高壓輸電線路運行中絕緣子非雷擊閃絡問題的探討

陳彥

摘要：在分析沿面放電及沿面閃絡產生機理的基礎上，對非雷擊閃絡如濕閃、污閃及合成絕緣子鳥糞閃絡和不明原因閃絡進行詳細分析，并提出改進的措施。特別是對合成絕緣子鳥糞閃絡及不明原因的閃絡進行了深入研究，提出了不同于以往的觀點。最后，強調對高壓輸電線路絕緣子閃絡課題研究的重要性和迫切性。

關鍵詞：沿面放電；閃絡；絕緣子；措施

實驗及實際運行表明：固體介質表面的閃絡電壓不但要比固體介質本身的擊穿電壓低得多，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。可見一個絕緣子裝置的實際耐壓能力并不是取決于固體部分的擊穿電壓，而取決于它的沿面閃絡電壓，所以后者在確定輸電線路和變電所外絕緣的絕緣水平時起決定性作用。

1、沿面放電與沿面閃絡

沿面放電是一種特殊的放電現象，它是沿著固體介質表面發展的氣體放電現象。沿面放電通常是指固體表面比較干凈時的情況。沿面放電有可能發展為跨接兩極的閃絡，沿著污染面發展的閃絡（簡稱污閃）。

高壓線路中的絕緣子所處的電場屬于及不均勻電場，它產生閃絡的機理如下：當所加電壓還不高時，首先出現電暈放電。隨著外加電壓的升高，放電區逐漸變成由許多平行的火花細線組成的光帶，火花細線的長度隨電壓的升高而增大，但此時放電通道中的電流密度還不大、壓降較大，伏安特性仍具有上升的特征，所以仍屬于輝光放電的范疇。輝光放電時的火花細線中因碰撞而存在大量帶電粒子，它們在很強的電場垂直分量 的作用下，將緊貼著固體介質表面運動，從而使某些地方發生局部的溫度升高。當電壓增大到足以使局部溫升引起氣體分子的熱電離時，火花通道內的帶電粒子數劇增、電阻驟降、亮度大增，火花通道頭部的電場強度變得很大，火花通道迅速向前延伸，于是就產生了滑閃放電，它以分子的熱電離作為特征，只發生在具有強垂直分量的極不均勻電場的情況下。當滑閃放電火花中的一支短接了兩個電極，即出現沿面閃絡。

2、幾種主要的絕緣子非雷擊閃絡

絕緣子的材料不同其干閃電壓也不同，它的干閃電壓可以由試驗的方法測得。但輸電線路和變電所中所用的絕緣子大多數在戶外運行，因而其表面在運行中會受到雨、露水、霧、雪、風等的侵襲和大氣中污穢物質的污染，其結果是沿面放電電壓顯著降低。因而，研究它在各種特殊條件下的閃絡電壓有更重要的意義。

2.1濕閃

濕閃是指潔凈的瓷面被雨水淋濕時的沿面放電，相應的電壓稱為濕閃電壓。由于絕緣子設計時都配備了若干個傘裙，因而棒型支柱絕緣子除了最上面的一個傘裙的上表面會全部淋濕外，下面各傘裙的上表面都只有一部分被淋濕，而且全部傘裙的下表面及瓷柱也不會被雨水直接淋濕，只可能有少量的回濺雨水。可見絕緣子表面上的水膜大都是不均勻和不連續的。有水膜覆蓋的表面電導大，無水膜處的表面電導小，絕大部分外加電壓將由干表面來承受。絕緣子在雨下有三種可能的閃絡途徑：（1）沿著濕表面和干表面發展；（2）沿著濕表面和空氣間隙發展；（3）沿著濕表面和水流發展。

在第一種情況下，被工業區的雨水（其電導率約0.01S/m）淋濕的絕緣子的濕閃電壓只有干閃電壓的40%～50%，如果雨水電導率更大，濕閃電壓還會降得更低。在第二中情況下，空氣間隙中只有分散的雨滴，氣隙的擊穿電壓降低的不多，雨水的電導率也沒多大影響，絕緣子的濕閃電壓也不會降低地太多。在第三種情況下，傘裙間的氣隙被連續的水流所短接，濕閃電壓將降到很低的數值，不過這種情況只出現在傾盆大雨時。在設計絕緣子時，為了保證它們有較高的濕閃電壓，對各級電壓的絕緣子應有的傘裙數、傘的傾傘裙直徑、傘裙伸出長度與傘裙間氣隙長度比均應仔細考慮、合理選擇。

2.2污閃

線路和變電所的外絕緣在運行中除了要受到電氣應力和機械應力外，還會受到環境應力的作用，其中包括雨、露、霜、雪、霧、風等氣候條件和工業粉塵、廢氣、自然鹽堿、灰塵、鳥糞等污穢物的污染。絕緣子表面濕污層的存在使閃絡電壓顯著降低，此時的沿面閃絡電壓稱為污閃電壓。統計表明：污閃的次數雖然不象雷擊閃絡那樣多，但它造成的后果卻要嚴重得多；并且電力系統外絕緣的污閃事故，隨著環境條件的惡化和輸電電壓的提高而不斷加劇。因而防止電力系統中發生污閃事故已成為十分重要的課題。

2.2.1污閃產生的機理

污染絕緣子表面的污層在干燥狀態下一般不導電，但在遇到毛毛雨、霧、露等不利天氣時，污層將被水分所濕潤，電導大增，在工作電壓下的泄漏電流大增。電流所產生的焦耳熱，既可能使污層的電導增大，又可能使水分蒸發、污層變干而減少電導。由于干區的電阻比其余濕污層的電阻大得多，因此整個絕緣子上的電壓幾乎都集中到干區上，一般干區的寬度不大，所以電場強度很大。如果電場強度已足夠引起表面空氣的碰撞電離，局部開始出現電暈放電或輝光放電，由于此時泄漏電流較大，電暈或輝光放電很容易直接轉變為有明亮通道的電弧，不過這時的電弧只存在于絕緣子的局部表面。隨后弧足支撐處的污層被很快烘干，這意味著干區擴大，電弧被拉長，若此時電壓尚不足以維持電弧的燃燒，電弧即熄滅。再加上交流電每周波兩次過零的特性，更促使電弧呈現“熄滅—重燃”或“延伸—收縮”的交替變化。一旦局部電弧達到某一臨界長度時，弧道溫度已經很高，弧道的進一步伸長就不再需要更高的電壓，而是自動延伸直至貫通兩極，完成沿面閃絡。

絕緣子的污閃是一個復雜的過程，通常可分為積污、受潮、干區形成、局部電弧的出現和發展等四個階段，采取措施抑制或阻止其中任一階段的發展和完成，就能防止污閃事故的發生。

2.2.2污閃事故的對策

（一）增大泄漏距離

由于污閃是污染絕緣子表面上局部電弧逐步延伸的結果，在一定電壓下，能夠維持的局部電弧長度是有限的。所以一般只要遵循規定的爬電比距值來選擇絕緣子串的總爬電距離和片數，按理說就能保證必要的運行可靠性。但，如果電力系統在實際運行中出現不應有的污閃事故，應即重新復核污穢等級，在必要時應增大泄漏距離，加強絕緣。

（二）定期或不定期的清掃

清掃的方法有：停電后采用干布擦拭；采用高壓噴水槍進行沖刷，可以停電進行，也可以帶電沖洗；采用特殊的設計方法使絕緣子表面形狀具有較好的“自清洗性能”。

（三）涂料

采用涂料就是在絕緣子表面涂上一層憎水性材料，使落在絕緣子表面的水分不會形成連續水膜而以孤立的水珠形式出現。這時污層電導不大、泄漏電流很小，不易形成逐步延伸的局部電弧，亦即不會出現污閃。目前用得較多的憎水性涂料為硅油或硅脂，效果好，但價格昂貴，有效期不長，往往僅用于變電所中。近年采用的室溫硫化硅橡膠涂料比較理想。

（四）采用半導體釉絕緣子

這種絕緣子的釉層有一定的導電性，因而一直有一個比普通絕緣子表面泄漏電流為大的表面電導電流通過，使絕緣子表面溫度略高于周圍環境溫度，因而污層不易吸潮，積污也會較少。此外，釉層電導還能緩解干區電場集中現象，使干區不易出現局部電弧，電壓沿整個絕緣子串的分布也會變得比較均勻一些。

（五）采用新型合成絕緣子

與普通絕緣子相比較，新型合成絕緣子具有如下優點：重量輕，從而可大大節省運輸、安裝、運行檢修等方面的工作量和費用；抗拉、抗彎、耐沖擊負荷等機械性能好；電氣絕緣性能好，特別是在嚴重污染和大氣潮濕的情況下的絕緣性能十分優異；耐電弧性能也很好。隨著材料與工藝的進展，這種絕緣子必將獲得越來越多的應用。

2.3 合成絕緣子鳥糞閃絡與不明原因閃絡

鳥糞閃絡事故是指由棲息在桿塔上的鳥的排泄物引起的閃絡事故，據統計到1998年為止，全國的合成絕緣子事故中雷擊閃絡事故占47%，不明閃絡事故占24%，而已確認的鳥糞閃絡事故就占16%，大大高于合成絕緣子污閃所占5%的比例。鳥糞閃絡是一種突發性事件，閃絡前沒有任何征兆，閃絡時也極少有人見，只能事后進行判斷。由于以往一直認為鳥糞閃絡是由鳥糞落在絕緣子表面而引起的沿面閃絡事故，因此鳥糞痕跡的存在一直作為判斷是否為鳥糞閃絡的重要依據。但通過試驗研究發現：鳥糞閃絡并不是或主要不是以前直觀認為的由于鳥糞淌落在絕緣子表面導致的沿面污穢閃絡。

2.3.1鳥糞閃絡過程與閃絡機理

鳥糞閃絡的發展過程可以分為以下3個階段：

（1）鳥糞通道的形成和伸長。鳥糞排出以后，以自由落體的方式下落，形成一段細長的下落體。

（2）絕緣子周圍電場發生嚴重畸變。具有一定導電性的鳥糞通道的介入使絕緣子周圍的電場分布發生嚴重畸變，鳥糞通道的前端與絕緣子高壓端之間的空氣間隙的電場強度大大增加。絕緣子承受的大部分電壓都加在了這一段空氣間隙上。

（3）空氣間隙擊穿，完成閃絡。當鳥糞通道的前端越來越接近絕緣子高壓端時，它們之間的空氣間隙承受不了所加的電壓，間隙被擊穿，形成局部電弧。當鳥糞的電導率超過一定值時，局部電弧最終導致絕緣子閃絡。

鳥糞閃絡的機理可以認為是鳥糞下落的瞬間畸變了絕緣子周圍的電場分布，使鳥糞通道與絕緣子高壓端之間發生了空氣間隙擊穿而導致的閃絡。

2.3.2鳥糞閃絡事故預防措施的討論

以往的防鳥糞措施大致可分為2類，一類是防止或減少鳥在絕緣子上方的停留，第二類是防止鳥糞沿傘裙下淌。從本文所揭示的鳥糞閃絡的機理來看，第二類防鳥糞措施的作用要打很大的折扣。從鳥糞閃絡的機理來看，采用均壓環增加了鳥糞閃絡的可能性。從綜合考慮引弧與鳥糞閃絡的角度看，對110kV和220kV絕緣子采用招弧角似乎是一個可以兩者兼顧的措施。如果將招弧角裝在鳥糞不容易下落的方向，就更能減少鳥糞閃絡的概率。而均壓環對金具的屏蔽作用，可以用大曲率半徑的金具來實現。若繼續采用均壓環，則在安裝防鳥裝置覆蓋范圍時，應該把均壓環的尺寸也考慮在內。這些設想還有待于運行的檢驗。

3.3鳥糞閃絡與不明原因閃絡的關系

不明原因閃絡事故即未查明原因的閃絡事故。從對鳥糞閃絡的分析來看，相當多的鳥糞閃絡由于鳥糞量不大、事故后的鳥糞痕跡不明顯或根本就沒有鳥糞痕跡，也就是說有相當一部分不明原因閃絡實際上很可能就是鳥糞閃絡，只是由于沒有習慣上認為應該存在的鳥糞痕跡而被劃為不明原因閃絡事故。實際上不明原因閃絡事故與鳥糞閃絡事故有許多共同的特點。如兩者都是以110kV和220kV電壓等級為主，兩者都以半夜到凌晨，尤其是凌晨這段時間發生率最高，并且閃絡后都能重合成功，檢查不出絕緣子性能下降，無法再現運行電壓下的閃絡等。

3、總結

隨著電力系統規模的不斷擴大、對供電可靠性的要求越來越高，以及環境污染的加重，防止電力系統中發生閃絡事故的發生已成為十分重要的課題。由于各種閃絡的原因各不相同，并且往往是一個十分復雜的過程，有關這方面的技術還不成熟，不完善，這已成為電力發展的一大障礙。所以，今后在絕緣子閃絡問題上的研究還要更深入。

參考文獻：

[1]王春杰，祝令瑜，等.高壓輸電線路和變電站雷電防護的現狀與發展[J].電瓷避雷器，2010（3）.

[2]萬敏.淺析500kV高壓輸電線路雷電干擾成因及措施[J].城市建設理論研究，2012（3）.

[3]溫亮.輸電線路雷電防護新技術的應用[J].陜西煤炭，2012（5）.