绝缘子表面的积污及影响因素

绝缘子表面的积污及影响因素
2.1 绝缘子表面的积污
大气环境中充满了各种气态、液态污染物和固体微粒。

固体微粒中直径较大者，在重力作用下垂直降落；直径较小者呈悬浮状态，也在绝缘子周围运动着。

微粒在绝缘子表面上的沉积是一个风力、重力、电场力综合作用的结果。

重力只对直径较大的微粒起作用，且主要影响污染源附近绝缘子的上表面。

电场力的作用表现在电场力使微粒在交流电场中作振荡运动，使微粒朝着电力线密集的一端积聚。

在污秽积聚的影响因素中，风力和绝缘子外形的影响是主要的。

空气运动的速度和绝缘子的外形决定了绝缘子表面附近的气流特性，在不形成涡流的光滑表面附近(例如，XWP2双层伞型和XMP草帽型)，微粒运动速度快，从而减少了它们降落在绝缘子表面的可能性；反之，下表面具有高棱和深槽的绝缘子表面附近则易形成涡流，使气流速度下降，创造了污秽沉积的有利条件。

大气污染比较严重地区的浓雾，对绝缘子表面的污染也是明显的。

研究表明，城市工业区的浓雾的雾水电导率可达2000us/cm2扩左右，一次来雾可稳定地维持数小时。

城市工业区的边缘及邻近农村的浓雾的雾水电导率也可达数百至1000us/cm2以上。

雾对绝缘子表面的实际污染在北京地区的清河和草桥两个试验站进行了实测，其结果是，一次8-10小时的大、中型雾，绝缘子表面盐密值可增加0.01ng/cm2左右。

人工模拟试验表明，当雾水电导率为2000us/cm2时，XP-160绝缘子，受雾6~10h，盐密值可增加0.03~0.04ng/cm2。

雾水电导率为2000us/cm2的雾可使设备的污闪电压比蒸馏水雾下降20%左右。

绝缘子表面沉积的污秽，来源于该地大气环境的污染，其积聚速度还与绝缘子本身的结构、表面光洁度有着密切的关系。

长期的运行经验表明，城市工业区及大气污染严重的地区，一般绝缘子表面的积污也比较多，工业规模愈大，对周围影响的范围也愈大。

原电力部电力科学院等单位研究表明，对于大气扩散和传送能力强的大城市，工业污染扩散对电力系统污染的影响范围可达20~30km及以上；中等工业城市的影响范围可达1~20km;对四川盆地、长江三峡、汉中盆地等大气净化能力弱地区，城市工业污染影响范围多在10km之内。

绝缘子表面的积污过程具有复杂的动态特性，一般情况是一个缓慢变化的过程，它受各种大气条件和风力、重力、静电力等多种因素影响的一个动态过程。

污秽多、大气污染严重绝缘子积污也就多。

虽然大雨有自治作用，能提高污闪电压，但干旱少雨的季节使污秽量逐年增加。

绝缘子的形状也影响积污量，在同一个地区不同形状的绝缘子积污量是不同的，形状较简单的、气体动力学特性较好绝缘子积污量较少。

实践证明我国通用的双伞型防污绝缘于，因具有光滑而倾斜的裙边，涡流区小，积污量较小，而钟罩型耐污绝缘子积污较快，应用于空气潮湿多雾的南方地区防污效果差。

静电力对绝缘子的积污，理论上是有影响的，带电比不带电积污快，直流比交流快，但在风大以及急剧积污的地区，静电力不是决定积污量的主要因素。

上海超高压局有不少地区的现场测试数据，可以说明带电与不带电的积污差别是在盐密测试分散性范围之内，工程应用上可以忽略不计。

也有文献认为绝缘子上的电场能使污秽物积留，特别是500kV电网积污较，通常盐密要高出3％—5％，并且提出绝缘子下表面带电积污是不带电积污的1.3倍。

四川电网多年污秽测量说明，特别是近年超高压500kV二自线、自渝线的测试表明，带电与不带电积污之比多数在1.2—1.4之间。

由上所述，大气环境中充满了各种气态、液态污染物和固体颗粒。

固体微粒中直径较大者，在重力作用下垂直降落，直径较小的微粒呈悬浮状在绝缘子周围运动。

绝缘子表面污秽
物的积聚，一方面取决于促使微粒接近绝缘子表面的力，另一方面也取决于微粒和表面接触时保持微粒的条件。

2.2 影响因素
污闪闪络主要由两个因素决定，一是大气污染造成的绝缘子表面积污；二是能使积聚的污秽物质受潮的气候条件；另外还有海拔高度等一些因素的影响。

1.表面积污
绝缘子表面上污秽层是由空气中悬浮的固体、液体或气体微粒的沉积而形成的，积污过程与绝缘子等绝缘子的形状、污源的性质、气象条件等有关。

在污秽层中沉积的污秽物质有可溶解性物质和不可溶解性物质，一般来讲，污秽物中含有NaCl 、CaSO 4及其他成分。

绝缘子表面灰密不同，污闪电压也不同，灰密增大，污闪电压将降低，反之增大；污秽物的不同成分对绝缘子的污闪特性的影响也不同，一般来说，NaCl 比CaSO 4、CaCl 2、MgSO 4等物质的影响大一些。

为了定量地评价污秽水平，提出过很多种表征污秽度的参数，如等值附盐密度、污层电导率、局部表面电导率、泄漏电流、污液浓度等。

在城市工业区及大气污染较严重的地区绝缘子表面的积污也较多，绝缘子表面积污程度的表征量一般用等值盐密表示，据一些输电线路上绝缘子表面沉积污秽的盐度值统计，其值可用式(5-1)表示
ESDD=Ae -BS
(5-1)
式中，ESDD 为绝缘子表面污秽物等值附盐密度，mg/cm 2;S 为距污源的距离，A,B 为常数。

2.气候条件
污秽表面的湿润，将使泄漏电流大大增加，并在潮湿层中产生热量，在各种湿润强度的作用下，污秽层的湿润程度和电导率将逐步增大，引起闪络电压值的降低。

污秽绝缘子表面的湿润可由小雨和雾等直接产生，也可由相对湿度、绝缘子表面与周围空气的温差等产生。

长期的运行经验表明，雾、露、毛毛雨最容易引起绝缘子的污秽放电，其中雾的威胁性最大。

据一些部门的统计，1970—1983年华北地区110～220kV 线路污闪跳闸的气象条件，其中大雾天气下的污闪占76.4％，毛毛雨占9.7％。

雾是悬浮于空气中的由蒸汽冷凝而成的水滴，平均半径有5~7μm ，能构使污层充分湿润，使污层中的电解质成分溶解，但又不使污层被冲洗掉，在这种条件下污层的电导率最大，污闪电压最低。

露是空气中水分在温度低于周围空气时的冷凝物，一样能使绝缘子的上下表面都湿润，是容易造成污闪的气象条件，在埃及较干燥的沙漠地区曾发生由凝露引起的严重污闪事故。

毛毛雨一般仅仅能湿润绝缘子的上表面，在相同的条件下，一般污闪电压比浓雾条件高20％～30％。

3.海拔高度
随着海拔增高，污闪事故也相对增多，据有关部门调查，海拔较高的西宁地区35kV~110kV 系统10次变电事故中，污闪事故占80%。

随着海拔升高，气压降低，各种线路绝缘子的直流和交流污闪电压均有规律的降低，污闪电压U 和气压P 之间呈现非线性关系， 可表示为：
00
()n p U U p (5-2) 式中，U 0为正常大气压P 0下的污闪电压，下降指数n 反映气压对于污闪电压的影响程度。

第三节、绝缘子污闪的发生及发展（李德超）
在线运行的绝缘子，在大气环境中，受到工业排放物以及自然扬尘等环境因素的影响，
表面逐渐沉积了一层污秽物。

当遇到潮湿天气时，污层中的可溶性物质溶于水中，形成导电水膜，这样就有泄露电流沿绝缘子的表面流过，其大小主要取决于脏污程度和受潮程度。

由于绝缘子的形状、结构尺寸等因素的影响，绝缘子表面各部位的电流密度不同，电流密度比较大的部位会先形成干区，干区的形成使得绝缘子表面电压的分布更加不均匀，干区承担较高的电压。

当电场强度足够大时，将产生跨越干区的沿面放电，依脏污和受潮程度的不同，放电的类型可能是辉光放电、火花放电或产生局部电弧。

局部电弧是一个间歇的放电过程，这种间歇的放电状态可能持续相当长时间，当脏污和潮湿状态严重时，局部电弧会逐步发展；当达到和超过临界状态时，电弧会贯穿两极，完成闪络。

3.1 污闪的发生
污闪放电是一个涉及到电、热、和化学现象的错综复杂的变化过程，宏观上可将污闪过程分为以下4个阶段：
1）绝缘子表面的积污
2）绝缘子表面的湿润
3）局部放电的产生
4）局部电弧发展，完成闪络
1）绝缘子表面的积污
绝缘子表面沉积的污秽物，来源于该地域大气环境的污染，也受大气条件的自清洗（例如，风吹和雨淋），还与绝缘子本身的结构形状、表面光洁度等因素有着密切的关系。

长期的运行经验表明，在城市工业区及大气污染较严重的地区绝缘子表面的积污也较多，工业规模愈大，对周围影响的范围也愈大。

一般来说，距工业污染源愈愿，影响愈弱，绝缘子表面积污程度的表征量——等值附盐密度也减少。

据重点工业城市对44条输电线路上绝缘子表面沉积污秽的盐度值统计，其值可用式（5-3）表示
ESDD=Ae-BL（5-3）式中，ESDD为绝缘子表面污秽物等值附盐密度，mg/cm2;L为距污源的距离，A,B为常数。

大气污染比较严重地区的浓雾，对绝缘子表面的污染也是明显的。

研究表明，城市工业区的浓雾的雾水电导率可达200uS/cm左右，一次大雾可稳定地维持数小时。

城市工业区的边缘及邻近农村的浓雾的雾水电导率也可达数百至1000Us/cm以上。

大气环境中充满了各种气态、液态污染物和固体微粒。

绝缘子表面污秽物的积聚，一方面取决于促使微粒接近绝缘子表面的力，另一方面也取决于微粒和表面接触时保持微粒的条件。

微粒在绝缘子表面上的沉积，受风力、重力、电场力的作用，其中于风力对绝缘子表面积污起主要作用，因此，有风、无风及风大、风小均对微粒的沉积影响较大，也直接影响绝缘子上、下表面积污的差别以及带电与否对积污的影响。

带电与否对绝缘子积污的影响，与地区的地理、气象等条件有很大关系，一般说来，如果污秽是急剧形成的（如风、海、雾），带电与否对积污的影响不大；如果污秽是缓慢积聚的，则带电与否有较大的影响，带电绝缘子的积污比带电绝缘子的积污要严重，在直流电压下绝缘子的积污比交流电压下绝缘子的积污要严重。

另外，绝缘子表面的光洁度等也影响微粒在其表面的附着。

因此，新的、光洁度良好的绝缘子与留有残余污秽的或者表面粗糙的绝缘子相比，其沉积污秽的状况是不同的。

绝缘子表面的光洁度越高，越不沉积污秽。

2）绝缘子表面的湿润
大多数的污秽物在干燥状态下是不导电的，该状态下绝缘子放电电压和洁净干燥时非常接近。

但是当这些污秽物吸水受潮时，在绝缘子表面就会形成一层导电水膜，污物中的电解
质成分电离，在水溶液中以离子形态存在时，污秽面的电阻就变小，绝缘子的闪络电压明显降。

污秽绝缘子表面的湿润由于小雨和雾等可直接产生，其他也可由相对湿度、绝缘子表面与周围空气的温差等而产生湿润。

若相对湿度增高，表面上附着的电解质会吸湿，开始湿润。

开始吸湿的相对湿度依电解质的种类而异，例如，食盐为75%左右，氯化镁约为35%，取决于电解质水溶液的饱和蒸汽压。

另一方面，由于夜间的辐射冷却和暖气的流入等，绝缘子表面温度比周围的低，其表面附近的空气层的相对湿度上升，导致吸湿。

当然，绝缘子表面的吸湿量随相对湿度、温差或附盐密度的增高而增大。

闪络电压降低的程度与润湿污层的电导率有关，长期的运行经验表明，雾、露、毛毛雨最容易引起绝缘子的污秽放电，其中雾的威胁性最大。

华北电力科学研究院统计了1970—1983年华北地区110～220kV线路污闪跳闸的气象条件，其中大雾天气下的污闪占76.4％，毛毛雨占9.7％。

这些气象条件之所以容易发生污闪，是因为它们能构使污层充分湿润，使污层中的电解质成分溶解，但又不使污层被冲洗掉。

在这种条件下污层的电导率最大，污闪电压最低。

露和雾一样也能使绝缘子的上下表面都湿润，是容易造成污闪的气象条件，污闪事故多发生在凌晨，这也与该时刻容易凝露有关。

在埃及较干燥的沙漠地区曾发生由凝露引起的严重污闪事故。

凝露气象条件对绝缘子污闪的影响是严重的，对此不可掉以轻心。

近年来，凝露对室内10kv设备曾造成一连串的闪络事故，也应引起重视。

毛毛雨一般仅仅能湿润绝缘子的上表面，在相同的条件下，一般污闪电压比浓雾条件高20％～30％。

雨一般分为大雨、中雨和小雨。

小雨时，雨点清晰可见，无漂浮现象，1h内的降水量可达2.5mm。

大雨和中雨的水滴较大，雨滴的降落速度也较快，对染污绝缘子表面有冲洗的作用，净化绝缘子表面积污的作用较大，一般在大雨和中雨条件下发生污闪的可能较少。

因此，一般地说，大雨不是污秽地区绝缘子运行的危险条件。

然而，对于伞裙较密、伞伸出不长的棒形支柱绝缘子、套管等设备，特别时在久旱无雨积污较多又突然降大雨的条件下，大雨的情况下，又可能发生闪络。

3）局部放电的产生
在潮湿的气象条件下污秽绝缘子受潮湿润后，污秽物中的可溶物质会逐渐溶与水中，在绝缘子的表面会形成一层导电水膜。

污秽中的不溶物质可起吸附水分的作用，形成水膜，构成了沿绝缘子表面导电的通路，从而有泄漏电流沿绝缘子表面流过。

泄漏电流流过就产生焦耳热，其结果，在绝缘子表面上电流密度最大部分（例如在绝缘子的钢脚和铁帽附近，棒式支柱绝缘子的法兰交接处等）形成干区，干区具有很大的表面电阻，从而中断了泄漏电流，沿绝缘子表面的电压分布也随之发生变化。

加在绝缘子两端的电压主要由干区分担，当干区某处的场强超过沿介质表面空气放电的临界场强时，该处就会发成沿面的局部放电。

对于污秽面上产生的放电，可观测到有电弧放电、电晕放电、及辉光放电。

电弧放电由电压降小的充分电离的等离子通道构成，肉眼可以观测到。

另一方面，电晕放电和辉光放电是电离密度低的放电，由于电弧放电的加热，干区充分形成后容易产生。

灯丝状的电晕放电是与前沿2~5sμ、持续时间100~300sμ的短时电流波形相对应，产生在电压峰值附近。

然后，有时产生从电晕向电弧的转移。

从这种现象至闪络或表面充分干燥后放电停止，取决于污秽量、湿润量、电压等条件。

这种放电时不稳定的，呈间歇的脉冲状态。

当放电火花熄灭时，泄漏电流的烘干作用几乎终止，大气的潮气会使干区重新湿润，从而在某场强较高处又会产生新的放电火花。

放电火花出现的部位使随机的，在一支绝缘子上可能同时出现多个放电火花。

这种间歇的沿面放电可持续相当长时间，但绝缘子发生闪络的危险性不大。

随着使绝缘子受潮因素的减弱，这
种放电现象会逐渐减弱，并最终消失。

沿绝缘子表面流过的泄漏电流是不稳定的，泄漏电流的大小不仅取决于绝缘子脏污的程度及污秽物中的可溶物质，不溶物质影响也不能忽略。

4） 局部电弧发展，完成闪络
如果绝缘子的脏污比较严重，绝缘子表面又充分受潮，再加上绝缘子的泄漏距离较小，绝缘子的湿污层的电阻较小，在这种条件下会出现较强烈的放电现象。

此时跨越干区的放电形式为电弧放电，电弧呈树枝形状，放电通道中的温度可增高到热电离的程度。

与这种放电形式相对应的泄漏电流脉冲值较大，可达数十或数百毫安，局部放电的小电弧越强烈，相应的泄漏电流值就越大。

这种间歇脉冲状的放电现象的发生和发展也是随机的、不稳定的，在一定的条件下，局部电弧会逐步沿面伸展并最终完成闪络。

对一串绝缘子而言，污闪过程基本如上所述，但有以一些特点：单个绝缘子表面的电压分布取决于整串绝缘子的状态，当其中某个绝缘子首先形成环状干区，跨越干区的电压将是整串绝缘子总电压中的一部分，所以较易发生跨越干区的局部电弧；只有当多个绝缘子均已形成环状干区，分在一个干区上的电压才会减少下来。

流过某个绝缘子的泄漏电流，不仅取决于该绝缘子，而且取决于整串绝缘子在次时外绝缘变化的状态，它们互相关联，互相影响。

当某个绝缘子的干区被局部电弧桥络时，原来加在该绝缘子上的较高的电压将转移到其他绝缘子上，电压分配的突变，犹如一个触发脉冲，会促使其他绝缘子产生跨越干区的电弧，甚至会迫使整串绝缘子一起串联放电。

一旦所有绝缘子的干区都被电弧桥络，泄漏电流将决定于绝缘子串的剩余湿污层电阻，此时泄漏电流大增，强烈的放电有可能发展成整串绝缘子的闪络。

3.2 污闪特性
污秽闪络现象的理论分析很早就有许多研究人员进行研究，在这里将具有代表性的奥本诺斯的研究做简单介绍。

奥本诺斯（Obennaus ）于20世纪50年代首先提出了表面电弧与剩余污层电阻相串联的污闪物理模型，如图5-1所示：
图5-1 污闪的物理模型
X —总长度，12X x x =+； L —爬电距离； L X -—剩余污层长度
当外施电压为U 时，电弧的持续方程如下：
)(X IR AX U I n +=- （5-4）
其中，X 为电弧长度；I 为流过表面的电流；R(x)为电弧长度为X 时的剩余污闪电阻；A ， n 为静态特性常数。

上式中，I n AX -代表局部电弧的压降，为负伏安特性，压降随着电流的增大而减小；
)(X IR 代表剩余污层电阻上的压降，为正伏安特性，压降随电流的增大而增大。

外施电压U 为两者之和，如图5-2所示。

对于某一电弧长度为X ，必须有一外施电压的最小值U min 。

若外施电压小于U min ，则电弧不能维持；若外施电压大于U min ，则电弧可以维持并向前
延伸发展。

最小维持电压U min 和电弧长X 的关系如图5-3所示。

当狐长X c 时，每增加弧长X ∆，必须将外施电压相应增加U ∆，否则电弧不能维持，弧长将缩回原长；当弧长大雨X c 时，即使外施电压不增加，电弧仍能自动延伸，直至贯通两端电极。

U U U
U 图5—2 污秽放电试品两端电压与电流关系 图5—3 最小维持电压U min 和弧长X 的关系
为简化分析，假设染污表面是一块长度为L 的矩形玻璃板（如图5-2），板上污染均匀，每单位长度污层电阻为
r c ，板上电流分布也均匀，即)()(X L r X R -=。

可以推导出，电弧发展的临界弧长X c 及污闪临界电压U c 为
X c =)1/(+n L （5-5）
U c =1
11n n n c Lr A ++⋅ （5-6）
式中，L 为绝缘子的爬电距离；X c
为临界弧长；A ，n 为电弧常数。

当外施电压U ≥Uc 时，便会发生闪络。