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(1.西安热工研究院有限公司，西安 710032； 2.中国华能集团公司，北京 100031； 3.西安高压电器研究院，西安 710048)

0 引言

复合绝缘结构在均匀或稍不均匀电场作用下，两种不同介质分界面附近的电场，导致电场加强。这一理论实际上就是复合绝缘结构中放电往往发生在不同介质分界面的内在原因。通常认为带有固体绝缘介质的气体间隙由于介质沿面放电导致了整个绝缘结构击穿强度的降低。产生沿面放电的内在原因是：气体和固体绝缘的介电常数不同，在电场垂直分量作用下固体绝缘表面电场发生畸变，使沿面固体绝缘表面局部电场增强，导致该处气体放电。影响沿面放电的因素很多，通常有：绝缘介质的介电常数、固体绝缘和电极的表面状况、电极与绝缘(固、气)间的连接方式、固体绝缘的形状和尺寸、气体压力、气体成份、气体中的水分、污染情况以及作用电压的类型等。文献[1]对不同情况下小气体间隙的影响进行了试验研究，通过用胶粘接绝缘子与电极接触面的方法消除小气体间隙的影响，将有小气体间隙影响和消除小气体间隙影响的试验结果进行比较。结果表明，存在小气体间隙的情况下，沿面闪络电压低于纯气体绝缘间隙，气压越高闪络电压降低越明显。电极施加电压瞬间或冲击电压施加在双层绝缘介质上，电极间外施冲击电压U时，双层绝缘介质的场强分别为E1、E2，厚度分别为d1、d2，介电常数分别为εr1和εr2，由于电压作用时间很短，双层电介质按容抗分配，各层电介质中的电场强度与外施电压U的关系为

(1)

其中，气体的介电常数εr1=1

对于引入固体绝缘介质的气体间隙，电极-气体-固体绝缘介质“三结合点”中，气体间隙很小，d2≫d1。同时，气体的介电常数εr1=1。因此，“三结合点”气体间隙承受的场强为：

(2)

固体绝缘材料的介电常数通常为2.5～6.0。由此可知，“三结合点”处微小气隙在工频电压合闸瞬间或外施冲击电压作用下，电场增大数倍，在较低电压下就会发生电极边缘气隙中的局部气体电离，降低初始放电电压。工程上，通过对电极结构进行改进，优化“三结合点”电场分布，提高沿面闪络电压[2-12]。图1所示电极屏蔽结构，内屏蔽结构用于绝缘子长度较短的情况，相比较于外屏蔽结构容易产生电极表面绝缘材料的局部放电，影响固体绝缘强度和机械性能，外屏蔽结构应用相对广泛。

(a)内屏蔽结构

(b)外屏蔽结构图1 内屏蔽和外屏蔽结构Fig.1 Structure of external and internal shielding groove

对外屏蔽槽提升冲击电压作用下“三结合点”沿面闪络进行试验研究，试验采用高压电气设备常用的SF6气体，固体材料为有机玻璃绝缘子，外施电压采用标准雷电波全波冲击电压，对沿面闪络电压和放电分散性进行比较、分析[13-16]。

1 试验研究

1.1 试验方法

试验装置设计：设计密封试验装置，充入一定压力的SF6气体，气体压力可调节。电极采用不锈钢材质，绝缘材料选用有机玻璃绝缘子。选取电极、绝缘子及屏蔽槽尺寸的主要目标是：1)降低三结合点电场强度，达到屏蔽效果；2)避免绝缘子侧面局部电场强度过高或者电场垂直分量过高。有机玻璃的介电常数为3.4，“三结合点”气体间隙电场强度约为两电极间电场强度的3.4倍，屏蔽槽应确保“三结合点”中气体间隙的电场强度低于E0/3.4(E0为平板电极间SF6气体击穿电场强度)，根据式2分析可知“μs级”冲击电压作用下，SF6气体击穿电场强度约为125 kV/cm，因此采取屏蔽措施后三结合点的电场强度低于(125/3.4)≈37 kV/cm。选取平板电极直径为120 mm，有机玻璃绝缘子直径为70 mm，电极间隙距离为30 mm。试验装置及带外屏蔽槽的试验电极及有机玻璃绝缘子结构如图2所示，屏蔽槽关键尺寸分别选择R=3 mm，d=1 mm和R=3 mm，d=3 mm两种组合状态进行试验。

(a)试验装置

(b)外屏蔽电极结构图2 试验装置示意图Fig.2 Test facility sketch

首先，利用ANSYS软件计算有机玻璃绝缘子表面电场强度。平板电极间隙施加400 kV模拟电压，纯气体间隙的平板电极间平均电场强度为133 kV/cm。选取外屏蔽槽结构电极后，沿面电场分布比较均匀，“三结合点”电场强度明显降低，当沿面电场强度最大值为115 kV/cm时，“三结合点”处的电场强度为48 kV/cm，沿面电场垂直分量很小，最大垂直分量约20 kV/cm，模拟计算的电场分布如图3。满足试验要求。

(a)沿面电场分布

(b)沿面电场垂直分量图3 电极增加外屏蔽槽结构后绝缘子电场分布Fig.3 Electric field distribution of the insulator of electrode with the external shielding groove

试验电压及方法：试验采用上升沿为1 μs的负极性冲击电压，电压幅值范围(500～1 000)kV，试验过程中，SF6气体压力选取范围为(0.1～0.6)MPa，气压变化间隔0.1 MPa。试验采用50%放电电压试验程序。图4为试验电压波形和试验过程中绝缘子沿面放电痕迹。

图4 试验电压波形和绝缘子沿面放电痕迹Fig.4 Test voltagewaveform and insulator surface dischage channels

1.2 试验结果

绝缘子沿面闪络电压与纯气体间隙闪络电压比较：引入绝缘子后平板电极间的放电类型主要为绝缘子的沿面闪络，闪络电压与纯气体间隙击穿电压相比明显降低，如图5所示。

图5 绝缘子沿面闪络击穿电压与纯气体 间隙击穿电压的比较Fig.5 Compare with the pure air and insulator surface of discharge voltage

两种情况下的放电电压均随气压增大线性上升，引入绝缘子后放电电压相比气体间隙的放电电压下降很多，而且气压越高放电电压降低越明显。原因是：“三结合点”处小气体间隙场强为电极间平均场强的3.4倍，相比在较低电压下气体开始电离，放电产生的大量初始带电离子，更容易引发绝缘子沿面闪络。随气压增高，沿面闪络电压与纯气体间隙放电电压相比降低程度不断增大，原因是：微观层面，电极与绝缘子接触表面凹凸不平，气体间隙被分成若干小的“气体单元”，随气压增大“小气体单元”的气压增大程度不同，导致“三结合点”处的“气体单元”发生电离放电的电压随气压变化相对并不明显，因此与纯气体间隙相比，随气压增高，发生沿面闪络的电压降低程度不断增大，而且电极与绝缘子接触部位表面光滑程度以及两者间的接触状况，直接影响微观气隙中气体压力随外界气压变化的情况。另一方面，当作用于SF6气体与固体绝缘介质分界面的法向分量不为零时，界面就有可能积聚表面电荷，由于“三结合点”处气隙间的电场方向垂直于绝缘子端面，此处产生的带电离子“复合”相对困难，很难完全消失，积聚于此处的带电离子也是导致沿面闪络电压降低的原因之一。

屏蔽槽对沿面闪络放电电压的影响：在电极上采用外屏蔽措施后，沿面闪络概率降低，两种屏蔽槽结构的电极，其间绝缘子沿面闪络电压与无屏蔽槽结构的平板电极间绝缘子沿面闪络电压提高较多。说明：屏蔽槽形成的等电位区域，大大降低“三结合”气体间隙处电场强度，较好的解决了该区域气体在低电压下电离的问题。降低沿面闪络电压概率，提升沿面闪络电压。沿面闪络电压曲线如图6。

1-无屏蔽槽；2-外屏蔽槽R=3 mm,d=3 mm; 3-外屏蔽槽R=3 mm,d=1 mm图6 电极上有无外屏蔽槽情况下间隙放电电压比较Fig.6 Compare with the discharge voltage of the electrode with shielding groove and without

2 结语

纯SF6气体间隙和带有圆柱形有机玻璃绝缘子的组合绝缘间隙的放电电压随气压增加线性上升，但组合绝缘间隙的放电电压比纯气体间隙的放电电压下降很多,而且气压越高放电电压降低越明显。在电极上增加外屏蔽槽后，间隙放电电压提高了很多，采用R=3 mm，d=3 mm尺寸的外屏蔽槽结构，放电点沿电极圆周均匀分布，没有发生绝缘子表面的沿面闪络。采用R=3 mm，d=1 mm尺寸的外屏蔽槽结构，沿面闪络发生概率低至约20%，绝缘子的沿面闪络电压与纯气体间隙的击穿电压没有明显降低。