均勻電場和稍不均勻電場的氣體放電及其擊穿特性

【模塊描述】本模塊介紹均勻電場、稍不均勻電場的氣體擊穿特性。通過原理講解，了解均勻電場中無極性效應、無局部放電的特點，掌握均勻電場中擊穿電壓與間隙距離的線性關系及其應用，掌握標準大氣條件下空氣隙的平均擊穿場強值，掌握稍不均勻電場的極性效應。

【正文】

一、均勻電場氣體放電及其擊穿特性

1.均勻電場的典型電極

所謂均勻電場，就是間隙中電場強度處處相等。平板電極當電極的面積遠大于電極間的距離且消除電極邊緣效應后構成的電場為均勻電場，例如，高壓靜電電壓表的電極布置就是均勻電場間隙。

2.均勻電場氣體放電的特點

(1)因電極對稱，所以擊穿電壓無極性效應。

(2)因擊穿前間隙各處場強相等，擊穿前無電暈發生，起始放電電壓等于擊穿電壓。

(3)擊穿所需時間極短，因此直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓(幅值)、50%沖擊擊穿電壓都相同，且分散性較小。

3.均勻電場氣隙的擊穿電壓

均勻電場中空氣間隙的擊穿電壓U_b(峰值，kV)可用以下經驗公式表示

式中  S——間隙距離，cm;

δ——空氣相對密度。

當S在1～10cm范圍內時，均勻電場中空氣的擊穿場強(峰值)大約等于30kV/cm。

二、稍不均勻電場的氣體放電及其擊穿特性

在電氣設備的絕緣結構中，電場絕大多數是不均勻電場。電場不均勻的程度用電場不均勻系數f表示，f＜2時為稍不均勻電場。稍不均勻電場中放電的特點與均勻電場中相似。

1.稍不均勻電場的典型電極

較典型的稍不均勻電場結構形式有：球一球、球一板、兩平行圓柱、兩同軸圓柱、兩垂直圓柱等。如高壓實驗室中用來測量電壓的球間隙、高壓標準電容器、單芯電纜等都屬于稍不均勻電場。SF₆氣體絕緣設備中(例如 GIS)經常遇到的也是均勻或稍不均勻電場。

需要說明的是：任何形狀電極的電場都會隨著極間距離的增大從稍不均勻電場變為極不均勻電場。

2.稍不均勻電場的極性效應

當電場分布不對稱時，稍不均勻電場中也有極性效應，且其擊穿電壓的極性效應與極不均勻電場間隙相反。這是因為電極為負極性時，電暈起始電壓比正極性略低，而在稍不均勻電場中，由于不能形成穩定的電暈放電，電暈起始電壓就是擊穿電壓，所以電極為負極性時的擊穿電壓較正極性時略低。

工頻交流電壓作用下擊穿電壓的峰值與負極性時相同。

3.稍不均勻電場中擊穿電壓的特點

(1)電場不對稱時，擊穿電壓有極性效應，但不顯著。

(2)擊穿前有電暈發生，但不穩定，一旦出現電暈，立即導致整個間隙擊穿。

(3)間隙距離一般不很大，放電發展所需時間短。直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值及50%沖擊擊穿電壓幾乎一致，且分散性不大。

稍不均勻電場的擊穿電壓與電場均勻度關系極大，沒有能夠概括各種電板結構的統一的經驗公式，通常是對一些典型的電極結構做出一批實驗數據，實際的電極結構只能從典型電極中選取類似結構進行估算。

很明顯，電場越均勻，同樣間隙距離下的擊穿電壓越高，其極限就是均勻電場中的擊穿電壓。