不均匀电场放电
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• • • • 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
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
• 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
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wk.baidu.com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。
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。
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。
• 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。
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
• 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：
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。
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。
•
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
– 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。
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。
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
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
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
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；
• 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。
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
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。
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
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。
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；
（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
– 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
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
• 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
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wk.baidu.com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。
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。
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。
• 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。
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
• 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：
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。
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。
•
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
– 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。
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。
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
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
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
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；
• 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。
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
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。
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
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。
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；
（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