沿面放電

沿面放電的發(fā)展主要取決于沿放電路徑的電場分布，它直接受到電極形式和表面狀態(tài)的影響。從電場分布看，有以下三種典型的形式。

(一)均勻電場中的沿面放電

固體介質(zhì)表面與電力線平行，它的引人并沒有影響極間電場分布，但實(shí)測表明當(dāng)固體介質(zhì)為不同材料時，沿面的閃絡(luò)電壓還是比純空氣擊穿電壓低得多。從實(shí)測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，吸潮的固體介質(zhì)如電瓷等的沿面閃絡(luò)電壓低于不吸潮的固體介質(zhì)如石蠟的閃絡(luò)電壓。這是由于介質(zhì)表面吸附的水分受到電子撞擊時，很易將電子俘獲而形成負(fù)離子。負(fù)離子在外電場作用下向陽極移動，使沿面電場發(fā)生了畸變而變成不均勻電場，因而降低了沿固體交界面的氣體擊穿電壓——閃絡(luò)電壓。介質(zhì)表面吸附水分的能力越大，閃絡(luò)電壓就降得越低，所以瓷的沿面閃絡(luò)電壓低于石蠟的。另一方面，固體介質(zhì)表面電阻分布不均勻，表面有傷痕等都使沿面電場分布不均勻，因而都將引起沿面閃絡(luò)電壓下降。

為了提高均勻電場氣隙的沿面閃絡(luò)電壓，應(yīng)使固體介質(zhì)表面光滑，并保持干燥。例如將固體介質(zhì)拋光，表面涂油、浸漆，定期清掃，加熱等。

這種沿面放電在電力工程中很少見到，但實(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)中常會遇到介質(zhì)處于稍不均勻電場中的情況，它的放電特性與均勻電場很相似。

(二)極不均勻電場中的沿面放電垂直分量很強(qiáng)時的沿面放電

固體介質(zhì)表面有很強(qiáng)的法線分量。工程上屬于這類的絕緣結(jié)構(gòu)很多，如套管絕緣子等，它們的閃絡(luò)電壓比較低，放電時對絕緣的危害也大。

在電壓較低時，由于法蘭附近電場很強(qiáng)，首先在法蘭邊緣處出現(xiàn)電暈。增加電壓，在法線分量En作用下，放電形式轉(zhuǎn)變?yōu)檠靥坠鼙砻孢M(jìn)行的刷狀火花放電?；鸹ㄍǖ乐须娮柚递^高，電壓降也大，刷狀長度隨外加電壓成比例地伸長。

刷狀火花被En緊壓在介質(zhì)表面上，形成局部高溫。當(dāng)電壓增加時放電電流也隨之增大，溫度進(jìn)一步升高。當(dāng)電壓達(dá)到某一臨界值時，放電通道的溫度可高到足以引起氣體熱游離的數(shù)值。因此，通道中帶電質(zhì)點(diǎn)劇增，通道電阻劇降，并使其頭部場強(qiáng)劇增，導(dǎo)電通道迅速增長，放電便轉(zhuǎn)入滑閃放電階段?；W放電火花通道的長度隨外加電壓的增加而迅速增長。當(dāng)滑閃放電的樹枝狀火花達(dá)到另一電極時形成了沿固體介質(zhì)表明空氣的完全擊穿——閃絡(luò)，電源被短路。此后依電源容量之大小，放電可轉(zhuǎn)人火花放電或電弧。在電動力與放電通道發(fā)熱的作用下，若電源容量較小，則可使火花或電弧離開介質(zhì)表面，拉長而熄滅。

(三)極不均勻電場中垂直分量很弱時的沿面放電

這時沿瓷面的電場切線分量E較強(qiáng)，而垂直界面上電場強(qiáng)度的切向分量要比法向分量高得多。此時由于電極結(jié)構(gòu)使電場很不均勻，因此其平均閃絡(luò)場強(qiáng)要低于均勻場中的情況；另一方面，由于法向電場分量很弱，因而放電過程中沒有熱電離和明顯的滑閃放電。因此沿面閃絡(luò)電壓與空氣擊穿的電壓差別不如具有強(qiáng)垂直分量的情況大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)表面干燥、清潔時，這種絕緣子的閃絡(luò)電壓（干閃絡(luò)電壓）基本上隨極間距離的增大而提高。

在實(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)中，固體電介質(zhì)周圍往往有氣體或液體電介存在，例如線路絕緣子周圍充滿空氣、油浸變壓器固體絕緣周圍充滿變壓器油。在這種情況下，放電往往沿兩種電介質(zhì)交界面發(fā)生。這種放電稱為沿面放電。

影響沿面放電電壓的因素主要有：

(1)電場的均勻程度；

(2)介質(zhì)表面的介電系數(shù)的差異程度；

(3)有無淋雨；

(4)污穢的程度。

一切帶電導(dǎo)體都不可能懸浮在大氣中，而必須用固體絕緣裝置將它們懸掛起來（例如用絕緣子串懸掛輸電導(dǎo)線）或支撐起來（例如用支柱絕緣子支撐母線）。當(dāng)帶電導(dǎo)體需要穿過墻壁或電力設(shè)備的油箱時，也要用穿墻套管或設(shè)備套管加以固定和絕緣。這些固體絕緣裝置（各類絕緣子）既在機(jī)械上起固定作用，又在電氣上起絕緣作用。它們都處于氣體介質(zhì)（一般為空氣）的包圍之中，往往是一個電極接高電壓、另一個電極接地。兩極之間絕緣功能的喪失有兩種可能：其一是同體介質(zhì)本身的擊穿，另一是沿著固體介質(zhì)表面發(fā)生閃絡(luò)。由于大多數(shù)絕緣子以電瓷、玻璃等硅酸鹽材料制成，所以沿著它們的表面發(fā)生放電或閃絡(luò)時，一般不會導(dǎo)致絕緣子的永久性損壞。電力系統(tǒng)的外絕緣（除各種絕緣子的外露部分外，還有各種空氣間隙）一般均為自恢復(fù)絕緣，因?yàn)榻^緣子閃絡(luò)或空氣間隙擊穿后，只要切除電源，它們的絕緣性能都能很快地自動徹底恢復(fù)。與之相反的是大多數(shù)電氣設(shè)備的內(nèi)絕緣均屬非自恢復(fù)絕緣，一旦發(fā)生擊穿，即意味著不可逆轉(zhuǎn)地喪失絕緣性能。

實(shí)驗(yàn)表明：沿固體介質(zhì)表面的閃絡(luò)電壓不但要比同體介質(zhì)本身的擊穿電壓低得多，而且也比極間距離相同的純氣隙的擊穿電壓低不少。可見，一個絕緣裝置的實(shí)際耐壓能力并非取決于固體介質(zhì)部分的擊穿電壓，而取決于它的沿面閃絡(luò)電壓，所以后者在確定輸電線路和變電所外絕緣的絕緣水平時起著決定性作用。應(yīng)該注意的是，這不僅涉及表面干燥、清潔時的特性，還應(yīng)考慮表面潮濕、污染時的特性，顯然，在后一種情況下的沿面閃絡(luò)電壓必然降得更低。在設(shè)計工作中，往往需要知道各種絕緣子的干閃絡(luò)電壓（包括在雷電沖擊、操作沖擊和運(yùn)行電壓下）、濕閃絡(luò)電壓（包括在操作沖擊和運(yùn)行電壓下）和污穢閃絡(luò)電壓（主要指運(yùn)行電壓下）。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同間距的條件下，沿面放電有以下的特點(diǎn)：

①沿面閃絡(luò)電壓總是低于純空氣間隙的擊穿電壓，降低的程度決定于電場的均勻性。在均勻電場中降低較多，在極不均勻電場中降低并不顯著；

②極不均勻電場中的閃絡(luò)電壓比均勻電場中的低得多。

在均勻電場中沿面閃絡(luò)電壓比純空氣間隙擊穿電壓降低較多的原因是：

①固體介質(zhì)與電極之間如果接觸不緊密會存在氣隙。由于空氣的ε小，所以首先電離并產(chǎn)生自由電子，為沿面放電提供了有利條件；

②固體介質(zhì)表面容易吸附一定的水分形成水膜，水膜中的離子在電場力作用下積聚在電極周圍，使介質(zhì)表面電場發(fā)生畸變；

③固體介質(zhì)表面具有一定的粗糙度，在使用過程中也會使表面的光潔度受損，致使介質(zhì)表面的微觀電場發(fā)生畸變；

④介質(zhì)表面電阻不均勻，并存在一定污穢。

在極不均勻電場中，沿面閃絡(luò)電壓比純空氣間隙擊穿電壓降低不明顯的原因是：由于電場本來已很不均勻，介質(zhì)表面電場畸變的影響就不大，且此時的空氣間隙擊穿電壓已經(jīng)比均勻電場下的低得多。因此，沿面閃絡(luò)電壓所受的影響也就不明顯。

表面放電是指帶電絕緣體接近接地體時，幾乎在與帶電體和接地體之間產(chǎn)生放電的同時，沿絕緣體表面發(fā)生的放電。它具有固定形狀的發(fā)光（呈樹枝狀，一旦形狀形成時基本不變），如圖1所示。

它的放電能量大，與火花放電相同，極易成為引火源。產(chǎn)生表面放電的條件一是絕緣體帶電量特別大；二是在帶電絕緣體背面的鄰近處有接地體。

表面放電可由不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力平衡或流過電絕緣表面導(dǎo)電層（典型的如潮濕）的泄漏電流產(chǎn)生。某些材料（特別是無機(jī)材料）是非常耐表面敢電的，因此存在放電并不要緊。但在有機(jī)材料中，放電通常會使表面碳化或腐蝕。

對常用的火花放電間隙開關(guān)，當(dāng)放電是單通道時，其間隙的擊穿時延受到放電通道電感和電阻的影響，尤其是電感的影響大。為了減小開關(guān)的擊穿時延，其方法之一是采用固體介質(zhì)作為電介質(zhì)。因?yàn)?，固體介質(zhì)可以做得很薄，固有電感很小。但如前所述，其最大缺點(diǎn)是這種介質(zhì)只能使用一次，而且只產(chǎn)生單次脈沖。減小電感的另一種方法是采用多通道放電。當(dāng)放電通道數(shù)目很多時，通道電感將大大減小。同樣，通道的電阻也減小。但是，為了使火花放電間隙開關(guān)能產(chǎn)生多通道放電，就必須有上升時間很短的、幅值足夠高的觸發(fā)脈沖。同時，在結(jié)構(gòu)上，開關(guān)主電極多采用具有半圓形表面的長條電極，觸發(fā)電極則采用具有長條刀片形狀的電極。考慮了這些因素后，放電通道數(shù)目一般為十幾個或者幾十個。

表面放電開關(guān)，最大特點(diǎn)就是能產(chǎn)生穩(wěn)定的多通道放電，通道數(shù)目多，擊穿延時短而且分散性小，開關(guān)的壽命也長。

表面放電開關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3中的電極為平板形，表面放電開關(guān)的電壓就加在A、B兩電極上。

加在主電極A和B之間的高電壓可以是直流高壓，也可以是脈沖高壓。當(dāng)觸發(fā)電極C加上觸發(fā)脈沖后，由于電極C和電極A、B之間的耦合電容的作用，介質(zhì)表面發(fā)生弱的電暈放電，通過介質(zhì)表面的電流是位移電流，而且沿整個介質(zhì)表面分布。電暈的發(fā)展速度約為5mm/ns。在電暈放電的影響下，主電極A和B之間將發(fā)生多通道表面放電，使間隙導(dǎo)通。2100433B

表面放電依據(jù)固體介質(zhì)處于電極間電場的形式，可分為以下三種類型：

（1）固體介質(zhì)處于均勻電場中，電力線平行于固體與氣體的分界面，如圖2中（a）所示。

（2）固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，且電場強(qiáng)度垂直于介質(zhì)表面的分量（垂直分量）要比平行于表面的分量大得多，如圖2中（b）所示。

（3）固體介質(zhì)處于極不均勻電場中，但在介質(zhì)表面大部分地方電場強(qiáng)度平行于表面的分量要比垂直分量大，如圖2中（c）所示。