大工13秋《高電壓技術》輔導資料四

1、第 頁共13頁高電壓技術輔導資料主題：第二章沿面放電和高壓絕緣子（第1、2節(jié)）學習時間：2013年10月21日10月27日內容：第二章沿面放電和高壓絕緣子我們這周主要學習第二章的第一節(jié)“絕緣子的性能要求和材料”和第二節(jié)“沿面放電”的相關內容。希望通過下面的內容能使同學們加深對絕緣子性能的理解和沿面放電的概念的理解以及掌握提高沿面放電電壓的措施。第一節(jié)絕緣子的性能要求和材料絕緣子的分類一切帶電導體都不可能懸浮在大氣中，而必須用固體絕緣裝置將它們懸掛起來或支撐起來。當帶電導體需要穿過墻壁或電力設備的油箱時，也要用穿墻套管或設備套管加以固定和絕緣。在電力系統(tǒng)中，絕緣子的用途是將電位不同的導電體在機械

2、上相互連接，而在電氣上則相互絕緣。按結構分，主要分為：絕緣子（狹義）：用在導電體和接地體之間的絕緣和固定連接，如懸掛輸電導線的懸式絕緣子、支柱絕緣子、橫擔絕緣子等。套筒：用作電器內絕緣的容器，如互感器瓷套、避雷器瓷套及斷路器瓷套套管：用作導電體穿過接地隔板、電器外殼或墻壁的絕緣部件，如變壓器出線套管、電容器的出線套管等。按材料分，主要分為：電工陶瓷、鋼化玻璃、硅橡膠、乙丙橡膠等有機材料。目前應用最多絕緣子材料是電工陶瓷。但是隨著有機材料的優(yōu)點得到越來越多的應用，它的使用量也在增加。絕緣子的電氣性能絕緣子是起電氣絕緣和機械固定作用的外絕緣部件，對絕緣子的基本要求是：有足夠的電絕緣強度；能承受一定

3、的機械負荷；能經受不利的環(huán)境和大氣作用。絕緣子的電氣性能通常用閃絡電壓來衡量。閃絡電壓是指連通兩電極的沿絕緣子外部空氣的放電電壓。根據(jù)工作條件的不同，閃絡電壓可分為：干閃絡電壓：潔凈干燥絕緣子的閃絡電壓，是戶內絕緣子的主要性能。濕閃絡電壓：潔凈絕緣子在淋雨時的閃絡電壓，是戶外絕緣子的主要性能大多數(shù)絕緣子是在戶外使用的，當遭受到淋雨時，它的閃絡電壓會比干閃絡電壓下降。污穢閃絡電壓：表面臟污的絕緣子在受潮情況下的閃絡電壓，常用泄漏距離來表示。通常情況下，污穢閃絡電壓要比前兩種閃絡電壓低得多。絕緣子污穢閃絡電壓是衡量絕緣子耐污能力很重要的參數(shù)。絕緣子的材料絕緣子通常是由絕緣件、機械固定用的金屬附件以

4、及膠裝絕緣件和金屬附件的膠合劑組成的。絕緣件的材料常用采用的是電瓷，它是一種無機絕緣材料，由石英、長石和粘土燒制而成，另外還有玻璃、澆注環(huán)氧樹脂、合成絕緣子等。金屬附件主要是由鑄鐵和鋼制成，套管的導桿一般用銅桿或銅管。膠合劑是將瓷件和附件膠合連接的材料，常用500號硅酸鹽水泥。支柱絕緣子下面是各種絕緣子的實物圖。開關瓷套針式絕緣子變壓器出現(xiàn)套管第二節(jié)沿面放電1.一般概念沿面放電是沿著固體介質表面發(fā)展的氣體放電現(xiàn)象。沿面放電發(fā)展到跨接兩級貫穿性的空氣擊穿稱為閃絡此時的擊穿電壓稱為閃絡電壓。電力系統(tǒng)外絕緣指各種絕緣子的外露部分及各種空氣間隙絕緣一般是自恢復絕緣，因為絕緣子閃絡或空氣間隙擊穿后，只要

5、切除電源，它們的絕緣性能都能很快地自動徹底恢復。與之相反的是大多數(shù)電力設備的內絕緣均屬非自恢復絕緣，一旦發(fā)生擊穿，即意味著不可逆轉的喪失絕緣性能。絕緣子和它所固定的帶電導體絕大部分是處在空氣包圍中，往往是一個電極接高電壓，另一電極接地。兩級之間絕緣功能的喪失有兩種可能，其一是固體介質本身的擊穿，另一個則是沿著固體介質表面發(fā)生閃絡。實驗表明，沿固體介質表面的閃絡電壓不但要比固體介質本身的擊穿電壓低得多，而且也比極間距離相同的純空氣間隙的擊穿電壓低不少，可見一個絕緣裝置的實際耐壓能力并非取決于固體介質部分的擊穿電壓，而取決于它的沿面閃絡電壓。固體介質與氣體介質交界面上的電場分布情況對沿面放電的特性

6、影響很大，界面電場可分為三種情況：（1）均勻電場：固體介質處于均勻電場中，且界面與電力線平行，工程實際中很少見。（2）強垂直分量的極不均勻電場：固體介質處于極不均勻電場中，且界面電場的垂直分量比平行于表面的切線分量大得多，典型的如套管。（3）弱垂直分量的極不均勻電場：固體介質處于極不均勻電場中，但大部分界面上的電場切線分量大于垂直分量，典型的如支柱絕緣子。均勻電場強垂直分量的極不均勻電場弱垂直分量的極不均勻電場2均勻電場中的沿面放電與氣隙中的擊穿過程相同，但沿面閃絡電壓明顯低于純氣隙中的擊穿電壓?？偟脕碚f，這是因為介質表面粗糙、吸附水分以及存在的微氣隙等使電場分布發(fā)生畸變的緣故。具體分析有三個

7、原因：首先，固體介質與電極表面接觸不緊密，存在小氣隙，由于氣體的介電常數(shù)比固體介質低，氣隙中的場強可達到很大的數(shù)值，氣隙內首先發(fā)生局部放電，放電產生的帶電質點沿著固體介質表面移動畸變原有電場，降低了沿面閃絡電壓。為了消除小氣隙中的放電，在與電極接觸的固體介質表面噴上導電金屬粉末，使氣隙短路，從而提高閃絡電壓。其次，大氣中的潮氣吸附到固體介質表面形成水膜，水膜會使介質表面的一些導電物質發(fā)生水解電離，產生的離子在電場作用下移向兩級，使電極附近逐漸積累起電荷，使電極附近場強增加，畸變原有電場，因而降低了閃絡電壓。這種影響與大氣濕度有關，也與固體介質吸附水分能力有關（瓷和玻璃為親水性，影響大，石蠟和硅

8、橡膠為憎水性，影響就?。?。瓷和玻璃等為親水性材料，影響就較大；石蠟和硅橡膠等為憎水性材料，影響就較小。因此，在固體介質表面涂一層增水性物質，如石蠟、硅橡膠，使其表面不易形成薄水膜，從而提高沿面閃絡電壓。另外，固體介質表面電阻的不均勻性和粗糙不平也會使沿面電場畸變。3極不均勻電場且具有強垂直分量時的沿面放電以套管為例。如圖所示，套管中的固體介質處于極不均勻電場中，切電場強度垂直于介質表面的分量比切線分量大得多。接地法蘭附近的電場強度最強，不僅有切線分量，還有強垂直分量。當所加電壓還不高時，法蘭附近即首先出現(xiàn)電暈放電。隨著電壓的升高，放電區(qū)逐漸由許多平行的火花細線組成的光帶?；鸹毦€的長度隨電壓的

9、升高而增大，但此時放電通道中的電流密度還不大、壓降較大，伏安特性仍具有上升的特征，是一種輝光放電。當電壓超過某一臨界值，放電性質改變，個別細線突然迅速伸長，轉變?yōu)榉植娴臉渲蠲髁粱鸹?，在不同位置交替出現(xiàn)，有輕的爆裂聲，稱滑閃放電?；W放電通道中的電流密度已較大，壓降較小，其伏安特性具有下降特征。達到這個階段后，電壓的微小上升就會導致火花的急劇伸長。當電壓再升高一些，放電火花就會將到達另一極，完成表面氣體的完全擊穿，稱為沿面閃絡或簡稱為閃絡。通常，沿面閃絡電壓比滑閃放電電壓高得不多。滑閃放電形成機理：輝光放電時的火花細線中因碰撞電離而存在大量帶電粒子，它們被強垂直電場分量緊壓在介質表面上，在電場

10、切線分量作用下向另一電極運動，使介質表面局部發(fā)熱，引起氣體分子熱電離，使火花通道中的帶電粒子劇增、電阻驟降、亮度增大，通道頭部的電場也劇增，導致火花通道迅速向前延伸，轉入滑閃放電階段，它是以氣體分子的熱電離為特征，只發(fā)生在具有強垂直分量的極不均勻電場中?；W放電現(xiàn)象在交流和沖擊電壓下表現(xiàn)得很明顯，隨電壓增加，滑閃放電長度增加得越來越快，因此單靠增加套管長度，不能有效提高閃絡電壓。電暈放電細線狀輝光放電滑閃放電滑閃放電是具有強垂直分量絕緣結構所特有的放電形式?；W放電的條件是：（1）電場必須具有足夠的垂直分量（2）電場必須具有足夠的水平分量（3）電壓必須是交變的。下面是瓷套等值電路和電壓曲線。其

11、中，F(xiàn)表示法蘭；D表示套管；T表示高電位的導電桿；Rv表示瓷套的體積電阻；Rs表示瓷套的表面電阻定義比電容c是瓷套單位面積對導管的電容。當套管加上交流電壓后，沿0套管表面將有電容電流流過，由于C的分流作用，瓷套表面各處的電流不等，0越靠近法蘭電流越大單位長度上的壓降也大，使套管表面上的電壓分布不均勻，在法蘭附近，電場強度大，其垂直分量也大，容易發(fā)生滑閃放電。提高套管的起暈電壓和滑閃電壓的措施:（D減小C:加大法蘭處套管的外徑和壁厚,也可采用介電常數(shù)較小的介0質，如用瓷和油組合絕緣代替純瓷介質等辦法。（2）減小絕緣表面電阻，如在套管靠近法蘭處涂半導體釉或半導體漆，使此處壓降逐漸減小，防止滑閃電壓

12、過早出現(xiàn)，從而提高沿面閃絡電壓。（3）對于35kV以上的高壓套管，以上措施還不夠，必須采用能調節(jié)徑向和軸向電場的電容式套管或絕緣性能更好的充油式套管。3極不均勻電場且垂直分量很弱時的沿面放電以支柱絕緣子為例，這時沿瓷面的電場切線分量Et較強，而垂直分量En很弱這時絕緣子的兩個電極之間的距離較長其間的固體介質本身不可能擊穿,可能出現(xiàn)的只有沿面閃絡。這時固體介質處于極不均勻電場中,因此其平均閃絡場強要比均勻電場低，但由于界面上的垂直電場分量很弱，沿介質表面不會有較大的電容電流流過，故放電發(fā)展過程中不會出現(xiàn)熱電離和滑閃放電。這種絕緣子的干閃絡電壓基本隨極間距離的增大而提高。因此，可以采取增大極間距離

13、的方法提高閃絡電壓。4固體介質表面有水膜時的沿面放電輸電線路和變電所中所用的絕緣子大多在戶外運行，因而其表面在運行中會受到雨、雪、霧、露水等侵襲和大氣中污穢物質的污染,其結果是沿面放電電壓顯著降低。為了避免整個絕緣子都被雨水淋濕，設計時都要為絕緣子配備若干個傘裙，這樣絕緣子表面上的水膜大都是不均勻和不連續(xù)的，有水膜覆蓋的表面電導大，無水膜處的表面電導小，絕大部分外加電壓將由干表面（BCA）來承擔。圖中可能的閃絡路徑：（1）沿著濕表面AB和干表面BCA發(fā)展，濕閃電壓比干閃電壓下降很多。（2）沿著濕表面AB和空氣間隙BA發(fā)展，濕閃電壓不會下降很多。（3）沿著濕表面AB和水流BB發(fā)展，出現(xiàn)在傾盆大雨

14、時，濕閃電壓降低到很低的數(shù)值。閃絡路徑中有空氣間隙可以提高濕閃電壓，但空氣間隙只占閃絡路徑很小比例時則不起作用。濕閃電壓與傘裙數(shù)、傘的傾角、傘裙直徑、傘裙伸出長度與傘裙間氣隙長度之比因素有關，在設計絕緣子時要仔細考慮。5.絕緣子污穢狀態(tài)下的沿面放電（1）污閃放電發(fā)展過程污層在干燥狀態(tài)下一般不導電，在遇到毛毛雨、霧、露等不利天氣時，污層受潮，電導增大，在工作電壓下的泄漏電流增大，所產生的熱量使水分蒸發(fā)、污層變干，出現(xiàn)干區(qū)或干帶。干區(qū)的電阻比其他濕污層的電阻大得多，因此整個絕緣子的電壓幾乎全部集中到干區(qū)上，而一般干區(qū)的寬度并不大，所以電場強度很大。如果電場強度足以引起表面空氣的碰撞電離，開始出現(xiàn)電

15、暈火花放電通道，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，電暈放電很容易直接轉變電弧放電，不過這時的電弧還只存在于絕緣子的局部表面，故稱局部電弧。隨后電弧附近的濕污層被很快烘干，這意味著干區(qū)的擴大，電弧被拉長，若此時電壓不足以維持電弧的燃燒，電弧即熄滅，電弧呈現(xiàn)“熄滅重燃”或“延伸收縮”的交替變化，在外觀上好像電弧在絕緣子上不斷地旋轉。在霧、露天氣時，污層濕度不斷增大，泄漏電流也隨之逐漸變大，在一定電壓下能維持的局部電弧長度也不斷增加，絕緣子表面上這種不斷延伸發(fā)展的局部電弧現(xiàn)象俗稱爬電。一旦局部電弧達到某一臨界長度時，弧道溫度已經很高，弧道的進一步延伸就不再需要更高的電壓，而

16、是自動延伸直至貫通兩級，完成沿面閃絡?？梢詫l(fā)展過程簡單的概括為：積污受潮干區(qū)形成局部電弧出現(xiàn)（爬電）局部電弧達到某一臨界長度，自動延伸，貫通兩級，完成沿面閃絡有時在工作電壓下就會發(fā)生閃絡，造成嚴重后果。絕緣子在污穢的情況下出現(xiàn)閃絡稱為污閃。絕緣子的污閃是一個復雜的過程，通?？梢苑譃榉e污、受潮、干區(qū)形成、局部電弧出現(xiàn)和發(fā)展四個階段。采取措施抑制或阻止任何一個階段的發(fā)展和完成，就能防止發(fā)生污閃事故。積污是發(fā)生污閃的根本原因，一般來說。積污現(xiàn)象在城區(qū)比農村嚴重，城區(qū)中靠近化工廠、火電廠、冶煉廠等地方最嚴重；污層受潮或濕潤主要取決于氣象條件，比如多霧、毛毛雨、易凝露的地區(qū)容易發(fā)生污閃。但是有些氣象條

17、件也有有利的一面，比如風可吹掉部分污穢，大雨更能沖刷上表面的積污。干區(qū)出現(xiàn)的部位和局部電弧發(fā)展、延伸的難易，都與絕緣子的結構形狀有密切關系，是絕緣子設計要絕緣的重要問題。2）防止污閃的措施1）增大爬電比距（增大泄漏距離）2）定期或不定期清掃3）在絕緣子表面涂上憎水性材料4）采用半導體釉絕緣子5）采用新型材料的絕緣子（耐污性強的材料）本周要求掌握的內容如下：本周要掌握絕緣子的性能要求和絕緣子材料，掌握沿面放電的概念，掌握在各種電場、固體介質表面有水膜、絕緣子污穢狀態(tài)下沿面放電的形式和特點，掌握提高沿面放電電壓的措施。第 頁共13頁習題（一）選擇題絕緣子（）是衡量絕緣子耐污能力很重要的參數(shù)。干閃絡電壓濕閃絡電壓污穢閃絡電壓滑閃電壓答案：c（二）判斷題1.在電力系統(tǒng)中，絕緣子的用途是將電位不同的導電體在機械上相互連接，而在電氣上則相互絕緣。（正確）污穢絕緣子在受到雨淋時的閃絡電壓稱為濕閃絡電壓，它是戶外絕緣子的主要性能。（錯誤）電力系統(tǒng)的外絕緣一旦擊穿是不可恢復的。（錯誤）固體介質與氣體介質交界面上的電場分布情況對沿面放電的特性影響很大。（正確）均勻電場中的沿面放電與氣隙中的擊穿過程相同，但沿面閃絡電壓明顯低于純氣隙中的擊穿電壓。（正確）