解析沿面放电的原因及提高电压方法

电气设备的带电部分总要用固体绝缘材料来支承或悬挂，很多情况下它们是处于空气之中，如输电线路的针式绝缘子、隔离开关的支柱绝缘子、变压器的套管等。当带电体电压超过一定限度时，常常在固体介质和空气的交界面上出现沿固体绝缘表面放电的现象，称为沿面放电。放电发展到整个表面空气层击穿时称为沿面击穿或闪络。沿面放电是一种气体放电现象。由于介质表面电压分布不均匀，沿面放电比没有固体介质时空气间隙的放电电压要低，而且受固体介质表面状态、空气污秽程度、气候条件（雨、雪、雾等）等因素影响很大。电网中的闪络事故，如送电线路受雷击时绝缘子闪络，线路、变电所绝缘子表面污秽在雨雾天气时的闪络引起跳闸，都是沿面放电所致。

沿面放电的发展主要决定于沿表面放电路径的电场分布情况，它直接受到电极形式和表面状态的影响。介质在电场中的典型布置如图1-25所示，图1-25a是固体介质处于均匀电场中，它与气体的分界和电力线的方向平行；图1-25b是固体介质处于有强垂直分量的极不均匀电场中，且电场强度垂直于介质表面的分量（垂直分量）要比平等于表面的分量大得多；图1-25c是固体介质处于有弱垂直分量的极不均匀电场中，在介质表面大部分地方（除紧靠电极的很小区域外），电场强度平行于表面的分量比垂直分量大。下面将分别讨论上述三种情况下的沿面放电及提高沿面放电的方法。

图1-25 介质在电场中的典型布置

a）均匀电场 b）有强垂直分量的极不均匀电场 c）有弱垂直分量的极不均匀电场

1—电极 2—固体介质

1.均匀电场中的沿面放电

固体介质处于均匀电场中时，且其表面与电力线平行，此时沿面放电电压仍低于同一间隙的气体放电电压。这是由于沿固体介质表面电场分布发生变化所致。其原因是：

1）固体介质表面不可能绝对光滑，总有一定程度的粗糙性，使介质表面的微观电场有一定的不均匀，贴近固体介质表面薄层气体中的最大场强比其他部分大。

2）固体介质表面电阻不均匀，表面污秽、有伤痕或裂纹使电场分布变形。

3）固体介质表面吸收潮气而形成水膜，水膜具有离子电导，离子在电场中沿介质表面运动，逐渐在电极附近积聚电荷，使两电极附近空气首先放电从而引起沿面闪络。

4）电极与固体介质接触不紧密有气隙，易发生游离，产生自由电子，使沿面放电电压降低。

2.不均匀电场中的沿面放电

不均匀电场中沿面放电的发展分为下列3个阶段：

1）在电场最强处首先发生电晕放电。

2）随着电压的增加，放电形式的细线状光亮火花，转为滑闪放电。

3）电压再增高，滑闪放电的火花延伸，转入沿面闪络。

图1-26 沿套管表面放电示意图

1—导杆 2—法兰

图1-26所示为沿套管表面放电示意图。当电压较低时，先在电场较强的法兰盘附近出现电晕，增加电压时，电晕转为细线状的火花，电压再增加，火花延伸转为滑闪放电。这时通道中大量离子的存在使通道电阻下降，火花伸长至另一电极，转为沿面闪络。(www.xing528.com)

固体介质表面的电场切线分量引起气体分子游离，垂直分量使离子沿固体介质表面运动时发生摩擦，产生局部高温，在一定电压下，此温度可引起气体强烈的热游离，所以滑闪放电具有热游离的性质。在电场强度有垂直分量的不均匀电场中，沿面闪络电压低于只有切线分量的沿面闪络电压。

流过沿面放电通道中的电流经过固体介质的表面电容构成通路，因此通道中的电流将随表面电容C₀（单位面积上的电容）电压及其变化速率的加大而增加。表面电容的分流作用使得沿表面的电流分布不均匀，如图1-26a所示。而表面电阻是均匀的，故沿介质表面的电压分布不均匀，电容C₀越大、电压越大、电压变化速度越快，则电容电流就越大；分流作用越明显，电压分布越不均匀，沿面闪络电压就越低。

3.提高沿面放电电压的方法

（1）改善电场分布

由上面的分析可知，电场越均匀，其放电电压越高。因此，改善电场分布，使其分布均匀，就可提高沿面闪络电压。其方法如下：

1）应用半导体涂料。图1-26a中，在交流电压作用下，靠近法兰盘处的电流密度最大，该处介质表面的电位梯度也就最大，容易发展沿面放电。如在该处介质表面涂以适当电阻率的半导体涂料以减小该处的表面电位梯度，抑制沿面放电的发展。这种方法被广泛地应用在高压电动机绕组出槽处和电缆接头盒等场合。

2）采用屏蔽。改善电极形状使沿面固体介质表面的电场分布均匀，使其最大电场强度减小，可以提高沿面放电电压，这种方法称为屏蔽。

屏蔽有内屏蔽和外屏蔽两种，外屏蔽示意如图1-27所示，电极A附近的固体介质表面的电场分布是很不均匀的，容易发展沿面放电。如将电极形状改善成电极B所示形状，则沿固体介质表面的电场分布将均匀得多，从而大大提高了沿面闪络电压，这种改善电极的方法称为外屏蔽。高压电网中很多电气设备的出线套管顶端常用的屏蔽罩或屏蔽环等都是外屏蔽原理的具体应用。图1-28所示为内屏蔽示意图，这种内屏蔽的结构也同样可以改善电场的分布，使沿面闪络电压提高。

3）采用均压环。强制固定绝缘表面电位如图1-29所示，在绝缘筒上围以若干个环形电极，这些环形电极分别接到分压器或电源的某些抽头上，强制固定其电位。如果这些电位是均匀分布的，则沿绝缘筒上的电压分布也就大体均匀了。

图1-27 外屏蔽示意图

图1-28 内屏蔽示意图

图1-29 强制固定绝缘表面电位

（2）延长放电途径

延长放电途径可以提高沿面闪络电压。绝缘子沿等位面布置的裙边就是利用这一点。污秽严重区还要通过增加串联绝缘子片数来延长放电途径。

（3）表面处理

对固体介质表面处理是提高污闪的有效措施。一是要定期清扫，保持其清洁；二是涂防尘涂料，即在固体介质表面涂一层增水性的脂状防尘涂料，使尘埃不易形成连续污层，在潮湿气候下，表面凝聚的水滴也不易形成连续水膜，这样表面电阻大，泄漏电流小，放电不易发展，闪络电压就不会显著降低。常用的涂料有：有机硅脂和地蜡涂料等。由于涂料的使用寿命不长，一般约为半年到几年，所以只在严重的污秽区使用。