1.1.5 不均匀电场中的气体放电
电气设备中很少有均匀电场的情况。但对高压电气绝缘结构中的不均匀电场还要区分两种不同的情况，即稍不均匀电场和极不均匀电场。因为这两种不均匀电场中的放电特点是不同的。全封闭组合电器（GIS）的母线筒和高压实验室中测量电压用的球间隙是典型的稍不均匀电场；高压输电线之间的空气绝缘和实验室中高压发生器的输出端对墙的空气绝缘则属于极不均匀电场。
1.不均匀场和极不均匀场的特点与划分
稍不均匀电场中放电的特点与均匀电场中相似，在间隙击穿前看不到有什么放电的迹象。极不均匀电场中放电则不同，间隙击穿前在高场强区（曲率半径较小的电极表面附近）会出现蓝紫色的晕光，称为电晕放电。刚出现电晕时的电压称为电晕起始电压，随着外施电压的升高，电晕层逐渐扩大，此时间隙中放电电流也会从微安级增大到毫安级，但从工程观点看，间隙仍保持其绝缘性能。另外，任何电极形状随着极间距离的增大都会从稍不均匀电场变为极不均匀电场。
通常用电场的不均匀系数f来判断稍不均匀电场和极不均匀电场。有些会采用电场利用系数η来判断，电场利用系数η，就是电场不均匀系数f的倒数。电场不均匀系数f的定义为间隙中最大场强Emax与平均场强Eαv的比值。
式中 U——间隙上施加的电压；
d——电极间最短的绝缘距离。
而通常用电场不均匀系数可将电场不均匀程度划分为：均匀电场，f=1；稍不均匀电场，I<f<2；极不均匀电场，f>4。
在稍不均匀电场中放电达到自持条件时发生击穿，但因为f>1，此时间隙中平均场强比均匀场间隙要小，因此在同样间隙距离时，稍不均匀场间隙的击穿电压比均匀场间隙要低。而在极不均匀场间隙中，自持放电条件即是电晕放电的起始条件。
2.极不均匀电场的电晕放电
1）电晕放电在极不均匀场中，当电压升高到一定程度后，在空气间隙完全击穿之前，小曲率电极（高场强电极）附近会有薄薄的发光层，有点像“月晕”，在黑暗中看得较为真切。因此，这种放电现象称为电晕放电。
电晕放电现象是由电离区放电造成的，电离区中的复合过程以及从激励态恢复到正常态等过程都可能产生大量的光辐射。因为在极不均匀场中，只有大曲率电极附近很小的区域内场强足够高，电离系数α达到相当高的数值，而其余绝大部分电极空间场强太低，α值太小，得不到发展。因此，电晕层也就限于高场强电极附近的薄层内。
电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自待放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压Ue，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强Ee。
根据电晕层放电的特点，可分为两种形式：电子崩形式和流注形式。当起晕电极的曲率很大时，电晕层很薄，且比较均匀，放电电流比较稳定，自持放电采取汤逊放电的形式，即出现电子崩式的电晕。随着电压升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，出现放电的脉冲现象，开始转入流注形式的电晕放电。若电极曲率半径加大，则电晕一开始就很强烈，一出现就形成流注的形式。电压进一步升高，个别流注快速发展，出现刷状放电，放电脉冲更强烈，最后贯通间隙，导致间隙完全击穿。冲击电压下，电压上升极快，因此电晕从一开始就具有流注的形式。爆发电晕时能听到声，看到光，嗅到臭氧味，并能测到电流。
2）电晕放电的起始场强。电晕属极不均匀场的自持放电，原理上可由γe∫αdx=1来计算起始电压Ue，但计算十分复杂且结果并不准确，所以实际上是由实验总结出的经验公式来计算。电晕的产生主要取决于电极表面的场强。所以研究电晕起始场强及各种因素间的关系更直接，也更单纯。
对于输电线路的导线，在标准大气压下，其电晕起始场强及经验表达式为（此处及导线的表面场强，交流电压下用峰值表示，单位为kV/cm）
式中 r——导线半径（cm）。
式（1-30）说明，导线半径r越小，则反值越大。因为r越小，则电场就越不均匀，也就是间隙中场强随着其离导线的距离的增加而下降得更快，而碰撞电离系数α随导线距离的增加而减小得越快。所以输电线路起始电晕条件为
式中 xc——起始电晕层的厚度，x>xe时，α≈0。
可见电场越不均匀，要满足式（1-31）时导线表面场强应越高。式（1-30）表明，当r→∞时，Ec=30kV/cm。
而对于非标准大气条件，则进行气体密度修正以后的表达式为
式中 δ——气体相对密度。
实际上导线表面并不光滑，所以对绞线来说，要考虑导线的表面粗糙系数m1。此外对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素（雨水的水滴使导线表面形成突起的导电物）可用系数m2加以考虑。此时式（1-32）则写为
理想光滑导线m1=1，绞线m1=0.8～0.9，好天气时m2=1，坏天气时可按0.8估算。算得数值后就不难根据电极布置求得电晕起始电压。例如，对于离地面高度为h的单根导线可写出
对于距离为d的两根平行导线（d>>r）则可写出
3）电晕放电的危害、对策及其利用。电晕放电时发光并发生“噬噬”声和引起化学反应（如使大气中氧变为臭氧），这些都需要能量，所以输电线路发生电晕时会引起功率损耗。其次，电晕放电过程中，由于流注的不断消失和重新产生会出现放电脉冲，形成高频电磁波对无线电广播和电视信号产生干扰。此外，电晕放电发出的噪声有可能超过环境保护的标准。因此在建造输电线路时必须考虑输电线电晕问题，并采取措施以减小电晕放电的危害。解决的途径是限制导线的表面场强，通常是以好天气时导线电晕损耗接近于零的条件来选择架空导线的尺寸。对于超高压和特高压线路来说，要做到这一点，导线的直径通常远大于按导线经济电流密度选取的值。当然可以采用大直径空心导线来解决这一矛盾，但最好的解决办法是采用分裂导线，即将每相线路分裂成几根并联的导线。分裂导线超过两根时，通常布置在圆的内接正多边形的顶点。
分裂导线的表面最大场强不仅与导线直径和分裂的根数有关，而且与分裂导线间的距离D有关，在某一最佳D值时，导线表面最大场强会出现一个极小值。如果D过小，则分裂导线的分裂半径太小，使分裂导线的优点不能得到充分发挥；但D过大时，则由于每相的子导线之间的电场屏蔽作用减弱，因此此时表面最大场强随着D的增加而增大。
另外，在选择D值时并不只是以表面最大场强为最小条件作为设计依据的。使用分裂导线可以增大线路电容，减小线路电感，从而使输电线路的传输能力增加。由于D值增大有利于线路电感的减小，所以工程应用中常取D值在40～50cm。
电晕放电也有有利的一面。例如，在某些情况下，可以利用电晕放电产生的空间电荷来改善极不均匀场的电场分布，以提高击穿电压。而且，电晕放电在其他工业部门也获得了广泛的应用，比如，在净化工业废气的静电除尘器和净化水用的臭氧发生器以及静电喷涂等，都是电晕放电在工业中应用的例子。
4）极不均匀电场中放电的极性效应。在电晕放电时，空间电荷对放电的影响已得到关注。由于高场强下电极极性的不同，空间电荷的极性也不同，对放电发展的影响也就不同，这就造成了不同极性的高场强电极的电晕起始电压的不同以及间隙击穿电压的不同，称为极性效应。
例如，棒-板间隙是典型的极不均匀场。分布如下：
当棒具有正极性时，间隙中出现的电子向棒运动，进入强电场区，开始引起电离现象而形成电子崩，如图1-11a所示。随着电压的逐渐上升，到形成自持放电爆发电晕之前，在间隙中形成相当多的电子崩。当电子崩达到棒极后，其中的电子就进入棒极，而正离子仍留在空间，相对来说缓慢地向板极移动。于是在棒极附近，积聚起正空间电荷，如图1-11b所示。
图1-11 正棒-负板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用
Eex—外电场 Esp—空间电荷电场
这样就减少了紧贴棒极附近的电场，而略微加强了外部空间的电场。因此，棒极附近的电场被削弱，难以形成流注，这就使得放电难以得到自持。
当棒具有负极性时，阴极表面形成的电子立即进入强电场区，形成电子崩，如图1-12a所示。当电子崩中的电子离开强电场区后，电子就不再能引起电离，而以越来越慢的速度向阳极运动。一部分电子直接消失于阳极，其余的可为氧原子吸附形成负离子。电子崩中的正离子逐渐向棒极运动而消失于棒极，但由于其运动速度较慢，所以在棒极附近总是存在着正空间电荷。结果在棒极附近出现了比较集中的正空间电荷，而在其后则是非常分散的负空间电荷，如图1-12b所示。
图1-12 负棒-正板间隙中非自持放电阶段空间电荷对外电场的畸变作用
Eex—外电场 Esp—空间电荷电场
负空间电荷由于浓度小，对外电场的影响不大，而正空间电荷将使电场畸变，棒极附近的电场得到增强，因而自持放电条件易于满足、易于转入流注而形成电晕放电。图1-13是两种极性下棒-板间隙的电场分布图，其中曲线1为外电场分布，曲线2为经过空间电荷畸变以后的电场。
已通过实验证明，棒-板间隙中，棒为正极性时电晕起始电压比负极性时略高。而极性效应的另一个表现，就是间隙击穿电压的不同。随着电压升高，在紧贴棒极附近，形成流注，产生电晕；以后在不同极性下，空间电荷对放电的进一步发展所起的影响就和对电晕起始的影响相异了。
棒具有正极性时，若电压足够高，则棒极附近形成流注。由于外电场的特点，流注等离子体头部具有正电荷。头部的正电荷减少了等离子体中的电场，而加强了其头部电场。流注头部前方电场得到加强，使得前方电场易于产生新的电子崩，其电子被吸引入流注头部的正电荷区内，加强并延长了流注通道，其尾部的正离子则构成了流注头部的正电荷。流注及其头部的正电荷使强电场区更向前移，好像将棒极向前延伸（当然应考虑到通道中的电压降），于是促进了流注通道的进一步发展，流注通道的头部逐渐向阴极推进。
图1-13 两种极性下棒-板间隙的电场分布图
E—电场场强 x—棒极到板极的距离
当棒具有负极性时，虽然在棒极附近容易形成流注，产生电晕，但此后流注向前发展却困难得多了。电压达到电晕起始电压后，紧贴棒极的强电场同时产生了大量的电子崩，汇入围绕棒极的正空间电荷。由于产生了许多电子崩，造成了扩散状分布的等离子体层，基于同样的原因，负极性下非自持放电造成的正空间电荷也比较分散，这也有助于形成扩散状分布的等离子体层。这样的等离子体层起着类似增大了棒极曲率半径的作用，因此将使前沿电场受到削弱。继续升高电压时，在相当一段电压范围内，电离只是在棒极和等离子体层外沿之间的空间发展，使得等离子体层逐渐扩大和向前延伸。直到电压很高，使得等离子体层前方电场足够强后，才又将形成电子崩。电子崩的正电荷使得等离子体层前沿的电场进一步加强，形成了大量的二次电子崩。它们汇集起来后使得等离子体层向阳极推进。由于同时形成许多电子崩，通道头部也是呈扩散状的，通道前方电场被加强的程度也比正极性下要弱得多。
所以，在负极性下，通道的发展要困难得多。因此，负极性下的击穿电压应较正极性时略高。
5）长间隙击穿过程。在间隙距离较长时，存在某种新的、不同性质的放电过程，称为先导放电。长间隙放电电压的饱和现象可由先导放电现象作出解释。
间隙距离较长时（如棒-板间隙距离大于1m时），在流注通道还不足以贯通整个间隙电压的情况下，仍可能发展起击穿过程。这时流注通道发展到足够长度后，将有较多的电子从通道流向电极，通过通道根部的电子最多，于是流注根部温度升高，出现了热电离过程。这个具有热电离过程的通道称为先导通道。
正流注通道中的电子被阳极吸引，当电子的浓度足够高时，即有足够的电流，流注通道就开始热电离。热电离引起了通道中带电质点浓度进一步增大，即引起了电导的增加和电流的继续加大。于是，流注通道变成了有高电导的等离子体通道。这时在先导通道的头部又产生了新的流注，于是先导不断向前推进。
先导具有高电导，相当于从电极伸出的导电棒，它保证在其端部有高的场强，因此就容易形成新的流注。
负先导的发生也相类似，只不过这时电子流动的方向是从电极到流注头部。当由电子崩发展为新流注时，电子进入间隙深处，即在没有发生电离的区域建立负空间电荷，这给先导的推进带来困难。因此，间隙的击穿要在更高的电压下才能发生。当先导推进到间隙深处时，其端部会出现许多流注，其中任何一个都可能成为先导继续发展的方向。通道电离越强的流注，越可能成为先导发展的方向，但是和流注本身一样，其方向具有偶然性，这就说明了长间隙放电，例如，雷电放电的路径具有分支的特点。
长间隙的放电大致可分为先导放电和主放电两个阶段，在先导放电阶段中，包括电子崩和流注的形成及发展过程。不太长间隙的放电没有先导放电阶段，只分为电子崩、流注和主放电阶段。
当先导到达相对电极时，主放电过程就开始了。不论是正先导还是负先导，当通道头部发展到接近对面电极时，在剩余的这一小段间隙中场强剧增，会有十分强烈的放电过程，这个过程将沿着先导通道以一定速度向反方向扩展到棒极，同时中和先导通道中多余的空间电荷，这个过程称为主放电过程。主放电过程使贯穿两极间的通道最终形成温度很高、电导很大、轴向场强很小的等离子体火花通道（若电源功率足够，则转为电弧通道），从而使间隙完全失去了绝缘性能，气隙的击穿就完成了。主放电阶段的放电发展速度很快，可达109cm/s。
3.稍不均匀电场中的极性效应
稍不均匀电场意味着电场还比较均匀，高场强区电子电离系数α达到足够数值时，间隙中很大一部分区域中的α也达到相当值，起始电子崩在强场区发展起来，经过部分间隙距离后形成流注。流注一经产生，随即发展至贯通整个间隙，导致完全击穿。
在高电压工程中常用的球-球间隙、同轴圆柱间隙等都属于稍不均匀电场。稍不均匀电场间隙的放电特点和均匀电场相似，气隙实现自持放电的条件就是气隙的击穿条件，也就是说，稍不均匀电场直到击穿为止不发生电晕。在直流电压作用下的击穿电压和工频交流下的击穿电压幅值以及50%冲击击穿电压都相同，击穿电压的分散性也不大，这也和均匀电场放电特点一致。
稍不均匀电场也有一定的极性效应，但不很明显。高场强电极为正极性时击穿电压稍高，为负极性时击穿电压稍低。这是因为在负极性下电晕易发生，而稍不均匀场中的电晕很不稳定。这时的电晕起始电压就是很接近于间隙击穿电压。从击穿电压的特点来看，稍不均匀场的极性效应与极不均匀场的极性效应结果相反。在稍不均匀场中，高场强电极为正电极时，间隙击穿电压比高场强电极为负时稍高；高场强电极为负电极时，间隙击穿电压稍低。而在极不均匀场中却是高场强电极为正时，间隙击穿电压低；高场强电极为负时，间隙击穿电压要显著高于高场强电极为正时的情况。