不均匀电场放电
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气体放电物理过程1
3. 阴极逸出电子能否接替起始电子的作用是自持 放电的判据。
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
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
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
• 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
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
1.电晕放电现象 在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至 当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径较小 处附近的局部场强已很大。 在这局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远 处场强已大为减小，所以，此游离区不可能扩展到很大，只 能局限在此电极附近的强场范围内。 伴随着游离而存在的复合和反激励，发出大量的光辐射， 使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕光，这 就是电晕。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。
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。
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
Thank You
世界触手可及
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
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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