CN201331982Y - 一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子 - Google Patents

Abstract

一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，涉及一种电气强度高的线路、支柱及套管绝缘子。在绝缘子的上、下电极外设置上、下屏障，在绝缘子串的串接电极外设置中间屏障，在有上、下均压环的绝缘子的上、下均压环外设置上、下环屏障，在靠近绝缘子的铁塔和输电线附近设置铁塔屏障和输电线屏障。本实用新型在绝缘子两电极之间设置一重和多重能提高绝缘子的外绝缘强度的屏障，将传统绝缘子的二元素结构改变为三元素结构，即由电极、绝缘体和屏障三部分组成。屏障阻止运动电荷从一个区域进入到另一个区域，使电场分布处于紧张状态的区域得到缓和；显著提高绝缘子的起始电晕电压和闪络电压，减小无线电干扰，减少高压输电线的电能损耗，减轻绝缘子的劣化。

Description

一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子

技术领域

本实用新型涉及一种电气强度高的线路绝缘子、支柱绝缘子以及套管绝缘子。

背景技术

电力系统由电能的产生、电能的输送以及电能的使用等三部分组成。电能的输送需要一整套设备，这套设备主要包括有输电线、杆塔、绝缘子和变压器，其中绝缘子是用来固定输电线，并使其对大地保持一定绝缘距离的设备。

绝缘子按用途可以分成三种主要形式：线路绝缘子、支柱绝缘子和套管绝缘子。线路绝缘子是固定架空输电线路的绝缘部件，支柱绝缘子是支承高压电气设备带电部分的绝缘部件，套管绝缘子是将带电导体穿过高压电气设备金属外壳或母线穿过墙壁时的绝缘部件。

线路绝缘子的结构随着输电电压的升高以及绝缘材料的进步而变化。当输电电压较低时，可以使用图1中的针式绝缘子13，由于这种绝缘子是“可击穿型”绝缘子，所以目前许多地区开始使用线路柱式绝缘子，根据使用的绝缘材料不同，有图2中的瓷质材料线路柱式绝缘子14，图3中的复合材料线路柱式绝缘子15。

当输电趋向于更高的电压时，线路绝缘子一般使用图4中的瓷质和玻璃盘形悬式绝缘子16以及图5中的由它们组成的绝缘子串17所示。由于电瓷生产工艺和有机材料的发展，瓷质和复合材料棒形悬式绝缘子也开始推广，如图6中的瓷质棒形悬式绝缘子18、图7中的复合材料棒形悬式绝缘子19。随着输电电压的进一步升高，图8中的瓷质棒形悬式绝缘子串20也开始使用。

为了保护图9中的棒形悬式绝缘子21和图10中的绝缘子串22在闪络时免于损害，并且在正常电压下使电压分布均匀，常使用图9中的上均压环10(也称保护金具)，图10中的下均压环11。

支柱绝缘子如图11中的电站支柱绝缘子23，在电压等级较高时，常用几个支柱绝缘子组装成图12中的绝缘子柱24，由于沿绝缘子表面的电压分布不均匀，因此一般采用图12中的上均压环10。

目前套管绝缘子采用图13中的瓷套管绝缘子25，近年来复合材料外套因其轻便和耐污，所以上述套管也可以用复合材料代替。

空气的绝缘特性广泛被应用于高压电气设备的绝缘中，绝缘子电气强度的破坏通常分为绝缘子内部发生的破坏性放电和沿绝缘子外表面的空气放电。在运行过程中，为了避免绝缘子内部被击穿，要求绝缘材料的击穿电压必须比表面放电电压高出1.5倍左右，因此绝缘子的电气强度通常取决于后者。由于绝缘子的表面闪络是沿其表面的空气放电的结果，又由于暴露在空气中的绝缘子表面的绝缘称为外绝缘，所以绝缘子的电气强度常称为绝缘子的外绝缘强度，要研究绝缘子的外绝缘强度，就要深入研究气体放电的理论。

最早的绝缘子于1844年出现在美国的华盛顿与巴尔的摩之间的长40英里有线通讯线路中。最早的输电线绝缘子出现在1897年，它是在电信绝缘子的基础上发展起来的，在结构上与电信绝缘子没有任何区别，在输电线绝缘子诞生的1897年，气体放电理论根本还未出现。

最早的气体放电理论是英国科学家汤逊(J·S·Townsend)于1903年提出的，而在此时已有电压等级为20kV的绝缘子运行在电网中，遗憾的是，汤逊气体放电理论的出现并没有成为当时绝缘子的新的设计思想，绝缘子的结构仍然与59年之前诞生之初相同。

汤逊气体放电理论只适合于低气压的情况。1939年雷特(H·Rlether)和米克(J·M·Meek)两人共同提出了一种适合大气条件下的气体放电理论——流注理论。而此时绝缘子的电压等级已发展到287kV，遗憾的是这种新的放电理论仍然被绝缘子领域排除在外。

上述汤逊气体放电理论和流注理论的前提是电极之间为均匀电场，而在高压电气设备的绝缘结构中，电场大多数都属于极不均匀电场。在极不均匀电场中的气体放电与均匀电场时有显著不同，例如电极间隙在完全击穿以前，在曲率半径较小的电极附近常产生电晕放电。电晕放电起源于一个电极，但是不到达另一个电极，而且不断变更位置。在放电的这一阶段，空间电荷的存在具有特别重要的意义。

在极不均匀电场中，还存在长间隙放电的问题，当绝缘子两电极之间的绝缘距离超过一米时，流注的发展不足以贯穿间隙两端，这时流注放电会发展为比流注过程更为强烈、更为炽热的热电离通道，这种热电离的通道人们称为先导。在长间隙下，整个间隙的击穿过程是在流注放电的基础上再由先导贯穿整个间隙，最后导致主放电来完成的。

以上即为绝缘子诞生之后所出现的各种气体放电理论。而上述理论一直都被绝缘子领域拒之门外，因此100多年来，上述三种绝缘子的设计思想和产品结构没有任何变化。从设计思想看，绝缘子的两个电极间的距离决定其绝缘水平，从结构上看，所有类型的绝缘子虽然外形有所不同，但都是由绝缘本体和连接金具两大元素组成。虽然绝缘子诞生以来涌现出不计其数的绝缘子专利，但是这些专利都没有对绝缘子的上述设计思想和产品结构提出质疑，因此在提高绝缘子的外绝缘强度上一直没有突破性的进展。

本申请人认为传统绝缘子设计思想有以下错误：

一、没有认识到电信绝缘子和电力系统中的绝缘子是两种运行条件完全不同的绝缘子。对于电信绝缘子，其工作电压很低，此时空气是极好的绝缘体，所以两电极间不会发生气体击穿现象。而对于电力系统中的绝缘子，情况就完全不同了。两电极间的气体放电现象经常发生。而根据气体放电理论，在高电压下，前者会产生在低电压下不会出现的新的过程和新的现象。但是一百多年来，电力系统的输电电压等级已经在通信绝缘子工作电压的基础上增加了几千倍，但是绝缘子在结构上没有发生任何变化，电极和绝缘体仍然是组成绝缘子的两大元素，当电压增高时，绝缘子只是在绝缘长度上线性增长。

二、没有考虑极不均匀电场中的电晕现象。在高电压下，绝缘子的绝缘距离会增加，因此电极的曲率半径相应也显得很小，这时会产生低电压时不会出现的电晕放电，电晕放电产生的空间电荷改变了电极间的电场分布，放电的进一步发展会随着电场的分布的不同而不同，而此时的电场分布不仅决定于电场的形状和电极间的距离，而且还决定于气体游离过程的发展而产生的空间电荷。

三、仅从静电场的角度来考虑绝缘子的闪络电压。静电场理论认为：在绝缘子的电极形状决定之后，绝缘子的闪络电压基本上由两个电极间的距离决定的。按照这种观点，只要两个电极的距离不变，那么它们之间的绝缘强度就是一定的。这个观点体现在所有关于电力设备绝缘的国内外标准之中，也体现在所有电力设备的外绝缘结构中。在低电压下，空气不会被电离，因此绝缘子的两电极间没有运动电荷，因此用静电场理论可以指导低压绝缘子的外绝缘设计。但在高电压下，由于绝缘子的两电极之间是极不均匀电场，会产生电晕放电，因此在绝缘子的电极附近就充斥着运动的电荷，故绝缘子两电极间的闪络电压就不能仅用静电场理论来决定。由于上述静态的设计思想和单调的二元素结构，导致一百多年来在提高绝缘子的外绝缘强度方面一直没有突破。

四、没有认识到在大多数情况下，绝缘子的沿面放电是长间隙放电。当绝缘子两电极之间距离小于一米时，间隙的击穿过程与电晕放电和流柱放电有关。当间隙距离超过一米时，绝缘子的沿面放电是长间隙放电，此时间隙的击穿过程与电晕放电、流柱放电和先导放电有关，而在传统绝缘子的设计中，并没有区别对待上述两种不同性质的放电。

五、没有将绝缘子与铁塔、输电线作为一个整体，然后在这个整体的基础上来考虑提高绝缘子的闪络电压。虽然在传统设计中，考虑了均压环，但是均压环的设计思想仍然是以静电场理论作为基础，因此在均压环的形状决定之后，绝缘子的闪络电压由一环对另一个电极或者两环之间的距离决定，这仍然落入了传统设计思想的框框之中。

单独的绝缘子由于两电极形状基本相同，所以施加电压后呈现的是对称电场，但是，当绝缘子悬挂了输电线并和铁塔相连接之后，绝缘子就处于不对称电场之中。因为铁塔和输电线都是导体，所以输电线和铁塔都是电力线的吸引体，它们可以改变绝缘子周围的电场，也可以改变绝缘子的闪络路径，因此绝缘子的闪络电压与铁塔和输电线密切相关。在绝缘子附近的输电线形式和绝缘子附近的铁塔形式都会对绝缘子的电气性能产生很大的影响。

发明内容

本实用新型的目的是针对上述现状，旨在提供一种在所有电压等级的线路绝缘子、支柱绝缘子以及套管绝缘子上设置屏障，从而提高其外绝缘电气强度的绝缘子。

本实用新型目的的实现方式为，一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，在绝缘子的上电极外设置上屏障，下电极外设置下屏障，在绝缘子串的串接电极外设置中间屏障，在有上、下均压环的绝缘子的上、下均压环外设置上、下环屏障，在靠近绝缘子的铁塔和输电线附近设置铁塔屏障和输电线屏障。

当绝缘子的两电极间有空间电荷存在时，由于这些空间电荷处于运动状态，因此静电场理论在此时失效，绝缘子的闪络电压不能仅由静电场决定，而应该由电场和电场中的运动电荷共同决定。电荷的运动形式造成了闪络路径的变化，因此本实用新型将在现有绝缘子的结构形式的基础上，即在绝缘子的电极形状和电极距离保持不变的情况下，考虑空间电荷的因素，在绝缘子两电极之间设置一重和多重能提高绝缘子的外绝缘强度的屏障，将传统绝缘子的二元素结构改变为三元素结构，即由电极、绝缘体和屏障三部分组成。

屏障有阻止运动电荷从一个区域进入到另一个区域的作用，而且运动电荷在所存在的区域内可以得到扩散，使该区域内的电场强度降低，从而使各个区域内的电场分布进行重新分配，使电场分布处于紧张状态的区域得到缓和。另一方面，屏障表面的空间电荷改变了放电的路径，增强了放电的分级性，延长了放电时间，因此可以显著提高绝缘子的闪络电压。屏障的设置提高了起始电晕电压，因此可以减小无线电干扰，减少高压输电线的电能损耗，还可以减轻绝缘子的劣化；屏障本身增加了爬电距离，而且屏障又由有机材料制成，所以又提高了绝缘子的污秽闪络电压；屏障还可以使得绝缘子表面被雨水浇湿的部分减少，起到提高湿闪络电压的作用；屏障还将使传统绝缘子与铁塔、输电线共同形成一个和谐的整体，使绝缘子的外绝缘强度在这个整体的基础上得到提高。

本实用新型也适用于高压开关柜中。

附图说明

图1为在传统瓷针式绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图2为在传统瓷线路柱式绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图3为在传统复合材料线路柱式绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图4为在传统瓷或玻璃盘形悬式绝缘子串中，在顶部第一片绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图5为在传统瓷或玻璃盘形悬式绝缘子组成绝缘子串中，在中部串接部分的绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图6为在传统瓷线路棒形悬式绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图7为在传统复合材料线路棒形悬式绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图8为在传统瓷线路棒形悬式绝缘子串中，在中部串接部分的绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图9为在线路绝缘子使用上均压环的情况下设置屏障的本实用新型结构主视图

图10为在线路绝缘子使用下均压环的情况下设置屏障的本实用新型结构主视图

图11为在电站支柱绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图12为在几个支柱绝缘子组成的绝缘子柱上设置屏障的本实用新型结构主视图

图13为在套管绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图14为在长支柱绝缘子上设置悬浮电极和屏障的本实用新型结构主视图

图15为在长复合悬式绝缘子上设置悬浮电极和屏障的本实用新型结构主视图

图16为另一种在长复合悬式绝缘子上设置悬浮电极和屏障的本实用新型结构主视图

图17为在长套管绝缘子上设置悬浮电极和屏障的本实用新型结构主视图

图18为在电气化铁道腕臂式绝缘子上设置屏障的本实用新型结构主视图

图19为在铁塔附近设置屏障的本实用新型结构主视图

具体实施方式

本实用新型将在现有绝缘子的结构形式的基础上，即在绝缘子的电极形状和电极距离不变的情况下，考虑空间电荷的因素，在绝缘子两电极之间设置一重和多重能提高绝缘子的外绝缘强度的屏障，将传统绝缘子的二元素结构改变为三元素结构，即由电极、绝缘体和屏障三部分组成。

因为电晕总是电极开始的，又因为在不均匀电场中，电极附近的电场很强，所以屏障应设置在电极附近，使绝缘子在电晕阶段就受到屏障的阻止作用。屏障的设置提高了起始电晕电压，因此可以减小无线电干扰，减少高压输电线的电能损耗，还可以减轻绝缘子的劣化。

电场的分布可以用等位线来表示，这些等位线有不同的倾斜度，要利用这些倾斜度来设计屏障的形状，使该形状尽可能和等位面平行，从而使沿面闪络电压得到较大提高，因为带电粒子沿平行于等位面的屏障表面运动时，不能从电场中吸收能量，所以放电不易发展。

此外，屏障本身还可以使得绝缘子表面被雨水浇湿的部分减少，起到提高湿闪络电压的作用，同时屏障本身也增加了爬电距离，而且屏障又由有机材料制成，所以又提高了绝缘子的污秽闪络电压。

本实用新型在设置线路绝缘子的屏障时，要考虑盘形悬式绝缘子串和棒形悬式绝缘子的不同，同时还要考虑瓷质和复合材料棒形悬式绝缘子的不同。在考虑支柱绝缘子的屏障时，要考虑单支和多支串联时的不同。在考虑套管绝缘子的屏障时，要考虑短套管与长套管的不同。在上述绝缘子带有均压环时，也要考虑相应的屏障设置，在考虑了铁塔和输电线因素以后，将依靠设置屏障的数量、位置和形状来提高绝缘子的外绝缘强度。

下面根据附图详述本实用新型：

在图1、图2、图3、图6、图7和图13的针式绝缘子13、瓷质材料线路柱式绝缘子14、复合材料线路柱式绝缘子15、瓷质棒形悬式绝缘子18、复合材料棒形悬式绝缘子19和瓷套管绝缘子25的上电极8外设置上屏障1，下电极9外设置下屏障2。

在图4的瓷质盘形悬式绝缘子串顶部的第一片绝缘子16的上电极8外设置上屏障1。

图5的瓷质和玻璃盘形悬式绝缘子串17的上电极8外设置上屏障1，中部串接部分和底部的最后一片绝缘子外设置中间屏障3。

在图8的瓷质棒形悬式绝缘子串20的中部串接电极外设置中间屏障3。

在图9的棒形悬式绝缘子21的上均压环10外设置上环屏障4。屏障4也适合于瓷质和玻璃绝缘子串的上均压环。

图10中的绝缘子串22的下均压环11外设置下环屏障5。屏障5也适合于复合绝缘子的下均压环。

在图11的电站支柱绝缘子23的上电极8外设置上屏障1，下电极9外设置下屏障2。屏障2也可以固定在两伞裙之间。

图12是由几个支柱绝缘子组成的绝缘子柱24，在绝缘子柱24的上电极8外设置上屏障1，下电极9外设置下屏障2，中部串接电极外设置中间屏障3，上均压环10外设置上环屏障4。屏障3也可以固定在两伞裙之间。

图13中的屏障2也可以固定在瓷套管绝缘子25的两伞裙之间。屏障2也适合复合材料套管绝缘子。

在图14、图15、图16和图17的长支柱绝缘子26、一长复合悬式绝缘子27、另一长复合悬式绝缘子28和长套管绝缘子30的绝缘距离超过一米时，而且绝缘子不存在悬浮电极或者悬浮电极距离超过一米时，在长支柱绝缘子26、一长复合悬式绝缘子27、另一长复合悬式绝缘子28、长套管绝缘子30的绝缘体上先设置悬浮电极7，使得各悬浮电极间的距离小于一米，然后再在悬浮电极7附近设置中间屏障3。中间屏障3也可以固定在两伞裙之间。

参照图18，在电气化铁道腕臂式绝缘子29的上电极8外设置上屏障1，下电极9外设置下屏障2。

安装在如图19所示的铁塔12上和安装在输电线附近的绝缘子，在绝缘子附近设置铁塔屏障6和输电线屏障。屏障6和输电线屏障使传统绝缘子与铁塔、输电线共同形成一个和谐的整体，使绝缘子的外绝缘强度在这个整体的基础上再得到提高。

Claims (10)

1、一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于在绝缘子的上电极外设置上屏障，下电极外设置下屏障，在绝缘子串的串接电极外设置中间屏障，在有上、下均压环的绝缘子的上、下均压环外设置上、下环屏障，在靠近绝缘子的铁塔和输电线附近设置铁塔屏障和输电线屏障。

2、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于上、下屏障、中间屏障、上、下环屏障、铁塔屏障和输电线屏障为固定屏障或可拆卸屏障。

3、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于针式绝缘子(13)、瓷质材料线路柱式绝缘子(14)、复合材料线路柱式绝缘子(15)、瓷质棒形悬式绝缘子(18)、复合材料棒形悬式绝缘子(19)、电站支柱绝缘子(23)、瓷套管绝缘子(25)和电气化铁道腕臂式绝缘子(29)的上电极(8)外设置上屏障(1)，下电极(9)外设置下屏障(2)。

4、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于在瓷质和玻璃盘形悬式绝缘子串(17)顶部的第一片绝缘子(16)的上电极(8)外设置上屏障(1)，中部串接部分和底部的最后一片绝缘子外设置中间屏障(3)。

5、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于在瓷质棒形悬式绝缘子串(20)中部串接电极外设置中间屏障(3)。

6、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于在棒形悬式绝缘子(21)的上均压环(10)外设置上环屏障(4)。

7、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于在绝缘子串(22)的下均压环(11)外设置下环屏障(5)。

8、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于在由几个支柱绝缘子组成的绝缘子柱(24)的上电极(8)外设置上屏障(1)，下电极(9)外设置下屏障(2)，中部串接电极外设置中间屏障(3)，上均压环(10)外设置上环屏障(4)。

9、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于在长支柱绝缘子(26)、一长复合悬式绝缘子(27)、另一长复合悬式绝缘子(28)和长套管绝缘子(30)的绝缘体上先设置悬浮电极(7)，在悬浮电极(7)附近设置中间屏障(3)。

10、根据权利要求1所述的一种能提高外绝缘电气强度的绝缘子，其特征在于安装在铁塔(12)上和输电线附近的绝缘子，在绝缘子附近设置铁塔屏障(6)和输电线屏障。

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