高压输电线上的绝缘子设计原理介绍

2018-09-02  来自: 河间市浩康电气北京赛车 浏览次数:541

绝缘子一般是由固体绝缘材料制成,安装在不同电位的导体之间或导体与接地构件之间,是同时起到电气绝缘和机械支撑作用的器件。现在普遍使用的绝缘子可以按照材料分成三类:陶瓷、玻璃和复合绝缘子。常见的玻璃和陶瓷绝缘子以盘形绝缘子为主,而复合绝缘子则以长棒形为主。在这张照片上能同时看到复合绝缘子(与地面垂直、很细的)和陶瓷绝缘子(与地面平行或成一定夹角,比较粗的那个)。



提到了绝缘子的粗细不均,那就必须得说明一个概念,污闪。

污闪是这样的:绝缘子在正常运行过程中,受工业排放物以及自然扬尘等环境因素的影响,表面会逐渐积累污秽。干燥条件下,污层不会导电,对绝缘强度的影响较小;但在雾、露、毛毛雨、溶雪等天气条件下,污层会逐渐受潮湿润,其中的可溶性电解质成分被水溶解,绝缘子表面形成一层具有一定电导率的水膜,从而开始有泄漏电流流过绝缘子表面。由于绝缘子形状、积污以及受潮的不均匀等因素,使得绝缘子表面电流分布不均匀,在电流焦耳加热作用下,泄漏电流密度大的地方温升高,污层将会首先被烘干而形成干区。由于干区表面电阻率较大,干区形成以后,污层表面的电位分布将会畸变,大部分电压将会施加到干区两端。当干区表面电场强度足够大时,干区表面空气间隙将会被击穿,而出现局部电弧。一定条件下,局部电弧会逐渐发展直至贯穿两极而发生闪络。由这种闪络所造成的事故称为污闪事故。

贴几张污闪的照片,是高压试验大厅做试验的照片,不是在输电线路上拍的(废话)。



此时还没有发生真正的闪络。




发生污闪的绝缘子


仔细看这些图其实不难发现一点,那就是电弧都是沿着绝缘子表面发展的,20 世纪 50 年代,德国学者 Obenaus 大神首先提出污闪的物理模型,认为污闪不同于一般有碰撞电离所引起的气体放电,它是局部电弧沿面逐步延伸的结果。




图中:x为局部电弧长度;L为泄漏距离;HV 表示高压端。当施加电压为U,此电压由两部分承担:一部分是局部电弧的压降,另一部分是剩余污层电阻的压降,可以表示为


而关志成教授则推导出剩余污层电阻的对数表达形式:


其中是污层电导率,是弧根半径。

与过电压不同,污闪事故是在运行电压下发生的,属于典型的绝缘下降问题。那么,当运行电压 U 不变的时候,如何能够让电弧不产生呢?很明显,增大泄漏距离 L 是一个很好的办法,这也就是题主提到的“粗细不均”的原因。在绝缘子长度差不多的情况下,增加这样的“粗细不均”,能够在绝缘子总长度一定的情况下有效增加泄漏距离(在外绝缘领域一般称为爬距),从而降低污闪事故发生的概率。


常用的增加爬距的手段包括增大玻璃、陶瓷绝缘子的盘径,增加下表面的沟槽深度(防污型绝缘子),给电站绝缘子加装增爬裙,增加绝缘子片数,增加复合绝缘子的伞裙数量等。


当然,需要指出的是,过密的伞裙结构是不可取的。比如在下雨情况下,绝缘子伞边会形成水柱,此时伞沿会形成一串的污雨水 - 空气间隙,伞裙过密,剩余空气间隙会很少,也会很容易导致雨污闪事故。


也许有人会问,那如果不搞这些“粗细不均”,只是单纯增加绝缘子长度行不行呢?这个……我个人感觉,似乎从理论上来说是没问题的。可是如果这样做,会有什么结果呢?很显然的一点,杆塔必须加高加高再加高,否则几百 kV 的高压输电线就要耷拉到地上了。而杆塔加高又会带来成本大幅上升甚至耐雷水平的问题。


最后说一点题外话,在绝缘子的设计和选型中,常用的方法是:首先按照绝缘子的耐污闪特性选取绝缘尺寸,然后校核该绝缘耐受操作过电压和雷电过电压的能力,在中等以上污秽地区更是如此,这是我国电力系统长期运行和设计的经验。而在我看来,可能还有一个因素:雷击跳闸事故虽然多,但是基本上重合闸都能成功,真正造成的损失不是特别大;而污闪一旦发生,重合闸基本没戏,损失会非常惨重,因此在电网内,污闪事故是”零容忍“事故,也就是说,一旦某地某条线路发生污闪事故造成跳闸,必须进行问责,追究当事人责任,在电网这种半军事化管理的政府型公司里,这还是很可怕的。所以电网的运行人员们对防污闪工作格外重视,什么地方都按照最坏的情况做打算,因而现在污闪事故已经相当少了。

关键词: 绝缘子           
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