不均匀电场放电
气体放电物理过程1
1-2 简要论述汤逊放电理论。p49
• 答: 设外界光电离因素在阴极表面产生了一个自由电子，此 电子到达阳极表面时由于过程，电子总数增至eαd个。假设 每次电离撞出一个正离子，故电极空间共有（eαd－1）个 正离子。这些正离子在电场作用下向阴极运动，并撞击阴 极．按照系数的定义，此（ eαd －1）个正离子在到达阴极 表面时可撞出γ（ eαd －1）个新电子，则(eαd -1)个正离子 撞击阴极表面时，至少能从阴极表面释放出一个有效电子， 以弥补原来那个产生电子崩并进入阳极的电子，则放电达 到自持放电。即汤逊理论的自持放电条件可表达为γ（ eαd －1）≥1或γeαd ≥1 。
将 的计算式代入自持放电条件
Ap
Bp
dU eb
d1 ln( 1)
Bpd
击穿电压：
Ub
ln
Apd
ln(11/
)
U bf1pd
温度不变时，均匀电场中气体的击穿电压Ub是气体压强和电 极间距离的乘积pd的函数
• 实验求得均匀电场中几种气体击穿电压Ub与pd的关系
325V
Umin不是出 现在常压 下，而是 出现在低 气压，即 空气相对 密度很小 的情况下。
●自持放电条件
形成流注后，放电就可以由本身产生的空间光电离自行维持，即 转为自持放电。如果电场均匀，间隙就将被击穿。形成流注的条 件（即自持放电条件），在均匀电场中也就是导致击穿的条件：
●形成流柱的条件
初始电子崩头部的负电荷必须达到一定数量，造成必要的局部电 场的强化和足够的空间光电离。
实验得出
ad
1—主电子崩2—二次电子崩
24
3—流注
(3)主放电阶段： ——正流注向阴极推进
高电压技术速记版专题1-6
高电压技术速记版专题1-6专题一：高电压下气体、液体、固体放电原理1、绝缘的概念：将不同电位的导体分开，使之在电气上不相连接。
具有绝缘作用的材料称为电介质或绝缘材料。
2、电介质的分类：按状态分为气体、液体和固体三类。
3、极化的概念：在外电场作用下，电介质的表面出现束缚电荷的现象叫做电介质极化。
4、极化的形式：电子式极化、离子式极化、偶极子式极化；夹层式极化。
(前三种极化均是在单一电介质中发生的。
但在高压设备中，常应用多种介质绝缘，如电缆、变压器、电机等)5、电子式极化：由于电子发生相对位移而发生的极化。
特点：时间短，弹性极化，无能量损耗。
[注]：存在于一切材料中。
6、离子式极化：离子式极化发生于离子结构的电介质中。
固体无机化合物(如云母、陶瓷、玻璃等)多属于离子结构。
特点：时间短，弹性极化，无能量损耗。
[注]：存在于离子结构物质中。
7、偶极子极化：有些电介质具有固有的电矩，这种分子称为极性分子，这种电介质称为极性电介质(如胶木、橡胶、纤维素、蓖麻油、氯化联苯等)。
特点：时间较长，非弹性极化，有能量损耗。
[注]：存在于极性材料中。
8、夹层式极化特点：时间很长，非弹性极化，有能量损耗。
[注]：存在于多种材料的交界面；当绝缘受潮时，由于电导增大，极化完成时间将大大下降；对使用过的大电容设备，应将两电极短接并彻底放电，以免有吸收电荷释放出来危及人身安全。
9、为便于比较，将上述各种极化列为下表：10、介电常数：[注]：用作电容器的绝缘介质时，希望些好。
大些好。
用作其它设备的绝缘介质时，希望小11、电介质电导：电介质内部带点质点在电场作用下形成电流。
金属导体：温度升高，电阻增大，电导减小。
绝缘介质：温度升高，电阻减小，电导增大。
12、绝缘电阻：在直流电压作用下，经过一定时间，当极化过程结束后，流过介质的电流为稳定电流称为泄漏电流，与其对应的电阻称为绝缘电阻。
(1)介质绝缘电阻的大小决定了介质中泄漏电流的大小。
不均匀电场放电PPT课件
极不均匀电场中的电晕放电现象
• 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
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 流电压下的击穿都发生在正半波。
结论：
在相同间隙下
正棒—负板
电晕起始电压
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。
– 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。
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。
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
高度为h的单根导线：U c
电介质的电气特性及放电理论-高电压技术考点复习讲义和题库
考点1：电介质的电气特性及放电理论（一）气体电介质的击穿过程气体放电可以分非自持放电和自持放电两种。
20世纪Townsend在均匀电场，低气压，短间隙的条件下进行了放电试验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿条件。
1、汤逊放电理论的适用范围：汤逊理论的核心是：(1)电离的主要因素是电子的空间碰撞电离和正离子碰撞阴极产生表面电离；(2)自持放电是气体间隙击穿的必要条件。
汤逊理论是在低气压、Pd值较小的条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，这一放电理论能较好的解释低气压短间隙中的放电现象。
因此，汤逊理论的适用范围是低气压短间隙(Pd<26 66kPa.cm)。
在高气压、长气隙中的放电现象无法用汤逊理论加以解释，两者间的主要差异表现在以下几方面：(1) 放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。
低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。
但在大气压下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。
(2) 放电时间根据汤逊理论，闻隙完成击穿，需要好几次循环：形成电子崩，正离子到达阴极产生二次电子，又形成更多的电子崩。
完成击穿需要一定的时间。
但实测到的在大气压下气体的放电时间要短得多。
(3) 击穿电压当Pd值较小时，根据汤逊自持放电条件计算的击穿电压与实测值比较一致；但当Pd值很大时，击穿电压计算值与实测值有很大出入。
(4) 阴极材料的影响根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。
实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，但大气压下空气中实测到的击穿电压却与阴极材料无关。
由此可见汤逊理论只适用于一定的Pd范围，当Pd>26 66kPa. cm后，击穿过程就将发生改变，不能用汤逊理论来解释了。
2、流注理论利用流注理论可以很好地解释高气压、长间隙情况下出现的一系列放电现象。
(1) 放电外形 流注通道电流密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。
雷电过电压
工程上衡量输电线路防雷性能优劣的指标：
耐雷水平：线路遭受雷击时，其绝缘不发生闪络的最大雷 电流幅值（kA）
雷击跳闸率：每100km线路每年（40雷电日）因雷击引起 的跳闸次数（次/100km· 年） §9－1 输电线路的感应雷过电压
一、雷击线路附近的大地时感应过电压
先导放电阶段导线上出现与雷电流极性相反的束缚电荷， 主放电时束缚电荷突然被释放形成感应雷过电压的静电分 量，同时主放电通道中雷电流的急剧变化在通道周围空间 产生很强的脉冲磁场，在线路导线上产生感应雷过电压的 电磁分量 感应雷过电压＝静电分量＋电磁分量
MOA阀片只流过10－5A以下的工频续流 优点：
不用串间隙（无间隙）
（1）结构简单，体积小，可作为其它电器的支柱
（2）无间隙：
a.无电弧燃烧
b.易制成直流避雷器
c.动作无时延、动作早，及时减低过电压水平
（3）通流容量大
故现MOA广泛地用于不同电压等级的电网
§8-4 接地装臵 接地是指将地面上的金属物体或电气回路中的某一节点 通过导体与大地保持等电位
解决方法：a.提高电气设备的冲击绝缘水平 b.避雷器伏秒特性低且平直
U冲击 U工频
不经济
kch → 1
冲击系数
k ch
2）避雷器绝缘强度的自恢复能力强 冲击电压→冲击放电→对地短 路→工频短路 （工频续流以电弧形式出现）
要求避雷器具有很强的绝缘强 度自恢复能力，在工频续流第 一次过零时熄弧，不再重燃 灭弧电压：工频电流第一次过 零后间隙所能承受的不至于引 起电弧重燃的最大工频电压 灭弧电压 避雷器性能越好
1间隙为不均匀电场放电分散性大伏秒特性陡不易进行伏秒特性配合2灭弧能力差引起断路器跳闸3放电时产生截波威胁绕组绝缘保护间隙放电后电弧的熄灭是靠短路电流过零时的自然熄弧当短路电流较大时可能发生电弧的重燃如果短路电流引起的电弧长期存在就可能产生弧光接地过电压危及设备绝缘因此需采用跳断路器来消除接地故障管型避雷器利用电弧燃烧时产生的热量使产气管里的产气材料纤维塑料橡胶等产生气体纵吹电弧使电弧熄灭保护间隙动作后会产生截波因此保护间隙和管型避雷器都不能承担主变和发电机等重要设备的保护任务只能用于线路保护和进线段的保护阀型避雷器主要由火花间隙和阀片非线性电阻组成火花间隙接近均匀电场ch11避免截波和减小工频续流电阻要大残压雷电流流过时产生的电压电阻要小非线性电阻普通阀型避雷器火花间隙避雷器间隙就是由多个火花间隙串联而成火花间隙放电电压稳定分散性小从而具有平坦的伏秒特性和较高的灭弧性能c金刚砂焙烧成55100mm园饼状阀片非线性电阻主要两个重要指标
极不均匀电场中的电晕放电
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
气体放电过程中的光、声、热的效应以及化学反应 等都要引起能量损耗 放电的脉冲现象会产生高频电磁波，对无线电通讯 造成干扰 电晕放电使空气发生化学反应，生成臭氧、氮氧化物 等产物，臭氧、氮氧化物等产物是强氧化剂和腐蚀剂 ，会对气体中的固体介质及金属电极造成损伤或腐蚀
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
图1-5
当外施电压U＜Ub时，若取消外界游离因素，电子崩 会消失，电流也将消失，这类放电称为非自持放电
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性子撞击阴极会发生 表面游离，释放出的电子又会引起电子崩，这时气体 中的游离过程可只靠电场的作用自行维持，而不再需 要外界游离因素，这就是自持放电。
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
U 当d≤4 r时 ，放电具有 稍不均匀场 间隙的特点 即击穿电压 与电晕起始 电压是相同 的 O
4r＜d＜8r放电过程 不稳定，击穿电压 的分散性很大，属 1 于由稍不均匀变为 极不均匀的过渡区。
2
1
当d≥8r时，放 电具有极不均匀 场间隙的特点， 此时电晕起始电 压明显低于击穿 电压。 d
3.巴申定律
子情境1.2气体绝缘材料及其击穿特性
高气压或高真空都可提高击穿电压，工程 上都已广泛使用。真空度高到一定程度， 所有电子都不引起碰撞游离而直接进入阳 极，击穿电压不会无限提高。这是因为电 压上升到一定程度后，阴极表面的场强就 足够高，高得足以产生强场发射，而且高 能电子撞击阳极也可引起阳极表面材料的 气化，使高真空下的击穿电压上升到一定 程度后就很难再提高了。
在高压输电线路上应力求避免或限制电晕，特别是超高 压系统中，限制电晕引起的能量损耗和电磁波对无线电 的干扰已成为必须加以解决的重要问题。
4电晕放电和极性效应
流注根部温 度升高 热电离过 程 先导 通道
电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
电离加强，更为明亮
长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙
§5 不均匀电场中气体击穿的发展过程
一.稍不均匀电场和极不均匀电场特征 1、球间隙放电
HV
D
d
放电现象
①d<d0,电场比较均匀，击穿之前看不到放电迹象，类似于 均匀电场； ②d>d0, 电压逐步升高，先出现电晕放电，然后刷状放电， 最后间隙完全击穿； 总结电晕放电电压和击穿电压的关系： ①d<d0,两电压相等； ②d>d0',击穿电压 >电晕起始电压； ③d0<d<d0', 过渡区，放电电压很不稳定，击穿电压分散性 很大。 从上述试验可知：放电过程与电场均匀性有着密切联系.
2)变象管
放电现象1经物镜2投射到半透明的光电阴极3,根据投射来的光辐射， 光电阴极发射出电子。发射出的电子由电极4聚焦成象并得到加速。聚焦 后的电子束经光阑5、闭锁电极6、垂直偏转电极7、水平偏转电极8及补 偿电极9而到达荧光屏10，又重现为发光图象。利用偏转电极可将放电现 象随时间展开。在闭锁电极上施加间断的释放脉冲电压还可在荧光屏上 得到分幅的图象。荧光屏上的图象可用普通照相机摄制下来。变象管扫 描速度高，分辨率好，控制灵活，灵敏度高(能增强发光微弱现象的亮度) ，因此获得越来越广泛的应用。
高电压技术——第五讲-不均匀电场中气体放电的特点
45.72 0
45.72 45
（2）电晕放电的利用 在某些情况下可以利用电晕放电产生的空间电
荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电 压。
导线－板电极的空气间隙击穿电压（有效值）与间隙距离的关系
1－D=0.5mm 2－D=3mm 3－D=16mm 4－D=20mm
虚线－尖-板电极间隙 点划线－均匀场间隙
量）
上节回顾：
4.巴申定律说明了哪两个变量之间的关系？ Ub=f(pd)
5.流注理论的适用条件？认为二次电子来源是？ Pd值较大时，空间的光电离。
6.均匀电场流注自持放电的条件？（定量）
上节回顾：
7.均匀电场强电负性气体自持放电的条件？
8.强电负性气体的K值与空气的K相比较大小？并分 析原因？ 强电负性气体的K较小，由于其虽然电子数少， 但带电质点多。
高 度 为 h 的 单 根 导 线 ： U cE crln2 rh
距 离 为 d 的 两 根 平 行 线 ： U c 2 E crlnd r
（2）电晕放电的危害与对策
危害： 功率损耗、电磁干扰、噪声污染
对策：（限制导线的表面场强 ）
采用分裂导线。对330k源自及以上的线路应采用分裂导线，例如330，500 和750kV的线路可分别采用二分裂、四分裂和六分裂导线。
➢ 不均匀电场中放电的极性效应
负极性棒－板间隙的电晕起始电压比正极性棒－板电极低 负极性棒－板间隙击穿电压比正极性棒－板电极高
携手共进，齐创精品工程
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半径为r的球间隙的放电特性与极间距d的关系
电 场 不 均 匀 系 数 ： f Emax Ea
Ea
U d
➢极不均匀电场中的电晕放电
极不均匀电场中的沿面放电
极不均匀电场中的沿面放电1．套管的沿面放电（电场具有强垂直分量）图1-39给出了220kV 变压器出线套管及其简化剖面示意图。
套管的沿面放电过程如图1-40所示，随着外施电压的增高，在法兰的边缘先出现浅蓝色的电晕放电，如图1-40(a)。
进一步升高电压，放电形成平行向前伸展的许多细光线，称为刷形放电，如图1-40(b)。
刷形放电的长度随着电压的升高而增加。
当电压到某临界值时，其中某些细线的长度迅速增长，并转变为较明亮的浅紫色的树枝状火花。
这种放电很不稳定，迅速改变放电路径，并有爆裂声响，这种放电称为滑闪放电，如图1-40(c)。
滑闪放电的火花长度随外施电压的升高而迅速增长，因而出现滑闪后，电压只需要增加不多，放电火花就能延伸到另一电极，形成闪络。
套管滑闪放电现象可用图1-41所示的套管的电场分布及等效电路来解释。
从图1-41（a ）中可以看出，电场强度垂直于介质表面的分量比平行于表面的分量大得多，因此电场具有强垂直分量。
图1-41（b ）中导电杆 （电极） 固体介质 （电工陶瓷） 法兰 （接地极） 图1-39 220kV 变压器出线套管 (a)套管；(b)剖面简图 导电杆 固体介质 法兰 (a)(b) 图1-40工频电压作用下沿面放电发展过程示意图 (a)电晕放电；(b)细丝状辉光放电；(c)滑闪放电 (a) (b)(c) i (a) (b)图1-41 套管的电场分布及等效电路(a)电场示意图；（b ）套管等效电路电力线r 1表示套管表面单位面积的表面电阻，r 2表示单位面积的体积电阻，C 表示单位面积与导电杆间的电容，称其为表面电容系数（F/cm 2）。
由于套管表面电场具有强垂直分量，即电场主要从法兰垂直介质表面进入固体介质到达导电杆，使体积电阻r 2和电容C 的分流大，流过表面电阻r 1的电流逐渐减小，在法兰附近沿介质表面的电流密度最大，在该处介质表面的电位梯度也最大，当此处电位梯度达到使气体游离的数值时，就出现了电晕放电。
2.气体放电的基理论分析-均匀场与不均匀场的放电
3.流注理论
汤逊气体放电理论实在气压较低，pd值较小的条件下进行放电实验的 基础上建立起来的。pd过小或者过大，放电机理出现变化，汤逊理论就不 适用了。当气压是101.3kPa或更高、长气隙pd>>26.66kPa.cm。
电子崩在正常大气下发展若E=30kV/cm则α=11cm^-1我们可以推算出崩头 电子数的表
自由行程超过 平均自由程为λ，则
令
的电子才能与分子发生碰撞电离，若电子的
气体温度不变时，平均自由程与气压成反比
我们将之前推出的气隙击穿条件带入上式中可以推出击穿电压
1.3汤逊理论的核心理论及适用范围
1.汤逊原理中对实验的分析主要以碰撞电离为理论基础 2.汤逊原理的实验环境仅限于短间隙，低气压，大曲率电极， 均匀电场的条件下(pd<26.66kPa.cm[200mmHg.cm]) 3.达到自持放电后的放电型式和特性取决于所加电压的类型、 电场型式、外电路参数、气压和电源容量等条件。 4.汤逊实验中阴极材料对实验影响较大，γ系数会随材料的 变化而变化，因而击穿电压也受到阴极材料影响。
3.
2.2极性效应
正极性
•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, 但速度很慢暂留在棒极附近
•这些正空但速度很慢而暂 留在棒极附近，如图间电 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
•负极性
• 崩头的电子在离开强场（电晕）区 后，虽不能再引起新的碰撞电离，但仍 继续往板极运动，而留在棒极附近的也 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 • 所以，当电压进一步提高时，电晕 区不易向外扩展，整个气隙的击穿将是 不顺利的，因而这时气隙的击穿电压要 比正极性时高得多，完成击穿过程所需 的时间也要比正极性时长得多。 输电线路和电气设备外绝缘的空气间隙大都 属于极不均匀电场的情况，所以在工频高电 压的作用下，击穿均发生在外加电压为正极 性的那半周内；在进行外绝缘的冲击高压试 验时，也往往施加正极性冲击电压，因为这 时的电气强度较低。
电晕放电和沿面放电
非自持放电阶段 （1）当棒具有负极性时 电子崩中电子离开强电场区后，不再 引起电离，正离子逐渐向棒极运动， 在棒极附近出现了比较集中的正空间 电荷，使电场畸变。棒极附近的电场 得到增强，因而自持放电条件易于满 足，易于转入流柱而形成电晕放电。
(10)
流柱发展阶段
（1）当棒具有正极性时 电子崩进入棒电极，正电荷留在棒尖加 强了前方的电场（曲线2），对形成流柱发展 有利。头部前方产生电子崩，吸引入流柱头部 正电荷区域，加强并延长流柱通道； 流柱及其头部的正电荷使强电场区更向前 推移（曲线3），促进流柱通道进一步发展， 逐渐向阴极推进，形成正流柱。
(28)
(29)
污秽表征 污秽度除了与积污量有关还与污秽的化学成分有关。 通常采用“等值附盐密度”（简称“等值盐密”）来表征 绝缘子表面的污秽度，它指的是每平方厘米表面所沉积的 等效氯化钠（NaCl）毫克数。 衡量输电线路绝缘子抗污闪能力的参量是泄漏比距（也称 爬电比距）λ ： 指外绝缘“相—地”之间的爬电距离 (cm) 与系统最高工作（线）电压（kv,有效值）之比。
§2.6 沿面放电和污闪事故
一、沿面放电概念 沿面放电：沿气体和固体绝缘或气体和液体绝缘 表面发生的气体放电现象叫沿面放电。 气体中沿着固体绝缘表面放电的形式包括： 沿面滑闪：尚未发生击穿； 沿面闪络：沿面击穿；
(15)
二、研究沿面放电的意义
电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械 上对高压导体起固定作用，又在电气上起绝缘作 用，其绝缘状况（击穿和闪络）关系到整个电力 系统的可靠运行。输电线路和变电所外绝缘的实 际绝缘水平取决于它的沿面闪络电压（为什么）。 沿固体介质表面的闪络电压不但比固体介质 本身的击穿电压低得多，而且比极间距离相同的 纯气隙的击穿电压低不少？
穿墙套管放电原因分析及消除方法
穿墙套管放电原因分析及消除方法摘要：本次研究对穿墙套管放电原因进行介绍，通过对不均匀电场中存在的气体放电原理加以分析，将放电的主要原因找出，并针对性制定应对措施。
实际操作显示，穿墙套管与母排间的空气间隙呈越小显示时，出现放电的情况越明显，表明消除穿墙管放电的方法具一定可行性。
关键词：穿墙套管放电；原因分析；消除方法穿墙套管又可按穿墙管、防水套管定义，多在电站和变电所配电装置及高压电器中应用，它的使用原理是供导线穿过接地隔板、墙壁或者电器设备外壳，支持导电部分使用外，且对地或者外壳绝缘。
任何物质均有其适宜环境，而穿墙套管在无腐蚀性、可燃气体或水蒸气等环境中适用，同时，需避免其受到剧烈振动，不能与重物发生碰撞等，以保证正常运行。
1穿墙套管的发电原因分析1.1天气原因世界上任一物质均具其双面性，穿墙套管在技术上给我们的生活带来了便利，但是它自身还有不足之处存在，如会出现放电现象，天气原因是首要诱发因素。
如果遇到回潮天或凝露天气，不管是室内还是室外，当温度与穿墙套管适宜存在的温度（+40℃至-40℃之间）不相符，或空气中混杂着有腐蚀性或者可燃气体等其他物质，或外部天气原因促使其不再是绝缘体时，即会导致发电，环境的改变可直接影响其运行，造成硬件无法正常工作。
1.2磁场欠均匀每一个电场都有独属自己的磁场，所谓电场就是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。
均匀电场中，在形成气体间隙内的流注后，当放电达到自持程度时，气体间隙就会被击穿。
而在不均匀电场中，气体放电的情况有所不同【1】。
穿墙套管的电荷在电场中移动时，电场力就会带动电荷做功，这就说明这个电场具有能量。
但是电场是受磁场的影响的，如果是均匀的磁场的话，它的强度大小和方向是相同的，反之则不同，而穿墙套管的强度大小和方向是相反的，就此证明穿墙套管是不均匀磁场，也是造成放电的另一个原因。
目前，大部分开关设备厂家在研发24到40.5kv开关设备时，简单地将12kv开关设备的结构放大，但与其在运行电压的升高过程中带来的电场发布不同；尺寸，外行的缩小使带电体间的距离缩小，产生了穿墙套管与电面更集中不均匀的问题，导致电晕放电【2】。
关于电晕放电
电晕放电电晕放电(corona discharge)气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。
最常见的一种气体放电形式。
在曲率半径很小的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电引。
发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声。
电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。
火花放电是电极间的气体被击穿，形成电流在气体中的通道，即明显的电火花称为火花放电。
电晕放电是电极间的气体还没有被击穿，电荷在高电压的作用下发生移动而进行的放电，放电的现象是：在黑暗中可以看到电极的尖端有蓝色的光晕，称为电晕放电。
火花放电的电流大多都很大，而电晕放电的电流比较小。
电晕放电的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别，这主要是由于电晕放电时空间电荷的积累和分布状况不同所造成的。
在直流电压作用下，负极性电晕或正极性电晕均在尖端电极附近聚集起空间电荷。
在负极性电晕中，当电子引起碰撞电离后，电子被驱往远离尖端电极的空间，并形成负离子，在靠近电极表面则聚集起正离子。
电场继续加强时，正离子被吸进电极，此时出现一脉冲电晕电流，负离子则扩散到间隙空间。
此后又重复开始下一个电离及带电粒子运动过程。
如此循环，以致出现许多脉冲形式的电晕电流。
电晕电流这一现象是G.W. 特里切尔于1938年发现的，称为特里切尔脉冲。
若电压继续升高，电晕电流的脉冲频率增加、幅值增大，转变为负辉光放电。
电压再升高，出现负流注放电，因其形状又称羽状放电或称刷状放电。
当负流注放电得以继续发展到对面电极时，即导致火花放电，使整个间隙击穿。
正极性电晕在尖端电极附近也分布着正离子，但不断被推斥向间隙空间，而电子则被吸进电极，同样形成重复脉冲式电晕电流。
电压继续升高时，出现流注放电，并可导致间隙击穿。
电晕放电工频交流电晕在正、负半周内其放电过程与直流正、负电晕基本相同。
工频电晕电流与电压同相，反映出电晕功率损耗。
非均匀电场里压强变化对气体放电的影响
非均匀电场里压强变化对气体放电的影响作者：王彪叶宇飞龚福君官小川陈洪来源：《物理教学探讨》2007年第03期摘要：在非均匀电场下的放电与均匀电场中的气体放电相比较有较大的区别，为对非均匀场下的放电有更好的认识，作者使用了球形电极对各个放电阶段进行展示，分析各放电阶段在非均匀场下的成因；并给出了非均匀电场里气体击穿电压与压强的关系曲线。
关键词：反常辉光放电；电晕放电；火花放电中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148(2007)2(S)-0059-31引言气体导电的现象，又称气体放电。
加热、照射（紫外线、X射线、放射性射线）等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。
完全靠电离剂维持的气体导电称为非自持导电。
在一定电压条件下，撤去电离剂，导电仍能维持。
这种情形称为气体自持放电。
自持放电因条件不同，放电的形式也不同。
自持放电包括辉光放电、电晕放电及火花放电。
我们设计实验研究了非均匀稳定电场下各种自持放电。
由于电场分布不均匀，则击穿电压不再遵循帕邢定律，因此还有必要研究新的击穿电压与压强关系。
2实验简介该实验中用到的仪器主要有真空钟罩（罩内有两个电极用于与电源相连）、±2500伏稳压电源、球形电极、2X-4型真空泵等。
实验中，仪器的连接如图1。
实验操作如下：首先打开真空钟罩阀门，接着进行抽气，直到真空计的示数不再明显变化（抽气速率与向外界漏气的速率相当）。
打开稳压电源，逐渐增大稳压电源电压值，直至辉光放电，随后撤掉抽气机电源。
随着不断渗漏气，钟罩内气压随之增大，两电极间放电所需的电压也随之增大，并记录每个变化时刻的气压和电压值。
3反常辉光放电（1）辉光放电夺放电时两电极间出现特有的光辉。
通常低气压冷阴极电极在击穿后可形成稳定的辉光放电。
辉光放电具有电流密度小，放电维持电压较高的特点，产生典型的非等温等离子体。
图2为实验中拍摄的辉光放电，从外表来看，辉光放电时，钟罩内从阴极到阳极的放电空间都出现了明暗相间的光层分布。
极不均匀电场中的放电发展过程
极不均匀电场中的放电发展过程在极不均匀电场中的放电发展过程可以分为以下几个阶段：电离阶段、测豫阶段、动因火花阶段和气路放电阶段。
首先是电离阶段。
在极不均匀电场中，电场的强度非常高，超过了空气的击穿电场强度，导致空气中的原子与分子发生电离。
在强电场的作用下，空气中的分子承受足够高的电场能量，中性原子失去电子，形成正离子和自由电子。
这个过程称为电离。
电离过程使空气局部发生电离，形成电离区域，电离区域内的电荷数量逐渐增加，从而增加了电场强度。
接下来是测豫阶段。
在电离过程之后，电场的强度会因为电离区域内存在大量的电荷而发生变化。
电荷的分布会引起空间电荷效应，使得电场在一些地方变得更加集中，电离区域会向强度更高的地方扩展。
随着电离区域的扩展，空气中的分子被进一步电离，呈现出放电的特征。
然后是动因火花阶段。
在测豫阶段之后，电离区域内局部的电场强度超过了空气的击穿电场强度，导致空气中的分子在电场的作用下发生连续的击穿，形成了火花。
这个阶段被称为动因火花阶段。
火花的形成使电离区域内的电压降低，但是电离区域继续向强电场强度的地方扩展，电离区域内的电荷数量仍然逐渐增加。
最后是气路放电阶段。
随着电离区域的不断扩展，电离区域内的电场强度越来越高，终于达到了足够高的程度，使空气在整个电场区域内发生气路放电。
在这个阶段，电离区域内的电子和离子会形成电流，产生强大的热能和光能。
气路放电的结果通常是火花或者电弧，温度会迅速升高，并产生强烈的光亮和声响。
总体来说，极不均匀电场中的放电过程是一个从电离到火花再到气路放电的过程。
电场的强度越高，放电过程发展的越迅猛，放电的火花和电弧也会越强烈。
这种放电现象在现实生活中的应用非常广泛，例如雷电、电火花等。
在电力系统的设计和维护中，也需要对极不均匀电场中的放电过程进行充分的了解，以防止设备的过载和损坏。
不均匀电场的击穿和雷电冲击电压下的空气击穿
三、伏秒特性
当击穿过程中加在间隙上的电 压随时间变化时，击穿电压指 间隙上的最高电压。
对持续电压来说，电压变化比 放电发展的速度慢得多，电压 达到静态击穿电压后，可认为 电压基本不变，所以击穿电压 就等于静态击穿电压。
对雷电冲击电压来说，电压变化速度极快，在电压达 到静态击穿电压后的放电时延内，电压变化较大，击 穿电压高于静态击穿电压；且击穿电压随时间而变。
2.5 雷电冲击电压下气体的击穿
一、冲击波形及特点
冲击波： ①雷电冲击 ②操作冲击
标准雷电波：
IEC和国标规定： T1=1.2μs±30％ T2=50μs±20% 一般写为±1.20/50
特点：高幅值、高陡度、短时间
标准雷电冲击电压波
T1——视在波前时间 T2——视在半峰值时间
二、冲击放电特点
1、完成气隙击穿的三个必备条件：
2、放电时间的组成：
总放电时间 tb=t0＋ts＋tf
t1＝ts＋tf 称为放电时延
t0－气隙在持续电压下的击穿 电压为U0，为所加电压从0上 升到U0的时间；
ts－从电压达到U0瞬时起到气隙中出现第一个有效电子为
止的时间称为统计时延。
tf－出现有效电子后，引起碰撞游离，形成电子崩，发展到 流注和主放电，最后完成气隙击穿需要的时间，称为放电 形成时延。
2、分析： 下面以电场极不均匀的“棒－板”气隙为 例，从流注的概念出发，说明放电的发 展过程和极性效应。
(a) 正尖——负板
电子崩头部的电子到达棒极后即将 被中和，留在棒极附近的为正空间 电荷。这些正离子向阴极移动速度 很慢而暂留在棒极附近。它们削弱 了棒极附近的电场，棒极附近难以 形成流注，自持放电难以实现，故 起晕电压较高。而它们同时加强了 朝向极板的电场，促进放电向前发 展，故放电电压较低。
电介质的电气特性及放电理论-高电压技术考点复习讲义和题库
考点1：电介质的电气特性及放电理论（一）气体电介质的击穿过程气体放电可以分非自持放电和自持放电两种。
20世纪Townsend在均匀电场，低气压，短间隙的条件下进行了放电试验，提出了比较系统的理论和计算公式，解释了整个间隙的放电过程和击穿条件。
1、汤逊放电理论的适用范围：汤逊理论的核心是：(1)电离的主要因素是电子的空间碰撞电离和正离子碰撞阴极产生表面电离；(2)自持放电是气体间隙击穿的必要条件。
汤逊理论是在低气压、Pd值较小的条件下进行的放电实验的基础上建立起来的，这一放电理论能较好的解释低气压短间隙中的放电现象。
因此，汤逊理论的适用范围是低气压短间隙(Pd<26 66kPa.cm)。
在高气压、长气隙中的放电现象无法用汤逊理论加以解释，两者间的主要差异表现在以下几方面：(1) 放电外形根据汤逊理论，气体放电应在整个间隙中均匀连续地发展。
低气压下气体放电发光区确实占据了整个间隙空间，如辉光放电。
但在大气压下气体击穿时出现的却是带有分支的明亮细通道。
(2) 放电时间根据汤逊理论，闻隙完成击穿，需要好几次循环：形成电子崩，正离子到达阴极产生二次电子，又形成更多的电子崩。
完成击穿需要一定的时间。
但实测到的在大气压下气体的放电时间要短得多。
(3) 击穿电压当Pd值较小时，根据汤逊自持放电条件计算的击穿电压与实测值比较一致；但当Pd值很大时，击穿电压计算值与实测值有很大出入。
(4) 阴极材料的影响根据汤逊理论，阴极材料的性质在击穿过程中应起一定作用。
实验表明，低气压下阴极材料对击穿电压有一定影响，但大气压下空气中实测到的击穿电压却与阴极材料无关。
由此可见汤逊理论只适用于一定的Pd范围，当Pd>26 66kPa. cm后，击穿过程就将发生改变，不能用汤逊理论来解释了。
2、流注理论利用流注理论可以很好地解释高气压、长间隙情况下出现的一系列放电现象。
(1) 放电外形 流注通道电流密度很大，电导很大，故其中电场强度很小。
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从放电现象上看：
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。
刚出现电晕放电时的电压－电 晕起始电压
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
高度为h的单根导线：Uc
Ecr
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
距离为d的两根平行线：Uc
2Ecr
ln
d 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 d12d13d23
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
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。
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。
• 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；
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
球隙的放电特性与极间距离的关系
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
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；
d ( x)dx
ln
1
20
0
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
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。 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
• 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
Elt;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：
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。
• 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、击穿电压，以及二者与电场不均匀程度的变化关系
– 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
– 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
• 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：
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。
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。
稍不均匀电场和极不均匀电场的放电 特点1
Dd
• 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。
• 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
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