1、第第3章章 染污绝缘子表面放电机理染污绝缘子表面放电机理 电力系统污秽与覆冰绝缘电力系统污秽与覆冰绝缘本章内容提要本章内容提要 污秽绝缘子沿面放电污秽绝缘子沿面放电 直流污闪条件分析直流污闪条件分析 交流污闪条件分析交流污闪条件分析 污秽绝缘子沿面放电污秽绝缘子沿面放电3.1输电线路和变电站的户外电气设备的绝缘不可避免地遭受工业污秽或自然界盐碱、飞尘、鸟粪等污染。在干燥条件下，污秽尘埃的电阻很高，对绝缘几乎没有影响。污秽闪络，是指外绝缘表面受到固体的、液体的和气体的导电物质的污染，在遇到雾、露、毛毛雨等湿润作用，污层电导增大、泄漏电流增加产生局部电弧，在运行电压下绝缘子表面的局部电弧发展成为电
2、弧闪络。这种闪络的发生不是由于作用电压的升高，而是因为绝缘子表面绝缘能力的降低所致。按所选的系统绝缘水平和空气间隙碰撞游离的放电机理，在运行电压下绝缘子不可能发生闪络事故。但在实际运行中的绝缘子串却一再发生污闪，说明污闪有不同于空气间隙击穿的机理。到目前为止，有关绝缘子表面染污放电机理较为一致的认识是：沿绝缘子湿润污秽表面的闪络现象已不是一种单纯的空气间隙击穿，而是一种与电、热、化学等因素有关的污秽表面气体电离以及局部电弧发生、发展的热动力平衡过程。绝缘子的污闪过程一般受绝缘子表面特性的影响，现有绝缘子的表面状况有两种：憎水性或亲水性。瓷和玻璃绝缘子一般为亲水性表面；复合绝缘子，特别是硅橡胶复
3、合绝缘子表面一般为憎水性。在受潮条件(如雨、薄雾等)下，亲水性表面将完全湿润而形成水膜覆盖在绝缘子上。相比之下，同样的受潮条件，憎水性表面上形成的是多个水珠。亲水性表面和憎水性表面污闪过程有差异。(一一)亲水性表面污闪过程亲水性表面污闪过程绝缘子表面的污秽放电是一个涉及到电、热和化学的错综复杂的变化过程，宏观上亲水性表面发生污闪必须经历积污、潮湿、形成干带并产生局部电弧和局部电弧发展至完全闪络四个阶段。(1)(1)绝缘子表面形成污秽层绝缘子表面形成污秽层污秽湿润或染污绝缘子表面受潮绝缘子的湿润加大了它的表面导电性能，使得通过绝缘子表面的泄漏电流增大，导电薄层发热。发热从正、反二个方面改变表面层
4、的导电性能，即 表面层的烘干将使电导率减小；受表面层中正温度系数电解质的影响，随着温度的升高而使电导率增加。(2)(2)污秽湿润或染污绝缘子表面受潮污秽湿润或染污绝缘子表面受潮绝缘子的湿润加大了它的表面导电性能，使得通过绝缘子表面的泄漏电流增大，导电薄层发热。发热从正、反二个方面改变表面层的导电性能，即 表面层的烘干将使电导率减小；受表面层中正温度系数电解质的影响，随着温度的升高而使电导率增加。(3)(3)形成干燥带并产生局部电弧形成干燥带并产生局部电弧 在潮湿的气象条件下，表面覆有导电污秽层的绝缘子在电压作用下产生泄漏电流。泄漏电流的大小不仅取决于绝缘子脏污的程度及污秽物的成分，而且和污秽物
5、的湿润程度有关。污秽沿绝缘子表面分布通常不均，且沿绝缘子泄漏路径的直径也不同，因此，绝缘子各个区段的泄漏电流密度是不同的，这就使得表面泄漏电流产生的热量对污层的烘干是不均匀的。由于结构形状或其它偶然因素的影响，在电流密度较大或污层电阻较大的局部地区，首先被烘干成干带或干区。绝缘子表面各处的电流密度不同，在悬式绝缘子的钢脚、钢帽附近，或棒形、支柱绝缘子的杆径处，电流密度较大。表面泄漏电流产生的焦耳热效应在几个周波内会使电流密度很大的地方水分蒸发，从而形成所谓的干区(干燥带)。干带的出现将减小甚至中断泄漏电流，在这种情况下作用电压将主要集中在干带上。由于干带比较窄，往往仅仅几厘米宽，导致干带上的空
6、气可能击穿和产生泄漏电流脉冲。附图附图 盘径沿泄漏路径的变化盘径沿泄漏路径的变化(4)(4)局部电弧发展至闪络局部电弧发展至闪络如果绝缘子湿污层的电阻较小(绝缘子污染比较严重，表面又充分受潮，且泄漏距离较小)，会出现较强烈的放电现象，此时跨越干区的放电形式为具有下降型“伏安”特性的电弧放电，放电通道中的温度可增高到热电离的程度，与这种放电形式相对应的泄漏电流脉冲值较大，可达数十或数百毫安。在一定条件下，桥接干区的局部电弧沿绝缘子表面持续发展，其趋势使与电弧串联的剩余污层电阻减小，电流增加，甚至将绝缘子表面桥接，最终导致相对地闪络。A、B区和C区相当于正常运行方式下污秽绝缘子的放电发展过程部分D
7、区和E区将相当于过电压作用下的污秽绝缘子闪络，部分C区和D区相应于内部过电压的作用，E右边的区域相应于大气过电压的作用。(二二)污秽绝缘子污秽绝缘子 的闪络概率与作用电压的闪络概率与作用电压当电压很低时，干燥区的电场强度不足以使空气发生碰撞电离形成局部放电，泄漏电流的建立过程是平稳的，其值一般不超过几百微安。(A)0U(A)0UUAUA当电压稍高时，干燥区的电场强度足以使空气发生碰撞电离并形成局部放电。局部放电的电流将由加在绝缘子上的电压、局部放电和与局部放电串联的绝缘子表面部分两者的总电阻所决定，电流值一般在几个mA以下。这种放电具有上升型“伏安”特性，局部放电的发展将使放电通道的电阻增大，
8、通过的电流减小。放电火花较短(几厘米)且呈蓝紫色，有很多并行途径。热量减少，表面被湿润，这种放电是反复的，对系统没有危害。(B)UAU(B)UAUUBUB若加在绝缘子上的电压相当大时，如果绝缘子湿污层的电阻较小(绝缘子污染比较严重，表面又充分受潮，且泄漏距离较小)，会出现较强烈的放电现象，此时跨越干区的放电形式为具有下降型“伏安”特性的电弧放电，放电通道中的温度可增高到热电离的程度，与这种放电形式相对应的泄漏电流脉冲值较大，可达数十或数百毫安。在一定条件下，桥接干区的局部电弧沿绝缘子表面持续发展，其趋势使与电弧串联的剩余污层电阻减小，电流增加，甚至将绝缘子表面桥接，最终导致相对地闪络。(C)U
9、BU(C)UBUU50%)U50%)当电压大于50%闪络电压(U50%)时，只经过几个工频周期就将发生完全闪络。该电压作用下绝缘子表面层内的热动力平衡过程并没有充分发展，在没有明显地形成干燥区和出现局部电弧的情况下就将发生绝缘子闪络。但是，闪络电压值仍然要比干闪电压低得多，其原因可能是污秽分布的不均匀，使得绝缘子表面各区段的电阻不等，作用电压沿绝缘子表面的分布也就不均匀，促使发生分段依次闪络。(D)U50%U(D)U50%UUDUD当作用电压更高时，表面层的存在实际上不影响放电发展过程，放电发展的需要在时间上是几十至几百s，放电电压接近干闪电压而与绝缘子的结构、外形关系不大。(E)UDU(E)
10、UDU直流污闪条件分析直流污闪条件分析3.2由3.1分析可知，沿绝缘子湿润污秽表面的闪络现象是一种与表面层发热、烘干以及局部电弧产生、发展有关的热动力平衡过程。它与作用电压的大小，绝缘子的表面爬电距离以及污层电导(包括污秽特性质、污秽物沉积量和湿润程度)等有关。将电弧的电导(或电阻)和未被电弧覆盖(即与局部电弧相串联)的湿润污层表面的电导(或电阻)进行比较。从电路原理分析可得到局部电弧发展成为完全闪络的条件。根据德国的奥本诺斯(Obenaus)于1958年提出的污秽放电物理模型，污秽绝缘的放电发展可用平板或圆柱形物理模型来分析。(1)(1)奥本诺斯奥本诺斯(Obenaus)(Obenaus)污
11、闪物理模型污闪物理模型La=(x1+x2)为电弧长度，m；L总爬电距离，m。(2)(2)奥本诺斯奥本诺斯(Obenaus)(Obenaus)污闪数学模型污闪数学模型由物理模型可知，产生局部电弧后，局部电弧电流与外施电压满足以下关系式：ILLrUIxxLrUUanana)()(21U为模型二端电压，kV；Ua为电弧压降，kV；I为通过局部电弧和剩余污层的电流，A；rn为单位长度剩余污层的电阻率，/m。电弧压降由阴极压降、阳极压降和弧柱压降三部分组成。对于长度为几厘米以上的电弧，弧柱中的过程起主要作用，电弧电压主要由弧柱电压降组成，阴极、阳极电压降可以忽略(一般来说，阴极压降为400V左右，阳极压
12、降为700V左右)。因此，根据电弧具有下降型伏安特性的特点，电弧电压近似与电弧长度成正比，可表示为：anaLAIU式中：n是与电弧电流有关的常数，在标准参考大气条件下，当I0.1A时，n=0.60.7；I=0.110A,时，n=0.5；一般来说，临界闪络前的最大泄漏电流或电弧电流I=0.110A；A是与气体性质和气压有关的常数，且与电弧冷却情况有关，在标准参考大气条件下，对于沿湿润表面电离：A=140350V.An/cm。naaaAILUE5.11IAIAIErnaa(3)(3)简化矩形直流污闪条件分析简化矩形直流污闪条件分析 由Obenaus模型可知，湿润污秽绝缘表面产生局部电弧后，其表面总
13、电阻(R)和沿污秽绝缘子表面流过的电流为：)()()(naannaananaarrLRrrLLrLLrLrR)(naanrrLRUI当rarn时，产生局部电弧后沿绝缘子表面流过的电流将小于产生局部电弧前污秽层完全湿润的电流，消耗在表面污秽层上能量减少，烘干的表面开始吸收水分，若局部电弧偶然伸长，则由上式可知，电流更加减小，直到干燥区逐渐受潮，导致局部电弧被旁路或熄灭。当rarn时，局部电弧的产生导致表面电阻减小和局部电弧电流的相应增加。由于电弧的下降型伏安特性，电流的增加将使得电弧单位长度的电阻ra进一步减小，总电阻也就进一步减小，电流进一步上升。由上式)可知，局部电弧的偶然伸长会使绝缘子总电
14、阻进一步减小，沿面电流进一步加大，在rarn的条件下出现电弧燃烧不稳定的状态，它不会妨碍局部电弧的任意伸长。当电弧伸长至整个爬电距离时，绝缘子发生污闪。当ra=rn时，表示临界条件，是一种不稳定的状态。)(naanrrLRUI 因此可以得出污秽绝缘子在受潮时的沿面闪络条件为：沿绝缘子表面流过的泄漏电流应使湿润污秽层发热并形成局部烘干区，烘干区的击穿使绝缘子的表面产生局部小电弧。必须满足rarn的条件，使通过绝缘子表面污秽层的电流不低于能产生闪络通道的极限泄漏电流值，局部电弧才可能沿湿润污秽表面扩展直到发生绝缘子的全面闪络。对于任意形状的绝缘子，污闪过程分析的电路方程均可以按照Obenaus物理
15、模型分析，即其电路表示为：(4)(4)任意绝缘子形状的直流污闪条件分析任意绝缘子形状的直流污闪条件分析 IxRAxIUn)(对于任意形状的绝缘子，分析污闪条件的关键是找出绝缘子产生局部电弧后的剩余污层电阻R(x)的解析式。一般来讲，R(x)与弧根半径r0有关，弧根半径又与局部电弧电流I有关。由Obenaus物理模型可知，与污闪条件相联系的是临界时刻的剩余污层电阻，此时弧根半径仅决定于临界电流。假定电弧发展中，r0不变，其值决定于I，因此R(x)仅是电弧长度x的函数。设弧长x为某一确定值(即假设临闪时刻的电弧长度为x)，则由上式可得：IbIaUn式中：a0且b0。附图附图 维持确定电弧维持确定电
16、弧x x的的U-IU-I特性曲线特性曲线 对于给定的局部电弧长度x，其U-I关系曲线存在一个极小值，因此，由下式可得维持特定弧长为x的电弧所需要的最小电压Un IxRAxIUn)(由电弧方程对电压U求电流I的导数，并解dU/dI=0可得)(11)(11)(11111xRInxRnxAnUxRnxAInnnnnnn由上式可知，对于确定的电弧长度x，In和Un均是弧长x的函数。当x较小时，Un 随x的增加而增加；当x较大时，Un随x的增加而减小，即x存在一个临界值。UnUn与电弧长度的关系曲线与电弧长度的关系曲线 因此，只要弧长达到临界值xc，闪络不可避免。也就是说，电弧发展至xc之后，电弧的发展
17、不稳定，电弧发展速度发生明显变化，这与高速相机拍摄的发电发展过程一致，即(L-xc)的泄漏距离的电弧发展是跃闪过程。对Un求电弧长度x的导数，并解dUn/dx=0可得为任意形状绝缘子临界闪络的条件为cccccccncccdxxdRnxxRxRInUxRAnxI)()()(11)(11任意形状绝缘子临界闪络条件任意形状绝缘子临界闪络条件因此，求取R(x)的解析式则是分析污闪放电过程的关键。这也是污闪放电机理和特性研究的关健问题之一。关于任意绝缘子产生局部电弧后剩余污层电阻的表达式R(x)，国内外一直在进行研究和深入分析。交流污闪条件分析交流污闪条件分析3.3没有对交、直流加以区别。部电弧端部电流
18、线的不均匀分布。没有考虑局部电弧发展过程中的表面层温度和电导率的变化。分析中忽略了交流电压、电流过零的影响，认为在正弦交流的峰值附近，电压的变化比较平缓，后半波峰值附近的电弧状态可以看成是在前半波峰值附近的电弧状态的基础上发展起来的，所以可将峰值附近的电弧过程作为稳态的直流问题来处理。(1)(1)交流电弧重燃熄灭的概念交流电弧重燃熄灭的概念(2)(2)交流污闪中电弧电流的特点交流污闪中电弧电流的特点有的半波中没有电流，即相应半波中电弧没有重燃，不满足重燃条件，不可能实现闪络。每个半波都有电流，说明每个半波中都重燃，能满足重燃条件，但电流幅值逐渐减小，电弧逐渐减弱，后半波的电弧不能恢复到前半波附
19、近的电弧状态，不满足交流电弧恢复条件。不仅满足重燃条件，而且电流幅值逐渐增加，电弧逐渐增强，也满足交流电弧的恢复条件，有可能完成闪络。没有明显的“零休”，交流电弧没有明显的熄弧重燃现象，不存在重燃问题，只要幅值不减小，则满足恢复条件，有可能完成闪络。(3)(3)交流污闪条件交流污闪条件为实现交流污闪，不仅应满足泄漏电流峰值Im达到临界泄漏电流(或者峰值时电弧长度达到临界电弧长度Lc)，而且要求在电弧发展到临界弧长的过程中，始终满足电弧的恢复条件，即要求同时满足：)()(mmmannmamIfUILLrIALU式中：Um、Im表示交流电压、电流峰值，Um=f(Im)为交流电弧的恢复条件，rn(L
20、-La)为剩余污层电阻。从单位长度电弧电导是单位长度电弧中积累的能量的函数出发，并假设交流电流过零后作用在弧隙两端的电压仍按正弦规律变化，则可推导出交流电弧的恢复条件为：式中：N1为过零后单位长度电弧的散失功率，N2为过零前的散失功率；1为过零后电弧的时间常数，2为过零前电弧的时间常数；Im过零前的电弧电流(峰值)；Em为使电弧恢复所必需的作用在单位长度电弧上的电压(峰值)，为角频率。mmINNE212222212212)41)(41(4)(4)交流电弧的恢复条件交流电弧的恢复条件单位长度电弧的恢复电压或恢复电场强度与过零前的电弧电流Im以及过零前、后的电弧参数N、有关。若Im较大，在较低的电
21、场下就可使电弧恢复。电弧参数N、受到电弧电流、气体成分、大气压力、散热条件等多种因素的影响。理论推导很困难，由实测得到的经验数据是：燃炽态的电弧：N=75，=1.0 熄灭态的电弧：N=25，=0.25。燃炽态是指电弧没有明显熄灭、重燃现象，电流过零前后的电弧状态变化不大，其N1=N2=75，1=2=1.0。熄灭态是指电弧存在明显熄灭、重燃现象：过零前的电弧处于燃炽态，过零后的电弧重燃前处于熄灭态，N1=25，N2=75，1=0.25，2=1.0。考虑到光滑圆柱表面随着局部电弧的伸长，沿试品表面的电压分布将趋于均匀。当电弧发展到临界弧长附近时电压分布近似线性，代入试验得到的电弧常数可得交流电弧的恢复条件为：mcmILFU无明显熄弧、重燃时,Fc=531；有明显熄弧、重燃时，Fc=1050
