（电力系统及其自动化专业论文）高压线路绝缘子静电场的理论分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 子形成空间电场造成局部场强过强引发的局部放电形成的。 详细介绍了静电场的解析以及数值计算的方法。其中， 关于静电场解析计算，一并介绍了许瓦兹变换在静电场中的 应用。另外，就静电场的数值计算，详细介绍了有限差分法、 有限单元法、模拟电荷法。着重的介绍了模拟电荷法。 介绍了进行电场调整。采取措施改善电场分布，降低局 部过高的场强，以提高绝缘结构的整体介电强度。附带介绍 了绝缘套管的设计问题，并进行了相应的说明。此外，还介 绍了大气条件和海拔高度对绝缘电压的影响。 关键词：静电场，泄漏电流，表面电荷测量，模拟电荷法 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 a c a d e m i c a n a l y s i s i ns t a t i ce l e c t r i cf i e l da b o u t h i g h v o l t a g e i n s u l a t i o n a b s t r a c t h i 曲一v o l t a g ei n s u l a t i o n sp r o b l e mi s t h em o s tp r o b l e mi n t h ee l e c t r i cs y s t e m i tl i m i t st h ee l e c t r i c a ls y s t e m sd e v e l o p m e n t o ni m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t yo f p o w e rs u p p l ya n dr e d u c i n gt h e c o s to fp o w e rs u p p l ya n dd e v e l o p m e n t s p e e d i n e s s al o t o f p r e v e n t i n gt e s t s h a v el o s tt h ef u n c t i o n ，b e c a u s et h e i n s u l a t i n g p a r a m e t e r t h a tw em e a s u r e dr e f l e c t s s o m e t i m e st h ew h o l e i n s u l a t i n gc a p a b i l i t y sp a r a m e t e r sm a c r o s c o p i c a l l y a m o n go f m a n yp a r a l l e lc h a n n e l s ，o n l yo n ep a r a l l e lc h a n n e l si n s u l a t i o n i n t e n s i t yt h a tg e tt h r o u g ht h ec h a n n e ld e b a s e ，i tl e a d st ot h e m a l f u n c t i o no ft h ew h o l ee l e c t r i ce q u i p m e n t w et a k ear e s e a r c h u s i n g t h e r u n n i n gv o l t a g e t o c a r r yt h o u g ht h e t e s to ft h e h i g h - v o l t a g ee q u i p m e n t si n s u l a t i n gc o n d i t i o n s ，s ow em a y i m p r o v e t h et r u t ha n ds e n s i t i v e d e g r e e t h e i n s p e c t i o n o f e l e c t r i f i c a t i o nn e e dn o ta r r a n g et h e p l a no fs t o p p i n ge l e c t r i c p o w e r o fc o u r s e ，t h i sg i v e st h er u n n i n gc o n v e n i e n c eo ft h e e l e c t r i cp o w e r s y s t e m w e r e g a r dt h eh i g h - v o l t a g et r a n s m i s s i o ni n s u l a t i o no nt h e 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 t r a n s m i s s i o nl i n e so f2 2 0 k va st h er e s e a r c ho b j e c t i o nf a m i l i a r b e s t w e a n a l y z e t h e d i s c h a r g ef o l l o w i n g t h e p l a n e o ft h e u n i f o r m i t ya n da s y m m e t r y e l e c t r i cf i e l d ，a l lk i n d so fs t a t i cf i e l d s m o d e l s a n a l y s i s ，p a r s i n g a c c o u n ta n dn u m b e ra c c o u n to f d i s s i m i l a r i t ys i m p l ye l e c t r i c f i e l d a n dt h ee x a m i n a t i o no nt h e s u r f a c ee l e c t r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h ei n s u l a t i o n w eh a v e s o m er e s e a r c ho nt h e h i g h - v o l t a g ei n s u l a t i o no f t h et r a n s m i s s i o n l i n e s ，a n d a n a l y s e s t h es u r f a c e c h a r g e m e a s u r et e s to ft h e i n s u l a t o r w es e a r c ha l t e rt h e v o l t a g e t h e o r e t i c a ln u m e r i e a lv a l u e a b o u tt h el e a k a g ec u r r e n to ft h ei n s u l a t o r w ec o m b i n et h e f l a s h o v e rb e f o r e h a n d p h e n o m e n a a n d s u r f a c e e l e c t r i f i c a t i o nc h a r a c t e ro ft h ei n s u l a t o r u n d e rt h e i m p u l s ev o l t a g et oc a r r yt h eo b s e r v a t i o nr e s e a r c h 。w el o o k e df o r a n ds e a r c h e dt h e c o n n e c t i o no n ea n o t h e rb e t w e e n t h et w o p h e n o m e n a ，a n dw eg e tac o n c l u s i o n o n l yt h e r ei sf l a s h o v e r b e f o r e h a n da p p e a rw h e nw e p u tt h ev o l t a g eo nt h ei n s u l a t o r ，w e c a nf i n dt h es u r f a c e c h a r g e sd i s t r i b u t i o no nt h ei n s u l a t o rt o c h a n g e w ed r a w ac o n c l u s i o nt h a tt h et w o p h e n o m e n ab o t ha r e l e a d e dt ob yd i s c h a r g ei n p a r t b e c a u s et h et r a pc e n t e ro nt h e i n s u l a t o r ss u r f a c es e i z e r u n n i n gc h a r g e s t of o r mt h e s d a c e e l e c t r i c f i e l dt ol e a dt ot h e i n t e n s eo fe l e c t r i c f i e l di nd a r t c h a n g i n g t h ec h a n g e sl e a dt ot h ed i s c h a r g ei np a r t i n s u c c e s s i o n ，w ei n t r o d u c et h ew a y so f t h e p a r s i n ga c c o u n t a n dn u m b e ra c c o u n to ft h e s t a t i ce l e c t r i c f i e l d s a m o n 2o f i n t r o d u c i n gt h ep a r s i n ga c c o u n t ，w ei n t r o d u c et h e a p p l y i n gi nt h e 4 s t a t i cn e l d so ft h e x u w a z iv a r y i n g i na d d i t i o n ，w e i n t r o d u c e p a r t i c u l a r l y n u m b e ra c c o u n t o ft h e s t a t i c f i e l d s ，t h e l i r a i t d i 岱言r e n c em e b b ，l i m i tc e l lm e a n ，s i m u l a t i n gc h a r g ew a y a n ds o o n a m o n g o ft h e m ，w em a j o rt oe x p l a i nt h es i m u l a t i n gc h a r g e w a y f 0 1 1 0 w i n gt h e m ，w ei n t r o d u c et h e m e a n so fa d j u s t i n gt h e e l e c t r i cf i e i d t h e r ea r em a n ym e a n s t oa d j u s tt h ee l e c t r i cf i e l d ， i n c l u d i n gi m p r o v i n g t h ed i s t r i b u t i n go ft h e e l e c t r i cf i e l db y a d o p t i n g a l lk i n d so fm e a s u r e ，d e p r e s s i n g t h et o oh i g hi n t e n s eo f t h ee l e c t r i cf i e l di np a r t ，t oi n c r e a s et h ew h o l ed i e m t r i ci n t e n s e o ft h ei n s u l a t e df l a m e e x c e p tt h a t ，w ee x p l a i nt h ei n f e c t i o no f t h ea t m o s p h e r ec o n d i t i o na n d a l t i t u d et ot h ei n s u l a t e dv o l t a g e k e yw o r d s ：s t a t i ce l e c t r i cf i e l d ，l e a k a g e c u r r e n t ，t h e m e a s u r eo ft h e s u r f a c e c h a r g e ，s i m u l a t i n g c h a r g ew a y 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 课题国内外研究动态 高压电气设备主要是由两类不同材料构成：一类为金属材料，包 括铜、铝等导电材料，硅钢片等导磁材料，铸铁、钢板等外壳或结构 材料；另一类为绝缘材料，如绝缘纸( 及纸简、纸板) 、塑料薄膜、 层压板( 及简) 、电瓷、绝缘油等。相对于金属材料来讲。绝缘材料 容易损坏，特别是有机绝缘材料，如绝缘纸、塑料、绝缘漆或胶等， 很容易老化变质而使机电强度显著降低。因而绝缘结构的机电性能的 好坏往往成为决定整个电气设备寿命的关键所在。例如，对1 1 0 k v 及以上的电力变压器9 3 次事故原因分析，其中由于匝绝缘、引线 及对地绝缘、套管绝缘所引起的各事故约占4 3 、2 3 、1 5 ；而铁 芯、分接开关等非绝缘事故仅占2 0 以下【l l 。 因此，高压电器设备不仅在出厂前，应按照有关标准进行严格而 又合理的实验( 型式试验及例行试验) ；而且在投运前要进行交接试 验，在运行过程中要定期进行预防性试验，这样才能较好地保证该设 备的安全运行。 关于预防性试验的项目 3 1 ，我国已经积累了一套比较成熟的试验 内容f - 3 1 。对于各类设备，现行的预防性试验内容可以大致归纳为表 l 一1 所示。 可见那些非破坏性试验项目，如测量绝缘电阻足、测量介质损耗因 数、测量直流高压下的泄漏电流等，几乎被广泛用作各种高压电气 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 设备的预防性试验项目；而像交流耐压那样的可能引起残压破坏 的破坏性试验项目，仅仅在必要时，大修后等情况下才进行，而且在 非破坏性试验项目通过后才可进行。 设备名称电力变电力高压断路器发电 试验项目 压器电缆套管充s f 6充油机 测定绝缘电阻 测量直流泄漏 电流 直流耐压试验 、， 测量介质损耗 、，oo 角正切值t 9 6 绝缘油试验 4 = 微量水分测定 一。 4 = 油中溶解气体一4 = 色谱分析 局部放电试验4 = 交流耐压试验 oooo 表1 - l注明： “一”不进行；“”进行： “一”仅电压高或容量大时进行； “4 = ”必要时进行：“0 ”大修后进行。 过去进行的预防性试验的方法以及经验，是前人多年工作的总 结，它已经发挥过不少积极作用；但是近年来愈来愈多的电力工作者 从实践中意识到，过去的试验项目如今不大灵了。例如一台2 2 0 k v 油 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 纸电容式电流互感器，在停电预试时，按规程加l o k v 电压，测出为 t 9 81 4 ，小于规程规定的指标1 5 ，但是投运之后不久就爆炸了。 这是因为所测得的绝缘参数往往是反映整体绝缘性能的宏观参 数，而在多少条并联通道中只要有一条贯穿通道的绝缘强度下降，就 足以导致整个电气设备的故障。 例如当缺陷只占某设备绝缘尺寸的很小一部分，如图l 一1 中的 q 、辔配区域，而在两电极之间测得的是其总体的介质损耗，原来 无此缺陷时的损耗为 p = u 2 w ( c l + o ) 培6 ( 1 - 1 ) 缺陷发展以后的损耗为 p=u 2 w ( c l t 9 6 + c d t g 西) ( 1 - 2 ) 其中，c 。、喀屯指绝缘仍良好的那部分的参数。 这时，即使该缺陷区域的介质损耗因数已经很大，如 培以= l o o t 9 6 ，但假定它只是一条很窄细条，如c 。= 0 0 0 1 c 。，则由 式( 1 - 1 ) 及式( 1 - 2 ) 得p p = 1 1 。如原来测得的接体的辔为o 9 ， 现虽有一个细条的姆以已经增为9 0 但由上述可见，测得的整体 的介质损耗因数t 9 6 仅增至0 9 9 0 ，即难以觉察 4 】o 近年来5 1 】，在可能的情况下尽量进行“分解试验”：例如将有小 套管引出的电容式套管与变压器本体分开来测试，对断路器进行大修 时将灭弧室等一一分开来试验等。对难以分解的，采用多端测量的方 法，就宜用几种不同的接线方式测量后，分辨出缺陷在哪一部分。 另外，由于停电后进行非破坏性的预防性试验时，按现行规程规 定，所加的交流试验电压一般不超过1 0 k v ：如再要加高试验电压来 测t g # ，所用的标准电容器以及当用反解法测量时所用的电桥的绝缘 必须另行加强。现行的变电设备中有很大部分的运行相电压为 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 0 3 5 0 0 4 3 ，即工作电压已经远高于其预防性试验电压 o o k v ) ，以致即使在绝缘中的气隙甚至油隙中工作电压下发生放电， 但在这样低的试验电压下试验仍被通过了。因此，对高压、超高压电 气设备中的这些缺陷，在家很低的试验电压意义不大。如安徽某电业 局一台o y l1 0 3 - - - 0 0 0 6 6 耦合电容器，停电试验全合格，但运行 不到三个月就发生爆炸。 如能利用运行电压来对高压设备绝缘状况进行试验，则可大大提 高试验的真实性与灵敏度，这样的带电监测就不必再安排停电计划 了，这显然给电力系统的运行带来方便。过去一般是一年左右进行一 次停电试验，现在完全可以根据设备的绝缘状况的好坏来选择不同的 在线监测周期，使试验的有效程度明显提高。而且由于试验数据将远 比一年一次为多，从而便于对数据进行统计分析等而减小由于仅仅一 次试验所带来的误差。 从国外情况来看也这样，在线检测的推广还有利于从定期维修制 l ( 计划维修制) 过渡到更合理的状态维修制( 预知维修制) 。我国目 前执行的大多是定期维修制，一般都要求“到期必修”，没有充分考 虑设备实际状态如何，以致超量维修的不少，造成了人力及物力的大 量消费。 各国在早期都曾采用的是事后维修 6 - 7 ( b r e a k d o w n m a i n t e n a n c e ) 。美国在4 0 年代、日本在5 0 年代曾经改用定期维修， 即按事先制订的检修周期按其进行停机检修，因而也称“时间基准维 修”( t i m eb a s e dm a i n t e n a n c e ) 。它虽对提高设备可靠性起了一定作 用，但由于为考虑设备的具体状况，而且指定的周期往往比较保守， 以致出现了过多不必要的停机及维修，甚至因拆卸、组装等过多而出 现过早损坏。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 0 年代，美国通用电气公司等已经提出要从以时间为基准的维修 方式发展到以状态为基准的维修方式，即状态维修( c o n d i t i o nb a s e d m a i n t e n a n c e ) ，日本等在7 0 年代左右也转向采用状态维修。 状态维修1 8 叫的基础就在于绝缘检测及诊断技术，既要通过各种 检测手段来正确诊断被试设备的目前状况又要根据其本身特点及变 化趋势来确定能否继续运行或检修周期。国内有些电业部门已经迈出 了这一步，如大连电业局在1 9 9 2 年起就试行了从定期检修转向状态 维修，并已经初见成效。为实现状态维修，在线监测的重要性也就更 加突出。 1 2 本论文的主要工作 本论文主要首先简要综合介绍了绝缘子的性能要求以及材料组 成，阐述了线路绝缘子的分类，以及相关的简要介绍。接着，就绝缘 予的沿面放电问题作了关于气体的表面放电试验的阐述包括表面电 荷测量系统。然后，就我们即将要重点应用的静电场问题进行了介绍， 包括工程中常见的静电场：静电场的解析计算；静电场的数值计算。 紧接着，就静电场数值计算中的模拟电荷法，我们进行了本课题的应 用探讨。尤其是针对模拟电荷法里面的直线电荷方面的相关理论，对 绝缘子周围静电场进行了分析，继而进行了探索计算，推论出一个计 算绝缘子周围静电场静电压的公式，然后设计出一个基本模型也就是 将绝缘子等效为一个电容和电阻的并联组合，上面推出来的静电压公 式，进而应用电容电压与电流的微分关系，可以得到相应的电流公式。 从而，我们就确定了绝缘子泄漏电流的理论值。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章高压绝缘子 2 1 绝缘子的性能要求和材料 2 1 1 绝缘子分类 电力系统和电气设备中绝缘子应用广泛，用于将不同电位的导电 体在机械上相互连接，而在电气上则相互绝缘。按照绝缘和连接形式 的不同，可将高压绝缘子分为以下三大类i l o 州】： 1 绝缘子 用作导电体和接地体之间的绝缘和固定连接。如隔离开关中用于固定 触头的支柱绝缘子等。 2 瓷套 用作电器内绝缘的容器，并使内绝缘免遭周围环境因素的影响。如电 压互感器的瓷套等。 3 套管 用作导电体穿过电器外壳、接地隔板或者墙壁的绝缘部件。如变压器 绕组的出线套管等。瓷套管以此作为主要绝缘，电容套管、充油套管 则以瓷套作为外绝缘。 2 1 2 绝缘子的电气性能和机械强度 绝缘子是起电气绝缘和机械固定作用的绝缘部件，户外工作的绝 缘子还会受到雨、雪、露、日照、脏污、空气中的酸、碱等腐蚀性导 电尘埃和盐分的影响。因此，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。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 一) 电气性能 绝缘予外部绝缘的一个重要电气性能是闪络电压一连通绝缘子 两电极、沿绝缘体外部空气的放电电压。按照表面状况的不同，绝缘 子的闪络电压又区分如下： 1 干闪络电压 表面清洁、干燥的绝缘子的闪络电压。是户内绝缘子的主要性能。 2 湿闪络电压 表面洁净的绝缘子在淋雨时的闪络电压。是户外绝缘子的主要性 能。g b 7 7 5 2 1 9 8 7 绝缘子试验方法规定：人造雨水的体积电 阻率为1 0 0 1 5 q m( 2 0 。c ) 雨滴细小均匀，降雨量为1 ，0 1 , 5 m m m i n ，降雨方向与水平面近似为4 5 0 。由于作用电压持续时间 不同，雷电冲击电压下绝缘子的干、湿闪电压基本相同，工频电压下 两者相差较多，而操作冲击电压下两者虽有差别，但是不如工频电压 下显著。 j g b 3 1 1 1 1 9 9 7 高压输变电设备的绝缘配合规定了各类电 力设备的耐受电压( 见附录2 ) 。使用于这些设备的绝缘子应能耐受 相应的规定电压作用，而不发生闪络或击穿。试验时若大气状况与标 准大气条件( 气压o 1 0 1 3 m p 。温度2 0 0 c ，绝对湿度l l g m 3 ) 不符，还 应进行校正。 3 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。目前常用爬电距离 来衡量绝缘子在污秽和受潮条件下的绝缘能力。有些绝缘子电极间的 绝缘可能被击穿。为避免造成不可恢复的损坏，绝缘子的击穿电压比 干闪络电压高。 运行中绝缘子的电晕将造成高频干扰、引起能量损失、通常要求 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 正常工作电压下不出现这种有害的电晕。 ( 二) 机械性能 1 拉伸负荷 如悬挂输电线的绝缘子受重力和导线拉力的作用。拉伸负荷以作 用在绝缘子两端的拉伸力来表示。 2 弯曲负荷 如导线拉力、风力或短路电流电动力作用于支柱绝缘子，因它们 的方向与支柱垂直而使支柱受到弯矩作用。弯曲负荷以作用在绝缘子 顶部的垂直力( 垂直于绝缘支柱) 来表示 3 扭转负荷 如隔离开关的支柱绝缘子常以转动方式来开闭触头，转动时绝缘 支柱将承受扭转力矩。扭转负荷以作用在绝缘子顶部的扭矩来表示。 ( 三) 冷热性能 制造绝缘子最普遍的材料是电瓷。运行中因受日照，瓷件温度可 能比周围高2 0 3 0 0 c ，若遇降雨，瓷件表面骤冷产生内部应力，可 能造成开裂。因此要求瓷件在7 0 0 c 的温差剧变时不发生开裂。从温 度膨胀系数来看，电瓷( 4 5 7 0 1 0 c 1 ) 小于金属附件( 1 1 5 l o 。7 c 。) ， 如设计不当，温度变化也会使它们问产生应力而破裂。 此外，运行中的绝缘子在长期工作电压和机械负荷作用下，会发 生介质的老化现象，因此要求绝缘子应具有一定的抗老化性能。 2 1 3 绝缘子的材料 绝缘子由绝缘件、机械固定用的金属附件、胶装绝缘件和金属附 件的胶合剂组成。有些产品还带有传导电流用的导电体。 ( 一) 绝缘件 最常用的是电瓷，它是无机材料，由石英、长石和黏土焙烧而成， 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 能耐受不利大气环境和酸碱污秽等的长期作用而不受侵蚀，抗老化性 好，且具有足够的电气性能和机械强度。电瓷的电气和机械性能与其 配方和工艺有关。 均匀电场中，薄瓷片试样( 厚度1 5 r a m ) 有很高的介电强度( 工 频时1 7 2 2 k v m m ) 。随着瓷壁厚度的增加，由于瓷质不均匀，瓷的 介电强度显著降低，如图3 3 所示( 试样为纯瓷穿墙套管，法兰处有 半导体釉) 。通常瓷件厚度不超过3 0 4 0 m m ，较厚的瓷壁宜用几个 薄瓷件胶合而成。电瓷在雷电冲击电压下的介电强度比工频下高 5 0 7 0 。 瓷是一种脆性材料，它的抗压强度比抗拉强度大得多。普通上釉 电瓷试样( 直径2 3 c m ) 的抗压强度达5 0 k n c m 2 , 抗弯强度也不低于 8 k n c m 2 , 但抗拉强度却只约3k n c m 2 。不上釉的瓷，表面粗糙容易开 裂，机械强度要低1 0 2 0 。瓷件截面积增加，机械强度也要下降。 电瓷的机械强度与其受力情况以及结构形状，也即附件的结构和组装 方法有很大关系。为了使电瓷有较高的机械强度，设计时应尽可能使 瓷件承受压应力。 玻璃也是一种良好的外绝缘材料【1 5 1 ，具有与电瓷同样的环境稳 定性，生产工艺简单，较易实现机械化，生产效率高。普通玻璃的冷 熟性能差，机械强度也低。经退火和钢化处理后，冷热性能有很大改 善，机械强度可比普通电瓷高1 2 倍，介电强度也高于瓷。输电线 路上的盘形悬式钢化玻璃绝缘子损坏后能“自爆”，便于巡线时及时 发现。 浇注环氧树脂可用在处于户内的支柱和穿墙绝缘结构中。浇注工 艺简单，工效高。经过表面处理，可以提高它的耐湿性和化学稳定性。 应注意其抗老化性能。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 世纪6 0 年代开始出现由环氧树脂玻璃纤维芯棒和高分子聚合 物伞盘、护套组成的复合绝缘子，芯棒承受机械负荷作用，伞盘、护 套保护芯棒免受环境因素影响和提供必要的泄漏距离。合成树脂玻璃 纤维引拔棒的机械强度比钢的还高，也具有良好的电气性能，是制造 芯棒的合适材料。高温硫化硅橡胶具有一定的机械强度，良好的电气 性能和环境稳定性，时制造伞盘、护套的合适材料。与瓷或玻璃绝缘 子相比，复合绝缘子具有很多的优点，如工艺简单、生产过程对环境 污染小、重量轻、体积小、运输安装方便，尤其是伞盘表面积污后， 由于硅橡胶材料所特有的表面憎水性的迁移性能，使得复合绝缘子具 有优良的耐污闪性能。 ( 二) 金属附件 绝缘子的金属附件主要由铸铁和钢制成，对一些需通过大电流的 产品，为减少附件的涡流损耗，也有用硅铝合金作附件的。附件结构 对绝缘子的机械强度影响很大。导电材料( 如套管所用导杆) 一般均 采用铜杆或铜管，有些穿墙套管也采用铝导体。 ( 三) 胶合剂 胶合剂是将瓷件和附件胶合连接的材料，最常用的是5 0 0 号硅酸 盐水泥。为减小水泥和瓷件温度膨胀系数不同而产生的内应力，用瓷 粉或瓷沙作填充剂，并在附件胶装面刷沥青作缓冲层。现在很多电瓷 产品，特别是大型瓷套都用卡装方法与附件固定，它避免了温度内应 力，组装工艺时间也可以缩短。 2 2 线路绝缘子 线路绝缘子是输配电线路固定导线用的绝缘部件，它也用在户外 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 配电装置中。线路绝缘子按结构不同分为针式、悬式和瓷横担三类 。1 6 1 。 2 2 1 针式线路绝缘子 6 1 0 k v 的配电线路广泛采用针式绝缘子，它的瓷件与针式支柱 绝缘子基本相同，不同的是顶部有一线槽，导线可用绑线固定在线槽 内( 见图3 2 8 ) 。2 0 3 5 k v 的线路也有用针式绝缘子的，但由于结 构尺寸大和老化率高，已经逐渐被悬式绝缘予取代了。 2 2 ，2 悬式线路绝缘子【l l 】 随着输电线路电压的升高，为提高绝缘子的闪络电压需要增加闪 络距离，因而增加了绝缘子的高度。针式和棒形支柱绝缘子承受的是 弯曲负荷，高度加大时为能承受同样的弯曲负荷，绝缘子的直径就要 增大。若这样，超高压绝缘子的尺寸大、笨重，工艺复杂，质量不易 保证，技术和经济上都不合理。因此3 5 k v 阱上的高压线路都是用悬 式绝缘子或悬式绝缘子串。按结构外形，悬式绝缘子分为盘形和棒形 ， 两种。悬式绝缘子串中，各元件用球绞接头或销子接头软连接，导线 拉力对绝缘子串只产生轴向拉力负荷，没有弯矩，较好的解决了高压 输电线路绝缘的机械强度问题。 盘形悬式绝缘子由铁帽( 可锻铸铁) 、钢脚( 低碳钢) 和瓷件( 或 钢化玻璃) 组成，( 见图3 - 2 9 ) 金具和绝缘件用水泥胶合。组合绝缘 子串时，钢脚的球接头插入铁帽的球窝中，成为球绞软连接。瓷件是 圆盘形的。为了增长闪络路径和泄漏距离，防止雨天表面全部被溅湿， 瓷盘下表面有3 4 个棱。瓷盘直径d 和结构高度h 的关系，象湿闪 条件下考虑棒形绝缘子的伞宽和伞距的关系样，希望组成绝缘子串 时，悬式绝缘子的盘径最小，而瓷盘问的空气放电距离又可充分利用。 现在盘形绝缘子的h d 在o 5 o 6 5 的范围内。 l 】 太原理工大学硕士研究生学位论文 悬式绝缘子承受的是拉力负荷，而电瓷是脆性材料，它的抗压强 度比抗拉强度大1 0 倍以上，为提高瓷件的机械性能，应尽量使瓷件 受压应力。国产盘形绝缘子的瓷件头部是圆锥形的，外加负荷f 由 钢脚通过水泥和瓷件传给铁帽，使瓷件主要承受压应力f 2 。瓷件的 倒锥角口对绝缘子的机械性能有直接影响。口角大时，同样的f 作 用下，瓷件和铁帽承受的压力f 2 小，但钢脚插入深，绝缘子高度增 加；反之，则压力f 2 大，机械强度低一些。由于盘形绝缘子中瓷件 所承受的主要是压应力，所以它是机械强度最高的一种绝缘子结构。 棒形盘形绝缘子1 16 】分为瓷质和复合绝缘子两种。棒形悬式瓷质 绝缘子具有不击穿，节约金属材料等优点，但因瓷件受拉，很难制造 出具有很大机械破坏负荷的产品。棒形悬式复合绝缘子由芯棒、伞盘 和护套、上下铁帽组成。为防止沿芯棒与护套的分界面发生闪络，两 者之间需有粘接材料。与瓷质绝缘子相比，复合绝缘子具有以下优点： 抗拉性能好。承受机械负荷的复合绝缘子芯棒，采用合成树脂玻璃 纤维引拔棒，它的抗拉强度是瓷的5 1 0 倍。只要适当选择芯棒直径 及接头结构，就可满足高压输电线路对绝缘子的机械性能要求：重 量轻，体积小，弹性好。由于芯棒机械强度高，所以直径可较小：又 因伞盘、护套用硅橡胶制成，所以重量轻、体积小。例如2 2 0 k v 悬式 复合绝缘子只有1 0 k g 重，而普通盘形悬式绝缘子串的重量为7 3 k g ， 前者只有后者的1 4 。此外，硅橡胶伞盘柔软，不易损坏：防污闪 性能好。复合绝缘子的泄露距离可以做得较大；伞盘、护套用硅橡胶 制成，表面具有憎水性：直径较细；所以污闪电压较高，比盘形悬式 瓷绝缘子串的可高出1 2 倍：工艺简单，成型温度低。 2 2 3 悬式绝缘子串 悬式绝缘子1 1 - 1 2 - - 个突出的优点是：当工作电压增高时，可将 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 多个绝缘子用简单的机械连接组成绝缘子串，绝缘子串的机械强度仍 与单个元件相同，而闪络电压则随绝缘子片数的增多而提高。盘形悬 式绝缘子传中，串接绝缘子的数目决定于线路所要求的绝缘水平。对 悬垂串，3 5 k v 线路用2 3 片，l l o k v 用7 片，2 2 0 k v 用1 3 1 4 片， 3 3 0 k v 用1 9 2 2 片；对耐张串，考虑到绝缘子老化较快，通常增加 1 2 片。在机械负荷很大的地方，可以用2 3 串同样的绝缘子串并 联使用。 由于绝缘子的金属部分与接地铁塔或带电导体间有电容存在，使 得沿绝缘子串的电压分布不均匀。设绝缘子本身电容为c ，只考虑对 地电容c e ，因流过c e 的电流是由绝缘子串分流出去的，使靠近导线 的绝缘子流过电流最多，电压降u 也最大。若只考虑对导线电容 c l ，则等值电路是一个样子。同样可知，靠近铁塔的绝缘子压降最 大。实际上c e 及c l 两种杂散电容同时存在。一般c 为3 0 6 0 p f ， c e 为4 5 p f ，c l 只有0 5 l p f 。c e 的影响比c l 要大，所以绝缘子 ， 串中靠近导线的绝缘子的电压降最大，离导线远的绝缘子电压降逐渐 减小；当靠近铁塔横担时，c l 作用显著，电压降又有些升高。从以 上讨论可知，绝缘子串的长度越长，串联绝缘子片数越多，电压分布 越不均匀。绝缘子本身电容c 大，则c e 和c l 的影响要小一些，绝缘 子串的电压分布也就比较均匀。增大c l 能在一定程度上补偿c e 的影 响，使电压分布不均匀程度减小，例如用大截面导线或分裂导线都可 以使导线侧第一个绝缘子上的电压降减小些。 绝缘子上电压降过高时可能会产生电晕，它将干扰通讯线路，也 会产生氮的氧化物腐蚀附件和污染绝缘子表面，所以每片绝缘子承受 的工作电压不能过高。采用均压环，增加了绝缘子对导线的电容，可 改善电压分布。例如1 9 片x p 一7 0 绝缘子组成的绝缘子串，靠导线第 一 】3 太原理工大学硕士研究生学位论文 一片绝缘子的电压为总电压的1 1 5 ，装了翘椭圆形均压环后，降为 7 1 ，均压环的效果十分明显。研究表明，盘形绝缘子在开始时的工 作电压允许达到2 5 3 5 k v ，因此，一般地区2 2 0 k y 及以下的输电线绝 缘子串不采用均压环。用均压环虽可减弱绝缘子串电压分布的不均匀 程度，提高电晕起始电压，但对提高闪络电压的作用较小。因为即使 没有均压环，由于闪络前绝缘子电晕已经很强烈，电极附近电离区增 大，加大它本身电容c ，使电压分布稍趋于均匀，对特别长的绝缘子 串，由于闪络前的电皋效果还不够强，安装均压环还能提高闵络电压， 这种情况下安装使电压均匀分布的均压环是完全必要的。 盘形悬式绝缘子串的闪络路径与单个绝缘子不一样。单个绝缘子 沿两电极间空气最短距离z ( a 朔) 闪络，而绝缘子串常常是沿 i ( c b d ) 或空气间隙l 闪络，因此绝缘子串的闪络电压并不一定是单 个绝缘子闪络电压的总和。沿l 闪络时，绝缘子串的闪络电压相当于 棒一棒空气间隙的击穿电压。为了提高绝缘子串的平均闪络场强 8 u 。h ，可加大绝缘子盘径、减小铁帽直径和减小绝缘子高度，以及增 加盘下棱的高度。在一定范围内，增大，绝缘子串的平均干闪和 湿闪场强也增大。当? 日约不小于1 3 时，绝缘予串的干闪将沿路 径发生，这就比较充分地利用了绝缘高度。由于绝缘子的质量和成本 差不多与盘径平方成正比，从电气性能来看，采用缩小绝缘子铁帽直 径和钢脚长度的方法来提高，h 比增加盘径更合理。但是减小铁帽 直径势必降低绝缘子的机械强度，故考虑盘形绝缘子的结构时，必须 适当处理电气和机械性能两方面的要求。 2 2 4 瓷横担绝缘子 瓷横担绝缘子1 7 】是棒形的瓷件，安装在电杆上支承导线，它 既起了输电线对地绝缘的作用，又起了横担作用，将各相导线隔开一 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 定距离，保证电杆间导线摆动时，有足够的绝缘距离。 对于l o k v 瓷横担绝缘子，由于绝缘距离大，它的闪络电压( 工 频湿闪电压5 0 k v ，雷电冲击闪络电压1 8 5 k v ) 比绝缘水平所要求的 高很多，运行可靠。正常运行情况下，瓷横担绝缘子承受导线的垂直 荷重；但当发生导线断线事故时，绝缘子将受到弯曲负荷作用。由于 s c 一1 8 5 瓷横担用单螺栓与横担固定，当导线断线时，瓷横担可以顺 导线方向转动，缓冲了导线对瓷横担的冲击力，因此这种瓷横担绝缘 子的机械强度主要考虑导线的垂直荷重，机械强度要求显著降低，尺 寸减小。 1l o 2 2 0 k v 电压级的瓷横担绝缘子长度大，用2 3 节瓷件组装 而成，当机械强度要求较高、单臂式结构不能满足要求时，可以用两 组瓷横担组成v 形架结构。 瓷横担绝缘子具有如下优点：电气性能好，运行安全可靠； 3 5 k v 以下的瓷横担绝缘子制造方便，采用瓷横担绝缘子的线路结构 简单；线路造价低，一般可节约2 0 5 0 。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章气体中表面放电以及试验介绍 3 1 气体中沿固体介质表面的放电 绝缘子和它所固定的带电导体绝大部分处于空气中，在绝缘子和 空气的分界面上有时会出现放电现象，称为沿面放电。如果沿面放电 发展到贯穿性的空气击穿，称为闪络。气体中的沿面放电也是一种气 体放电现象，沿面闪络电压比气体或固体单独存在时的击穿电压都 低。电力设备的绝缘事故中，很多都是沿面放电造成的。 沿面放电与固体介质表面的电场分布有很大关系1 0 q5 1 。固体介 质处于电极间电场中的形式，有以下三种典型情况： ( 1 ) 固体介质处于均匀电场中，固、气体介质分界面平行于电 力线。工程上很少遇到这种情况，但常常会遇到介质处于 稍不均匀电场中的情况，此时放电现象与均匀电场中的有 很多相似之处。 ( 2 )固体介质处于极不均匀电场中，且电场强度垂直于介质表 面的分量( 以下简称垂直分量) 要比平行于表面的分量大 得多，套管就属于这种情况。 ( 3 )固体介质处于极不均匀电场中，但是在介质表面大部分地 方( 除仅靠电极的很小区域外) ，电场强度平行于介质表 面的分量要比垂直分量大，支柱绝缘子就属于这种情况。 这三种情况下的沿面放电现象有很大的差别，下面分别讨论1 9 2 0 。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1 1 均匀电场中的沿面放电 在平行平板电极之间放一圆瓷柱，瓷柱表面与电力线平行。瓷柱 虽然没有影响极板间电场分布，但是放电总是发生在瓷柱表面，而且 闪络电压比纯空气的击穿电压低得多。出现这种现象有多种原因。 u ，f 峰 1 1 。f | ， 么 f u ，r 峰值， 8 0 6 0 4 0 2 0 彳 ， ， 2 三 杉 夕 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 降低了沿面闪络电压( 见图3 - 1 中曲线4 ) 。所以，实际结构中应使 电极与介质紧密结合。 其次，空气湿度及固体介质吸附水分的能力对闪络电压也有显著 影响。在空气相对湿度低于5 0 6 0 时影响较小，但超过5 0 6 0 时闪络电压随湿度增加急剧降低。表面吸附水分能力大的介质 ( 如瓷和玻璃) 受湿度的影响显著，其闪络电压较纯空气间隙的低得 多：表面吸附水分能力小的介质( 如石蜡) ，受湿度影响较小。由此 可知，闪络电压的降低也和介质表面吸附水分形成水膜有关。水膜中 离子受电场作用而移动，电极附近逐渐积聚起电荷，使介质表面电压 分布不均匀，因此，沿面闪络电压低于纯空气的击穿电压。由于离子 移动、电荷积聚需要一定时间，因此，闪络电压的降低程度与作用电 压的变化速度有关，电压变化较慢时的闪络电压比电压变化较快对的 闪络电压要低( 见图3 2 ) 。 此外，介质表面电阻不均匀和介质表面粗糙，也都会畸变电场 4 分布，使闪络电压降低。 和空气间隙样，增加气体压力也能提高闪络电压。气体必须干 燥，否则介质表面凝聚水滴，沿面电压分布更不均匀，甚至出现高气 压下闪络电压反而降低的异常现象。图3 3 给出了干燥氮气中介质表 面闪络电压与气压的关系。随气压升高，闪络电压不像气体间隙击穿 电压增加得那样快。 均匀电场中的沿面放电现象在实际结构中较少遇到，但人们常用 改进电极形状的方法使电场接近均匀。如对圆柱形的支柱绝缘子，可 采用环状附件改善沿面电压分布，使瓷柱处于稍不均匀电场中，它具 有类似均匀电场沿面放电的规律。 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 _ 直，k v l f ， ? | | 毽， 00 5 1 0 1 52 02 53 0 d ( m p ) 图3 3 均匀电场中，气压对氮气中沿 圆柱固体介质表面闪络电压的影响 l 一氮气间隙：2 一塑料；3 胶布板；4 一瓷 f i g 3 3 i nt h e p r o p o r t i o n a le l e c t r i cf i e l d ，t h e i n f l e c t i o no f t h ea i rp r e s s u r ea c tt ot h ef l a s h o v e r e l e c t r i c p r e s s l _ l r ef o l l o w i n g t h ec o l u m n a r m e d i a ss u r f a c ei nt h en 2 ，1 - t h ec l e a r a n c eo f n 2