均匀电场和稍不均匀电场的气体放电及其击穿特性

【模块描述】本模块介绍均匀电场、稍不均匀电场的气体击穿特性。通过原理讲解，了解均匀电场中无极性效应、无局部放电的特点，掌握均匀电场中击穿电压与间隙距离的线性关系及其应用，掌握标准大气条件下空气隙的平均击穿场强值，掌握稍不均匀电场的极性效应。

【正文】

一、均匀电场气体放电及其击穿特性

1.均匀电场的典型电极

所谓均匀电场，就是间隙中电场强度处处相等。平板电极当电极的面积远大于电极间的距离且消除电极边缘效应后构成的电场为均匀电场，例如，高压静电电压表的电极布置就是均匀电场间隙。

2.均匀电场气体放电的特点

(1)因电极对称，所以击穿电压无极性效应。

(2)因击穿前间隙各处场强相等，击穿前无电晕发生，起始放电电压等于击穿电压。

(3)击穿所需时间极短，因此直流击穿电压、工频击穿电压(幅值)、50%冲击击穿电压都相同，且分散性较小。

3.均匀电场气隙的击穿电压

均匀电场中空气间隙的击穿电压U_b(峰值，kV)可用以下经验公式表示

式中  S——间隙距离，cm;

δ——空气相对密度。

当S在1～10cm范围内时，均匀电场中空气的击穿场强(峰值)大约等于30kV/cm。

二、稍不均匀电场的气体放电及其击穿特性

在电气设备的绝缘结构中，电场绝大多数是不均匀电场。电场不均匀的程度用电场不均匀系数f表示，f＜2时为稍不均匀电场。稍不均匀电场中放电的特点与均匀电场中相似。

1.稍不均匀电场的典型电极

较典型的稍不均匀电场结构形式有：球一球、球一板、两平行圆柱、两同轴圆柱、两垂直圆柱等。如高压实验室中用来测量电压的球间隙、高压标准电容器、单芯电缆等都属于稍不均匀电场。SF₆气体绝缘设备中(例如 GIS)经常遇到的也是均匀或稍不均匀电场。

需要说明的是：任何形状电极的电场都会随着极间距离的增大从稍不均匀电场变为极不均匀电场。

2.稍不均匀电场的极性效应

当电场分布不对称时，稍不均匀电场中也有极性效应，且其击穿电压的极性效应与极不均匀电场间隙相反。这是因为电极为负极性时，电晕起始电压比正极性略低，而在稍不均匀电场中，由于不能形成稳定的电晕放电，电晕起始电压就是击穿电压，所以电极为负极性时的击穿电压较正极性时略低。

工频交流电压作用下击穿电压的峰值与负极性时相同。

3.稍不均匀电场中击穿电压的特点

(1)电场不对称时，击穿电压有极性效应，但不显著。

(2)击穿前有电晕发生，但不稳定，一旦出现电晕，立即导致整个间隙击穿。

(3)间隙距离一般不很大，放电发展所需时间短。直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一致，且分散性不大。

稍不均匀电场的击穿电压与电场均匀度关系极大，没有能够概括各种电板结构的统一的经验公式，通常是对一些典型的电极结构做出一批实验数据，实际的电极结构只能从典型电极中选取类似结构进行估算。

很明显，电场越均匀，同样间隙距离下的击穿电压越高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。