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高电压气体中沿固体绝缘表面的放电


高电压工程基础
第四章 气体中沿固 体绝缘表面的放电
任课教师:赵 彤

山东大学电气工程学院

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? 沿面放电:沿着气体与固体(液体)介质表面发展的

气体放电现象。
? 沿面闪络:当沿面放电发展到对面电极时。 电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上

起固定作用,又在电气上起绝缘作用。其绝缘状况
关系到整个电力系统的可靠运行。

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? 绝缘子:将处于不同电位的导体或导体与接地构 件之间在机械上固定,在电气上隔绝的一种高压 绝缘部件。两大作用:电气绝缘,机械支撑。 绝缘子的分类(结构):
? (狭义)绝缘子:用作带电体与接地体间的绝缘和固定连接。 用于架空线路的称为线路绝缘子,如悬式绝缘子(盘形和棒 形)。电站用于支持母线或隔离刀闸的称为支柱绝缘子。 ? 套筒:用作电器内绝缘的容器,使电气设备内部的带电端 子与外部系统相连。大多用电工陶瓷制成,如互感器瓷套, 避雷器瓷套,断路器瓷套等。 ? 套管:用作导电体穿过接地隔板,电器外壳和墙壁的绝缘 件,使室内的带电端子和室外系统相连。如穿越墙壁的穿 墙套管,变压器、电容器的出线套管等。

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? 绝缘子从材料上分类:电瓷绝缘子、钢化玻璃绝 缘子、有机合成绝缘子。

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绝缘功能的丧失可以分为以下两种情况: ? 固体介质击穿 固体介质内部发生的破坏性放电,通常会造成 介质绝缘性能的永久性损伤(不可逆转)。

? 沿介质表面发生闪络
由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸盐材料 组成,所以沿着它们的表面发生放电或闪络时,

一般不会导致绝缘子的永久性损坏。电力系统
的外绝缘,一般均为自恢复绝缘。

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沿面闪络电压比气体或固体介质单独存 在时的击穿电压都低,可见绝缘的实际水平 取决于它的沿面闪络电压。它与设备表面的 干燥、潮湿、清洁、污染有较大关系。

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第四章 气体中沿固体绝缘表面的放电

一、界面电场分布的典型情况 二、均匀电场中的沿面放电 三、极不均匀电场中的沿面放电 四、受潮表面的沿面放电 五、脏污绝缘表面的沿面放电 六、提高沿面闪络电压的方法

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4.1 界面电场分布的典型情况
固体介质处于均匀 电场中,且界面与 电力线平行。 固体介质处于极不 均匀电场中,且电 力线垂直于界面的 分量比平行于界面 的分量要大得多, 如套管。 固体介质处于极 不均匀电场中, 电场强度平行于 界面的分量要比 垂直分量大,如 支柱绝缘子。

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4.2 均匀电场中的沿面放电
均匀电场中,固体介质的引入并不影响电极间 的电场分布,但放电总是发生在界面,且闪络电压 比空气间隙的击穿电压要低得多。
特点:
空气间隙 石蜡 瓷 与电极接 触不紧密 的瓷

(1)沿面闪络电压与固体绝 缘材料特性有关; (2)固体介质表面吸附水分 形成水膜,电极表面集聚了 电荷,降低了闪络电压; (3)介质表面粗糙,也会使

不同介质的沿面闪络电压

电场分布畸变,从而使闪络 电压降低;

高电压工程基础 (4)上述影响因素在高气压时表现得更为明显。

(5)固体介质是否与电极紧密接触对闪络电压有影响。气隙 处场强大,极易发生电离,产生的带电质点到达介质表 面,会使原电场分布畸变,从而降低闪络电压。
氮气间隙 塑料 纯SF6 接触良好

接触不良
胶布板 瓷

气压对氮气中沿面闪络电压的影响

充SF6气体的同轴圆柱电极中支撑与电极 接触的好坏对沿面闪络电压的影响

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4.3 极不均匀电场中的沿面放电
1、具有强垂直分量时的沿面放电
a. 随着外施电压的增大,首 先在法兰边缘出现电晕放电; b. 电压进一步升高,出现刷 状放电,其放电长度随着电 压升高而增长; c. 当电压增长到某临界值时, 某些细线长度迅速增长转变 为树枝状火花,这种放电很 不稳定,迅速改变放电路径, 并有爆裂声,称为滑闪放电。 出现滑闪后,电压再增加一 点,放电火花就能延伸到另 一电极,形成闪络。

a.电晕放电

b.刷状放电

c. 滑闪放电

沿套管表面放电的示意图 1-导杆 2-接地法兰

滑闪放电是强垂直分量绝
缘结构的特有放电形式

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? 滑闪放电现象的物理解释
(1) 法兰附近电流密度大,电 位梯度也大,促进电离,形 成初始放电。 (2) 受电场垂直分量作用,带 电质点撞击介质表面,引起 局部温度升高,导致热电离, 带电质点数剧增,放电通道 头部场强增加,通道迅速发 展,形成“滑闪放电”。 (3) 出现滑闪放电的条件:足 够强的电场垂直分量和水平 分量;交变电压(含冲击电 压)的作用。

Rs — 单位面积的介质表面电阻 C0 — 表示介质表面单位面积对导杆 的电容(比电容)
C0=

?r
4? ? 9 ?1011 R ln R r

( F / cm2 )

C0=

?r
4? ? 9 ?1011 R ln R r

( F / cm2 )

介质表面的电压分布

高电压工程基础 提高套管的电晕起始电压和滑 闪放电电压的方法: (1)减小比电容,例如增大 固体介质的厚度,特别是加大 法兰处套管的外径;也可采用 介电常数较小的介质,例如用 瓷-油组合绝缘代替纯瓷介质。 (2)减小绝缘表面电阻,即 减小介质表面电阻率。例如在 套管靠近接地法兰处涂半导体 釉;在电机绝缘的出槽口部分 涂半导体漆等。 当Rs、C0一定时,外加电压变 化速度越快,流过C0的电流越 大,分流作用越大,流过表面 的电流分布及表面电位分布越 不均匀,闪络电压也越低。

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2、具有弱垂直分量时的沿面放电
电场本身已极不均匀,固体介质表面电荷的积累对电场 分布影响不大。电场的垂直分量小,沿面电容电流小,放电 过程中不会出现热电离现象,故没有明显的滑闪放电。 沿面闪络电压与空气击 穿电压的差别比前述两种电 场情况都要小得多。因此这 种情况下,为提高沿面放电 电压,主要从改进电极形状 以改善电极附近的电场着手。
1-空气隙击穿 2-石蜡 3-胶纸 4-瓷和玻璃

沿不同材料圆管表面的工频闪络电压峰值

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采用均压环不但减弱了电极边缘的场强,而且还由于流 经均压环与介质表面间的分布电容电流,部分地补偿了介质 的对地电容电流,改善了电压分布,从而提高了闪络电压。

330kV绝缘子柱

高电压工程基础 330kV及更高电压的悬式绝缘子 串一般也装有均压环,以改善沿

绝缘子串的电压分布。悬式绝缘 子的一个突出优点是可将多个绝 缘子用简单的机械方法组成绝缘 子串,串中绝缘子数决定于线路 所要求的绝缘水平。

高电压工程基础 长绝缘子串电压分布很不均匀, 是由于绝缘子的金属部分与接地 的铁塔和高压导线间有杂散电容 引起的。绝缘子串中间的绝缘子, 所承受的电压比两端的小。靠近 导线的绝缘子承受的电压最大。 电压分布不均匀的情况,随线路 电压的升高而严重,在330kV及 以上线路,靠近导线的绝缘子易 引起电晕和无线电干扰,为使绝 缘子串电压分布较均匀,330kV 及以上线路上应在导线线夹处装 设均压屏蔽环。 绝缘子串的等效电路及各绝缘子承受的电压
(a)只考虑对地电容 CE (b)只考虑对导线电容 CL (c)同时考虑 CE 及 CL

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4.4 受潮表面的沿面放电
1、表面凝露对沿面放电的影响
在介质表面未发生凝露的情况 下,空气中绝对湿度增大时, 绝缘子沿面闪络电压会略有提 高。但介质表面发生凝露时, 则沿面闪络电压将明显下降。 因为是否发生凝露与大气的相 对湿度有关,所以它不仅取决 于绝对湿度的大小,还与介质 表面的温度有很大的关系。
RH超过60%闪络 电压下降; 原因:表面凝露

不同放电距离时清洁的环氧树脂支柱绝缘子 的交流闪络电压(环境温度为30℃) RH - 相对湿度

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1、表面凝露对沿面放电的影响
SF6中绝缘子表面凝露会使闪络 电压大大下降。一般环境温度下, 当相对湿度为50%时,闪络电压 Uf可下降5% ~ 17%,湿度更大 时Uf可下降50%。但在低温下, Uf的下降并不明显,因为此时气 体中水分将在固体介质表面凝聚 成霜而不是液态的露。
霜(固态)

露(液态)

SF6中工频沿面闪络电压 (气压0.35MPa) 1-气温为-2℃~+40℃ 2-气温为-29℃~-2℃ 3-环氧树脂绝缘子

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2、表面淋雨对沿面放电的影响
电介质表面如果被雨水完全淋湿,雨水会形成连续的导 电膜,泄漏电流就会大增,使沿面闪络电压降低;即使介质 表面部分被雨水淋湿,也会降低闪络电压。而且雨水会短路 部分沿面距离。因此,淋雨状况下固体介质的沿面闪络电压 会明显降低,绝缘子湿闪电压仅为干闪电压的40%~50%。

干闪

湿闪

光滑瓷柱的干闪和湿闪电压

雨中电导率对湿闪电压的影响 (取雨水电导率为0.1S/m时的闪络电压为1)

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2、表面淋雨对沿面放电的影响
(1)沿湿表面AB和干表面BCA’发展,绝 缘子湿闪电压为干闪时的40~50%;
(2)沿湿表面AB和空气间隙干表面BA’发 展,绝缘子湿闪电压不会下降很多; (3)沿湿表面AB和水流BB’发展,湿闪电 压降低到很低的数值。 绝缘子伞裙突出于主干直径的宽度与 伞间距离之比,通常取为1:2。

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4.5 脏污绝缘表面的沿面放电(污闪)
绝缘子是外绝缘的最主要部件,运行在户外的绝缘子必须 长年面对大气环境的侵袭:雨水导致湿闪、覆冰导致冰闪、雷 击过电压导致雷闪、操作过电压导致操作闪络、绝缘子表面污 秽导致污闪等。 几种闪络中,对电力系统危害最大的是污闪,雷闪占外绝 缘闪络次数的第一位,但是污闪造成的损失是雷害的近10倍。 绝缘事故的原因:

? 电压升高:雷击、操作过电压、工频电压升高
? 绝缘下降:污秽、雨、雾、露、冰、雪;异物、零值(如 果某一片绝缘子的电位差为0时,则该片绝缘子为零值绝缘 子)、大风、老化等

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污闪发生在工作电压之下,属于典型的绝缘下降问题。
我国污闪问题的特点:
? 污秽重(盐密、灰密比国外高得多) ? 积污时间长(积污降水不同时)

? 污区大(大面积污染,不是点污染)
? 工业污秽为主(国外是海洋为主) ? 绝缘子零值率高(扩大了污闪事故) ? 电网结构不够坚强(扩大了污闪事故)

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我国主要的污闪事故:
? 1974年 沈阳、抚顺地区大面积污闪,工业损失3000多万 ? 1976~81年 华东电网多次大面积污闪,每年损失电量达 400万度 ? 1987.3 西北电网“3.16”大面积污闪 ? 1989.1 华东电网大面积污闪,500kV几乎全部污闪 ? 1989.12 华东电网大面积污闪,500kV几乎全部污闪 ? 1990.2 华北电网大面积污闪,500kV全部污闪,损失电量 1200万度,损失6000多万元 ? 1992春 四川电网大面积污闪 ? 1996冬 华东华中及其他地区电网大面积污闪 ? 1999.3 华北山东及其他地区电网大面积污闪 ? 2001.2 东北、华北、河南等地电网大面积污闪

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1971-1999 我国大面积污闪事故: ? 35kV~500kV 输电线路污闪 4000 余条次 ? 35kV~500kV 变电站污闪 2000 余站次
大面积污闪容易造成电网多点同时跳闸,事故波及面大, 是电网安全运行的主要威胁之一。直流电压下污闪问题更严重, 成为直流输电中的几大难题之一。 污闪绝缘水平已成为超高压,特高压系统外绝缘水平的决 定性因素。 污闪电压过分低,击穿机理特别。

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1、污闪的发展过程
污闪:户外绝缘子常会受到工业污秽或自然界盐碱、飞 尘等污染,在长年户外运行中,逐渐聚积一层污秽层,在潮 湿天气下,污秽层受潮成为覆盖在绝缘子表面的导电层,最 终引发局部电弧,并发展成沿面闪络,称为污闪。

绝缘子工作电压

绝缘子闪络电压与污染程度(以单位面积的污量表示)的关系 1-电站烟灰 2-炼铝厂尘埃

高电压工程基础 (1)污层刚受潮时,介质表面有明显的泄漏电流流过,电压 分布是较均匀的; (2)污层表面电阻不均匀,电阻大的地方发热多,污层干得 快,使该处电阻变得更大,污层表面形成高电阻的“干燥带”, 使污层的泄漏电流减小,并在干燥带形成很大的电压降; (3)当干燥带的电位梯度超过沿面闪络场强时,干燥带发生 放电,湿润区不断缩小,电流迅速增大以致引起热电离,放 电具有电弧特性,这就是出现局部电弧的阶段。 外施电压越高或剩余电阻R的阻值越小,越易发展成闪络。

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污闪发展的几个阶段:
(1)污秽的沉积 在风力、重力、电场力等因素作用下,大气中的飘尘、 飞灰等污秽会接近并逐渐沉积在绝缘子表面;绝缘子外形通 过影响周围的气流场,也对绝缘子的积污有明显的影响。

(2)污秽的受潮 干燥状态下,绝缘子表面的积污层对沿面闪络电压没有明 显影响;但在潮湿的气候条件下,绝缘子的污层会受潮,污物 中的电解质成分溶于水中,形成导电水膜。因此,有泄漏电流 沿绝缘子表面流过。同时污物中的不导电部分吸收水分,保持 了绝缘子表面的含水量,对泄漏电流和污闪电压有显著影响。

高电压工程基础 (3)干区的形成和局部电弧的产生 泄漏电流的热效应使水分蒸发,绝缘子表面局部电流密度 大的区域热效应明显,首先形成干区。导致绝缘子表面的电压 分布发生变化。干区两端承受较大的电压,当场强超过空气放 电的临界值时,该处发生沿面放电。 放电形式可能是火花或线状放电,或跨越干区的局部小电 弧。放电形式与绝缘子的污秽及受潮程度有关。放电不稳定, 间歇状,放电出现的部位和时间都是随机的。间歇放电现象持 续时间较长。 (4)局部电弧的发展和闪络的完成 随着绝缘子的污秽和受潮程度不同,局部电弧的发展变 化可能逐渐减弱,或者继续发展成贯穿两级的闪络,从而造 成污闪事故。

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2、影响污闪的因素
(1)污秽的性质和污染程度

污秽的导电率越高和介质表面沉积的污秽量越多,则闪 络电压越低。说明表面泄漏电流越大,闪络电压越低。所以 在工程中常将污层表面电导率作为监测绝缘子脏污严重程度 的一个特征参数,污闪电压将随表面电导率的增大而减小。
(2)湿润的方式 最容易发生污闪的气象条件是雾、露、融雪和毛毛雨等,

这些条件下污层易达到饱和湿润的状态但不被冲洗掉。下大 雨时绝缘子表面积聚的污秽,特别是水溶性导电物质,很容 易被雨水冲掉,因此不易发生污闪。

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(3)泄漏距离 与局部电弧串联的剩余电阻的阻值越大,则沿面闪络越 不容易发生。在污层表面电导率一定时,泄漏距离越长,剩 余电阻的阻值越大。绝缘子的泄漏距离是影响污闪电压的重 要因素。 (4)外施电压的形式 由于污闪是局部电弧不断拉长的过程,因此电压作用时

间越短就越不容易导致闪络。直流电压下污闪电压最低,是 因为直流电弧不像交流电弧的电流每半周过零一次,因此局 部电弧的熄灭比交流时要困难些。

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3、污秽等级的划分
绝缘子越“脏”,污闪电压越低,因此污秽度评定的 目的是进行定量地评价绝缘子“脏”的程度。

绝缘子表面污秽分为:湿润后导电部分和不导电部分。 导电部分对泄漏电流和污闪电压有直接影响;不导电部分 由于吸收水分,保持绝缘子表面的含水性,因此对泄漏电 流和污闪电压也有显著影响。

高电压工程基础 污秽等值附盐密度(mg/cm2) : 与绝缘子表面单位面积上污秽

物导电性相当的等值盐(NaCl)量。用 一个参数同时表征污秽性质及污秽 量,以简化对污秽严重程度的描述。
方法:用300ml蒸馏水去洗下并

溶解一片绝缘子表面的污秽,在 另一杯300ml蒸馏水中逐渐放入 NaCl,直至两杯水的电导率相等, 用放入的NaCl的量(mg)除以绝缘 子表面积(cm2)。

500kV套管及支柱绝缘子的污秽耐 受电压和泄漏距离的关系 附盐密度:1-0.03mg/cm2; 2-0.05mg/cm2;3-0.1mg/cm2

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线路和发电厂、变电所污秽等级
污秽 等级 盐密(mg/cm2) 污湿特征 线路 发电厂 变电所

0


大气清洁地区及离海岸盐场50km以上无明显污染地区
大气轻度污染地区,工业区和人口低密集区,离海岸盐 场10km~50km地区,在污闪季节中干燥少雾(含毛毛 雨)或雨量较多时

≤0.03
>0.03~ 0.06


≤0.06



大气中等污染地区,轻盐碱和炉烟污秽地区,离海岸盐 >0.06~ 场3km~10km地区,在污闪季节中潮湿多雾(含毛毛雨) 0.10 但雨量较少时 大气污染较严重地区,重雾和重盐碱地区,近海岸盐场 1~3km地区,工业与人口密度较大地区,离化学污源和 炉烟污秽300m~1500m的较严重污秽地区 大气特别严重污染地区,离海岸盐场1km以内,离化学 污源和炉烟污秽300m以内的地区 >0.10~ 0.25 >0.25~ 0.35

>0.06~ 0.10 >0.10~ 0.25 >0.25~ 0.35





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各污秽等级下的爬电比距分级数值 爬电比距(cm/kV) 污秽 等级 220kV及以下 1.39 (1.60) 1.39~1.74 (1.60~2.00) 1.74~2.17 (2.00~2.50) 2.17~2.78 (2.50~3.20) 2.78~3.30 (3.20~3.80) 线路 330kV及以上 1.45 (1.60) 1.45~1.82 (1.60~2.00) 1.82~2.27 (2.00~2.50) 2.27~2.91 (2.50~3.20) 2.91~3.45 (3.20~3.80) 发电厂、变电所 220kV及以 下 330kV及以 上

0
Ⅰ Ⅱ


1.60 (1.84) 2.00 (2.30) 2.50 (2.88) 3.10 (3.57)


1.60 (1.76) 2.00 (2.20) 2.50 (2.75) 3.10 (3.41)




单位爬电距离(爬电比距):绝缘子每1kV额定线电压的爬电距离,用以估计脏污 条件下绝缘子的污闪性能。

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4.6 提高沿面闪络电压的方法
1、屏障的应用
在固体介质的表面沿电场等位面方向设臵突出的棱缘(屏 障),则能显著提高沿面闪络电压(如实际绝缘子的伞棱)。 原因:

? 电子或离子沿平行于等电位面的屏障表面运动时,不能从 电场吸取能量;
? 增大了两电极间沿固体表面的泄漏距离。

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2、屏蔽的应用
通过改善电极形状,使电极附近的电场分布趋于均匀,从

而提高沿面闪络电压。
措施:

在导线侧加装屏蔽环,相当 于增大CL,流过CL的电流可 以补偿CE的分流作用,使得 沿绝缘子串的电位分布变得 均匀。
对于超高压线路采用分裂导 线也可起到增大CL的作用。

绝缘子串的等效电路及各绝缘子承受的电压 (a)只考虑对地电容CE (b)只考虑对导线电容CL (c)同时考虑CE及CL

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3、强制固定绝缘表面的电位
在绝缘内部加电容极板或在绝缘表面加中间电极使电位分 布均匀,达到提高沿面闪络电压的目的。

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4、应用半导体涂料
在电位梯度较大的部位涂以半导体涂料以降低该处的表面 压降。既避免了电晕,也改善了沿面电压分布。

5、应用复合绝缘子
硅橡胶复合绝缘子耐老化性能极好,憎水性很强,防污性 能很好。

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6、加强绝缘 对于污秽比较严重地区,可采用增加绝缘子片数 或采用大爬距绝缘子的方法提高闪络电压。 因为污闪是沿面放电,不同于滑闪,增加沿面距 离(爬电距离),可直接加大沿面电阻,抑制电流,

提高闪络电压。

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7、防止污闪的措施
? 增大爬电比距

爬电比距指外绝缘的爬电距离与系统最高工作电压之比。
? 定期或不定期的清扫 根据大气污秽程度、污秽的性质,在容易发生污闪的季节 定期进行清扫,可以有效地减少或防止污闪事故。 ? 涂憎水性涂料(硅油、地蜡等)

使受潮的污层不能形成导电水膜,抑制泄漏电流,从而提 高闪络电压。但使用寿命不长,运行维护工作量大。
? 半导体釉绝缘子

? 新型复合绝缘子

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带电水冲洗,如冲洗不当反而发生闪络危险。

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输电线路需要停电人 工清扫,人工上塔,

用湿布擦,工作量极
大,劳动条件差,又 在野外,清扫效果不 稳定,也不理想。

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500kV线路用复合绝缘子替换瓷绝缘子

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?

500kV交流线路采 用复合绝缘子

?

我国交流复合绝
缘子的用量 居世 界第二位

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? ?

±500kV直流线路采用复合绝缘子 我国直流复合绝缘子的用量居世界第一位

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500kV交流紧凑型线路全线采用复合绝缘子

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