气体中的沿面放电

电力系统中，电气设备的带电部分总要用固体绝缘材料来支撑或悬挂。绝大多数情况下，这些固体绝缘是处于空气之中。如输电线路的悬式绝缘子、隔离开关的支柱绝缘子等。当加在这些绝缘子的极间电压超过一定值时，常常在固体介质和空气的交界面上出现放电现象，这种沿着固体介质表面气体发生的放电称为沿面放电。当沿面放电发展成贯穿性放电时，称为沿面闪络，简称闪络。沿面闪络电压通常比纯空气间隙的击穿电压低，而且受绝缘表面状态、污染程度、气候条件等因素影响很大。电力系统中的绝缘事故，如输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络、污秽工业区的线路或变电所在雨雾天时绝缘子闪络引起跳闸等都是沿面放电造成的。

（一）界面电场分布的典型情况

气体介质与固体介质的交界面称为界面，界面电场的分布情况对沿面放电的特性有很大的影响。界面电场的分布有以下三种典型的情况：

（1）固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，如图1.38 （a）所示。这种情况在实际工程中很少遇到，但实际结构中会遇到固体介质处于稍不均匀电场的情况，此时的放电现象与均匀电场中的放电有相似之处。

图1.38　介质表面电场的典型分布

1—电极；2—固体介质；3—电为线

（2）固体介质处于极不均匀电场中，且电力线垂直于界面的分量（以下简称垂直分量）比平行于界面的分量要大得多，如图1.38 （ b）所示。套管就属于这种情况。

（3）固体介质处于极不均匀电场中，在界面大部分地方（除紧靠电极的很小区域外），电场强度平行于界面的分量比垂直分量大，如图1.38 （c）所示。支持绝缘子就属于此情况。

这三种情况下的沿面放电现象有很大的差别，下面分别加以讨论。

（二）均匀电场中的沿面放电

如图1.38 （ a）在平行板的均匀电场中放入一瓷柱，并使瓷柱的表面与电力线平行，瓷柱的存在并未影响电极间的电场分布。但是当两电极间的电压逐渐增加时，放电总是发生在瓷柱的表面，如图1.39中曲线3所示，即在同样条件下，沿瓷柱表面的闪络电压比纯空气间隙（曲线1）的击穿电压要低得多。从曲线3及图中石蜡的曲线2与电极接触不紧密的瓷曲线4中，可以看出沿面工频闪络电压都比曲线1所显示的纯空气间隙放电电压低。这是因为：

（1）固体介质与电极表面没有完全密封而存在微小气隙，或者介质表面有裂纹。由于纯空气的介电系数总比固体介质的低，这些气隙中的场强将比平均场强大得多，从而引起微小气隙的局部放电。放电产生的带电质点从气隙中逸出，带电质点到达介质表面后，畸变原有的电场，从而降低了沿面闪络电压，如图1.39中曲线4所示。在实际绝缘结构中常将电极与介质接触面仔细研磨，使两者紧密接触以消除空气隙，或在介质端面上喷涂金属，将气隙短路，提高沿面闪络电压。

（2）介质表面不可能绝对光滑，总有一定的粗糙性，使介质表面的微观电场有一定的不均匀，贴近介质表面薄层气体中的最大场强将比其他部分大，使沿面闪络电压降低。

（3）固体介质表面电阻不均匀，使其电场分布不均匀，造成沿面闪络电压的降低。

（4）固体介质表面常吸收水分，处在潮湿空气中的介质表面常吸收潮气形成一层很薄的水膜。水膜中的离子在电场作用下分别向两极移动，逐渐在两电极附近积聚电荷，使介质表面的电场分布不均匀，电极附近场强增加，因而降低了沿面闪络电压。介质表面吸附水分的能力越大，沿面闪络电压降低得越多。由图1.39中曲线3与曲线2可见，瓷的沿面闪络电压比石蜡的低，这是由于瓷吸附水分的能力比石蜡大的缘故。瓷体经过仔细干燥后，沿面闪络电压可以提高。

图1.39　均匀电场中沿不同介质表面的工频闪络电压

1—纯空气；2—石蜡；3—瓷； 4—与电极接触不紧密的瓷

由于介质表面水膜的电阻较大，离子移动积聚电荷导致表面电场畸变需要一定的时间，故沿面闪络电压与外加电压的变化速度有关。水膜对冲击电压作用下的闪络电压影响较小，对工频和直流电压作用下的闪络电压影响较大，即在变化较慢的工频或直流电压作用下的沿面闪络电压比变化较快的雷电冲击电压作用下的沿面闪络电压要低。

与气体间隙一样，增加气体压力也能提高沿面闪络电压。但气体必须干燥，否则压力增加，气体的相对湿度也增加，介质表面凝聚水滴，沿面电压分布更不均匀甚至会出现高气压下，沿面闪络电压反而降低的异常现象。随着气压的升高，沿面闪络电压的增加不及纯空气间隙击穿电压的增加那样显著。压力越高，它们间的差别也越大。

（三）不均匀电场中的沿面放电

图1.38　（b）、 （c）说明按电力线在界面上垂直分量的强弱，不均匀电场中的沿面放电可分为以下两种类型。

1.不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电

固体介质处于不均匀电场中，电力线与介质表面斜交时，电场强度可以分解为与介质表面平行的切线分量和与介质表面垂直的法线分量。具有强垂直分量的典型例子如图1.38　（b）所示。工程上属于这类绝缘结构的很多，它的沿面闪络电压比较低，放电时对绝缘的危害也较大。现以最简单的套管为例进行讨论。

如图1.40　所示为在交流电压作用下套管的沿面放电发展过程和套管体积电容的等值图。由于在套管法兰盘附近的电场很强，故放电首先从此处开始。随着加在套管上的电压逐渐升高并达到一定值时，法兰边缘处的空气首先发生游离，出现电晕放电，如图1.40　（a）所示。随着电压的升高，电晕放电火花向外延伸，放电区逐渐形成由许多平行的细线状火花，如图1.40 （ b）所示。电晕和线状火花放电同属于辉光放电，线状火花的长度随外施电压的提高而增加。由于线状火花通道中的电阻值较高，故其中的电流密度较小，压降较大。线状火花中的带电质点被电场的法线分量紧压在介质表面上，在切线分量的作用下向另一电极运动，使介质表面局部发热。当电压增加而使放电电流加大时，在火花通道中个别地方的温度可能升得较高，当外施电压超过某一临界值后，温度可高到足以引起气体热游离的数值。热游离使通道中的带电质点急剧增加，介质电导急剧增大，并使火花通道头部电场增强，导致火花通道迅速向前发展，形成浅蓝色的、光亮较强的、有分叉的树枝状火花，如图1.40 （c）所示。这种树枝状火花并不固定在一个位置上，而是在不同的位置交替出现，此起彼伏不稳定，并有轻微的爆裂声，此时的放电称为滑闪放电。滑闪放电是以介质表面的放电通道中发生热游离为特征的。滑闪放电的火花长度随外施电压的增加而迅速增长，当外施电压升高到滑闪放电的树枝状火花到达另一电极时，就产生沿面闪络。此后依电源容量大小，放电可转入火花放电或电弧。

图1.40　沿套管表面放电的示意图

1—导电杆；2—法兰

为进一步分析固体绝缘的介电性能和几何尺寸对沿面放电的影响，可将介质用电容和电阻等值表示，将套管的沿面放电问题简化为链形等值回路，如图1.41所示。

图1.41　套管绝缘子等值电路

C—体积电容；R—体积电阻；r—表面电阻；i0—电容电流和泄漏电流

当在套管上加上交流电压时，沿套管表面将有电流流过，由于R及C的存在，沿套管表面的电流是不相等的，越近导杆处（B），电流越大，单位距离上的压降也越大，电场也越强，故B处的电场最强。

固体介质的介电系数越大，固体介质的厚度越小，则体积电容C越大，沿介质表面的电压分布就越不均匀，其沿面闪络电压也就越低；同理，固体介质的体积电阻R越小，沿面闪络电压也就越低；若电压变化速度越快，频率越高，分流作用也就越大，电压分布越不均匀，沿面闪络电压也就越低；而固体介质的表面电阻r（特别是靠近A处）的在一定范围内适当减小，可使沿面的最大电场强度降低，从而提高沿面闪络电压。

沿面闪络电压不正比于闪络面的长度，前者的增大要比后者的增长慢得多。这是因为后者增长时，通过同体介质体积内的电容电流和泄漏电流将随之有很快的增长，使沿面电压分布的不均匀性增强的缘故。

长期的滑闪放电会损坏介质表面，在工作电压下必须防止它的出现。为此必须采取措施提高套管的沿面闪络电压。其出发点是：①减小套管的体积电容，调整其表面的电位分布，如增大固体介质的厚度，特别是加大法兰处套管的直径，也可采用介电常数较小的介质；②减小绝缘的表面电阻，即减少介质的表面电阻率，如在套管近法兰处涂半导体漆或半导体釉，以减小该处的表面电阻，使电压分布变得均匀。

由于滑闪放电现象与介质体积电容及电压变化的速度有关，故在工频交流和冲击电压作用下，可以明显地看到滑闪放电现象，而在直流电压作用下，则不会出现明显的滑闪放电现象。但当直流电压的脉动系数较大时，或瞬时接通、断开直流电流时，仍有可能出现滑闪放电。

在直流电压作用下，介质的体积电容对沿面放电的发展基本上没有影响，因而沿面闪络电压接近于纯空气间隙的击穿电压。

2.不均匀电场具有强切线分量时的沿面放电

不均匀电场具有强切线分量的情况如图1.38 （ c）所示，支持绝缘子即属此情况。在此情况下，电极本身的形状和布置已使电场很不均匀，其沿面闪络电压较低（与均匀电场相比），因而介质表面积聚电荷使电压重新分布所造成的电场畸变，不会显著降低沿面闪络电压。

此外，因电场的垂直分量较小，沿介质表面也不会有较大的电容电流流过，放电过程中不会出现热游离，故没有明显的滑闪放电，垂直于放电发展方向的介质厚度对沿面闪络电压实际上没有影响。因此为提高沿面闪络电压，一般从改进电极形状，以改善电极附近的电场着手。如采用内屏蔽或采用外屏蔽电极（如屏蔽罩和均压环等）。

（四）绝缘子串的电压分布

我国35 kV及以上的高压输电线路都使用由盘式绝缘子组成的绝缘子串作为线路绝缘。绝缘子串的机械强度仍与单个绝缘子相同，而其沿面闪络电压则随绝缘子片数的增多而提高。绝缘子串中绝缘子片数的多少决定了线路的绝缘水平，一般35 kV线路用3片、110 kV用7片、220 kV用13片、330 kV用19片、500 kV用28片。其用于耐张杆塔时考虑到绝缘子老化较快，通常增加1～2片；在机械负荷很大的场合，可用几串同样的绝缘子并联使用。

悬式绝缘子串由于绝缘子的金属部分与接地铁塔或带电导线间有电容存在，使绝缘子串的电压分布不均匀，其等值电路如图1.42 （c ）所示。图中C为绝缘子本身的电容，CE为绝缘子金属部分对地（铁塔）的电容，CL为绝缘子金属部分对导线的电容。一般C为50～70pF，CE为4～5 pF， CL为0.5～1 pF 。

图1.42　绝缘子串的等值电路及电压分布曲线

如果绝缘子串的串联总电容C/n （ n为绝缘子片数）远大于CE及CL，那么由CE及CL分流的电流就不会对绝缘子串上的电压分布产生显著影响，即沿绝缘子串上的电压分布基本上是均匀的。但实际上C/n一般与CE在同一数量级，当n很大时与CE、 CL接近，将导致绝缘子串上的电压分布不均匀。

如果只考虑对地电容CE，则等值电路如图1.42 （a）所示。当CE两端有电位差时，必然有一部分电流经CE流入接地铁塔，流过CE的电流都是由绝缘子串分流出去的。由于各个CE分流的电流将使靠近导线端的绝缘子流过的电流最多，从而电压降也最大。

如果只考虑对导线电容CL，则等值电路如图1.42 （b）所示，同样可知， 由于各个CL分流的电流将使靠近铁塔端的绝缘子流过的电流最大，从而电压降也最大。实际上CE及CL同时存在，绝缘子串的电压分布应该用图1.42 （ c）所示的等值电路进行分析， 由于CE＞CL，即CE的影响比CL大，故绝缘子串中靠近导线端的绝缘子承受的电压降最大，离导线端远的绝缘子电压降逐渐减小。当靠近铁塔端时，CL的作用显著，电压降又有些升高。

从以上分析可知，随着导线输送电压的提高，串联的绝缘片数越多，绝缘子串的长度越长，沿绝缘子串的电压分布越不均匀；绝缘子本身的电容C越大，则对地电容CE和对导线电容CL分流作用的影响要小一些，绝缘子串的电压分布也就比较均匀；增大CL能在一定程度上补偿CE的影响，使电压分布的不均匀程度减小，如用大截面导线或分裂导线，都可使导线端的第一个绝缘子上的电压降减小。

随着输电电压的提高，绝缘子片数越来越多，绝缘子串上的电压分布越来越不均匀，靠近导线端第一个绝缘子上的电压降最高，当其电压达到电晕起始电压时，常常会产生电晕，它将干扰通信线路，造成能量损耗，也会产生氮的氧化物和臭氧，腐蚀金属附件和污秽绝缘子表面，降低绝缘子的绝缘性能，故在工作电压下是不允许产生电晕的。为了改善绝缘子串的电压分布，可在绝缘子串导线端安装均压环。其作用是加大绝缘子对导线的电容CL，从而使电压分布得到改善。通常对330 kV及以上电压等级的线路才考虑使用均压环。

绝缘子的电气性能常用闪络电压来衡量，气象条件及污秽等原因，常会影响其闪络电压。根据工作条件的不同，闪络电压可分为干闪电压和湿闪电压两种。前者是指表面清洁而且干燥时绝缘子的闪络电压，它是户内绝缘子的主要性能。后者是指洁净的绝缘子在淋雨情况下的闪络电压，它是户外绝缘的主要性能。

在淋雨情况下绝缘子串表面（主要是瓷盘上部表面）附着一层导电的水膜，在水膜中较大的泄漏电流引起湿表面发热，局部泄漏电流密度大的地方也因水膜发热烘干，使绝缘子串表面的压降加大引起局部放电，从而导致整个沿面闪络。由于这种热过程发展缓慢，故在雷电冲击电压作用下淋雨对绝缘子串的闪络电压无多大的影响。在工频电压作用下，当绝缘子串不长时，其湿闪电压显著低于干闪电压（15%～20%）。由于在淋雨情况沿绝缘子串的电压分布（主要是按电导分布）比较均匀，绝缘子串的湿闪电压也基本上按绝缘子串长度的增加而呈线性增加；而干燥情况下的绝缘子串由于电压分布不均匀，绝缘子串的干闪络梯度将随绝缘子串长度的增加而下降。这样，随着绝缘子串长度的增加，其湿闪电压将会逐渐接近，以致超过干闪电压，两者的比较如图1.43所示。

图1.43　悬式绝缘子串湿闪电压和干闪电压的比较

1一干闪电压；2—（πM-4.5型）湿闪电压；3—（πM-8.5型）湿闪电压

绝缘子表面被雨淋湿后，其沿面闪络电压大为降低。为了防止这种情况，户外的绝缘子总具有一些凸出的裙边。下雨时仅裙边的上表面被淋湿，水流到裙边的边缘上，使水膜不能贯通绝缘子的上下电极，以提高绝缘子的沿面闪络电压，而户内绝缘子裙边则较小。

（五）绝缘子表面污秽时的沿面放电

户外绝缘子，特别是在工业区、海边或盐碱地区运行的绝缘子，常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污秽的污染。在干燥情况下，这种污秽尘埃的电阻很大，沿绝缘子表面流过的泄漏电流很小，对绝缘子的安全运行没有什么危险。下大雨时，绝缘子表面的污秽容易被冲掉，当大气湿度较高，或在毛毛雨、雾、露、雪等不利的天气条件下，绝缘子表面的污秽尘埃被润湿，表面电导剧增，使绝缘子的泄漏电流剧增，其结果使绝缘子在工频和操作冲击电压下的闪络电压（污闪电压）显著降低，甚至有可能使绝缘子在工作电压下发生闪络。污闪将使设备跳闸，引起停电事故。据某工业地区统计，雾天的污闪事故占电力线路事故的21%，污闪事故往往造成大面积停电，检修恢复时间长，严重影响电力系统的安全运行。介质表面的污闪过程与清沽表面完全不同，故研究脏污表面的沿面放电，对污秽地区的绝缘设计和安全运行有重要的意义。

在潮湿污秽的绝缘子表面出现闪络的机理大致如下：污秽绝缘子被润湿后，污秽中的高导电率溶质溶解，在绝缘子表面形成薄薄的一层导电液膜，在润湿饱和时，绝缘子表面电阻下降几个数量级。在电压作用下，流经绝缘子表面污秽层的泄漏电流显著增加，泄漏电流使润湿的污层加热、烘干。由于污层沿表面分布不均匀，也由于绝缘子的复杂结构造成各部分电流密度不同，污秽层的加热也是不平衡的。在电流密度最大且污层较薄的铁脚附近发热最甚，水分迅速蒸发，表面被逐渐烘干，使该区的电阻大增，沿面电压分布随之改变，大部分电压降落在这些干燥部分。将与这些干燥部分的空气间隙击穿形成火花放电通道。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，形成局部电弧，污层进一步干燥，使电弧伸长。总之，绝缘子全部表面的干燥将使泄漏电流减小，而局部电弧的伸长则使泄漏电流增大。如总的结果是使泄漏电流减小，则局部电弧将熄灭；如总的结果是使泄漏电流增大，则局部电弧将继续伸长，多个局部电弧的发展串接起来形成沿整个绝缘表面的闪络。因为局部电弧的产生及其参数与污层的性质、分布以及润湿程度等因素有关，并有一定的随机性，故污闪也是一种随机过程。如果电压增高，则泄漏电流增大，有利于局部电弧的发展，可使闪络的概率增加；如果绝缘子的沿面泄漏距离或爬电距离增加，则泄漏电流减小，从而使闪络的概率降低。

污闪过程是局部电弧的燃烧和发展过程，需要一定的时间。在短时的过电压作用下，上述过程来不及发展，因此闪络电压要比长时电压作用下要高，在雷电冲击电压作用下，绝缘子表面潮湿和污染实际上不会对闪络电压产生影响，即与表面干燥时的闪络电压一致。

对于运行中的线路，为了防止绝缘子的污闪，保证电力系统的安全运行，可以采取以下措施：

（1）对污秽绝缘子定期或不定期地进行清扫，或采用带电水冲洗。这是绝对可靠、效果很好的方法。根据大气污秽的程度、污秽的性质，在容易发生污闪的季节定期进行清扫，可有效地减少或防止污闪事故。清扫绝缘子的工作量很大，一般采用带电水冲洗法，效果较好。此外，可以装设泄漏电流记录器，根据泄漏电流的幅值和脉冲数来监督污秽绝缘子的运行情况，发出预告信号，以便及时进行清扫。

（2）在绝缘子表面涂一层憎水性的防尘材料，如有机硅脂、有机硅油、地蜡等，使绝缘子表面在潮湿天气下形成水滴，但不易形成连续的水膜，表面电阻大，从而减少了泄漏电流，使闪络电压不致降低太多。

（3）加强绝缘和采用防污绝缘子。加强线路绝缘的最简单的方法是增加绝缘子串中绝缘子的片数，以增大爬电距离。但此方法只适用于污区范围不大的情况，否则很不经济，因增加串中绝缘子片数后必须相应地加高杆塔的高度。使用专用的防污绝缘子可以避免上述缺点，因为防污绝缘子在不增加结构高度的情况下使泄漏距离明显增大。

（4）采用半导体釉绝缘子。这种绝缘子釉层的表面电阻为106～108 Ω，在运行中利用半导体釉层流过均匀的泄漏电流加热表面，使介质表面干燥，同时使绝缘子表面的电压分布较均匀，从而能保持较高的闪络电压。

近年来发展很快的合成绝缘子，防污性能比普通的瓷绝缘子要好得多，合成绝缘子是由承受外力负荷的芯棒（内绝缘）和保护芯棒免受大气环境侵袭的伞套（外绝缘）通过黏接层组成的复合结构绝缘子。玻璃钢芯棒是用玻璃纤维束浸渍树脂后通过引拔模加热固化而成，有极高的抗张强度。制造伞套的理想材料是硅橡胶，它有优良的耐气候性和高低温稳定性。经填料改性的硅橡胶还能耐受局部电弧的高温。由于硅橡胶是憎水性材料，因此在运行中不需清扫，其污闪电压比瓷绝缘子高得多。除优良的防污闪性能外，合成绝缘子的其他优点也很突出，如质量轻、体积小、抗拉强度高，制造工艺比瓷绝缘子简单等，但投资费用远大于瓷质绝缘子， 目前合成绝缘子在我国已得到广泛的应用，也已有一定运行经验，且已作为一项有效的防污闪措施正在推广。

习题1.2

1-10　气体中质点的游离和去游离有哪些主要方式？

1-11　什么叫自持放电？简述汤逊理论的自持放电条件。

1-12　汤逊理论与流注理论的主要区别在哪里？它们各自的适用范围为何？

1-13　极不均匀电场中的放电有何特性？比较棒-板气隙极性不同时电晕起始电压和击穿电压的高低， 简述其理由。

1-14　电晕放电是自持放电还是非自持放电？电晕放电有何危害及用途？

1-15　什么是巴申定律？在何种情况下气体放电不遵循巴申定律？

1-16　雷电冲击电压下间隙击穿有何特点？冲击电压作用下放电时延包括哪些部分？用什么来表示气隙的冲击击穿特性？

1-17　什么叫伏秒特性？伏秒特性有何实用意义？

1-18　影响气体间隙击穿电压的因素有哪些？提高气体间隙击穿电压有哪些主要措施？

1-19　沿面闪络电压为什么低于同样距离下纯空气间隙的击穿电压？

1-20　分析套管的沿面闪络过程，提高套管沿面闪络电压有哪些措施？

1-21　试分析绝缘子串的电压分布及改进电压分布的措施。

1-22　什么叫绝缘的污闪？防止绝缘子污闪有哪些措施？