为什么高压输电线上的绝缘子设计成粗细不均的形状？

我就从架空输电线路上使用的绝缘子来说一下。

绝缘子一般是由固体绝缘材料制成，安装在不同电位的导体之间或导体与接地构件之间，是同时起到电气绝缘和机械支撑作用的器件。现在普遍使用的绝缘子可以按照材料分成三类：陶瓷、玻璃和复合绝缘子。常见的玻璃和陶瓷绝缘子以盘形绝缘子为主，而复合绝缘子则以长棒形为主。在这张照片上能同时看到复合绝缘子（与地面垂直、很细的）和陶瓷绝缘子（与地面平行或成一定夹角，比较粗的那个）。


题主提到了绝缘子的粗细不均，那就必须得说明一个概念，污闪。

污闪是这样的：绝缘子在正常运行过程中，受工业排放物以及自然扬尘等环境因素的影响，表面会逐渐积累污秽。干燥条件下，污层不会导电，对绝缘强度的影响较小；但在雾、露、毛毛雨、溶雪等天气条件下，污层会逐渐受潮湿润，其中的可溶性电解质成分被水溶解，绝缘子表面形成一层具有一定电导率的水膜，从而开始有泄漏电流流过绝缘子表面。由于绝缘子形状、积污以及受潮的不均匀等因素，使得绝缘子表面电流分布不均匀，在电流焦耳加热作用下，泄漏电流密度大的地方温升高，污层将会首先被烘干而形成干区。由于干区表面电阻率较大，干区形成以后，污层表面的电位分布将会畸变，大部分电压将会施加到干区两端。当干区表面电场强度足够大时，干区表面空气间隙将会被击穿，而出现局部电弧。一定条件下，局部电弧会逐渐发展直至贯穿两极而发生闪络。由这种闪络所造成的事故称为污闪事故。

贴几张污闪的照片，是高压试验大厅做试验的照片，不是在输电线路上拍的（废话）。

此时还没有发生真正的闪络。

发生污闪的绝缘子

仔细看这些图其实不难发现一点，那就是电弧都是沿着绝缘子表面发展的，20 世纪 50 年代，德国学者 Obenaus 大神首先提出污闪的物理模型，认为污闪不同于一般有碰撞电离所引起的气体放电，它是局部电弧沿面逐步延伸的结果。



图中：x为局部电弧长度；L为泄漏距离；HV 表示高压端。当施加电压为U，此电压由两部分承担：一部分是局部电弧的压降，另一部分是剩余污层电阻的压降，可以表示为



与过电压不同，污闪事故是在运行电压下发生的，属于典型的绝缘下降问题。那么，当运行电压 U 不变的时候，如何能够让电弧不产生呢？很明显，增大泄漏距离 L 是一个很好的办法，这也就是题主提到的“粗细不均”的原因。在绝缘子长度差不多的情况下，增加这样的“粗细不均”，能够在绝缘子总长度一定的情况下有效增加泄漏距离（在外绝缘领域一般称为爬距），从而降低污闪事故发生的概率。

常用的增加爬距的手段包括增大玻璃、陶瓷绝缘子的盘径，增加下表面的沟槽深度（防污型绝缘子），给电站绝缘子加装增爬裙，增加绝缘子片数，增加复合绝缘子的伞裙数量等。

当然，需要指出的是，过密的伞裙结构是不可取的。比如在下雨情况下，绝缘子伞边会形成水柱，此时伞沿会形成一串的污雨水 - 空气间隙，伞裙过密，剩余空气间隙会很少，也会很容易导致雨污闪事故。

也许有人会问，那如果不搞这些“粗细不均”，只是单纯增加绝缘子长度行不行呢？这个……我个人感觉，似乎从理论上来说是没问题的。可是如果这样做，会有什么结果呢？很显然的一点，杆塔必须加高加高再加高，否则几百 kV 的高压输电线就要耷拉到地上了。而杆塔加高又会带来成本大幅上升甚至耐雷水平的问题。

最后说一点题外话，在绝缘子的设计和选型中，常用的方法是：首先按照绝缘子的耐污闪特性选取绝缘尺寸，然后校核该绝缘耐受操作过电压和雷电过电压的能力，在中等以上污秽地区更是如此，这是我国电力系统长期运行和设计的经验。而在我看来，可能还有一个因素：雷击跳闸事故虽然多，但是基本上重合闸都能成功，真正造成的损失不是特别大；而污闪一旦发生，重合闸基本没戏，损失会非常惨重，因此在电网内，污闪事故是”零容忍“事故，也就是说，一旦某地某条线路发生污闪事故造成跳闸，必须进行问责，追究当事人责任，在电网这种半军事化管理的政府型公司里，这还是很可怕的。所以电网的运行人员们对防污闪工作格外重视，什么地方都按照最坏的情况做打算，因而现在污闪事故已经相当少了。