69国内精品一区二区三区 介质的电气强度与击穿电压

介质的电气强度

对于 击穿 的实验现象和规律，用上一节所介绍的气体放电的发展过程可以解释，但是由于气体放电理论还不完善，因此并不能对 击穿电压 进行精确的计算。所以在实际的工程 式应用中，比较普遍的是通过参照一些典型电极的 击穿电压 来选择 绝缘 距离，或者根据实际电 极布置情况，通过实验来确定 击穿电压 。

空气间隙放电 电压 主要受到电场情况、 电压 形式以及大气条件的影响。本节主要讨论在不同条件下空气间隙放电 电压 的一些规律。

1.2 作用电压下的击穿

气体间隙的 击穿电压 与外施 电压 的种类有关。直流与工频 电压 均为持续作用的 电压 ，这类 电压 随时间的变化率很小，在放电发展所需的时间范围内 ( 以微秒 计 ) 可以认为外施 电压 没什么变化，因此统称为稳态 电压 ，以区别于作用时间很短的雷电冲击 电压 ( 模拟大气过 电压 ) 和操作冲击 电压 ( 模拟操作过 电压 ) 。而冲击 电压 ( 雷电冲击、操作冲 击 ) 则持续时间极短，以微秒计，放电发展所需的时间不能忽略，间隙的 击穿 因而也具有新的特点，电场不均匀时，尤为明显。

1 . 均匀电场中 击穿

实际工程中很少见到比较大的均匀电场间隙，因为这种情况下为消除电极边缘效应，电极的尺寸必须做得很大。因此，对于均匀场间隙，通常只有间隙长度不大时的 击穿 数据，如图 1-1 4 所示。

均匀电场中电极布置对称，因此无 击穿 的极性效应。均匀场间隙中各处电场 强度 相等， 击穿 所需时间极短，因此其直流 击穿电压 与工频 击穿电压 峰值以及 50 % 冲击 击穿电压 ( 指多次施加冲击 电压 时，其 中 50 % 导致 击穿 的 电压 值 ) ，实际上是相同的，且 击穿电压 的分散性很小。对于 图 1-1 4 所示的 击穿电压 ( 峰 值 ) 实验曲线，可用以下经验公式表示为

式 中 d — — 间隙距 离 (cm ) ；

δ — — 空气相对密度。

从图 1-1 4 中可以大致看出，当 d 在 1~10c m 范围内时， 击穿强度 E b ( 用 电压 峰值表 示 ) 约等于 30kV/c m 。

2. 稍不均匀电场的 击穿

稍不均匀电场的 击穿 特点是 击穿 前无电晕，极性效应不很明显，直流 击穿电压 、工频 击穿电压 峰值及  50 % 冲击 击穿电压 及 乎一致。然而，稍不均匀电场的 击穿电压 与电场均匀程 度 f 关系极大，因而既没有能够概括各种电极结构的统一经验公式，也没有适用于各种电极形状的统一实验数据。通常是对一些典型的电极结构做出一批实验数据，实际的电极结构可能复杂得多，只能从典型电极中选取类似的结构进行估算。

稍不均匀电场的 击穿电压 通常可以根据起始场强经验公式进行估算，由

可得

f 取决于电极布置，可用静电场计算的方法或电解槽实验的方法求得。 图 1-1 5 给出了几种典型电极结构。

对于稍不均匀电场，当 E max 达到临界场 强 E 0 时，达到 击穿电压 U 0 ，从而

下面给出几种典型电极结构的电晕起始场强 E 、电极表面最大场 强 E max 、 电场不均匀系 数 f 以及电晕起始 电压 U 0 ( 对 于 f< 2 的稍不均匀间隙，电晕起始 电压 也就等于间隙 击穿电压 ) 的经验计算公式：

球 - 平板电极为

圆 柱 - 平板电极

平行圆柱 - 圆柱电极为

同轴圆柱电极为

同心球电极为

球 - 球电极

式中， E 0 、 E max 单位 为 kV/cm ( 峰 值 ) ； U C 单位 为 kV ( 峰 值 ) ； r 、 R 、 d 的含义如 图 1-1 5 所示，单位均 为 c m 。

另外，对于某些不便于根据经验公式求的电场结构，也可以用 E 0 =30kV/c m 进行大致估算，则间隙 击穿电压 U d 为

U d =30 d / f （ 1 -63 ）

3 . 极不均匀电场的 击穿

极不均匀场 击穿电压 的特点：电场不均匀程度对 击穿电压 的影响减弱 ( 由于电场已经极不均 匀 ) ，极间距离对 击穿电压 的影响增大。

这个结果有很大意义，可以选择电场极不均匀的情况，棒 - 板和 棒 - 棒作为典型电极结 构 ( 或 尖 - 板和 尖 - 尖电极结 构 ) 。它们的 击穿电压 具有代表性，当在工程上遇到很多极不均匀的电场时，可以根据这些典型电极的 击穿电压 数据来做估算。如果电场分布不对称，则可参照 棒 - 板 ( 或 尖 - 板 ) 电极的数据；如果电场分布对称，则可参照 棒 - 棒 ( 或 尖 - 尖 ) 电极的数据。

在直流 电压 中，极不均匀场中直流 击穿电压 的极性效应非常明显。同样间隙距离下，不同极性间， 击穿电压 相差一倍以上。而尖 - 尖电极的 击穿电压 介于两种极性 尖 - 板电极的 击穿电压 之间，这是因为这种电场有两个强场区，同等间隙距离下，电场均匀程度较 尖 - 板电极为好。

而在工频 电压 下的 击穿 ，无论是棒 - 棒电极还是 棒 - 板电极，其 击穿 都发生在正半周峰值附 近 ( 对 棒 - 板电极结构， 击穿 发生在棒电极处于正半周峰值附 近 ) ，故 击穿电压 与直流的正极性相近。工频 击穿电压 的分散性不大，相对标准偏差 σ 一般不超 过 2 % 。当间隙距离太大时， 击穿电压 基本上与间隙距离呈线性上升的关系；当间隙距离很大时，平均 击穿 场强明显降低，即 击穿电压 不再随间隙距离的加大而线性增加，呈现出饱和现象，这一现象对棒板间隙尤为明显。

因此，在 电气 设备上，希望尽量采用棒棒类对称型的电极结构，而避免棒 - 板类不对称的电极结构。由于试验时所采用 的 “ 棒 " 或 “ 板 " 不尽相同，不同实验室的实验曲线会有所不同。这一点在各种 电压 的空气间隙 击穿 特性中都存在，使用这些曲线时应注意其试验条件。

在持续作用 电压 下，电极间距离远小于相应电磁波的波长，所以任一瞬间的这种电场都可以近似作为静电场来考虑。除在很少数情况下可以直接求得解析解外，要想了解局部或整体电场分布的详细情况，主要依靠电场数值计算来求解，应用较多的方法主要有有限元法和模拟电荷法。有限元法在计算封闭场域的电场方面有许多优点，而模拟电荷法在计算开放场域的电场方面应用较多。

1.2.2 雷电冲击作用下的击穿

大气中雷电产生的过 电压 对高压 电气 设备 绝缘 会产生重大威胁。因此，在电力系统中一方面应采取措施限制大气过 电压 ，另一方面应保证高压 电气 设备能耐受一定水平的雷电过 电压 。雷电过 电压 是一种持续时间极短的脉冲 电压 ，在这种 电压 作用下 绝缘 的 击穿 具有与稳态 电压 下 击穿 不同的特点。

1 . 雷电冲击 电压 的标准波形

雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。按雷电发展的方向可分为下行雷和上行雷两种。下行雷是在雷云中产生并向大地发展，上行雷则是由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷符号决定。实验表明，不论地质情况如何， 90 % 左右的雷电是负极性雷。

下行的负极性雷通常可分为 3 个主要阶段，即先导、主放电和余光。先导过程延续约几毫秒，以逐级发展、高电导、高温的、具有高电位的先导通道将雷云到大地之间的气隙 击穿 。沿先导通道分布着电荷，其数量达几库仑。当下行先导和大地短接时，发生先导通道放电的过渡过程，称为主放电过程。在主放电过程中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响，沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百微秒的冲击电流。正是这个主放电过程造成雷电放电最大的破坏作用。主放电完成后，云中的剩余电荷沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上看到的是一片模糊发光的 部分，称为余光放电，相应的电流是逐渐衰减的，约为 10 3 ～ 10 1 A ，延续时间约为几毫秒。上 述 3 个阶段组成下行雷的第一个分量。通常，雷电放电并不就此结束，而是随后还有几 个 ( 甚至十几 个 ) 后续分量。每个后续分量也是阶段和金光放电阶段组成。各分量 中 的最大电流和电流增长最大陡度是 造成被击物体上的过 电压 、电动力、电磁脉冲和爆破力的主要因素。而在余光阶段中，流过较长时间的电流则是造成雷电热效应的重要因素。

由雷云放电引起的大气过 电压 的波形是随机的，但在实验室中用冲击 电压 发生器产生冲击 电压 来模拟雷电过 电压 时必须采用标准波形，这样可以使不同实验室的试验结果互相比较。图 1-1 6 表示雷电冲击 电压 的标准波形和确定其波前和波长时间的方 法 ( 波长指冲击波衰减至半峰值的时 间 ) 。

图 1-1 6 中 ， O 为原点 ， P 点为波峰，但在波形图中这两点都不易确定，因为波形 在 O 点处往往模糊不清； 而 P 点处波形很平，难以确定其出现时间。国际上都用图示的方法求得名义零 点 O 1 ， ( 即图中虚线所 示 ) ，连 接 0. 9 倍峰值点 与 0. 3 倍峰值点作虚线交横轴 于 O 1 点，这样波前时 间 T 1 和波长时 间 T 2 都 从 O 1 算起。对于操作冲击波 ， T 1 和 T 2 都从真实原点算起，这是因为操作波上升比较平缓，原点附近的波形可以看得清楚。

目前，国际上大多数国家对于标准雷电波的波形规定是：

T 1 =1.2(1 ± 30%) μ s ， T 2 =50 ( 1 ± 20%) μ s

对于不同极性的标准雷电波形可表示为 +1.2/5 0 μ s 或 -1.2/5 0 μ s 。

2 . 放电时延

每个气隙都有它的低静态 击穿电压 ，即长时间作用在间隙上能使间隙 击穿 的低 电压 。要使气体间隙 击穿 ，不仅需要外施 电压 高于临界 击穿电压 U 0 ，而且还需要外施 电压 维持一定的时间，以保证放电发展过程的完成。

图 1-1 7 表示冲击 击穿 所需要的时 间。施加冲击 电压 经时间 t 0 后 电压 值 达 U 0 ，但此时间隙不会 击穿 。 从 t 0 至间隙 击穿 所需的时间 t 1 称为放电时延，它包 括两部分时间，即 t s 和 t f 。 t s 表示从外 施 电压 达 U 0 的时刻起，到气隙中出现 第一个有效电子的时间，称之为统计时延 ( 因为第一个有效自由电子的出现服 从统计规律 ) 。 t f 表示从出现第一个有效 自由电子的时刻起，到放电过程完成所需的时间，也就是电子崩的形成和发展到流注所需的时间，称为放电形成时延。所以，图 1-1 7 中冲击 击穿 所需的总时 间 t b 为

                       t b =t 0 + t s + t f                             (1-64)

短间隙中，尤其当电场较均匀的时候，放电形成时延比统计时延小得多，因此这种情况下放电时延主要决定于统计时延。为了减小统计时延，可以采用紫外线或其他高能射线对间隙进行人工照射，使阴极表面释放出更多电子。例如，用较小的球隙测量冲击 电压 时，通常需要采取这种措施。较长的间隙中，主要决定于放电形成时延，且电场越不均匀，则放电形成时延越长。显然，对间隙施加高于 击穿 所需的低 电压 ，可以使统计时延和放电形成时延都缩短。

3. 50% 击穿电压

由于放电时延服从统计规律，因此冲击 击穿电压 具有一定的分散性。一般的规律是，放电时延越长，则冲击 击穿电压 的分散性越大，即电场越不均匀或间隙越长，则冲击 击穿电压 的分散性越大，也就是说，低概率 击穿电压 与 100% 击穿电压 的差别越大。从确定间隙耐受冲击 电压 的 绝缘 能力来看，希望在实验中求取低概率 击穿电压 U b0 ( U b0 可看作是 绝缘 的冲击耐受 电压 ) ，但这通常是很难准确求得的。国内外实践大多是求 取 50 % 放电 电压 ，即多次能加 电压 时 有 50 % 概率会导致间隙 击穿 或不 击穿 。根 据 50 % 冲击 击穿电压 ( U b0 ) 和标准偏差 σ 即可估算 出 U b0 值。

                            U b0 = U b50 -3 σ                             (1-65)

一般来说， 50 % 冲击 击穿电压 比工频 击穿电压 的峰值要高一些，这是由于雷电冲击 电压 作用时间短的缘故。同一间隙 的 50 % 冲击 击穿电压 U b50 与稳态 击穿电压 U b0 之比，称为冲击系 数 β 。

均匀电场和稍不均匀电场间隙的放电时延短， 击穿 的分散性小，冲击 击穿 通常发生在波峰附近，所以这种情况下冲击系数接近于 1 。极不均匀电场间隙的放电时延长，冲击 击穿 常发生在波尾部分，这种情况下冲击系数大 于 1 。

4 . 伏秒特 性

由于放电时延的影响，气隙 击穿 需要一定的时间才能完成，对于不是持续作用而是脉冲性质的 电压 ，气隙的 击穿电压 就与该 电压 作用的时间有很大关系。同一个气隙，在峰值较低但延续时间较长的冲击 电压 作用下可能被 击穿 ，而在峰值较高但延续时间较短的冲击 电压 作用下可能反而不被 击穿 。因此，在冲击 电压 下仅用单一的 击穿电压 值描述间隙的 绝缘 特性是不全面的。一般用间隙上出现的 电压 最大值和间隙 击穿 时间的关系曲线来表示间隙的冲击 绝缘 特性，此曲线称间隙的伏秒特性曲线。

伏秒特性绘制方法如图 1-1 8 所示。保持一定的 波形而逐级升高冲击 电压 的峰值。 电压 较低时， 击穿 发生在波尾。在 击穿 前的瞬时， 电压 虽已从峰值下降到一定数值，但该 电压 峰值仍然是气隙 击穿 过程中的主要因素，因此以该 电压 峰值为纵坐标，以 击穿 时刻为横坐标，得 点 “ 1 " 、 点 “ 2 " 。 电压 再升高时， 击穿 可能正好发生在波峰，则该点当然是伏秒特性曲线上的一点。 电压 进一步升高时，气隙很可能在 电压 尚未升到波形的峰值时就已经被 击穿 ，如图中的 点 “ 3 " 。把这些相应的点连成一条曲线，就是该气隙在该 电压 波形下的伏秒特性曲线 。

由于放电时间具有分散性，所以在每级 电压 下可得到一系列放电时间。实际上，伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域。工程上还采用所谓 50 % 伏 秒特性，或称平均伏秒特性。每级 电压 下，放电时间小于下包线横坐标所示数值的概率为 0 ，大于上包线 横坐标所示数值的概率为 100 % 。现于上下限间选一个 数值，使放电时间小于该值的概率等于 50 % ，即某个 电压 下多次 击穿 中放电时间小于该值者恰占一半，这个数值可称为 50 % 概率放电时间。 以 50 % 概率放电时间为横坐标，纵坐标仍为该 电压 值，连成曲线就 是 50 % 伏秒特性曲线，如 图 1-1 9 所示。同理，上下包线可相应地称 为 100 % 及 0 伏秒特性曲线。较多地采用的 是 50 % 伏秒特性，它从较少次的实验中就可得到 。 但应用它时应注意，它只是大致地反映了该间隙的伏秒特性，在其两侧还有一定的分散范围。

1.2. 3 操作冲击电压下空气的绝缘特性

电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过 电压 ，称为操作过 电压 。操作过 电压 幅值与波形显然跟电力系统的参数有密切关系，这一点与雷电过 电压 不同，后者一般取决于接地 电阻 ，与系统 电压 等级无关。操作过 电压 则不然，由于其过渡过程的振荡基值即是系统运行 电压 ，因此 电压 等级越高，操作过 电压 的幅值也越高。在不同的振荡过程中，振荡幅值最高可达最大相 电压 峰值的 3 ～ 4 倍。因此，为保证安全运行，需要对高压 电气 设备 绝缘 考察其耐受操作过 电压 的能力。早期的工程实践中，采用工频 电压 试验来考验 绝缘 耐受操作过 电压 的能力。但其后的研究表明，长间隙在操作冲击波作用下的 击穿电压 比工频 击穿电压 低。因此目前的试验标准规定，对额定 电压 在 300k V 以上的高压 电气 设备要进行操作冲击 电压 试验。这说明操作冲击 电压 下的 击穿 只对长间隙才有重要意义。

1 . 操作冲击 电压 波形

操作过 电压 波形随着 电压 等级、系统参数、设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大变化的。 IE C 推荐 了 250/2500 μ s 的操作冲击 电压 标准波形，我国国家标准也采用了这个标准波形。如 图 1-2 0 所示，图 中 0 点为实际零点 ， u 为 电压 值，图 中 u=1. 0 处为 电压 u 峰值。波形特征参数；波前时 间 T cr =250 μ s ，允许误差 为 ±20 % ；半峰值时 间 T 2 =250 0 μ s ，允许误差 为 ±60 % ；峰值允许误 差 ±3 % ； 90 % 峰值以上持续时 间 T d 未作规定。

2 . 操作冲击放电 电压 的特点

(1) U 形曲线

通常采用与雷电冲击波相似的非周期性指数衰减波来模拟频率为数千赫兹的操作过 电压 。研究表明，长空气间隙的操作冲击 击穿 通常发生在波前部分，因而其 击穿电压 与波前时间有关，而与波尾时间无关。

图 1-2 1 表示空气 中 3 m 的 棒 - 棒 ( 一极接地）和导线 - 板间隙的平均 击穿 场强 与操作冲击波的波前时间的关系。由此可见，雷电冲击 击穿 场强高于工频 击穿 场强，但操作冲击波作用下，当波前时 间 t cr 为 10 0 ～ 30 0 μ s 时， 击穿 场强出现极 小值，其值比工频 击穿 场强要低。进步的研究还表明，出现 击穿 场强极小值的波前时间随间隙距离的增加而增大。对于操作冲击 电压 作用下长间隙 击穿 的 “ U 形曲 线 " ，通常是用放电时延和空间 电荷的形成与迁移这两种作用相反的影响因素来解释的。 E b 随 t cr 的减小而增大，是放电时延在起 作用，这一点与雷电冲击 电压 下的伏秒特性是相似的。 U 形曲线极小值右边 ， E b 随 t cr 的增加而增大，是因为 电压 作用时间增加后空间电荷迁移的范围扩大，更好地改善了间隙整个电场分布，从而使 击穿电压 提高。

(2 ) 极性效应

在各种不同的电场结构中，正极性操作冲击的 50% 击穿电压 都比负极性的低，所以是更危险的。在讨论操作冲击 电压 下的间隙 击穿 特性时，若无特别说明，一般均指正极性的情况。还有一点值得注意的是，在同极性的雷电冲击标准波作用下， 棒 - 板间隙的 击穿电压 比 棒 - 棒间隙的 击穿电压 低得不多，而在操作过 电压 作用下，前者却比后者低得多，这个情况启示我们在设计高压电力装置时，应注意尽量避免出现 棒 - 板型气隙。

(3 ) 饱和现象

与工频 击穿电压 的规律性类似，长间隙在操作波 电压 作用下也呈现出显著的饱和现象，特别是棒 - 板型气隙，其饱和程度更加突出。这是因为长间隙下先导形成之后，放电更易发展。而雷电冲击时，作用时间太短，所以雷电的饱和现象很不明显，放电 电压 与气隙距离一般呈线性关系。

(4 ) 分散性大

在操作冲击 电压 作用下，间隙的 50% 击穿电压 的分散性比雷电冲击下大得多，集中电 极 ( 如棒 极 ) 比伸长电 极 ( 如导 线 ) 要大。波前时间较长 时 ( 比如，大 于 100 0 μ s ) 比波前时间较短 时 ( 比 如 100~30 0 μ s ) 要大。对 棒 - 板间隙 ， 50% 击穿电压 的相对标准偏差前者 达 8 % 左右，波前时间较短时 约 5 % 。而雷电冲击 电压 下，分散性小得多， σ ≈ 3 % ；工频下分散性更小，不超 过 2 % 。

(5 ) 邻近效应

电场分布对操作冲击 电压 U 50% 影响很大，接地物体靠近放电间隙会显著降低正极性 击穿电压 ( 但能多少提高一些负极性 击穿电压 ) ，称邻近效应。

U 50% 击穿电压 极小值经验公式：正 棒 - 板空气间隙操作冲击 电压 的 U 形曲线 中 50 % 放电 电压 极小 值 U 50% ， min 与间隙距 离 d 的关系可用如下经验公式表示为

由实验结果，对于 1 ～ 20 m 的长间隙，此公式能很好地吻合。

1.2. 4 大气条件对气体击穿的影响

大气中间隙的放电 电压 随空气密度的增大而提高，这是因为空气密度增大时，电子的平均自由行程缩短，使电离过程削弱的缘故。而对于空气湿度来说，在极不均匀电场中，空气中的水分能使间隙的 击穿电压 有所提高，这是因为水分子具有弱电负性，容易吸附电子使其形成负离子的缘故。但湿度对均匀电场间隙 击穿 的影响很小，因为均匀场间隙在 击穿 前各处的场强都很高，即各处电子运动速度都很高，不易被水分子捕获而形成负离子。所以，在均匀场或稍不均匀场间隙中，通常对湿度的影响可忽略不计。本节中讨论湿度对放电的影响是指空气中水汽分子的影响，当空气的相对湿度很高而在固体 绝缘 表面发生凝露时，情况就不同了。这种情况下电场分布会发生畸变，因而导致气隙 击穿电压 或沿固体 绝缘 表面的闪络 电压 下降。

1. 湿度校正因数和空气密度校正因数

根据我国国家标准，在不同大气状态下，外 绝缘 的放电 电压 可按如下公式校正：

式 中  U S — — 标准大气状态 下 ( 气压 为 0.1013MP a ，温度 为 2 0 ℃ ，绝对湿度 为 11g/cm 2 ) 外 绝缘 放电 电压 ；

U — — 实际大气状态下外 绝缘 放电 电压 ；

K d — — 空气密度校正因数；

K h — — 湿度校正因数。

显然，大气状态不同时，外 绝缘 试验 电压 也应该按照式 (1-68 ) 换算。空气密度校正因 数 K d 为

式 中 P — — 试验条件下的气 压 (Pa ) ；

t — — - 试验条件下的气 温 ( ℃ ) ；

P s 、 t s — — 标准状态下的气压和气温。

湿度校正因数 K h 为

式中 k — — 绝对湿度的函数，根据外施 电 压 形式不同而采用图 1-2 2 中曲 线 1 或者曲 线 2 。

而式（ 1-6 9 ）与式 （ 1-7 0 ）中的 幂 m 、 n 和 w 取决于 电压 的形式、极性和放电距 离 d 。目前标准中假 定 m= n ，即

式中 δ —— 空气相对密度。

2 . 海拔的影响

随着海拔的增加，大气压力下降，空气密度减小，导致外 绝缘 放电 电压 也随之下降。

海拔对外 绝缘 放电 电压 的影响一般也由经验公式估计。根据我国国家标准 GB/T1102 2 — 202 0 《高压交流开关设备和控制设备标准的共同技术要求》规定，对用于海 拔 4000 m 以 下 1000 m 以上的设备外 绝缘 以及干式变压器 绝缘 ，在非高海拔地区试验时，其试验 电压 U 应为标准状态下试验 电压 U s 乘以海拔校正系 数 K A 即

式中 H — — 安装地点海拔。

为简单起见，取下述确定值： m= 1 ，对于工频、雷电冲击和相间操作冲击 电压 ； m=0. 9 ，对于纵 绝缘 操作冲击 电压 ； m=0.7 5 ，对于相对地操作冲击 电压 。

以上公式还比较简单，对于一些较复杂的，比如相同海拔、不同地区间大气状态以及不同湿度下的大气状态没有比较好地解决，对于海拔对外 绝缘 放电 电压 的影响，仍在继续研究中。

1.2. 5 提高气体击穿电压的措施

提高气体 击穿电压 不外乎两个途径：一方面是改善电场分布，使之尽量均匀；另一方面是利用其他方法来削弱气体中的电离过程。改善电场分布也有两种途径：一种是改进电极形状；另一种是利用气体放电本身的空间电荷畸变电场的作用。

1 . 电极形状的改进

均匀电场和稍不均匀电场间隙的平均 击穿 场强比极不均匀电场间隙的要高很多。一般来说，电场分布越均匀，平均 击穿 场强也越高。因此，可以通过改进电极形状、增大电极曲率半径，以改善电场分布，提高间隙的 击穿电压 。同时，电极表面应尽量避免毛刺、棱角等以消除电场局部增强的现象。若不可避免出现极不均匀电场，则尽可能采用对称电场 ( 棒 - 棒类 型 ) 。即使是极不均匀电场，不少情况下，为了避免在工作 电压 下出现强烈电晕放电，也必须增大电极曲率半径。

改变电极形状以调整电场的方法有：

1 ) 增大电极曲率半径。如变压器套管端部加球形屏蔽罩，采用扩径导 线 ( 截面积相同，半径增 大 ) 等，用增大电极曲率半径的方法来减小表面场强。

2 ) 改善电极边缘。电极边缘做成弧形，或尽量使其与某等位面相近，以消除边缘效应。

3 ) 使电极有最佳外形。如穿墙高压引线上加金属扁球，墙洞边缘做成近似垂链线旋转体，以此改善其电场分布。

2 . 空间电荷对原电场的畸变作用

极不均匀电场中间隙被 击穿 前先发生电晕现象，所以在一定条件下，可以利用放电自身产生的空间电荷来改善电场分布，以提高 击穿电压 。例如，导线与平板间隙中，当导线直径减小到一定程度后，间隙的工频 击穿电压 反而显著提高。

当导线直径很小时，导线周围容易形成比较均匀的电晕层， 电压 增加，电晕层也逐渐扩大，电晕放电所形成的空间电荷使电场分布改变。由于电晕层比较均匀，电场分布改善了，从而提高了 击穿电压 。当导线直径较大时，情况就不同了。电极表面不可能绝对光滑，总存在电场局部强的地方，从而总存在电离局部强的现象。此外，由于导线直径较大，导线表面附近的强场区也较大，电离一经发展，就比较强烈。局部电离的发展，将显著加强电离区前方的电场，而削弱了周围附近的电场 ( 类似于出现了金属 端 ) ，从而使该电离区进一步发展。这样，电晕就容易转入刷状放电，从 而其 击穿电压 就和尖 - 板间隙的 击穿电压 相近了。只有在一定间隙距离范围内才存在上 述 “ 细 线 " 效应。间隙距离超过一定值时，细线也将产生刷状放电，从而破坏比较均匀的电晕层，此后 击穿电压 也同 尖 - 板间隙的 击穿电压 相近了。

实验表明，雷电冲击 电压 下没有细线效应。这是由于 电压 作用时间太短，来不及形成充分的空间电荷层的缘故。利用空间电荷 ( 均匀的电晕 层 ) 提高间隙的 击穿电压 ，仅在持续作用 电压 下才有效，而且此时在 击穿 前将出现持续的电晕现象，这在很多场合下也是不允许的。

3 . 极不均匀场中屏障的采用

在极不均匀场的空气间隙中，放入薄片固体 绝缘 材料 ( 如纸或纸 板 ) ，在一定条件下可以显著地提高间隙的 击穿电压 。屏降的作用在于屏障表面上积聚的空间电荷，使屏障与板电极之间形成比较均匀的电场，从而使整个间隙的 击穿电压 提高。

工频 电压 下，在 尖 - 板电极中设置屏障可以显著地提高 击穿电压 ，因为工频 电压 下 击穿 总是发生在尖电极为正极性的半周内。雷电冲击 电压 下，屏障也可提高 尖 · 板同隙的 击穿电压 ，但是幅度比稳态 电压 下要小一些。

4 . 提高气体压力的作用

提高间隙 击穿电压 的另一个途径是采取其他方法削弱气体中的电离过程，比如，在设备内 绝缘 等有条件的情况下提高气体压力。由于大气压下空气的 电气强度 约 30kV/c m ，即使采取上述措施，尽可能改善电场分布，其平均 击穿 场强最高也不会超过这个数值。而提高气体压力可以减小电子的平均自由行程，削弱电离过程，从而提高 击穿电压 。

在采取这种措施时，必须注意电场均匀程度和电极表面状态。当间隙距离不变时， 击穿电压 随压力的提高而很快增加；但当压力增加到一定程度后， 击穿电压 增加的幅度逐渐减小，说明此后继续增加压力的效果逐渐下降了。在高气压下，电场的均匀程度对 击穿电压 的影响比在大气压力下要显著得多，电场均匀程度下降， 击穿电压 将急剧降低。因此，采用高气压的 电气 设备应使电场尽可能均匀。而在实际工程中采用的高气压值也不会太大。因为气压太高时， 击穿电压 随气压升高的规律将不符合巴申定律，压力越高，二者分歧越大。而且同一 δ d 条件下，压力越高， 击穿电压 越低 。另外压力太高，工程制造成本也会大幅度增加。

在高气压下，气隙的 击穿电压 和电极表面的粗糙度也有很大关系。电极表面越粗糙，气隙的 击穿电压 就越低，气体压力越大，这个影响就越显著。一个新的电极最初几次的 击穿电压 往往较低，经过多次限制能量的火花 击穿 后，气隙的 击穿电压 就有显著提高，分散性也减小，这个过程称作对电极进 行 “ 老 炼 " 处理。气压提高 ， “ 老 炼 " 处理所需的 击穿 次数也越多。电极表面不洁、有污物以及湿度等因素在高气压下对气隙 击穿电压 的影响都要比常压下显著。如果电场不均匀，湿度使 击穿电压 下降的程度就更显著。

因此，高气压下应尽可能改进电极形状，以改善电场分布。在比较均匀的电场中，电极应仔细加工光洁。气体要过滤，滤去尘埃和水分。充气后需放置较长时间净化后再使用。

5 . 高真空和高 电气强度 气 体 SF 6 的采用

(1 ) 高真空的采用

采用高真空也是削弱了电极间气体的电离过程，虽然电子的自由行程变得很大，但间隙高间隙 击穿电压 大。

间隙距离较小时，高真空的 击穿 场强很高，其值超过压缩气体间隙；但间隙距离较大时， 击穿 场强急剧减小，明显低于压缩气体间隙的 击穿 场强。真空 击穿 理论对这一现象是这样解释的：高真空小间隙的 击穿 是与阴极表面的强场发射密切有关。由于强场发射造成很大的电流密度，导致电极局部过热使电极发生金属汽化并释放出气体，破坏了真空，从而引起 击穿 。间隙距离较大时， 击穿 是由所谓全 电压 效应引起的。随着间隙距离及 击穿电压 的增大，电子从阴极到阳极经过巨大的电位差，积聚了很大的动能，高能电子轰击阳极时能使阳极释放出正离子及辐射出光子；正离子及光子到达阴极后又将加强阴极的表面电离。在此反复过程中产生越来越大的电子流，使电极局部汽化，导致间隙 击穿 ，这就是全 电压 效应引起平均 击穿 场强随间隙距离的增加而降低的原因。由此可见，真空间隙的 击穿电压 与电极材料、电极表面粗糙度和清洁度 ( 包括吸附气体的多少和种 类 ) 等多种因素有关，因此 击穿 分散性很大。在相同的实验条件下， 击穿电压 随电极材料熔点的提高而增大。在电力设备中，目前，还很少采用高真空作为 绝缘 介质，因为电力设备的 绝缘 结构中总会使用固体 绝缘 材料，这些固体 绝缘 材料会逐渐释放出吸附的气体，使真空无法保持。目前，真空间 隙只在真空断路器中得到应用。真空不仅 绝缘 性能好，而且有很强的灭弧能力，所以真空断路器已广泛应用于配电网络中。

(2 ) 高 电气强度 气 体 SF 6 的采用

高气压高真空到一定限度后，给设备密封带来很大困难，造价也大为上升。而且 1 0 个大气压以后，再提高气压，效果也越来越差。近 几 十年，人们发现许多含卤族元素的气体化合物， 如 SF 6 、 CCl 4 、 CCl 2 F 2 等的 电气强度 都比空气高很多，这些气体通常称为高 电气强度 气体。采用这些气体代替空气可以提高间隙 击穿电压 ，缩小设备尺寸，降低工作气压。

表 1- 5 中列出了几种气体的相对 电气强度 。所谓某种气体的相对 电气强度 是指在气压与间隙距离相同的条件下该气体的 电气强度 与空气 电气强度 之比。

表 1-5 几种气体的相对电气强度

SF 6 气体的主要优点有：除了具有较高的 电气强度 外，还有很强的灭弧性能。它是一种无色、无味、无毒、非燃性的惰性化合物，对金属和其他 绝缘 材料没有腐蚀作用，被加热 到 50 0 ℃ 仍不会分解。在中等压力下 ， SF 6 气体可以被液化，便于储藏和运输 。 SF 6 气体被广泛用于大容量高压断路器、高压充气电缆、高压电容器、高压充气套管以及全封闭组合电器中。采 用 SF 6 的 电气 设备的尺寸大为缩小，例如 ， 500k V 的 SF 6 金属封闭式变电站的占地仅为开放 式 500k V 变电站用地 的 5 % ，且不受外界气候变化的影响。

用 SF 6 电气 设备的缺点是造价太高，而且作为一种对臭氧层有破坏作用的温室气体 ， SF 6 的进一步应用也遇到一些问题，不过目前还找不到一种在性能、价格方面都能 与 SF 6 竞争的高 电气强度 气体。