不均匀电场放电

棒为正极性(非自持放电阶段)： 外电离因素 起始有效电子
U外<Uc 电子进入强场区
崩头电子 进入阳极 电子崩 正离子留 在空间 棒附近E↓ 外空间E↓ 电离↓
难
流注
难
电晕起始 电压高
– 负极性：正空间电荷加强棒极附近场强而削弱外部电场，促 进棒极附近流注形成使电晕起始电压降低。
棒为负极性(非自持放电阶段)： 外电离因素 起始有效电子
电晕放电也就是局部流注放电。
特点：电晕放电是极不均匀电场特有的自持放电形式，电晕起始电压 (Uc)低于击穿电压(Ub)，电场越不均匀其差值越大。
Uc Ub
电晕放电的起始电压一般用经验公式来推算，应用最广的是皮克公式， 电晕起始场强近似为：同直径的两根平行园导线
电晕起始电压可由Ec求得。对于离地高度为h的单向 导线可写出
•
电晕起始电压、击穿电压，以及二者与电场不均匀程度的变化关系
– – –
• • •
重要结论：某些情况下，可利用电晕放电的空间电荷来改善极不均 匀电场的分布，以提高击穿电压。 同等情况下，击穿电压与电场均匀度的关系：均匀场最高，不均匀 度越强击穿电压越小 在雨、雪、雾天气时，在较低的电压和电场强度下就会出现电晕放 电
• 有利的一面： 在输电线上传播的雷电电压波因电晕放电而衰减其
幅值和降低其波前陡度。
操作过电压的幅值也会受到电晕的抑制。 电晕放电还在除尘器、静电喷涂装置、臭氧发生器 等工业设施中得到广泛应用。
4.3.2 极性效应
在极不均匀电场中，放电一定从曲率半 径较小的那个电极表面开始，与该电极 极性无关。但放电的发展过程、气隙的 电气强度、放电电压等都与该电极的极 性有密切的关系。极不均匀电场中的放 电存在着明显的极性效应。
• • • • 极间电压达到某一临界值时，球极出现蓝紫色的晕光，伴随“咝咝”声 称这种局部放电为电晕放电，称临界电压为电晕起始电压。 电晕是放电的一种。 外加电压增大，电极表面电晕层随之扩大，出现刷状细火花，最终击穿
– 2D<d<4D时，过渡区域。
• 随电压升高会出现电晕，但不稳定，球隙立刻转为火花放电
4.1 电场不均匀程度的划分
4.2 稍不均匀电场中的击穿过程 4.3 极不均匀电场中的击穿过程
4.1 电场不均匀程度的划分
从放电现象上看： 球隙的放电特性与极间距离的关系 电场均匀时：间隙击穿前，看 不到放电痕迹，间隙中的电流 极小； 电场不均匀时，当电压还明显 低于击穿电压时，在电场局部 增强的区域出现白紫色晕光， 可听到咝咝声，放电电流可以 测到，但仍很小，间隙还保持 绝缘性能。这种局部放电的现 象称为电晕放电。
• 矛盾：D越小，电场越不均匀，应该越接近尖-板，实际却远离尖-板 而接近均匀场？
– – D较大时，局部毛刺（类似于尖）先出现刷状放电，与尖-板接近 D较小时，电晕放电形成的均匀电晕层，改善了电场分布，提高击穿电 压 电晕起始电压：电场越不均匀，越低 击穿电压：电场越不均匀，越低 电场越不均匀，电晕起始电压与击穿电压的差越大
发展过程 极性效应
电晕起始阶段
（一）正极性 如图所示，棒极带正 电位时，电子崩头部
的电子到达棒极后即
将被中和，棒极附近
强场区内的电晕放电
将在棒极附近空间留 下许多正离子。
这些正离子虽朝板极
移动，但速度很慢而
暂留在棒极附近。
空间电荷的 影响
这些正空间电荷削弱了棒 极附近的电场强度，而加 强了正离子群外部空间的 电场，因此棒电极附近的 放电（电晕）困难，而正 离子群外部的放电（击穿） 容易。当电压进一步提高， 随着电晕放电区的扩展， 强场区亦将逐渐向板极方 向推进，因而放电的发展 是顺利的。
4 不均匀电场气体放电
4 不均匀电场空气间隙的放电
• 工程情况 电力系统中大多数的带电设备都处在长间隙不均 匀电场中，如，变压器高压套管引出线对低压套管及壳； 高压输电线对地；实验室的试验变压器高压端对墙等。那 么，关于长间隙不均匀电场气体放电的物理过程又是如何 发展的呢？
• 均匀电场：两个电极的面积远远大于两电极间的距离，这 两个电极间的电场称为均匀电场。如平板电极； • 不均匀电场：两电极的曲率半径小于两电极间的距离时， 两电极间的电场就是不均匀电场。如棒-棒、棒-板；
– 导线表面的水滴在强电场和重力的作用下，将克服本身的表面张力而 被拉成锥形，从而使导线表面的电场发生变化
电晕放电产生的影响： • 负面影响 电晕放电引起的光、声、热等效应使空气发生化学反应，都会消耗 一定的能量。电晕损耗是超高压输电线路设计时必须考虑的因素， 坏天气时电晕损耗要比好天气时大得多。
棒为正极性(流注阶段)： 非自持放电 U外 ↑ 电离↑
被吸引
崩头内E↓
空间电荷
新电子崩
崩头电子
正流注
新电子崩 崩头前E↑
流注伸长
– 负极性：空间电荷削弱放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高 时，电晕区不易向外扩展，气隙击穿将不顺利，因此负极性击穿电压比 正极性高很多，完成击穿所需时间也长得多。
附近的放电（电晕放电）
容易，而外围空间的放电
（击穿）困难。
所以，当电压进一步提高 时，电晕区不易向外扩展，
整个气隙放电发展将是不
顺利的，因而这时气隙的
放电电压要比正极性时高
得多，完成放电过程所需 的时间也要比正极性时长 得多。
非自持放电阶段
– 正极性：正空间电荷削弱棒极附近场强而加强外部电场，阻 止棒极附近流注形成使电晕起始电压提高；
1-击穿电压 2-电晕起始电压 3-过渡区域
电晕放电不稳定，击穿电压分散性很大
刚出现电晕放电时的电压－电 晕起始电压
稍不均匀电场和极不均匀电场的放电 特点1
D d
• 以球-球不均匀电场为例
– d<=2D时，电场较均匀。
• 放电特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，气隙随即被击穿
– d>=4D时，电场分布极不均匀。
电晕放电中，由于电子崩和流注不断消失和重新出现所造成的放电 脉冲会产生高频电磁波，从而对无线电和电视广播产生干扰。
电晕放电还会产生可听噪声，并有可能超出环境保护所容许的标准。 • 方法：增大电极曲率半径；采用扩径导线等
高电压工程基础
降低电晕的方法： 从根本上设法限制和降低导线的表面电场强度。
高度为h的单根导线：U c Ec r ln 2h r
对于距离为d的两根平行导线（d 远大于 r）则可写出
d 距离为d的两根平行线：U c 2 Ec r ln r
对于三相输电导线，上式中的Uc代表相电压，d为导 线的几何均距。
d 3 d12d13d 23
极不均匀电场中的电晕放电现象 （4） • 以导线-板气隙为例。不同直径
（二）负极性 如 (a) 所示：棒极负极 性时，电子崩将由棒极 表面出发向外发展，崩 头的电子在离开强场 （电晕）区后，虽不能 再引起碰撞电离，但仍 继续往板极运动。
空间电荷的 影响
在图（b）中：留在棒极
附近的也是大批正离子，
这时它们将加强棒极表面 附近的电场，而削弱外围 空间的电场，电场情况如 图（c）所示。棒极表面
4.2 稍不均匀电场中的击穿过程
• 稍不均匀电场中的放电过程与均匀电场相似，属于 流注击穿，击穿条件就是自持放电条件，无电晕产 生。 • 但稍不均匀电场中场强并非处处相等， 电离系数α 是空间坐标x的函数，因此自持放电条件为：

d
0
( x)dx ln
1

20
相同极间距离时，稍不均匀场气隙的击穿电压 小于均匀场气隙
改进电极形状，增大电极曲率半径，如采用均压环，屏蔽 环；采用扩径导线，载流量不大的场合，采用空心薄壳扩 大尺寸的球面和旋转椭圆等形式电极。 在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近 于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。 对于超高压和特高压线路的分裂导线来说，找到最佳的分 裂距，使导线表面最大电场强度值最小。
4.3 极不均匀电场中的击穿过程
4.3.1 电晕放电
4.3.2 极性效应
4.3.3 长间隙放电过程
两大 特点
极不均匀电场中的电晕放电现象 （1）
极不均匀电场中的电晕放电现象 （2）
4.3.1 电晕放电
定义：电场极不均匀时，在大曲率电极附近很薄一层空气中具备自持 放电条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个气 隙尚未击穿。
• 极不均匀电场中，电晕起始电压<击穿电压。
– 电场越不均匀，二者的差别也越大
电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压之间的差别越大， 从放电观点看：电场的不均匀程度可以根据是否存在稳定的 电晕放电来区分；
为了定量描述各种结构的电场不均匀程度，可引入一个电场 不均匀系数f，表示为：
Emax : 最大电场强度; Eav :平均电场强度, f<2时为稍不均匀电场，f>4属不均匀电场。
U外<Uc 电子进入强场区
崩头电子 电子崩 正离子
一部分达到板极 其余形成负离子
负空间电荷
聚于阴极附近 电离↑
易
正空间电荷
易
阴极附近E↑
流注
电晕起始 电压低
Uc () Uc ()
流注发展阶段 – 正极性：空间电荷加强放电区外部空间的电场，因此当电压进一步提高 时，强场区将逐渐向极板推进至击穿。
棒为负极性(流注阶段)： 非自持放电 正空间电荷 E棒附近↑
U外>Uc
大量分散 电子崩
负流注
棒半径↑
E↓
U外↑
新电子崩
流注伸长
ห้องสมุดไป่ตู้
Ub () Ub ()
• 工程实际中，输电线路外绝缘和高压设备
的外绝缘都属于极不均匀电场分布，在交
结论：
流电压下的击穿都发生在正半波。
在相同间隙下 正棒—负板 电晕起始电压 间隙击穿电压 高 低 负棒—正板 低 高
• 决定极性要看表面电场较强的那个电极所具有的电
位符号：
• 在两个电极几何形状不同时，极性取决于曲率半径
较小的那个电极的电位符号，如“棒-板”气隙。
• 在两个电极几何形状相同时，极性取决于不接地的
那个电极上的电位，如“棒-棒”气隙。
下面以典型的极不均匀电场 --“棒-板”气隙为
例，从流注理论的观点出发，说明放电的：
D导线工频击穿电压与极间距 离d的关系。 • 观察图1-8，得到： – 击穿电压排序（由高到低）： 均匀场>D最小>较小>较大> 最大>尖-板 – D在厘米级时，击穿电压大 于棒（尖）-板气隙，二者 相近。 – D为0.5mm时，击穿电压略 小于均匀场，二者接近。 • 发现什么问题？
极不均匀电场中的电晕放电现象