电晕放电及其危害(邓显波)

电晕放电及其危害

1气体放电的基本形式

在电力系统中，气体(主要是空气)是一种运用得相当广泛的绝缘材料，如

架空线、母线、变压器的外绝缘、隔离开关的断口处等。在通常情况下，由于宇宙射线及地层放射性物质的作用，气体中有少量带电质点，它们在强电场作用下，沿电场方向移动时，在间隙中会有电导电流。因此，气体通常不是理想的绝缘材料，但当电场较弱时，气体电导极小，可视为绝缘体。

当气体间隙上电压提高至一定值后，可在间隙中突然形成一传导性很高的通道，此时称气体间隙击穿(也可叫气体放电)。气体间隙击穿后，可依电源功率、电极形式、气体压力等具有不同的放电形式。在低气压、电源功率较小时，放电表现为充满整个间隙的辉光放电形式；在高气压下，常表现为火花或电弧放电形式；在极不均匀电场中，会在局部电场较强处先开始放电，称为电晕放电。

除使用纯空气间隙作绝缘外，电力系统中还有许多处在空气中的固体绝缘，如输电线路的绝缘子，电机定子绕组槽外部分的绝缘等，所以还会遇到气体沿固体表面放电的情况(也称沿面闪络)。

2电晕放电现象

当在电极两端加上较高但未达击穿的电压时，如果电极表面附近的电场（局部电场）很强，则电极附近的气体介质会被局部击穿而产生电晕放电现象。这里气体的气压约为105Pa。当电极的曲率半径很小时，由于其附近的场强特别高，很容易发生电晕放电。在通常的情况下，都是研究在曲率半径很小电极处的电晕放电。电晕放电现象可在很多场合下观察到，例如，在高压传输线和同轴圆筒所包围导线的表面，或在针形不规则导体的附近以及在带有高电压的导体表面等处。

根据空间电荷场的相对重要性和阴极提供电子过程的性质区分了汤生放电、辉光放电和弧光放电。在汤生放电中，空间电荷场对外加电场的影响很小，而在辉光和弧光放电中，它却起着重要的作用。在汤生和辉光放电中，次级电子的提供过程，如光子、正离子和亚稳态原子过程所产生的作用不很明显，而弧光则是借助于十分有效的次级过程如场致发射和热离子发射而工作。冈此，自持汤生或辉光放电的燃点电压或阴极位降值都要超过气体电离电位一个数量级的大小，而自持弧光放电的阴极位降十分接近于气体的电离电位。电晕放电电压降比辉光放电压降大(千伏数量级)，但放电电流更小（微安数量级）。且往往发生在电极间电场分布不均勾的条件下。若电场分布均匀，放电电流又较大，则发生辉

光放电现象；在电晕放电状况下如提高外加电压，而电源的功率又不够大，此时放电就转变成火花放电；若电源的功率足够大时，则电晕放电可转变为弧光放电。 在电晕放电中，一般说来，电极的几何构形起着重要作用。电场的不均匀性把主要的电离过程局限于局部电场很高的电极附近，特别是发在曲率半径很小的电极附近或大或小的薄层中，气体的发光也只发生在这个区域里，这个区域称为电离区域，或称之为电晕层或起晕层。在这个区域之外，由于电场弱，不发生或很少发生电离，电流的传导依靠正离子和负离子或电子的迁移运动，因此电离区域之外的区域被称为迁移区域或外围区域。若两极中仅有一个电极起晕，则放电的迁移区域中基本上只有一种符号的带电粒子，在此情况下，电流是单极性的。 形成电晕所需电场不均匀的程度与气体的种类有很大关系。在负电性的气体中(如气压为105Pa的空气)，当电极为球——平面几何构形，电极间隙为球半径时可建立电晕放电；与此相反，若充以非负电性气体，则不会产生电晕放电现象。

电晕放电的电流强度取决于加在电极之间的电压大小、电极的形状、极间距离、气体的性质和密度。电晕放电是—种自持放电，它不需要外加电离源来引发和维持放电。另外，电晕放电的电压降不取决于外电路中的电阻，而决定于放电迁移区域的电导；在迁移区域内存在单极性的空间电荷时，它妨碍着放电电流的通过，此时电晕放电的压降大部分落在迁移区域上。

当两极间的电位差由零逐渐增大时，最初发生无声的非自持放电，这时的电流很微弱，其大小决定于剩余电离；当电压增加到—定数值Vs时，电晕放电发生了。该电压Vs称为起晕电压或电晕放电的阀值电压，它的大小数值由电极间电流的突然增大(从大约1014到106A)和在曲率半径较小的电极处朦胧的辉光的出现所表征。若继续增大电位差，则电流强度将增大，发光层的大小及其亮度也同时增大。当外加电压比阀值电压高很多时，电晕放电会转变为火花放电——发生火花的击穿。

电晕放电的极性决定于具有小曲率半径的电极的极性。如果曲率半径小的电极带正电位，则发生的电晕称为正电晕；反之则称为负电晕；此外，按提供的电压类型也可以将电晕放电分为直流电晕、交流电晕和高频电晕。按出现电晕电极的数目分类时，则有单极电晕、双极电晕和多极电晕。电晕放电现象的应用很广，例如除尘器、高速打印饥、漂白装置等。在某些场合，又不希望它发生，如高压传输线上的电晕会引起电能的损耗和对广播电视的干扰。因此，研究电晕的基本过程具有重要的实用价值。

3电晕产生的机理

电晕即局部放电，是指当电压应力超过某一临界值时，在绝缘系统中气体瞬时电离引起的一种局部放电现象。显然，“局部”并不是每一处，“瞬时’并非持续，“气体电离’则说明无气体便无电晕，因此，气体是电晕产生的最根本的条件之一。

众所周知，气体是不导电的，为优良的绝缘体。但是，当提高气体间隙上的外施电压而达到一定数值后，电流会突然剧增，从而使气体失去绝缘性能，产生自持放电现象。所以，电晕产生有两个主要的因素：一是空气隙的存在，另一个就是电压应力(即电场强度)超过了空气隙的击穿电压。在绝缘材料的内部、电极之间都会存在一定的空气隙，因而，当作用在这些空气隙上的电压应力超过气体的击穿电压时，气体就会被击穿，形成电晕。

最初，局部放电产生的电火花烧蚀绝缘表面，同时产生的臭氧和酸对绝缘表面也有腐蚀作用，使得绝缘表面变得粗糙，然后这种烧蚀和腐蚀缓慢渗入绝缘体内部，但不会造成急剧损坏。烧蚀到一定阶段就会向四周传播，形成枝状生长的通路，该通路是导电的。这是因为通路的壁会碳化或者因为其中的气体高度电离所致。

4电晕放电形成条件

并不是所有的气体放电都表现为电晕放电形式，只有在极不均匀电场中的

气体，当场强足够大时，才会形成电晕。也就是说只有当极间距离对起晕电极表面最小曲率半径的比值大于一定值时，电晕才有可能发生;若比值小于此值，气隙将发生火花击穿。

电力系统中所遇到的绝缘结构大多是不均匀的。不均匀电场的形式很多，绝大多数是不对称电场。在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电极附近很小范围内的电场足以使空气发生游离，而间隙中大部分区域的电场仍然很小。于是在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电(即外界游离因素不存在，间隙中的放电仅靠电场作用继续进行下去)的条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小的范围内，而整个间隙尚未击穿。这种放电称为电晕放电。这是由于大曲率周围的强电场区的气体游离造成的。伴随强场区中的游离、复合，激励和反激励，发出大量光子，使起晕电极周围有薄薄的紫色光层，称为电晕层，电晕层以外的电场很弱，不再发生游离。

电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式，是极不均匀电场的特征之一。它与其他形式的放电有本质的区别，电晕放电时的电流强度并不取决于电路中的阻抗，而取决于电极外气体空间的电导，这就取决于外加电压、电极

形状、极间距离、气体的性质和密度等。

通常以开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，它低于击穿电压，电场越不均匀，两者的差值越大。

5电晕放电产生的效应

气体中的电晕放电具有以下几种效应：

1）伴随着游离、复合、激励和反激励等过程而有声、光、热等效应，表现为发出“嘶嘶”的声音，发出蓝色的晕光以及使周围空气温度升高等。 2）在尖极或电极的某些突出部分，电子和离子在局部场强的驱动下高速运动，与气体分子交换能量，形成“电风”。当电极固定的刚性不够时(例如悬挂的导线)，气体对电风的反作用力会使电晕极振动或转动。

3）电晕放电会产生高频脉冲电流，其中还包含许多高次谐波，对无线电通讯造成干扰。高压输电线路的绝缘子和各种金具上很容易出现电晕，在坏天气或在过电压的情况下，甚至在整条导线上都有可能出现电晕。随着输电电压的不断提高，延伸范围不断扩大，线路上电晕造成的无线电干扰已成 为很重要的问题。 4）电晕放电还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。

5）以上各点都使得电晕放电会产生能量损耗，在某些情况下，会达到可观的程度。

所以，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。

6工程实际中的防晕措施

限制电晕最有效的方法是改进电极的形状，增大电极的曲率半径，如采用

均压环、屏蔽环;在某些载流量不能满足要求的场合，可采用空心的、薄壳的、扩大尺寸的球面或旋转椭圆等形式的电极，如超高压输电线路采用分裂导线;在变电所中，当电压大于35kV时一般不采用矩形母线，而采用圆形或管形母线；在线路施工中，应避免造成导线的损伤，出现毛刺等。

1）选择耐电晕性能较好的绝缘材料。不同的绝缘材料.其耐电晕特性一也各不相同.低密度聚乙烯在电晕产生100h后就会绝缘失效.可见.绝缘材料的耐电晕性能至关重要。在常用绝缘材料中，硅橡胶、PVC、DAP、聚四氟乙烯都是很好的耐电晕材料。

2）改进产品设计结构，尽量减少空气隙的存在。

3）改善电场分布，使之尽量均匀。改进电极形状，增大电极曲率半径，以改善电场分布，提高气体间隙的击穿电压。同时，电极表而应尽量避免毛刺、棱角等，以消除电场局部增强的现象。

4）应当进行局部放电的测量。对产品进行局部放电试验，测定局部放电的各项指标，对放电现象进行分析，改进产品结构。

在某些特定场合下，电晕放电也有其有利的一面。例如，电晕可削弱输电线上雷电冲击或操作冲击电压波的幅值及陡度;可利用电晕放电改善电场分布;可利用电晕除尘等等。

7结论

国内对绝缘技术的研究较晚，相对于国外来说还比较落后.尤其是对电晕的研究还只是处于起步阶段，因此还有很多工作要做。我们相信，随着我国电子技术的迅猛发展以及人们对电晕认识程度和研究的深入，一定能够克服电晕给产品造成的危害，设计制造出性能优良、品质一流的无电晕产品。