图1 试验平台示意图
Fig.1 Schematic structure of experimental setup
摘要 为了研究套管结构的外绝缘特性，特别是沿面闪络特性，并且预防和彻底杜绝外绝缘闪络事故的发生，该文针对具有强垂直电场分量试品的沿面闪络特性进行系统的研究分析。首先，试制可以在实验室电压下开展沿面放电的模型试品，搭建开展沿面放电过程及发展研究的试验平台，该平台可以在s级、ms级和ns级三种不同时间尺度下对沿面放电的放电过程以及瞬时电压电流特性进行完整记录；获得具有强垂直分量结构表面特有沿面放电形式的高速摄影拍摄结果，得到其沿面放电发展过程中特有的“羽毛状”电弧头部放电形式，并将放电过程与电压电流特性进行了一一对应。此外，该文还试制聚丙烯、硅橡胶、聚四氟乙烯三种不同绝缘材料的试品。通过对比相同电极结构不同复合绝缘介质的沿面放电规律差异，得到不同复合材料的沿面击穿电压和放电发展长度的定量发展曲线。最后，对模型试验结果和工程经验公式、理论计算结果进行综合对比，验证了试验结果的可靠性。
关键词：高压套管 沿面放电 放电通道 爬电距离
高压设备的气固界面是影响其绝缘强度的薄弱环节[1]，虽然放电的起始位置有所不同，如绝缘介质的三结合点、染污受潮绝缘区域等，但放电的发展和击穿均紧贴绝缘介质表面，放电的形式包括流注和电弧等。气固界面沿面严重威胁到高压设备的安全运行。
对于沿面放电的研究主要包括对放电图像的研究和对放电物理量的研究。前者自1778年Lichtenberg使用粉尘电花图[2-3]以来，已有多种方法进行研究：包括通过高速摄影法拍摄放电路径[4-7]，通过光电倍增管测量放电的发展速度[8-10]等；后者主要关注沿面放电过程中电场强度等物理量的测量，主要有Pockels效应法[11]和静电探头法等方法[12-14]。近年来，随着对表面电荷认识的深入，绝缘材料表面电荷的测量也成为了研究的热点。通过前面提到的Pockels效应法和静电探头法测量表面电位，进一步通过反算得到绝缘材料表面的电荷大小和分布[15-20]，该方法从微观层面揭示了沿面放电机理。
自粉尘法开始已有放电图像研究，然而由于沿面放电过程是流注过程，其发展速度可以达到108m/s[21]，难以直接通过照片拍摄捕捉放电的完整过程，近些年来随着像增强电荷耦合器件相机（Image- intensified Charge-Coupled Device, ICCD）和高速摄影技术的发展，使得有些条件下流注和先导发展的拍摄成为可能[22]。
对于放电的发展形式一般认为其是树枝状发展或细丝状发展，对于放电形态本身的理解还不够深入。此外，已有的放电图像拍摄记录主要针对典型的棒-棒、棒-板或平板电极。然而实际高压设备中发生沿面放电的电极形式往往较为复杂，简单电极模型的试验结果可能与工程设备存在偏差。
本文基于高压套管的电极结构，试制了一组具有强垂直分量的电极结构试品，通过对试品参数的优化，获得了稳定的表面放电形式。本文利用高速摄影仪和ICCD，在ms级和ns级的时间尺度下分别获得具有强垂直分量电极结构的放电图像，同时还对放电过程中的电压、电流参数进行测量。在试验中，发现除了主放电通道存在树枝状分支外，放电通道中部和顶端还存在着弥散状的羽毛状或烟花状放电分支。这一结果在不同的复合绝缘材料上都得到了验证。
试验平台示意图如图1所示。图1中，T1为调压器，T2为变压器, R1为保护电阻，D为分压器，R2为无感电阻传感器，DAQ为数据采集系统。本文中试验平台变压器容量为100kV·A，最大输出电压为50kV，额定输出电流为2A，短路电流为3A，可满足35kV及以下电压等级的绝缘设备试验要求，采用实验室研制的泄漏电流测量系统进行电压电流实时采样。该系统采用高精度电阻式传感器，传感器的输出电压范围为-10～10V，采用多级分段的无感电阻采样，以及和系统并联的压控开关、氧化锌压敏电阻及火花间隙构成的多级保护，可同时对交直流泄漏电流进行测量，测量范围0.5mA～5A，误差范围小于3%，测量采样频率为5 000Hz，可保证电压、电流波形的采样精度。
图1 试验平台示意图
Fig.1 Schematic structure of experimental setup
本文用到的高速摄影仪型号为PhantomV2012，最大拍摄速度可达100万帧/s，具体的拍摄参数为106帧/s，焦距50，曝光时间9.503ms，光圈F2.0，存储时间3.477s，像素512×320。本文用到的ICCD型号为Princeton Instrument PI-MAX3，像素1 024× 1 024，曝光时间连续可调，最短曝光时间为5ns。本试验采用的曝光时间为30ns，曝光成像堆叠为2～30张。使用的示波器为Agilent公司的DSO7104A，采样频率为4GSa/s。
为了研究具有强垂直电场分量结构试品的沿面闪络特性，经过电场仿真计算并在试验后试制了试品，图2给出了设计的试验样品。
试品的参数见表1。本文试制了不同材料的试品用以试验和验证沿面闪络电压和爬电长度之间的关系，各种材料的参数见表2。
图2 试验样品
Fig.2 Picture of slide flashover specimen
表1 试品参数
Tab.1 Parameters of specimen
参 数指 标 法兰外径/mm120 绝缘层内径/mm60 绝缘层外径/mm64 爬电距离/cm5～30 绝缘材料聚丙烯，硅橡胶，聚四氟乙烯 电极材料铜 法兰材料铝
表2 不同材料试品参数
Tab.2 Parameters of specimen with different material
材料相对介电常数表面电阻率rs/W体积电阻率rv/(W∙cm)等效电阻/MW等效电容/pF 聚丙烯3.01.4×10151.4×101622.118.0 硅橡胶3.22.4×10152.3×101634.564.8 聚四氟乙烯2.11.5×10171.6×101811824.5
所用的试品除了绝缘材料的材质不同之外，电极形状、尺寸等参数均相同。
本文对具有垂直分量沿面放电问题，以及放电形态已有的描述多采用刷状放电、树枝状的火花放电。然而，刷状放电本身描述的不精确，树枝状放电实际又多存在于固体电介质中[23-26]。
根据所设计的具有强垂直分量结构的试品，施加40kV的交流电压，用单反相机的延时摄影功能，控制快门的时间为2s，可以得到稳定的沿面放电图样如图3所示。
图3 沿面放电图样
Fig.3 Picture of slide flashover
图3中试品在法兰周围出现了蓝紫色电弧，且放电通道变化迅速，放电通道的发展呈“树枝状”，其放电特征与套管沿面放电的特征相符，则认为已经获得了稳定的沿面放电形态。
为了观察沿面放电在ms尺度下的真实放电形态，使用超高速摄影仪拍摄试品上发生沿面放电的整个过程，拍摄速度为106帧/s，曝光时间为9.503ms。得到了完整的沿面放电击穿放电阶段如图4所示。
图4 沿面放电击穿放电阶段
Fig.4 Four phases of slide discharge breakdown
本文得到的沿面闪络放电图像与传统的流注放电分叉不同，分叉电弧与主电弧夹角可达90°，并且放电紧贴绝缘表面，无空气中流注分量。
由于沿面放电发展速度过快，即使使用超高速摄影仪也无法拍摄得到电弧发展变化的特征，因此选取了四个较为典型的沿面放电电弧发展阶段对整个放电过程进行细致的描述：第一阶段是从电晕到流注的阶段，在试品施加电压后首先会出现电晕，电晕均匀地存在于法兰与绝缘介质接触的环形区域，如图3所示，此时如果继续升高施加电压，均匀分布的电晕中就会出现流注，如图4a所示，有一条明亮的放电通道和周围羽毛状的放电通道；第二阶段是从流注出现到流注伸长，如图4b所示，出现的流注通道沿着电场的方向发展伸长，且流注通道的主通道周围出现了两处羽毛状分支；第三阶段是流注主通道的分支，如图4c所示，虽然电场的方向仍然是水平方向（图4c中从左至右），但是流注主通道的发展却出现了垂直方向，分别向上下两个方向发展，此时可以看到，主通道发展的同时，旁边依然存在羽毛状的分支通道，图4c中存在8个羽毛状分支；如果继续升高施加电压，则会进入第四阶段，如图4d所示。虽然流注的主通道存在垂直方向的分支，但是表面电场方向（水平方向）仍然向前发展，此时，导杆电极处也出现了流注通道，且导杆电极处的流注通道朝着原流注主通道的前端发展，在这一阶段，可以明显地观察到，由法兰发出的流注通道主通道和分支通道周围存在着羽毛状分支电弧，但是由导杆发出的流注通道主通道周围不存在羽毛状分支。当两极分别发出的流注通道在导杆附近处的表面汇合时，整个通道击穿，发出明亮的电弧闪光，此时沿面放电击穿过程完成。
为了排除使用高速摄影仪得到的放电过程源于多次放电累加的结果，采用增强型CCD相机ICCD对流注放电过程进行拍摄，并且采用高频示波器（最高10GHz）对单次沿面放电的电压和电流波形进行记录，二者之间采用同步触发。当示波器测量电流达到阈值时触发示波器，使用示波器的外触发功能同步触发ICCD进行拍摄，这样保证了示波器记录的电压电流波形与拍摄时间同步。ICCD的最小曝光时间为2ns，为了保证拍摄图片的分辨率，实际中采用的曝光时间为30ns，该曝光时间仅为超高速摄影仪曝光时间的1/300。ns尺度下的沿面放电形式如图5所示。
图5 ns尺度下的沿面放电形式
Fig.5 Patterns of slide discharge under ns level
从ICCD拍摄得到的放电图片中可以看到，即使在ns级别的时间尺度之下，滑闪放电的放电通道也存在着流注主通道和羽毛状分支，且羽毛状分支出现在主流注通道的最前端。
采用泄漏电流测量系统对硅橡胶试品和聚丙烯试品在出现稳定沿面放电现象但尚未击穿的阶段进行电压、电流波形的记录，复合材料表面电压和泄漏电流测量结果如图6所示。
从电压、电流波形结果可以看出，施加的电压波形仍是完整的正弦波，但是电流的波形已经出现了明显的畸变和毛刺。首先根据测量的参数可以得到试品的容抗值远大于电阻值，因此电流的主要分量是容性分量，电流的相位超前电压相位90°；其次可以看到电流波形上存在很多毛刺，这些毛刺是高频电流分量，其主要的来源是法兰处出现的电晕放电；最后，可以看到在电流波形在峰值处会出现较大的脉冲，且较负极性电流脉冲正极性电流脉冲出现的更多，幅值也更大，这是沿面放电中的极性效应导致，即交流电流下沿面放电脉冲总是出现在导杆相对于法兰是正极性的条件下。单次放电的电压电流记录结果如图7所示。
图6 复合材料表面电压和泄漏电流测量结果
Fig.6 U-I characteristics of polymer bushing samples
图7 单次放电的电压电流记录结果
Fig.7 Voltage and current of single discharge
当击穿还未发生时，施加电压保持在44.9kV，而流过试品的电流维持在零值。放电发生时，电压迅速下降，下降速度达到9.1×1011V/s，并出现振荡，同时，流过试品的电流在50ns内提高到80mA的最大值。
图4和图5中出现的羽毛状放电现象与一般沿面放电形态相比，分支数更多，甚至存在与外加电场方向垂直的分支通道。出现这一现象主要是因为表面电荷的影响，由于复合绝缘材料表面会积累电荷，在交流电场作用下，因正负离子迁移速度的不同，会在表面积累负极性电荷。这些电荷在放电通道产生时，改变了原本的放电通道，使放电通道头部羽毛状分叉的同时为放电通道提供了电场条件和能量条件。产生羽毛状放电通道所需的能量不再完全直接来自于电源本身，而是来自于绝缘材料表面积累的电荷。这也就解释了羽毛状放电通道发展方向与外加电场方向垂直的现象。表面电荷在放电中的作用机制如图8所示。
图8 表面电荷在放电中的作用机制
Fig.8 Mechanism and procedure of surfacechargeon the discharge
本文针对不同材料的试品进行沿面放电电压的试验。复合材料表面50%闪络电压和爬电距离的关系如图9所示。三种材料的沿面放电起始电压均大于20kV，其中聚丙烯材料和硅橡胶材料的试品起始电压约为22.5kV，聚四氟乙烯试品起始电压最高，为31.2kV。三种材料击穿电压随着爬电距离的增加均呈现饱和的趋势。由于复合材料表面电荷的积聚量随其表面电阻率的增大而增大，根据表面电阻率的关系：聚四氟乙烯＞硅橡胶＞聚丙烯，可以得到三种材料表面电荷积聚能力关系：聚四氟乙烯＞硅橡胶＞聚丙烯。
图9 复合材料表面50%闪络电压和爬电距离的关系
Fig.9 U50-leakage length characteristics of three polymer bushing samples
试验结果表明：①沿面击穿电压随着距离的增大而增大；②沿面击穿电压随距离增大的趋势将随着距离的增大而出现饱和，对于试验中用到的具有强垂直分量的试品，转折点大概在15cm处；③材料的表面电阻率会影响沿面击穿电压，聚四氟乙烯的表面电阻率大于硅橡胶和聚丙烯，起始沿面击穿电压高；④介电常数同时也会影响击穿电压：在5cm爬电距离下，材料介电常数越大，其击穿电压越低，随着爬电距离的增大，基于表面电荷对击穿的影响，介电常数对击穿电压的影响有所减弱。
爬电距离是影响外绝缘强度的重要因素，对于沿面电弧引发的外绝缘击穿问题，采用各种方法提高爬电距离是减少闪络事故发生的根本途径。对于具有强垂直分量的沿面放电问题，尽管最后发生的闪络也是一种电弧形式，但是放电的起始电压和击穿电压对距离的敏感性与污闪不同。在具有强垂直分量结构中，介质表面各处的电场强度差别很大，具体的放电过程为：随着电压的升高，在法兰的周边先出现浅蓝色的电晕放电；然后电压进一步升高，放电形成平行向前伸展的许多细光线，称作刷状放电；当电压到达某临界值时，其中某些细线长度迅速增长，并转变为较为明亮的浅紫色树枝状火花。此种放电很不稳定，放电路径改变迅速，并伴有爆裂声响。
在计算套管的滑闪起始电压时，常采用的表达式[15]为
（1）式中，E0为电晕的起始电场强度；w 为电压的角频率；C0为单位长度的电容；rs为单位长度的表面电阻。由此可以看出滑闪的起始电压与爬电距离的长度没有关系。
对于滑闪放电长度与放电距离的关系，托勒帕从大量试验中总结出刷状放电距离L和电压U的关系[16]为
（2）式中，k为与套管结构有关的常数，
；C为套管的电容值。
由式（2）可以看出滑闪放电的长度和放电电压的四次方呈正比，即滑闪放电电压相对于放电距离来说是一个十分敏感的参数，电压少量增长便可引起爬电距离的快速增长，因此，采用提高爬电距离的方法来提高滑闪电压效果甚微。
在工程应用中，一般采用的经验公式[17-20]为
（3） >图10为聚丙烯试品的沿面击穿电压与爬电长度的关系。可以看出，随着爬电距离的增大，沿面放电击穿电压随之增大，但是当爬电距离超过16cm时，击穿电压的增加速度减缓，由于实验室电源限制，无法进行更大爬距的沿面放电击穿试验，但是放电电压随着爬电距离的增加呈现饱和趋势。
图10 聚丙烯试品的沿面击穿电压与爬电长度
Fig.10 Relationship between the slide flashover voltage and leakage length of polypropylene bushing samples
对试验结果进行拟合可以得到
（4）拟合的相关系数R2=0.989 8，具有良好的可信度。这一结果与式（3）中的经验公式基本相符。说明了试品的沿面放电电压随着爬电距离的增长迅速出现饱和。
对聚四氟乙烯和硅橡胶两种材料放电长度LPTFE、LSIR与其击穿电压拟合得到的结果分别为
（5）
（6）
图11是依据试品表面沿面放电电压得到的平均击穿场强与爬电距离的关系，可以看到随着爬电距离的增长，平均击穿场强减小，从4.45kV/cm减小至1.51kV/cm，已经达到了长间隙空隙击穿的平均电场强度（1～2kV/cm），说明具有强垂直分量试品表面的沿面放电与长间隙击穿过程类似，其放电形式均为流注放电。
图11 聚丙烯试品的平均击穿场强与爬电长度
Fig.11 The average breakdown electric field and leakage length of polypropylene bushing samples
根据试品的沿面放电电压结果得到的拟合公式与已有工程经验公式基本吻合，沿面放电的击穿电压均随着距离的增大很快呈现饱和趋势。在实际工程应用中，由于爬电距离设计受到限制，无法通过提高爬电距离的方法来提高击穿电压。
本文获得了具有强垂直分量结构试品表面沿面放电在不同时间尺度下的放电通道拍摄结果，其放电通道与绝缘子表面污秽式放电通道有很大不同，放电通道细且变化迅速，在放电通道的每一支末端都会出现羽毛状发散的放电图样。
通过测量得到具有强垂直分量试品沿面放电过程中电压、电流的变化。放电电流相位滞后放电电压相位90°，呈现出明显的容性。由于沿面放电击穿通道的产生，放电电流出现明显的毛刺，且电压在正半周时出现的电流毛刺多于在负半周的情况。
沿面放电的击穿电压随着距离的增长很快呈现饱和规律，这种饱和的闪络特性趋势在三种不同的复合绝缘材料表面都是一致的，但是不同的复合绝缘材料对应的沿面击穿电压不同，击穿电压随着材料表面电阻率的增大而增大。沿面放电的平均击穿场强随着爬电距离增大而减小。
本文发现的羽毛状放电形态揭示了滑闪放电这一套管结构中独特的放电形式的真实细节形态，给出了表面电荷在放电形态作用中的机制。由于不同绝缘材料的表面电荷积聚能力不同，最终对应的放电电压也不同。本文的机理性研究可在沿面放电绝缘材料选择方面给出指导，进而从根本上预防和杜绝套管外绝缘闪络事故的发生。
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Surface Discharge Phenomenon and Properties of Strong-Vertical Electric Field Electrode Structures
Abstract Flashover often occurs on external insulators. In order to study the outer insulation properties, especially the surface flashover properties of bushing structure, the models of samples with strong vertical electric field were established and their AC surface flashover characteristics were studied. A platform was set up for recording the surface flashover procedure, real-time voltage and current at three time scales: s level, ms level and ns level. The images of surface flashover under bushing models were recorded through high speed camera and ICCD; Feather-like tip patterns of the surface flashover were discovered and the voltage-current waveforms were recorded simultaneously. The rules of surface flashover under different materials with the same electrode structure were obtained. Meanwhile, by comparing the differences among multiple polymer insulation materials, the surface flashover–creepage length curve of bushing samples was quantitatively obtained. A model based on surface charge and surface flashover channels was established and verified by the experimental results.
keywords：High voltage bushing, surface flashover, flashover channel, creepage length
中图分类号：TM854
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190529
朱明曦 男，1990年生，博士研究生，研究方向为高压设备沿面放电。E-mail: zhu-mx14@mails.tsinghua.edu.cn（通信作者）
王黎明 男，1964年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压外绝缘及电工新技术。E-mail: wanglm@sz.tsinghua.edu.cn
收稿日期 2019-05-06
改稿日期 2019-09-10
国家重点研发计划资助项目（2017YFB0902702）。
（编辑 陈 诚）