B處的電場強。
固體介質的介電系數越大，固體介質的厚度越小，則體積電容越大，沿介質表面的電壓分布就越不均勻，其沿面閃絡電壓也就越低；同理，固體介質的體積電阻越小，沿面閃絡電壓也就越低：若電壓變化速度越快，頻率越高，分流作用也就越大，電壓分布越不均勻，沿面閃絡電壓也就越低；而固體介質的表面電阻(特別是靠近B處)的在一定范圍內適當減小，可使沿面的最大電場強度降低，從而提面沿面閃絡電壓。
沿面閃絡電壓不正比于沿面閃絡的長度，前者的增大要比后者的增長慢得多。這是因為后者增長時，通過固體介質體積內的電容電流和泄漏電流將隨之有很大得增長，使沿面電壓分布的不均勻性增強的緣故。
長期的滑閃放電會損壞介質表面，在工作電壓下必須防止它的出現，為此必須采取措施提高套管的沿面閃絡電壓。其出發點是：①減小套管的體積電容，調整其表面的電位分布，如增大固體介質的厚度，特別是加大法蘭處套管的外徑，也可采用介電常數較小的介質；2減小絕緣的表面電阻，即減少介質的表面電阻率，如在套管近法蘭處涂半導體漆或半導體釉，以減小該處的表面電阻，使電壓分布變得均勻。
由于滑閃放電現象與介質體積電容及電壓變化的速度有關，故在工頻交流和電壓作用下，可以明顯的看到滑閃放電現象，而在直流電壓作用下，則不會出現明顯的滑閃放電現象。但當直流電壓的脈動系數較大時，或瞬時接通、斷開直流電流時，仍有可能出現滑閃放電。
在直流電壓作用下，介質的體積電容對沿面放電的發展基本上沒有影響，因而沿面閃絡電壓接近于純空氣間隙的電壓擊穿。
2.極不均勻電場具有強切線分量時的沿面放電
極不均勻電場具有強切線分量的情況如圖1-24（c）所示，支持絕緣子即屬此情況。在此情況下，電極本身的形狀和布置已使電場很不均勻，其沿面閃絡電壓較低(與均勻電場相比)，因而介質表面積聚電荷使電壓重新分布所造成的電場畸變，不會顯著降低沿面閃絡電壓。
此外，因電場的垂直分量較小，沿介質表面也不會有較大的電容電流流過，放電過程中不會出現熱游離，故沒有明顯的滑閃放電，垂直于放電發展方向的介質厚度對沿面閃絡電壓實際上沒有影響。因此為提高沿面閃絡電壓，一般從改進電極形狀，以改善電極附近的電場著手。如采用內屏蔽或采用外屏蔽電極（如屏蔽罩和均壓環等)。
四、絕緣子串的電壓分布
我國35kV及以上的高壓輸電線路都使用由盤式絕緣子組成的絕緣子串作為線路絕緣。絕緣子串的機械強度仍與單個絕緣子相同，而其沿面閃絡電壓則隨絕緣子片數的增多而提高，絕緣子串中絕緣子片數的多少決定了線路的絕緣水平，一般35kV線路用3片、110kV 用7片、220V用13片、330kV用19片，500kV用28片。用于耐張桿塔時考慮到絕緣子老化較快，通常增加1~2片。在機械負荷很大的場合，可用幾串同樣的絕緣子并聯使用。
懸式絕緣子串由于絕緣子的金屬部分與接地鐵塔或帶電導線間有電容存在，使絕緣子串的電壓分布不均勻，其等值電路如圖1-28(c)所示。圖中C為絕緣子本身的電容，CE為絕緣子金屬部分對地(鐵塔)的電容，CL為絕緣子金屬部分對導線的電容，一般C為50～70pF、CE為4～5pF、CL為0.5~1pF。
如果統緣子串的串聯電容C/n (n為絕緣子片數)遠大于CE及CL，那么由CE及CL分流的電流就不會對絕緣子串上的電壓分部產生顯著影響、即沿絕緣子串上的電壓分布基本上是均勻的。但實際上C/n一般與CE在同一數量級，當n很大時與CL接近，將導致絕緣子串上的電壓分布不均勻。
如果只考慮對地電容CE，則等值電路如圖1-28(a)所示，當CE兩端有電位差時，必然有一部分電流經CE流入接地鐵塔，流過CE的電流都由絕緣子串分流出去的，由于各個CE分流的電流將使靠近導線端的絕緣子流過的電流最多，從而電壓降也最大。如果又考慮對導線電容CL，則等值電路圖1-28(b)聽示。同樣可知，由于各個CL分流的電流將使靠近鐵塔端的絕緣子流過的電流最大，從而電壓降也最大。實際上CE及CL同時存在，絕緣子串的電壓分布應該用圖28(c)所示的等值電路進行分析，由于CE＞CL，即CE的影響比CL大，故絕像子串中靠近導線端的絕緣子承受的電壓降最大，離導線端遠的絕緣子電壓降逐漸減小。當靠近鐵塔橫擔時，CL的作用顯著，電壓降又有些升高。
從以上分析可知，隨著導線輸送電壓的提高，串聯的絕緣片數越多，絕緣子串的長度越長，沿筆緣子串的電壓分布越不均勻；絕緣子本身的電容C越大，則對地電容CE和對導線電容CL分流作用的影響要小一些，絕緣子串的電壓分布也就比較均勻：增大CL能在一定程度上補償CE的影響，使電壓分布的不均勻程度減小，如用大截面導線或分裂導線，都可使導線端的第一個絕緣子上的電壓降減小。
隨著輸電電壓的提高，絕緣子片數越來越多，絕緣子串上的電壓分布越來越不均勻，靠近導線端第一個絕緣子上的電壓降最高，當其電壓達到電暈起始電壓時，常常會產生電暈，它將干擾通信線路，造成能量損耗，也會產生氮的氧化物和臭氧，腐蝕金屬附件和污穢絕緣子表面，降低絕緣子的絕緣性能，故在工作電壓下是不允許產生電暈的。為了改善絕緣子中的電壓分布，可在絕緣子串導線端安裝均壓環。其作用是加大絕緣子對導線的電容CL，從而使電壓分布得到改善。通常對333kV及以上電壓等級的線路才考慮使用均壓環。
絕緣子的電氣性能常用閃絡電壓來衡量，氣象條件及污穢等原因，常會影響其閃絡電壓。根據工作條件的不同，閃絡電壓可分為干閃電壓和濕閃電壓兩種。前者是指表面清潔面且干燥時絕緣子的閃絡電壓，它是戶內絕緣子的主要性能。后者是指潔凈的絕緣子在淋雨情況下的閃絡電壓，它是戶外絕緣的主要性能。
在淋雨情況下絕緣子串表面（主要是瓷盤上部表面）附著一層導電的水膜，在水膜中較大的泄漏電流引起濕表面發熱，局部泄漏電流密度大的地方也使水膜發熱烘干，使絕緣子串表面的壓降加大引起局部放電，從而導致整個沿面閃絡。由于這種熱過程發展緩慢，故在電壓作用下淋雨對緣子串的閃絡電壓無多大的影響。在工頻電壓作用下，當絕緣子串不長時，其濕閃電壓顯者低于干閃電壓 (約低15%~20%)。由于在淋雨情況下沿絕緣子串的 電壓分布（主要按電導分布）比較均勻，絕緣子串的濕閃電壓也基本上按絕緣子串長度的增加而線性增加； 而干燥情況下的絕緣子串由于電壓分布不均勻，絕緣子串的干閃絡梯度將隨絕緣子串長度的增加而下降。這樣，隨著絕緣子串長度的增加，其濕閃電壓將會逐漸接近，以致超過干閃電壓，兩者的比較見圖1-29。
絕緣子表面被雨淋濕后，其沿面閃絡電壓大為降低。為了防止這種情況，戶外的絕緣子總具有一些凸出的裙邊。下雨時僅裙邊的上表面被淋濕，水流到裙邊的邊緣上，使水膜不能貫通絕緣子的上下電極，以提高絕緣子的沿面閃絡電壓。而戶內絕緣子裙邊則較小。
五、絕緣子表面污穢時的沿面放電
戶外絕緣子，特別是在工業區、海邊或鹽堿地區運行的絕緣子，常會受到工業污穢或自然界鹽堿、飛塵等污穢的污染，在干燥情況下，這種污穢塵埃的電阻很大，沿絕緣子表面流過的泄漏電流很小，對絕緣子的安全運行沒有什么危險。下大雨時，絕緣子表面的污穢容易被沖掉，當大氣濕度較高，或在毛毛雨、霧、露、雪等不利的天氣條件下，絕緣子表面的污穢塵埃被潤濕，表面電導刷增，使絕緣子的泄漏電流劇增，其結果使絕緣子在工頻和操作電壓下的閃絡電壓(污閃電壓)顯著降低，甚至有可能使絕緣子在工作電壓下發生閃絡(通常稱為污閃)。污閃將使設備跳閘，引起停電事故。據某工業地區統計，霧天的污閃事故占電力線路事故的21%，污閃事故往生造成大面積停電，檢修恢復時間長，嚴重影響電力系統的安全運行。介質表面的污閃過程與清潔表面不同，故研究臟污表面的沿面放電，對污穢地區的絕緣設計和安全運行有重要的意義。
在潮濕污穢的絕緣子表面出現閃絡的機理大致如下：污穢絕緣子被潤濕后，污穢中的高導電率溶質溶解，在絕緣子表面形成薄薄的一層導電液膜，在潤濕飽和時，絕緣子表面電阻下降幾個數量線。在電壓作用下，流經絕緣子表面污穢層的泄漏電流顯著增加，泄漏電流使潤濕的污層加熱、烘干。由于污層沿表面分布不均勻，也由于絕緣子的復雜結構造成各部分電流密度不同，污穢層的加熱也是不平衡的。在電流密度最大且污層較薄的鐵腳附近發熱最甚，水分迅速蒸發，表面被逐漸烘干，使該區的電阻大增，沿面電壓分布隨之改變，大部分電壓降落在這些干燥部分。將與這些干燥部分的空氣間隙擊穿形成火花放電通道，由于火花通道的電阻低于原干燥部分的表面電阻，使泄漏電流增大，形成局部電孤，使污層進一步干燥，使電弧伸長。總之，絕緣子全部表面的干燥將使泄漏電流減小，而局部電弧的伸長則使泄漏電流增大。如總的結果是泄漏電流減小，則局部電弧將熄滅；如總的結果是泄漏電流增大，則局部電弧將繼續伸長，多個局部電弧的發展串接起來形成沿整個絕續表面的閃絡。因為局部電弧的產生及其參數與污層的性質、分布以及潤濕程度等因素有關，并有一定的隨機性，故污閃也是一種隨機過程，如果電壓增高，則泄漏電流增大，有利于局部電弧的發展，可使閃絡的概率增加；如果絕緣子的沿面泄漏距離或爬電距離增加，則泄漏電流減小，從而使閃絡的概率降低。
污閃過程是局部電弧的燃燒和發展過程，需要一定的時間。在短時的過電壓作用下，上述過程來不及發展，因此閃絡電壓要比長時電壓作用下要高，在電壓作用下，絕緣子表而潮濕和污染實際上不會對閃絡電壓產生影響，即與表面干燥時的閃絡電壓一致。
對于運行中的線路，為了防止絕緣子的污閃，保證電力系統的安全運行，可以采取以下措施：
(1)對污穢絕緣子定期或不定期的進行清掃，或采用帶電水沖洗。這是絕對可靠、效果很好的方法。根據大氣污穢的程度、污穢的性質，在容易發生污閃的季節定期進行清掃。可有效地減少或防止污閃事故。清掃絕緣子的工作量很大，一般采用帶電水沖洗法，效果較好。可以裝設泄漏電流記錄器，根據泄漏電流的幅值和脈沖數來監督污穢絕緣子的運行情況，發出預告信號，以便及時進行清掃。
(2)在絕緣子表面涂一層憎水性的防塵材料，如有機硅脂，有機硅油、地蠟等，使絕緣子表面在潮濕天氣下形成水滴，但不易形成連續的水膜，表面電阻大，從而減少了泄漏電流，使閃絡電壓不致降低太多。
(3)加強絕緣和采用防污絕緣子。加強線路絕絕緣的簡單的方法是增加絕緣子串中絕緣子的片數，以增大爬電距離。但此方法只適用于污區范圍不大的情況，否則很不經濟，因增加串中絕緣子片數后必須相應地提高桿塔的高度。使用專用的防污絕緣子可以避免上述缺點，因為防污絕緣子在不增加結構高度的情況下使泄漏距離明顯增大。
(4)采用半導體絕緣子。這種絕緣了釉層的表面電阻為106～108Ω，在運行中利用半導體釉層流過均勻的泄漏電流加熱表面，使介質表面干燥，同時使絕緣子表面的電壓分布較均勻，從而能保持較高的閃絡電壓。
近年來發展很快的合成絕緣子，防污性能比普通的瓷絕緣子要好得多，合成絕緣子是由承受外力負荷的芯棒(內絕緣)和保護芯棒免受大氣環境侵襲的傘套(外絕緣)通過粘接層組成的復合結構絕緣子。玻璃鋼芯棒是用玻璃纖維束浸漬樹脂后通過引拔模加熱固化而成，有高的抗張強度。制造傘套的理想材料是硅橡膠，它有優良的耐氣候性和高低溫穩定性，經填料改性的硅橡膠還能耐受局部電弧的高溫。由于硅橡膠是憎水性材料，因此在運行中不需清掃，其污閃電壓比瓷絕緣子高得多。除優良的防污閃性能外，合成絕緣子的其他優點也很突出，如質量輕、體積小、抗拉強度高，制造工藝比瓷絕緣子簡單等，但投資費用遠大于瓷質絕緣子，目前合成絕緣子在我國已得到廣泛的應用，也已有一定運行經驗，且已作為一項有效的防污閃措施正在推廣。
習 題
1-1氣體中帶電質點的產生和消失有哪些主要方式？
1-2什么叫白持放電？試簡述湯遠理論的白持放電條件。
1-3湯遜理論與流注理論的主要區別在哪里？它們各白的適用范如何？
1-4級不均勻電場中的放電有何特性？試比較棒一板氣隙極不同時電暈起始電壓和電壓擊穿的高低，簡述其理由：
1-5電舉放電是白持放電還是非自詩放電？電暈放電有何危及用途？
1-6什么是巴中定律？在何種情況下氣體放電不遵循中定律？
1-7電樂下向隙擊穿有何特點？電集作用下效電時延包括哪些部分？用什么來表示氣隙的山穿特性？
1-8什么叫伏秒特性？伏秒持性有向實用意義？
1-0影響氣休問照穿電壓的囚素有哪些？提高氣體問隙穿電壓有哪些主要措施？
1-10沿面閃絡電還為什么低于同樣距離下純空氣間案的古穿電壓？
1-11分析套管的沿面閃絡過程，提高沿閃絡市壓有哪些措族？
1-12試分析絕緣子中的中壓分布及改透電壓分布的擋施.
13什么叫絕緣的污因？防止絕緣子污閃有哪些指施？
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