金巧芳，李亚伟

（1.绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072）

湿污表面直流局部电弧的演变过程

金巧芳1，李亚伟2

（1.绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000；2.国网四川省电力公司电力科学研究院，成都610072）

飘弧和弧道在湿污表面沿泄漏距离的延伸是局部电弧演变的主要环节。利用高速摄像机观测了不同极性直流局部电弧在湿污表面的演变过程，并从气体放电理论分析和解释了出现上述现象的原因。观测结果表明，负极性电弧比正极性电弧飘弧更严重，且负极性电弧延伸速率高于正极性电弧；电弧延伸过程中，正极性电弧更容易出现分叉和并列弧道的现象，负极性电弧更易出现尖状的头部。负极性电弧更易飘弧是由于电弧与污层之间的流注更易发展，使负极性电弧和污层之间更易保持良好的导电通道，所以飘弧更易维持，也更严重；正极性电弧端部紧贴污层表面，使流注难以发展，电弧延伸困难，而负极性电弧端部和污层之间的距离则保证了起始于电弧端部的负流注迅速向前发展并形成新的电弧，使负极性电弧向前跃进式延伸。

直流局部电弧；湿污表面；飘弧；弧道延伸；流注

0 引言

绝缘子是电力系统中运用最为广泛的器件，虽然成本低廉，但其重要性却不亚于电力系统中的其它任何器件。自绝缘子诞生以来，其污秽闪络问题就一直威胁着电力系统的安全运行。因此，开展对污闪问题的研究，有助于减少污闪的发生，提高电力系统运行的安全性和稳定性。

目前有关直流沿面电弧的研究，主要是S.Farokhi和M.Farzaneh等人研究了冰面上直流电弧发展现象[1-2]。直流电弧沿湿污表面的发展方面，主要有Wilkins、Shkuropat[3-5]，王秀娟[6]以及顾乐观[7]、 张仁豫[8]、孙才新[9]等人通过试验和理论得出的临界闪络电弧的延伸判据。另外，Y.Sabri、M.Farzaneh以及关志成等人通过试验分别研究了冰面和污秽表面交直流电弧的伏安特性[10-12]。以上沿面电弧的研究，要么关注闪络的临界条件，要么关注局部电弧的伏安特性，并未考虑电弧达到临闪长度以前的演变过程，尤其是不同极性直流局部电弧间的差异。

正、负极性电弧在发展过程中出现的差异对闪络电压的影响因试验条件的不同而不同。对于极性效应的解释，也各有不同，目前还没有形成统一的认识。但极性效应不仅存在于直流污闪的过程中，交流污闪过程中也会在电压的正负半周出现极性效应。因此，对直流局部电弧发展过程的深刻理解有助于对交直流绝缘子污闪机理的认识和对污闪电压的准确计算。

因此，笔者利用高速摄像机观察了湿污三角形玻璃板表面，不同极性直流电弧闪络前后3 s内的演变过程，对比了不同极性的局部电弧在飘弧严重程度、弧道端部沿玻璃板表面向对面电极延伸的速率等方面的差异，并从气体放电的角度对这些差异产生的机理进行了分析，以期得到不同极性直流局部电弧演变过程中，差异产生的机制。

1 试品及其布置

绝缘子表面的污秽闪络过程比较复杂，难以对局部电弧演变的物理过程进行细致地观察。因此采用厚1 cm，底边长50 cm，高100 cm的三角形玻璃板作为试品。高压电极和接地电极均为截面1 cm×1 cm的铜棒，长度分别为5 cm和48.5 cm，固定于玻璃板上表面，如图1所示。这样保证了电弧总是从电场强度最为集中的高压电极出发，向接地极单向发展。为使玻璃板保持一定高度且与地面绝缘，采用绝缘支柱在玻璃板的底边和尖端处进行支撑。

图1 三角形玻璃板试品及试验设备布置Fig.1 Triangular glass sample and the arrangement plan of experimental facilities

玻璃板表面盐密为0.05 mg/cm2，灰密为1 mg/cm2。采用NaCl模拟可溶性盐，高岭土模拟不溶性灰分，将两者用一定量的去离子水搅拌均匀后，采用定量涂刷法对玻璃板上表面进行涂刷，然后进行试验。

试验所用电源为±100 kV，5 A的直流电源，加压速度为2 kV/s。电压电流测量系统的采样频率为5 000 Hz。

为研究表面电弧发展的物理过程，利用高速摄像机拍摄了闪络前3 s的局部电弧，拍摄快门速度为1/1 000 s。高速摄像机固定于玻璃板侧面，镜头方向与玻璃板所在水平面呈45°，并与玻璃板中轴线垂直，正对玻璃板俯拍。为弥补摄像机高速拍摄时进光量的不足，采用2 kW无频闪灯对玻璃板表面进行照射补光，照射角与玻璃板平面成45°。

2 试验结果

2.1 飘弧

局部电弧受三种力的作用：热浮力、静电力和电磁力[13]。其中电磁力太小可忽略不计。热浮力和静电力的方向如图2所示，两者方向垂直。

图2 热浮力和静电力Fig.2 Heat buoyancy and electrostatic force

用电弧长度x和其跨接的泄漏距离m之比表征局部电弧飘弧的严重程度。在电弧发展初期泄漏电流较小，热浮力与静电力都比较小，所以飘弧不太严重，但此时电弧发展速度也比较慢，随着泄漏电流的增加，热浮力开始迅速增加，飘弧也变得十分严重。这和闪络试验中观察到的现象是一致的，即泄漏电流越大飘弧越严重。

为对比极性效应，将从负极性电极起始的局部电弧称为负极性电弧，从正极性电极起始的电弧成为正极性电弧[14]（如图3所示）。

图3 负极性与正极性局部电弧Fig.3 Negative and positive partial arc

从对电弧飘弧过程的观察可知，正、负极性电弧都存在飘弧现象，两者在程度上存在不同。泄漏电流大小相同的情况下，负极性电弧可出现长时间持续稳定的飘弧，使电弧弧柱被拉得很长。而正极性电弧飘弧后往往使弧柱区域的弧道迅速熄灭，导致电弧不能持久。

图3为盐密0.05 mg/cm2的玻璃板闪前 420 ms的电弧照片，此时负极性电弧电流105.7 mA，正极性电弧电流133 mA。从图中可以看出，负极性电弧的长度和飘弧的高度明显高于正极性电弧，而且负极性电弧的跨距也明显大于正极性电弧，但由于负极性电弧的飘弧现象极大地增加了电弧的长度，反而导致回路电阻增大，因此同一时刻负极性电弧跨越的泄漏距离长得多，但泄漏电流却比较小。

2.2 弧道的延伸

弧道沿湿污表面的延伸方式主要包括渐进式和跃进式两种。其中渐进式延伸的速度较慢，大约十几至几十米每秒，跃进式延伸速度较快，达到了140～1 700 m/s，但仍小于空气中电弧的发展速度。通过观察发现，负极性电弧弧道延伸速度较快，比较符合跃进式发展的特征，而正极性电弧则是弧足沿湿污表面的缓慢延伸，和渐进式的延伸方式较为吻合。

弧足向前延伸的原因十分复杂，对电弧前端电离起主导用的是电场还是热，抑或两者兼有，目前还存在争议[15]。但无论是电场导致的表面击穿还是热电离，都是碰撞电离在起主导作用，只是能量的来源不同[16]。

为比较正负极性电弧发展状况的不同，选取了表面盐密为0.05 mg/cm2的玻璃板闪络前85 ms～135 ms内不同极性电弧的照片进行对比，如图4所示。

图4 弧足的延伸Fig.4 Extension of arc foot

图4 中两张照片的时间间隔为10 ms。对比两者的发展状况可知，负极性电弧倾向于向上飘弧，和湿污表面的接触比较少，而正极性电弧则紧贴湿污表面。统计这一时段弧道向前延伸的速率，正极性电弧为106 m/s，负极性电弧为187 m/s，由此可见，两者在弧道延伸速率上的差异也十分明显。

在延伸过程中，局部电弧端部会出现多种形态，如图5所示。但除尖状前端以外的弧道端部由于前端面积较大，前方电场相对较弱，因而延伸速度也较慢。正极性电弧紧贴表面发展，因此受到表面状况的影响更大。当前方不同方位出现干燥带时，电弧就会在不同的方向向前延伸，出现分叉（图5a），当某一分叉的前端电场得到加强，该分叉就会向前延伸，别的分叉会被抑制。而当正极性电弧跨距较大时，也会发生飘弧现象，只是飘弧持续时间相对短暂，在此过程中，原先与污层接触的某些部分会在飘起时 “粘滞”在污层表面，并被逐渐拉长，形与前方类似的并列弧道（图5b）。但随着飘弧的继续，新的弧道会逐渐拉长、变细直至最终消失。弥散状（图5c）的电弧端部意味着前方电场强度较弱，其向前延伸的速率很低，甚至可能向后收缩，这往往是由于负极性电弧发展过快，或者由于飘弧电弧使长度迅速增加，导致输入功率的增加跟不上消耗功率的增加量，促使电弧头部向后收缩形成的。而尖状（图5d）的电弧端部往往表明前方电场集中程度很高，使电弧端部表面形成新的流注，并进一步发展成为电弧，这种情况下电弧端部延伸的速率很快，尤其是临闪阶段往往达到300 m/s以上。尖状弧足常见于负极性电弧前端向前延伸的过程中。

图5 电弧发展过程中弧足的形态Fig.5 The form of arc foot on propagation process

随着弧道前端沿泄漏距离向对面电极延伸，局部电弧跨越的泄漏距离逐渐增加，回路电阻减小，电弧前端电场逐渐加强，电弧的延伸速率逐渐加快，并可能达到临闪阶段。如果泄漏电流和外施电压达不到临界闪络条件，电弧将逐渐熄灭。在此之前，弧根处形成新的电弧会逐步向前发展，由于电弧具有自我调整，以使其电压梯度达到最小的性质[17]，故而流经原弧道的泄漏电流逐步转移到新弧道，使原来的电弧逐渐熄灭。

正负极性临闪电弧在形态上也存在明显区别。正极性临闪电弧弧道往往紧贴湿污表面，且没有太多的弯曲；而负极性电弧则由于飘弧形成复杂的形状，且弧道被拉得很长，其形态如图6所示。

在某些情况下，外施电压达到较高的水平以后，正极性电弧仍然未能充分向前延伸，则会在接地极产生负极性电弧，负极性电弧迅速向正极发展，并抑制了正极性电弧的延伸，最终实现负极性闪络。

图6 正极性临闪电弧与负极性临闪电弧Fig.6 Positive and negative critical arcs

3 试验结果分析

3.1 不同极性电弧飘弧程度差异分析

由试验结果可知，无论是临闪前还是临闪状态，正负极性电弧在飘弧严重程度上存在明显差异，负极性电弧飘弧更严重，而正极性电弧则倾向于紧贴污秽表面。对于这一差异文[18]认为由于正极性电弧不能从金属阳极获得电子，而只能依赖阴极区域从污层表面收集电子，飘弧意味着从污层获取电子的电弧区域迅速减少，因而相对于可直接从金属阴极获得电子的负极性电弧，其弧柱稳定性要差得多。而文[14]则认为负极性电弧更易从污秽中吸收Na+，使其电导率增加，弧柱燃烧更稳定，因而也更容易飘弧。而正极性电弧只能依靠紧贴污层的弧道表面获得Na+，以维持其导电性，其收集Na+的能力远不如负极性电弧，飘弧意味着从污层获得Na+的能力急剧减小，使弧柱电导减小，稳定性降低。也正是钠离子浓度的不同导致了两者在E-I的差异。

张志劲等人[19]通过实测得到了不同极性电弧E-I特性差异的存在。

正极性：

负极性：

张仁豫等[20]的测量结果虽与此不同，但也表明负极性电弧的电导率低于正极性电弧，这和负极性电弧更容易获取电子或者Na+，单位长度电导率更高，更稳定的解释相矛盾。

而无论电弧极性如何，与之对应的下方污层由于电流的热效应早已被烘干，而固体状态存在的钠原子电离需要至少10 000K以上的温度[21]，而电弧核心温度也很难达到5 000K以上，鞘层温度更低，不可能使钠原子电离。而作为电极的铜棒，在非常高的场强之下才能出现场致发射产生电子。

因此，局部电弧的导电性能应当从气体放电的角度加以解释。当局部电弧具有正极性时，其下方的污层相当于负极性，如图7（a）所示。由于电弧和污层之间的距离很小，可以认为电弧的径向电场很大，使污层表面产生负流注向电弧发展。

图7 不同极性电弧与污层之间流注的发展示意图Fig.7 The development schematic diagram of streamer between polluted surface and arcs with different polarities

负流注在发展过程中会受到正极性电弧鞘层的正电荷以及电子崩所留下的正电荷的牵制，发展速度会远低于空气间隙中负流注的发展速度，流注无法达到导电良好的电弧核心。而电弧鞘层的电导率远低于核心。因此，如果正极性电弧核心距离污层过远，不利于流注到达电弧核心，这使两者之间的电导率增大，不利于电弧保持稳定。为保持正极性电弧和污层之间良好的导电性，正极性电弧必须紧贴污层表面。

当局部电弧具有负极性时，由于电弧的曲率较大，相对于正极性电弧对应的表面污层更易产生电子崩和流注，并向污层运动。电子运动过程中虽然也会受到电子崩留下的正电荷的影响，但没有了电弧鞘层正电荷的阻碍，负流注向污层运动的速率要比电弧具有正极性时，负流注向电弧运动的速度快得多。故而负极性电弧和污层之间的流注发展相对容易，两者之间的导电性更易建立和维持，飘弧之后相对于正极性电弧仍具有相当的稳定性。

Masaru Ishii[14]等人的研究也表明，正极性电弧弧道大部分，尤其是电弧端部总是紧贴电弧表面，而负极性电弧的电弧端部则和污秽表面保持一定的距离。

这也可以解释正极性电弧出现飘弧时，为保持通道稳定燃烧，总是趋向于和污层保持尽量多的接触面积，因此就会出现“粘滞”的现象，形成并列的电弧通道。

3.2 不同极性电弧的延伸

张志劲、张仁豫等人的研究表明[20-23]，对于相同长度的局部电弧，正极性电弧的压降小于负极性电弧，因此不能单纯以电弧端部前方场强来解释不同极性电弧在弧道延伸速率上的差异。正极性电弧端部紧贴污层，而负极性电弧的端部和污层总是保持一定的距离，造成了两者延伸方式的差异。

当电弧具有正极性时，电弧前端与干燥带靠近接地极侧相当于正极性棒板间隙（图8a）。电离首先在弧道端部前方的空气中产生，产生的电子迅速向电弧端部移动，而正离子则在电场的作用下缓慢向前。这样，电弧与电子之间、正离子前方电场被加强，当电子崩走完全程，便会在电弧端部形成正流注，流注前方再次形成二次电子崩，推动电弧向前发展。但由于电弧端部紧贴污层表面，所以正离子会受到污层的吸引迅速进入污层内，很难到加强前方电场引起新的电子崩的作用，流注的发展也会由于正离子被污层吸收而削弱。因此，正极性电弧端部紧贴污层表面，抑制了端部前方流注的形成，使正极性电弧端部的延伸需要更高的电压来推动。

图8 正、负极性电弧向前延伸原理示意图Fig.8 The extension schematic diagram of arc with different polarities

当电弧具有负极性时，电弧前端与干燥带靠近接地极侧之间相当于负极性的棒板间隙（图8b）。电子崩起始于负极性电弧前端，电子迅速向前扩散留下相对静止的正电荷，导致电弧前端与正电荷之间以及电子前方的电场得到加强，引起新的电离，并产生负流注向前发展。由于负极性电弧与污层之间有一定的距离，且距离远大于电子的平均自由程，故而负极性电弧前端的流注可以顺利发展，使电弧向对面电极跃进式延伸。

需要注意的是，这里无论正负极性电弧的前方只给出了一个方向的二次电子崩。但实际上，流注头部往往会产生多个方向电子崩，当某一方向电子崩的发展较为强烈，其它方向的电子崩就会被抑制，流注会沿此方向向前发展。由于正负极性电弧与污层之间距离的差异，正极性电弧前方某些方向上的二次电子崩的发展会受到污层抑制，不如负极性电弧前方二次电子崩发展得顺利，这也是正极性电弧的延伸速率比负极性电弧慢的原因之一。

显然，正极性电弧对表面状况更为敏感，当前方不同部位出现电场集中时，便会出现方向不同的新电弧通道，使电弧前端形成分叉。而负极性电弧端部流注的发展更为剧烈和迅速，因而在端部形成细丝状的前端，电弧会循着细丝迅速发展。

4 结论

1）负极性电弧飘弧程度比正极性电弧严重，且负极性电弧比正极性电弧具有更高的延伸速率；

2）由于负极性电弧和污层之间的负流注发展不像正极性电弧和污层之间的负流注受到电弧鞘层正电荷的抑制，负极性电弧和污层之间的负流注更易发展，两者之间电导率更易维持，所以飘弧后的负极性电弧比正极性电弧稳定，飘弧程度也更严重；

3）正极性电弧端部紧贴污层表面，使其前端产生的正电荷迅速进入污层，不能有效促进前方空气电离，因此正极性电弧延伸速率较慢；

4）负极性电弧端部和污层表面具有一定的距离，故而负流注可以在电弧端部前方的空气产生，并向前发展，使电弧向前跃进式延伸，其延伸速率高于正极性电弧。

[1]FAROKHI S，FARZANEH M，FOFANA I.Experimental investigation of the process of arc propagation over an ice surface[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2010，17（2）:458-464.

[2]FARZANEH M，ZHANG J.Modelling of DC arc discharge on ice surfaces[J].IEE Proc.Gener.Trorfsm.Distrib.2000，147（2）:81-86.

[3]WILKINS R.Flashover voltage of high-voltage insulators with uniform surface-pollution films[J].Proc.IEE，1969，116（3）:457-465.

[4]WILKINS R，AL-BAGHDADI A A J.Arc propagation along an electrolyte surface[J].PROC.1EE，1972，119 （12）:1886-1892.

[5]BILLINGS M J，WILKINS R.Considerations of the suppression of insulator flashover by resistive surface films[J].Proceedings of the Institution of Electrical Engineers，1966，113（10）:1649-1653.

[6]王秀娟，王刚，许傲然，等.染污情况下硅橡胶表面直流电弧特性研究[J].电瓷避雷器，2015，138（6）:34-38.WANG Xiujuan，WANG Gang，XU Aoran，et al.Study of DC arc characteristics on polluted silicon rubber surface[J].Insulators and Surge Arresters，2015，138（6）:34-38.

[7]顾乐观，孙才新.电力系统的污秽绝缘[M].重庆：重庆大学出版社，1990.

[8]张仁豫.绝缘污秽放电[M].北京：水利电力出版社，1994.

[9]孙才新.大气环境与电气外绝缘[M].北京：中国电力出版社，2002.

[10]SABRI Y，FARZANEH M，ZHANG J.Arc characteristics of polluted insulators covered with ice[C].Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena，2006:437-440.

[11]关志成，张仁豫.染污绝缘子在直流电压下的污闪条件分析[J].清华大学学报（自然科学版），1986，28（2）:59-68.GUAN Zhicheng，ZHANG Renyu.Analysis of the flashover criterion of polluted insulator under DC voltage[J].Journal of Tsinghua University （Science and Technology），1986，28（2）:59-68.

[12]关志成，张仁豫.染污绝缘子在交流电压下的污闪条件分析[J].清华大学学报（自然科学版），1986，28（3）:60-64.GUAN Zhicheng，ZHANG Renyu.Analysis of the flashover criterion of polluted insulator under AC voltage[J].Journal of Tsinghua University （Science and Technology），1986（26）:30-39.

[13]JOLLY DAVID C.Contamination flashover part I:theoretical aspects[J].IEEE Transaction on Power and Apparatus Systems，1972，PAS-91:2437-2442.

[14]MASARU LSHII，HIROKAZU OHASHI.Polarity effect in dc withstand voltages of contaminated surfaces[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation，1988，23（6）:1033-1042.

[15]张仁豫.绝缘污秽放电[M].北京:水利电力出版社，1994.[16]梁曦东，陈昌渔，周远翔.高电压工程[M].北京：清华大学出版社，2003.

[17]HOYAUX M F.Arc physics[M].Springer Press，Berlin Heidelberg，1968.

[18]关志成，陈原，梁曦东，等.合成绝缘子直流污闪极性效应的研究[J].清华大学学报（自然科学版），1999，39（5）:13-15.GUAN Zhicheng，CHEN Yuan，LIANG Xidong，et al.Polarity effect of DC contamination flashover of composite in sulators[J].Journal of Tsinghua University（Science and Technology），1999，39（5）:13-15.

[19]张志劲，蒋兴良，胡建林，等.低气压下的直流电弧特性[J].高电压技术，2009，35（4）:790-795.ZHANG Zhijin，JIANG Xingliang，HU Jianlin，et al.Characteristic of DC arc under low air pressure[J].High Voltage Engineering，2009，35（4）:790-795.

[20]张仁豫，关志成，黄超峰.低气压对玻璃板表面污闪电压的影响[J].电网技术，1994，18（3）:17-21.ZHANG Renyu，GUAN Zhicheng，HUANG Chaofeng.The influence of low atmosphere pressure on flashover voltage of contaminated glass plate[J].Power Systerm Technology，1994，18（3）:17-21.

[21]关志成.绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京：清华大学出版社，2006.

[22]金向朝，占亮，邱毓昌.污秽绝缘子闪络的动态模型探讨[J].电瓷避雷器，2003（6）:6-8.JIN Xiangchao，ZHAN Liang，QIU Yuchang.Discussion on dynamic flashover model of pollution insulator[J].Insulators and Surge Arresters，2003（6）:6-8.

[23]丁京玲，党镇平，姚喜年，等.±800 kV直流棒形悬式复合绝缘子的研究[J].电瓷避雷器，2011（2）:1-6.DING Jingling，DANG Zhenping，YAO Xinian，et al.Research on±800 kV DC rod composite suspension insulator[J].Insulators and Surge Arresters，2011（2）:1-6.

Evolution Process of DC Partial Arc on Wet-Polluted Surface

JIN Qiaofang1，LI Yawei2
（1.Shaoxing Vocational&Technical College，Shaoxing 312000，China；2.State Grid Sichuan Electric Power Research Institute，Chengdu 610072，China）

The evolution process can be divided into two categories——arc floating through the air，and the propagation of arc foot.High speed camera is used for observing the partial arc evolution process on the wet-polluted triangle glass plate under DC voltage，and the mechanism of arc evolution is analyzed.According to the investigating result，negative arc column is easier to float and propagate than positive arc column，and the positive arc is more likely to fork than negative arc on the partial arc extending processes are presented in this paper.The streamer between the arc column and the polluted surface is more likely to propagate，this phenomenon make the gap between the arc and the polluted surface has good conductivity，and then the floating arc column maintain easily.The positive arc lay close to the polluted surface，therefore the streamer is difficult to continuously develop，and so did the arc extension.On the contrary，the distance between the arc foot and the polluted surface guaranteed the streamer ignited from the arc foot can move forward rapidly and then new arc column leap-forward develops.

DC partial arc；wet-polluted surface；arc flow；arc extension；streamer

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.01.029

2016-08-14

金巧芳 （1972—），女，讲师，主要研究方向：电力系统自动化、电子与通信。