高壓輸電線上的絕緣子設計原理介紹

絕緣子一般是由固體絕緣材料制成，安裝在不同電位的導體之間或導體與接地構件之間，是同時起到電氣絕緣和機械支撐作用的器件。現在普遍使用的絕緣子可以按照材料分成三類：陶瓷、玻璃和復合絕緣子。常見的玻璃和陶瓷絕緣子以盤形絕緣子為主，而復合絕緣子則以長棒形為主。在這張照片上能同時看到復合絕緣子（與地面垂直、很細的）和陶瓷絕緣子（與地面平行或成一定夾角，比較粗的那個）。

提到了絕緣子的粗細不均，那就必須得說明一個概念，污閃。

污閃是這樣的：絕緣子在正常運行過程中，受工業排放物以及自然揚塵等環境因素的影響，表面會逐漸積累污穢。干燥條件下，污層不會導電，對絕緣強度的影響較小；但在霧、露、毛毛雨、溶雪等天氣條件下，污層會逐漸受潮濕潤，其中的可溶性電解質成分被水溶解，絕緣子表面形成一層具有一定電導率的水膜，從而開始有泄漏電流流過絕緣子表面。由于絕緣子形狀、積污以及受潮的不均勻等因素，使得絕緣子表面電流分布不均勻，在電流焦耳加熱作用下，泄漏電流密度大的地方溫升高，污層將會首先被烘干而形成干區。由于干區表面電阻率較大，干區形成以后，污層表面的電位分布將會畸變，大部分電壓將會施加到干區兩端。當干區表面電場強度足夠大時，干區表面空氣間隙將會被擊穿，而出現局部電弧。一定條件下，局部電弧會逐漸發展直至貫穿兩極而發生閃絡。由這種閃絡所造成的事故稱為污閃事故。

貼幾張污閃的照片，是高壓試驗大廳做試驗的照片，不是在輸電線路上拍的（廢話）。

此時還沒有發生真正的閃絡。

發生污閃的絕緣子

仔細看這些圖其實不難發現一點，那就是電弧都是沿著絕緣子表面發展的，20 世紀 50 年代，德國學者 Obenaus 大神首先提出污閃的物理模型，認為污閃不同于一般有碰撞電離所引起的氣體放電，它是局部電弧沿面逐步延伸的結果。

圖中：x為局部電弧長度；L為泄漏距離；HV 表示高壓端。當施加電壓為U，此電壓由兩部分承擔：一部分是局部電弧的壓降，另一部分是剩余污層電阻的壓降，可以表示為

而關志成教授則推導出剩余污層電阻的對數表達形式：

其中是污層電導率，是弧根半徑。

與過電壓不同，污閃事故是在運行電壓下發生的，屬于典型的絕緣下降問題。那么，當運行電壓 U 不變的時候，如何能夠讓電弧不產生呢？很明顯，增大泄漏距離 L 是一個很好的辦法，這也就是題主提到的“粗細不均”的原因。在絕緣子長度差不多的情況下，增加這樣的“粗細不均”，能夠在絕緣子總長度一定的情況下有效增加泄漏距離（在外絕緣領域一般稱為爬距），從而降低污閃事故發生的概率。

常用的增加爬距的手段包括增大玻璃、陶瓷絕緣子的盤徑，增加下表面的溝槽深度（防污型絕緣子），給電站絕緣子加裝增爬裙，增加絕緣子片數，增加復合絕緣子的傘裙數量等。

當然，需要指出的是，過密的傘裙結構是不可取的。比如在下雨情況下，絕緣子傘邊會形成水柱，此時傘沿會形成一串的污雨水 - 空氣間隙，傘裙過密，剩余空氣間隙會很少，也會很容易導致雨污閃事故。

也許有人會問，那如果不搞這些“粗細不均”，只是單純增加絕緣子長度行不行呢？這個……我個人感覺，似乎從理論上來說是沒問題的。可是如果這樣做，會有什么結果呢？很顯然的一點，桿塔必須加高加高再加高，否則幾百 kV 的高壓輸電線就要耷拉到地上了。而桿塔加高又會帶來成本大幅上升甚至耐雷水平的問題。

最后說一點題外話，在絕緣子的設計和選型中，常用的方法是：首先按照絕緣子的耐污閃特性選取絕緣尺寸，然后校核該絕緣耐受操作過電壓和雷電過電壓的能力，在中等以上污穢地區更是如此，這是我國電力系統長期運行和設計的經驗。而在我看來，可能還有一個因素：雷擊跳閘事故雖然多，但是基本上重合閘都能成功，真正造成的損失不是特別大；而污閃一旦發生，重合閘基本沒戲，損失會非常慘重，因此在電網內，污閃事故是”零容忍“事故，也就是說，一旦某地某條線路發生污閃事故造成跳閘，必須進行問責，追究當事人責任，在電網這種半軍事化管理的政府型公司里，這還是很可怕的。所以電網的運行人員們對防污閃工作格外重視，什么地方都按照最壞的情況做打算，因而現在污閃事故已經相當少了。