擊穿電壓測試儀的放電閃絡擊穿現(xiàn)象

沿著固體介質(zhì)表面的氣體發(fā)生放電，稱沿面放電。在電氣設備中，用來固定帶電部分的固體介質(zhì)；如絕緣子，套管等，它們在大多數(shù)情況是處于空氣中，當導體電位超過一定值時，常常在固體介質(zhì)和空氣的交界面上出現(xiàn)放電現(xiàn)象，當其發(fā)展為貫穿性空氣擊穿時，稱沿面閃絡，簡稱閃絡。沿面放電是一種氣體放電現(xiàn)象。由于介質(zhì)表面電壓分布不均，沿面放電電壓比氣體或固體介質(zhì)單獨存在時的擊穿電壓都低，它受表面狀態(tài)、空氣污穢程度，氣候條件等因素影響很大。電力系統(tǒng)中絕緣事故，如輸電線路受雷擊時絕緣子閃絡，大氣污穢的工業(yè)區(qū)的線路或變電站在雨霧天時絕緣子閃絡引起跳閘，都是沿面放電所致。所以了解氣體中沿固體介質(zhì)表面放電現(xiàn)象，掌握其規(guī)律，對絕緣設計與運行都有重要的意義。

中航時代ZJC-50KV擊穿電壓測試儀

一、氣體中沿固體介質(zhì)表面的放電

沿面放電現(xiàn)象與固體介質(zhì)表面的電場分布有很大關(guān)系，依電瓷絕緣結(jié)構(gòu)來分析，固體介質(zhì)處于電極間電場中的形式，有以下三種典型情況：

(1)固體介質(zhì)處于均勻電場中，它與氣體的分界面和電力線的方向平行，如圖1-21(a)。這種情況在工程中少見，但實際絕緣結(jié)構(gòu)中常會遇到介質(zhì)處于稍不均勻電場中的情況，它的放電現(xiàn)象與均勻電場中的情況有很多相似之處。

(2)固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且電場強度垂直于介質(zhì)表面的分量比平行于表面的分量大得多，如圖1-21(b)。套管就屬這種情況。

(3)固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，但在介質(zhì)表面大部分地方(除緊靠電極的很小區(qū)域外)，電場強度平行于表面的分量要比垂直分量大，如圖1-21(c)。支柱絕緣子就屬此種情況。

(一)均勻電場中沿面放電

如圖1-21(a)所示，在平行板均勻電場中放一瓷柱，由于瓷柱表面與電力線平行，瓷柱的存在并未影響極板間的電場分布?？墒欠烹娍偸前l(fā)生在沿瓷柱的表面，且在同樣條件下，沿瓷柱表面的閃絡電壓比純空氣間隙擊穿電壓要低得多，如圖1-22所示。這是因為固體介質(zhì)表面上吸收潮氣而形成水膜，水具有離子電導，離子在電場中沿介質(zhì)表面移動，電極附近

逐漸積聚起電荷，并使介質(zhì)表面電壓分布不均勻，電極附近場強增加，因此沿面閃絡電壓低于純空氣間隙的擊穿電壓。由圖1-22可見，瓷的閃絡電壓曲線比石蠟的為低。這是因為瓷上的水汽吸附得較多之故，但瓷件經(jīng)仔細干燥后，沿面閃絡電壓可以提高，由于表面水膜電阻較大，離子移動積聚電荷導致表面電場畸變的過程相當緩慢，所以閃絡電壓還與作用電壓的變化速度有關(guān)。即在變化較慢的工頻電壓作用下的閃絡電壓，比變化較快的雷電沖走電壓作用下的閃絡電壓要低。

此外，如固體表面電阻分布不均，表面有傷痕，或固體介質(zhì)與電極接觸不緊密，在氣隙中先發(fā)生放電等情況，也都可能成為均勻電場中沿面閃絡電壓降低的原因。

增加氣體壓力也能提高沿面閃絡電壓，但氣體必須干燥，否則壓力增加，氣體的相對濕度也增加，介質(zhì)表面凝聚水滴，沿面電壓分布更不均勻，其半會出現(xiàn)高氣壓下沿面閃絡電壓反而降低的現(xiàn)象。

在均勻電場中，沿面放電現(xiàn)象在實際絕緣結(jié)構(gòu)中較少選到，但人們常用改善電極形狀的方法，使電場接近均勻，從而得到類似均勻電場的規(guī)律。

(二)極不均勻電場具有強垂直分量時的沿面放電

工程上屬于這類放電的絕緣結(jié)構(gòu)很多，它的閃絡電壓比較低，放電時對絕緣的危害也大，因此下面將對這類沿面放電作較詳細討論。以簡單的套管為例來分析其法蘭處沿面放電發(fā)展情況，如圖1-23所示。

在電壓較低時，由于在法蘭附近電場很強，首先在法蘭邊緣處出現(xiàn)電暈，如圖1-23(a)。增加電壓，放電形式轉(zhuǎn)變?yōu)榧毦€狀的光亮火花，火花途徑中電阻值較高，電壓降也大，線狀火花終止于表面上同一距離處，其長度隨外加電壓成比例地伸長，如圖1-23（b）所示。

線狀火花被電場法線分量緊壓在介質(zhì)表面上，形成局部發(fā)熱，當電壓增加而使放電電流 增加時，在火花通道中個別地方的溫度可能升得較高，在一定電壓下，可高到足以引起氣體熱游離的數(shù)值，因此，使通道中帶電質(zhì)點劇增，通道電阻劇降，并使其頭部場強劇增，導致通道迅速增長，放電便轉(zhuǎn)人滑閃效電階段，如圖1-23(c)所示，所以，滑閃放電是以介質(zhì)表面放電通道中發(fā)生了熱游離作為特征的。其火花的長度，是隨外加電壓的增加而迅速增長。當滑閃放電的樹枝狀火花到達另一電極時形成擊穿——閃絡，電源被短路。此后依電源容量之大小，放電可轉(zhuǎn)入火花放電或電弧，由于電動力與放電通道發(fā)熱的上浮力作用，可使火花或電弧離開介質(zhì)表面，拉長熄滅。

流過放電通道中的電流經(jīng)過通道與另一電極間的電容而構(gòu)成通路，如圖1-23(d)。因此，通道中的電流，即帶電質(zhì)點的多少，是隨通道與另一電極間的電容量和電壓變化速度的加大而增加。電容量可用介質(zhì)表面單位面積與另一電極間的電容數(shù)值表示，稱其為表面電容系數(shù)C₀ (F/cm²)。

從實驗中還可看到：若電壓變化快、頻率高，則放電電壓低；如介質(zhì)厚度小、介電系數(shù)大(即C₀也大)，則放電電壓低；介質(zhì)表面電阻大，表面電壓分布不均，則放電電壓亦低。

套管的等值電路可用圖1-24所示的電路表示。R_s是介質(zhì)表面電阻，由于C₀的存在，沿套管表面流過的電流是不等的，越近法蘭處電流越大，單位距離上的壓降也越大，這就使沿套管表面的電場分布更不均勻。

為避免絕緣結(jié)構(gòu)中沿介質(zhì)表面出現(xiàn)滑閃放電，總是需要采取措施把滑閃放電電壓提高到應有的數(shù)值，其出發(fā)點是減小表面電容系數(shù)，調(diào)整表面的電位分布。例如：增加絕緣厚度(加大法蘭處套管的外徑》和采用介電系數(shù)小的介質(zhì)(用瓷—油組合絕緣)；減小表面電阻率ρ_s，其辦法是在靠近法蘭處涂半導體漆或上半導體釉。 

(三)極不均勻電場具有弱垂直分量時的沿面放電

如圖1-21(c)所示。支持絕緣子即屬此情況，此時 電極本身的形狀和布置已經(jīng)使電場很不均勻。因此，上述介質(zhì)表面積聚電荷使電位重新分布所造成的電場畸變，不會顯著降低沿面閃絡電壓。

此外，因電場垂直分量較小，沿表面也沒有較大的電容電流流過，放電過程中不會出現(xiàn)熱游離現(xiàn)象，故無明顯的滑閃放電。圖1-25給出了沿不同材料表面工頻閃絡電壓U_F和極間距離l的關(guān)系，從圖中可知，閃絡電壓和空氣擊穿電壓的差別，比前述兩種電場情況都要小得多。這種情況下，為提高沿面放電電壓，一般從改進電極形狀，以改善電極附近的電場著手。例如，對戶外支柱絕緣子，由于帶有裙邊，在下雨時還可保持一部分干燥的瓷表面和增加電極間瓷表面的泄漏距離，可使閃絡電壓提高。對于 154kV及以上電壓等級的支柱絕緣子，常用幾個單個絕緣子的疊裝而成，由于高度大，所以沿面電壓分布不均。為使閃絡電壓提高，一般常采用均壓環(huán)來提高閃絡電壓。

二、雨淋或污穢時絕緣子的沿面放電

(一)被雨淋表面的沿面放電

絕緣子或其他電氣設備在戶外工作時，其被雨淋的瓷面上會形成一層導電性的水膜，放電電壓下降很大，所以實際上在這樣工作條件下的絕緣子總是具有一些凸出的裙邊。下雨時僅裙邊的外面被弄濕，水流到裙邊的邊緣上，而不會在絕緣子金具之間形成封閉的水膜，這樣，絕緣子總是能有一部分比較干燥的表面，以提高表面閃絡電壓。

被雨淋的絕緣子，其表面放電電壓通常稱濕閃電壓。以單片懸式絕緣子(X-4.5C型)為例，濕閃電壓為45kV，比其干閃電壓75kV幾乎降低一半，如圖1-26所示

現(xiàn)以圖1-27為例說明濕放電的一些特性，盤上面直接被雨淋濕，形成一層較厚的水膜，電導較大；而在盤的下面，只是由于落在下面一個絕緣子上的雨滴所淺濕，受濕程度較小，故元件上電壓大部由盤的下表面承受，放電總是從電場強處開始，亦即在軸桿附近是最可能發(fā)生局部放電的地方，以后，放電即沿B-C發(fā)展，但除這樣一路徑外，放電也可能在空氣隙C-A'及C一C′發(fā)生，其放電途徑的絕緣度決定于絕緣子串的結(jié)構(gòu)特點，放電總是沿放電電壓低的途徑發(fā)生，再向C一A發(fā)展。這說明絕緣子串的濕放電電壓和結(jié)構(gòu)有關(guān)。

雨水的特征(雨量，雨水電導率等)除直接影響到沿淋雨表面放電過程的發(fā)展外，也會使得可以放電的途徑發(fā)生改變：如增加雨水電導，可使其沿盤表面發(fā)生放電。我國對絕緣子試驗的國家標準規(guī)定：淋雨量為每分鐘3mm土10%；水的電阻率ρ_v=10000±5%Ω·cm；雨滴應細小均勻連續(xù)，淋雨角為45°；淋雨試驗應在試品淋雨5min后加壓。

在試驗大氣條件下，淋雨狀外絕緣試驗電壓值按下式確定

式中：U_S0為標準大氣條件下淋雨狀外絕緣試驗電壓(kV)；U_S為試驗大氣條件下淋雨狀外絕緣試驗電壓(kV)；ρ為試驗時的大氣壓力(mmHg)。

水溫的影響已反應在雨水電阻率中，只需對氣壓影響進行校正。

(二)污穢表面的沿面放電

輸變電設備所用的戶外絕緣子，在運行中常受工業(yè)污穢(化工、冶金、水泥等》或自然界鹽、堿、飛塵等污穢的污染；在霧、露、毛毛雨等不利氣侯條件下，絕緣子可能在運行電壓下發(fā)生閃絡，迫使設備跳閘，引起停電事故，由于系統(tǒng)電壓等級不斷提高，污穢閃絡問題更為突出，所以研究絕緣污閃的問題極為重要。

在干燥情況下，絕緣子表面的污穢層電導并不大。但當霧、露、毛毛雨等使污穢層潮濕后，在絕緣子表面就形成了半導電的薄層，污穢層的電導與其厚度及潮溫的情況有關(guān)，在污穢層較厚而又被潮濕的情況下，沿面放電電壓將大大降低(可能降至干閃電壓的10%左右)，故在工作電壓下就可能發(fā)生閃絡。

在研究沿半導電污穢層的放電過程時發(fā)現(xiàn)：如均勻增加在具有一定污穢層的絕緣子上的電壓至一定值時，由于絕緣子上流過較大泄漏電流對污穢層的加熱作用在污穢層偶然變薄或電流密度較大處，首先局部被烘干；結(jié)果在那里發(fā)生局部的電弧性質(zhì)的放電，它可能繼續(xù)發(fā)展成整個絕緣子閃絡，也可能自行熄滅；這決定于外施電壓的大小，絕緣子表面泄漏距離和污穢層電導等因素。絕緣子未發(fā)生局部電弧的部分相當一個電阻，電源電壓加在這電阻與局部電弧串聯(lián)的回路上，因烘干部分增加及熱與電動力的作用都使電弧伸長，達一定長度時電源電壓便不能維持電弧燃燒，故將自動熄滅，實際上隨電弧長度增加時，電阻值同時在減小，故無法定量計算，但由分析可知：

(1)增大與局部電弧串聯(lián)的電阻值，可使電弧在未連至另一極前熄滅。

(2)污層電導越大(R越小)愈危驗，故化工污染是最嚴重的。

(3)除泄漏路徑外，絕緣子直徑對污閃電壓也有影響，其他條件相同時，直徑小的絕緣子污閃電壓高。因為直徑越小，其表電阻越大。

(4)污閃是由熱過程發(fā)展起來的(局部干燥后，出現(xiàn)局部電弧發(fā)展成為整個閃絡)，故通常發(fā)生在工作電壓下，因此，污穢地區(qū)絕緣水平應根據(jù)工作電壓按污閃條件要求選擇

(三)防止污閃的措施

(1)增加絕緣子泄涌距離；增加絕緣子片數(shù)或選用特殊型式的絕緣子(如圖1-28所示)。

(2)合理的清掃周期。

(3)將絕緣子表面涂憎水性的涂料(如有機硅油，地蠟等涂料)，防止水膜連成一片，減小泄漏電流數(shù)值、提高污閃電壓。

(4)采用半導體釉絕緣子。半導體釉的作用是利用半導體層中的電流加熱表面，使釉表面不易受潮，同時使其表面電壓分布較均勻。因污穢在干燥時不會使閃絡電壓劇烈降低，為此采用半導體釉絕緣子。半導體釉的電導約為普通釉的10⁴倍，但在采用半導體釉時，長期通過電流發(fā)熱，容易老化擊穿。為此，可采用瓷表面間斷上釉結(jié)構(gòu)(如圖1-29)。干燥時半導體釉層中電流很小，而在潮濕天氣時傘槽中的污穢吸濕導電、短時通過大泄漏電流可烘干污層，提高污閃電壓，此種結(jié)構(gòu)的絕緣子已在試運行中，。

習 題

1-1  氣體原子的游離需要什么條件？原子的游離和原子的激發(fā)有什么不同？

1-2  SF₆氣體的電離能為15.6eV，要引起碰撞電離時的電子速度至少應為多大(電子質(zhì)量m_e=0.91×10-³⁰kg， 1eV=1.6×10^-19J)？

1-3  什么是自持放電？湯遜理論和流注理論自持放電的條件各是什么？

1-4  湯遜理論與流注理論的主要區(qū)別是什么？它們各自的適用范圍如何？

1-5  不論電場是否均勻，氣隙中的放電達到自持時氣隙就會發(fā)生擊穿，這話對嗎？

1-6  為什么在相同的條件下負棒一正板間隙的擊穿電壓高于正棒一負板間隙的擊穿電壓？

1-7   不均勻電場長空氣間隙的放電過程與短空氣間隙的放電有什么不同？為什么長空氣間隙在工頻下的平均擊穿場強遠比短空氣間隙的??？

1-8   什么是間隙的放電時延？它由哪幾部分組成？與電場的均勻程度有什么關(guān)系？

1-9   什么叫伏秒特性？其形狀與電場形式有何關(guān)系？伏秒特性有什么用途？

    1-10  用避雷器保護變壓器時，伏秒特性曲線應如何配合？請畫出理想的絕緣配合曲線。

1-11  大氣條件對間隙的擊穿電壓有什么影響？為什么會有這些影響？

1-12  提高氣體間隙擊穿電壓的措施有哪些？

1-13  在均勻電場氣隙中放置屏障能提高擊穿電壓嗎？為什么？

1-14  SF₆氣體為什么具有很高的電氣強度？