电网高压设备电晕与火花放电研究

董武

前言

随着社会经济的飞速发展，电网的电压等级不断提高。超高压和特高压输电线路对环境的影响也越来越多，它包括导线和金具电晕火花产生的无线电干扰(RI)、电视干扰(TVI)、电晕引起的噪音；地面上的高电场强度；线路对所在地区景观和生态的影响等，这些问题对社会发展来说，已成了突出问题。电晕火花放电会带来许多不利影响。例如，放电过程中的光、声、热等效应及化学反应；由于电压较高时，流柱不断熄灭和重新爆发，会出现放电的脉冲现象，形成高频电磁波，引起干扰；还能使空气发生化学反应，生成臭氧及氧化氮等产物，引起腐蚀。

针板间隙放电是一种很典型的极不均匀电场放电，对它的电晕和火花放电研究有助于我们深刻的理解放电的特性，防止它们带来的诸多危害，也可以为我们将来开发它们更多的应用领域提供一些基础知识。

一、气体放电概述

1、气体放电

气体导电的现象，又称气体放电。在气体电离的同时，还有正负离子相遇复合为中性分子以及正负离子被外电场驱赶到达电极与电极上异号电荷中和的过程。这3个过程中，电离、复合二者与外电场无关，后者则与外电场有关。随着外电场的增强，离子定向速度加大，复合逐渐减少以致不起作用，因电离产生的全部离子都被驱赶到电极上，于是电流达到饱和。饱和电流的大小取决于电离剂的强度。一旦撤除电离剂，气体中离子很快消失，电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。当电压增加到某一数值后，气体中电流急剧增加，即使撤去电离剂，导电仍能维持。这种情形称为气体自持导电或自激放电。气体由被激导电过渡到自持导电的过程，通常称为气体被击穿或点燃，相应的电压叫做击穿电压。

2、火花放电

高电压电极间的气体被击穿，出现闪光和爆裂声的气体放电现象。在通常气压下，当在曲率不太大的冷电极间加高电压时，若电源供给的功率不太大，就会出现火花放电，火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。由于气体击穿后突然由绝缘体变为良导体，电流猛增，而电源功率不够，因此电压下降，放电暂时熄灭，待电压恢复再次放电。所以火花放电具有间隙性。雷电就是自然界中大规模的火花放电。火花放电可用于金属加工，钻细孔。火花间隙可用来保护电器设备，使之在受雷击时不会被破坏。

3、电晕放电

气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很大的尖端电极附近，由于局部电场强度超过气体的电离场强，使气体发生电离和激励，因而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮，并伴有咝咝声。电晕放电可以是相对稳定的放电形式，也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。

二、电晕和火花放电研究

为了避免电晕和火花放电对电磁敏感设备造成损坏，可以从两方面进行研究。

1、尽量避免电晕和火花放电的发生[2]。

（1）改进电极形状以改善电场分布：

一般说来、电场分布越均匀，气隙的击穿电压就越高。故如能适当地改进电极形状，增大电极的曲率半径，改善电场分布，就能提高气隙的击穿电压。与此同时，当然还应注意尽可能消除电极上的锐缘、棱角、接缝、焊斑和毛刺等，尽量提高电极表面的光洁度，以消除局部强场。

（2）在高压输电中采用半径适当的输电导线

（3）利用空间电荷以改善电场分量

极不均匀电场的气隙，在一定条件下，可以利用电晕所产生的空间电荷来时使电场均匀化，从而提高气隙的击穿电压。

（4）高真空的采用

将气隙抽成高度的真空也能抑制撞击游离的发展，提高气隙的击穿电压。例如在真空断路器中就采用高真空作绝缘和灭弧用。

（5）高强度气体的采用

某些气体，如SF6，其耐电强度比空气高的多，采用这种气体，或在其它气体中混入一定比例的这种气体，可以大大提高气隙的击穿电压。

2、研究电晕和火花放电的特性，寻找合适方法，降低电磁干扰程度。

我们的研究侧重于电晕和火花放电辐射电磁波在空间的分布情况，研究电磁波的空间分布，可以让我们掌握电磁场强在不同空间的强弱变化，做出相应的防护措施。研究辐射的方向性，有助于我们找到辐射较小的方向，在此方向上安置电磁敏感设备，可以大大减少电磁干扰的程度，降低事故发生率。研究辐射的极化特性，有助于我们选择合适的布线方式。例如电场极化是南北方向，我们就应该尽量选择东西走线，这样感应电压就会减小。

一、针板间隙放电实验回路

针板间隙放电是一种典型的极不均匀场放电,因此我们研究这种情况的放电辐射情况。主要研究方法是:在电极上加负极性直流高电压,使其发生火花放电,通过天线接收放电回路辐射的电磁波,测量水平方向上不同距离的电磁辐射情况。

1、放电实验装置

放电实验装置如图5-1所示，放电回路由高压硅整流电源P、保护水阻R1、R2、针板间隙G、电容组成。实验过程中我们用可调范围为0kV到140kV的负极性直流高电压，针板间隙G在89.3kV下发生击穿。其中针板间隙的距离为4cm。

图5-1针板间隙放电实验装置图

R1,R2保护水阻C电容P高压电源G针板空气间隙

2、天线测量装置

天线测量装置如图5-2所示，环的半径为25cm，圆环中心离地面高度为180cm。接收天线用组合天线，其离地面高度为50cm。

图5-2天线测量示意图

离回路一定距离处放置测量天线,它所接收得到电磁波信号经过电缆送至频谱仪进行数据记录和分析。如图5-2所示,在y轴方向移动测量天线的距离,测量电磁辐射.

二、实验结果及解释

对针板间隙施加负极性的电压，研究电晕火花放电时的辐射特性，实验装置如图5-2所示。

图5-3入射波与反射波的示意图

图5-3中d为电晕放电电磁波的辐射源到场点A的距离，h2为辐射源到地面的高度，h1为场点A到地面的高度，接收天线的中心位于A点。为直射波入射角，这一角度也就是辐射源到场点A的辐射角的补角；为反射波的入射角，这一角度也就是振子辐射源的镜像到场点A的辐射角。我们在42MHz、56.6MHz、80.8MHz三个频率上测量辐射场强。

测量结果显示，水平距离从10米变化到20米,频率为42MHz时，实验测量值大体随距离的增加而增大；频率为56.6MHz时，实验测量值没有严格的单调变化，但是测量值随距离增加而增大的趋势仍能表现出来；频率为80.8MHz时，实验测量值随距离增加呈单调增大。

地面是具有一定电导率和介电常数的媒质，直射波会在地面上激励起感应电流，这些感应电流作为二次辐射源向空间再辐射。因此，场点的场强是直射波和反射波的合成场强。

要确定反射波的幅值，先要确定反射系数。反射系数与来波的频率、极化方向、波长、入射角、大地的电导率和相对介电常数有关。由极化方式的测量结果可知，金具电晕放电路径垂直于地面时，辐射电磁波为垂直极化波（即其电场矢量与入射面平行的分量），地面对垂直极化波的反射系数为：

；

式中地面相对介电常数，大地电导率。取本次实验场地地面参数值（，S/m），可得出反射系数的振幅和相角随入射角的变化规律如下图所示。本次实验来波的入射角介于与之间，由图可得，反射系数约为0.5，相角滞后约为1º。

（a）振幅（b）相角

图5-4反射系数的振幅和相角（，S/m）

由于接收天线在A点垂直放置，所以直射波被接收天线接收的场强为：

；

同理，反射波被接收天线接收的场强为：

因此，在A点的接收天线接收的场强为直射波和反射波的合成场强，即：

（1）式可化简为：

（2）其中为直射波和反射波行程差引起的相角差，为反射引起相位滞后的角度，约为1º。直射波和反射波的行程差为：

80.8MHz测量数值显示变化趋势与理论计算值相一致；其他频率点上的测量值，满足远区场的条件下，大体上也呈现出随距离增大而增大的趋势。频率越高，所对应的波长越短，则与理论计算值吻合得越好。

由和的表达式可见，当d很大时，和都约等于1，此时式可化为：（3）

图5-4场强随距离的变化

图5-4是在很大范围d变化时E/E0的变化情况。随着d的减少，最大值和最小值的间隙缩小。这是由于在h1、h2和λ不变时，d减少，行程差△r增大，而使E/E0变化加快。此外，随距离的减少，入射角减小。由图5-6可知，反射系数下降，使1+R变小（E/E0最大值变小）和1-R变大（E/E0的最小值变大）。本文测量取的距离（d）范围在使E/E0增加的阶段。

结论：

1．绝缘子金具上的电晕火花放电，其辐射模型可用短振子天线来等效；短振子的轴线与电晕放电的路径重合。

2．绝缘子金具上电晕火花放电产生的辐射，在地面上的空间中形成由直射波与反射波共同作用的干涉场。即：在接收天线的高度保持不变的情况下，辐射的合成场强随距离的增大而呈现驻波的形式。当然，由于是球面波，其幅值要随距离的增大而衰减，但这种衰减不是单调的，而是呈波浪起伏式的衰减。

第四节总结与展望

我们给针板空气间隙施加负极性直流高电压，研究电晕与火花放电时辐射的特性.在两个位置测量电磁波的极化方式,保持针板间隙(波源)和接收天线（场点A）的高度不变(实验中波源离地面的高度是1.8m,接收天线的高度是0.5m)。在水平地面的方向上改变接收天线到波源的距离(10m-21m),测量电磁波电磁场在水平地面方向上的空间分布情况。实验中我们测量了三个频率的电磁波,分别为42Mhz,56.6Mhz,80.8Mhz。上述测量是在击穿的情况下完成的,从实验中可以得到结论:

绝缘子金具上电晕火花放电产生的辐射，在地面上的空间中形成由直射波与反射波共同作用的干涉场。即：在接收天线的高度保持不变的情况下，辐射的合成场强随距离的增大而呈现驻波的形式。当然，由于是球面波，其幅值要随距离的增大而衰减，但这种衰减不是单调，而是呈波浪起伏式的衰减。

基于我们前面实验的分析积累,在后续的实验可以改变针板间隙距离,研究间隙距离与辐射的电磁波特性的关系;我们也可以在不同的地面条件、温度和湿度、不同时间情况下的研究电磁波辐射场强的分布情况。

参考文献:

[1]严璋，朱德恒.高电压绝缘技术.中国电力出版社.2000年。

[2]周泽存.高电压技术.中国电力出版社.1988.p19-p28。

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