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(yīng)、無局部放電的特點(diǎn)，掌握均勻電場中擊穿電壓與間隙距離的線性關(guān)系及其應(yīng)用，掌握標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下空氣隙的平均擊穿場強(qiáng)值，掌握稍不均勻電場的極性效應(yīng)。

【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(qiáng)度處處相等。平板電極當(dāng)電極的面積遠(yuǎn)大于電極間的距離且消除電極邊緣效應(yīng)后構(gòu)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(diǎn)

(1)因電極對稱，所以擊穿電壓無極性效應(yīng)。

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

(3)擊穿所需時(shí)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(jīng)驗(yàn)公式表示

式中  S——間隙距離，cm;

δ——空氣相對密度。

當(dāng)S在1～10cm范圍內(nèi)時(shí)，均勻電場中空氣的擊穿場強(qiáng)(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(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)中，電場絕大多數(shù)是不均勻電場。電場不均勻的程度用電場不均勻系數(shù)f表示，f＜2時(shí)為稍不均勻電場。稍不均勻電場中放電的特點(diǎn)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(jié)構(gòu)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(shí)驗(yàn)室中用來測量電壓的球間隙、高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器、單芯電纜等都屬于稍不均勻電場。SF₆氣體絕緣設(shè)備中(例如 GIS)經(jīng)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?yōu)闃O不均勻電場。

2.稍不均勻電場的極性效應(yīng)

當(dāng)電場分布不對稱時(shí)，稍不均勻電場中也有極性效應(yīng)，且其擊穿電壓的極性效應(yīng)與極不均勻電場間隙相反。這是因?yàn)殡姌O為負(fù)極性時(shí)，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(wěn)定的電暈放電，電暈起始電壓就是擊穿電壓，所以電極為負(fù)極性時(shí)的擊穿電壓較正極性時(shí)略低。

工頻交流電壓作用下擊穿電壓的峰值與負(fù)極性時(shí)相同。

3.稍不均勻電場中擊穿電壓的特點(diǎn)

(1)電場不對稱時(shí)，擊穿電壓有極性效應(yīng)，但不顯著。

(2)擊穿前有電暈發(fā)生，但不穩(wěn)定，一旦出現(xiàn)電暈，立即導(dǎo)致整個(gè)間隙擊穿。

(3)間隙距離一般不很大，放電發(fā)展所需時(shí)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(guān)系極大，沒有能夠概括各種電板結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一的經(jīng)驗(yàn)公式，通常是對一些典型的電極結(jié)構(gòu)做出一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際的電極結(jié)構(gòu)只能從典型電極中選取類似結(jié)構(gòu)進(jìn)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。