高壓電暈的機(jī)理分析與解決方法

徐 偉，黃 鶴

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京211153）

0 引 言

電暈放電是一種常見的氣體放電形式，是指氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部放電。電暈放電現(xiàn)象在生活中最常見于電力系統(tǒng)中的高壓及超高壓輸電線路中，在雷達(dá)、通信等領(lǐng)域的電真空發(fā)射系統(tǒng)中也是一種較常見的放電現(xiàn)象。

電真空發(fā)射機(jī)是發(fā)射機(jī)的一種重要形態(tài)，主要包括行波管發(fā)射機(jī)、速調(diào)管發(fā)射機(jī)、磁控管發(fā)射機(jī)、前向波管發(fā)射機(jī)等類型。電真空發(fā)射機(jī)由于具有功率大、增益高、電路結(jié)構(gòu)形式相對簡單等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、電子對抗及通信等重要領(lǐng)域。

電真空發(fā)射機(jī)的核心器件為電真空器件。這些器件大都要求有較高的工作電壓（幾千伏至幾十千伏）和較大的脈沖電流（幾安至幾十安）。因此，在電真空發(fā)射機(jī)內(nèi)就存在較復(fù)雜的高壓脈沖電場，加上電路、結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料工藝等原因?qū)е码妶龇植家膊痪鶆?，而?fù)雜不均勻的空間電場正是電暈放電形成的基本條件。在設(shè)備的設(shè)計或制造工藝中如果沒有專門的防護(hù)措施，就難以避免因電暈放電而導(dǎo)致發(fā)射機(jī)故障，影響雷達(dá)整機(jī)的可靠性。

根據(jù)近幾年某型號電真空發(fā)射機(jī)故障類型的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)高壓絕緣故障時有發(fā)生。在這些故障中，就有多起因高壓部位電暈放電導(dǎo)致的故障。本文主要針對電真空發(fā)射系統(tǒng)中的電暈現(xiàn)象進(jìn)行研究分析，根據(jù)該類故障的幾個實(shí)際具體案例進(jìn)行分析與研究，探討發(fā)射機(jī)內(nèi)電暈放電的設(shè)計及防護(hù)方法。

1 高壓電暈形成機(jī)理及危害分析

電暈放電是高壓局部放電現(xiàn)象的一種。“局部放電”定義為：在強(qiáng)電場作用下，只有部分區(qū)域在絕緣系統(tǒng)中發(fā)生放電而并沒有形成放電通道貫穿的一種放電形式［1］。局部放電產(chǎn)生的主要原因是電場強(qiáng)度在絕緣體各區(qū)域分布不均勻，或者電場內(nèi)存在不同絕緣材料，絕緣材料的介電常數(shù)不同，導(dǎo)致電場強(qiáng)度在某些區(qū)域達(dá)到擊穿場強(qiáng)而發(fā)生放電，而其他區(qū)域仍然保持絕緣的特性［2］。

從局部放電發(fā)生的放電過程、位置和現(xiàn)象來看，局部放電可以分為以下3種類型：絕緣體內(nèi)部放電、絕緣體表面放電和絕緣體電暈放電［3］。液體絕緣內(nèi)部存在氣泡或固體絕緣體內(nèi)部存在氣隙，因氣泡或氣隙的價電常數(shù)與絕緣體介電常數(shù)不一致導(dǎo)致的局部放電被稱為絕緣體內(nèi)部放電。絕緣體表面放電主要原因在于絕緣體高電壓端存在比較低的沿面放電場強(qiáng)，就會產(chǎn)生局部表面放電（爬電）。絕緣體電暈放電是指極不均勻電場中所特有的電子崩——流注形式的穩(wěn)定放電，即電暈是導(dǎo)體表面的電場強(qiáng)度超過空氣的電氣強(qiáng)度時導(dǎo)體表面的空氣游離。在曲率很小的尖端電極附近，由于局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離和激勵，因而出現(xiàn)電暈放電（見圖1［4］）。電暈放電發(fā)生時在高場強(qiáng)區(qū)（曲率半徑較小的電極表面附近）會出現(xiàn)藍(lán)紫色的暈光，并伴有咝咝聲（見圖2［4］）。電暈放電可以是相對穩(wěn)定的放電形式，也可以是不均勻電場間隙擊穿過程中的早期表現(xiàn)形式。

圖1 模擬電暈放電

圖2 電暈放電現(xiàn)象

電暈放電同時會產(chǎn)生許多脈沖形式的電暈電流（特里切樂脈沖）。若帶電導(dǎo)體的電壓繼續(xù)升高，放電電場的場強(qiáng)增加，電暈電流的脈沖頻率增加、幅值越大，電暈放電會轉(zhuǎn)變?yōu)檩x光放電。當(dāng)電壓再升高，場強(qiáng)再增加，則會出現(xiàn)流注放電（又稱羽狀放電或刷狀放電）。當(dāng)流狀放電得以繼續(xù)發(fā)展到對面電極時，即導(dǎo)致火花放電，使整個電場間隙擊穿（見圖3［5］）。

圖3 電暈放電類型

2 高壓電暈放電危害分析

電暈放電對絕緣材料的絕緣結(jié)構(gòu)起著一種破壞作用，其破壞方式主要有以下幾種：

（1）電暈放電產(chǎn)生的同時會伴隨著一系列的化學(xué)反應(yīng)，可能產(chǎn)生臭氧和氮氧化物等物質(zhì)。這些氣體遇到水分會產(chǎn)生硝酸，酸性化學(xué)物質(zhì)會對絕緣體產(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕后果［6］。

（2）由于帶電粒子沖擊到絕緣體時動能轉(zhuǎn)化為熱能，使該絕緣局部溫度上升，造成絕緣體表面局部發(fā)熱，局部發(fā)熱積累到一定程度時就導(dǎo)致絕緣材料局部碳化。

（3）由于帶電粒子是在高速運(yùn)動的，當(dāng)接觸到絕緣體時對絕緣體有較強(qiáng)的沖擊力，使絕緣體的分子結(jié)構(gòu)遭到破壞，久而久之損傷絕緣體。

以上種種破壞方式導(dǎo)致的結(jié)果都是使絕緣體腐蝕，加速老化，縮短絕緣體使用壽命，最終造成絕緣體失效。失效后的絕緣材料無法達(dá)到絕緣效果，高壓將擊穿絕緣體，造成嚴(yán)重的打火事故。

3 電暈問題解決方法

根據(jù)上一節(jié)中電暈放電的機(jī)理分析，要降低電暈放電的形成條件需要從降低電場強(qiáng)度或者改善電場不均勻性兩方面入手，而降低電場強(qiáng)度和改善電場不均勻性則可以分別從介質(zhì)材料、空間距離、導(dǎo)體形狀等方面著手。

3.1 增加導(dǎo)線直徑來降低電場強(qiáng)度

單導(dǎo)線對地（零電位）的電暈起始場強(qiáng)簡化計算公式：

其中，Ec為電暈起始場強(qiáng)（峰值），單位為kV／cm；m為導(dǎo)線表面粗糙系數(shù)；δ為空氣相對密度；r為導(dǎo)線半徑，單位為 cm。［7］

簡化的電纜表面電場場強(qiáng)計算公式為

可以看出，隨著導(dǎo)線的半徑變大，導(dǎo)線表面的電暈起始場強(qiáng)與導(dǎo)體的半徑開根號的倒數(shù)成反比，而表面的場強(qiáng)與導(dǎo)線半徑的倒數(shù)成反比。因此，導(dǎo)體半徑越大，電暈起始場強(qiáng)的增幅低于其表面的電場強(qiáng)度減小的速度，因此是有利于減小電暈現(xiàn)象產(chǎn)生的。

3.2 使用介電常數(shù)相近的材料作中間介質(zhì)

在電暈放電機(jī)理分析中有提到，在中間介質(zhì)存在不同材質(zhì)的情況下，由于不同材質(zhì)的介電常數(shù)不同會導(dǎo)致電場在空間的分布不均勻，在分布不均勻的電場的介質(zhì)臨界位置就容易積累電荷。當(dāng)電荷積累到一定程度超過材質(zhì)能承受的電離強(qiáng)度的時候就會形成電暈放電。這種情況在材料介電常數(shù)相差大的情況下較容易出現(xiàn)。

3.3 提高帶電導(dǎo)體曲率半徑

帶電導(dǎo)體周圍形成的電場強(qiáng)度分布是不均勻的，與帶電導(dǎo)體的幾何形狀有關(guān)。根據(jù)Mason公式［8］：

其中，Emax為最大電場強(qiáng)度，Eav為平均電場強(qiáng)度，d為從尖端到相應(yīng)電極的距離，r為尖端的曲率半徑。

可以看出，在d值一定的情況下，帶電導(dǎo)體的曲率半徑越大，Emax與Eav之比越小。這說明在帶點(diǎn)體在小曲率半徑的尖點(diǎn)電場會增強(qiáng)，曲率半徑越小電場增強(qiáng)越強(qiáng)。兩個帶電體距離一定時具有小曲率半徑的帶電體在較小的平均電場強(qiáng)度下就開始產(chǎn)生電暈。為了提高耐電暈的平均電場強(qiáng)度，就應(yīng)增大高壓帶電體的曲率半徑。所以，高壓帶電體上不能有尖點(diǎn)和毛刺存在，尖角處必須倒圓。

3.4 增加電極間距離

根據(jù)各類空間電場的計算公式可知，電場的強(qiáng)度都與距離成反比關(guān)系，離產(chǎn)生電場的高壓導(dǎo)體距離越遠(yuǎn)電場強(qiáng)度越小，產(chǎn)生電暈的可能越小。同時，由于空間距離的增加，高壓導(dǎo)體產(chǎn)生的電暈與低電位導(dǎo)體的空氣擊穿電壓也在增加，這樣也可以起到對低電位導(dǎo)體的保護(hù)。

3.5 提高空氣的耐電暈放電能力

根據(jù)電暈放電的形成機(jī)理可知，電暈放電是由于不均勻電場導(dǎo)致的空氣游離。要提高空氣的耐電暈放電能力，可以從改變放電電場中的空氣介質(zhì)的介電常數(shù)著手，如增加空氣氣壓、降低空氣溫度都可以起到提高起暈放電電壓的作用。

但是，受到設(shè)備高、低電位導(dǎo)體結(jié)構(gòu)、耐壓、安裝方式的限制，一般只能對空氣的潔凈度及干燥程度提出要求，可以要求設(shè)備工作環(huán)境干燥、潔凈，用帶除塵和濕度控制的循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)作為配套設(shè)備，而增加空氣壓力甚至抽真空等手段由于實(shí)施手段復(fù)雜設(shè)備量巨大，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)計成本控制，難以實(shí)施。

4 高壓電暈問題實(shí)例分析

4.1 實(shí)例分析（一）

4.1.1 現(xiàn)象描述

該案例表現(xiàn)形式為發(fā)射機(jī)控保系統(tǒng)檢測到打火及過流故障后主動關(guān)閉高壓，且系統(tǒng)無法恢復(fù)，排故時脫去后端行波管負(fù)載后，反復(fù)多次試加高壓，高壓都無法加上，控保系統(tǒng)報打火及過流故障，同時伴隨高壓打火弧光及聲響。經(jīng)現(xiàn)場故障排查分析，定位為發(fā)射機(jī)調(diào)制器內(nèi)高壓部分絕緣故障，故障位置定位到調(diào)制器的脈沖電流互感器或穿過其中心的耐壓導(dǎo)線，兩者上都有高壓放電打火痕跡，從圖4可見，穿過互感器的高壓導(dǎo)線部位被擊穿。

圖4 故障現(xiàn)場圖

4.1.2 機(jī)理分析

從圖4可以看出，絕緣耐壓導(dǎo)線在穿過脈沖電流互感器的部分被擊穿。對設(shè)計材料進(jìn)行追溯，查知低電位采用的是高壓硅橡膠導(dǎo)線（額定耐壓值為40 kV，實(shí)際耐壓值為27 kV）作為絕緣保護(hù)，同時脈沖電流互感器采用的是增強(qiáng)聚碳酸脂外殼內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂混合物制成，且高低電位端裸露部分空間距離足夠，因此可排除因耐壓不夠或爬電距離不夠?qū)е碌慕^緣故障，而可定位為由高壓電暈放電導(dǎo)致的絕緣故障。電暈放電加速耐壓導(dǎo)線外部硅橡膠以及互感器環(huán)氧材料的老化，長時間后最終導(dǎo)致高壓擊穿絕緣體，形成高壓打火。故障現(xiàn)象與電暈放電產(chǎn)生的危害后果吻合。

4.1.3 解決方法

（1）提高高壓導(dǎo)線直徑

根據(jù)3.1節(jié)的理論分析結(jié)果可知，將原本高電位上截面積為0.2 mm2的導(dǎo)線更換為1 mm2的導(dǎo)線。導(dǎo)線表面電暈起始場強(qiáng)變化為原來的87.6%，而導(dǎo)線表面場強(qiáng)變?yōu)樵瓉淼?0%，是可以達(dá)到降低導(dǎo)線電暈放電概率目的的。

（2）選用介電常數(shù)接近的材料作中間介質(zhì)

根據(jù)電暈產(chǎn)生機(jī)理及3.2節(jié)的理論分析結(jié)果可知，由于互感器采用的是環(huán)氧材料，其介電常數(shù)在4.2～4.7之間，而耐壓導(dǎo)線穿過互感器的位置不可避免地存在空氣間隙。標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣的介電常數(shù)為1.00053，兩者之間的介電常數(shù)相差較大，易形成電暈放電。在改進(jìn)設(shè)計中可采取兩種方法來解決相應(yīng)的問題。

·基本不改變原有設(shè)計（如圖5所示）。在互感器和耐壓導(dǎo)線中穿入聚四氟乙烯薄環(huán)。這樣一方面盡量減少耐壓導(dǎo)線與互感器之間的空氣間隙，另一方面由于聚四氟乙烯材料的介電常數(shù)為2.55左右，處于空氣和環(huán)氧材料之間，介電常數(shù)數(shù)值接近，從而提高了形成電暈放電的電場強(qiáng)度值。同時，聚四氟乙烯材料本身耐電暈放電的能力也比空氣高出好幾倍，因此能有效降低形成電暈放電的機(jī)率，減小電暈放電帶來的危害。

圖5 改進(jìn)設(shè)計圖

·修改設(shè)計。將耐壓導(dǎo)線與互感器作為一體全部封入環(huán)氧材料中。這樣耐壓導(dǎo)線與互感器之間排除了空氣這種中間介質(zhì)，降低了空間電場的不均勻性，從而基本可以大大消除互感器與耐壓導(dǎo)線之間產(chǎn)生電暈放電的可能。但是，這種設(shè)計要求互感電路完全重新設(shè)計，且由于需要將多個互感器與耐壓導(dǎo)線灌注為一體，對設(shè)計、加工精度、安裝精度都有了更高級別的要求，作為新裝備設(shè)計是可以作參考借鑒，而從老、舊裝備的故障排除及改進(jìn)等目的來看實(shí)施難度較大。

4.2 實(shí)例分析（二）

4.2.1 現(xiàn)象描述

實(shí)例二與實(shí)例一的故障表現(xiàn)形式相同，不同在于查找故障點(diǎn)時發(fā)現(xiàn)故障位置的互感器出現(xiàn)裂痕（如圖6所示），且穿過互感器位置的耐壓導(dǎo)線沒有出現(xiàn)類似實(shí)例一一樣的片狀的燒穿痕跡，而是在裂痕位置出現(xiàn)兩三個擊穿點(diǎn)，因此故障原因與實(shí)例一是有區(qū)別的。

圖6 互感器裂痕圖

4.2.2 機(jī)理分析

高壓脈沖互感器有著較復(fù)雜的絕緣構(gòu)造，也使用了多種多樣的絕緣材料，一方面高電位是電壓不斷變化的脈沖電場，另一方面電場分布在整個絕緣系統(tǒng)也很不均勻。由于設(shè)計中結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、電路復(fù)雜程度等種種因素的限制，不可避免有空氣間隙存在于絕緣系統(tǒng)中，或是絕緣材料在長期運(yùn)行過程中受潮，在電場作用下潮氣發(fā)生分解產(chǎn)生氣體。因?yàn)榻^緣材料的介電常數(shù)比空氣的介電常數(shù)大，絕緣材料即使在不太高的電場作用下場強(qiáng)在氣隙氣泡的部位也會很高，當(dāng)達(dá)到一定場強(qiáng)值后局部放電就會發(fā)生［9］。另外，缺陷存在或各種雜質(zhì)混入絕緣內(nèi)部，或者某些電氣連接不良存在絕緣結(jié)構(gòu)中，都會使電場局部集中，固體絕緣表面放電和懸浮電位放電就有可能發(fā)生在電場集中的地方［10］。當(dāng)產(chǎn)生這種內(nèi)部的高壓局部放電后，對互感器的絕緣材料產(chǎn)生損壞，最終會導(dǎo)致絕緣材料失效。當(dāng)絕緣材料失效時高壓將直接擊穿絕緣材料。同時，從現(xiàn)場可以看到，故障脈沖電流互感器穿感應(yīng)線孔周圍有較多的毛刺，毛刺存在導(dǎo)致互感器與耐壓導(dǎo)線間存在較多的空氣間隙。因?yàn)橐陨蟽煞矫娴脑驅(qū)е禄ジ衅饔辛押鄣拇┚€孔位置更容易產(chǎn)生電暈放電，從而因?yàn)殡姇灧烹姄p壞耐壓導(dǎo)線的絕緣材料后產(chǎn)生高壓打火。

4.2.3 解決方法

（1）通過加工工藝手段減小器件絕緣材料出現(xiàn)內(nèi)部放電故障的機(jī)率

在本例中分析了一種絕緣材料內(nèi)部放電的情況。在絕緣材料內(nèi)部如存在雜質(zhì)或加工時存在氣泡時，由于雜質(zhì)或者空氣的介電常數(shù)不同，會在絕緣材料內(nèi)部形成局部放電而導(dǎo)致絕緣材料加速老化。針對這種情況，在類似器件如高壓隔離變壓器、高壓脈沖互感器等的生產(chǎn)中，加入“絕緣材料的生產(chǎn)及灌注過程中需嚴(yán)格采用抽真空手段”的工藝要求，把材料中存在空氣氣泡的機(jī)率降到最低，以減小絕緣材料出現(xiàn)內(nèi)部放電的機(jī)率。

（2）使接觸面保持光滑無毛刺

接觸面保持光滑無毛刺可以減少電場中的空氣間隙，降低電暈放電的產(chǎn)生機(jī)率，對應(yīng)實(shí)例2中的處理改進(jìn)實(shí)施方法為：在互感器的生產(chǎn)工藝要求中需加入去毛刺、邊緣倒角等加工工藝。

4.3 實(shí)例分析（三）

4.3.1 現(xiàn)象描述

實(shí)例三實(shí)際上是一類故障。此類故障往往發(fā)生在高電位導(dǎo)體與低電位導(dǎo)體距離過近的位置，如圖7中：高電位上的導(dǎo)線對耐壓導(dǎo)線放電導(dǎo)致?lián)舸?/p>

圖7 高低電位導(dǎo)體電暈故障產(chǎn)生位置圖

圖8中，用黑色編織套管包裹的高壓線與穿過的金屬底板之間產(chǎn)生電暈放電，放電已將編織套管內(nèi)部的高壓線保護(hù)層碳化（見圖9）。

圖8 高壓線與金屬底板電暈故障產(chǎn)生位置圖

4.3.2 機(jī)理分析

圖9 內(nèi)部保護(hù)層碳化圖

該類故障高電位導(dǎo)體與低電位導(dǎo)體采用的絕緣材料，額定耐壓能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)際使用值，從材料耐壓方面來看，不可能存在因耐壓不夠而導(dǎo)致的高壓放電，同時高、低電位端的裸露部分爬電距離夠長，爬電可能性也可以排除，因此基本確定為電暈放電。由于高、低電位導(dǎo)體距離過近但又不是直接接觸，且介質(zhì)材料與空氣的介電常數(shù)相差較大，極易產(chǎn)生電暈放電，長時間的電暈放電損壞了絕緣材料，最終導(dǎo)致絕緣材料失效，高壓產(chǎn)生擊穿放電，引起故障。

4.3.3 解決方法

（1）增加電極間距離

根據(jù)電場強(qiáng)度的定義及電場強(qiáng)度的計算公式可知，與帶電導(dǎo)體間隔距離越遠(yuǎn)電場強(qiáng)度越低。增加與帶電導(dǎo)體的空間距離，一方面可以減小帶電導(dǎo)體自身形成的電暈放電導(dǎo)致空氣電離后對絕緣體材料的影響，另一方面由于電場強(qiáng)度減小絕緣體本身形成電暈放電的要求也提高了。理論上當(dāng)然是絕緣體離帶電導(dǎo)體越遠(yuǎn)越好，而實(shí)際上考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計及空間體積上的要求，都只能選取合適的距離。針對圖7，經(jīng)試驗(yàn)確定，高電位導(dǎo)線與耐壓導(dǎo)線之間的距離保持在1 cm以上，可基本消除電暈放電對耐壓導(dǎo)線的影響。如果高、低電位電壓差增大、電場場強(qiáng)增加，則相應(yīng)的間隔距離也應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑黾诱{(diào)整。

（2）選用介電常數(shù)接近的材料作中間介質(zhì)

此外，也可以與實(shí)例一采取同樣的處理方法，在高、低電位導(dǎo)體之間加入接近空氣介電常數(shù)的絕緣材料如聚四氟乙烯材料，用于提高起暈電壓值，從而消除電暈放電的形成通道，如圖10所示。

圖10 中間介質(zhì)改進(jìn)設(shè)計圖

5 結(jié)束語

電暈放電是一種常見的由于電場分布不均勻而產(chǎn)生的高壓局部放電現(xiàn)象。這種現(xiàn)象在電子、通信、雷達(dá)等領(lǐng)域的大功率設(shè)備中較為常見。隨著技術(shù)的發(fā)展，作為雷達(dá)系統(tǒng)重要組成部分的電真空發(fā)射機(jī)的技術(shù)要求也越來越高，高壓、大功率是其中的一個很重要的發(fā)展方向。隨之帶來的就是發(fā)射機(jī)內(nèi)的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，高電位器件上的電暈放電現(xiàn)象也越來越容易出現(xiàn)。本文結(jié)合發(fā)射機(jī)中實(shí)際電暈放電故障的案例，分析了電暈放電的機(jī)理、危害并提出了可行的處理措施，為以后高壓部位的電暈防護(hù)與設(shè)計提供了有效的參考依據(jù)。