1.1.5 不均勻電場中的氣體放電

電氣設備中很少有均勻電場的情況。但對高壓電氣絕緣結構中的不均勻電場還要區分兩種不同的情況，即稍不均勻電場和極不均勻電場。因為這兩種不均勻電場中的放電特點是不同的。全封閉組合電器（GIS）的母線筒和高壓實驗室中測量電壓用的球間隙是典型的稍不均勻電場；高壓輸電線之間的空氣絕緣和實驗室中高壓發生器的輸出端對墻的空氣絕緣則屬于極不均勻電場。

1.不均勻場和極不均勻場的特點與劃分

稍不均勻電場中放電的特點與均勻電場中相似，在間隙擊穿前看不到有什么放電的跡象。極不均勻電場中放電則不同，間隙擊穿前在高場強區（曲率半徑較小的電極表面附近）會出現藍紫色的暈光，稱為電暈放電。剛出現電暈時的電壓稱為電暈起始電壓，隨著外施電壓的升高，電暈層逐漸擴大，此時間隙中放電電流也會從微安級增大到毫安級，但從工程觀點看，間隙仍保持其絕緣性能。另外，任何電極形狀隨著極間距離的增大都會從稍不均勻電場變為極不均勻電場。

通常用電場的不均勻系數f來判斷稍不均勻電場和極不均勻電場。有些會采用電場利用系數η來判斷，電場利用系數η，就是電場不均勻系數f的倒數。電場不均勻系數f的定義為間隙中最大場強E_max與平均場強E_αv的比值。

式中 U——間隙上施加的電壓；

d——電極間最短的絕緣距離。

而通常用電場不均勻系數可將電場不均勻程度劃分為：均勻電場，f=1；稍不均勻電場，I<f<2；極不均勻電場，f>4。

在稍不均勻電場中放電達到自持條件時發生擊穿，但因為f>1，此時間隙中平均場強比均勻場間隙要小，因此在同樣間隙距離時，稍不均勻場間隙的擊穿電壓比均勻場間隙要低。而在極不均勻場間隙中，自持放電條件即是電暈放電的起始條件。

2.極不均勻電場的電暈放電

1）電暈放電在極不均勻場中，當電壓升高到一定程度后，在空氣間隙完全擊穿之前，小曲率電極（高場強電極）附近會有薄薄的發光層，有點像“月暈”，在黑暗中看得較為真切。因此，這種放電現象稱為電暈放電。

電暈放電現象是由電離區放電造成的，電離區中的復合過程以及從激勵態恢復到正常態等過程都可能產生大量的光輻射。因為在極不均勻場中，只有大曲率電極附近很小的區域內場強足夠高，電離系數α達到相當高的數值，而其余絕大部分電極空間場強太低，α值太小，得不到發展。因此，電暈層也就限于高場強電極附近的薄層內。

電暈放電是極不均勻電場所特有的一種自待放電形式。開始出現電暈時的電壓稱為電暈起始電壓U_e，而此時電極表面的場強稱為電暈起始場強E_e。

根據電暈層放電的特點，可分為兩種形式：電子崩形式和流注形式。當起暈電極的曲率很大時，電暈層很薄，且比較均勻，放電電流比較穩定，自持放電采取湯遜放電的形式，即出現電子崩式的電暈。隨著電壓升高，電暈層不斷擴大，個別電子崩形成流注，出現放電的脈沖現象，開始轉入流注形式的電暈放電。若電極曲率半徑加大，則電暈一開始就很強烈，一出現就形成流注的形式。電壓進一步升高，個別流注快速發展，出現刷狀放電，放電脈沖更強烈，最后貫通間隙，導致間隙完全擊穿。沖擊電壓下，電壓上升極快，因此電暈從一開始就具有流注的形式。爆發電暈時能聽到聲，看到光，嗅到臭氧味，并能測到電流。

2）電暈放電的起始場強。電暈屬極不均勻場的自持放電，原理上可由γe∫αdx=1來計算起始電壓U_e，但計算十分復雜且結果并不準確，所以實際上是由實驗總結出的經驗公式來計算。電暈的產生主要取決于電極表面的場強。所以研究電暈起始場強及各種因素間的關系更直接，也更單純。

對于輸電線路的導線，在標準大氣壓下，其電暈起始場強及經驗表達式為（此處及導線的表面場強，交流電壓下用峰值表示，單位為kV/cm）

式中 r——導線半徑（cm）。

式（1-30）說明，導線半徑r越小，則反值越大。因為r越小，則電場就越不均勻，也就是間隙中場強隨著其離導線的距離的增加而下降得更快，而碰撞電離系數α隨導線距離的增加而減小得越快。所以輸電線路起始電暈條件為

式中 x_c——起始電暈層的厚度，x>x_e時，α≈0。

可見電場越不均勻，要滿足式（1-31）時導線表面場強應越高。式（1-30）表明，當r→∞時，E_c=30kV/cm。

而對于非標準大氣條件，則進行氣體密度修正以后的表達式為

式中 δ——氣體相對密度。

實際上導線表面并不光滑，所以對絞線來說，要考慮導線的表面粗糙系數m₁。此外對于雨雪等使導線表面偏離理想狀態的因素（雨水的水滴使導線表面形成突起的導電物）可用系數m₂加以考慮。此時式（1-32）則寫為

理想光滑導線m₁=1，絞線m₁=0.8～0.9，好天氣時m₂=1，壞天氣時可按0.8估算。算得數值后就不難根據電極布置求得電暈起始電壓。例如，對于離地面高度為h的單根導線可寫出

對于距離為d的兩根平行導線（d>>r）則可寫出

3）電暈放電的危害、對策及其利用。電暈放電時發光并發生“噬噬”聲和引起化學反應（如使大氣中氧變為臭氧），這些都需要能量，所以輸電線路發生電暈時會引起功率損耗。其次，電暈放電過程中，由于流注的不斷消失和重新產生會出現放電脈沖，形成高頻電磁波對無線電廣播和電視信號產生干擾。此外，電暈放電發出的噪聲有可能超過環境保護的標準。因此在建造輸電線路時必須考慮輸電線電暈問題，并采取措施以減小電暈放電的危害。解決的途徑是限制導線的表面場強，通常是以好天氣時導線電暈損耗接近于零的條件來選擇架空導線的尺寸。對于超高壓和特高壓線路來說，要做到這一點，導線的直徑通常遠大于按導線經濟電流密度選取的值。當然可以采用大直徑空心導線來解決這一矛盾，但最好的解決辦法是采用分裂導線，即將每相線路分裂成幾根并聯的導線。分裂導線超過兩根時，通常布置在圓的內接正多邊形的頂點。

分裂導線的表面最大場強不僅與導線直徑和分裂的根數有關，而且與分裂導線間的距離D有關，在某一最佳D值時，導線表面最大場強會出現一個極小值。如果D過小，則分裂導線的分裂半徑太小，使分裂導線的優點不能得到充分發揮；但D過大時，則由于每相的子導線之間的電場屏蔽作用減弱，因此此時表面最大場強隨著D的增加而增大。

另外，在選擇D值時并不只是以表面最大場強為最小條件作為設計依據的。使用分裂導線可以增大線路電容，減小線路電感，從而使輸電線路的傳輸能力增加。由于D值增大有利于線路電感的減小，所以工程應用中常取D值在40～50cm。

電暈放電也有有利的一面。例如，在某些情況下，可以利用電暈放電產生的空間電荷來改善極不均勻場的電場分布，以提高擊穿電壓。而且，電暈放電在其他工業部門也獲得了廣泛的應用，比如，在凈化工業廢氣的靜電除塵器和凈化水用的臭氧發生器以及靜電噴涂等，都是電暈放電在工業中應用的例子。

4）極不均勻電場中放電的極性效應。在電暈放電時，空間電荷對放電的影響已得到關注。由于高場強下電極極性的不同，空間電荷的極性也不同，對放電發展的影響也就不同，這就造成了不同極性的高場強電極的電暈起始電壓的不同以及間隙擊穿電壓的不同，稱為極性效應。

例如，棒-板間隙是典型的極不均勻場。分布如下：

當棒具有正極性時，間隙中出現的電子向棒運動，進入強電場區，開始引起電離現象而形成電子崩，如圖1-11a所示。隨著電壓的逐漸上升，到形成自持放電爆發電暈之前，在間隙中形成相當多的電子崩。當電子崩達到棒極后，其中的電子就進入棒極，而正離子仍留在空間，相對來說緩慢地向板極移動。于是在棒極附近，積聚起正空間電荷，如圖1-11b所示。

這樣就減少了緊貼棒極附近的電場，而略微加強了外部空間的電場。因此，棒極附近的電場被削弱，難以形成流注，這就使得放電難以得到自持。

當棒具有負極性時，陰極表面形成的電子立即進入強電場區，形成電子崩，如圖1-12a所示。當電子崩中的電子離開強電場區后，電子就不再能引起電離，而以越來越慢的速度向陽極運動。一部分電子直接消失于陽極，其余的可為氧原子吸附形成負離子。電子崩中的正離子逐漸向棒極運動而消失于棒極，但由于其運動速度較慢，所以在棒極附近總是存在著正空間電荷。結果在棒極附近出現了比較集中的正空間電荷，而在其后則是非常分散的負空間電荷，如圖1-12b所示。

負空間電荷由于濃度小，對外電場的影響不大，而正空間電荷將使電場畸變，棒極附近的電場得到增強，因而自持放電條件易于滿足、易于轉入流注而形成電暈放電。圖1-13是兩種極性下棒-板間隙的電場分布圖，其中曲線1為外電場分布，曲線2為經過空間電荷畸變以后的電場。

已通過實驗證明，棒-板間隙中，棒為正極性時電暈起始電壓比負極性時略高。而極性效應的另一個表現，就是間隙擊穿電壓的不同。隨著電壓升高，在緊貼棒極附近，形成流注，產生電暈；以后在不同極性下，空間電荷對放電的進一步發展所起的影響就和對電暈起始的影響相異了。

棒具有正極性時，若電壓足夠高，則棒極附近形成流注。由于外電場的特點，流注等離子體頭部具有正電荷。頭部的正電荷減少了等離子體中的電場，而加強了其頭部電場。流注頭部前方電場得到加強，使得前方電場易于產生新的電子崩，其電子被吸引入流注頭部的正電荷區內，加強并延長了流注通道，其尾部的正離子則構成了流注頭部的正電荷。流注及其頭部的正電荷使強電場區更向前移，好像將棒極向前延伸（當然應考慮到通道中的電壓降），于是促進了流注通道的進一步發展，流注通道的頭部逐漸向陰極推進。

當棒具有負極性時，雖然在棒極附近容易形成流注，產生電暈，但此后流注向前發展卻困難得多了。電壓達到電暈起始電壓后，緊貼棒極的強電場同時產生了大量的電子崩，匯入圍繞棒極的正空間電荷。由于產生了許多電子崩，造成了擴散狀分布的等離子體層，基于同樣的原因，負極性下非自持放電造成的正空間電荷也比較分散，這也有助于形成擴散狀分布的等離子體層。這樣的等離子體層起著類似增大了棒極曲率半徑的作用，因此將使前沿電場受到削弱。繼續升高電壓時，在相當一段電壓范圍內，電離只是在棒極和等離子體層外沿之間的空間發展，使得等離子體層逐漸擴大和向前延伸。直到電壓很高，使得等離子體層前方電場足夠強后，才又將形成電子崩。電子崩的正電荷使得等離子體層前沿的電場進一步加強，形成了大量的二次電子崩。它們匯集起來后使得等離子體層向陽極推進。由于同時形成許多電子崩，通道頭部也是呈擴散狀的，通道前方電場被加強的程度也比正極性下要弱得多。

所以，在負極性下，通道的發展要困難得多。因此，負極性下的擊穿電壓應較正極性時略高。

5）長間隙擊穿過程。在間隙距離較長時，存在某種新的、不同性質的放電過程，稱為先導放電。長間隙放電電壓的飽和現象可由先導放電現象作出解釋。

間隙距離較長時（如棒-板間隙距離大于1m時），在流注通道還不足以貫通整個間隙電壓的情況下，仍可能發展起擊穿過程。這時流注通道發展到足夠長度后，將有較多的電子從通道流向電極，通過通道根部的電子最多，于是流注根部溫度升高，出現了熱電離過程。這個具有熱電離過程的通道稱為先導通道。

正流注通道中的電子被陽極吸引，當電子的濃度足夠高時，即有足夠的電流，流注通道就開始熱電離。熱電離引起了通道中帶電質點濃度進一步增大，即引起了電導的增加和電流的繼續加大。于是，流注通道變成了有高電導的等離子體通道。這時在先導通道的頭部又產生了新的流注，于是先導不斷向前推進。

先導具有高電導，相當于從電極伸出的導電棒，它保證在其端部有高的場強，因此就容易形成新的流注。

負先導的發生也相類似，只不過這時電子流動的方向是從電極到流注頭部。當由電子崩發展為新流注時，電子進入間隙深處，即在沒有發生電離的區域建立負空間電荷，這給先導的推進帶來困難。因此，間隙的擊穿要在更高的電壓下才能發生。當先導推進到間隙深處時，其端部會出現許多流注，其中任何一個都可能成為先導繼續發展的方向。通道電離越強的流注，越可能成為先導發展的方向，但是和流注本身一樣，其方向具有偶然性，這就說明了長間隙放電，例如，雷電放電的路徑具有分支的特點。

長間隙的放電大致可分為先導放電和主放電兩個階段，在先導放電階段中，包括電子崩和流注的形成及發展過程。不太長間隙的放電沒有先導放電階段，只分為電子崩、流注和主放電階段。

當先導到達相對電極時，主放電過程就開始了。不論是正先導還是負先導，當通道頭部發展到接近對面電極時，在剩余的這一小段間隙中場強劇增，會有十分強烈的放電過程，這個過程將沿著先導通道以一定速度向反方向擴展到棒極，同時中和先導通道中多余的空間電荷，這個過程稱為主放電過程。主放電過程使貫穿兩極間的通道最終形成溫度很高、電導很大、軸向場強很小的等離子體火花通道（若電源功率足夠，則轉為電弧通道），從而使間隙完全失去了絕緣性能，氣隙的擊穿就完成了。主放電階段的放電發展速度很快，可達109cm/s。

3.稍不均勻電場中的極性效應

稍不均勻電場意味著電場還比較均勻，高場強區電子電離系數α達到足夠數值時，間隙中很大一部分區域中的α也達到相當值，起始電子崩在強場區發展起來，經過部分間隙距離后形成流注。流注一經產生，隨即發展至貫通整個間隙，導致完全擊穿。

在高電壓工程中常用的球-球間隙、同軸圓柱間隙等都屬于稍不均勻電場。稍不均勻電場間隙的放電特點和均勻電場相似，氣隙實現自持放電的條件就是氣隙的擊穿條件，也就是說，稍不均勻電場直到擊穿為止不發生電暈。在直流電壓作用下的擊穿電壓和工頻交流下的擊穿電壓幅值以及50%沖擊擊穿電壓都相同，擊穿電壓的分散性也不大，這也和均勻電場放電特點一致。

稍不均勻電場也有一定的極性效應，但不很明顯。高場強電極為正極性時擊穿電壓稍高，為負極性時擊穿電壓稍低。這是因為在負極性下電暈易發生，而稍不均勻場中的電暈很不穩定。這時的電暈起始電壓就是很接近于間隙擊穿電壓。從擊穿電壓的特點來看，稍不均勻場的極性效應與極不均勻場的極性效應結果相反。在稍不均勻場中，高場強電極為正電極時，間隙擊穿電壓比高場強電極為負時稍高；高場強電極為負電極時，間隙擊穿電壓稍低。而在極不均勻場中卻是高場強電極為正時，間隙擊穿電壓低；高場強電極為負時，間隙擊穿電壓要顯著高于高場強電極為正時的情況。