1、华北电力大学华北电力大学高电压绝缘技术王胜辉华北电力大学华北电力大学 电气与电子工程学院电气与电子工程学院高压教研室高压教研室 20192019年年2 2月月不均匀电场中气体击穿的发展过程不均匀电场中气体击穿的发展过程一一.稍不均匀电场和极不均匀电场特征稍不均匀电场和极不均匀电场特征1、球间隙放电、球间隙放电dddddd0 0,电压逐步升高，先出现电晕放电，然后刷状放电，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；最后间隙完全击穿；l总结电晕放电电压和击穿电压的关系：总结电晕放电电压和击穿电压的关系：dddddd0 0,击穿电压击穿电压 电晕起始电压；电晕起始电压；d d0
2、0dddd0 0,过渡区，放电电压很不稳定，击穿电压分散性过渡区，放电电压很不稳定，击穿电压分散性很大。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从上述试验可知：放电过程与电场均匀性有着密切联系.放电现象放电现象2、同轴圆柱间隙放电、同轴圆柱间隙放电 电场比较均匀：电场比较均匀：放电达到自持放电达到自持时，时，在整个间隙中都已达到相在整个间隙中都已达到相当数值。初始电子崩经过整个问当数值。初始电子崩经过整个问隙后，形成阳极流注，击穿。隙后，形成阳极流注，击穿。电场不均匀程度增加但仍比较电场不均匀程度增加但仍比较均匀的情况下：均匀的情况下：当大曲率电极附近当大曲率电极附近达到足够达到
3、足够数值时，起始电子崩在间隙中强数值时，起始电子崩在间隙中强电场区内发展起来，经过间隙中电场区内发展起来，经过间隙中相当一部分距离后，形成流注。相当一部分距离后，形成流注。流注一经产生，随即发展至贯通流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致间隙完全击穿。整个间隙，导致间隙完全击穿。电场极不均匀的情况下：电场极不均匀的情况下：当大曲率电极附近很小范围内当大曲率电极附近很小范围内已达相当数值时，间已达相当数值时，间隙中大部分区域隙中大部分区域值都仍然很小。这时，初始电子崩只能值都仍然很小。这时，初始电子崩只能在大曲率电极附近很小范围内发展，放电自持时形成在大曲率电极附近很小范围内发展，放电自持时
4、形成的流注也不能发展至贯通整个间隙。只是在大曲率的流注也不能发展至贯通整个间隙。只是在大曲率电极附近出现薄薄的紫色晕光层，也就是电晕放电。电压电极附近出现薄薄的紫色晕光层，也就是电晕放电。电压必须继续增加到一定值后，才会形成贯通两电极的放电通必须继续增加到一定值后，才会形成贯通两电极的放电通道，导致击穿。道，导致击穿。电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也电场越不均匀，击穿电压和电晕起始电压间的差别也越大。越大。结论：结论：电场比较均匀：击穿电压电场比较均匀：击穿电压=放电自持电压放电自持电压 电场极不均匀：电晕起始电压电场极不均匀：电晕起始电压=放电自持电压放电自持电压2、同轴圆柱间
5、隙放电、同轴圆柱间隙放电 由此可见，电场的不均匀程度可以根据能否维持电由此可见，电场的不均匀程度可以根据能否维持电晕放电来划分。晕放电来划分。极不均匀电场：极不均匀电场：不均匀到可以维持电晕放电的程度；不均匀到可以维持电晕放电的程度；稍不均匀电场：稍不均匀电场：虽然电场不均匀，但还不能维持稳定的虽然电场不均匀，但还不能维持稳定的电晕放电，一旦放电达到自持，必然会导致整个间隙立电晕放电，一旦放电达到自持，必然会导致整个间隙立即击穿。即击穿。/maxmaxavEEf=EU d不均匀系数：不均匀系数：f4:稍不均匀电场稍不均匀电场:极不均匀电场极不均匀电场二二.稍不均匀电场和极不均匀电场特征稍不均匀
6、电场和极不均匀电场特征1ln200/()ddxBp EApeE U fx自持放电电压自持放电电压也即击穿电压也即击穿电压如同轴圆柱体：如同轴圆柱体：1lnlnRrUEdx=Rxrln1expexplnRRrr0BpxR/rBpAp-dx=Ap-dx=EU稍不均匀电场中击穿电压的计算稍不均匀电场中击穿电压的计算导线表面电晕导线表面电晕棒棒-板间隙电晕板间隙电晕三三.极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电三三.极不均匀电场中的电晕放电极不均匀电场中的电晕放电1.1.电晕放电现象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，以至在极不均匀电场中，最大场强与平均场强相差很大，以至
7、当外加电压及其平均场强还较低的时候，当外加电压及其平均场强还较低的时候，电极曲率半径电极曲率半径较小较小处附近的处附近的局部场强已很大局部场强已很大。在这在这局部强场区中，产生强烈的游离局部强场区中，产生强烈的游离，但由于离电极稍远，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伴随着游离而存在的复合和反激励复合和反激励，发出大量的，发出大量的光辐射光辐射，使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出使在黑暗中可以看到在该电极附近空间发出蓝色的晕
8、光蓝色的晕光，这，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；3.外区中空间电荷的作用结论：结论：外区中的离子和电晕电极同号；外区中的离子和电晕电极同号；加强了外区中的电场，减少了电晕层中的场强。加强了外区中的电场，减少了电晕层中的场强。4.电晕放电有两种不同形式：电子崩形式和流注形式5.电晕放电危害1.伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、伴随着游离、复合、激励、反激励等过程而有声、光、热等效应，会有热等效应，会有能量损耗能量损耗。2.在尖端或电极的某些突出处，电子和离子在
9、局部强场的在尖端或电极的某些突出处，电子和离子在局部强场的驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成驱动下高速运动，与气体分子交换动量，形成“电风电风”。当电极固定得刚性不够时，气体对当电极固定得刚性不够时，气体对“电风电风”的反作用力会的反作用力会使电晕极振动或转动。使电晕极振动或转动。3.电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波电晕会产生高频脉冲电流，其中还包含着许多高次谐波,这会造成这会造成对无线电的干扰对无线电的干扰。4.电晕产生的化学反映产物电晕产生的化学反映产物具有强烈的氧化和腐蚀作用具有强烈的氧化和腐蚀作用，电晕是促使有机绝缘老化的重要因素。电晕是促使有机绝缘老化的重要因素
10、。5.电晕还可能电晕还可能产生超过环保标准的噪声产生超过环保标准的噪声，对人们会造成生，对人们会造成生理、心理的影响。理、心理的影响。最根本的途径就是设法限制和降低导线（导体）的表面电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。6.消除电晕措施1.电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和陡电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击波的幅值和陡度；度；2.利用电晕放电来改善电场分布；利用电晕放电来改善电场
11、分布；3.利用电晕原理制造除尘器、静电涂喷装置、臭氧发生器利用电晕原理制造除尘器、静电涂喷装置、臭氧发生器等。等。7.电晕效应有利的方面（二）电晕放电的脉冲现象（二）电晕放电的脉冲现象1.试验装置和放电现象试验装置和放电现象 U U很低时，放电电流极小，电流波形不规则。很低时，放电电流极小，电流波形不规则。U U，会突然出现显著的电流和重复脉冲。，会突然出现显著的电流和重复脉冲。U U，电流脉冲幅值不变，但，电流脉冲幅值不变，但f增高，脉冲更密集。增高，脉冲更密集。电压继续升高到一定程度后，电压继续升高到一定程度后，高频脉冲突然消失，高频脉冲突然消失，转入持续电晕阶段，但电流转入持续电晕阶段，
12、但电流 仍继续随电压增高而加大仍继续随电压增高而加大 临近击穿时出现刷状放电临近击穿时出现刷状放电 和不规则的强烈电流脉冲和不规则的强烈电流脉冲 最后发生击穿。最后发生击穿。2.脉冲现象的解释：脉冲现象的解释：空间电荷的影响。空间电荷的影响。（三）电晕放电的起始场强和电压（三）电晕放电的起始场强和电压1.电晕放电起始电压电晕放电起始电压Uc根据根据 理论求解理论求解0exp1ddx=2.利用经验公式求解电晕起始电压（利用经验公式求解电晕起始电压（Peek公式）公式）c0.298E=30.31 kV/cmrm导线尺寸，大气状态，大气湿度，电极材料，电源频率，导线表面状态等导线尺寸，大气状态，大气
13、湿度，电极材料，电源频率，导线表面状态等对对Ec都有影响。都有影响。lnccdU=E r kVr平行导线：平行导线：地面上的单根导线：地面上的单根导线：c0.298E=30.31 kV/cmrm2dh=lnccdU=E r kVr同轴圆柱：同轴圆柱：c0.305E=31.51 kV/cmrlnccRU=E r kVr球球-球间隙球间隙c0.337E=27.71 kV/cmrUc的计算：先计算不均匀系数的计算：先计算不均匀系数f，计算平均电场，计算平均电场Eav，Uc=Eav*d四四.极不均匀电场中的击穿、极性效应极不均匀电场中的击穿、极性效应(一一)长空气间中放电过程的实验研究长空气间中放电过
14、程的实验研究1.试验设备试验设备1)旋转照相机旋转照相机2）像变换管）像变换管3）光电倍增管）光电倍增管4）光谱分析仪）光谱分析仪5）示波设备等）示波设备等 2)变象管变象管 放电现象放电现象1经物镜经物镜2投射到半透明的光电阴极投射到半透明的光电阴极3,根据投射来的光辐射，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。聚焦聚焦成象并得到加速。聚焦后的电子束经光阑后的电子束经光阑5、闭锁电极、闭锁电极6、垂直偏转电极、垂直偏转电极7、水平偏转电极、水平偏转电极8及补及补偿电极偿电极9而到达荧光屏而到达荧光屏10，又重现为发
15、光图象。利用偏转电极可将放电现，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能增强发光微弱现象的亮度)，因此获得越来越广泛的应用。，因此获得越来越广泛的应用。3）电压的产生）电压的产生2.实验结果实验结果棒的极性不同时，放电也具有不同的特点。棒的极性不同
16、时，放电也具有不同的特点。棒为正极性时，先导通道具有很多分枝，可接近板极。棒为正极性时，先导通道具有很多分枝，可接近板极。当棒为负极性时，随着先导向极板推进，从极板上出现了当棒为负极性时，随着先导向极板推进，从极板上出现了一系列相迎流注一系列相迎流注，后者是从极板表面由于粗糙不平而电场局，后者是从极板表面由于粗糙不平而电场局部集中的地方发展起来的。当由负棒出发的先导和相迎流注部集中的地方发展起来的。当由负棒出发的先导和相迎流注之一相遇时，立刻就转入之一相遇时，立刻就转入主放电阶段主放电阶段，主放电过程由相遇处，主放电过程由相遇处迅速向迅速向两端两端发展。发展。迎面流注对负先导的发展有很大影响。
17、棒为负极性时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，而负先导的发展速度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。(2)棒棒-板间隙板间隙(3)棒一棒间隙棒一棒间隙放电时从两棒都可发展起先导，正、负先导相遇后，放电时从两棒都可发展起先导，正、负先导相遇后，立即转入主放电，正先导开始较早，且发展速度更快，立即转入主放电，正先导开始较早，且发展速度更快，因此先导相遇处离负棒较近。因此先导相遇处离负棒较近。放电展开图和间隙的电压和电流放电展开图和间隙的电压和电流极不均匀电场中的放电存在明显的极不均匀电场中的放
18、电存在明显的极性效应极性效应。（二）极不均匀电场中的放电过程（二）极不均匀电场中的放电过程均匀电场：击穿前的空间电荷可以忽略。均匀电场：击穿前的空间电荷可以忽略。极不均匀电场：在爆发电晕前，已经发展起了相当强烈极不均匀电场：在爆发电晕前，已经发展起了相当强烈的电离现象，大量的空间电荷对电场有的电离现象，大量的空间电荷对电场有畸变畸变作用，对放电作用，对放电的后续发展有着很大的影响。的后续发展有着很大的影响。E0(c)Ecom=E0+EqE0EEqx(a)(b)正极性正极性在棒极附近，积聚起正空间电荷在棒极附近，积聚起正空间电荷，减少了紧贴棒极附近的电场，减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外
19、部空间的电场，而略微加强了外部空间的电场，棒极附近难以造成流注，使得自棒极附近难以造成流注，使得自持放电、即电晕放电难以形成持放电、即电晕放电难以形成。(一一)非自持放电阶段非自持放电阶段1.当棒为正极性时当棒为正极性时Ecom=E0+Eq+Eq-(c)E0EEq+x(a)(b)Eq-E0负极性负极性 电子崩中电子离开电子崩中电子离开强电场区后，不再引起强电场区后，不再引起电离，正离子逐渐向棒电离，正离子逐渐向棒极运动，在棒极附近出极运动，在棒极附近出现了比较集中的正空间现了比较集中的正空间电荷，使电场畸变。电荷，使电场畸变。棒极附近的电场得棒极附近的电场得到增强，因而自持放电到增强，因而自持
20、放电条件就易于得到满足、条件就易于得到满足、易于转入流注而形成电易于转入流注而形成电晕放电。晕放电。2.当棒为负极性时当棒为负极性时31（二）流注发展阶段（二）流注发展阶段 1.当棒具有正极性时当棒具有正极性时 流注等离子体头部的正电荷流注等离子体头部的正电荷减弱等离子体中的电场，而加强减弱等离子体中的电场，而加强其头部电场（曲线其头部电场（曲线2）电场加强的流注头部前方产电场加强的流注头部前方产生新电子崩，其电子吸引入流注生新电子崩，其电子吸引入流注头部正电荷区内，加强并延长流头部正电荷区内，加强并延长流注通道，其尾部的正离子构成流注通道，其尾部的正离子构成流注头部的正电荷注头部的正电荷 流
21、注及其头部的正电荷使强流注及其头部的正电荷使强电场区更向前移（曲线电场区更向前移（曲线3），促），促进流注通道进一步发展，逐渐向进流注通道进一步发展，逐渐向阴极推进。阴极推进。32 2.当棒具有负极性时当棒具有负极性时 棒极的强电场区产生大量棒极的强电场区产生大量的电子崩，汇入围绕棒极的正的电子崩，汇入围绕棒极的正空间电荷，等离子体层呈扩散空间电荷，等离子体层呈扩散状分布，削弱前方电场状分布，削弱前方电场(曲线曲线2)在相当一段电压升高的范在相当一段电压升高的范围内，电离只在棒极和等离子围内，电离只在棒极和等离子体层外沿之间的空间内发展；体层外沿之间的空间内发展；等离子体层前方电场足够等离子体
22、层前方电场足够强后，发展新电子崩，其正电强后，发展新电子崩，其正电荷加强等离子体层前沿的电场荷加强等离子体层前沿的电场，形成，形成了大量二次电子崩，汇二次电子崩，汇集起来后使得等离子体层向阳集起来后使得等离子体层向阳极推进。极推进。（1）（2）()()UU起晕 棒(+)板(-)起晕 棒板-+()()()()UU击穿 棒板击穿 棒板+-+二、长气隙的击穿二、长气隙的击穿 气隙较长时，流注往往不能一次贯穿整个气隙，而出气隙较长时，流注往往不能一次贯穿整个气隙，而出现逐级推进的现逐级推进的先导放电先导放电现象。现象。长间隙的放电过程：电晕放电长间隙的放电过程：电晕放电先导放电先导放电主放主放电电整个气隙被击穿。整个气隙被击穿。流注根部温流注根部温度升高度升高热电离过热电离过程程先导先导通道通道电离加强，更为明亮电离加强，更为明亮电导增大电导增大轴向场强更低轴向场强更低发展速度更快发展速度更快长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙长空气间隙的平均击穿场强远低于短间隙 结论：结论：
