擊穿電壓測(cè)試儀的放電閃絡(luò)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(shè)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?cè)诖蠖鄶?shù)情況是處于空氣中，當(dāng)導(dǎo)體電位超過一定值時(shí)，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(dāng)其發(fā)展為貫穿性空氣擊穿時(shí)，稱沿面閃絡(luò)，簡(jiǎn)稱閃絡(luò)。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(dú)存在時(shí)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(shí)絕緣子閃絡(luò)，大氣污穢的工業(yè)區(qū)的線路或變電站在雨霧天時(shí)絕緣子閃絡(luò)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(duì)絕緣設(shè)計(jì)與運(yùn)行都有重要的意義。

中航時(shí)代ZJC-50KV擊穿電壓測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)中常會(huì)遇到介質(zhì)處于稍不均勻電場(chǎng)中的情況，它的放電現(xiàn)象與均勻電場(chǎng)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(chǎng)中，且電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)中沿面放電

如圖1-21(a)所示，在平行板均勻電場(chǎng)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(chǎng)分布。可是放電總是發(fā)生在沿瓷柱的表面，且在同樣條件下，沿瓷柱表面的閃絡(luò)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?yàn)楣腆w介質(zhì)表面上吸收潮氣而形成水膜，水具有離子電導(dǎo)，離子在電場(chǎng)中沿介質(zhì)表面移動(dòng)，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(chǎng)強(qiáng)增加，因此沿面閃絡(luò)電壓低于純空氣間隙的擊穿電壓。由圖1-22可見，瓷的閃絡(luò)電壓曲線比石蠟的為低。這是因?yàn)榇缮?/span>的水汽吸附得較多之故，但瓷件經(jīng)仔細(xì)干燥后，沿面閃絡(luò)電壓可以提高，由于表面水膜電阻較大，離子移動(dòng)積聚電荷導(dǎo)致表面電場(chǎng)畸變的過程相當(dāng)緩慢，所以閃絡(luò)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(luò)電壓，比變化較快的雷電沖走電壓作用下的閃絡(luò)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(chǎng)中沿面閃絡(luò)電壓降低的原因。

增加氣體壓力也能提高沿面閃絡(luò)電壓，但氣體必須干燥，否則壓力增加，氣體的相對(duì)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(huì)出現(xiàn)高氣壓下沿面閃絡(luò)電壓反而降低的現(xiàn)象。

在均勻電場(chǎng)中，沿面放電現(xiàn)象在實(shí)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(chǎng)接近均勻，從而得到類似均勻電場(chǎng)的規(guī)律。

(二)極不均勻電場(chǎng)具有強(qiáng)垂直分量時(shí)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(luò)電壓比較低，放電時(shí)對(duì)絕緣的危害也大，因此下面將對(duì)這類沿面放電作較詳細(xì)討論。以簡(jiǎn)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(shí)，由于在法蘭附近電場(chǎng)很強(qiáng)，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?xì)線狀的光亮火花，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(zhǎng)度隨外加電壓成比例地伸長(zhǎng)，如圖1-23（b）所示。

線狀火花被電場(chǎng)法線分量緊壓在介質(zhì)表面上，形成局部發(fā)熱，當(dāng)電壓增加而使放電電流 增加時(shí)，在火花通道中個(gè)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(diǎn)劇增，通道電阻劇降，并使其頭部場(chǎng)強(qiáng)劇增，導(dǎo)致通道迅速增長(zhǎng)，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(zhǎng)度，是隨外加電壓的增加而迅速增長(zhǎng)。當(dāng)滑閃放電的樹枝狀火花到達(dá)另一電極時(shí)形成擊穿——閃絡(luò)，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(dòng)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(zhǎng)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(chǎng)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(yīng)有的數(shù)值，其出發(fā)點(diǎn)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(dǎo)體漆或上半導(dǎo)體釉。 

(三)極不均勻電場(chǎng)具有弱垂直分量時(shí)的沿面放電

如圖1-21(c)所示。支持絕緣子即屬此情況，此時(shí) 電極本身的形狀和布置已經(jīng)使電場(chǎng)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(chǎng)畸變，不會(huì)顯著降低沿面閃絡(luò)電壓。

此外，因電場(chǎng)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(huì)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(luò)電壓U_F和極間距離l的關(guān)系，從圖中可知，閃絡(luò)電壓和空氣擊穿電壓的差別，比前述兩種電場(chǎng)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(jìn)電極形狀，以改善電極附近的電場(chǎng)著手。例如，對(duì)戶外支柱絕緣子，由于帶有裙邊，在下雨時(shí)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(luò)電壓提高。對(duì)于 154kV及以上電壓等級(jí)的支柱絕緣子，常用幾個(gè)單個(gè)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(luò)電壓提高，一般常采用均壓環(huán)來提高閃絡(luò)電壓。

二、雨淋或污穢時(shí)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(shè)備在戶外工作時(shí)，其被雨淋的瓷面上會(huì)形成一層導(dǎo)電性的水膜，放電電壓下降很大，所以實(shí)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(shí)僅裙邊的外面被弄濕，水流到裙邊的邊緣上，而不會(huì)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(luò)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(dǎo)較大；而在盤的下面，只是由于落在下面一個(gè)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(chǎng)強(qiáng)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(diǎn)，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(dǎo)率等)除直接影響到沿淋雨表面放電過程的發(fā)展外，也會(huì)使得可以放電的途徑發(fā)生改變：如增加雨水電導(dǎo)，可使其沿盤表面發(fā)生放電。我國(guó)對(duì)絕緣子試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)細(xì)小均勻連續(xù)，淋雨角為45°；淋雨試驗(yàn)應(yīng)在試品淋雨5min后加壓。

在試驗(yàn)大氣條件下，淋雨?duì)钔饨^緣試驗(yàn)電壓值按下式確定

式中：U_S0為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下淋雨?duì)钔饨^緣試驗(yàn)電壓(kV)；U_S為試驗(yàn)大氣條件下淋雨?duì)钔饨^緣試驗(yàn)電壓(kV)；ρ為試驗(yàn)時(shí)的大氣壓力(mmHg)。

水溫的影響已反應(yīng)在雨水電阻率中，只需對(duì)氣壓影響進(jìn)行校正。

(二)污穢表面的沿面放電

輸變電設(shè)備所用的戶外絕緣子，在運(yùn)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(yùn)行電壓下發(fā)生閃絡(luò)，迫使設(shè)備跳閘，引起停電事故，由于系統(tǒng)電壓等級(jí)不斷提高，污穢閃絡(luò)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(dǎo)并不大。但當(dāng)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(dǎo)電的薄層，污穢層的電導(dǎo)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(luò)。

在研究沿半導(dǎo)電污穢層的放電過程時(shí)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(shí)，由于絕緣子上流過較大泄漏電流對(duì)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(gè)絕緣子閃絡(luò)，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(dǎo)等因素。絕緣子未發(fā)生局部電弧的部分相當(dāng)一個(gè)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(dòng)力的作用都使電弧伸長(zhǎng)，達(dá)一定長(zhǎng)度時(shí)電源電壓便不能維持電弧燃燒，故將自動(dòng)熄滅，實(shí)際上隨電弧長(zhǎng)度增加時(shí)，電阻值同時(shí)在減小，故無法定量計(jì)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(dǎo)越大(R越小)愈危驗(yàn)，故化工污染是最嚴(yán)重的。

(3)除泄漏路徑外，絕緣子直徑對(duì)污閃電壓也有影響，其他條件相同時(shí)，直徑小的絕緣子污閃電壓高。因?yàn)橹睆皆叫?，其表電阻越大?/span>

(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(gè)閃絡(luò))，故通常發(fā)生在工作電壓下，因此，污穢地區(qū)絕緣水平應(yīng)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(jī)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(dǎo)體釉絕緣子。半導(dǎo)體釉的作用是利用半導(dǎo)體層中的電流加熱表面，使釉表面不易受潮，同時(shí)使其表面電壓分布較均勻。因污穢在干燥時(shí)不會(huì)使閃絡(luò)電壓劇烈降低，為此采用半導(dǎo)體釉絕緣子。半導(dǎo)體釉的電導(dǎo)約為普通釉的10⁴倍，但在采用半導(dǎo)體釉時(shí)，長(zhǎng)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(shí)半導(dǎo)體釉層中電流很小，而在潮濕天氣時(shí)傘槽中的污穢吸濕導(dǎo)電、短時(shí)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(yùn)行中，。

習(xí) 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(shí)的電子速度至少應(yīng)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(chǎng)是否均勻，氣隙中的放電達(dá)到自持時(shí)氣隙就會(huì)發(fā)生擊穿，這話對(duì)嗎？

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

1-7   不均勻電場(chǎng)長(zhǎng)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(zhǎng)空氣間隙在工頻下的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)遠(yuǎn)比短空氣間隙的??？

1-8   什么是間隙的放電時(shí)延？它由哪幾部分組成？與電場(chǎng)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(chǎng)形式有何關(guān)系？伏秒特性有什么用途？

    1-10  用避雷器保護(hù)變壓器時(shí)，伏秒特性曲線應(yīng)如何配合？請(qǐng)畫出理想的絕緣配合曲線。

1-11  大氣條件對(duì)間隙的擊穿電壓有什么影響？為什么會(huì)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(chǎng)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(qiáng)度？