输配电设备外绝缘及其绝缘配合-4-2015

4、淋雨状态下的沿面放电

4、淋雨状态下的沿面放电

架空输电线路和敞开式变电站处于大气环境中，为了使其在雨天也能安全运行，必须保证线路绝缘子和电站电器绝缘子的湿闪络电压满足规定的绝缘水平。

湿闪络电压不仅是户外绝缘子最重要的性能指标，也是决定其外形结构的最主要因素。在设计户外绝缘子时，首先根据干闪络电压的要求初步决定绝缘件的高度，再按湿闪络电压的要求确定伞数和伞形，然后才能确定绝缘子的最终高度(耐污型绝缘子设计还要考虑污耐受电压等)4

试品参数

4、淋雨状态下的沿面放电

4.1 沿淋湿表面放电的物理过程及

影响湿放电的外绝缘结构参数

沿淋湿表面放电的物理过程

沿淋湿表面放电是一种沿

着被雨淋湿表面和空气间隙

串联路径的放电。

沿淋湿表面放电模型

4、淋雨状态下的沿面放电

淋湿表面的电导很大，因焦耳热使淋湿表面形成间隙性的干燥带，干燥带承担大部分外施电压，当干燥带表面场强超过表面空气临界击穿场强时，则形成局部小弧；

但小弧一形成又被雨水将干燥带重新湿润，恢复连续的导电水膜层；由于雨水的离子电导使泄漏电流密度大的地方又因焦耳热使水膜烘干，再次引起局部放电；

泄漏电流二次跃变之间的时间非常短，甚至完全连续，没有明显的跃变现象；4、淋雨状态下的沿面放电

两伞间的空气隙与完全淋湿的上表面串联，因被伞遮住部分表面润湿程度小，放电不会沿此表面发展，仅会出现

局部小弧；

如果伞间空气间隙被雨水短路，则直接形成局部电弧通道。

因此，在淋雨状态下的沿面放电发展过程非常快，在两电极处(电流密度大)及被伞遮住的下表面(湿润程度很弱)

多处出现局部电弧，随外施电压的增高很快发展至闪络。

4、淋雨状态下的沿面放电

光滑瓷柱湿闪简化模型

假定条件：在直流电压下湿带是充分湿润，而干带一开始就存在；

宽度随淋雨的持续时间增长而不断变小；

则干带的表面电阻和闪络电压也随时间而不断变化；

干、湿带有明确的边界，除干带外的其余表面被完全淋湿。)

/1()(00L At L t L D −=干带实际长度L D (t )与淋雨作用时间t 之间呈线性减少的函数：

式中：参数A 通过观察淋雨开始后干带伞裙开始滴水数的方法来确定，仅取决于雨强，与时间无关，即雨强越大，干带淋湿越快。

4、淋雨状态下的沿面放电

干、湿带的表面总电阻R D 和R w 为

)

(0t L R R D D D =)]

([0t L L R R D B w w −=式中：

、为干、湿带单位长度的表面电阻；为模型的放电距离(即爬电距离)。

0D R 0w R B L

4、淋雨状态下的沿面放电

4

非均匀雨量下湿闪络的充分条件4、淋雨状态下的沿面放电

影响湿放电的外绝缘结构参数

根据淋雨状态下的沿面放电物理过程分析可知，湿闪络电压与绝缘子的外形尺寸和伞形有密切的关系。 电站电器绝缘子中，伞宽ba和伞间距离da是影响闪络路径中瓷的湿表面和空气间隙比值的主要因素； 在悬式绝缘子串上，结构高度Hs和盘径D则是影响闪络路径中瓷的湿表面和空气间隙比值的主要因素。 玻璃绝缘子和有机合成绝缘子也有类似的关系。

4、淋雨状态下的沿面放电

图3-4 不同空气间隙长度l

时，瓷板和空气间隙串联的湿闪络电压

k4

n、d4

b4

4、淋雨状态下的沿面放电

4.2 绝缘子的湿闪络特性

由于户外绝缘子最重要的性能指标是湿闪络电压，因此，在进行外绝缘选择时，必须要求户外绝缘子既要能承受规定的运行电压，也要能承受规定的操作过电压和雷电过电压。

4、淋雨状态下的沿面放电

GB/T 16927.1-1997规定了旨在模拟自然雨对外绝缘的影响，并适用于所有类型电压试验和各类设备试验的标准湿试验程序和淋雨状态(表3-1)。为了比较外绝缘的湿闪络特性，雨水电阻率要按下式校正到20℃时的值

(3-11)

式中和为20℃和t℃的电阻率，雨水电阻率的温度校正因数与温度的关系如图3-7所示。

θρρ⋅=t 2020ρt ρθ

电站电器类绝缘子的湿闪络电压

在大雨时，垂直安装的绝缘子上部伞边缘流下的雨水将使伞缘间的空气间隙短路的现象特别明显，这时，闪络电压将明显降低。

在水平安装时，绝缘件表面虽然被全部淋湿，但雨水不会使伞缘间空气间隙短路，湿闪电压自然比垂直安装时高。 为了提高湿闪络电压，常在伞的下表面设置棱，棱数和棱形的设计原则应保证在绝缘件表面被完全淋湿时也有足够的泄漏距离，使绝缘子具有必要的闪络电压。

4、淋雨状态下的沿面放电

当垂直安装时，在标准雨下的工频湿闪络电压可按如下经验公式计算为

2

.21.1l E l E U eff eff f +=式中：E 1.eff 为淋雨表面的闪络场强有效值，kV/cm；E 2.eff 为空气间隙部分的闪络场强有效值，kV/cm；为湿闪路径中的淋雨表面长度，cm；为湿闪路径中空气间隙部分长度，cm。

1l 2l

在水平安装时，可按下式估算工频湿闪络电压，即

=l

U

47

.1+

27

f

式中：l为总爬电距离，适用范围为234、淋雨状态下的沿面放电

在同一爬电距离下，标准长棒形绝缘子的工频湿闪电压与悬式绝缘子相等或稍有降低的趋势。由于表面淋湿后使绝缘子表面电位分布比干燥时有明显改善，因此，随爬电距离的增大，其湿闪电压将逐渐接近于干闪络电压。

支柱或套管的湿闪电压还与伞的隔水效果有关。

直流湿闪络特性的基本规律与工频时相似。

4、淋雨状态下的沿面放电

在操作冲击和雷电冲击电压作用下，表面淋湿对闪络电压的影响比工频电压下要小，而且冲击电压作用时间越短，湿闪电压越接近于干闪络电压。实验结果表明，当电压作用时间约0.01s时，湿闪电压比干闪电压约低10%，显然，雷电冲击湿闪电压要比操作冲击湿闪电压更接近于干闪络电压。

支柱及瓷套绝缘子的50%冲击湿闪络电压比干闪电压下降的程度比悬式绝缘子要稍大一些，绝缘子高度增

大，这种趋势越明显，而且负极性比正极性低。

4、淋雨状态下的沿面放电

图3-11 悬式绝缘子串的闪络路径

线路悬式绝缘子串的湿闪络电压

如图3-11所示，悬式绝缘子

串的湿闪络径是沿l (CBD )或

空气间隙L (EF )。显然，增

大，平均雨闪梯度

也增大，湿闪络电压就要提高；∑l t

f H U /

图3-12 绝缘子串工频闪络

电压与串长的关系

1、3—干闪络；

2、4、5—湿闪络；

1、2——带椭圆均压环

4

、淋雨状态下的沿面放电

整串的工频湿闪电压

和串长基本上呈线性

关系，但其湿闪电压

值与绝缘子结构有关

(图3-12)；

4、淋雨状态下的沿面放电

悬式绝缘子串的操作冲击湿闪络电压通常是正极性比负极性低，并随雨量的增加而两者逐渐接近，只有在极少遇到的特大雨下才可能出现负极性湿闪电压比正极性低的现象；

4、淋雨状态下的沿面放电

图3-15 悬式绝缘子串正极

性操作冲击湿闪电压与波前

时间的关系

如图3-15所示，悬式绝缘子串的操

作冲击湿闪电压与波形有关，在一

定的波前时间下，正极性50%操作冲

击湿闪电压也有极小值，并且随串

长l 的增加与湿闪电压出现极小值相

对应的波头时间也加大；正极性50%

操作冲击湿闪多数发生在波尾，即

操作冲击湿闪电压与波尾有关；

图3-16 XP-70悬垂串的操作冲

击闪络电压U50与绝缘子串片

数的关系

1—800/5000μs，湿闪，正、负极性；

2—100/5000μs，湿闪，正、负极性；

3—100/5000μs，干闪，正极性；

4—800/5000μs，干闪，正极性；

5—工频干闪；

6—工频湿闪；

7— 1.5/40μs，正极性

4

、淋雨状态下的沿面放电

从图3-16可以看出，悬式绝缘子串的操作冲击湿闪电压与绝缘子片数或串长基本上呈线性，比干闪电压约低5%～20%，并随串长的增加其差值逐渐减少，干闪电压具有饱和趋势。此外，实验结果还表明：门型塔中悬垂串操作冲击湿闪电压比干闪电压低5%，V形串也比干闪电压低5%左右。大多数试验结果表明，操作冲击干闪特性与湿闪特性相似，仅是湿闪电压值比干闪电压值低而已。

由于雷电冲击电压作用时间相对来说比操作冲击电压作用时间短，因此，其淋雨状态对闪络电压的影响比操作冲击时小，但其基本规律与操作冲击湿闪特性相似。

4、淋雨状态下的沿面放电

4.3 大气环境因素对湿放电特性的影响

输电线路和敞开式变电站处于复杂的大气环境之中，降雨量、雨水电阻率、海拔高度及雨水酸度等大气环境因素对湿闪络电压将产生不同程度的影响，在进行绝缘选择和运行维护时应充分注意到这些因素作用的效应。

4、淋雨状态下的沿面放电

雨水电阻率与湿闪电压

IEC规定绝缘子淋雨试验的雨水电阻率在20℃时为Ω·m，实际上用自来水模拟淋雨要达到这个值是有困难的。根据日本的试验结果，湿闪电压与雨水电阻率的关系有:

15

100±

s

ρ

n

s

f

A

Uρ

=

式中：A为系数；n是随绝缘子形状不同的一个常数，对园柱形

绝缘子n=0.21；套管n=0.20 ；针式支柱绝缘子n=0.16。

4、淋雨状态下的沿面放电

图3-17 雨水电阻率与工频湿闪

电压的关系(隔离开关支柱绝缘子)

4、淋雨状态下的沿面放电

从图3-17的试验结果可以看出，湿闪电压随雨水电阻率的增大而升高，但到200Ω·m左右时，则逐渐趋于饱和。我国96%以上地区自然雨水电阻率都在200Ω·m以上，所以，按标准取雨水电阻率的不同实验室的试验结果应当偏差不大，可以作为外绝缘选择的依据。

4、淋雨状态下的沿面放电

淋雨量与

湿闪电压

图3-18 淋雨量与湿闪电压的关系4、淋雨状态下的沿面放电

绝缘子的湿闪电压随淋雨量变化而不同，并且喷咀种类、淋雨压力等对湿闪电压也有影响。

从图3-18可以看出：喷咀形式不同，对同一雨量下的湿闪电压有一定影响；当淋雨量在3mm/min以上时，影响最大。在同一喷咀等条件下，湿闪络电压随雨量的增大而降低，但实际上超过3.0mm/min的大雨是极少见的。因此，规定取常雨量1.0mm/min作为试验标准。

4、淋雨状态下的沿面放电

海拔高度对湿闪电压的影响

图3-19 绝缘子串的直流湿

闪电压与海拔高度的关系

1—XWP--70；2—XP-70；

3—DC-II-160（单片试验结果的线

性延伸）4、淋雨状态下的沿面放电

随海拔高度的增加，大气压力、温度和绝对湿度均随之降低，绝缘子的电气强度也会随之变化，显然，湿闪电压也会受海拔高度的影响;

从现有的研究结果来看，交、直流湿闪络特性受海拔高度影响的规律基本上一致的，但直流的正极性湿闪电压比负极略低。

4、淋雨状态下的沿面放电

从图3-19可以看出：在标准淋雨条件下，绝缘子串的湿闪电压随

海拔高度H 的增高而下降；海拔高度对湿闪电压的影响在1500m

以内十分显著，海拔高度超过1500m以后，其影响将逐渐减弱。

机理：海拔增高以后，气压和空气的相对密度都随之降低，电子的平均自由行程也随之增大，碰撞电离加剧，放电易于发展。当海拔高度达到一定高度(约1500m)后，平均自由行程的增大程度又使自由电子反而不易积累起每次碰撞都能发生电离的条件而趋于一定的概率。因此，海拔高度超过1500m后，湿闪络电压随海拔高度的继续增加而趋于定值。湿闪络路径取决于绝缘子串淋湿表面和串联的空气间隙部分的长度，并与绝缘子的H

、D等造型因素有关。

s

4、淋雨状态下的沿面放电

DC-II-160直流绝缘子盘径大，下表面有深棱结构，淋雨时干燥区大，湿闪络电压高；

XWP-70的盘径(290mm)虽比XP-70(254mm)大，但伞下无棱，易于被水珠沾湿，特别是双层伞的空气间隙短，不仅

易于被雨水短接，而且高海拔下电弧的飘弧也容易桥接双

伞空气间隙，XWP-70比XP-70绝缘子串的湿闪络电压低。

海拔高度超过1500m以后，不计造型的影响则可认为每升高100m下降0.68%左右。

4

交、直流湿闪络电压的4

4、淋雨状态下的沿面放电

在直流下，绝缘子串在高海拔下的湿闪络电压随淋雨量的增大而下降，在不同淋雨量下，耐污型绝缘子串的湿闪电压都比普通型低，淋雨量越大，其差别越明显。显然，当淋雨量较小时，空气间隙不易被雨水桥接，若淋雨量大到一定程度后，片间、双伞间空气间隙就容易被水滴短路，此后若再加大淋雨量，仅是桥接空气间隙的部位多一些而已。因此，当淋雨量增大到一定程度后，湿闪络电压就趋于一定值。

4、淋雨状态下的沿面放电

XWP-70双伞间的空气间隙短，被雨水和高海拔下电弧桥接的概率大，所以，耐污型绝缘子串在各种淋雨量下的闪络电压都比普通型低；而且，淋雨量越大，两者的差别就明显。

根据现有的试验结果，高海拔下绝缘子串的交、直流湿闪电压与串长基本呈线性关系，直流电压下的极性效应并不十分明显。

4、淋雨状态下的沿面放电

无论极性如何，绝缘子串的50%雷电冲击湿闪电压都随海拔高度的增高而下降。当H=4611m 时，湿闪电压比平原地区(1000m以下)下降程度是：负极性约26%，正极性约39%。

4、淋雨状态下的沿面放电

降雨的酸度对湿闪电压的影响

酸雨的电导率值随PH 值的增大而下降，最后趋于中性降雨的值；当PH <3.00时值陡增；在PH 约为4.0时，出

现拐点，当PH >4.5时，

值变化减小。显然，当PH <4.0后，雨的酸度和高浓度酸雨发展，将对绝缘子的湿闪电压产生显著的影响。----电导率与PH值的关系

γγγγ

4、淋雨状态下的沿面放电

图3-24 悬式绝缘子串的交流湿闪电压图3-25 35kV支柱绝缘子的交流

与PH 值的关系(两片串) 湿闪电压与PH 值的关系1—XP-70；2—XWP 2-70 1—2S 1—35/400；2—2WS 2—35/400