1.2.1 作用電壓下的擊穿

氣體間隙的擊穿電壓與外施電壓的種類(lèi)有關(guān)。直流與工頻電壓均為持續(xù)作用的電壓，這類(lèi)電壓隨時(shí)間的變化率很小，在放電發(fā)展所需的時(shí)間范圍內(nèi)（以微秒計(jì)）可以認(rèn)為外施電壓沒(méi)什么變化，因此統(tǒng)稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)電壓，以區(qū)別于作用時(shí)間很短的雷電沖擊電壓（模擬大氣過(guò)電壓）和操作沖擊電壓（模擬操作過(guò)電壓）。而沖擊電壓（雷電沖擊、操作沖擊）則持續(xù)時(shí)間極短，以微秒計(jì)，放電發(fā)展所需的時(shí)間不能忽略，間隙的擊穿因而也具有新的特點(diǎn)，電場(chǎng)不均勻時(shí)，尤為明顯。

1.均勻電場(chǎng)中擊穿

實(shí)際工程中很少見(jiàn)到比較大的均勻電場(chǎng)間隙，因?yàn)檫@種情況下為消除電極邊緣效應(yīng)，電極的尺寸必須做得很大。因此，對(duì)于均勻場(chǎng)間隙，通常只有間隙長(zhǎng)度不大時(shí)的擊穿數(shù)據(jù)，如圖1-14所示。

均勻電場(chǎng)中電極布置對(duì)稱(chēng)，因此無(wú)擊穿的極性效應(yīng)。均勻場(chǎng)間隙中各處電場(chǎng)強(qiáng)度相等，擊穿所需時(shí)間極短，因此其直流擊穿電壓與工頻擊穿電壓峰值以及50%沖擊擊穿電壓（指多次施加沖擊電壓時(shí)，其中50%導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷褐担瑢?shí)際上是相同的，且擊穿電壓的分散性很小。對(duì)于圖1-14所示的擊穿電壓（峰值）實(shí)驗(yàn)曲線，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示為

式中 d——間隙距離（cm）；

δ——空氣相對(duì)密度。

從圖1-14中可以大致看出，當(dāng)d在1～10cm范圍內(nèi)時(shí)，擊穿強(qiáng)度E_b（用電壓峰值表示）約等于30kV/cm。

2.稍不均勻電場(chǎng)的擊穿

稍不均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn)是擊穿前無(wú)電暈，極性效應(yīng)不很明顯，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。然而，稍不均勻電場(chǎng)的擊穿電壓與電場(chǎng)均勻程度f關(guān)系極大，因而既沒(méi)有能夠概括各種電極結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一經(jīng)驗(yàn)公式，也沒(méi)有適用于各種電極形狀的統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通常是對(duì)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)可能復(fù)雜得多，只能從典型電極中選取類(lèi)似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行估算。

稍不均勻電場(chǎng)的擊穿電壓通常可以根據(jù)起始場(chǎng)強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，由

f=E_max/E_av,E_av=U/d

可得

f取決于電極布置，可用靜電場(chǎng)計(jì)算的方法或電解槽實(shí)驗(yàn)的方法求得。圖1-15給出了幾種典型電極結(jié)構(gòu)。

對(duì)于稍不均勻電場(chǎng)，當(dāng)E_max達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)E₀時(shí)，U達(dá)到擊穿電壓U₀，從而

下面給出幾種典型電極結(jié)構(gòu)的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)E、電極表面最大場(chǎng)強(qiáng)E_max、電場(chǎng)不均勻系數(shù)f以及電暈起始電壓U_c（對(duì)于f<2的稍不均勻間隙，電暈起始電壓也就等于間隙擊穿電壓）的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

球-平板電極為

圓柱-平板電極為

平行圓柱-圓柱電極為

同軸圓柱電極為

同心球電極為

球-球電極為

式中，E₀、E_max單位為kV/cm（峰值）；U_c單位為kV（峰值）；r、R、d的含義如圖1-15所示，單位均為cm。

另外，對(duì)于某些不便于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，也可以用E₀=30kV/cm進(jìn)行大致估算，則間隙擊穿電壓U_d為

3.極不均勻電場(chǎng)的擊穿

極不均勻場(chǎng)擊穿電壓的特點(diǎn)：電場(chǎng)不均勻程度對(duì)擊穿電壓的影響減弱（由于電場(chǎng)已經(jīng)極不均勻），極間距離對(duì)擊穿電壓的影響增大。

這個(gè)結(jié)果有很大意義，可以選擇電場(chǎng)極不均勻的極端情況，棒-板和棒-棒作為典型電極結(jié)構(gòu)（或尖-板和尖-尖電極結(jié)構(gòu)）。它們的擊穿電壓具有代表性，當(dāng)在工程上遇到很多極不均勻的電場(chǎng)時(shí)，可以根據(jù)這些典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來(lái)做估算。如果電場(chǎng)分布不對(duì)稱(chēng)，則可參照棒-板（或尖-板）電極的數(shù)據(jù)；如果電場(chǎng)分布對(duì)稱(chēng)，則可參照棒-棒（或尖-尖）電極的數(shù)據(jù)。

在直流電壓中，極不均勻場(chǎng)中直流擊穿電壓的極性效應(yīng)非常明顯。同樣間隙距離下，不同極性間，擊穿電壓相差一倍以上。而尖-尖電極的擊穿電壓介于兩種極性尖-板電極的擊穿電壓之間，這是因?yàn)檫@種電場(chǎng)有兩個(gè)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，同等間隙距離下，電場(chǎng)均勻程度較尖-板電極為好。

而在工頻電壓下的擊穿，無(wú)論是棒-棒電極還是棒-板電極，其擊穿都發(fā)生在正半周峰值附近（對(duì)棒-板電極結(jié)構(gòu)，擊穿發(fā)生在棒電極處于正半周峰值附近），故擊穿電壓與直流的正極性相近。工頻擊穿電壓的分散性不大，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ一般不超過(guò)2%。當(dāng)間隙距離太大時(shí)，擊穿電壓基本上與間隙距離呈線性上升的關(guān)系；當(dāng)間隙距離很大時(shí)，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯降低，即擊穿電壓不再隨間隙距離的加大而線性增加，呈現(xiàn)出飽和現(xiàn)象，這一現(xiàn)象對(duì)棒-板間隙尤為明顯。

因此，在電氣設(shè)備上，希望盡量采用棒-棒類(lèi)對(duì)稱(chēng)型的電極結(jié)構(gòu)，而避免棒-板類(lèi)不對(duì)稱(chēng)的電極結(jié)構(gòu)。由于試驗(yàn)時(shí)所采用的“棒”或“板”不盡相同，不同實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)曲線會(huì)有所不同。這一點(diǎn)在各種電壓的空氣間隙擊穿特性中都存在，使用這些曲線時(shí)應(yīng)注意其試驗(yàn)條件。

在持續(xù)作用電壓下，電極間距離遠(yuǎn)小于相應(yīng)電磁波的波長(zhǎng)，所以任一瞬間的這種電場(chǎng)都可以近似作為靜電場(chǎng)來(lái)考慮。除在很少數(shù)情況下可以直接求得解析解外，要想了解局部或整體電場(chǎng)分布的詳細(xì)情況，主要依靠電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算來(lái)求解，應(yīng)用較多的方法主要有有限元法和模擬電荷法。有限元法在計(jì)算封閉場(chǎng)域的電場(chǎng)方面有許多優(yōu)點(diǎn)，而模擬電荷法在計(jì)算開(kāi)放場(chǎng)域的電場(chǎng)方面應(yīng)用較多。