第六节 不均匀电场中的放电

第六节 不均匀电场中的放电过程

稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征 电晕放电 极不均匀电场的放电过程(极性效应)


一、稍不均匀电场和极不均匀电场的放电特征

均匀电场是一种少有的特例，在实际电力设施中常见的
却是不均匀电场。

为了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


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 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电压实验时，也往往施加正极性
冲击电压，因为此时电气强度较低。

当气隙较长（极间距离大于1m）时，放电发展过程为
流注、先导放电、主放电。
小 结

IEC和国标规定为： T1 ＝ 1.2μs±30 Tc =2～5μs
％
图1-16 雷电截波
3）标准操作冲击电压波
用来等效模拟电力系统中的操作过电压波。
图1-17 操作冲击试验电压波形 （a）非周期性双指数冲击波；（b）衰减振荡波

Tcr－波前时间； T2－半峰值时间； Um－冲击电压峰值 IEC和国标规定为： Tcr＝250μs±20％ T2＝2500μs±60％
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。 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。 1）对于330~750kV的超高压线路，按额定电压不同。通常取分 裂数为2~6； 2）对于1000kV以上的特高压线路，采用更多的分裂数（分裂数 为8或更大） 3）220kV以下的输电线路，由于电晕放电所引起的损耗和干扰 不严重，所以没有采用分裂导线代替采用单导线。
沿面放电概念 沿面放电的类型与特点 沿面放电电压的影响因素和提高方法 固体表面有水膜时的沿面放电 绝缘子染污状态下的沿面放电 污闪事故的对策
一、沿面放电概念

沿面放电：沿着固体介质表面发展的气体放电现象。

沿面闪络: 当沿面放电发展到对面电极时，贯穿两个电极,相当于气
隙击穿.

电力系统中绝缘子、套管等固体绝缘在机械上起固定作用，又在电气 上起绝缘作用。其绝缘状况关系到整个电力系统的可靠运行。
的作用。当输电线路发生绝缘子闪络时相当于发生接地故障,使系统发
生故障.

沿面闪络电压与设备表面的干燥、潮湿或清洁、污染有较大关系。

二、沿面放电的类型与特点 固体介质和气体介质交界面的电场分布分为3种典型情况， 见图1-21

(a)固体介质处于均匀电场中，界面与电力线平行

(b)固体介质处于极不均匀电场中，且界面电场的垂直分量
T2－视在半峰值时间； Um－冲击电压峰值

IEC和国标的规定为： T1＝1.2 μs± 30％ ，T2＝50 μs± 20％

一般写为1.2/50 μs，有国家为1.5/40 μs
2）标准雷电截波
用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络后所出现的截尾 冲击波，如图所示。
T1－波前时间； Tc－截断时间

电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式
2、电晕放电的现象
薄薄的发光层;伴有“咝咝”放电声;发出臭氧气味。
3、电晕放电的危害
①引起能量损耗；
②干扰周围无线电通信和测量； ③腐蚀有机绝缘材料和金具 ④噪声干扰。
二、电晕放电

电晕起始场强 ：开始出现电晕时电极表面的场强 电晕起始电压 ： 开始出现电晕时的电压 皮克公式，电晕起始场强近似为：
半径电极附近空间的局部放电成为电晕放电。此时气隙仍保
持绝缘状态,还没有被击穿.
一、电晕放电
1.电晕放电的概念
极不均匀电场中，间隙中的最大场强比平均场强大的 多.当外加电压较低时, 在曲率半径较小的尖电极附近 的局部场强已经足够大而引起强烈的游离,在这局部强 场区形成放电. 这种仅仅发生在强场区的局部区域内 的自持放电称为电晕放电。

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：
小结

放电时间的组成为：tb=t1+ts+tf 标准操作冲击电压波

冲击电压波形的标准化 标准雷电冲击电压波 标准雷电截波 采用击穿百分比为50％时的电压来表征气隙的冲击击穿 特性； 伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时间的关系。

冲击电压下气隙的击穿特性


第八节 沿面放电和污闪事故


极不均匀电场气隙中,因间隙距离大,击穿电压主要取 决于间隙距离,而与电极形状关系不大,所以以棒-棒电 极或棒-板电极作为研究极不均匀电场放电特性的典型 电极. 棒-棒电极代表对称的不均匀电场 棒-板电极代表不对称的不均匀电场.
三、极不均匀电场中的放电过程


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。但后 来的发展过程、气隙的电气强度、击穿电压等都与该 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。 原因：棒电极的极性不同时，间隙中空间电荷对外电 场的畸变作用不同。



分析各种气隙的伏秒特性：随着时间的延伸，一切气 隙的伏秒特性都趋于平坦，但特性曲线变平的时间却 与气隙 的电场形式有较大关系： 均匀或稍不均匀电场的放电时延（间）短，因而其伏 秒特性很快就变平了（例如1μs处）； 而极不均匀电场的放电时延（间）较长，因而其伏秒 特性到达变平点的时间也就较长。

tlag ts t f 后两个分量之和成为放电时延 tb , tlag 都具有统计性 放电时间tb和放电时延 tlag 的长短都与所加电压的 幅值U有关，总的趋势是U越高，放电过程发展的 越快，tb和 tlag 越短。
二、冲击电压波形的标准化
由于气隙在冲击电压下的击穿电压和放电时间都与冲击电压的波形 有关，所以，需要把波形加以标准化。 我国规定的标准电压波形有下列几种: 1)标准雷电冲击电压波 T1－视在波前时间； 用来模拟电力系统中的雷电过电压波。
子闪络或空气间隙击穿后，只要切除电源，它们的绝缘性能都能很快 地自动彻底恢复。

沿面放电的实验现象： 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，而且也比极间距离相同的纯气隙的击穿电压低不少。可见绝缘的
实际水平取决于它沿面闪络电压。

沿面闪络电压在确定输电线路和变电所外绝缘的绝缘水平起着决定性
En比平行于表面的切线分量Et要大得多。如套管

c) 固体介质处于极不均匀电场中，但大部分界面上的电场 切线分量Et大于垂直分量En 如支柱绝缘子。
瓷套管
变压器用电容套管
c) 固体介质处于极不均匀电场中，但大部分界面上的电场切 线分量Et大于垂直分量En 如支柱绝缘子。
电晕放电的有利之处：



在列举电晕放电所引起的危害之后，也应提到它有利 的一面，例如： 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。
三、极不均匀电场中的放电过程
用不均匀系数来描述电场的不均匀程度； 电晕放电是发生在小曲率半径电极附近的放电； 电场极不均匀的“棒-板”气隙，负极性击穿 电压高于正极性击穿电压。
第七节 放电时间和冲击电压下的气隙 击穿

放电时间 冲击电压波形的标准化 冲击电压下气隙的击穿特性


一、放电时间 完成气隙击穿的三个必备条件： 1、足够大的电场强度或足够高的电压 2、在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和 主放电的有效电子 3、需要有一定的时间，让放电得以逐步发展 并完成击穿


发展过程
极性效应

（一）正极性

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。
这些正空间电荷削弱了棒极附近的电场强度，不易形 成流注，放电难以自持，故电晕起始电压高； 而正空间电荷加强了正离子群外部空间的电场，因此 当电压进一步提高，有利于流注向板极发展，因而放 电的发展是顺利的，击穿电压较低。



（二）伏秒特性 冲击击穿特性最好用电压和时间两个参量来表示， 这种在“电压－时间”坐标平面上形成的曲线，通常 称为伏秒特性曲线，它表示该气隙的冲击击穿电压与 放电时间的关系,如图1-18所示. 实际的伏秒特性曲线如图1-19所示，是一个以上、下 包线为界的带状区域。 通常取50％伏秒特性或平均伏秒特性曲线来表征一个 气隙的冲击击穿特性。
表示为：
Emax f EaV
EaV :平均电场强度
Emax：最大电场强度
f=1为均匀电场；f<2时为稍不均匀电场， f>4属不均匀 电场。

稍不均匀电场特性与均匀电场相似，一旦出现自持放电，立
即导致整个气隙的的击穿。

极不均匀电场的放电特性与此大不相同，由于电场强度分布 不均匀，当所加电压达到某一临界值时，曲率半径较小的电 极附近空间的电气强度首先达到起始场强值，这个局部区域 先出现碰撞电离和电子崩，甚至出现流注，这种仅在小曲率


完成击穿所需放电时间是很短的（微秒级）： 直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上述 三个条件不成问题； 当所加电压变化速度很快、作用时间很短的冲击电 压，因有效作用时间短，以微秒计，此时放电时间 就变成一个重要因素。



放电时间的组成： 总放电时间 tb=t1+ts+tf t1－气隙在持续电压下的击穿电压为Us，为所加电压 从0上升到Us的时间； ts－从t1开始到气隙中出现第一个有效电子所需的时 间称为统计时延ts； tf－出现有效电子后，引起碰撞电离，形成电子崩， 发展到流注和主放电，最后完成气隙的击穿。这个过 程需要的时间称为放电形成时延tf 。



棒为负极性时，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，不能再引起碰撞电离， 并大多形成负离子继续往板极运动。其浓度小，对电场影 响小。
留在棒极附近的大批正离子，它们将加强棒极表面附近的 电场，易形成自持放电，故电晕起始电压低。


而正离子削弱外围空间的电场，流注不易发展，整个气隙 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，故击穿电压较高。
三、冲击电压下气隙的击穿特性


（一）50％冲击击穿电压（ U50% ） 在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的电压 （ U50% ）来表征气隙的冲击击穿特性。实际中，施 加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可认为是 50％冲击击穿电压。 U50%与Us静态击穿电压的比值为冲击系数β， 均匀和稍不均匀电场下，β ≈ 1; 极不均匀电场中,β > 1，冲击击穿电压的分散性也较 大，其标准偏差可取3％。
Ec 30m1 m2 (1 0.3 r )

—空气相对密度； m1 —导线表面粗糙系数 ; m2 — 气象系数,根据天气不同为0.8~1 r— 导线半径（cm）
4、限制措施
——最有效的措施就是增大电极的曲率半径，改进电极
形状。
例如超（特）高压线路采用分裂导线;有些高压电器采用 空心薄壳的，扩大尺寸的球面或旋转椭圆面等形式的 电极;采用管型空心硬母线等。

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它们都处于气体介质的包围中，一个电极接高电压、另一个电极接地。
两极之间绝缘功能的丧失可以分为以下两种情况：


固体介质击穿：一旦发生击穿，即意味着不可逆转地丧失绝缘功能。
沿介质表面发生闪络：由于大多数绝缘子以电瓷、玻璃等硅酸盐材料 组成，所以沿着它们的表面发生放电或闪络时，一般不会导致绝缘子
的永久性损坏。电力系统的外绝缘，一般均为自恢复绝缘，因为绝缘