高压输电线路运行中绝缘子非雷击闪络问题的探讨

陈彦

摘要：在分析沿面放电及沿面闪络产生机理的基础上，对非雷击闪络如湿闪、污闪及合成绝缘子鸟粪闪络和不明原因闪络进行详细分析，并提出改进的措施。特别是对合成绝缘子鸟粪闪络及不明原因的闪络进行了深入研究，提出了不同于以往的观点。最后，强调对高压输电线路绝缘子闪络课题研究的重要性和迫切性。

关键词：沿面放电；闪络；绝缘子；措施

实验及实际运行表明：固体介质表面的闪络电压不但要比固体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见一个绝缘子装置的实际耐压能力并不是取决于固体部分的击穿电压，而取决于它的沿面闪络电压，所以后者在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时起决定性作用。

1、沿面放电与沿面闪络

沿面放电是一种特殊的放电现象，它是沿着固体介质表面发展的气体放电现象。沿面放电通常是指固体表面比较干净时的情况。沿面放电有可能发展为跨接两极的闪络，沿着污染面发展的闪络（简称污闪）。

高压线路中的绝缘子所处的电场属于及不均匀电场，它产生闪络的机理如下：当所加电压还不高时，首先出现电晕放电。随着外加电压的升高，放电区逐渐变成由许多平行的火花细线组成的光带，火花细线的长度随电压的升高而增大，但此时放电通道中的电流密度还不大、压降较大，伏安特性仍具有上升的特征，所以仍属于辉光放电的范畴。辉光放电时的火花细线中因碰撞而存在大量带电粒子，它们在很强的电场垂直分量 的作用下，将紧贴着固体介质表面运动，从而使某些地方发生局部的温度升高。当电压增大到足以使局部温升引起气体分子的热电离时，火花通道内的带电粒子数剧增、电阻骤降、亮度大增，火花通道头部的电场强度变得很大，火花通道迅速向前延伸，于是就产生了滑闪放电，它以分子的热电离作为特征，只发生在具有强垂直分量的极不均匀电场的情况下。当滑闪放电火花中的一支短接了两个电极，即出现沿面闪络。

2、几种主要的绝缘子非雷击闪络

绝缘子的材料不同其干闪电压也不同，它的干闪电压可以由试驗的方法测得。但输电线路和变电所中所用的绝缘子大多数在户外运行，因而其表面在运行中会受到雨、露水、雾、雪、风等的侵袭和大气中污秽物质的污染，其结果是沿面放电电压显著降低。因而，研究它在各种特殊条件下的闪络电压有更重要的意义。

2.1湿闪

湿闪是指洁净的瓷面被雨水淋湿时的沿面放电，相应的电压称为湿闪电压。由于绝缘子设计时都配备了若干个伞裙，因而棒型支柱绝缘子除了最上面的一个伞裙的上表面会全部淋湿外，下面各伞裙的上表面都只有一部分被淋湿，而且全部伞裙的下表面及瓷柱也不会被雨水直接淋湿，只可能有少量的回溅雨水。可见绝缘子表面上的水膜大都是不均匀和不连续的。有水膜覆盖的表面电导大，无水膜处的表面电导小，绝大部分外加电压将由干表面来承受。绝缘子在雨下有三种可能的闪络途径：（1）沿着湿表面和干表面发展；（2）沿着湿表面和空气间隙发展；（3）沿着湿表面和水流发展。

在第一种情况下，被工业区的雨水（其电导率约0.01S/m）淋湿的绝缘子的湿闪电压只有干闪电压的40%～50%，如果雨水电导率更大，湿闪电压还会降得更低。在第二中情况下，空气间隙中只有分散的雨滴，气隙的击穿电压降低的不多，雨水的电导率也没多大影响，绝缘子的湿闪电压也不会降低地太多。在第三种情况下，伞裙间的气隙被连续的水流所短接，湿闪电压将降到很低的数值，不过这种情况只出现在倾盆大雨时。在设计绝缘子时，为了保证它们有较高的湿闪电压，对各级电压的绝缘子应有的伞裙数、伞的倾伞裙直径、伞裙伸出长度与伞裙间气隙长度比均应仔细考虑、合理选择。

2.2污闪

线路和变电所的外绝缘在运行中除了要受到电气应力和机械应力外，还会受到环境应力的作用，其中包括雨、露、霜、雪、雾、风等气候条件和工业粉尘、废气、自然盐碱、灰尘、鸟粪等污秽物的污染。绝缘子表面湿污层的存在使闪络电压显著降低，此时的沿面闪络电压称为污闪电压。统计表明：污闪的次数虽然不象雷击闪络那样多，但它造成的后果却要严重得多；并且电力系统外绝缘的污闪事故，随着环境条件的恶化和输电电压的提高而不断加剧。因而防止电力系统中发生污闪事故已成为十分重要的课题。

2.2.1污闪产生的机理

污染绝缘子表面的污层在干燥状态下一般不导电，但在遇到毛毛雨、雾、露等不利天气时，污层将被水分所湿润，电导大增，在工作电压下的泄漏电流大增。电流所产生的焦耳热，既可能使污层的电导增大，又可能使水分蒸发、污层变干而减少电导。由于干区的电阻比其余湿污层的电阻大得多，因此整个绝缘子上的电压几乎都集中到干区上，一般干区的宽度不大，所以电场强度很大。如果电场强度已足够引起表面空气的碰撞电离，局部开始出现电晕放电或辉光放电，由于此时泄漏电流较大，电晕或辉光放电很容易直接转变为有明亮通道的电弧，不过这时的电弧只存在于绝缘子的局部表面。随后弧足支撑处的污层被很快烘干，这意味着干区扩大，电弧被拉长，若此时电压尚不足以维持电弧的燃烧，电弧即熄灭。再加上交流电每周波两次过零的特性，更促使电弧呈现“熄灭—重燃”或“延伸—收缩”的交替变化。一旦局部电弧达到某一临界长度时，弧道温度已经很高，弧道的进一步伸长就不再需要更高的电压，而是自动延伸直至贯通两极，完成沿面闪络。

绝缘子的污闪是一个复杂的过程，通常可分为积污、受潮、干区形成、局部电弧的出现和发展等四个阶段，采取措施抑制或阻止其中任一阶段的发展和完成，就能防止污闪事故的发生。

2.2.2污闪事故的对策

（一）增大泄漏距离

由于污闪是污染绝缘子表面上局部电弧逐步延伸的结果，在一定电压下，能够维持的局部电弧长度是有限的。所以一般只要遵循规定的爬电比距值来选择绝缘子串的总爬电距离和片数，按理说就能保证必要的运行可靠性。但，如果电力系统在实际运行中出现不应有的污闪事故，应即重新复核污秽等级，在必要时应增大泄漏距离，加强绝缘。

（二）定期或不定期的清扫

清扫的方法有：停电后采用干布擦拭；采用高压喷水枪进行冲刷，可以停电进行，也可以带电冲洗；采用特殊的设计方法使绝缘子表面形状具有较好的“自清洗性能”。

（三）涂料

采用涂料就是在绝缘子表面涂上一层憎水性材料，使落在绝缘子表面的水分不会形成连续水膜而以孤立的水珠形式出现。这时污层电导不大、泄漏电流很小，不易形成逐步延伸的局部电弧，亦即不会出现污闪。目前用得较多的憎水性涂料为硅油或硅脂，效果好，但价格昂贵，有效期不长，往往仅用于变电所中。近年采用的室温硫化硅橡胶涂料比较理想。

（四）采用半导体釉绝缘子

这种绝缘子的釉层有一定的导电性，因而一直有一个比普通绝缘子表面泄漏电流为大的表面电导电流通过，使绝缘子表面温度略高于周围环境温度，因而污层不易吸潮，积污也会较少。此外，釉层电导还能缓解干区电场集中现象，使干区不易出现局部电弧，电压沿整个绝缘子串的分布也会变得比较均匀一些。

（五）采用新型合成绝缘子

与普通绝缘子相比较，新型合成绝缘子具有如下优点：重量轻，从而可大大节省运输、安装、运行检修等方面的工作量和费用；抗拉、抗弯、耐冲击负荷等机械性能好；电气绝缘性能好，特别是在严重污染和大气潮湿的情况下的绝缘性能十分优异；耐电弧性能也很好。随着材料与工艺的进展，这种绝缘子必将获得越来越多的应用。

2.3 合成绝缘子鸟粪闪络与不明原因闪络

鸟粪闪络事故是指由栖息在杆塔上的鸟的排泄物引起的闪络事故，据统计到1998年为止，全国的合成绝缘子事故中雷击闪络事故占47%，不明闪络事故占24%，而已确认的鸟粪闪络事故就占16%，大大高于合成绝缘子污闪所占5%的比例。鸟粪闪络是一种突发性事件，闪络前没有任何征兆，闪络时也极少有人见，只能事后进行判断。由于以往一直认为鸟粪闪络是由鸟粪落在绝缘子表面而引起的沿面闪络事故，因此鸟粪痕迹的存在一直作为判断是否为鸟粪闪络的重要依据。但通过试验研究发现：鸟粪闪络并不是或主要不是以前直观认为的由于鸟粪淌落在绝缘子表面导致的沿面污秽闪络。

2.3.1鸟粪闪络过程与闪络机理

鸟粪闪络的发展过程可以分为以下3个阶段：

（1）鸟粪通道的形成和伸长。鸟粪排出以后，以自由落体的方式下落，形成一段细长的下落体。

（2）绝缘子周围电场发生严重畸变。具有一定导电性的鸟粪通道的介入使绝缘子周围的电场分布发生严重畸变，鸟粪通道的前端与绝缘子高压端之间的空气间隙的电场强度大大增加。绝缘子承受的大部分电压都加在了这一段空气间隙上。

（3）空气间隙击穿，完成闪络。当鸟粪通道的前端越来越接近绝缘子高压端时，它们之间的空气间隙承受不了所加的电压，间隙被击穿，形成局部电弧。当鸟粪的电导率超过一定值时，局部电弧最终导致绝缘子闪络。

鸟粪闪络的机理可以认为是鸟粪下落的瞬间畸变了绝缘子周围的电场分布，使鸟粪通道与绝缘子高压端之间发生了空气间隙击穿而导致的闪络。

2.3.2鸟粪闪络事故预防措施的讨论

以往的防鸟粪措施大致可分为2类，一类是防止或减少鸟在绝缘子上方的停留，第二类是防止鸟粪沿伞裙下淌。从本文所揭示的鸟粪闪络的机理来看，第二类防鸟粪措施的作用要打很大的折扣。从鸟粪闪络的机理来看，采用均压环增加了鸟粪闪络的可能性。从综合考虑引弧与鸟粪闪络的角度看，对110kV和220kV绝缘子采用招弧角似乎是一个可以两者兼顾的措施。如果将招弧角装在鸟粪不容易下落的方向，就更能减少鸟粪闪络的概率。而均压环对金具的屏蔽作用，可以用大曲率半径的金具来实现。若继续采用均压环，则在安装防鸟裝置覆盖范围时，应该把均压环的尺寸也考虑在内。这些设想还有待于运行的检验。

3.3鸟粪闪络与不明原因闪络的关系

不明原因闪络事故即未查明原因的闪络事故。从对鸟粪闪络的分析来看，相当多的鸟粪闪络由于鸟粪量不大、事故后的鸟粪痕迹不明显或根本就没有鸟粪痕迹，也就是说有相当一部分不明原因闪络实际上很可能就是鸟粪闪络，只是由于没有习惯上认为应该存在的鸟粪痕迹而被划为不明原因闪络事故。实际上不明原因闪络事故与鸟粪闪络事故有许多共同的特点。如两者都是以110kV和220kV电压等级为主，两者都以半夜到凌晨，尤其是凌晨这段时间发生率最高，并且闪络后都能重合成功，检查不出绝缘子性能下降，无法再现运行电压下的闪络等。

3、总结

随着电力系统规模的不断扩大、对供电可靠性的要求越来越高，以及环境污染的加重，防止电力系统中发生闪络事故的发生已成为十分重要的课题。由于各种闪络的原因各不相同，并且往往是一个十分复杂的过程，有关这方面的技术还不成熟，不完善，这已成为电力发展的一大障碍。所以，今后在绝缘子闪络问题上的研究还要更深入。

参考文献：

[1]王春杰，祝令瑜，等.高压输电线路和变电站雷电防护的现状与发展[J].电瓷避雷器，2010（3）.

[2]万敏.浅析500kV高压输电线路雷电干扰成因及措施[J].城市建设理论研究，2012（3）.

[3]温亮.输电线路雷电防护新技术的应用[J].陕西煤炭，2012（5）.