沿面放电与外绝缘

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1、 电力系统外绝缘与沿面放电 第一节 . 电力系统外绝缘 电力系统的高压绝缘可大致划分如下： 高压内绝缘 高压外绝缘 电力设备内绝缘 厂、站外绝缘 发电厂、 变电站绝缘 输电线 路绝缘 高压绝缘 高压绝缘 外绝缘 高压电气设备外壳之外，所有暴露在大气中需要绝缘的部分都属于外绝缘。外绝缘的主要部分是户外绝缘，一般由空气间隙与各种绝缘子串构成。 绝缘子 绝缘子是将不同电位的导体在机械上固定，在电气上隔绝的一种使用数量极大的高压绝缘部件。 如一条 300km长的交流 500kV线路，就需要悬式绝缘子 8万 9万片。 绝缘子的分类 从结构上可分为 3类： 1. （狭义）绝缘子（ Insulator)：用

2、在导电体和接地体之 间的绝缘和固定连接，如悬挂输电导线的绝缘子串） 2. 套管 (Bushing、 insulating tube): 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 3. 套筒：用作电器内绝缘的容器，多数由电工陶瓷制成， 如互感器瓷套、避雷器瓷套及断路器瓷套等 从材料上也可分为 3类： 1. 电工陶瓷（ Porcelain Insulator ） 2. 钢化玻璃 （ Glass Insulator ） 3. 硅橡胶、乙丙橡胶等有机材料（ Polymer Rubber insulator ） 绝缘子的分类 支柱绝缘子 开关瓷套 悬式绝缘子 变压器出线套管

3、Glass insulator Polymer Rubber insulator 对绝缘子的基本要求 （ 1）电气性能 （ 2）机械性能 （ 3）冷热性能及环境老化性能 第二节 . 绝缘子的沿面放电 一、沿面放电概念 沿面放电 ： 沿着固体介质表面发展的气体放电现象。 污 闪 ： 沿着污染表面发展的闪络。 电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用。其绝缘状况关系到整个电力系统的可靠运行。 绝缘功能的丧失可以分为以下两种情况： 沿介质表面发生闪络 ：由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸盐材料组成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时，一般不会导致绝缘子的永久性损坏。

4、电力系统的外绝缘，一般均为 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。 固体介质击穿 ：一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘功能。 沿固体介质表面的闪络电压不但比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气隙的击穿电压低不少。可见绝缘的实际水平取决于它的 沿面闪络电压 。它与设备表面的干燥、潮湿或清洁、污染有很大关系。 沿面放电的实验现象 ： Flashover 二、沿面放电的类型与特点 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

5、界面与电力线平行，工程实 际中很少 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 En比平行于表面的切线分量 Et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 Et大于垂直分量 E n ，典型的如支柱绝缘子 均匀电场 弱垂直分量的 极不均匀电场 强垂直分量的 极不均匀电场 1-电极 2固体介质 3电力线 （一） . 均匀电场中的沿面放电 沿面闪络电压明显低于纯气隙中的击穿电压 原因： 固体介质与电极表面接触不良，存在小气隙 大气中的潮气吸附到固体介质的表面形成薄水膜，电极表面集聚了电荷，降低

6、了闪络电压。 固体表面电阻的不均匀和粗糙不平也会造成电场畸变。 （二） . 极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电 浅兰色的电晕放电 电晕延伸，形成平行细光线，是一种辉光放电 临界值 放电性质改变，明亮的树枝状火花， 在不同位置交替出现，有轻的爆裂声，称滑闪放电 一点 滑闪放电火花迅速增长，贯穿两级 沿面闪络 1. 基本过程 各处场强差异大，套管法兰附近的电力线密集，电场最强，可出现持续局部沿面放电 (a)电晕放电 -导杆 1 2-法兰 (b)细线状 辉光放电 1 2 (c)滑闪放电 1 2 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： 电场必须有足够的垂直分量； 电

7、场必须有足够的水平分量； 电压必须是交变的。 2. 等值回路及分析 T导杆 D介质（瓷套） F法兰 x=0 T D F lx= ld 1 2 C0比电容，瓷套表面单位面积对导杆的电容 0CivRSRF T D i0 Uxl0U套管加上交流电压后，沿套管 表面将有电容电流流过， 由于 C0的分流作用，瓷套表 面各处的电流不等，越 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。 Rv瓷套的体积电阻 RS瓷套的表面电阻 滑闪放电的起始电压 和各参数的关系如下： sCEU 000 滑闪放电的起始场强； 电压的角

8、频率； 比表面电容（ ）， 表面电阻率。 r1 -导杆半径， r2 - 瓷套绝缘层外半径 0E0Cs2F/cm)/l n (1094/ 122110 rrrC r 、 、 一定时，滑闪放电的起始电压 主要和比表面电容值 有关，经验公式如下： s 0U0E0C40 . 4 401 . 3 6 1 0crU C 工频滑闪放电的起始电压有效值（ kV） ; 比表面电容（ ）。 crU0C2F/cm1 2 20 0 . 2 5 1 0 F /c mC 适用范围： 提高套管的起晕电压和滑闪电压的措施： 减小 C0：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，如用瓷油组合绝缘代替纯瓷介质等

9、办法。 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。 对于 35kV以上的高压套管，以上措施还不够，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 （三 .）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，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

10、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。 （四） .影响沿面闪络电压的因素 电场分布情况和作用电压波形 电介质材料的影响 不易吸潮的介质，沿面闪络电压较高，较易吸潮或吸附水分的介质，沿面闪络电压较低 气体条件的影响 气压和温度对沿面闪络电压的影响程度不如纯空气间隙显著 雨水的影响 在淋雨的情况下固体介质的沿面闪络电压会明显降低 （五） .提高沿面放电电压的方法 屏障 使安放在电场中的固体介质在电场等位面方向具有突出的棱缘（称为屏障），能显著提高沿面闪络电压。该棱缘不仅起增加爬电距离的作用，而且起阻碍放电发展的作用。实际绝缘子

11、的伞棱都起着屏障的作用。 屏蔽 是指改善电极的形状，使电极附近的电场分布趋于均匀，从而提高沿面闪络电压。 提高表面憎水性 消除绝缘体与电极接触面处的缝隙 消除缝隙最有效的办法就是将电极与绝缘体浇铸嵌装在一起 改变绝缘体表面的电阻率 强制固体介质表面的电位分布 在高压套管及电缆终端头等设备中，常用在绝缘内部加电容极板的方法来使轴向及径向的电位分布均匀，从而达到提高沿面闪络电压的目的。 1. 发展过程： 积污受潮干区形成局部电弧出现（爬电） 局部电弧达到某一临界长度，自动延伸，贯通两级， 完成沿面闪络 三 . 绝缘子污秽状态下的沿面放电 电力系统的绝缘事故不外乎两方面的原因： 或是由于电压升高，或

12、是由于绝缘下降。 污闪发生在工作电压下，属于典型的绝缘下降问题 铁角 烘干区 湿污区 扩展的 烘干区 电弧的 延伸 局部电弧 悬式绝缘子 绝缘子的污闪是一个复杂的过程，通常可以分为积污、受潮、干区形成、局部电弧出现和发展四个阶段。采取措施抑制或阻止任何一个阶段的发展和完成，就能防止发生污闪事故。 积污是发生污闪的根本原因城区比农村严重、化工厂、火电厂、冶炼厂等地方最严重； 污层受潮取决于气象条件多雾、毛毛雨、易凝露的地区容易发生污闪； 干区出现的部位和局部电弧发展、延伸的难易，都与绝缘子的结构形状有密切关系，是绝缘子设计要解决的重要问题； 污闪放电发展过程： 污层在干燥状态下一般不导电，在遇到

13、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，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

14、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。 污闪放电发展过程： 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。 2. 污秽等级 用“等值盐密”来表示绝缘子表面的污秽度：指与 绝缘子表面单位面积上的污秽物导电性相当的等值 NaCl含量 (mg/cm2) 测量污秽度的目的是为了划分污区等级，决定不同污 区内户外绝缘应有的绝缘水平、决定清扫周期；我国 分五级 我们所关心的外绝缘表面的积污程度，不单纯指沉 积的污秽物的多少，而是指污层的导电程度，换言之， 污秽度不仅与积污量有关，而且与污秽的化学成分有关 。实际绝缘子表面所积污的成分很复杂，等值方法： 把所有表面沉积的的污秽刮下，溶于 300ml的蒸馏水 中，测出其在 20度水温时的电导率，然后在另一杯 20度， 300ml 的蒸馏水中加入 NaCl，直到其电导率等于混合盐 液的电导率，所加入的 NaCl即为等值盐量，再除以绝缘 子的表面积，即为“等