击穿电压测试仪的放电闪络击穿现象

击穿电压测试仪的放电闪络击穿现象

沿着固体介质表面的气体发生放电，称沿面放电。在电气设备中，用来固定带电部分的固体介质；如绝缘子，套管等，它们在大多数情况是处于空气中，当导体电位超过一定值时，常常在固体介质和空气的交界面上出现放电现象，当其发展为贯穿性空气击穿时，称沿面闪络，简称闪络。沿面放电是一种气体放电现象。由于介质表面电压分布不均，沿面放电电压比气体或固体介质单独存在时的击穿电压都低，它受表面状态、空气污秽程度，气候条件等因素影响很大。电力系统中绝缘事故，如输电线路受雷击时绝缘子闪络，大气污秽的工业区的线路或变电站在雨雾天时绝缘子闪络引起跳闸，都是沿面放电所致。所以了解气体中沿固体介质表面放电现象，掌握其规律，对绝缘设计与运行都有重要的意义。

中航时代ZJC-50KV击穿电压测试仪

一、气体中沿固体介质表面的放电

沿面放电现象与固体介质表面的电场分布有很大关系，依电瓷绝缘结构来分析，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，它与气体的分界面和电力线的方向平行，如图1-21(a)。这种情况在工程中少见，但实际绝缘结构中常会遇到介质处于稍不均匀电场中的情况，它的放电现象与均匀电场中的情况有很多相似之处。

(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比平行于表面的分量大得多，如图1-21(b)。套管就属这种情况。

(3)固体介质处于极不均匀电场中，但在介质表面大部分地方(除紧靠电极的很小区域外)，电场强度平行于表面的分量要比垂直分量大，如图1-21(c)。支柱绝缘子就属此种情况。

(一)均匀电场中沿面放电

如图1-21(a)所示，在平行板均匀电场中放一瓷柱，由于瓷柱表面与电力线平行，瓷柱的存在并未影响极板间的电场分布。可是放电总是发生在沿瓷柱的表面，且在同样条件下，沿瓷柱表面的闪络电压比纯空气间隙击穿电压要低得多，如图1-22所示。这是因为固体介质表面上吸收潮气而形成水膜，水具有离子电导，离子在电场中沿介质表面移动，电极附近

逐渐积聚起电荷，并使介质表面电压分布不均匀，电极附近场强增加，因此沿面闪络电压低于纯空气间隙的击穿电压。由图1-22可见，瓷的闪络电压曲线比石蜡的为低。这是因为瓷上的水汽吸附得较多之故，但瓷件经仔细干燥后，沿面闪络电压可以提高，由于表面水膜电阻较大，离子移动积聚电荷导致表面电场畸变的过程相当缓慢，所以闪络电压还与作用电压的变化速度有关。即在变化较慢的工频电压作用下的闪络电压，比变化较快的雷电冲走电压作用下的闪络电压要低。

此外，如固体表面电阻分布不均，表面有伤痕，或固体介质与电极接触不紧密，在气隙中先发生放电等情况，也都可能成为均匀电场中沿面闪络电压降低的原因。

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，其半会出现高气压下沿面闪络电压反而降低的现象。

在均匀电场中，沿面放电现象在实际绝缘结构中较少选到，但人们常用改善电极形状的方法，使电场接近均匀，从而得到类似均匀电场的规律。

(二)极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电

工程上属于这类放电的绝缘结构很多，它的闪络电压比较低，放电时对绝缘的危害也大，因此下面将对这类沿面放电作较详细讨论。以简单的套管为例来分析其法兰处沿面放电发展情况，如图1-23所示。

在电压较低时，由于在法兰附近电场很强，首先在法兰边缘处出现电晕，如图1-23(a)。增加电压，放电形式转变为细线状的光亮火花，火花途径中电阻值较高，电压降也大，线状火花终止于表面上同一距离处，其长度随外加电压成比例地伸长，如图1-23（b）所示。

线状火花被电场法线分量紧压在介质表面上，形成局部发热，当电压增加而使放电电流 增加时，在火花通道中个别地方的温度可能升得较高，在一定电压下，可高到足以引起气体热游离的数值，因此，使通道中带电质点剧增，通道电阻剧降，并使其头部场强剧增，导致通道迅速增长，放电便转人滑闪效电阶段，如图1-23(c)所示，所以，滑闪放电是以介质表面放电通道中发生了热游离作为特征的。其火花的长度，是随外加电压的增加而迅速增长。当滑闪放电的树枝状火花到达另一电极时形成击穿——闪络，电源被短路。此后依电源容量之大小，放电可转入火花放电或电弧，由于电动力与放电通道发热的上浮力作用，可使火花或电弧离开介质表面，拉长熄灭。

流过放电通道中的电流经过通道与另一电极间的电容而构成通路，如图1-23(d)。因此，通道中的电流，即带电质点的多少，是随通道与另一电极间的电容量和电压变化速度的加大而增加。电容量可用介质表面单位面积与另一电极间的电容数值表示，称其为表面电容系数C₀ (F/cm²)。

从实验中还可看到：若电压变化快、频率高，则放电电压低；如介质厚度小、介电系数大(即C₀也大)，则放电电压低；介质表面电阻大，表面电压分布不均，则放电电压亦低。

套管的等值电路可用图1-24所示的电路表示。R_s是介质表面电阻，由于C₀的存在，沿套管表面流过的电流是不等的，越近法兰处电流越大，单位距离上的压降也越大，这就使沿套管表面的电场分布更不均匀。

为避免绝缘结构中沿介质表面出现滑闪放电，总是需要采取措施把滑闪放电电压提高到应有的数值，其出发点是减小表面电容系数，调整表面的电位分布。例如：增加绝缘厚度(加大法兰处套管的外径》和采用介电系数小的介质(用瓷—油组合绝缘)；减小表面电阻率ρ_s，其办法是在靠近法兰处涂半导体漆或上半导体釉。 

(三)极不均匀电场具有弱垂直分量时的沿面放电

如图1-21(c)所示。支持绝缘子即属此情况，此时 电极本身的形状和布置已经使电场很不均匀。因此，上述介质表面积聚电荷使电位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，因电场垂直分量较小，沿表面也没有较大的电容电流流过，放电过程中不会出现热游离现象，故无明显的滑闪放电。图1-25给出了沿不同材料表面工频闪络电压U_F和极间距离l的关系，从图中可知，闪络电压和空气击穿电压的差别，比前述两种电场情况都要小得多。这种情况下，为提高沿面放电电压，一般从改进电极形状，以改善电极附近的电场着手。例如，对户外支柱绝缘子，由于带有裙边，在下雨时还可保持一部分干燥的瓷表面和增加电极间瓷表面的泄漏距离，可使闪络电压提高。对于 154kV及以上电压等级的支柱绝缘子，常用几个单个绝缘子的叠装而成，由于高度大，所以沿面电压分布不均。为使闪络电压提高，一般常采用均压环来提高闪络电压。

二、雨淋或污秽时绝缘子的沿面放电

(一)被雨淋表面的沿面放电

绝缘子或其他电气设备在户外工作时，其被雨淋的瓷面上会形成一层导电性的水膜，放电电压下降很大，所以实际上在这样工作条件下的绝缘子总是具有一些凸出的裙边。下雨时仅裙边的外面被弄湿，水流到裙边的边缘上，而不会在绝缘子金具之间形成封闭的水膜，这样，绝缘子总是能有一部分比较干燥的表面，以提高表面闪络电压。

被雨淋的绝缘子，其表面放电电压通常称湿闪电压。以单片悬式绝缘子(X-4.5C型)为例，湿闪电压为45kV，比其干闪电压75kV几乎降低一半，如图1-26所示

现以图1-27为例说明湿放电的一些特性，盘上面直接被雨淋湿，形成一层较厚的水膜，电导较大；而在盘的下面，只是由于落在下面一个绝缘子上的雨滴所浅湿，受湿程度较小，故元件上电压大部由盘的下表面承受，放电总是从电场强处开始，亦即在轴杆附近是最可能发生局部放电的地方，以后，放电即沿B-C发展，但除这样一路径外，放电也可能在空气隙C-A'及C一C′发生，其放电途径的绝缘度决定于绝缘子串的结构特点，放电总是沿放电电压低的途径发生，再向C一A发展。这说明绝缘子串的湿放电电压和结构有关。

雨水的特征(雨量，雨水电导率等)除直接影响到沿淋雨表面放电过程的发展外，也会使得可以放电的途径发生改变：如增加雨水电导，可使其沿盘表面发生放电。我国对绝缘子试验的国家标准规定：淋雨量为每分钟3mm土10%；水的电阻率ρ_v=10000±5%Ω·cm；雨滴应细小均匀连续，淋雨角为45°；淋雨试验应在试品淋雨5min后加压。

在试验大气条件下，淋雨状外绝缘试验电压值按下式确定

式中：U_S0为标准大气条件下淋雨状外绝缘试验电压(kV)；U_S为试验大气条件下淋雨状外绝缘试验电压(kV)；ρ为试验时的大气压力(mmHg)。

水温的影响已反应在雨水电阻率中，只需对气压影响进行校正。

(二)污秽表面的沿面放电

输变电设备所用的户外绝缘子，在运行中常受工业污秽(化工、冶金、水泥等》或自然界盐、碱、飞尘等污秽的污染；在雾、露、毛毛雨等不利气侯条件下，绝缘子可能在运行电压下发生闪络，迫使设备跳闸，引起停电事故，由于系统电压等级不断提高，污秽闪络问题更为突出，所以研究绝缘污闪的问题极为重要。

在干燥情况下，绝缘子表面的污秽层电导并不大。但当雾、露、毛毛雨等使污秽层潮湿后，在绝缘子表面就形成了半导电的薄层，污秽层的电导与其厚度及潮温的情况有关，在污秽层较厚而又被潮湿的情况下，沿面放电电压将大大降低(可能降至干闪电压的10%左右)，故在工作电压下就可能发生闪络。

在研究沿半导电污秽层的放电过程时发现：如均匀增加在具有一定污秽层的绝缘子上的电压至一定值时，由于绝缘子上流过较大泄漏电流对污秽层的加热作用在污秽层偶然变薄或电流密度较大处，首先局部被烘干；结果在那里发生局部的电弧性质的放电，它可能继续发展成整个绝缘子闪络，也可能自行熄灭；这决定于外施电压的大小，绝缘子表面泄漏距离和污秽层电导等因素。绝缘子未发生局部电弧的部分相当一个电阻，电源电压加在这电阻与局部电弧串联的回路上，因烘干部分增加及热与电动力的作用都使电弧伸长，达一定长度时电源电压便不能维持电弧燃烧，故将自动熄灭，实际上随电弧长度增加时，电阻值同时在减小，故无法定量计算，但由分析可知：

(1)增大与局部电弧串联的电阻值，可使电弧在未连至另一极前熄灭。

(2)污层电导越大(R越小)愈危验，故化工污染是最严重的。

(3)除泄漏路径外，绝缘子直径对污闪电压也有影响，其他条件相同时，直径小的绝缘子污闪电压高。因为直径越小，其表电阻越大。

(4)污闪是由热过程发展起来的(局部干燥后，出现局部电弧发展成为整个闪络)，故通常发生在工作电压下，因此，污秽地区绝缘水平应根据工作电压按污闪条件要求选择

(三)防止污闪的措施

(1)增加绝缘子泄涌距离；增加绝缘子片数或选用特殊型式的绝缘子(如图1-28所示)。

(2)合理的清扫周期。

(3)将绝缘子表面涂憎水性的涂料(如有机硅油，地蜡等涂料)，防止水膜连成一片，减小泄漏电流数值、提高污闪电压。

(4)采用半导体釉绝缘子。半导体釉的作用是利用半导体层中的电流加热表面，使釉表面不易受潮，同时使其表面电压分布较均匀。因污秽在干燥时不会使闪络电压剧烈降低，为此采用半导体釉绝缘子。半导体釉的电导约为普通釉的10⁴倍，但在采用半导体釉时，长期通过电流发热，容易老化击穿。为此，可采用瓷表面间断上釉结构(如图1-29)。干燥时半导体釉层中电流很小，而在潮湿天气时伞槽中的污秽吸湿导电、短时通过大泄漏电流可烘干污层，提高污闪电压，此种结构的绝缘子已在试运行中，。

习 题

1-1  气体原子的游离需要什么条件？原子的游离和原子的激发有什么不同？

1-2  SF₆气体的电离能为15.6eV，要引起碰撞电离时的电子速度至少应为多大(电子质量m_e=0.91×10-³⁰kg， 1eV=1.6×10^-19J)？

1-3  什么是自持放电？汤逊理论和流注理论自持放电的条件各是什么？

1-4  汤逊理论与流注理论的主要区别是什么？它们各自的适用范围如何？

1-5  不论电场是否均匀，气隙中的放电达到自持时气隙就会发生击穿，这话对吗？

1-6  为什么在相同的条件下负棒一正板间隙的击穿电压高于正棒一负板间隙的击穿电压？

1-7   不均匀电场长空气间隙的放电过程与短空气间隙的放电有什么不同？为什么长空气间隙在工频下的平均击穿场强远比短空气间隙的小？

1-8   什么是间隙的放电时延？它由哪几部分组成？与电场的均匀程度有什么关系？

1-9   什么叫伏秒特性？其形状与电场形式有何关系？伏秒特性有什么用途？

    1-10  用避雷器保护变压器时，伏秒特性曲线应如何配合？请画出理想的绝缘配合曲线。

1-11  大气条件对间隙的击穿电压有什么影响？为什么会有这些影响？

1-12  提高气体间隙击穿电压的措施有哪些？

1-13  在均匀电场气隙中放置屏障能提高击穿电压吗？为什么？

1-14  SF₆气体为什么具有很高的电气强度？