沿面放电

沿不同聚集态电介质分界面的放电现象

沿面放电是指沿不同聚集态电介质分界面的放电现象。通常出现较多的是气体或液体电介质中沿固体介质表面的放电。

一般概念

一切带电导体都不可能悬浮在大气中，而必须用固体绝缘装置将它们悬挂起来（例如用绝缘子串悬挂输电导线）或支撑起来（例如用支柱绝缘子支撑母线）。当带电导体需要穿过墙壁或电力设备的油箱时，也要用穿墙套管或设备套管加以固定和绝缘。这些固体绝缘装置（各类绝缘子）既在机械上起固定作用，又在电气上起绝缘作用。它们都处于气体介质（一般为空气）的包围之中，往往是一个电极接高电压、另一个电极接地。两极之间绝缘功能的丧失有两种可能：其一是同体介质本身的击穿，另一是沿着固体介质表面发生闪络。由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸盐材料制成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时，一般不会导致绝缘子的永久性损坏。电力系统的外绝缘（除各种绝缘子的外露部分外，还有各种空气间隙）一般均为自恢复绝缘，因为绝缘子闪络或空气间隙击穿后，只要切除电源，它们的绝缘性能都能很快地自动彻底恢复。与之相反的是大多数电气设备的内绝缘均属非自恢复绝缘，一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘性能。

实验表明：沿固体介质表面的闪络电压不但要比同体介质本身的击穿电压低得多，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见，一个绝缘装置的实际耐压能力并非取决于固体介质部分的击穿电压，而取决于它的沿面闪络电压，所以后者在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平时起着决定性作用。应该注意的是，这不仅涉及表面干燥、清洁时的特性，还应考虑表面潮湿、污染时的特性，显然，在后一种情况下的沿面闪络电压必然降得更低。在设计工作中，往往需要知道各种绝缘子的干闪络电压（包括在雷电冲击、操作冲击和运行电压下）、湿闪络电压（包括在操作冲击和运行电压下）和污秽闪络电压（主要指运行电压下）。

形式

沿面放电的发展主要取决于沿放电路径的电场分布，它直接受到电极形式和表面状态的影响。从电场分布看，有以下三种典型的形式。

(一)均匀电场中的沿面放电

固体介质表面与电力线平行，它的引人并没有影响极间电场分布，但实测表明当固体介质为不同材料时，沿面的闪络电压还是比纯空气击穿电压低得多。从实测结果可以发现，吸潮的固体介质如电瓷等的沿面闪络电压低于不吸潮的固体介质如石蜡的闪络电压。这是由于介质表面吸附的水分受到电子撞击时，很易将电子俘获而形成负离子。负离子在外电场作用下向阳极移动，使沿面电场发生了畸变而变成不均匀电场，因而降低了沿固体交界面的气体击穿电压——闪络电压。介质表面吸附水分的能力越大，闪络电压就降得越低，所以瓷的沿面闪络电压低于石蜡的。另一方面，固体介质表面电阻分布不均匀，表面有伤痕等都使沿面电场分布不均匀，因而都将引起沿面闪络电压下降。

为了提高均匀电场气隙的沿面闪络电压，应使固体介质表面光滑，并保持干燥。例如将固体介质抛光，表面涂油、浸漆，定期清扫，加热等。

这种沿面放电在电力工程中很少见到，但实际绝缘结构中常会遇到介质处于稍不均匀电场中的情况，它的放电特性与均匀电场很相似。

(二)极不均匀电场中的沿面放电垂直分量很强时的沿面放电

固体介质表面有很强的法线分量。工程上属于这类的绝缘结构很多，如套管绝缘子等，它们的闪络电压比较低，放电时对绝缘的危害也大。

在电压较低时，由于法兰附近电场很强，首先在法兰边缘处出现电晕。增加电压，在法线分量En作用下，放电形式转变为沿套管表面进行的刷状火花放电。火花通道中电阻值较高，电压降也大，刷状长度随外加电压成比例地伸长。

刷状火花被En紧压在介质表面上，形成局部高温。当电压增加时放电电流也随之增大，温度进一步升高。当电压达到某一临界值时，放电通道的温度可高到足以引起气体热游离的数值。因此，通道中带电质点剧增，通道电阻剧降，并使其头部场强剧增，导电通道迅速增长，放电便转入滑闪放电阶段。滑闪放电火花通道的长度随外加电压的增加而迅速增长。当滑闪放电的树枝状火花达到另一电极时形成了沿固体介质表明空气的完全击穿——闪络，电源被短路。此后依电源容量之大小，放电可转人火花放电或电弧。在电动力与放电通道发热的作用下，若电源容量较小，则可使火花或电弧离开介质表面，拉长而熄灭。

(三)极不均匀电场中垂直分量很弱时的沿面放电

这时沿瓷面的电场切线分量E较强，而垂直界面上电场强度的切向分量要比法向分量高得多。此时由于电极结构使电场很不均匀，因此其平均闪络场强要低于均匀场中的情况；另一方面，由于法向电场分量很弱，因而放电过程中没有热电离和明显的滑闪放电。因此沿面闪络电压与空气击穿的电压差别不如具有强垂直分量的情况大。实验结果表明，当表面干燥、清洁时，这种绝缘子的闪络电压（干闪络电压）基本上随极间距离的增大而提高。

特点

试验结果表明，在相同间距的条件下，沿面放电有以下的特点：

①沿面闪络电压总是低于纯空气间隙的击穿电压，降低的程度决定于电场的均匀性。在均匀电场中降低较多，在极不均匀电场中降低并不显著；

②极不均匀电场中的闪络电压比均匀电场中的低得多。

在均匀电场中沿面闪络电压比纯空气间隙击穿电压降低较多的原因是：

①固体介质与电极之间如果接触不紧密会存在气隙。由于空气的ε小，所以首先电离并产生自由电子，为沿面放电提供了有利条件；

②固体介质表面容易吸附一定的水分形成水膜，水膜中的离子在电场力作用下积聚在电极周围，使介质表面电场发生畸变；

③固体介质表面具有一定的粗糙度，在使用过程中也会使表面的光洁度受损，致使介质表面的微观电场发生畸变；

④介质表面电阻不均匀，并存在一定污秽。

在极不均匀电场中，沿面闪络电压比纯空气间隙击穿电压降低不明显的原因是：由于电场本来已很不均匀，介质表面电场畸变的影响就不大，且此时的空气间隙击穿电压已经比均匀电场下的低得多。因此，沿面闪络电压所受的影响也就不明显。

电压影响因素

在实际绝缘结构中，固体电介质周围往往有气体或液体电介存在，例如线路绝缘子周围充满空气、油浸变压器固体绝缘周围充满变压器油。在这种情况下，放电往往沿两种电介质交界面发生。这种放电称为沿面放电。