第32卷第16期电网技术V ol. 32 No. 16 2008年8月Power System Technology Aug. 2008 文章编号：1000-3673（2008）16-0037-06 中图分类号：TM86 文献标识码：A 学科代码：470·4037污秽绝缘子闪络机理研究综述张志劲，蒋兴良，孙才新（输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆市沙坪坝区 400044）Summary of Research on Flashover Mechanism of Polluted InsulatorsZHANG Zhi-jin，JIANG Xing-liang，SUN Cai-xin（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University)，Shapingba District，Chongqing 400044，China）ABSTRACT: In this paper the research situation of the flashover mechanism of polluted insulators in recent decades home and abroad, i.e., in the field of circuit model, energy model, dynamic model, re-ignition condition of AC arc, electric field model and the characteristic of arc under low atmosphere pressure, is summarized. According to the high-speed photography of pollution flashover caused discharge process of insulator string with actual size, a DC discharge mathematical model of long insulator string, composed by series-connected residual resistance of pollution layer, surface arc and air gap arc, under low atmosphere pressure is proposed. The future research direction of flashover mechanism of polluted insulator is looked ahead, and it is pointed out that the discharge process of long insulator string with actual size, the key items of the residual resistance of pollution layer of insulator and the measurement of partial discharge characteristic under low atmosphere pressure should be the key item of the research in the future.KEY WORDS: high voltage and insulation technology；polluted insulator；flashover mechanism；DC discharge mathematical model of long insulator string摘要：文章综述了几十年来国内外对污秽绝缘子闪络机理的研究状况，包括电路模型、能量模型、动态模型、交流电弧重燃条件、电场模型以及低气压下的电弧特性等，并根据真型绝缘子串污闪放电过程的拍摄结果，提出了由剩余污层电阻、沿面电弧和空气间隙电弧串联组成的低气压下绝缘子长串直流放电数学模型，同时对未来绝缘子污秽闪络机理的研究方向进行了展望，指出真型绝缘子长串放电过程、绝缘子剩余污层电阻、低气压下局部电弧特性的测量等是今后研究的重点。
关键词：高电压与绝缘技术；污秽绝缘子；闪络机理；绝缘子长串直流放电数学模型0 引言我国地理环境复杂，正在建设的特高压交直流输电线路不可避免地面临污秽、高海拔等特殊自然环境的影响，国内外目前没有特高压设计、建设和运行的经验，所以如何考虑复杂环境对设备外绝缘特性的影响是特高压输电线路面临的技术难题。
到目前为止，包括我国在内的世界各国已对绝缘子污闪开展了大量的研究工作，研究成果成为科研设计单位和运行部门的重要参考资料。
但污闪事故并未从电网中消失，特别是20世纪90年代以来我国电网较大规模区域性的污闪事故日益频繁发生，即我国电网的安全运行承受着大面积污闪的风险，现有的污闪研究成果仍无法满足实际线路运行的需要。
在雾、露、毛毛雨等不利气象条件下，污秽绝缘子在较低电压作用下可能发生闪络。
由污秽引起的绝缘闪络事故目前在电网总事故中已占第二位，仅次于雷害事故，但污闪事故造成的损失却是雷害事故的10倍[1]。
因此人们对污秽绝缘子闪络特性及闪络机理的研究非常重视，并开展了大量的研究工作，取得了一些研究成果[1-35]。
虽然国内外至今对绝缘子污闪机理尚未形成共识，但大多数研究者认为污秽闪络必须经过4个阶段[1-2]，即污秽的沉积、污秽的湿润、烘干区的形成及局部电弧的产生、局部电弧发展成完全闪络。
局部电弧形成后如何发展成完全闪络是污闪机理中的关键问题。
本文将综述和分析几十年来国内外污秽基金项目：国家自然科学基金资助项目(90210026)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (NSFC) (90210026)．38 张志劲等：污秽绝缘子闪络机理研究综述 V ol. 32 No. 16绝缘子闪络机理的研究状况，并根据最近试验研究成果，提出低气压下绝缘子长串直流放电数学模型，解释低气压下染污绝缘子串直流放电的基本规律，以期对掌握污闪基本放电机理、确定复杂环境下超特高压输电线路外绝缘的选择方法等提供参考。
1 一般海拔下污秽绝缘子的闪络机理1.1 污秽绝缘子直流闪络机理（1）平板模型。
德国学者Obenaus 于1958年提出了著名的定量分析污闪过程的电路模型[1]，即如图1所示的局部电弧与剩余污层的串联模型。
图中：X 为局部弧长度；L 为泄漏距离；HV 表示高压端。
HVLX局部电弧剩余污层Fig. 1 A model of pollution flashover circuit该串联模型的数学表达式为c n U AXI R I −=+ (1)式中：U 为外施电压；X 为局部电弧长度；I 为电弧电流或泄漏电流；R c 为剩余污层电阻；A 、n 为反映电弧特性的常数，其数值与电弧周围介质和电弧冷却情况有关。
根据电弧的下降型伏安特性，即局部电弧的电压随泄漏电流的增加而减小，不考虑温度效应时，剩余污层电阻的电压则随着泄漏电流的增大而增加，因此必然存在临界电压U c ，当外施电压不小于U c 时，电弧将向前延伸，达到临界闪络弧长时，电弧失去平衡，发生闪络。
Alston 和Zoledziouski 在Obenaus 模型[2]的基础上求得的污秽闪络的临界电压U c 、临界弧长X c 和临界电流I c 分别为111c c n n n U A Lr ++= (2) c /(1)X L n =+ (3) 11c c (/)n I A r += (4)Boehme 等考虑绝缘子表面染污的不均匀性[3]，Farag 等考虑绝缘子串闪络过程中局部电弧存在的普遍性[4]，对平板模型进行改进和分析，也得到了上述相似的结果。
根据Obenaus 平板模型，当局部电弧产生后，如果其单位长度电弧电阻R arc 小于单位长度剩余污层电阻r c 且外加电压不变，局部电弧将发展成完全闪络，即局部电弧发展成完全闪络的条件为[5-7]arc c R r < (5)Woodson 和Mcelroy 用圆盘模型来模拟绝缘子表面[8]，Wilkins 等把实际绝缘子转换成等价矩形[9-10]，清华大学用椭圆型平板等效绝缘子[6]，基于镜像法和复位函数等推导出了剩余污层电阻与电弧长度之间的函数关系式。
需要说明的是，以Obenaus 经典平板模型为基础的各种电路模型属于静态模型。
（2）能量模型。
Hampton 用一定电导率的水柱作试验，从能量角度提出的局部电弧伸长并完成闪络的条件[11]为a pd /d 0E E i x <⎧⎨>⎩ (6) 式中：E a 为弧柱内电位梯度；E p 为局部电弧前沿水柱内电位梯度；i 为电弧电流；x 为电弧长度。
当局部电弧内电位梯度E a 小于前沿水柱中的电位梯度E p 时，电弧就能伸长发展，即d /d 0i x >，局部电弧发展成完全闪络。
Wilkins 等通过试验研究了半导体釉层长棒形绝缘子的污闪过程，从能量角度提出局部电弧发展成完全闪络的条件[10]为d /d 0P x > (7)式中P 为电弧从电源处获得的能量。
式(7)表明，如果局部电弧延伸过程中从电源获得的能量增加，局部电弧则能发展成完全闪络。
（3）动态模型。
Sundararajan 等在平板模型和能量模型的基础上，假设绝缘子表面均匀污秽、均匀湿润，并且沿绝缘子表面只有一根电弧起主导作用，同时忽略电弧和污层的热特性，提出了分析污秽绝缘子直流闪络特性的动态模型[12]。
根据Obenaus 的平板模型得到的电压表达式为c a arc c s ()U U U R XI I R R =++++ (8) 式中：U c 为阴极电压；U a 为阳极电压；R arc 为单位长度电弧电阻；X 为电弧长度；I 为泄漏电流；R c 为剩余污层电阻；R s 为电源内阻。
忽略电源电阻，则泄漏电流的数学表达式为c a arc c [()]/()I U U U R X R =−++ (9) 由于电弧电压梯度为arc n E AI −= (10)剩余污层电压梯度为111p cnn n E Ar ++= (11)第32卷 第16期 电 网 技 术 39式中单位长度剩余污秽电阻的计算公式为c c /()r R L X =− (12) 电弧电阻随时间τ 的变化关系为21arc arc arc d /d //()n R t R τR I τA +=− (13)电弧发展的判据为p arc E E > (14)设定初始值X 0=1/100 cm ，R arc0=100 Ω/cm ，U c0=700 V ，U a0=200 V ，A 0=63，n 0=0.5，τ0=100 μs ，当电弧长度等于L ，则认为完成闪络。