介質的電氣強度

對于擊穿的實驗現(xiàn)象和規(guī)律，用上一節(jié)所介紹的氣體放電的發(fā)展過程可以解釋，但是由于氣體放電理論還不完善，因此并不能對擊穿電壓進行精確的計算。所以在實際的工程 式應用中，比較普遍的是通過參照一些典型電極的擊穿電壓來選擇絕緣距離，或者根據(jù)實際電極布置情況，通過實驗來確定擊穿電壓。

空氣間隙放電電壓主要受到電場情況、電壓形式以及大氣條件的影響。本節(jié)主要討論在不同條件下空氣間隙放電電壓的一些規(guī)律。

1.2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有關。直流與工頻電壓均為持續(xù)作用的電壓，這類電壓隨時間的變化率很小，在放電發(fā)展所需的時間范圍內(nèi)(以微秒計)可以認為外施電壓沒什么變化，因此統(tǒng)稱為穩(wěn)態(tài)電壓，以區(qū)別于作用時間很短的雷電沖擊電壓(模擬大氣過電壓)和操作沖擊電壓(模擬操作過電壓)。而沖擊電壓(雷電沖擊、操作沖擊)則持續(xù)時間極短，以微秒計，放電發(fā)展所需的時間不能忽略，間隙的擊穿因而也具有新的特點，電場不均勻時，尤為明顯。

1.均勻電場中擊穿

實際工程中很少見到比較大的均勻電場間隙，因為這種情況下為消除電極邊緣效應，電極的尺寸必須做得很大。因此，對于均勻場間隙，通常只有間隙長度不大時的擊穿數(shù)據(jù)，如圖1-14所示。

均勻電場中電極布置對稱，因此無擊穿的極性效應。均勻場間隙中各處電場強度相等，擊穿所需時間極短，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，其中50%導致擊穿的電壓值)，實際上是相同的，且擊穿電壓的分散性很小。對于圖1-14所示的擊穿電壓(峰值)實驗曲線，可用以下經(jīng)驗公式表示為

式中  d——間隙距離(cm)；

δ——空氣相對密度。

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

2. 稍不均勻電場的擊穿

稍不均勻電場的擊穿特點是擊穿前無電暈，極性效應不很明顯，直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值及 50%沖擊擊穿電壓及乎一致。然而，稍不均勻電場的擊穿電壓與電場均勻程度f關系極大，因而既沒有能夠概括各種電極結構的統(tǒng)一經(jīng)驗公式，也沒有適用于各種電極形狀的統(tǒng)一實驗數(shù)據(jù)。通常是對一些典型的電極結構做出一批實驗數(shù)據(jù)，實際的電極結構可能復雜得多，只能從典型電極中選取類似的結構進行估算。

稍不均勻電場的擊穿電壓通常可以根據(jù)起始場強經(jīng)驗公式進行估算，由

可得

f取決于電極布置，可用靜電場計算的方法或電解槽實驗的方法求得。圖1-15給出了幾種典型電極結構。

對于稍不均勻電場，當Emax達到臨界場強E0時，達到擊穿電壓U0，從而

下面給出幾種典型電極結構的電暈起始場強E、電極表面最大場強Emax、電場不均勻系數(shù)f以及電暈起始電壓U0(對于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)驗計算公式：

球-平板電極為

圓柱-平板電極

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

式中，E0、Emax單位為kV/cm(峰值)；UC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，對于某些不便于根據(jù)經(jīng)驗公式求的電場結構，也可以用E0=30kV/cm進行大致估算，則間隙擊穿電壓Ud為

                          Ud=30d/f                     （1-63）

3.極不均勻電場的擊穿

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

這個結果有很大意義，可以選擇電場極不均勻的情況，棒-板和棒-棒作為典型電極結構(或尖-板和尖-尖電極結構)。它們的擊穿電壓具有代表性，當在工程上遇到很多極不均勻的電場時，可以根據(jù)這些典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來做估算。如果電場分布不對稱，則可參照棒-板(或尖-板)電極的數(shù)據(jù)；如果電場分布對稱，則可參照棒-棒(或尖-尖)電極的數(shù)據(jù)。

在直流電壓中，極不均勻場中直流擊穿電壓的極性效應非常明顯。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，這是因為這種電場有兩個強場區(qū)，同等間隙距離下，電場均勻程度較尖-板電極為好。

而在工頻電壓下的擊穿，無論是棒-棒電極還是棒-板電極，其擊穿都發(fā)生在正半周峰值附近(對棒-板電極結構，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，相對標準偏差σ一般不超過2%。當間隙距離太大時，擊穿電壓基本上與間隙距離呈線性上升的關系；當間隙距離很大時，平均擊穿場強明顯降低，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)象對棒板間隙尤為明顯。

因此，在電氣設備上，希望盡量采用棒棒類對稱型的電極結構，而避免棒-板類不對稱的電極結構。由于試驗時所采用的“棒"或“板"不盡相同，不同實驗室的實驗曲線會有所不同。這一點在各種電壓的空氣間隙擊穿特性中都存在，使用這些曲線時應注意其試驗條件。

在持續(xù)作用電壓下，電極間距離遠小于相應電磁波的波長，所以任一瞬間的這種電場都可以近似作為靜電場來考慮。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分布的詳細情況，主要依靠電場數(shù)值計算來求解，應用較多的方法主要有有限元法和模擬電荷法。有限元法在計算封閉場域的電場方面有許多優(yōu)點，而模擬電荷法在計算開放場域的電場方面應用較多。

1.2.2 雷電沖擊作用下的擊穿

大氣中雷電產(chǎn)生的過電壓對高壓電氣設備絕緣會產(chǎn)生重大威脅。因此，在電力系統(tǒng)中一方面應采取措施限制大氣過電壓，另一方面應保證高壓電氣設備能耐受一定水平的雷電過電壓。雷電過電壓是一種持續(xù)時間極短的脈沖電壓，在這種電壓作用下絕緣的擊穿具有與穩(wěn)態(tài)電壓下擊穿不同的特點。

1.雷電沖擊電壓的標準波形

雷電能對地面設備造成危害的主要是云地閃。按雷電發(fā)展的方向可分為下行雷和上行雷兩種。下行雷是在雷云中產(chǎn)生并向大地發(fā)展，上行雷則是由接地物體頂部激發(fā)，并向雷云方向發(fā)展。雷電的極性是按照從雷云流入大地的電荷符號決定。實驗表明，不論地質情況如何，90%左右的雷電是負極性雷。

下行的負極性雷通?？煞譃?/span>3個主要階段，即先導、主放電和余光。先導過程延續(xù)約幾毫秒，以逐級發(fā)展、高電導、高溫的、具有高電位的先導通道將雷云到大地之間的氣隙擊穿。沿先導通道分布著電荷，其數(shù)量達幾庫侖。當下行先導和大地短接時，發(fā)生先導通道放電的過渡過程，稱為主放電過程。在主放電過程中，通道產(chǎn)生突發(fā)的亮光，發(fā)出巨大的聲響，沿著雷電通道流過幅值很大、延續(xù)時間為近百微秒的沖擊電流。正是這個主放電過程造成雷電放電最大的破壞作用。主放電完成后，云中的剩余電荷沿著雷電通道繼續(xù)流向大地，這時在展開照片上看到的是一片模糊發(fā)光的部分，稱為余光放電，相應的電流是逐漸衰減的，約為103～101A，延續(xù)時間約為幾毫秒。上述3個階段組成下行雷的第一個分量。通常，雷電放電并不就此結束，而是隨后還有幾個(甚至十幾個)后續(xù)分量。每個后續(xù)分量也是階段和金光放電階段組成。各分量中的最大電流和電流增長最大陡度是造成被擊物體上的過電壓、電動力、電磁脈沖和爆破力的主要因素。而在余光階段中，流過較長時間的電流則是造成雷電熱效應的重要因素。

由雷云放電引起的大氣過電壓的波形是隨機的，但在實驗室中用沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生沖擊電壓來模擬雷電過電壓時必須采用標準波形，這樣可以使不同實驗室的試驗結果互相比較。圖1-16表示雷電沖擊電壓的標準波形和確定其波前和波長時間的方法(波長指沖擊波衰減至半峰值的時間)。

圖1-16中，O為原點，P點為波峰，但在波形圖中這兩點都不易確定，因為波形在O點處往往模糊不清；而P點處波形很平，難以確定其出現(xiàn)時間。國際上都用圖示的方法求得名義零點O1，(即圖中虛線所示)，連接0.9倍峰值點與0.3倍峰值點作虛線交橫軸于O1點，這樣波前時間T1和波長時間T2都從O1算起。對于操作沖擊波，T1和T2都從真實原點算起，這是因為操作波上升比較平緩，原點附近的波形可以看得清楚。

目前，國際上大多數(shù)國家對于標準雷電波的波形規(guī)定是：

T1=1.2(1±30%)μs，T2=50(1±20%)μs

對于不同極性的標準雷電波形可表示為+1.2/50μs或-1.2/50μs。

2.放電時延

每個氣隙都有它的低靜態(tài)擊穿電壓，即長時間作用在間隙上能使間隙擊穿的低電壓。要使氣體間隙擊穿，不僅需要外施電壓高于臨界擊穿電壓U0，而且還需要外施電壓維持一定的時間，以保證放電發(fā)展過程的完成。

圖1-17表示沖擊擊穿所需要的時間。施加沖擊電壓經(jīng)時間t0后電壓值達U0，但此時間隙不會擊穿。從t0至間隙擊穿所需的時間t1稱為放電時延，它包括兩部分時間，即ts和tf。ts表示從外施電壓達U0的時刻起，到氣隙中出現(xiàn)第一個有效電子的時間，稱之為統(tǒng)計時延(因為第一個有效自由電子的出現(xiàn)服從統(tǒng)計規(guī)律)。tf表示從出現(xiàn)第一個有效自由電子的時刻起，到放電過程完成所需的時間，也就是電子崩的形成和發(fā)展到流注所需的時間，稱為放電形成時延。所以，圖1-17中沖擊擊穿所需的總時間tb為

                       tb=t0+ ts+ tf                            (1-64)

短間隙中，尤其當電場較均勻的時候，放電形成時延比統(tǒng)計時延小得多，因此這種情況下放電時延主要決定于統(tǒng)計時延。為了減小統(tǒng)計時延，可以采用紫外線或其他高能射線對間隙進行人工照射，使陰極表面釋放出更多電子。例如，用較小的球隙測量沖擊電壓時，通常需要采取這種措施。較長的間隙中，主要決定于放電形成時延，且電場越不均勻，則放電形成時延越長。顯然，對間隙施加高于擊穿所需的低電壓，可以使統(tǒng)計時延和放電形成時延都縮短。

3. 50%擊穿電壓

由于放電時延服從統(tǒng)計規(guī)律，因此沖擊擊穿電壓具有一定的分散性。一般的規(guī)律是，放電時延越長，則沖擊擊穿電壓的分散性越大，即電場越不均勻或間隙越長，則沖擊擊穿電壓的分散性越大，也就是說，低概率擊穿電壓與100%擊穿電壓的差別越大。從確定間隙耐受沖擊電壓的絕緣能力來看，希望在實驗中求取低概率擊穿電壓Ub0(Ub0可看作是絕緣的沖擊耐受電壓)，但這通常是很難準確求得的。國內(nèi)外實踐大多是求取50%放電電壓，即多次能加電壓時有50%概率會導致間隙擊穿或不擊穿。根據(jù)50%沖擊擊穿電壓(Ub0)和標準偏差σ即可估算出Ub0值。

                            Ub0= Ub50-3σ                            (1-65)

一般來說，50%沖擊擊穿電壓比工頻擊穿電壓的峰值要高一些，這是由于雷電沖擊電壓作用時間短的緣故。同一間隙的50%沖擊擊穿電壓Ub50與穩(wěn)態(tài)擊穿電壓Ub0之比，稱為沖擊系數(shù)β。

均勻電場和稍不均勻電場間隙的放電時延短，擊穿的分散性小，沖擊擊穿通常發(fā)生在波峰附近，所以這種情況下沖擊系數(shù)接近于1。極不均勻電場間隙的放電時延長，沖擊擊穿常發(fā)生在波尾部分，這種情況下沖擊系數(shù)大于1。

4.伏秒特性 

由于放電時延的影響，氣隙擊穿需要一定的時間才能完成，對于不是持續(xù)作用而是脈沖性質的電壓，氣隙的擊穿電壓就與該電壓作用的時間有很大關系。同一個氣隙，在峰值較低但延續(xù)時間較長的沖擊電壓作用下可能被擊穿，而在峰值較高但延續(xù)時間較短的沖擊電壓作用下可能反而不被擊穿。因此，在沖擊電壓下僅用單一的擊穿電壓值描述間隙的絕緣特性是不全面的。一般用間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和間隙擊穿時間的關系曲線來表示間隙的沖擊絕緣特性，此曲線稱間隙的伏秒特性曲線。

伏秒特性繪制方法如圖1-18所示。保持一定的波形而逐級升高沖擊電壓的峰值。電壓較低時，擊穿發(fā)生在波尾。在擊穿前的瞬時，電壓雖已從峰值下降到一定數(shù)值，但該電壓峰值仍然是氣隙擊穿過程中的主要因素，因此以該電壓峰值為縱坐標，以擊穿時刻為橫坐標，得點“1"、點“2"。電壓再升高時，擊穿可能正好發(fā)生在波峰，則該點當然是伏秒特性曲線上的一點。電壓進一步升高時，氣隙很可能在電壓尚未升到波形的峰值時就已經(jīng)被擊穿，如圖中的點“3"。把這些相應的點連成一條曲線，就是該氣隙在該電壓波形下的伏秒特性曲線。 

由于放電時間具有分散性，所以在每級電壓下可得到一系列放電時間。實際上，伏秒特性是以上、下包線為界的一個帶狀區(qū)域。工程上還采用所謂50%伏秒特性，或稱平均伏秒特性。每級電壓下，放電時間小于下包線橫坐標所示數(shù)值的概率為0，大于上包線橫坐標所示數(shù)值的概率為100%。現(xiàn)于上下限間選一個數(shù)值，使放電時間小于該值的概率等于50%，即某個電壓下多次擊穿中放電時間小于該值者恰占一半，這個數(shù)值可稱為50%概率放電時間。以50%概率放電時間為橫坐標，縱坐標仍為該電壓值，連成曲線就是50%伏秒特性曲線，如圖1-19所示。同理，上下包線可相應地稱為100%及0伏秒特性曲線。較多地采用的是50%伏秒特性，它從較少次的實驗中就可得到。 但應用它時應注意，它只是大致地反映了該間隙的伏秒特性，在其兩側還有一定的分散范圍。

1.2.3操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性

電力系統(tǒng)在操作或發(fā)生事故時，因狀態(tài)發(fā)生突然變化引起電感和電容回路的振蕩產(chǎn)生過電壓，稱為操作過電壓。操作過電壓幅值與波形顯然跟電力系統(tǒng)的參數(shù)有密切關系，這一點與雷電過電壓不同，后者一般取決于接地電阻，與系統(tǒng)電壓等級無關。操作過電壓則不然，由于其過渡過程的振蕩基值即是系統(tǒng)運行電壓，因此電壓等級越高，操作過電壓的幅值也越高。在不同的振蕩過程中，振蕩幅值最高可達最大相電壓峰值的3～4倍。因此，為保證安全運行，需要對高壓電氣設備絕緣考察其耐受操作過電壓的能力。早期的工程實踐中，采用工頻電壓試驗來考驗絕緣耐受操作過電壓的能力。但其后的研究表明，長間隙在操作沖擊波作用下的擊穿電壓比工頻擊穿電壓低。因此目前的試驗標準規(guī)定，對額定電壓在300kV以上的高壓電氣設備要進行操作沖擊電壓試驗。這說明操作沖擊電壓下的擊穿只對長間隙才有重要意義。

1.操作沖擊電壓波形

操作過電壓波形隨著電壓等級、系統(tǒng)參數(shù)、設備性能、操作性質、操作時機等因素而有很大變化的。IEC推薦了250/2500μs的操作沖擊電壓標準波形，我國國家標準也采用了這個標準波形。如圖1-20所示，圖中0點為實際零點，u為電壓值，圖中u=1.0處為電壓u峰值。波形特征參數(shù)；波前時間Tcr=250μs，允許誤差為±20%；半峰值時間T2=2500μs，允許誤差為±60%；峰值允許誤差±3%；90%峰值以上持續(xù)時間Td未作規(guī)定。

2.操作沖擊放電電壓的特點

(1)U形曲線

通常采用與雷電沖擊波相似的非周期性指數(shù)衰減波來模擬頻率為數(shù)千赫茲的操作過電壓。研究表明，長空氣間隙的操作沖擊擊穿通常發(fā)生在波前部分，因而其擊穿電壓與波前時間有關，而與波尾時間無關。

圖1-21表示空氣中3m的棒-棒(一極接地）和導線-板間隙的平均擊穿場強與操作沖擊波的波前時間的關系。由此可見，雷電沖擊擊穿場強高于工頻擊穿場強，但操作沖擊波作用下，當波前時間tcr為100～300μs時，擊穿場強出現(xiàn)極小值，其值比工頻擊穿場強要低。進步的研究還表明，出現(xiàn)擊穿場強極小值的波前時間隨間隙距離的增加而增大。對于操作沖擊電壓作用下長間隙擊穿的“U形曲線"，通常是用放電時延和空間電荷的形成與遷移這兩種作用相反的影響因素來解釋的。Eb隨tcr的減小而增大，是放電時延在起作用，這一點與雷電沖擊電壓下的伏秒特性是相似的。U形曲線極小值右邊，Eb隨tcr的增加而增大，是因為電壓作用時間增加后空間電荷遷移的范圍擴大，更好地改善了間隙整個電場分布，從而使擊穿電壓提高。

(2)極性效應

在各種不同的電場結構中，正極性操作沖擊的50%擊穿電壓都比負極性的低，所以是更危險的。在討論操作沖擊電壓下的間隙擊穿特性時，若無特別說明，一般均指正極性的情況。還有一點值得注意的是，在同極性的雷電沖擊標準波作用下，棒-板間隙的擊穿電壓比棒-棒間隙的擊穿電壓低得不多，而在操作過電壓作用下，前者卻比后者低得多，這個情況啟示我們在設計高壓電力裝置時，應注意盡量避免出現(xiàn)棒-板型氣隙。

(3)飽和現(xiàn)象

與工頻擊穿電壓的規(guī)律性類似，長間隙在操作波電壓作用下也呈現(xiàn)出顯著的飽和現(xiàn)象，特別是棒-板型氣隙，其飽和程度更加突出。這是因為長間隙下先導形成之后，放電更易發(fā)展。而雷電沖擊時，作用時間太短，所以雷電的飽和現(xiàn)象很不明顯，放電電壓與氣隙距離一般呈線性關系。

(4)分散性大

在操作沖擊電壓作用下，間隙的50%擊穿電壓的分散性比雷電沖擊下大得多，集中電極(如棒極)比伸長電極(如導線)要大。波前時間較長時(比如，大于1000μs)比波前時間較短時(比如100~300μs)要大。對棒-板間隙，50%擊穿電壓的相對標準偏差前者達8%左右，波前時間較短時約5%。而雷電沖擊電壓下，分散性小得多，σ≈3%；工頻下分散性更小，不超過2%。

(5)鄰近效應

電場分布對操作沖擊電壓U50%影響很大，接地物體靠近放電間隙會顯著降低正極性擊穿電壓(但能多少提高一些負極性擊穿電壓)，稱鄰近效應。

U50%擊穿電壓極小值經(jīng)驗公式：正棒-板空氣間隙操作沖擊電壓的U形曲線中50%放電電壓極小值U50%，min與間隙距離d的關系可用如下經(jīng)驗公式表示為

由實驗結果，對于1～20m的長間隙，此公式能很好地吻合。

1.2.4大氣條件對氣體擊穿的影響

大氣中間隙的放電電壓隨空氣密度的增大而提高，這是因為空氣密度增大時，電子的平均自由行程縮短，使電離過程削弱的緣故。而對于空氣濕度來說，在極不均勻電場中，空氣中的水分能使間隙的擊穿電壓有所提高，這是因為水分子具有弱電負性，容易吸附電子使其形成負離子的緣故。但濕度對均勻電場間隙擊穿的影響很小，因為均勻場間隙在擊穿前各處的場強都很高，即各處電子運動速度都很高，不易被水分子捕獲而形成負離子。所以，在均勻場或稍不均勻場間隙中，通常對濕度的影響可忽略不計。本節(jié)中討論濕度對放電的影響是指空氣中水汽分子的影響，當空氣的相對濕度很高而在固體絕緣表面發(fā)生凝露時，情況就不同了。這種情況下電場分布會發(fā)生畸變，因而導致氣隙擊穿電壓或沿固體絕緣表面的閃絡電壓下降。

1. 濕度校正因數(shù)和空氣密度校正因數(shù)

根據(jù)我國國家標準，在不同大氣狀態(tài)下，外絕緣的放電電壓可按如下公式校正： 

式中  US——標準大氣狀態(tài)下(氣壓為0.1013MPa，溫度為20℃，絕對濕度為11g/cm2)外絕緣放電電壓；

U——實際大氣狀態(tài)下外絕緣放電電壓；

Kd——空氣密度校正因數(shù)；

Kh——濕度校正因數(shù)。

顯然，大氣狀態(tài)不同時，外絕緣試驗電壓也應該按照式(1-68)換算?？諝饷芏刃Ｕ?/span>數(shù)Kd為

式中  P——試驗條件下的氣壓(Pa)；

t——-試驗條件下的氣溫(℃)； 

Ps、ts——標準狀態(tài)下的氣壓和氣溫。

濕度校正因數(shù)Kh為 

式中k——絕對濕度的函數(shù)，根據(jù)外施電壓形式不同而采用圖1-22中曲線1或者曲線2。

而式（1-69）與式（1-70）中的冪m、n和w取決于電壓的形式、極性和放電距離d。目前標準中假定m=n，即

式中δ——空氣相對密度。

2.海拔的影響

隨著海拔的增加，大氣壓力下降，空氣密度減小，導致外絕緣放電電壓也隨之下降。

海拔對外絕緣放電電壓的影響一般也由經(jīng)驗公式估計。根據(jù)我國國家標準GB/T11022—2020《高壓交流開關設備和控制設備標準的共同技術要求》規(guī)定，對用于海拔4000m以下1000m以上的設備外絕緣以及干式變壓器絕緣，在非高海拔地區(qū)試驗時，其試驗電壓U應為標準狀態(tài)下試驗電壓Us乘以海拔校正系數(shù)KA即

式中 H——安裝地點海拔。

為簡單起見，取下述確定值：m=1，對于工頻、雷電沖擊和相間操作沖擊電壓；m=0.9，對于縱絕緣操作沖擊電壓；m=0.75，對于相對地操作沖擊電壓。

以上公式還比較簡單，對于一些較復雜的，比如相同海拔、不同地區(qū)間大氣狀態(tài)以及不同濕度下的大氣狀態(tài)沒有比較好地解決，對于海拔對外絕緣放電電壓的影響，仍在繼續(xù)研究中。

1.2.5提高氣體擊穿電壓的措施

提高氣體擊穿電壓不外乎兩個途徑：一方面是改善電場分布，使之盡量均勻；另一方面是利用其他方法來削弱氣體中的電離過程。改善電場分布也有兩種途徑：一種是改進電極形狀；另一種是利用氣體放電本身的空間電荷畸變電場的作用。

1.電極形狀的改進

均勻電場和稍不均勻電場間隙的平均擊穿場強比極不均勻電場間隙的要高很多。一般來說，電場分布越均勻，平均擊穿場強也越高。因此，可以通過改進電極形狀、增大電極曲率半徑，以改善電場分布，提高間隙的擊穿電壓。同時，電極表面應盡量避免毛刺、棱角等以消除電場局部增強的現(xiàn)象。若不可避免出現(xiàn)極不均勻電場，則盡可能采用對稱電場(棒-棒類型)。即使是極不均勻電場，不少情況下，為了避免在工作電壓下出現(xiàn)強烈電暈放電，也必須增大電極曲率半徑。

改變電極形狀以調(diào)整電場的方法有：

1)增大電極曲率半徑。如變壓器套管端部加球形屏蔽罩，采用擴徑導線(截面積相同，半徑增大)等，用增大電極曲率半徑的方法來減小表面場強。

2)改善電極邊緣。電極邊緣做成弧形，或盡量使其與某等位面相近，以消除邊緣效應。

3)使電極有最佳外形。如穿墻高壓引線上加金屬扁球，墻洞邊緣做成近似垂鏈線旋轉體，以此改善其電場分布。

2.空間電荷對原電場的畸變作用

極不均勻電場中間隙被擊穿前先發(fā)生電暈現(xiàn)象，所以在一定條件下，可以利用放電自身產(chǎn)生的空間電荷來改善電場分布，以提高擊穿電壓。例如，導線與平板間隙中，當導線直徑減小到一定程度后，間隙的工頻擊穿電壓反而顯著提高。

當導線直徑很小時，導線周圍容易形成比較均勻的電暈層，電壓增加，電暈層也逐漸擴大，電暈放電所形成的空間電荷使電場分布改變。由于電暈層比較均勻，電場分布改善了，從而提高了擊穿電壓。當導線直徑較大時，情況就不同了。電極表面不可能絕對光滑，總存在電場局部強的地方，從而總存在電離局部強的現(xiàn)象。此外，由于導線直徑較大，導線表面附近的強場區(qū)也較大，電離一經(jīng)發(fā)展，就比較強烈。局部電離的發(fā)展，將顯著加強電離區(qū)前方的電場，而削弱了周圍附近的電場(類似于出現(xiàn)了金屬端)，從而使該電離區(qū)進一步發(fā)展。這樣，電暈就容易轉入刷狀放電，從而其擊穿電壓就和尖-板間隙的擊穿電壓相近了。只有在一定間隙距離范圍內(nèi)才存在上述“細線"效應。間隙距離超過一定值時，細線也將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，此后擊穿電壓也同尖-板間隙的擊穿電壓相近了。

實驗表明，雷電沖擊電壓下沒有細線效應。這是由于電壓作用時間太短，來不及形成充分的空間電荷層的緣故。利用空間電荷(均勻的電暈層)提高間隙的擊穿電壓，僅在持續(xù)作用電壓下才有效，而且此時在擊穿前將出現(xiàn)持續(xù)的電暈現(xiàn)象，這在很多場合下也是不允許的。

3.極不均勻場中屏障的采用

在極不均勻場的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料(如紙或紙板)，在一定條件下可以顯著地提高間隙的擊穿電壓。屏降的作用在于屏障表面上積聚的空間電荷，使屏障與板電極之間形成比較均勻的電場，從而使整個間隙的擊穿電壓提高。

工頻電壓下，在尖-板電極中設置屏障可以顯著地提高擊穿電壓，因為工頻電壓下擊穿總是發(fā)生在尖電極為正極性的半周內(nèi)。雷電沖擊電壓下，屏障也可提高尖·板同隙的擊穿電壓，但是幅度比穩(wěn)態(tài)電壓下要小一些。

4.提高氣體壓力的作用

提高間隙擊穿電壓的另一個途徑是采取其他方法削弱氣體中的電離過程，比如，在設備內(nèi)絕緣等有條件的情況下提高氣體壓力。由于大氣壓下空氣的電氣強度約30kV/cm，即使采取上述措施，盡可能改善電場分布，其平均擊穿場強最高也不會超過這個數(shù)值。而提高氣體壓力可以減小電子的平均自由行程，削弱電離過程，從而提高擊穿電壓。

在采取這種措施時，必須注意電場均勻程度和電極表面狀態(tài)。當間隙距離不變時，擊穿電壓隨壓力的提高而很快增加；但當壓力增加到一定程度后，擊穿電壓增加的幅度逐漸減小，說明此后繼續(xù)增加壓力的效果逐漸下降了。在高氣壓下，電場的均勻程度對擊穿電壓的影響比在大氣壓力下要顯著得多，電場均勻程度下降，擊穿電壓將急劇降低。因此，采用高氣壓的電氣設備應使電場盡可能均勻。而在實際工程中采用的高氣壓值也不會太大。因為氣壓太高時，擊穿電壓隨氣壓升高的規(guī)律將不符合巴申定律，壓力越高，二者分歧越大。而且同一δd條件下，壓力越高，擊穿電壓越低。另外壓力太高，工程制造成本也會大幅度增加。

在高氣壓下，氣隙的擊穿電壓和電極表面的粗糙度也有很大關系。電極表面越粗糙，氣隙的擊穿電壓就越低，氣體壓力越大，這個影響就越顯著。一個新的電極最初幾次的擊穿電壓往往較低，經(jīng)過多次限制能量的火花擊穿后，氣隙的擊穿電壓就有顯著提高，分散性也減小，這個過程稱作對電極進行“老煉"處理。氣壓提高，“老煉"處理所需的擊穿次數(shù)也越多。電極表面不潔、有污物以及濕度等因素在高氣壓下對氣隙擊穿電壓的影響都要比常壓下顯著。如果電場不均勻，濕度使擊穿電壓下降的程度就更顯著。

因此，高氣壓下應盡可能改進電極形狀，以改善電場分布。在比較均勻的電場中，電極應仔細加工光潔。氣體要過濾，濾去塵埃和水分。充氣后需放置較長時間凈化后再使用。

5.高真空和高電氣強度氣體SF6的采用

(1)高真空的采用

采用高真空也是削弱了電極間氣體的電離過程，雖然電子的自由行程變得很大，但間隙高間隙擊穿電壓大。

間隙距離較小時，高真空的擊穿場強很高，其值超過壓縮氣體間隙；但間隙距離較大時，擊穿場強急劇減小，明顯低于壓縮氣體間隙的擊穿場強。真空擊穿理論對這一現(xiàn)象是這樣解釋的：高真空小間隙的擊穿是與陰極表面的強場發(fā)射密切有關。由于強場發(fā)射造成很大的電流密度，導致電極局部過熱使電極發(fā)生金屬汽化并釋放出氣體，破壞了真空，從而引起擊穿。間隙距離較大時，擊穿是由所謂全電壓效應引起的。隨著間隙距離及擊穿電壓的增大，電子從陰極到陽極經(jīng)過巨大的電位差，積聚了很大的動能，高能電子轟擊陽極時能使陽極釋放出正離子及輻射出光子；正離子及光子到達陰極后又將加強陰極的表面電離。在此反復過程中產(chǎn)生越來越大的電子流，使電極局部汽化，導致間隙擊穿，這就是全電壓效應引起平均擊穿場強隨間隙距離的增加而降低的原因。由此可見，真空間隙的擊穿電壓與電極材料、電極表面粗糙度和清潔度(包括吸附氣體的多少和種類)等多種因素有關，因此擊穿分散性很大。在相同的實驗條件下，擊穿電壓隨電極材料熔點的提高而增大。在電力設備中，目前，還很少采用高真空作為絕緣介質，因為電力設備的絕緣結構中總會使用固體絕緣材料，這些固體絕緣材料會逐漸釋放出吸附的氣體，使真空無法保持。目前，真空間隙只在真空斷路器中得到應用。真空不僅絕緣性能好，而且有很強的滅弧能力，所以真空斷路器已廣泛應用于配電網(wǎng)絡中。

(2)高電氣強度氣體SF6的采用

高氣壓高真空到一定限度后，給設備密封帶來很大困難，造價也大為上升。而且10個大氣壓以后，再提高氣壓，效果也越來越差。近幾十年，人們發(fā)現(xiàn)許多含鹵族元素的氣體化合物，如SF6、CCl4、CCl2F2等的電氣強度都比空氣高很多，這些氣體通常稱為高電氣強度氣體。采用這些氣體代替空氣可以提高間隙擊穿電壓，縮小設備尺寸，降低工作氣壓。

表1-5中列出了幾種氣體的相對電氣強度。所謂某種氣體的相對電氣強度是指在氣壓與間隙距離相同的條件下該氣體的電氣強度與空氣電氣強度之比。

表1-5               幾種氣體的相對電氣強度

SF6氣體的主要優(yōu)點有：除了具有較高的電氣強度外，還有很強的滅弧性能。它是一種無色、無味、無毒、非燃性的惰性化合物，對金屬和其他絕緣材料沒有腐蝕作用，被加熱到500℃仍不會分解。在中等壓力下，SF6氣體可以被液化，便于儲藏和運輸。SF6氣體被廣泛用于大容量高壓斷路器、高壓充氣電纜、高壓電容器、高壓充氣套管以及全封閉組合電器中。采用SF6的電氣設備的尺寸大為縮小，例如，500kV的SF6金屬封閉式變電站的占地僅為開放式500kV變電站用地的5%，且不受外界氣候變化的影響。

用SF6電氣設備的缺點是造價太高，而且作為一種對臭氧層有破壞作用的溫室氣體，SF6的進一步應用也遇到一些問題，不過目前還找不到一種在性能、價格方面都能與SF6競爭的高電氣強度氣體。