气体中的沿面放电(川大)

1、华北电力大学华北电力大学高电压绝缘技术王胜辉华北电力大学华北电力大学 电气与电子工程学院电气与电子工程学院高压教研室高压教研室 20122012年年2 2月月第三章 气体中的沿面放电和高压绝缘子绝缘子的性能要求和材料绝缘子的性能要求和材料一、绝缘子的分类一、绝缘子的分类l绝缘子的作用：绝缘子的作用：在电气上起到绝缘而在机械上起到连接或支在电气上起到绝缘而在机械上起到连接或支撑作用的外绝缘部件。撑作用的外绝缘部件。1.绝缘子：绝缘子：用作导电体和接地体之间的绝缘和固定连接，如用作导电体和接地体之间的绝缘和固定连接，如隔离开关安装触头的支绝缘子等。隔离开关安装触头的支绝缘子等。2.瓷套：瓷套：用作

2、电器内绝缘的容器，如电流互感器、断路器的用作电器内绝缘的容器，如电流互感器、断路器的瓷套等。瓷套等。3.套管：套管：用作导电体穿过接地隔板、电器外壳和墙壁的绝缘用作导电体穿过接地隔板、电器外壳和墙壁的绝缘部件，如变压器的出线套管、配电装置的穿墙套管等。用电部件，如变压器的出线套管、配电装置的穿墙套管等。用电瓷作为主要绝缘的称瓷套管，另外还有充油套管、电容套管瓷作为主要绝缘的称瓷套管，另外还有充油套管、电容套管等等,它们的外绝缘都采用瓷套。它们的外绝缘都采用瓷套。绝缘子绝缘子电流互感器电流互感器断路器断路器800kV变压器套管和穿墙套管变压器套管和穿墙套管三个基本要求：三个基本要求：1. 有足够

3、的电绝缘强有足够的电绝缘强度度;2. 能承受一定的外力能承受一定的外力机械负荷机械负荷;3. 能经受不利的环境能经受不利的环境和大气条件的变化。和大气条件的变化。二、绝缘子的电气性能和机械强度二、绝缘子的电气性能和机械强度(一一)绝缘子的电气性能绝缘子的电气性能 绝缘子的电气性能通常用连通两电极的沿绝缘体外部空气的绝缘子的电气性能通常用连通两电极的沿绝缘体外部空气的放电电压放电电压闪络电压来衡量。闪络电压来衡量。1.干闪络电压：清洁、干燥绝缘子的闪络电压，它是户内绝缘子干闪络电压：清洁、干燥绝缘子的闪络电压，它是户内绝缘子的主要性能。干闪络电压还区分为的主要性能。干闪络电压还区分为:工频干闪电

4、压、操作冲击干工频干闪电压、操作冲击干闪电压和雷电冲击干闪电压。闪电压和雷电冲击干闪电压。2. 湿闪络电压：洁净的绝缘子在淋雨情况下的闪络电压，它是户湿闪络电压：洁净的绝缘子在淋雨情况下的闪络电压，它是户外绝缘子的主要性能。外绝缘子的主要性能。3. 污秽闪络电压：表面脏污的绝缘子在受潮情况下的闪络电压污秽闪络电压：表面脏污的绝缘子在受潮情况下的闪络电压.(二二)绝缘子的机械性能绝缘子的机械性能1. 拉伸负荷拉伸负荷2. 弯曲负荷弯曲负荷3. 扭转负荷扭转负荷(三三)绝缘子的冷热性能绝缘子的冷热性能(四四)绝缘子的老化性能绝缘子的老化性能(一一) 绝缘件绝缘件1. 电瓷：电瓷是无机电瓷：电瓷是无

5、机绝缘材料，由石英、绝缘材料，由石英、长石和粘土作原料焙长石和粘土作原料焙烧而成，能耐受不利烧而成，能耐受不利的大气环境和酸碱污的大气环境和酸碱污秽等的长期作用而不秽等的长期作用而不受侵蚀，抗老化性好受侵蚀，抗老化性好,且具有足够的电气和且具有足够的电气和机械强度。机械强度。三、绝缘子的材料三、绝缘子的材料 瓷是一种脆性材料，它的抗压强度比抗拉强度瓷是一种脆性材料，它的抗压强度比抗拉强度大得多。大得多。2. 玻璃：输电线路采用悬式盘形钢化玻璃绝缘子还有一个优玻璃：输电线路采用悬式盘形钢化玻璃绝缘子还有一个优点，损坏后点，损坏后“自爆自爆”的特性。的特性。3. 复合绝缘材料：硅橡胶，具有良好的憎

6、水性和憎水复合绝缘材料：硅橡胶，具有良好的憎水性和憎水迁移性迁移性(二二)金属附件金属附件 绝缘子的金属附件主要是由铸铁和钢制成，对一绝缘子的金属附件主要是由铸铁和钢制成，对一些要通过大电流的产品，为了减少附件的涡流损耗，些要通过大电流的产品，为了减少附件的涡流损耗，也有用硅铝合金做附件的。附件结构对绝缘子机械强也有用硅铝合金做附件的。附件结构对绝缘子机械强度的影响很大。度的影响很大。 导电材料：如套管所用导杆一般均采用铜杆或铜导电材料：如套管所用导杆一般均采用铜杆或铜管，有些穿墙套管也采用铝导体。管，有些穿墙套管也采用铝导体。 (三三)胶合剂胶合剂 胶合剂是将瓷件和附件胶合连接的材料。最常用

7、胶合剂是将瓷件和附件胶合连接的材料。最常用的是的是500号硅酸盐水泥。号硅酸盐水泥。气体中沿固体介质表面的放电气体中沿固体介质表面的放电l沿面放电：沿面放电：绝缘子和空气的交界面上出现放电现象。绝缘子和空气的交界面上出现放电现象。l闪络：闪络：沿面放电发展成贯穿性的空气击穿。沿面放电发展成贯穿性的空气击穿。l沿面放电的三种典型的电场沿面放电的三种典型的电场 沿面放电和固体介质表面的电场分布有很大关系。沿面放电和固体介质表面的电场分布有很大关系。1）均匀电场：）均匀电场：2）强垂直分量电场：）强垂直分量电场：固体介质处于极不均匀电场中，且电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

8、量场强度垂直于介质表面的分量(以下简称垂直分量以下简称垂直分量)要比平行要比平行于表面的分量大得多，套管就属于这种情况。于表面的分量大得多，套管就属于这种情况。3）弱垂直分量电场：）弱垂直分量电场：固体介质处于极不均匀电场中，但在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介质表面大部分地方（除紧靠电极的很小区域外)，电场强，电场强度平行于表面的分量要比垂直分量大。支柱绝缘子就属于这度平行于表面的分量要比垂直分量大。支柱绝缘子就属于这种情况。种情况。 其中其中2和和3可概括为电力线与介质面斜交。可概括为电力线与介质面斜交。l特点：特点：放电总是发生在瓷柱表面，且同

9、样条件下，沿瓷放电总是发生在瓷柱表面，且同样条件下，沿瓷柱表面的闪络电压比纯空气间隙的击穿电压要低得多。柱表面的闪络电压比纯空气间隙的击穿电压要低得多。l原因分析：原因分析：若固体介质和电极表面没有完全密合，则两者间将存在气若固体介质和电极表面没有完全密合，则两者间将存在气隙。隙。由于空气的介电常数比固体介质低，气隙中场强将比平由于空气的介电常数比固体介质低，气隙中场强将比平均场强大很多，因此这里将发生均场强大很多，因此这里将发生局部放电局部放电。放电产生的带电。放电产生的带电质点从气隙中逸出，到达介质表面后质点从气隙中逸出，到达介质表面后畸变了原有电场畸变了原有电场，从而，从而降低沿面闪络电

10、压。降低沿面闪络电压。 基于这一原因，所以在实际绝缘结构中应保证电极基于这一原因，所以在实际绝缘结构中应保证电极和介质紧密结合。和介质紧密结合。一均匀电场中的沿面放电一均匀电场中的沿面放电一均匀电场中的沿面放电一均匀电场中的沿面放电2. 介质表面吸附水分形成水膜。介质表面吸附水分形成水膜。水膜具有离子电导，离子水膜具有离子电导，离子在电场中沿介质表面移动，电极附近逐渐积聚起电荷，使在电场中沿介质表面移动，电极附近逐渐积聚起电荷，使介质表面电压分布不均匀，电极附近场强增加，因此沿面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。闪络电压低于纯空气间隙的击穿电压

11、。一均匀电场中的沿面放电一均匀电场中的沿面放电3.介质表面电阻不均匀和介质表面有伤痕裂纹，也都会畸介质表面电阻不均匀和介质表面有伤痕裂纹，也都会畸变电场分布，使闪络电压降低。变电场分布，使闪络电压降低。 和空气间隙一样，增加气体压力也能提高沿面闪络电和空气间隙一样，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，气体的相对湿度也压。但气体必须干燥，否则压力增加，气体的相对湿度也增加，增加，介质表面凝聚水滴，介质表面凝聚水滴，沿面电压分布更不均匀，甚至沿面电压分布更不均匀，甚至出现高气压下沿面闪络电压反而降低的异常现象。出现高气压下沿面闪络电压反而降低的异常现象。l气压对沿面放电

12、电压的影响：气压对沿面放电电压的影响：（一）基本过程（一）基本过程1.电晕放电。电晕放电。 电子崩式的电晕放电阶段电子崩式的电晕放电阶段2.细线状的辉光放电：到某一电压后，形成了由许多伸向另细线状的辉光放电：到某一电压后，形成了由许多伸向另一电极的平行细火花线条组成的光带。放电细线的长度随着一电极的平行细火花线条组成的光带。放电细线的长度随着电压正比增加，特点是放电通道中电流密度较小，压降较大电压正比增加，特点是放电通道中电流密度较小，压降较大,伏安特性具有上升特征。伏安特性具有上升特征。 流注放电阶段流注放电阶段二、极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面放电二、极不均匀电场具有强垂直分量时的沿面

13、放电3.滑闪放电：继续升高电压，当超过某临界值后，放电的性滑闪放电：继续升高电压，当超过某临界值后，放电的性质就发生了变化。个别放电细线开始迅速增长，转变为树枝质就发生了变化。个别放电细线开始迅速增长，转变为树枝状、浅紫色、明亮得多的火花。这些放电火花在法兰的不同状、浅紫色、明亮得多的火花。这些放电火花在法兰的不同位置上交替出现，一处产生后紧贴介质表面向前发展，随即位置上交替出现，一处产生后紧贴介质表面向前发展，随即很快消失，而后又在新的地方产生，这一放电形式称为滑闪很快消失，而后又在新的地方产生，这一放电形式称为滑闪放电。滑闪放电通道中电流密度较大，压降较小，放电。滑闪放电通道中电流密度较大

14、，压降较小，伏安特性伏安特性具有下降特征。具有下降特征。先导放电阶段先导放电阶段4击穿：滑闪放电火花的长度随着外加电压的增加迅速地击穿：滑闪放电火花的长度随着外加电压的增加迅速地增大，因而电压只需增加不多，滑闪放电火花就能达到另一增大，因而电压只需增加不多，滑闪放电火花就能达到另一个电极，形成完全击穿个电极，形成完全击穿(闪络闪络)，使间隙丧失绝缘性能，造成，使间隙丧失绝缘性能，造成电源短路。此后根据电源容量的大小，放电就将转入空气中电源短路。此后根据电源容量的大小，放电就将转入空气中的的火花放电或电弧放电了火花放电或电弧放电了。（一）基本过程（一）基本过程1）在放电的开始阶段）在放电的开始阶

15、段,细线通道内因碰撞电离存在着大量带电质细线通道内因碰撞电离存在着大量带电质点。点。2）由于电场除具有切向分量外，还具有较大的垂直分量，在电场）由于电场除具有切向分量外，还具有较大的垂直分量，在电场垂直分量的作用下，带电质点不断撞击介质表面，垂直分量的作用下，带电质点不断撞击介质表面，引起局部温度引起局部温度增高。增高。3）随着电压增加，沿着放电通道流过的带电质点增多）随着电压增加，沿着放电通道流过的带电质点增多,介质表面介质表面局部温度也就升得更高。局部温度也就升得更高。在一定电压下，此处温度可高达足以引在一定电压下，此处温度可高达足以引起气体热电离的数值起气体热电离的数值，因此通道中带电质

16、点数目就将剧增、电阻，因此通道中带电质点数目就将剧增、电阻剧降，通道头部场强也将剧增，导致通道迅速增长，放电就转入剧降，通道头部场强也将剧增，导致通道迅速增长，放电就转入滑闪放电阶段了。滑闪放电阶段了。 所以，所以，滑闪放电是以介质表面通道中发生了热电离作为特征滑闪放电是以介质表面通道中发生了热电离作为特征的。的。滑闪放电的机理分析滑闪放电的机理分析电压与滑闪放电的长度长度的关系电压与滑闪放电的长度长度的关系单纯增加沿面的距离来提高闪络电压效果不好。单纯增加沿面的距离来提高闪络电压效果不好。玻璃壁的厚度对滑闪放电的长度有较大的影响玻璃壁的厚度对滑闪放电的长度有较大的影响(二二)等值回路及分析等

17、值回路及分析介质表面单位面积（介质表面单位面积（1平方厘米）的电容即比电容为：平方厘米）的电容即比电容为： rvs1r2r上三式中上三式中 介质的相对介电常数；介质的相对介电常数； 介质的体积电阻率，介质的体积电阻率，cm; 介质的表面电阻率，介质的表面电阻率， ； 介质圆柱的内、外半径，介质圆柱的内、外半径，cm。01122149 10lnrCrrr 2F/cm(3 1)2211lnvGrrr2S/ cm(32)ssR(33)(二二)等值回路及分析等值回路及分析 如果介质厚度与半径相比很小，则式（如果介质厚度与半径相比很小，则式（3-1）、（）、（3-2）可以简化为平板电极间电容和电导的计算

18、公式：可以简化为平板电极间电容和电导的计算公式：d介质厚度，介质厚度，cm。 F/m F/m1290118.854 1049 10 01149 10rCd 2F/cm(35)1vGd2S/ cm(36)(二二)等值回路及分析等值回路及分析 根据图根据图3-12的等值电路，可写出下列方程的等值电路，可写出下列方程 其中其中0()sd IGj CUdxdUR Idx222d UUdx 0()sR Gj C解上述微分方程，并考虑到边界条件（见图解上述微分方程，并考虑到边界条件（见图3-13）00,0 xU Ux l U0()()xshl xUUsh ldUchl xEUdxsh l介质表面电压介质表

19、面电压介质表面场强介质表面场强(二二)等值回路及分析等值回路及分析(二二)等值回路及分析等值回路及分析 由图可知，沿介质表面的电压分布极不均匀，紧靠法兰由图可知，沿介质表面的电压分布极不均匀，紧靠法兰处电场强度最大。随着电压升高，首先在此处发生局部放电处电场强度最大。随着电压升高，首先在此处发生局部放电。法兰。法兰(x=0)处电场强度为：处电场强度为：00()Ecth l U(3 12) 当当E0达到产生电晕放电达到产生电晕放电(或细线状辉光，或滑闪放电或细线状辉光，或滑闪放电)的的场强时，此时的外加电压：场强时，此时的外加电压：00th lUE(3 13)即为电晕放电即为电晕放电(或细线状辉

20、光放电，或滑闪放电）的起始电压。或细线状辉光放电，或滑闪放电）的起始电压。 工频电压下，介质的体积电导工频电压下，介质的体积电导 故故通常通常 足够长，足够长， ，因而，因而(3-13)式可简化为式可简化为0,GC0sj C1th ll000sEUC(3 14)(二二)等值回路及分析等值回路及分析电压变化快，频率高，电压变化快，频率高，大，放电电压低大，放电电压低;介质厚度介质厚度d小，相对介电常数小，相对介电常数r大，即比电容大，即比电容C0大，放电电大，放电电 压低；压低；介质表面电阻率介质表面电阻率s大，表面电压分布不均匀，放电电压低大，表面电压分布不均匀，放电电压低; 这些结论与实验结

21、果一致。这些结论与实验结果一致。(二二)等值回路及分析等值回路及分析改善沿面电压分布，提高起始放电电压的方法改善沿面电压分布，提高起始放电电压的方法减小比电容减小比电容C0 ，如增加绝缘厚度，如增加绝缘厚度d(加大法兰处套管的外径加大法兰处套管的外径)和采用介电常数小的介质和采用介电常数小的介质(如用瓷如用瓷油组合绝缘，见第八章油组合绝缘，见第八章);减小表面电阻率减小表面电阻率s ，如在靠近法兰处涂半导体漆或上半导体，如在靠近法兰处涂半导体漆或上半导体釉。这些方法在套管中都得到了应用。釉。这些方法在套管中都得到了应用。直流直流没有明显的滑闪放电的现象没有明显的滑闪放电的现象 原因是通过介质体积电导的电流很小，体积分原因是通过介质体积电导的电流很小，体积分流对表面电压分布的影响极小。所以在有强垂直分流对表面电压分布的影响极小。所以在有强垂直分量的极不均匀电场中，直流电压下介质表面的电压量的极不均匀电场中，直流电压下介质表面的电压分布和交流下相比要均匀些，放电通道中的电流也分布和交流下相比要均匀些，放电通道中的电流也小，因此没有明显的滑闪放电现象，沿面闪络电压小，因此没有明显的滑闪放电现象，沿面闪络电压也比较高。也比较高。（1）