悬式绝缘子沿面放电现象与解决方案研究
2024-07-17尉宇辛
摘要：首先引入绝缘子沿面放电的物理现象，介绍了电晕与闪络两种沿面放电现象。其次，研究了架空线路中悬式绝缘子的电位分布以及片数选择问题。讨论了沿面放电的外部影响因素、内部机理以及产生闪络的原因。同时，举例分析了绝缘子在不同电场分布情况下，在污损情况下的沿面放电特性。最后，基于全文的分析提出了消除悬式绝缘子沿面放电的可行方案。
关键词：悬式绝缘子法兰沿面放电电晕闪络
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
随着电力行业的进步与发展，高电压乃至超高压输电问题在电力系统中的地位逐日增加，值得引起从业者的高度重视。在电力网络中，大部分的输电问题是基于架空线路展开的。架空线路由导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具组成。悬式绝缘子这类绝缘器件不但为线路结构提供支撑，也是电力传输线路的绝缘保障，其性能好坏直接关系到整体电网的稳定运作。因此，探讨悬式绝缘子沿面放电的问题，对提升电网运作的电压等级和绝缘能力具有至关重要的作用。
1绝缘子简介
安装在不同电位的导体或导体与接地构件之间的能够耐受电压和机械应力作用的器件称为绝缘子。绝缘件和金具共同组成绝缘子，不同的组合方式、材料选择就导致绝缘子种类繁多，结构与外形也有差别。按安装方式不同，可分为悬式绝缘子和支柱绝缘子；按照使用的绝缘材料不同，可分为瓷绝缘子、玻璃绝缘子和复合绝缘子；按照使用电压等级不同，可分为低压绝缘子和高压绝缘子；按照使用的环境条件不同，派生出污秽地区使用的耐污绝缘子；按照耐电击穿能力的不同，又可以区分为不易电穿击的A类和可能电穿击的B类。
绝缘子的核心职能是提供电气隔离与机械稳固，因而设定了各种电气与机械特性的标准。例如：在承受规定的工作电压、雷击造成的电压冲击或设备内部的电压幅值波动时，应保持不被电击穿或产生闪络，金具不应有明显的电晕放电，从而避免干扰无线电和电视信号的传播。在长期或短期承载机械应力时，保证不会出现破裂或损伤。即便长时间在多变的环境中承担机电负荷，也不会出现显著的绝缘性能退化。
2沿面放电现象
沿着多种固态电介质的接合面发生的放电现象，多数情形下，包括气体和液体两类电介质，它们会沿着固态介质的表层进行放电。这种放电现象受接触表面状况或电极的分布影响，固态介质的介入导致气体或液体的放电电压降低。为了界定纯间隙放电与沿面放电，将前者称为间隙击穿，后者称为沿面闪络。在工业生产中，具备高电势的金属构件往往依赖于固态介质的结构支撑，因而沿面放电的问题频繁出现。需要注意的是，在均匀或者非均匀电场中，沿面放电电压下降的原因是不同的。
3影响绝缘子沿面放电的因素
3.1外部因素
造成绝缘子放电的因素有很多，本文选取影响因数较大的几个进行讨论。放电信号一般分为间歇性电弧与连续性电晕，电晕的出现时间早于电弧，随电压幅值的增大，其幅值与频率也相应增大，但幅值仅在小范围内波动。随着电晕现象的持续发生，将产生随机性的电弧现象。
2019年9月，西南交通大学电气工程学院李光耀等人[1]利用人工磨损的方式进行试验，目的是模拟出电力网架长时间被户外风沙侵蚀对悬式绝缘子闪络电压的影响。
2022年1月，天津大学电气自动化与信息工程学院梁虎成等人[2]指出当气体电导率小于绝缘子时，表面电荷主要来源是固体侧电导电流，通过优化绝缘层的涂装和选择合适的环绕气体类型，可以显著提升气—固界面的绝缘效果。
2024年1月，山东省智能电网及装备工程实验室赵云鹏等人[3]对单一风向作用下背风侧积污较多的绝缘子的污闪现象进行了研究，得到的结论：均匀染污的绝缘子闪络路径具有随机性，而不均匀染污绝缘子闪络路径出现在背风侧。与均匀染污相比，不均匀染污的绝缘子闪络前泄漏电流峰值高476mA，即电流变化更大，放电较为剧烈。
同时，复合绝缘子的伞裙与保护套表层会因为部分老化，加之由于均压环构造设计欠妥，导致端部电场强度过强，内绝缘缺陷、表面污染以及湿润等问题，这些因素都可能会使绝缘子在承受工作电压时，其表面长期处于电晕放电中。
3.2内部因素
沿面放电发展成贯穿两极的放电时称为沿面闪络[4]。一旦出现闪络现象，电极电压迅速降低到0电位，闪络通道中的火花或电弧使绝缘表面局部过热造成炭化，损坏表面绝缘。沿面闪络电压与绝缘子表面接触特性有较大关系，比气体或固体介质单独存在时的击穿电压低，因此架空线路的绝缘就取决于绝缘子的闪络电压。当绝缘子上发生闪络现象时，往往会造成线路的接地故障。
4架空线路中的悬式绝缘子
4.1悬式绝缘子电位分布问题
悬式绝缘子实际电位分布：承受最大电压的是紧靠导线的第一片悬式绝缘子，越往上电压幅值越小。横担附近每片绝缘子承受的电压将增大。由于电压在绝缘子上的分布不均匀，所以有可能造成某一片绝缘子负担过重出现电晕放电或闪络现象。一旦该绝缘子出现闪络，将不再承受电压，所有的电压就会分配到其余的绝缘子上，加重了其他绝缘子的负担。
4.2悬式绝缘子片数选择问题
根据4.1可知，选择合适的绝缘子片数可以在部分绝缘子片发生闪络时，其余的绝缘子片在电压负荷增加后仍然可以保持良好的绝缘性能，对维持电力系统的稳定性有重要意义。下面进行定量分析。引入下列物理量：
- 悬式绝缘子放电电压U0：标准大气压条件下的试验值。
- 悬式绝缘子实际放电电压U，计算公式。
- Um（kv）：系统最高运行电压。
- L0（cm）：几何爬电距离；
- Ke：绝缘子爬距离的有效系数，一般取值为1。
- λ（cm）：爬电比距，cm/kV。
- Uex：操作过电压。
- Uw：湿闪络电压。
悬式绝缘子片数的选择有2个重要要求：工频电压的爬电距离要求与操作过电压要求。
工频电压的爬电距离要求：
式（2）中：m为每串绝缘子片数。由于单相接地的条件与形成污闪的条件很难同时满足，所以式（2）既可用于中性点直接接地系统，也可用于中性点不接地系统。式（2）汇集了众多电力线路的运作经验，它也涵盖了含有彻底失去绝缘性能的坏掉绝缘子线路，所以无须增加额外的绝缘子片数作为备用。
操作过电压要求：
在承受预期的Uex，2时，不应出现电气闪络现象。也就是说，挑选绝缘片数量时应确保其在操作时的冲击电压0.5Uw大于Uex，2，即
鉴于电力线路上的绝缘子数量众多，难以迅速识别并替换那些已经失去绝缘功能的无效绝缘子，因此在根据式（3）或式（4）计算出所需绝缘子的数量之后，还需要额外预留几片作为备用。
5固体在不同电场中的分布情况
（1）固体处于均匀电场中，介质表面与电力线平行。
（2）固体处于极不均匀电场中，且电场强度平行于介质表面的分量比垂直分量大。
（3）固体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分量大。
5.1绝缘子在均匀电场中的沿面放电
首先，用极限思想定性分析绝缘子沿面放电问题的本质，若加在固体两端的电压U=0V，绝缘子一定不会发生放电。若加在固体两端的电压U=∞，绝缘子一定发生沿面放电。因此，沿面放电现象是高电压引起的。均匀电场中的固体介质在一定厚度范围内，电击穿电压U击穿与固体厚度（ϭ）成正比，其电击穿场强E击穿=，与固体厚度无关。E击穿可以反映固体的耐电强度，是衡量固体绝缘水平的重要性能指标。电场由均匀电场畸变为不均匀电场，等效固体厚度（ϭ’）降低，沿面放电电压的降低。
5.2绝缘子在具有强垂直分量电场中的沿面放电
采用套管穿出口为例子，分析了当电场极均匀并且具备显著垂直分量时沿着介质表面的放电现象。图2展示了其绝缘构造和电场配置。在法兰边沿，观察到电力线聚集最为紧凑，由此看出，法兰区域的电场应力最大，放电现象也是从这一区域初起的如图3所示。
伴随着电压逐步增大，电场在法兰周围的强度最高，因此电晕放电首先在该区域发生。当电压持续攀升将导致电晕放电转变为刷形放电。电压提升至某一临界点后，只需外加电压略有上升，刷形放电的其中一个通道便会迅速向前延伸。这个放电通道不再是直线，而是像一个树枝状形式，这种放电叫做滑闪放电。其放电示意图如图4所示。
电晕放电和刷形放电的放电通道与外加电压成正相关，即外加电压越高，放电通道越长。此时，游离过程仅取决于外电场，发生的游离过程是碰撞游离，电压越高，场强越大，游离的程度就越大，所以它的放电通道是成比例地向前延伸。但是，出现滑闪放电阶段的时候，外加电压只要升高一点，放电通道就会向前延伸很多，此时游离过程就不仅仅是由碰撞游离产生的，即放电的程度不仅仅取决于外电压，它还有新的游离因素，即热游离。
产生热游离的理论基础解释如下：由于电场的垂直分量比较大，当发生游离后，带电质点要沿着固体介质的表面向导电杆电极发展，带电质点在向前运动的过程中，由于受到一个很强的垂直方向力的作用，所以带电质点在运动过程中会和固体介质发生强烈的摩擦。电压越高，垂直分量越大，摩擦力就越大。所以，当电压升高到一定程度时，就会发生热游离。
综上所述，滑闪放电阶段实际是由碰撞游离和热游离共同组成的。如果外加电压不是很高，放电通道虽然会急剧地向前延伸，但延伸到一定程度时，外加电压不够强，就不再继续向前延伸，这时放电通道会熄灭。熄灭后又会从其他地方发展一个滑闪通道，循环往复。当施加的电势足够大时，滑闪放电通道将持续伸展，而当该放电通道穿透两极之间时，便形成了闪络现象。
5.3绝缘子在具有弱垂直分量电场中的沿面放电
绝缘子在弱垂直分量的电场中沿面放电的分析过程与在强垂直分量的电场中的分析方法类似，但是由于固体—气体界面上电场强度的垂直分量很弱，因此不会出现热电离和滑闪放电。在不均匀电场中，绝缘子表面电场的垂直分量对沿面闪络特性是很有害的，在绝缘子设计中应尽可能削弱它[5]。
6绝缘子污染状态下的沿面放电机理
如果湿污秽是在潮湿的环境下产生，就会导致绝缘子表面电导率变大，而这种情况也会使绝缘子的放电性能产生一定程度上的改变。在表面污染并被湿润情形下，绝缘装置会经历表面电导的急剧增加以及泄漏电流的激增，这样会显著降低其闪络电压，有时甚至可能在正常运行电压下引发闪络，往往导致严重的大范围停电事件。
污闪的形成过程具体叙述如下。
（1）积污：空气中尘埃微粒沉积；起雾、下雨受潮；大气中的化学气体腐蚀等等。这是产生污闪的根本原因。
（2）干区形成：在高湿度的天气，当污层被湿润后，表面电导会增大，加上电压后表面会流过电流，且电流较大，由于电流的热效应，所以发热明显。电流局部比较大的地方会把表面烘干。此时，电压主要由干燥区承受。
（3）局部电弧的形成和发展：外加电压不高的情况下，干燥区在一定的电压下继续发展，干燥区域会逐渐扩大，当电压升高到一定程度时，干燥区域会形成电弧，沿着绝缘子表面的空气会被击穿，形成火花放电或者是电弧放电。随着温度升高，干燥区域进一步扩大，电弧的通道就会向前延伸。
（4）闪络：如果外加电压足够高，干燥区的电弧通道将向两个电极延伸，当电弧通道贯穿两个电极时，就发生了闪络。
7消除悬式绝缘子沿面放电的措施
（1）仿照图5，在均匀电场的平行板电极间插入一块厚度等于间隙长度的固体介质。
此时的沿面闪络电压比纯空气的击穿电压小。原因在于存在于固体媒介与电极之间的空隙，此空隙区域的电场强度极高，因此放电首先从小空隙开始，一旦发生电离，生成的带电粒子便会顺着空隙逃逸至媒介表层，并朝向两端的电极移动，导致电荷在电极周围积聚，造成电场状态由均匀转变为不均匀，进一步导致击穿电压的下降。在均匀电场中，应采用均一的、表面不吸潮的材料。
（2）在不均匀电场中，改善电极形状或采用屏蔽电极。
（3）在强垂直分量的不均匀电场中，在施加交流或冲击电压时，采用电容率小的绝缘材料，或增加其厚度。
（4）加大法兰处套管的外径、采用介电常数小的介质或为法兰涂半导体漆，都可以提高沿面闪络电压。
8结语
架空线路对电力工程以及维持电力系统的稳态运行有重要作用，其中高压线路的绝缘问题较为关键。电网输电过程中，绝缘子沿面放电现象不利于提升高压线路绝缘水平，该现象受多种因素的影响。因此，文中以悬式绝缘子为研究对象，研究了悬式绝缘子气—固接触面的优化设计。依据工频电压的爬电距离要求与操作过电压要求，计算出了不同电压等级杆塔上悬式绝缘子片的数量。通过分析悬式绝缘子在均匀电场、强垂直分量、弱垂直分量电场中的分布情况，得到了对应的沿面放电特性。据此提出了消除悬式绝缘子沿面放电的措施，使高压线路的绝缘与防雷性能有切实的提高。
参考文献
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- 梁虎成，王雨帆，杜伯学，等.表层非线性电导盆式绝缘子表面电荷分布与沿面放电特性[J].中国电机工程学报，2022，42（2）：835-844.
- 赵云鹏，胡玉耀，蒋兴良，等.绝缘子不均匀积污成因及其对交流闪络特性的影响[J].电子测量与仪器学报，2023，37（12）：186-195.
- 李卫东.污秽悬式绝缘子电场分布与沿面放电特性研究[D].吉林：东北电力大学，2022.
- 孙爱民.SF_6电气设备中影响沿面放电的因素分析[J].高压电器，2020（1）：53-61.
