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对传统绝缘子的再思考

August 14, 2015 • Columns, Commentary from Professor Zhang, 最近文章汇总

1837年,摩尔斯发明了电报技术,它使电 信号沿导线的传播成为可能,实现了人类 远距离传输和交换信息的通信方式。7年之 后,伴随着华盛顿与巴尔的摩之间第一条 长40英里有线通讯线路的架设,世界上第 一支电报绝缘子于1844年应运而生。 电力作为公用事业开始于1882年,托马斯·爱迪生在纽约市建立了世界上第一座 发电厂,该厂由6台直流发电机组成,用120伏的电压向附近约2.6平方公里的用户供电。 一位来自克罗地亚的年轻移民 - 尼古拉·特斯拉,他当时是爱迪生 电力公司年轻的工程师。他强烈地感觉到利用交流电来给用户供 电可能是更安全和更有效的,有了这个梦想之后,特斯拉发明了 世界上第一台交流发电机,并于1888年获得了交流输电系统的专 利,1893年,特斯拉的交流电点亮了芝加哥的哥伦比亚世界博览 会的现场。4年之后,伴随着交流输电线路的架设,世界上第一支 电力绝缘子于1897年应运而生。 从1897年到今天的2010年,时间已经过了113年,目前的输电等 级已经发展到了超高压和特高压;线路绝缘子、电器绝缘子和电 站绝缘子的电压等级和种类也越来越多;绝缘材料也由过去的瓷 绝缘发展到玻璃绝缘和复合材料绝缘;输电方式也由交流的一 统天下的格局发展到早晚必将会师在一起的交、直流并存的状 态。113年来世界发生了翻天覆地的变化,但是绝缘子的设计思想 和结构并没有任何改变。从设计思想看,绝缘子两个电极间的距 离决定其绝缘水平,从结构上看,所有电压等级、所有绝缘材料 和所有类型的绝缘子虽然有所不同,但都是由绝缘本体和连接金 具两大元素组成。我把它们统称为二元素结构,电极为第一个元 素,绝缘体为第二个元素。 空气的绝缘特性广泛地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击穿和沿绝缘 子外表面的空气闪络。前者意味着绝缘子已经损伤,而后者在电 压迅速消除后不会引起绝缘子的任何故障。所以在运行过程中, 为了避免绝缘子内部被击穿,绝缘子的设计原则是:绝缘子击穿 电压至少要高于其闪络电压1.5倍,因此绝缘子的电气强度通常取 决于其闪络电压。 由于绝缘子的闪络是沿其表面空气放电的结果,因此为了研 究闪络必须研究气体放电理论。而气体放电主要由电子引起 的。1897年,也就是世界上第一支电力绝缘子的诞生年代,英国 科学家J.J.汤姆逊才刚刚发现了电子。因此可以大胆地下一个结 论:在1897年之前,当人们根本不知道何为气体放电之前,二元 素结构绝缘子已经存在了。 六年之后的1903年,英国科学家J.S.汤逊提出了世界上第一个气 体放电理论,而在此时已有电压等级为40kV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 新的设计思想,绝缘子的结构仍然与1897年的相同。 36年后,气体放电的第二个理论由H.雷特和J.M.米克于 1939年提出,而此时的输电电压已经发展到287kV,遗憾的是: 这种放电理论仍然被挡在绝缘子设计的大门之外,绝缘子的结构 仍然与1897年的相同。 虽然一百多年来涌现出不计其数的绝缘子专利,但这些专利的共 同点是:都没有对绝缘子的二元素结构提出质疑,绝缘子的发展 历史仅仅是尺寸的增加而无技术上的革命,人们对这种结构的绝 缘子已经习以为常。 二元素结构绝缘子的第一个不足之处是:仅仅用静电场分析来考 虑绝缘子的闪络电压。在过去的低电压下,空气没被电离,电场 没有被电离产生的空间电荷所畸变,静电场可以指导绝缘子的设 计。但在高电压下,仅仅考虑静电场是不够的,在这种时候,电 场分布不仅仅由电场的形状和电极间的距离来决定,还取决于电 离过程中产生的空间电荷,所以,绝缘子的闪络电压不能够被静 电场理论来精确地描述。根据静电场理论,绝缘子的表面放电仅 仅只存在一条路径,而绝缘子的闪络电压就被这条路径所决定。 二元素结构绝缘子的第二个不足之处是:仅仅将绝缘子的电极作 为机械固定的部件,在低电压下,这种考虑是正确的,但在高电压下,电极(包括所有的中间电极)在气体放电中扮演着非常重 要的角色。在气体放电的全部过程中这些电极会源源不断地提供 电子和光子。
通过以上简单地分析,我们可以得到如下结论:按照绝缘子的功 能,二元素 - 电极和绝缘体在绝缘子设计中是必须的,但是在高电 压情况下,这种结构是不够的。因为对绝缘子的最基本要求就是 两电极间的空气不能产生放电,而二元素结构绝缘子不能满足上 述最基本的要求,在运行中,绝缘子的两电极间时常发生闪络。 在高电压下,电荷在绝缘子两电极间可以畅通无阻,这是传统绝 缘子的致命弱点。 公元前604年,中国的哲学家老子说过:“道生一,一生二,二生 三,三生万物”。这句话非常简练,这是中国哲学家经常使用的适 合自己思维方式的语言,然而却极富有启发性。 三生万物,它告诉我们“三”具有创造性。这好比一个家庭,如 果仅仅只是夫妻双方这个两元素,而没有子女组成第3个元素,那 么这个家庭不会往前发展。 再来看本文开头讲到的有线通信,现代通信的技术基础是电子 学,二极管是诞生最早的电子器件,二极管最重要的特性就是单 方向导电性,但是仅靠这种特性,还不能形成电子学技术突破的 基础。1906年德法雷斯特发明了三极管,三极管的出现是放大技 术的开始,而且除了这种放大功能以外它还能产生低频或高频振 荡,因此三极管的发明使世界的通信技术甚至整个无线技术的面 貌发生了根本的变化。 还有,现在家家户户都离不开的彩色电视,它的理论基础是“三 基色假说”,根据这种原理,按不同比例混合红、绿、蓝三种基 色,可以得到许多不同的彩色。 《易经》是世界上最重要的文献之一,它是一部睿智的著作,它 启发了各个时代主要的中国思想家的灵感。《易经》的三大原则 是:不易、变易、简易。 根据上述三大原则,对传统绝缘子的再思考如下: 1、不易 - 保持原有绝缘子的二元素结构不变。 2、变易 - 考虑在高电压下产生的空间电荷的影响,在电极和中 间电极附近设置经向的屏障。屏障可以用多种材料制成,并 与电极间保留一定的空间。 3、简易 - 屏障的材料单一,结构简单,能够容易地实施。 我把这种绝缘子称为三元素结构绝缘子,原有的电极和绝缘体是 主要元素,而屏障构成第三个元素。 屏障具有的功能: 1、运动电荷在电极与屏障之间的空间内可以得到扩散,使该区域 内的电场强度降低,提高了电晕起始电压,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。 2、屏障增强了放电的分级性,延长了放电时间,屏障本身增加了 绝缘距离,改变了传统绝缘子的闪络路径,因此可以显著提 高绝缘子的干闪络电压。 3、屏障本身增加了爬电距离,而且屏障可以用有机材料制成, 提高了绝缘子的污秽闪络电压。 4、屏障可以切断绝缘子上面冰链的放电路径。 5、屏障使得绝缘子表面被雨水浇湿的部分减少,提高了绝缘子的湿闪络电压。 6、屏障可以使绝缘子、铁塔和输电线三者共同形成一个和谐的整 体,使绝缘子的外绝缘强度在整体的基础上得到提高。 结论:传统的二元素结构绝缘子难负重任,新的三元素结构绝缘 子前途无量!
张德赛 INMR中文刊主编 武汉大学电气工程学院
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Professor Zhang Desai

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