湿度和海拔与气隙击穿电压的关系（海拔高度对外绝缘放电电压的影响）

01 引言

在国家电网公司物质采购标准中，有一个Q/GDW 13001-2014 《高海拔外绝缘配置技术规范》。

该技术规范的制定将方便工程设计、招标和运行维护，但是要理解规范中所涉及到的一些术语、定义以及海拔高度的修正方法，确实对许多生产制造厂家存在一定的难度，本文想对以上内容进行一些基础性的解释。

本文分为两部分，首先介绍气体中的沿面放电和绝缘子外绝缘的一些基本概念，然后解释大气条件对外绝缘强度是有影响的，而海拔高度就是一种特殊的大气条件，所以一定会影响外绝缘强度。

可以这样来理解：在平原地区使用的变电站一次设备和输电线路绝缘子，到了高原地区就不能原封不动地使用了，必须进行外绝缘水平设计的重新考虑。

02 外绝缘和绝缘子

外绝缘是指空气绝缘，例如输电线路中的导线之间或者导线对杆塔之间就是空气绝缘；但是导线不能凭空存在，它们需要有固体介质来完成，这些介质在机械上要能够支撑，在电气上要能够绝缘。

100多年前，人们发现了瓷质材料能够胜任这些任务；80多年前，又发现了高强度玻璃也可以达到这种要求，相应地就把它们称为瓷绝缘子和玻璃绝缘子。截止到上世纪八十年代，这两种绝缘子在运行过程中基本上都相安无事。

后来的运行经验证明：这两种材料在污秽和潮湿并存的情况下，往往会发生污秽闪络，而且这种闪络是在工作电压下发生的，所以会对电力系统造成巨大的威胁。通过分析，发现这种污秽闪络是由于无机材料的亲水性质造成的。

于是在60多年前，仅仅由于有机材料的憎水性，硅橡胶成为了被世界各国所认可的第三种绝缘材料，近二三十年内在我们国家得到了迅速发展。

但是，硅橡胶不能胜任绝缘子所需要的机械强度的要求，所以不能像瓷和高强度玻璃一样，用一种单一的绝缘材料就可以做成绝缘子，它还需要另外一种高机械强度的绝缘材料，这就是环氧树脂玻璃纤维引拔棒，由于这种引拔棒易受潮，所以不能直接用在户外，它需要用硅橡胶紧紧地包住，所以这种引拔棒又称为芯棒。

硅橡胶和芯棒是一种复合材料，所以这种绝缘子称为复合绝缘子。但是从这种绝缘子的结构看，它是两种材料组合而成的，是一种复合结构，因此复合绝缘子也可以认为是对其结构而言。

03 绝缘子和气体中的沿面放电

绝缘子浸润在空气中。

人们在实践中发现：把绝缘子引入空气中后，如果发生放电现象，这种放电一定出现在绝缘子与空气的分界面上，所以这种放电称为沿面放电。

为什么把绝缘子引入空气中后，放电现象一定是沿面放电呢？

这是因为下面三个因素：

1、 绝缘子中的绝缘材料与绝缘子电极的接触面之间一般都会存在气隙，或者说两者之间存在着空气夹层。因为气体的介电常数与绝缘材料的介电常数不一样，因此两种材料上分到的电压也不一样，而且空气层的间隙往往比较小，所以这一小段空气将发生局部放电。放电产生的带电质点会扩散到绝缘材料的表面，而带电质点会伴随着电力线，于是就加剧了电极附近的电场分布。电场强度增加了，空气的击穿电压肯定降低，所以相应地沿面闪络电压也降低了。

2、绝缘子置身于空气中，空气总是有一定湿度的，绝缘子的绝缘材料多多少少总是会吸附水分的，瓷与玻璃是无机材料，如果用手去触摸它们，会有一种凉凉的感觉，这种材料往往吸附水分会多一些；硅橡胶是高分子材料，吸附得会少一些。

水是由水分子构成的，在绝缘子两端的电压作用下，水分子会发生分解反应，产生带电的正负离子，这些离子在电场作用下向两端电极移动，于是在电极附近积累起电荷，同样会加剧电极附近的电场分布，所以沿面闪络电压也自然而然地会降低。

3、因为绝缘材料是固体，表面一般都比较粗糙，也会畸变电场分布，使闪络电压降低。

注意：沿面放电是绝缘子表面的空气被击穿了，所以沿面放电还是属于空气放电，不是绝缘子的固体绝缘材料被击穿了，因此气体击穿的所有理论分析仍然适合于沿面放电。

如果沿面放电发展到绝缘子上下电极之间的贯穿性的空气击穿，就称为闪络，如下图所示：

人们在实践中还发现：沿面放电的闪络电压一定比没有把绝缘子引入进来前的气体的击穿电压低。

上面这句话好拗口，现在把这句话分开了解释。

1、提到沿面放电，对应的一定是闪络电压

2、空气单独存在时的放电，对应的一定是击穿电压，如下图所示。

3、绝缘子在没有引入到空气时，空气存在一个击穿电压

4、绝缘子被引入进空气后，其沿面放电的闪络电压比上述的那一段空气的击穿电压降低了。

04 与绝缘子沿面放电相联系的三种闪络电压

在绝缘子的外部沿其表面发生的闪络，是绝缘子外部绝缘的一个重要电气性能。

根据绝缘子表面状况的不同，绝缘子的闪络电压分为干闪络电压、湿闪络电压和污秽闪络电压。

4.1 干闪络电压

干闪络电压是表面清洁、干燥绝缘子的闪络电压。对户内绝缘子来说，这是它的主要性能。

绝缘子不同电位的两个金属电极之间外部空间的最短距离称为干闪络距离，简称干闪距离，绝缘子的干闪络电压（或简称干闪电压）主要取决于其干闪距离。

根据电压形式的不同，干闪电压还分为工频干闪电压、雷电冲击干闪电压和操作冲击干闪电压。

4.2 湿闪络电压

湿闪络电压是表面洁净的绝缘子在淋雨时的闪络电压，是户外绝缘子的主要性能。

绝缘子的湿闪络电压（或简称湿闪电压）不仅与其干闪距离，还与绝缘子的伞形结构有关。

4.3 污秽闪络电压

污秽闪络电压（或简称污闪电压）是表面脏污的绝缘子在受潮情况下的闪络电压。

目前常用爬电距离来衡量绝缘子在污秽和受潮条件下的绝缘能力，爬电距离是指不同电位的绝缘子两个电极之间沿其表面的最短距离或最短距离之和。

05 大气条件对外绝缘放电电压的影响

再一次强调：绝缘子的外绝缘就是空气绝缘。

显然绝缘子周边的大气条件一定会影响到上述三种闪络电压值的。

大气条件有三个指标：前两个是温度和压力，它们反应了空气密度的变化。第三个是湿度，它反应了空气中水分的含量。

温度高了，空气的密度就变小了；压力大了，空气的密度就变大了。

空气密度的增加，就是空气中分子的距离变小了。在电场的作用下，空气分子中的带电粒子自由运动的距离缩短了，因此积累的能量也相应变小，所以使得空气的电离作用减弱，造成绝缘子外绝缘的放电电压升高。

湿度对外绝缘的放电电压的影响比较复杂。

空气中的水分子容易吸引电子而形成负离子。电子形成负离子后，体积增加了，运动速度变慢，积累的能量也相应变小，使得空气的电离作用减弱，也会造成绝缘子外绝缘的放电电压升高。

世界各国为了高压电力设备制造上的一致性，制定了统一的标准参考大气条件。

我国国家标准GB/T16927.1--2011《高电压试验技术 第一部分：一般定义及试验要求》中规定标准参考大气条件为：

温度=20℃

压力=101.3k

绝对湿度=11g/。

高压电气设备标准中规定的试验电压值是针对标准参考大气条件的。估算设备的外绝缘的放电电压时，必须考虑电气设备运行地点的大气条件，大气条件不同时，必须利用标准中提供的大气修正系数、空气密度修正系数和湿度修正系数进行换算。

06 海拔高度对外绝缘放电电压的影响

这一点对我国有很大影响。中国是世界屋脊地区，有5大高原，海拔大于1000米的地区占我国国土面积的84%，海拔大于2000米的地区占我国国土面积的49%。

随着海拔高度的增加，大气压力下降，温度下降，这些因素都会造成空气密度的减小，使得造成空气放电的能量增加，使外绝缘的放电电压随之降低。

随着海拔高度的增加，湿度也会下降，电子形成负离子的数目减小，使得空气的电离作用增强，也会造成绝缘子外绝缘的放电电压下降。

所以在考虑高海拔地区电气设备的外绝缘时，必须计及这方面的影响。

我国国家标准GB311.1--2012《绝缘配合 第1部分：定义、原则和规则》中规定了各种电气设备在正常环境条件下（周围空气温度不超过40℃、海拔高度不超过1000米）时的额定绝缘水平。

对于安装在海拔高度高于1000米的设备，考虑到外绝缘的放电电压随海拔高度增加而降低，这些设备在海拔高度不超过1000米的地点试验时，其外绝缘试验电压应该将上述国家标准规定的额定耐受电压乘以一个海拔修正系数。

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