第4章气体中沿固体绝缘表面的放电

《高电压工程基础》施围邱毓昌张乔根（西安交通大学）编著刘青（西安科技大学）制作第4章气体中沿固体绝缘表面的放电4.1界面电场分布的典型情况4.2均匀电场钟的沿面放电4.3极不均匀电场钟的沿面放电4.4受潮表面的沿面放电4.5脏污绝缘表面的沿面放电高电压工程基础高电压工程基础4.1界面电场分布的典型情况（1）固体介质处于均匀电场中，且界面与电力线平行，如图（a）。（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比平行于表面的分量要大得多，如图(b)。（3）固体介质处极不均匀电场中，电场强度平行于界面的分量要比垂直分量大，如（c）。1电极；2固体介质高电压工程基础4.2均匀电场中的沿面放电沿面放电：均匀电场中，固体介质的引入并不影响电极间的电场分布，但放电总是发生在界面，且闪络电压比空气间隙的击穿电压要低得多。不同介质的沿面闪络电压空气间隙石蜡瓷与电极接触不紧密的瓷特点：（1）沿面闪络电压与固体绝缘材料特性有关；如图，石蜡闪络电压比瓷高，原因是石蜡不吸水。当瓷表面有水膜，其中的离子在电场作用下，向电极移动，造成电场畸变，使闪络电压降低（2）介质表面粗糙，也会使电场分布畸变，从而使闪络电压降低；如，电阻不均匀，表面有伤痕裂纹气压对氮气中沿面闪络电压的影响

高电压工程基础（3）上述影响因素在高气压时表现得更为明显。

氮气间隙胶布板

塑料瓷高电压工程基础（4）固体介质是否与电极紧密接触对闪络电压有影响。

充SF6气体的同轴圆柱电极中支撑与电极接触的好坏对沿面闪络电压的影响纯SF6接触良好接触不良改善措施：缝隙间加导电覆盖层、加内屏蔽电极等如，对于支柱绝缘子，内屏蔽电极可以提高沿面闪络电压。内屏蔽电极有一最佳深度，约10cm左右。支柱绝缘子的内屏蔽电极深度对雷电冲击闪络电压的影响正极性负极性“是否紧密接触”主要是指固体介质和电极间是否存在气隙，由于气体介电常数比固体低，因此气隙中的平均场强比整个平均场强高的多，因此气隙将发生放电，当放电产生的带电粒子达到固体介质与气隙交界面时，使固体介质表面电场畸变，致使闪络电压降低高电压工程基础（5）越易吸湿（水）的固体（如，玻璃，瓷等），沿面闪络电压越低特别需要指出的是：由于表面水分中的离子沿电场移动需要时间，因此工频电压、直流电压作用下的沿面闪络电压比冲击电压下的沿面闪络电压还要低高电压工程基础4.3极不均匀电场中的沿面放电

具有强垂直分量时的沿面放电沿套管表面放电的示意图（a）电晕放电（b）细线状辉光放电（刷状放电）（c）滑闪放电滑闪放电：在（c）图状态下，即出现树枝状放电火花，但是这种树枝状的放电并不固定在一个位置上，而是在不同位置交替出现，并伴有爆裂声，所以被称为滑闪放电。对滑闪放电的几点说明（见下页）高电压工程基础对滑闪放电的几点说明1、滑闪放电形成后，只需增加稍许电压，放电火花便可达到另电极，形成闪络，因此固体介质表面闪络电压比滑闪放电电压高的不多。2、滑闪放电通道中的电流密度较大，压降较小，伏安特性具有下降特性。3、上述特性说明滑闪放电过程的特征是固体介质表面放电通道发生热电离。套管表面电容4、热电离是在电场垂直分量的作用下，带电质点撞击介质表面，引起局部温度升高，直到发生热电离，该热电离过程与套管表面的分布电容有密切关系。5、比电容：介质表面单位面积（1cm2）对导杆的电容6、滑闪放电起始电压：E0滑闪放电的起始场强，w电压的角频率，C0比电容，表面电阻率7、直流不会出现滑闪，从滑闪起始电压公式可看出，而且交变电压的速度越快越容易滑闪，冲击电压比工频电压更容易引起滑闪8、对直流电压不出现滑闪的解释：直流时，无C0（比电容），只有数值很小的体积导电电流，沿面电压分布较交流下均匀，放电通道电流也比交流小很多，不不易引起热电流，所以无明显滑闪，并且，其沿面闪络电压比交流要高9、出现滑闪放电的条件：足够强的电场垂直分量和水平分量；交变电压（含冲击电压）的作用。高电压工程基础滑闪条件下沿面闪络放电的饱和现象1.滑闪条件下，沿面闪络电压出现明显的饱和现象，因此对于某些绝缘结构，单靠增加沿面长度，并不能有效提高沿面闪络电压。2.饱和原因：通过固体介质体积的电容电流和漏导电流增加，反而使电场更加畸变。3.冲击滑闪极易出现，工程设计时允许出现滑闪放电，但保证不要贯通两极。高电压工程基础

提高套管的电晕起始电压和滑闪放电电压的方法：（1）减小比电容，例如增大固体介质的厚度，特别是加大法兰处套管的外径；也可采用介电常数较小的介质，例如用瓷－油组合绝缘代替纯瓷介质。（2）减小绝缘表面电阻，即减小介质表面电阻率。例如在套管靠近接地法兰处涂半导体釉；在电机绝缘的出槽口部分涂半导体漆等。介质表面的电压分布注意：滑闪情况下，沿面闪络电压不和沿面距离成正比，靠加长沿面距离来提高闪络电压的方法，在此种绝缘结构中并不明显。这是因为，当沿面距离增加时，通过固体介质体积的电容电流和漏导电流都将随之很快增加，不仅没有改善滑闪起始区域的场强，反而使沿面电压分布更加不均匀。高电压工程基础

具有弱垂直分量时的沿面放电沿不同材料圆管表面的工频闪络电压峰值

沿面闪络电压与空气击穿电压的差别比前述两种电场情况都要小得多。因此这种情况下，为提高沿面放电电压，主要从改进电极形状以改善电极附近的电场着手.1－空气隙击穿2－石蜡3－胶纸4－瓷和玻璃措施：内屏蔽电极、外屏蔽电极（屏蔽罩和均压环）高电压工程基础330kV绝缘子柱

（a）无均压环；（b）有均压环弱垂直分量电场分布（单个绝缘子的情况）高电压工程基础绝缘子串的等效电路及各绝缘子承受的电压（a）只考虑对地电容CE

（b）只考虑对导线电容CL

（c）同时考虑CE及CL高电压工程基础4.4受潮表面的沿面放电

表面凝露对沿面放电的影响不同放电距离时清洁的环氧树脂支柱绝缘子的交流闪络电压（环境温度为30℃）RH超过60%闪络电压下降；原因：表面凝露SF6中工频沿面闪络电压（气压0.35MPa）1－气温为-2℃~＋4℃2－气温为-29℃~-2℃3－环氧树脂绝缘子露（液态）霜（固态）RH小于60%闪络电压略升；原因：水分子呈弱电负性，吸附电子，提高闪络电压高电压工程基础

表面淋雨对沿面放电的影响光滑瓷柱的干闪和湿闪电压干闪湿闪雨中电导率对湿闪电压的影响（取雨水电导率为0.1S/m时的闪络电压为1）高电压工程基础4.5脏污绝缘表面的沿面放电污闪：户外绝缘子常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞尘等污染。干燥情况下，对闪络电压没多大影响。但当绝缘子表面污层被湿润，其表面电导剧增使绝缘子泄漏电流急剧增加。绝缘子的闪络电压（污闪电压）大大降低，甚至有可能在工作电压下发生闪络。绝缘子闪络电压与污染程度（以单位面积的污量表示）的关系绝缘子工作电压高电压工程基础

污闪的发展过程（1）污层刚受潮时，介质表面有明显的泄漏电流流过，电压分布是较均匀；（2）出现高电阻的“干燥带”，使污层的泄漏电流减小，并在干燥带形成很大的电压降；（3）当干燥带的电位梯度超过沿面闪络场强时，干燥带发生放电，放电具有电弧特性，这就是出现局部电弧的阶段。高电压工程基础

影响污闪的因素（1）污秽的性质和污染程度

污秽的导电率越高和介质表面沉积的污秽量越多，则闪络电压越低。这实际上说明表面泄漏电流越大，闪络电压越低。所以在工程中常将污层表面电导率作为监测绝缘子脏污严重程度的一个特征参数。（2）湿润的方式

最容易发生污闪的气象条件是雾、露、融雪和毛毛雨等，这些条件下污层易达到饱和湿润的状态但不被冲洗掉。（3）泄漏距离

在污层表面电导率一定时，泄漏距离越长，剩余电阻的阻值越大，绝缘子的泄漏距离是影响污闪电压的重要因素。（4）外施电压的形式

由于污闪是局部电弧不断拉长的过程，因此电压作用时间越短就越不容易导致闪络。高电压工程基础

污秽等级的划分污秽等值附盐密度（mg/cm2）：

与绝缘子表面单位面积上污秽物导电性相当的等值盐(NaCl)量。用一个参数同时表征污秽性质及污秽量，以简化对污秽严重程度的描述。500kV套管及支柱绝缘子的污秽耐受电压和泄漏距离的关系附盐密度：1－0.03mg/cm2；2－0.05mg/cm2；3－0.1mg/cm2高电压工程基础污秽等级污湿特征盐密(mg/cm2)线路发电厂变电所0大气清洁地区及离海岸盐场50km以上无明显污染地区≤0.03－Ⅰ大气轻度污染地区，工业区和人口低密集区，离海岸盐场10km～50km地区，在污闪季节中干燥少雾（含毛毛雨）或雨量较多时>0.03~0.06≤0.06Ⅱ大气中等污染地区，轻盐碱和炉烟污秽地区，离海岸盐场3km～10km地区，在污闪季节中潮湿多雾（含毛毛雨）但雨量较少时>0.06~0.10>0.06~0.10Ⅲ大气污染较严重地区，重雾和重盐碱地区，近海岸盐场1～3km地区，工业与人口密度较大地区，离化学污源和炉烟污秽300m～1500m的较严重污秽地区>0.10~0.25>0.10~0.25Ⅳ大气特别严重污染地区，离海岸盐场1km以内，离化学污源和炉烟污秽300m以内的地区>0.25~0.35>0.25~0.35线路和发电厂、变电所污秽等级高电压工程基础污秽等级爬电比距（cm/kV）线路发电厂、变电所220kV及以下330kV及以上220kV及以下330kV及以上01.39（1.60）1.45（1.60）－－Ⅰ1.39～1.74（1.60～2.00）1.45～1.82（1.60～2.00）1.60（1.84）1.60（1.76）Ⅱ1.74～2.17（2.00～2.50）1.82～2.27（2.00～2.50）2.00（2.30）2.00（2.20）Ⅲ2.17～2.78（2.50～3.20）2.27～2.91（2.50～3.20）2.50（2.