不均匀电场放电理论
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
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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
高电压技术2流注理论
24
分裂导线
• 输电线路上旳电晕
25
• 扩径导线
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六分裂导线
• 导线位于正六边形旳顶点
27
四分裂导线
• 导线间距450毫米
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三分裂导线
29
• 二分裂
30
2. 极性效应
以棒－板间隙为例
1. 非自持放电阶段
当棒具有正极性时
在棒极附近，积聚起 正空间电荷，降低了 紧贴棒极附近旳电场， 而略微加强了外部空 间旳电场，棒极附近 难以造成流注，使得 自持放电、即电晕放
（ｃ）ｋｍ由流注转变为先导和形成流注ｍｎ；（ｄ）流注头部电子崩旳形成；
（ｅ）沿着先导和空气间隙电场强度旳分布
38
流注根部 温度升高
热电离 过程
电离加强，更为明亮
先导 通道
电导增大 轴向场强更低 发展速度更快
长空气间隙旳平均击穿场强远低于短间隙
39
4．主放电
主放电发展和通道中轴向电场强度分布图
当先导通道头部极为接近 板极时，间隙场强可达 极大数值，引起强烈旳 电离，间隙中出现离子 浓度远不小于先导通道 旳等离子体
10
一旦形成流注，放电就进入了新旳阶 段，放电能够由本身产生旳空间光电离而 自行维持，即转入自持放电了。假如电场 均匀，间隙就将被击穿。所以流注形成旳 条件就是自持放电条件，在均匀电场中也 就是造成击穿旳条件
11
流注理论旳自持放电条件
ed 常数
d 常数
经研究认为常数值约为20
12
3.流注理论对pd很大时放电现象旳 解释
f<2时，稍不均匀电场 f>4后，极不均匀电场
17
高电压工程-第二章 气体放电的基本理论【】
第6节 沿面放电与污秽闪络
1）定义—当绝缘承受的电压超过一定值时，在固体介 质和空气交界面上出现的放电现象，叫沿面放电。
当沿面放电发展成为贯穿性的空气击穿时，叫沿面闪络。 沿面放电是气体放电，由于交界面上电压分布不均匀，
沿面闪络电压比气体单独存在时的击穿电压低 输电线路遭受雷击时绝缘子的闪络，处于大气脏污地区
的瓷瓶在雷雾天发生闪络，均属沿面放电。 为避免绝缘子发生不可恢复的击穿，在设计中让其击穿
电压高出闪络电压约50% 2）影响因素—绝缘表面状态、污秽程度、气候条件等
因素影响很大。
沿面闪络的几种形式
工频电压作用下
沿平板玻璃表面 滑闪放电照片
辽沈地区2001年2月22日遭遇最严重大面积停电事故，沈阳市区 停电面积超过70%。辽沈停电事故是从输电线路污闪开始的。 辽沈为重工业区，含盐的空气污染物附着在绝缘瓷瓶上，大雾 湿气使瓷瓶绝缘能力降低，电弧沿着瓷瓶表面爬升，出现闪烙
➢电晕造成的损耗可削弱输电线上的雷电冲击电压 波的幅值和陡度；
➢利用电晕制造除尘器、消毒柜和对废气、废水进 行处理及对水果、蔬菜进行保鲜等。
极不均匀电场中气隙放电的极性效应
对于“棒—板”间隙，将“棒”的极性定义为间隙的 极性
1）正极性--棒 起晕电压高 击穿电压低
2）负极性--棒 起晕电压低 击穿电压高
D54动车组山东出事撞死一人致车头裂开
2009年3月28日，青岛—北京南D54次动车 途经山东潍坊，列车撞上了一男性铁路工人 （当场死亡），导致车头部分裂开，留有暗 红色血迹。列车暂停约20分钟，最终晚点15 分到达北京。
当时D54路过潍坊站后，正处于加速阶段， 时速在200公里以上。
第三节 流注放电理论
沿面放电：气体介质与固体介质的交界面上沿着固体介质的表面 而发生在气体介质中的放电；当沿面放电发展到使整个极间发 生沿面击穿时称为沿面闪络。
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。
第二章气体放电的物理过程
第二章气体放电的物理过程本章节教学内容要求：气体分子的激发与游离，带电质点的产生与消失汤森德气体放电理论：电子崩的形成，自持放电的条件，帕邢定律。
流注理论：长间隙击穿的放电机理，极性效应，先导放电，雷云放电及电晕。
必要说明：1）常用高压工程术语击穿：在电场的作用下，由电介质组成的绝缘间隙丧失绝缘性能，形成导电通道。
闪络：沿固体介质表面的气体放电（亦称沿面放电）电晕：由于电场不均匀，在电极附近发生的局部放电。
击穿电压（放电电压）Ｕb（ｋＶ）：使绝缘击穿的最低临界电压。
击穿场强（抗电强度，绝缘强度）Ｅb（ｋＶ／ｃｍ）：发生击穿时在绝缘中的最小平均电场强度。
Ｅｂ＝Ｕｂ／Ｓ（Ｓ：极间距离）一般在常压大气中，Ｅｂ＝３０ｋＶ／ｃｍ，当Ｓ较小为ｃｍ且电场为均匀分布时；Ｅｂ＝５００ｋＶ／ｍ，当Ｓ较大接近ｍ时。
放电：（狭义与广义）气体绝缘的击穿过程。
辉光放电：当气体压力低，电源容量小时，放电表现为充满整个气体间隙两电极之间的空间辉光，这种放电形式称为辉光放电。
火花放电：在大气压力或更高的压力下，电源容量不大时变现出来的放电。
主要表现为：从一电极向对面电极伸展的火花而不是充满整个空间。
火花放电常常会瞬时熄灭，接着有突然出现。
电晕放电：在不均匀电场中，曲率半径很小的电极附近会出现紫兰色的放电晕光，并发出“兹兹”的可闻噪声，此种现象称为电晕放电。
如不提高电压，则这种放电就局限在很小的范围里，间隙中的大部分气体尚未失去绝缘性能。
电晕放电的电流很小电弧放电：在大气压力下，当电源容量足够大时，气体发生火花放电之后，便立即发展到对面电极，出现非常明亮的连续电弧，此称为电弧放放电。
电弧放电时间长，甚至外加电压降到比起始电压低时电弧依然还能维持。
电弧放电电流大，电弧温度高。
电气设备常常以一个标准大气压作为绝缘的情况，这是可能发生的是电晕放电，火花放电或者是电弧放电。
2）常见电场的结构均匀场：板－板稍不均匀场：球－球极不均匀场：（分对称与不对称）棒－棒对称场棒－板不对称场线－线对称场§２－１气体中带电质点的产生和消失一．带电粒子的产生（电离过程）气体中出现带电粒子，才可在电场作用下发展成各种气体放电现象，其来源有两个：一是气体分子本身发生电离，二气体中的固体或液体金属发生表面电离。
高电压技术(详细版)
1. 气体中带点质点的产生，激发与游离2. 游。
离的方式有：碰撞游离、光游离、热游离和表面游离。
3. 由碰撞银翼的游离称为碰撞游离。
气体在热状态下引起的游离过程称为热游离。
电子从金属电极表面逸出来的过程称为表面游离4。
. 导致带点质点从游离区域消失或者削弱的过程称为去游离。
去游离的方式：带点质点的扩散，带点质点的复合以及电子的附着效应5。
. 汤逊放电理论认为放电起始于有效电子通过碰撞形成电子崩，通过正离子撞击阴极，不断从阴极金属表面溢出自由电子来弥补引起电子碰撞游离所需的有效电子。
适用于低气压、短间隙均匀电场中的气体放电过程和现象6。
. 气体间隙的击穿电压 UF 是气体压力 P 和间隙距离S 乘积的函数 ,这一规律称为巴申定律7. 流注理论认为放电起始于有效电子通过碰撞形成电子崩，形成电子崩后，由于正负空间电荷对电场的畸变作用导致正负空间电荷的复合，复合过程中所释放的光能又引起光游离，光游离结果所得到的自由电子又引起新的碰撞游离，形成新的电子崩且汇合到最初电子崩中构成流注通道。
适用于大气压下，非短间隙均匀电场中的气体放电过程和现. 电子崩一个电子在电场作用下由阴极向阳极运动时，将与气体原子(或分子)碰撞，如果电场很强、电子的能量足够大时 ,会发生碰撞电离，使原子分解为正离子和电子 ,此时空间出现两个电子。
这两个电子又分别与两个原子发生碰撞电离，出 4 个自由子。
如此进行下去 ,空间中的自由电子将迅速增加类似于电子雪崩，故名，电子崩9。
. 非自持放电：当外加电压较低时，只有由外界电离因素所造成的带电粒子在电场中运动而形成气体放电电流，一旦外界电离作用停止，气体放电现象即随之中断，这种放电称为非自持放1电0. U50%就是在该冲击电压作用下，放电的概率为50%。
其可用来反应绝缘耐受冲击电压的能力11. 。
同一波形。
不同幅值的冲击电压作用下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线称为间隙的伏秒特性曲线。
4 电晕放电和极性效应
导线表面电晕
三.极不均匀电场中的电晕放电
1.电晕放电现象 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， 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 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 局部场强已很大。 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， 局部强场区中， 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， 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。 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 复合和反激励， 光辐射， 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 蓝色的晕光， 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。 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。 电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。 2.电晕起始电压Uc和起始场强Ec；
6.消除电晕措施
最根本的途径就是设法限制和降低导线（导体） 最根本的途径就是设法限制和降低导线（导体）的表面电 场强度。 场强度。 1. 采用分裂导线，使等值曲率半径增大。 采用分裂导线，使等值曲率半径增大。 2. 改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。 改进电极的形状，增大电极的曲率半径，使表面光滑。
迎面流注对负先导的发展有很大影响。 迎面流注对负先导的发展有很大影响。棒为负极性时 间隙的击穿电压比正极性时要高， 间隙的击穿电压比正极性时要高，而负先导的发展速度 则比正先导的低一个数量级。 则比正先导的低一个数量级。
高压电考试题填空题
高电压技术部分1流注理论考虑空间电荷对原有电场的影响和空间光电离的作用。
（流注理论和汤逊理论的差别是考察的重点）。
2 汤逊理论适用于低气压、短气隙的条件，而流注理论适用于高气压、长气隙的条件。
3巴申定律表明高气压和低气压都能使气体击穿电压增大。
4 电晕放电是不均匀电场放电，是自持放电。
5 输电线路上传播的过电压波将因电晕而衰减其幅值和降低其波前陡度，电晕放电还在静电除尘器、静电喷涂装置中获得广泛的应用。
6气体内的各种粒子因高温而动能增加，发生相互碰撞而产生游离的形式称为碰撞游离. 7进行外绝缘的冲击高电压试验时，往往施加正极性冲击电压，因为此时的电气强度较低。
（在极不均匀电场中，正极性击穿电压比负极性击穿电压低）8钢化玻璃型绝缘子具有损坏后“自爆”的特性9以下哪个不是发生污闪最危险的气象条件？A.大雾B.毛毛雨C.凝露D.大雨10 以下哪种材料具有憎水性？A. 硅橡胶B.电瓷C. 玻璃D金属11 工程实际中，常用棒－板或棒－棒电极结构研究极不均匀电场下的击穿特性。
12 伏秒特性曲线波头击穿时取瞬时值，波尾击穿时取峰值。
冲击系数是50%放电电压与静态放电电压之比。
雷电流具有冲击波形的特点：迅速上升，平缓下降。
雷电冲击波电压波形包括视在波前时间和视在半峰值时间，标准雷击波为1.2/50us，在防雷设计中采用2.6/40us。
13保护设备的伏秒特性应始终低于被保护设备的伏秒特性。
这样，当有一过电压作用于两设备时，总是保护设备先击穿，进而限制了过电压幅值，保护了被保护设备14 SF6气体具有较高绝缘强度的主要原因之一是______。
（SF6的理化特性是考察的重点，每次招聘必考）A．无色无味性B．不燃性C．无腐蚀性D．电负性在所用的杂质中影响最大的是水。
15影响液体电介质击穿电压的因素有水分和其他杂质油温电场均匀度电压作用时间油压的影响（考试列出以上选项，从其中选出无关的，尤其注意与电压的频率无关）影响固体电介质击穿电压的因素有电压作用时间电场均匀程度温度受潮累积效应。
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击穿电压 负棒—正板间隙 负棒 正板间隙 ＞ 正棒—负板间隙 正棒 负板间隙
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长间隙放电
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四、极不均匀电场气隙的放电发展过程
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直 流 电 压 下 的 击 穿 电 压 棒 —板间隙 ： 棒 板间隙： 板间隙 10kV/cm 击穿场 4.5kV/cm 棒—棒间隙的 5.4kV/cm 极 ：U 极 棒 均 极
均击穿场
棒 −正板
〉U 棒 −棒 〉U 正棒 −
板
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电晕放电的不利影响
1、产生能量损耗 、 前苏联对输电线路电晕损失进行过多年广泛研究， 前苏联对输电线路电晕损失进行过多年广泛研究， 他们的经验是500kV线路年平均电晕损失约为 他们的经验是 线路年平均电晕损失约为 12kW/km，约为同一线路电阻损耗的 一7%。观 ，约为同一线路电阻损耗的5% 。 测到最大电晕损失雨天为313kW/km，毛毛雨天为 测到最大电晕损失雨天为 ， 374kW/km。最大电晕损失出现在 月到次年 月间， 月到次年3月间 。最大电晕损失出现在12月到次年 月间， 每天的最大电晕损失一般出现在晚上10时左右 时左右。 每天的最大电晕损失一般出现在晚上 时左右。
工频电压下的击穿电压
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工频电压下的击穿电压
击穿在棒的极性为正、 击穿在棒的极性为正、电压达到幅值时发生 除了起始部分外， 除了起始部分外，击穿电压和距离近似直线关系 棒—棒6kV/cm，棒—板5kV/cm; 棒 ， 板 “饱和现象” ： 距离加大 ， 平均击穿场强明显降 饱和现象” 距离加大， 饱和现象 低，棒—板间隙尤为严重 板间隙尤为严重
极不均匀电场中的击穿电压 典型电极结构： 板间隙 板间隙、 棒间隙 典型电极结构：棒-板间隙、棒-棒间隙
直 流 电 压 下 的 击 穿 电 压
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极不均匀电场中的击穿电压 典型电极结构： 板间隙 板间隙、 棒间隙 典型电极结构：棒-板间隙、棒-棒间隙
2、对输电线路采用分裂导线 、
与单根导线相比， 与单根导线相比，分裂导线附近的电磁场分布发生了变 每相电荷分布在该相的各根分导线上， 化，每相电荷分布在该相的各根分导线上，这样就等效 于加大了该相导线的半径，减小了导线表面电荷密度, 于加大了该相导线的半径，减小了导线表面电荷密度,因 而降低导线表面电场强度,从而抑制电晕放电。 而降低导线表面电场强度,从而抑制电晕放电。
电晕放电
极不均匀电场中， 极不均匀电场中 ， 间隙中的最大场强与平均场强相 差很大。距曲率半径小的电极越近，场强越大。 差很大 。 距曲率半径小的电极越近 ， 场强越大 。 当 间隙上的电压升高时， 间隙上的电压升高时， 在间隙中的平均场强远未达 到平均击穿场强的情况下， 到平均击穿场强的情况下 ， 曲率半径小的电极附近 空间的局部场强将首先达到足以引起强烈游离的数 在这一局部区域内形成自持放电， 值 ， 在这一局部区域内形成自持放电 ， 产生薄薄的 蓝紫色的电晕层， 蓝紫色的电晕层 ， 电晕层发光是由于伴随着游离而 存在的复合以及由激发态回到正常态的反激发辐射 光子造成的。 光子造成的。
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2、产生高频电磁波，干扰通信 、产生高频电磁波，
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3、产生臭氧、氮氧化物，有腐蚀作用 、产生臭氧、氮氧化物，
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2-3 不均匀电场中气体的击穿过程
典型的不均匀电场电极结构
球间隙 稍不均匀电场
输电线空气绝缘 极不均匀电场
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一、不均匀电场放电特点
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限制电晕的方法
1、改进电极形状，增大曲率半径 、改进电极形状， 变电站或开关站 220kV及以上电压 220kV及以上电压 等级的母线通常 采用管型母线， 采用管型母线， 使母线周围电场 分布均匀， 分布均匀，提高 起晕电压， 起晕电压，限制 电晕。 电晕。
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电晕放电实例
高电压技术精品课程 U
4r
8r
d
球间隙的电晕电压、 球间隙的电晕电压、击穿电压与球间隙间距离的关系
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二、极不均匀电场的电晕放电
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三、极不均匀电场的极性效应
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极不均匀电场的极性效应 对于电极形状不对称的极不均匀电场间 如棒-板间隙 棒的极性不同时， 板间隙， 隙，如棒 板间隙，棒的极性不同时，间 隙的起晕电压和击穿电压各不相同， 隙的起晕电压和击穿电压各不相同，这 种现象称为极性效应。 种现象称为极性效应。极性效应是不对 称的极不均匀电场所具有的特性之一。 称的极不均匀电场所具有的特性之一。
五、不均匀电场中的击穿电压
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稍不均匀电场中的击穿电压 典型电极结构： 球间隙 典型电极结构：球-球间隙 重要结论： 重要结论： 电场越均匀， 电场越均匀，同样间隙距离下的 击穿电压就越高。 击穿电压就越高。
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极不均匀电场放电过程 短间隙放电： 短间隙放电： 电子崩 长间隙放电： 长间隙放电： 电子崩 流注 先导 主放电 流注 主放电
雷闪放电就是典型的长间隙放电——几百 雷闪放电就是典型的长间隙放电——几百 —— －几千米的空气间隙被击穿压技术精品课程
第二章
气体放电
《高电压技术》课题组 高电压技术》
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2-3
不均匀电场中气体的击穿过程
目的 1.熟悉极不均匀电场中的电晕放电现象 1.熟悉极不均匀电场中的电晕放电现象 2.熟悉极不均匀电场中的极性效应 2.熟悉极不均匀电场中的极性效应 3.了解不均匀电场中空气间隙的击穿电压 3.了解不均匀电场中空气间隙的击穿电压 方法 案例分析、 1、 案例分析、讲解演示 讨论交流、 2、 讨论交流、归纳总结
不均匀电场放电特点
稍不均匀电场 与均匀电场类似，间 与均匀电场类似， 隙击穿前没有放电迹 象。 极不均匀电场 在高场强区，间隙击 在高场强区， 穿前会出现蓝紫色光 并发出“咝咝” 晕，并发出“咝咝” 的响声， 的响声，称为电晕放 电。
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正棒—负板间隙击穿机理 正棒 负板间隙击穿机理
负棒—正板间隙击穿机理 负棒 正板间隙击穿机理
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起晕电压 负棒—正板间隙 负棒 正板间隙 ＜ 正棒—负板间隙 正棒 负板间隙