摘要：首先引入絕緣子沿面放電的物理現(xiàn)象，介紹了電暈與閃絡(luò)兩種沿面放電現(xiàn)象。其次，研究了架空線路中懸式絕緣子的電位分布以及片數(shù)選擇問題。討論了沿面放電的外部影響因素、內(nèi)部機(jī)理以及產(chǎn)生閃絡(luò)的原因。同時(shí)，舉例分析了絕緣子在不同電場分布情況下，在污損情況下的沿面放電特性。最后，基于全文的分析提出了消除懸式絕緣子沿面放電的可行方案。

關(guān)鍵詞：懸式絕緣子法蘭沿面放電電暈閃絡(luò)

ResearchonthePhenomenonandSolutionsoftheSurfaceDischargeofSuspensionInsulators

WEIYuxin

（SchoolofElectricalEngineering，GuangxiUniversity，Nanning，GuangxiZhuang AutonmousRegion，530004China）

Abstract：First，thisarticleintroducesthephysicalphenomenonofthesurfacedischargeofinsulators，andintroducestwophenomenaofsurfacedischarge：coronaandflashover.Then，itstudiesthepotentialdistributionofsuspensioninsulatorsandtheselectionoftheirnumberinoverheadlines，discussestheexternalinfluencingfactorsandinternalmechanismsofsurfacedischargeandthecausesofitsflashover，andgivesexamplestoanalyzethecharacteristicsofthesurfacedischargeofinsulatorsundertheconditionofdifferentelectricfielddistributionandfouling.Finally，basedontheanalysisoftheentirepaper，itproposesafeasiblesolutiontoeliminatethesurfacedischargeofsuspensioninsulators.

KeyWords：Suspensioninsulator;Flange;Surfacedischarge;Corona;Flashover

隨著電力行業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展，高電壓乃至超高壓輸電問題在電力系統(tǒng)中的地位逐日增加，值得引起從業(yè)者的高度重視。在電力網(wǎng)絡(luò)中，大部分的輸電問題是基于架空線路展開的。架空線路由導(dǎo)線、避雷線、桿塔、絕緣子和金具組成。懸式絕緣子這類絕緣器件不但為線路結(jié)構(gòu)提供支撐，也是電力傳輸線路的絕緣保障，其性能好壞直接關(guān)系到整體電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)作。因此，探討懸式絕緣子沿面放電的問題，對(duì)提升電網(wǎng)運(yùn)作的電壓等級(jí)和絕緣能力具有至關(guān)重要的作用。

1絕緣子簡介

安裝在不同電位的導(dǎo)體或?qū)w與接地構(gòu)件之間的能夠耐受電壓和機(jī)械應(yīng)力作用的器件稱為絕緣子。絕緣件和金具共同組成絕緣子，不同的組合方式、材料選擇就導(dǎo)致絕緣子種類繁多，結(jié)構(gòu)與外形也有差別。按安裝方式不同，可分為懸式絕緣子和支柱絕緣子；按照使用的絕緣材料不同，可分為瓷絕緣子、玻璃絕緣子和復(fù)合絕緣子；按照使用電壓等級(jí)不同，可分為低壓絕緣子和高壓絕緣子；按照使用的環(huán)境條件不同，派生出污穢地區(qū)使用的耐污絕緣子；按照耐電擊穿能力的不同，又可以區(qū)分為不易電穿擊的A類和可能電穿擊的B類。

絕緣子的核心職能是提供電氣隔離與機(jī)械穩(wěn)固，因而設(shè)定了各種電氣與機(jī)械特性的標(biāo)準(zhǔn)。例如：在承受規(guī)定的工作電壓、雷擊造成的電壓沖擊或設(shè)備內(nèi)部的電壓幅值波動(dòng)時(shí)，應(yīng)保持不被電擊穿或產(chǎn)生閃絡(luò)，金具不應(yīng)有明顯的電暈放電，從而避免干擾無線電和電視信號(hào)的傳播。在長期或短期承載機(jī)械應(yīng)力時(shí)，保證不會(huì)出現(xiàn)破裂或損傷。即便長時(shí)間在多變的環(huán)境中承擔(dān)機(jī)電負(fù)荷，也不會(huì)出現(xiàn)顯著的絕緣性能退化。

2沿面放電現(xiàn)象

沿著多種固態(tài)電介質(zhì)的接合面發(fā)生的放電現(xiàn)象，多數(shù)情形下，包括氣體和液體兩類電介質(zhì)，它們會(huì)沿著固態(tài)介質(zhì)的表層進(jìn)行放電。這種放電現(xiàn)象受接觸表面狀況或電極的分布影響，固態(tài)介質(zhì)的介入導(dǎo)致氣體或液體的放電電壓降低。為了界定純間隙放電與沿面放電，將前者稱為間隙擊穿，后者稱為沿面閃絡(luò)。在工業(yè)生產(chǎn)中，具備高電勢(shì)的金屬構(gòu)件往往依賴于固態(tài)介質(zhì)的結(jié)構(gòu)支撐，因而沿面放電的問題頻繁出現(xiàn)。需要注意的是，在均勻或者非均勻電場中，沿面放電電壓下降的原因是不同的。

3影響絕緣子沿面放電的因素

3.1外部因素

造成絕緣子放電的因素有很多，本文選取影響因數(shù)較大的幾個(gè)進(jìn)行討論。放電信號(hào)一般分為間歇性電弧與連續(xù)性電暈，電暈的出現(xiàn)時(shí)間早于電弧，隨電壓幅值的增大，其幅值與頻率也相應(yīng)增大，但幅值僅在小范圍內(nèi)波動(dòng)。隨著電暈現(xiàn)象的持續(xù)發(fā)生，將產(chǎn)生隨機(jī)性的電弧現(xiàn)象。

2019年9月，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院李光耀等人[1]利用人工磨損的方式進(jìn)行試驗(yàn)，目的是模擬出電力網(wǎng)架長時(shí)間被戶外風(fēng)沙侵蝕對(duì)懸式絕緣子閃絡(luò)電壓的影響。

2022年1月，天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院梁虎成等人[2]指出當(dāng)氣體電導(dǎo)率小于絕緣子時(shí)，表面電荷主要來源是固體側(cè)電導(dǎo)電流，通過優(yōu)化絕緣層的涂裝和選擇合適的環(huán)繞氣體類型，可以顯著提升氣—固界面的絕緣效果。

2024年1月，山東省智能電網(wǎng)及裝備工程實(shí)驗(yàn)室趙云鵬等人[3]對(duì)單一風(fēng)向作用下背風(fēng)側(cè)積污較多的絕緣子的污閃現(xiàn)象進(jìn)行了研究，得到的結(jié)論：均勻染污的絕緣子閃絡(luò)路徑具有隨機(jī)性，而不均勻染污絕緣子閃絡(luò)路徑出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)。與均勻染污相比，不均勻染污的絕緣子閃絡(luò)前泄漏電流峰值高476mA，即電流變化更大，放電較為劇烈。

同時(shí)，復(fù)合絕緣子的傘裙與保護(hù)套表層會(huì)因?yàn)椴糠掷匣又捎诰鶋涵h(huán)構(gòu)造設(shè)計(jì)欠妥，導(dǎo)致端部電場強(qiáng)度過強(qiáng)，內(nèi)絕緣缺陷、表面污染以及濕潤等問題，這些因素都可能會(huì)使絕緣子在承受工作電壓時(shí)，其表面長期處于電暈放電中。

3.2內(nèi)部因素

沿面放電發(fā)展成貫穿兩極的放電時(shí)稱為沿面閃絡(luò)[4]。一旦出現(xiàn)閃絡(luò)現(xiàn)象，電極電壓迅速降低到0電位，閃絡(luò)通道中的火花或電弧使絕緣表面局部過熱造成炭化，損壞表面絕緣。沿面閃絡(luò)電壓與絕緣子表面接觸特性有較大關(guān)系，比氣體或固體介質(zhì)單獨(dú)存在時(shí)的擊穿電壓低，因此架空線路的絕緣就取決于絕緣子的閃絡(luò)電壓。當(dāng)絕緣子上發(fā)生閃絡(luò)現(xiàn)象時(shí)，往往會(huì)造成線路的接地故障。

4架空線路中的懸式絕緣子

4.1懸式絕緣子電位分布問題

懸式絕緣子實(shí)際電位分布：承受最大電壓的是緊靠導(dǎo)線的第一片懸式絕緣子，越往上電壓幅值越小。橫擔(dān)附近每片絕緣子承受的電壓將增大。由于電壓在絕緣子上的分布不均勻，所以有可能造成某一片絕緣子負(fù)擔(dān)過重出現(xiàn)電暈放電或閃絡(luò)現(xiàn)象。一旦該絕緣子出現(xiàn)閃絡(luò)，將不再承受電壓，所有的電壓就會(huì)分配到其余的絕緣子上，加重了其他絕緣子的負(fù)擔(dān)。

4.2懸式絕緣子片數(shù)選擇問題

根據(jù)4.1可知，選擇合適的絕緣子片數(shù)可以在部分絕緣子片發(fā)生閃絡(luò)時(shí)，其余的絕緣子片在電壓負(fù)荷增加后仍然可以保持良好的絕緣性能，對(duì)維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要意義。下面進(jìn)行定量分析。引入下列物理量：

1. 懸式絕緣子放電電壓U0：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓條件下的試驗(yàn)值。
2. 懸式絕緣子實(shí)際放電電壓U，計(jì)算公式。

1. Um（kv）：系統(tǒng)最高運(yùn)行電壓。
2. L0（cm）：幾何爬電距離；
3. Ke：絕緣子爬距離的有效系數(shù)，一般取值為1。
4. λ（cm）：爬電比距，cm/kV。
5. Uex：操作過電壓。
6. Uw：濕閃絡(luò)電壓。

懸式絕緣子片數(shù)的選擇有2個(gè)重要要求：工頻電壓的爬電距離要求與操作過電壓要求。

工頻電壓的爬電距離要求：

式（2）中：m為每串絕緣子片數(shù)。由于單相接地的條件與形成污閃的條件很難同時(shí)滿足，所以式（2）既可用于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)，也可用于中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。式（2）匯集了眾多電力線路的運(yùn)作經(jīng)驗(yàn)，它也涵蓋了含有徹底失去絕緣性能的壞掉絕緣子線路，所以無須增加額外的絕緣子片數(shù)作為備用。

操作過電壓要求：

在承受預(yù)期的Uex，2時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)電氣閃絡(luò)現(xiàn)象。也就是說，挑選絕緣片數(shù)量時(shí)應(yīng)確保其在操作時(shí)的沖擊電壓0.5Uw大于Uex，2，即

鑒于電力線路上的絕緣子數(shù)量眾多，難以迅速識(shí)別并替換那些已經(jīng)失去絕緣功能的無效絕緣子，因此在根據(jù)式（3）或式（4）計(jì)算出所需絕緣子的數(shù)量之后，還需要額外預(yù)留幾片作為備用。

5固體在不同電場中的分布情況

（1）固體處于均勻電場中，介質(zhì)表面與電力線平行。

（2）固體處于極不均勻電場中，且電場強(qiáng)度平行于介質(zhì)表面的分量比垂直分量大。

（3）固體處于極不均勻電場中，且電場強(qiáng)度垂直于介質(zhì)表面的分量比平行分量大。

5.1絕緣子在均勻電場中的沿面放電

首先，用極限思想定性分析絕緣子沿面放電問題的本質(zhì)，若加在固體兩端的電壓U=0V，絕緣子一定不會(huì)發(fā)生放電。若加在固體兩端的電壓U=∞，絕緣子一定發(fā)生沿面放電。因此，沿面放電現(xiàn)象是高電壓引起的。均勻電場中的固體介質(zhì)在一定厚度范圍內(nèi)，電擊穿電壓U擊穿與固體厚度（?）成正比，其電擊穿場強(qiáng)E擊穿=，與固體厚度無關(guān)。E擊穿可以反映固體的耐電強(qiáng)度，是衡量固體絕緣水平的重要性能指標(biāo)。電場由均勻電場畸變?yōu)椴痪鶆螂妶?，等效固體厚度（?’）降低，沿面放電電壓的降低。

5.2絕緣子在具有強(qiáng)垂直分量電場中的沿面放電

采用套管穿出口為例子，分析了當(dāng)電場極均勻并且具備顯著垂直分量時(shí)沿著介質(zhì)表面的放電現(xiàn)象。圖2展示了其絕緣構(gòu)造和電場配置。在法蘭邊沿，觀察到電力線聚集最為緊湊，由此看出，法蘭區(qū)域的電場應(yīng)力最大，放電現(xiàn)象也是從這一區(qū)域初起的如圖3所示。

伴隨著電壓逐步增大，電場在法蘭周圍的強(qiáng)度最高，因此電暈放電首先在該區(qū)域發(fā)生。當(dāng)電壓持續(xù)攀升將導(dǎo)致電暈放電轉(zhuǎn)變?yōu)樗⑿畏烹姟ｋ妷禾嵘聊骋慌R界點(diǎn)后，只需外加電壓略有上升，刷形放電的其中一個(gè)通道便會(huì)迅速向前延伸。這個(gè)放電通道不再是直線，而是像一個(gè)樹枝狀形式，這種放電叫做滑閃放電。其放電示意圖如圖4所示。

電暈放電和刷形放電的放電通道與外加電壓成正相關(guān)，即外加電壓越高，放電通道越長。此時(shí)，游離過程僅取決于外電場，發(fā)生的游離過程是碰撞游離，電壓越高，場強(qiáng)越大，游離的程度就越大，所以它的放電通道是成比例地向前延伸。但是，出現(xiàn)滑閃放電階段的時(shí)候，外加電壓只要升高一點(diǎn)，放電通道就會(huì)向前延伸很多，此時(shí)游離過程就不僅僅是由碰撞游離產(chǎn)生的，即放電的程度不僅僅取決于外電壓，它還有新的游離因素，即熱游離。

產(chǎn)生熱游離的理論基礎(chǔ)解釋如下：由于電場的垂直分量比較大，當(dāng)發(fā)生游離后，帶電質(zhì)點(diǎn)要沿著固體介質(zhì)的表面向?qū)щ姉U電極發(fā)展，帶電質(zhì)點(diǎn)在向前運(yùn)動(dòng)的過程中，由于受到一個(gè)很強(qiáng)的垂直方向力的作用，所以帶電質(zhì)點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)和固體介質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的摩擦。電壓越高，垂直分量越大，摩擦力就越大。所以，當(dāng)電壓升高到一定程度時(shí)，就會(huì)發(fā)生熱游離。

綜上所述，滑閃放電階段實(shí)際是由碰撞游離和熱游離共同組成的。如果外加電壓不是很高，放電通道雖然會(huì)急劇地向前延伸，但延伸到一定程度時(shí)，外加電壓不夠強(qiáng)，就不再繼續(xù)向前延伸，這時(shí)放電通道會(huì)熄滅。熄滅后又會(huì)從其他地方發(fā)展一個(gè)滑閃通道，循環(huán)往復(fù)。當(dāng)施加的電勢(shì)足夠大時(shí)，滑閃放電通道將持續(xù)伸展，而當(dāng)該放電通道穿透兩極之間時(shí)，便形成了閃絡(luò)現(xiàn)象。

5.3絕緣子在具有弱垂直分量電場中的沿面放電

絕緣子在弱垂直分量的電場中沿面放電的分析過程與在強(qiáng)垂直分量的電場中的分析方法類似，但是由于固體—?dú)怏w界面上電場強(qiáng)度的垂直分量很弱，因此不會(huì)出現(xiàn)熱電離和滑閃放電。在不均勻電場中，絕緣子表面電場的垂直分量對(duì)沿面閃絡(luò)特性是很有害的，在絕緣子設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能削弱它[5]。

6絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電機(jī)理

如果濕污穢是在潮濕的環(huán)境下產(chǎn)生，就會(huì)導(dǎo)致絕緣子表面電導(dǎo)率變大，而這種情況也會(huì)使絕緣子的放電性能產(chǎn)生一定程度上的改變。在表面污染并被濕潤情形下，絕緣裝置會(huì)經(jīng)歷表面電導(dǎo)的急劇增加以及泄漏電流的激增，這樣會(huì)顯著降低其閃絡(luò)電壓，有時(shí)甚至可能在正常運(yùn)行電壓下引發(fā)閃絡(luò)，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的大范圍停電事件。

污閃的形成過程具體敘述如下。

（1）積污：空氣中塵埃微粒沉積；起霧、下雨受潮；大氣中的化學(xué)氣體腐蝕等等。這是產(chǎn)生污閃的根本原因。

（2）干區(qū)形成：在高濕度的天氣，當(dāng)污層被濕潤后，表面電導(dǎo)會(huì)增大，加上電壓后表面會(huì)流過電流，且電流較大，由于電流的熱效應(yīng)，所以發(fā)熱明顯。電流局部比較大的地方會(huì)把表面烘干。此時(shí)，電壓主要由干燥區(qū)承受。

（3）局部電弧的形成和發(fā)展：外加電壓不高的情況下，干燥區(qū)在一定的電壓下繼續(xù)發(fā)展，干燥區(qū)域會(huì)逐漸擴(kuò)大，當(dāng)電壓升高到一定程度時(shí)，干燥區(qū)域會(huì)形成電弧，沿著絕緣子表面的空氣會(huì)被擊穿，形成火花放電或者是電弧放電。隨著溫度升高，干燥區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，電弧的通道就會(huì)向前延伸。

（4）閃絡(luò)：如果外加電壓足夠高，干燥區(qū)的電弧通道將向兩個(gè)電極延伸，當(dāng)電弧通道貫穿兩個(gè)電極時(shí)，就發(fā)生了閃絡(luò)。

7消除懸式絕緣子沿面放電的措施

（1）仿照?qǐng)D5，在均勻電場的平行板電極間插入一塊厚度等于間隙長度的固體介質(zhì)。

此時(shí)的沿面閃絡(luò)電壓比純空氣的擊穿電壓小。原因在于存在于固體媒介與電極之間的空隙，此空隙區(qū)域的電場強(qiáng)度極高，因此放電首先從小空隙開始，一旦發(fā)生電離，生成的帶電粒子便會(huì)順著空隙逃逸至媒介表層，并朝向兩端的電極移動(dòng)，導(dǎo)致電荷在電極周圍積聚，造成電場狀態(tài)由均勻轉(zhuǎn)變?yōu)椴痪鶆?，進(jìn)一步導(dǎo)致?lián)舸╇妷旱南陆怠Ｔ诰鶆螂妶鲋?，?yīng)采用均一的、表面不吸潮的材料。

（2）在不均勻電場中，改善電極形狀或采用屏蔽電極。

（3）在強(qiáng)垂直分量的不均勻電場中，在施加交流或沖擊電壓時(shí)，采用電容率小的絕緣材料，或增加其厚度。

（4）加大法蘭處套管的外徑、采用介電常數(shù)小的介質(zhì)或?yàn)榉ㄌm涂半導(dǎo)體漆，都可以提高沿面閃絡(luò)電壓。

8結(jié)語

架空線路對(duì)電力工程以及維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行有重要作用，其中高壓線路的絕緣問題較為關(guān)鍵。電網(wǎng)輸電過程中，絕緣子沿面放電現(xiàn)象不利于提升高壓線路絕緣水平，該現(xiàn)象受多種因素的影響。因此，文中以懸式絕緣子為研究對(duì)象，研究了懸式絕緣子氣—固接觸面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。依據(jù)工頻電壓的爬電距離要求與操作過電壓要求，計(jì)算出了不同電壓等級(jí)桿塔上懸式絕緣子片的數(shù)量。通過分析懸式絕緣子在均勻電場、強(qiáng)垂直分量、弱垂直分量電場中的分布情況，得到了對(duì)應(yīng)的沿面放電特性。據(jù)此提出了消除懸式絕緣子沿面放電的措施，使高壓線路的絕緣與防雷性能有切實(shí)的提高。

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