在電力工程的大多數(shù)實(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)都是不均勻的。不均勻電場(chǎng)可分為稍不的勻電場(chǎng)和極不均勻電場(chǎng)，全封閉組合電器(GIS)的母線(xiàn)筒和高壓實(shí)驗(yàn)室中測(cè)量電壓用的球間隙是典型的稍不均勻電場(chǎng)；高壓輸電線(xiàn)之間的空氣絕緣和實(shí)驗(yàn)室中高壓發(fā)生器的輸出端對(duì)墻的空氣絕緣則是極不均勻電場(chǎng)。稍不均勻電場(chǎng)中放電的特點(diǎn)與均勻電場(chǎng)中相似，在間隙擊穿前看不到有什么放電的跡象。而不均勻電場(chǎng)(以下指的不均勻電場(chǎng)就是指極不均勻電場(chǎng))中空氣間隙的放電具有一系列的特點(diǎn)，因此，研究不均勻電場(chǎng)中氣體放電的規(guī)律有很大的實(shí)際意義。

考慮到實(shí)際絕緣結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)分布形式的多樣性，常用棒一棒(或針一針)和棒一板(或針一板)間隙的電場(chǎng)作為典型的不均勻電場(chǎng)來(lái)研究。工程上遇到不均勻電場(chǎng)時(shí)，可根據(jù)這兩種典型電極的電壓擊穿數(shù)據(jù)來(lái)估算絕緣距離。如果實(shí)際的電場(chǎng)分布不對(duì)稱(chēng)(如輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)一地間隙)，可參照棒一板電極的數(shù)據(jù)；如果實(shí)際的電場(chǎng)分布對(duì)稱(chēng)(如輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)—導(dǎo)線(xiàn)間隙)，可參照棒一棒電極的數(shù)據(jù)。

一、電暈放電現(xiàn)象

當(dāng)電場(chǎng)極不均勻時(shí)，間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)與平均場(chǎng)強(qiáng)相差很大。間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)通常出現(xiàn)在曲率半徑小的電極表面附近。在其他條件相同的情況下，電極曲率半徑越小，最大場(chǎng)強(qiáng)就越大，電場(chǎng)分布也就越不均勻。

不均勻電場(chǎng)中，隨間隙上所加電壓的升高，在曲率半徑小的電極附近空間的局部場(chǎng)強(qiáng)將先達(dá)到足以引起強(qiáng)烈游離的數(shù)值，在棒電極附近很薄的一層空氣里將達(dá)到自持放電條件，于是在這一局部區(qū)域形成自持放電，但由于間隙中的其余部分的場(chǎng)強(qiáng)較小，所以此游離區(qū)不可能擴(kuò)展很大，僅局限在棒電極附近的強(qiáng)電場(chǎng)范圍內(nèi)。伴隨著游離而存在的復(fù)合和反激發(fā)，發(fā)出大量的光輻射，在黑暗里可看到在該電極周?chē)?guó)有薄薄的淡紫色發(fā)光層，有些像日月的暈光，故稱(chēng)電暈放電，這個(gè)發(fā)光層叫電暈層。由于游離層不可能向外擴(kuò)展，所以雖然電暈放電是自持放電，但整個(gè)間隙仍未擊穿。要使間隙擊穿，必須繼續(xù)升高電壓。

電暈放電是極不均勻電場(chǎng)所的一種自持放電形式，通常將開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)的電壓稱(chēng)為電暈起始電壓，它小于間隙的電壓擊穿，電場(chǎng)越不均勻，兩者的差值就越大。開(kāi)始出現(xiàn)電暈時(shí)電極表面的場(chǎng)強(qiáng)稱(chēng)為電暈起始場(chǎng)強(qiáng)。電暈放電是極不均勻電場(chǎng)的一個(gè)特征，通常把能否出現(xiàn)穩(wěn)定的電暈放電作為區(qū)別不均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)的標(biāo)志。

工程上經(jīng)常遇到極不均勻電場(chǎng)，架空輸電線(xiàn)就是其中一個(gè)例子。在陰雨等惡劣天氣時(shí)，在高壓輸電線(xiàn)附近常常可聽(tīng)到電暈放電的咝咝聲，夜晚還可看到導(dǎo)線(xiàn)周?chē)械仙臅灩?，一些高壓設(shè)備上也會(huì)出現(xiàn)電暈：電暈放電會(huì)帶來(lái)許多不利的影響。電暈放電時(shí)產(chǎn)生的光、聲、熱的效應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)等都會(huì)引起能量損耗；電暈電流是多個(gè)斷續(xù)的脈沖，會(huì)形成高頻電磁波，它既能造成輸電線(xiàn)路上的功率損耗，也能產(chǎn)生對(duì)無(wú)線(xiàn)電通信和測(cè)量的嚴(yán)重干擾；電暈放電還會(huì)使空氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成臭氧及氧化氮等，不但產(chǎn)生臭味而且還產(chǎn)生氧化和腐蝕作用。所以應(yīng)力求避免或限制電暈放電的產(chǎn)生。在超高壓輸電線(xiàn)路上普遍采用分裂導(dǎo)線(xiàn)來(lái)防止產(chǎn)生電暈放電。

當(dāng)然，事物總是一分為二的，電暈放電在某些場(chǎng)合也有對(duì)人類(lèi)有利的一面，例如電暈可削弱輸電線(xiàn)路上電壓波的幅值和陡度，也可以使操作過(guò)電壓產(chǎn)生衰減，人們可以利用電暈放電凈化工業(yè)廢氣，制造凈化水和空氣用的臭氧發(fā)生器，發(fā)展靜電噴涂技術(shù)和電除塵等。

二、電暈放電的起始場(chǎng)強(qiáng)

對(duì)于輸電線(xiàn)路的導(dǎo)線(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下電暈起始場(chǎng)強(qiáng)E_C(指導(dǎo)線(xiàn)的表面場(chǎng)強(qiáng)，交流電壓下電壓用峰值表示)的經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式為

式中r——導(dǎo)線(xiàn)半徑，cm。

式(1-11)表明，導(dǎo)線(xiàn)半徑r越小，則E_C值越大，這是可以理解的。因?yàn)?/span>r越小，電場(chǎng)越不均勻，即間隙中場(chǎng)強(qiáng)隨離導(dǎo)線(xiàn)距離的增加而下降將越快，也就是說(shuō)碰撞游離系數(shù)α隨離導(dǎo)線(xiàn)距離的增加而減小越快。

式(1-11)表明，當(dāng)r→∞時(shí)(即均勻電場(chǎng)的情況)，E_C=30kV/cm，與第二節(jié)給出的值是一致的。

對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，要進(jìn)行氣體密度的修正，此時(shí)式(1-11)應(yīng)改為

  (1-12)

式中 δ——?dú)怏w的相對(duì)密度，見(jiàn)式(1-10)。

實(shí)際上導(dǎo)線(xiàn)表面并不是光滑的，所以對(duì)絞線(xiàn)要考慮導(dǎo)線(xiàn)的表面粗糙系數(shù)m₁，此外對(duì)于雨雪等使導(dǎo)線(xiàn)表面偏離理想狀態(tài)的因素(雨水的水滴相當(dāng)于導(dǎo)線(xiàn)表面形成了凸起的導(dǎo)電物)可用系數(shù)m₂加以考慮。此時(shí)式(1-12)應(yīng)改寫(xiě)為

理想光滑導(dǎo)線(xiàn)m₁=1，絞線(xiàn)m₁=0.8～0.9；好天氣時(shí)m₂=1，壞天氣時(shí)m₂可按0.8估算。

算得E_C后就不難根據(jù)電極布置求得電暈起始電壓U_C。例如對(duì)于離地高度為h的單根導(dǎo)線(xiàn)可寫(xiě)出

對(duì)于距離為D的兩根平行導(dǎo)線(xiàn)(D＞＞r)則可寫(xiě)出

對(duì)于三相輸電線(xiàn)路，式(1-15)中的U_C代表相電壓，D為導(dǎo)線(xiàn)的幾何均距，。

三、極不均勻電場(chǎng)中的放電過(guò)程 

現(xiàn)在以棒—板為例來(lái)研究極不均勻電場(chǎng)中放電的發(fā)展過(guò)程。當(dāng)逐步升高棒—板間隙上的電壓，將首先在場(chǎng)強(qiáng)最大的棒部出現(xiàn)電暈。 當(dāng)棒部曲率很小時(shí)，電暈開(kāi)始時(shí)表面的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)很窄，所以電暈層很薄，且較均勻。隨著電壓的升高，電暈層不斷擴(kuò)大，個(gè)別電子崩形成流注，電暈層就不再是均勻的，如果電極的曲率半徑較大，則因高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)較寬，電暈一開(kāi)始就表現(xiàn)為比較強(qiáng)烈的流注形式。電壓進(jìn)一步升高，個(gè)別流注繼續(xù)發(fā)展，最后流注貫通間隙，導(dǎo)致間隙擊穿。

當(dāng)間隙距離較長(zhǎng)(S＞1m)時(shí)，在流注通道還不足以貫通整個(gè)間隙的電壓下，仍可能發(fā)展起擊穿過(guò)程，當(dāng)棒一板間隙中，從棒極開(kāi)始的流注通道發(fā)展到足夠的長(zhǎng)度后，將有較多的電子沿通道流向電極，電子在沿通道運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于碰撞引起氣體溫度升高，通道逐漸熾熱起來(lái)。通道根部通過(guò)的電子最多，故流注根部的溫度最高，當(dāng)電子越多和根部越細(xì)時(shí)，根部的溫度越高，可達(dá)數(shù)千度或更高，足以使氣體產(chǎn)生熱游離，于是從根部出發(fā)形成一段熾熱的高游離火花通道，這個(gè)具有熱游離過(guò)程的通道稱(chēng)為先導(dǎo)通道。由于先導(dǎo)通道中出現(xiàn)了新的更為強(qiáng)烈的游離過(guò)程，故先導(dǎo)通道中帶電質(zhì)點(diǎn)的濃度遠(yuǎn)大于流注通道，因而電導(dǎo)大，壓降小。由于流注通道中的一部分轉(zhuǎn)發(fā)為先導(dǎo)，就使得流注區(qū)頭部的電場(chǎng)加強(qiáng)，從而為流注維續(xù)伸長(zhǎng)到對(duì)面電極并迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄葘?dǎo)創(chuàng)造了條件。這過(guò)程稱(chēng)為先導(dǎo)放電。

當(dāng)先導(dǎo)通道發(fā)展到接近對(duì)面電極時(shí)，在余下的小間隙中的場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到極大的數(shù)值，從而引起強(qiáng)烈的游離，這一強(qiáng)游離區(qū)又以的速度向相反方向傳播，此過(guò)程稱(chēng)為主效電，當(dāng)放電形成的高電導(dǎo)通道貫穿兩電極間隙后，間隙就類(lèi)似被短路，失去其絕緣性能擊穿過(guò)程就完成了。

下面介紹長(zhǎng)時(shí)電壓(工頻或直流）作用下空氣間隙的放電特性。圖1-8表示球一板空氣間隙在工頻電壓作用下的特性，由圖中可以看出：

(1)當(dāng)間隙距離增加到一定數(shù)值，間隙由稍不均勻電場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O不均勻電場(chǎng)，此時(shí)將會(huì)在較低的電壓下首先出現(xiàn)電暈放電，當(dāng)電壓   進(jìn)一步升高時(shí)，才發(fā)生擊穿。

(2)間隙的電暈起始電壓主要取決于電極的表面形狀，即其曲率半徑，而與間隙距離的關(guān)系不大。當(dāng)球的直徑越小，電暈起始電壓就越低。

(3)隨著間隙距離的增加，電場(chǎng)的不均勻程度逐步增大，間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)也逐漸由均勻電場(chǎng)的30kV(幅值)/cm左右逐漸減小到不均勻電場(chǎng)中的5kV(幅值)/cm以下。極不均勻電場(chǎng)中的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)之所以低于均勻電場(chǎng)，是由于前者在較低的平均場(chǎng)強(qiáng)下，局部的場(chǎng)強(qiáng)就已超過(guò)自持放電的臨界值，形成電子崩和流注（長(zhǎng)間隙中還有先導(dǎo)放電)。流注或先導(dǎo)導(dǎo)電通道向間隙深處發(fā)展，相當(dāng)于縮短了間隙的距離，所以擊穿就比較容易，需要的平均場(chǎng)強(qiáng)也就較低。

(4)在極不均電場(chǎng)的情況下，不管是棒一板間隙或是不同直經(jīng)的球一板間隙，電壓擊穿和距離的關(guān)系曲線(xiàn)都比較接近。這就是說(shuō)，在極不均勻電場(chǎng)中，電壓擊穿主要決定于間隙距離，而與電極形狀的關(guān)系不大。因此在工程實(shí)踐中常用棒—板或棒一棒這兩種類(lèi)型間隙的擊穿特性曲線(xiàn)作為選擇絕緣距離的參考。

四、極性效應(yīng)

對(duì)于電極形狀不對(duì)稱(chēng)的棒一板間隙，電壓擊穿與棒的極性有很大的關(guān)系，這就是所謂的極性效應(yīng)。極性效應(yīng)是不對(duì)稱(chēng)的不均勻電場(chǎng)中的一個(gè)明顯的特性。

在棒—板間隙上加上電壓，無(wú)論棒的極性如何，間隙上的電場(chǎng)分布總是很不均勻的。如圖1-9(c)及圖1-10(c)中曲線(xiàn)1所示，在曲率半徑小的棒電極附近的電場(chǎng)特別強(qiáng)。當(dāng)此處的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)氣體游離所需的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，氣體開(kāi)始游離，產(chǎn)生電子和正離子。當(dāng)棒電極為正極時(shí)，正棒—負(fù)極間隙中游離產(chǎn)生的正空間電荷的分布如圖1-9(a)所示。在棒附近游離產(chǎn)生的電子首先形成電子崩，電子崩的電子迅進(jìn)入棒電極，留下來(lái)的正離子緩慢地向板極移動(dòng)，于是在棒極附近就積聚起正空間電荷，這些正空間電荷使緊貼棒極附近的電場(chǎng)減弱，棒極附近難以形成流注，從而使自持放電難以實(shí)現(xiàn)，即電暈放電難以實(shí)現(xiàn)，故其電暈起始電壓較高；而正空間電荷在間隙深處產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)方向一致，加強(qiáng)了朝向板極的電場(chǎng)，如圖1-9(b)所示，有利于流注向間隙深處發(fā)展。故其電壓擊穿較低。

當(dāng)棒為負(fù)極時(shí)，負(fù)棒一正板間隙中，空間電荷的分布見(jiàn)圖1-10。棒端形成電子崩的電子迅速向板極移動(dòng)，棒附近的正空間電荷緩慢地向棒極移動(dòng)，正空間電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)加強(qiáng)了朝向棒端的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而使棒附近容易形成流注，故容易形成自持放電。所以其電暈起始電壓較低：在間隙深處，正空間電荷產(chǎn)生的附加電場(chǎng)與原電場(chǎng)方向相反，削弱了朝向板極方向的電場(chǎng)強(qiáng)度，使放電的發(fā)展比較困難，因而電壓擊穿就較高。

當(dāng)電極極性不同時(shí)，在直流電壓作用下，棒一板與棒一棒空氣間隙的直流電壓擊穿與間隙距離的關(guān)系如圖1-11和圖1-12所示，圖中U_F為間隙的直流電壓擊穿，S為間隙距離。由圖中可看出，棒—棒電極間的電壓擊穿介于極性不同的棒—板電極之間，這是可以理解的。

因?yàn)榘粢话彘g隙中有正極性，放電容易由此發(fā)展，故其電壓擊穿比負(fù)棒—正板間隙低：但棒—棒間隙有兩個(gè)，即有兩個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，而在同樣間隙距離下，強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域增多后，通常其電場(chǎng)均勻程度會(huì)增加，因此棒—棒間隙的最大場(chǎng)強(qiáng)比棒—板間隙低，從而使電壓擊穿比正棒—負(fù)板間隙高。

在工頻電壓作用下，不同間隙的電壓擊穿U_F和間隙距離S的關(guān)系如圖1-13所示。棒一板間隙在工頻電壓作用下的擊穿總是在棒的極性為正、電壓達(dá)幅值時(shí)發(fā)生，并且其電壓擊穿（幅值)和直流電壓下正棒一負(fù)板的電壓擊穿相近。從圖1-13可知，除起始部分外，電壓擊穿與間隙距離近似成直線(xiàn)關(guān)系，棒一棒間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為3.8kV (有效值)/cm或5.36kV（幅值）/cm，棒—板間隙稍低一些，約為3.35kV(有效值)/cm或4.8kV(幅值)/cm。