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1、大连理工大学网络教育学院第 1 页 共 12 页高电压技术辅导资料四主 题： 第二章 沿面放电和高压绝缘子（第 1、2 节）学习时间： 2013 年 10 月 21 日10 月 27 日内 容：第二章 沿面放电和高压绝缘子我们这周主要学习第二章的第一节 “绝缘子的性能要求和材料” 和第二节“沿面放电”的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深对绝缘子性能的理解和沿面放电的概念的理解以及掌握提高沿面放电电压的措施。第一节 绝缘子的性能要求和材料1.绝缘子的分类一切带电导体都不可能悬浮在大气中，而必须用固体绝缘装置将它们悬挂起来或支撑起来。当带电导 体需要穿过墙壁或电力设备的油箱时，也要用穿墙套
2、管或设备套管加以固定和绝缘。在电力系统中， 绝缘 子的用途是将电位不同的导电体在机械上相互连接，而在 电气上则相互绝缘。按结构分，主要分为：绝缘子（狭义）：用在导电体和接地体之间的绝缘和固定连接，如悬挂输电导线的悬式绝缘子、支柱绝缘 子、横担 绝缘子等。套筒：用作电器内绝缘的容器，如互感器瓷套、避雷器瓷套及断路器瓷套套管：用作导电体穿过接地隔板、电器外壳或墙壁的绝缘部件，如变压器出线套管、 电容器的出线套管等。按材料分，主要分为：电工陶瓷、钢化玻璃、硅橡胶、乙丙橡胶等有机材料。目前应用最多绝缘子材料是电工陶瓷。但是随着有机材料的优点得到越来越多的应用，它的使用量也在增加。大连理工大学网络教育学
3、院第 2 页 共 12 页2.绝缘子的电气性能绝缘子是起电气绝缘和机械固定作用的外绝缘部件，对绝缘子的基本要求是：有足够的电绝缘强度；能承受一定的机械负荷；能经受不利的环境和大气作用。绝缘子的电气性能通常用闪络电压来衡量。闪络电压是指连通两电极的沿绝缘子外部空气的放电电压。根据工作条件的不同，闪络电压可分为：干闪络电压：洁净干燥绝缘子的闪络电压，是户内绝缘子的主要性能。湿闪络电压：洁净绝缘子在淋雨时的闪络电压，是户外绝缘子的主要性能。大多数绝缘子是在户外使用的，当遭受到淋雨时，它的闪络电压会比干闪络电压下降。污秽闪络电压：表面脏污的绝缘子在受潮情况下的闪络电压，常用泄漏距离来表示。通常情况下，
4、污秽闪络电压要比前两种闪络电压低得多。 绝缘子污秽闪络电压是衡量绝缘子耐污能力很重要的参数。3.绝缘子的材料绝缘子通常是由绝缘件、机械固定用的金属附件以及胶装绝缘件和金属附件的胶合剂组成的。绝缘件的材料常用采用的是电瓷，它是一种无机绝缘材料，由石英、 长石和粘土烧制而成，另外还有玻璃、浇注环氧树脂、合成绝缘子等。金属附件主要是由铸铁和钢制成，套管的导杆一般用铜杆或铜管。胶合剂是将瓷件和附件胶合连接的材料，常用 500 号硅酸盐水泥。下面是各种绝缘子的实物图。大连理工大学网络教育学院第 3 页 共 12 页支柱绝缘子 开关瓷套针式绝缘子 变压器出现套管第二节 沿面放电1.一般概念沿面放电是沿着固
5、体介质表面发展的气体放电现象。沿面放电发展到跨接两级贯穿性的空气击穿称为闪络，此时的击穿电压称为闪络电压。电力系统外绝缘指各种绝缘子的外露部分及各种空气间隙绝缘，一般是自恢复绝缘，因为绝缘子闪络 或空气间隙击穿后，只要切除电源，它 们的绝缘性能都能很快地自动彻底恢复。与之相反的是大多数电力设备的内绝缘均属非自恢复绝缘，一旦发生击穿，即意味着不可逆转的丧失绝缘 性能。绝缘子和它所固定的带电导体绝大部分是处在空气包围中，往往是一个电极接高电压，另一电极接地。两级之间绝缘功能的丧 失有两种可能，其一是固体介质本身的击穿，另一个则 是沿着固体介质表面发生闪络。实验表明，沿固体介质表面的闪络电压不但要比
6、固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯空气间隙的击穿电压低不少，可见一个绝缘大连理工大学网络教育学院第 4 页 共 12 页装置的实际耐压能力并非取决于固体介质部分的击穿电压，而取决于它的沿面闪络电压。固体介质与气体介质交界面上的电场分布情况对沿面放电的特性影响很大，界面电场可分为三种情况：（1）均匀电场：固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，工程实际中很少见。（2）强垂直分量的极不均匀电场：固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量比平行于表面的切线分量大得多，典型的如套管。（3）弱垂直分量的极不均匀电场：固体介质处于极不均匀电场中，但大部分界面上的电场切线分量大
7、于垂直分量，典型的如支柱绝缘子。均匀电场 强垂直分量的极不均匀电场 弱垂直分量的极不均匀电场2.均匀电场中的沿面放电与气隙中的击穿过程相同，但沿面闪络电压明显低于纯气隙中的击穿电压。总得来说， 这是因为介质表面粗糙、吸附水分以及存在的微气隙等使电场分布发生畸变的缘故。具体分析有三个原因：首先，固体介质与电极表面接触不紧密，存在小气隙，由于气体的介 电常数比固体介质低，气隙中的场强 可达到很大的数值，气隙内首先发生局部放电，放电产生的带电质点沿着固体介质表面移动，畸变原有电场，降低了沿面闪络电压。大连理工大学网络教育学院第 5 页 共 12 页为了消除小气隙中的放电，在与电极接触的固体介质表面喷
8、上导电金属粉末，使气隙短路，从而提高闪络电压。其次，大气中的潮气吸附到固体介质表面形成水膜，水膜会使介质表面的一些导电物质发生水解电离， 产生的离子在电场作用下移向两级，使电极附近逐渐积累起电荷，使电极附近场强 增加，畸 变原有电场，因而降低了闪络电压。这种影响与大气湿度有关，也与固体介质吸附水分能力有关（瓷和玻璃为亲水性，影响大，石蜡和硅橡胶为憎水性，影响就小）。瓷和玻璃等为亲水性材料，影响就较大；石蜡和硅橡胶等为憎水性材料，影响就较小。因此，在固体介 质表面涂一层增水性物质，如石蜡、硅橡胶，使其表面不易形成薄水膜，从而提高沿面闪络电压。另外，固体介质表面电阻的不均匀性和粗糙不平也会使沿面电
9、场畸变。3.极不均匀电场且具有强垂直分量时的沿面放电以套管为例。如图所示，套管中的固体介质处于极不均匀电场中，切 电场强度垂直于介质表面的分量比切线分量大得多。接地法兰附近的电场强度最强，不仅有切线分量，还有强垂直分量。当所加电压还不高 时，法 兰附近即首先出现电晕放电。随着电压的升高，放电区逐渐由许多平行的火花细线组成的光带。火花细线的长度随电压的升高而增大，但此时放电通道中的电流密度还不大、压降较大，伏安特性仍具有上升的特征，是一种辉光放电。当 电压超过某一临界值，放大连理工大学网络教育学院第 6 页 共 12 页电性质改变，个别细线突然迅速伸长， 转变为分叉的树枝状明亮火花，在不同位置交
10、替出现，有轻的爆裂声，称滑闪放电。滑闪放电 通道中的电流密度已较大，压降较小，其伏安特性具有下降特征。达到这个阶段后，电压的微小上升就会导致火花的急剧伸长。当电压再升高一些，放 电火花就会将到达另一极，完成表面气体的完全击穿，称为沿面闪络或简称为闪络。通常，沿面 闪络电压比滑闪放电电压高得不多。滑闪放电形成机理：辉光放电时的火花细线中因碰撞电离而存在大量带电粒子，它们 被强垂直电场分量 紧压在介质表面上，在 电场 切线分量作用下向另一电极运动，使介质表面局部发热 ，引起气体分子 热电离，使火花通道中的带电粒子剧增、电 阻骤降、亮度增大，通道 头部的电场也剧增， 导致火花通道迅速向前延伸，转入滑
11、 闪放电阶段，它是以气体分子的热电离为 特征，只 发生在具有强垂直分量的极不均匀电场中。滑闪放电现象在交流和冲击电压下表现得很明显，随电压增加，滑闪放电长度增加得越来越快，因此单 靠增加套管长度，不能有效提高闪络电压 。电晕放电 细线状辉光放电 滑闪放电滑闪放电是具有强垂直分量绝缘结构所特有的放电形式。滑闪放电的条件是：（1）电场必须具有足够的垂直分量（2）电场必须具有足够的水平分量（3）电压大连理工大学网络教育学院第 7 页 共 12 页必须是交变的。下面是瓷套等值电路和电压曲线。其中，F 表示法 兰；D 表示套管； T 表示高电位的导电杆；Rv 表示瓷套的体积电阻；Rs 表示瓷套的表面电阻
12、定义比电容 是瓷套单位面积对导管的电容。当套管加上交流电压后，沿0C套管表面将有电容电流流过，由于 的分流作用，瓷套表面各处的电流不等，越0C靠近法兰电流越大，单位长 度上的压降也大，使套管表面上的电压分布不均匀，在法兰附近，电场强度大，其垂直分量也大，容易 发 生滑闪放电。提高套管的起晕电压和滑闪电压的措施： （1）减小 ：加大法兰处套管的外径和壁厚，也可采用介电常数较小的介质，0C如用瓷和油组合绝缘代替纯瓷介质等办法。 （2）减小绝缘表面电阻，如在套管靠近法兰处涂半导体釉或半导体漆，使此处压降逐渐减小，防止滑闪电压过早出现，从而提高沿面闪络电压。 （3）对于 35kV 以上的高压套管，以上
13、措施 还不够，必须采用能调节径向和轴向电场的电容式套管或绝缘性能更好的充油式套管。3.极不均匀电场且垂直分量很弱时的沿面放电以支柱绝缘子为例，这时沿瓷面的电场切线分量 Et 较强，而垂直分量 En 很弱，这时绝缘子的两个电极之 间的距离较长，其 间的固体介质本身不可能击穿，大连理工大学网络教育学院第 8 页 共 12 页可能出现的只有沿面闪络。这时固体介质处于极不均匀电场中，因此其平均闪络场强要比均匀电场低，但由于界面上的垂直电场分量很弱，沿介质表面不会有较大的电容电流流过，故放电发展过程中不会出现热电离和滑闪放电。这种绝缘子的干闪络电压基本随极间距离的增大而提高。因此，可以采取增大极间距离的
14、方法提高闪络电压。4.固体介质表面有水膜时的沿面放电输电线路和变电所中所用的绝缘子大多在户外运行，因而其表面在运行中会受到雨、雪、雾、露水等侵 袭和大气中污秽物质的 污染，其结果是沿面放电电压显著降低。为了避免整个绝缘子都被雨水淋湿，设计时都要为绝缘子配备若干个伞裙，这样绝缘子表面上的水膜大都是不均匀和不连续的，有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小，绝 大部分外加电压将由干表面（BCA）来承担。图中可能的闪络路径：（1）沿着湿表面 AB 和干表面 BCA发展，湿闪电压 比干闪电压下降很多。（2）沿着湿表面 AB 和空气间隙 BA发展，湿 闪电压不会下降很多。（3）沿着湿表面 AB 和水
15、流 BB发展，出现在倾盆大雨时，湿闪电压降低到很低的数值。闪络路径中有空气间隙可以提高湿闪电压，但空气间隙只占闪络路径很小大连理工大学网络教育学院第 9 页 共 12 页比例时则不起作用。湿闪电压与伞裙数、伞的倾角、 伞裙直径、 伞裙伸出 长度与伞裙间气隙长度之比因素有关，在设计绝缘 子时要仔细考虑。5.绝缘子污秽状态下的沿面放电（1）污闪放电发展过程 污层在干燥状态下一般不导电，在遇到毛毛雨、雾、露等不利天气时，污层受潮，电导 增大，在工作电压下的泄漏电流增大，所产生的热量使水分蒸发、污层变干，出 现干区或干带。 干区的电阻比其他湿污层的电阻大得多，因此整个绝缘子的电压几乎全部 集中到干区上
16、，而一般干区的宽度并不大，所以 电场强 度很大。如果 电场强度足以引起表面空气的碰撞电离，开始出现电晕火花放电通道，由于火花通道的电阻低于原干燥部分的表面电阻，使泄漏电流增大， 电晕 放电很容易直接转变电弧放电，不过这时的电弧还只存在于绝缘子的局部表面，故称局部电弧。随后 电弧附近的湿污层被很快烘干，这 意味着干区的扩大， 电弧被拉长，若此 时电压不足以维持电弧的燃烧，电弧即熄 灭， 电弧呈现“熄灭重燃 ”或“延伸收缩”的交替变化，在外观上好像电弧在绝缘 子上不断地旋转。 在雾、露天气时，污层湿度不断增大，泄漏 电流也随之逐 渐变大，在一定电压下能维持的局部电弧长度也不断增加，绝缘子表面上这种不断延伸发展的局部电弧现象俗称爬电。 一旦局部电弧达到某一临界长度时，弧道温度已经很高，弧道的进一步延伸就不再需要更高的电压，而是自动延伸直至贯通两级，完成沿面闪络。可以将发展过程简单的概括
