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、內部機理以及產生閃絡的原因。同時，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。

關鍵詞：懸式絕緣子法蘭沿面放電電暈閃絡

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構提供支撐，也是電力傳輸線路的絕緣保障，其性能好壞直接關系到整體電網(wǎng)的穩(wěn)定運作。因此，探討懸式絕緣子沿面放電的問題，對提升電網(wǎng)運作的電壓等級和絕緣能力具有至關重要的作用。

1絕緣子簡介

安裝在不同電位的導體或導體與接地構件之間的能夠耐受電壓和機械應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、材料選擇就導致絕緣子種類繁多，結構與外形也有差別。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、玻璃絕緣子和復合絕緣子；按照使用電壓等級不同，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械穩(wěn)固，因而設定了各種電氣與機械特性的標準。例如：在承受規(guī)定的工作電壓、雷擊造成的電壓沖擊或設備內部的電壓幅值波動時，應保持不被電擊穿或產生閃絡，金具不應有明顯的電暈放電，從而避免干擾無線電和電視信號的傳播。在長期或短期承載機械應力時，保證不會出現(xiàn)破裂或損傷。即便長時間在多變的環(huán)境中承擔機電負荷，也不會出現(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，它們會沿著固態(tài)介質的表層進行放電。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)介質的介入導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。在工業(yè)生產中，具備高電勢的金屬構件往往依賴于固態(tài)介質的結構支撐，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)較大的幾個進行討論。放電信號一般分為間歇性電弧與連續(xù)性電暈，電暈的出現(xiàn)時間早于電弧，隨電壓幅值的增大，其幅值與頻率也相應增大，但幅值僅在小范圍內波動。隨著電暈現(xiàn)象的持續(xù)發(fā)生，將產生隨機性的電弧現(xiàn)象。

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

2022年1月，天津大學電氣自動化與信息工程學院梁虎成等人[2]指出當氣體電導率小于絕緣子時，表面電荷主要來源是固體側電導電流，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)及裝備工程實驗室趙云鵬等人[3]對單一風向作用下背風側積污較多的絕緣子的污閃現(xiàn)象進行了研究，得到的結論：均勻染污的絕緣子閃絡路徑具有隨機性，而不均勻染污絕緣子閃絡路徑出現(xiàn)在背風側。與均勻染污相比，不均勻染污的絕緣子閃絡前泄漏電流峰值高476mA，即電流變化更大，放電較為劇烈。

同時，復合絕緣子的傘裙與保護套表層會因為部分老化，加之由于均壓環(huán)構造設計欠妥，導致端部電場強度過強，內絕緣缺陷、表面污染以及濕潤等問題，這些因素都可能會使絕緣子在承受工作電壓時，其表面長期處于電暈放電中。

3.2內部因素

沿面放電發(fā)展成貫穿兩極的放電時稱為沿面閃絡[4]。一旦出現(xiàn)閃絡現(xiàn)象，電極電壓迅速降低到0電位，閃絡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。沿面閃絡電壓與絕緣子表面接觸特性有較大關系，比氣體或固體介質單獨存在時的擊穿電壓低，因此架空線路的絕緣就取決于絕緣子的閃絡電壓。當絕緣子上發(fā)生閃絡現(xiàn)象時，往往會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

懸式絕緣子實際電位分布：承受最大電壓的是緊靠導線的第一片懸式絕緣子，越往上電壓幅值越小。橫擔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擔過重出現(xiàn)電暈放電或閃絡現(xiàn)象。一旦該絕緣子出現(xiàn)閃絡，將不再承受電壓，所有的電壓就會分配到其余的絕緣子上，加重了其他絕緣子的負擔。

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)生閃絡時，其余的絕緣子片在電壓負荷增加后仍然可以保持良好的絕緣性能，對維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有重要意義。下面進行定量分析。引入下列物理量：

1. 懸式絕緣子放電電壓U0：標準大氣壓條件下的試驗值。
2. 懸式絕緣子實際放電電壓U，計算公式。

1. Um（kv）：系統(tǒng)最高運行電壓。
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：濕閃絡電壓。

懸式絕緣子片數(shù)的選擇有2個重要要求：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滿足，所以式（2）既可用于中性點直接接地系統(tǒng)，也可用于中性點不接地系統(tǒng)。式（2）匯集了眾多電力線路的運作經(jīng)驗，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：

在承受預期的Uex，2時，不應出現(xiàn)電氣閃絡現(xiàn)象。也就是說，挑選絕緣片數(shù)量時應確保其在操作時的沖擊電壓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）計算出所需絕緣子的數(shù)量之后，還需要額外預留幾片作為備用。

5固體在不同電場中的分布情況

（1）固體處于均勻電場中，介質表面與電力線平行。

（2）固體處于極不均勻電場中，且電場強度平行于介質表面的分量比垂直分量大。

（3）固體處于極不均勻電場中，且電場強度垂直于介質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，若加在固體兩端的電壓U=0V，絕緣子一定不會發(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在一定厚度范圍內，電擊穿電壓U擊穿與固體厚度（?）成正比，其電擊穿場強E擊穿=，與固體厚度無關。E擊穿可以反映固體的耐電強度，是衡量固體絕緣水平的重要性能指標。電場由均勻電場畸變?yōu)椴痪鶆螂妶觯刃Ч腆w厚度（?’）降低，沿面放電電壓的降低。

5.2絕緣子在具有強垂直分量電場中的沿面放電

采用套管穿出口為例子，分析了當電場極均勻并且具備顯著垂直分量時沿著介質表面的放電現(xiàn)象。圖2展示了其絕緣構造和電場配置。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度最高，因此電暈放電首先在該區(qū)域發(fā)生。當電壓持續(xù)攀升將導致電暈放電轉變?yōu)樗⑿畏烹?。電壓提升至某一臨界點后，只需外加電壓略有上升，刷形放電的其中一個通道便會迅速向前延伸。這個放電通道不再是直線，而是像一個樹枝狀形式，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，即外加電壓越高，放電通道越長。此時，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)滑閃放電階段的時候，外加電壓只要升高一點，放電通道就會向前延伸很多，此時游離過程就不僅僅是由碰撞游離產生的，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。

產生熱游離的理論基礎解釋如下：由于電場的垂直分量比較大，當發(fā)生游離后，帶電質點要沿著固體介質的表面向導電桿電極發(fā)展，帶電質點在向前運動的過程中，由于受到一個很強的垂直方向力的作用，所以帶電質點在運動過程中會和固體介質發(fā)生強烈的摩擦。電壓越高，垂直分量越大，摩擦力就越大。所以，當電壓升高到一定程度時，就會發(fā)生熱游離。

綜上所述，滑閃放電階段實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，放電通道雖然會急劇地向前延伸，但延伸到一定程度時，外加電壓不夠強，就不再繼續(xù)向前延伸，這時放電通道會熄滅。熄滅后又會從其他地方發(fā)展一個滑閃通道，循環(huán)往復。當施加的電勢足夠大時，滑閃放電通道將持續(xù)伸展，而當該放電通道穿透兩極之間時，便形成了閃絡現(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垂直分量的電場中的分析方法類似，但是由于固體—氣體界面上電場強度的垂直分量很弱，因此不會出現(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沿面閃絡特性是很有害的，在絕緣子設計中應盡可能削弱它[5]。

6絕緣子污染狀態(tài)下的沿面放電機理

如果濕污穢是在潮濕的環(huán)境下產生，就會導致絕緣子表面電導率變大，而這種情況也會使絕緣子的放電性能產生一定程度上的改變。在表面污染并被濕潤情形下，絕緣裝置會經(jīng)歷表面電導的急劇增加以及泄漏電流的激增，這樣會顯著降低其閃絡電壓，有時甚至可能在正常運行電壓下引發(fā)閃絡，往往導致嚴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；大氣中的化學氣體腐蝕等等。這是產生污閃的根本原因。

（2）干區(qū)形成：在高濕度的天氣，當污層被濕潤后，表面電導會增大，加上電壓后表面會流過電流，且電流較大，由于電流的熱效應，所以發(fā)熱明顯。電流局部比較大的地方會把表面烘干。此時，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)域會逐漸擴大，當電壓升高到一定程度時，干燥區(qū)域會形成電弧，沿著絕緣子表面的空氣會被擊穿，形成火花放電或者是電弧放電。隨著溫度升高，干燥區(qū)域進一步擴大，電弧的通道就會向前延伸。

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

7消除懸式絕緣子沿面放電的措施

（1）仿照圖5，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。

此時的沿面閃絡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順著空隙逃逸至媒介表層，并朝向兩端的電極移動，導致電荷在電極周圍積聚，造成電場狀態(tài)由均勻轉變?yōu)椴痪鶆?，進一步導致?lián)舸╇妷旱南陆?。在均勻電場中，應采用均一的、表面不吸潮的材料?/p>

（2）在不均勻電場中，改善電極形狀或采用屏蔽電極。

（3）在強垂直分量的不均勻電場中，在施加交流或沖擊電壓時，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)小的介質或為法蘭涂半導體漆，都可以提高沿面閃絡電壓。

8結語

架空線路對電力工程以及維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行有重要作用，其中高壓線路的絕緣問題較為關鍵。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象，研究了懸式絕緣子氣—固接觸面的優(yōu)化設計。依據(jù)工頻電壓的爬電距離要求與操作過電壓要求，計算出了不同電壓等級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、強垂直分量、弱垂直分量電場中的分布情況，得到了對應的沿面放電特性。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的提高。

參考文獻

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