电晕放电及其危害

电晕放电及其危害

1 气体放电的基本形式

在电力系统中，气体(主要是空气)是一种运用得相当广泛的绝缘材料，如架空线、母线、变压器的外绝缘、隔离开关的断口处等。在通常情况下，由于宇宙射线及地层放射性物质的作用，气体中有少量带电质点，它们在强电场作用下，沿电场方向移动时，在间隙中会有电导电流。因此，气体通常不是理想的绝缘材料，但当电场较弱时，气体电导极小，可视为绝缘体。

当气体间隙上电压提高至一定值后，可在间隙中突然形成一传导性很高的通道，此时称气体间隙击穿(也可叫气体放电)。气体间隙击穿后，可依电源功率、电极形式、气体压力等具有不同的放电形式。在低气压、电源功率较小时，放电表现为充满整个间隙的辉光放电形式；在高气压下，常表现为火花或电弧放电形式；在极不均匀电场中，会在局部电场较强处先开始放电，称为电晕放电。除使用纯空气间隙作绝缘外，电力系统中还有许多处在空气中的固体绝缘，如输电线路的绝缘子，电机定子绕组槽外部分的绝缘等，所以还会遇到气体沿固体表面放电的情况(也称沿面闪络)。

2 电晕放电现象

当在电极两端加上较高但未达击穿的电压时，如果电极表面附近的电场（局部电场）很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象。这里气体的气压约为Pa。当电极的曲率半径很小时，由于其附近的场强特别高，很容易发生电晕放电。在通常的情况下，都是研究在曲率半径很小电极处的电晕放电。电晕放电现象可在很多场合下观察到，例如，在高压传输线和同轴圆筒所包围导线的表面，或在针形不规则导体的附近以及在带有高电压的导体表面等处。

根据空间电荷场的相对重要性和阴极提供电子过程的性质区分了汤生放电、辉光放电和弧光放电。在汤生放电中，空间电荷场对外加电场的影响很小，而在辉光和弧光放电中，它却起着重要的作用。在汤生和辉光放电中，次级电子的提供过程，如光子、正离子和亚稳态原子过程所产生的作用不很明显，而弧光则是借助于十分有效的次级过程如场致发射和热离子发射而工作。冈此，自持汤生或辉光放电的燃点电压或阴极位降值都要超过气体电离电位一个数量级的大小，而自持弧光放电的阴极位降十分接近于气体的电离电位。电晕放电电压降比辉光放电压降大(千伏数量级)，但放电电流更小（微安数量级）。且往往发生在电极间电场分布不均勾的条件下。若电场分布均匀，放电电流又较大，则发生辉光放电现象；在电晕放电状况下如提高外加电压，而电源的功率又不够大，此时放电就转变成火花放电；若电源的功率足够大时，则电晕放电可转变为弧光放电。

在电晕放电中，一般说来，电极的几何构形起着重要作用。电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发在曲率半径很小的电极附近或大或小的薄层中，气体的发光也只发生在这个区域里，这个区域称为电离区域，或称之为电晕层或起晕层。在这个区域之外，由于电场弱，不发生或很少发生电离，电流的传导依靠正离子和负离子或电子的迁移运动，因此电离区域之外的区域被称为迁移区域或外围区域。若两极中仅有一个电极起晕，则放电的迁移区域中基本上只有一种符号的带电粒子，在此情况下，电流是单极性的。

形成电晕所需电场不均匀的程度与气体的种类有很大关系。在负电性的气体中(如气压为Pa的空气)，当电极为球——平面几何构形，电极间隙为球半径时可建立电晕放电；与此相反，若充以非负电性气体，则不会产

生电晕放电现象。

电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压大小、电极的形状、极间距离、气体的性质和密度。电晕放电是—种自持放电，它不需要外加电离源来引发和维持放电。另外，电晕放电的电压降不取决于外电路中的电阻，而决定于放电迁移区域的电导；在迁移区域内存在单极性的空间电荷时，它妨碍着放电电流的通过，此时电晕放电的压降大部分落在迁移区域上。

当两极间的电位差由零逐渐增大时，最初发生无声的非自持放电，这时的电流很微弱，其大小决定于剩余电离；当电压增加到—定数值Vs时，电晕放电发生了。该电压Vs称为起晕电压或电晕放电的阀值电压，它的大小数值由电极间电流的突然增大(从大约到A)和在曲率半径较小的电极处朦胧的辉光的出现所表征。若继续增大电位差，则电流强度将增大，发光层的大小及其亮度也同时增大。当外加电压比阀值电压高很多时，电晕放电会转变为火花放电——发生火花的击穿。

电晕放电的极性决定于具有小曲率半径的电极的极性。如果曲率半径小的电极带正电位，则发生的电晕称为正电晕；反之则称为负电晕；此外，按提供的电压类型也可以将电晕放电分为直流电晕、交流电晕和高频电晕。按出现电晕电极的数目分类时，则有单极电晕、双极电晕和多极电晕。电晕放电现象的应用很广，例如除尘器、高速打印饥、漂白装置等。在某些场合，又不希望它发生，如高压传输线上的电晕会引起电能的损耗和对广播电视的干扰。因此，研究电晕的基本过程具有重要的实用价值。

3 电晕产生的机理

电晕即局部放电，是指当电压应力超过某一临界值时，在绝缘系统中气体瞬时电离引起的一种局部放电现象。显然，“局部”并不是每一处，“瞬时’并非持续，“气体电离’则说明无气体便无电晕，因此，气体是电晕产生的最根本的条件之一。

众所周知，气体是不导电的，为优良的绝缘体。但是，当提高气体间隙上的外施电压而达到一定数值后，电流会突然剧增，从而使气体失去绝缘性能，产生自持放电现象。所以，电晕产生有两个主要的因素：一是空气隙的存在，另一个就是电压应力(即电场强度)超过了空气隙的击穿电压。在绝缘材料的内部、电极之间都会存在一定的空气隙，因而，当作用在这些空气隙上的电压应力超过气体的击穿电压时，气体就会被击穿，形成电晕。

最初，局部放电产生的电火花烧蚀绝缘表面，同时产生的臭氧和酸对绝缘表面也有腐蚀作用，使得绝缘表面变得粗糙，然后这种烧蚀和腐蚀缓慢渗入绝缘体内部，但不会造成急剧损坏。烧蚀到一定阶段就会向四周传播，形成枝状生长的通路，该通路是导电的。这是因为通路的壁会碳化或者因为其中的气体高度电离所致。

4 电晕放电形成条件

并不是所有的气体放电都表现为电晕放电形式，只有在极不均匀电场中的气体，当场强足够大时，才会形成电晕。也就是说只有当极间距离对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值时，电晕才有可能发生;若比值小于此值，气隙将发生火花击穿。

电力系统中所遇到的绝缘结构大多是不均匀的。不均匀电场的形式很多，绝大多数是不对称电场。在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电极附近很小范围内的电场足以使空气发生游离，而间隙中大部分区域的电场仍然很小。于是在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电(即外界游离因素不存