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《高电压技术》第1章 气体的绝缘特性与介质的电气强度（上）

本章逻辑主线：气体为什么能绝缘 → 带电质点如何产生与消失 → 放电如何从非自持走向自持（电子崩→汤逊→流注）→ 击穿电压由什么决定（巴申定律）→ 工程中的不均匀电场（电晕、极性效应、长间隙击穿）。

一、气体绝缘介质的地位与基本矛盾

高压电气设备中的绝缘介质有气体、液体、固体以及其它复合电介质。气体绝缘介质不存在老化问题，击穿后自愈能力强，加之成本廉价，因此气体是最常见的绝缘介质。工程中典型的气体绝缘材料包括空气、SF₆（六氟化硫），并与变压器油、绝缘纸等构成复合绝缘系统。绝缘应用覆盖变压器、互感器、断路器、电机、电缆等。

正常状态气体电导很小，空气是性能优良的绝缘体；出现大量带电质点时，气体会丧失绝缘性能。气体放电是对气体中流通电流的各种形式统称。由于空气中存在来自空间的辐射，气体会发生微弱的电离而产生少量带电质点；另一方面带电质点又在不断复合，使气体空间存在一定浓度的带电质点。气体放电现象与规律和气体的种类、气压和间隙中电场的均匀度相关，但气体放电都是从电子碰撞电离开始发展到电子崩的阶段。

**绝缘应用：**变压器、互感器、断路器、电机、电缆…

二、带电质点的产生

2.1 气体中电子与正离子的产生

电离是指电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。电离可一次完成，也可以先激励再电离的分级电离方式。电离形成的自由电子具有导电性。电离方式分为热电离、光电离、碰撞电离和分级电离四种。

（1）热电离

常温下气体分子发生热电离的概率极小，常温下不需要考虑热电离。单位体积内电离质点数与质点总数的比值 (m) 称为该气体的电离度。约 >10000 K（即约 9727 °C）开始出现热电离。不同温度下空气和 SF₆ 的热电离程度不同，SF₆ 在相同温度下热电离程度略高于空气。

（2）光电离

光电离是气体放电过程的一种重要方式。光电离条件为 (h\nu \ge W)，即 (\nu = c/\lambda)，(\lambda \le hc/W)。

其中 (\nu) 为频率，(\lambda) 为光的波长，(c) 为光速，(W) 为气体的电离能，(h) 为普朗克常数。

• 可见光不能使气体直接发生光电离；
• 紫外线能使少数电离能特别小的金属蒸汽光电离；
• 波长更短的 X 射线、γ 射线能使气体光电离。
• 正、负带电质点复合能以光子形式释放电离能，使气隙中电离区外空间发生光电离；
• 宇宙射线能发生微弱的电离。

（3）碰撞电离

电子或离子（主要是电子碰撞）在电场作用下加速所获得的动能与质点电荷量 (e)、电场强度 (E) 以及碰撞前的行程 (x) 有关：

高速运动的质点与中性的原子或分子碰撞时，若原子或分子获得的能量等于或大于其电离能 (W_i)，则会发生电离。碰撞电离条件：

式中 (e) 为电子的电荷量，(E) 为外电场强度，(x) 为电子移动的距离。碰撞电离是电子崩的物理基础。

（4）分级电离

电子跃迁到能级较高的外层轨道称为激励，激励能比电离能要小。处于激励态的原子或分子再获得能量而发生电离称为分级电离。激励态不稳定，分级电离概率很小。

几种气体的电离能与激励能如下表：

2.2 电极表面的电子逸出

逸出功是使电子从金属表面逸出需要的能量。逸出功与金属材料和金属表面状态（氧化层与微观结构）有关。金属电极问题是真空击穿的原因之一。逸出功获得途径包括：正离子撞击阴极、光电子发射、热电子发射、强场发射。

部分金属的逸出功如下：

电压足够高时，真空高压断路器有被击穿的可能。开关设备、开关电极主要用铜材料，与铜的逸出功、导电导热性能及工程成本有关。

2.3 气体中负离子的形成

附着：电子在电场力作用获得动能，与气体分子碰撞时，不但有可能引起碰撞电离产生正离子和电子，也可能发生电子附着过程而形成负离子。负离子形成并未使气体中带电粒子数目改变，却能使自由电子数减少，对气体放电的发展起抑制作用。

电子亲合能是使基态的气体原子获得一个电子形成负离子时所放出的能量，其值越大则越易形成负离子。电负性是一个无量纲的数，其值越大表明原子在分子中吸引电子的能力越大。卤族元素的电子亲和能与电负性如下：

负离子形成与电子附着是 SF₆ 具有优异绝缘与灭弧能力的微观根源之一，也是当代环保替代气体设计的核心机制。

三、带电质点的消失

带电质点的消失可能有以下几种情况：

• 1.带电质点受电场力的作用流入电极；
• 2.带电质点的扩散；
• 3.带电质点的复合。

（1）带电质点受电场力的作用流入电极

带电质点在与气体分子碰撞后虽会发生散射，但从宏观看是向电极方向作定向运动。在一定电场强度 (E) 下，带电质点运动的平均速度将达到某个稳定值，这个平均速度称为带电质点的迁移速度vb=bE;
其中b为带电质点在电场中的迁移率，即单位场强下的运动速度。气体放电过程中，正离子向负电极移动，电子向正电极移动，两种带电质点流入相应电极后消失。

（2）带电质点的扩散

带电质点从浓度较大的区域向浓度较小的区域移动，从而使浓度变均匀的过程，称为带电质点的扩散。
带电质点的扩散是由于质点的热运动造成的，其扩散规律与气体扩散规律相似，即气压越高或温度越低时扩散越弱。电子的热运动速度越高，自由行程大，所以其扩散速度比离子快得多。

（3）带电质点的复合

当气体中带异号电荷的粒子相遇时，有可能发生电荷的传递与中和，这种现象称为复合。复合可能发生在电子和正离子之间，称为电子复合，结果是产生一个中性分子；复合也可能发生在正离子和负离子之间，称为离子复合，其结果是产生两个中性分子。离子复合因二者相对速度小，作用时间更长，更容易发生。

四、电子崩与汤逊理论

4.1 非自持放电与自持放电

在气隙的电极间施加电压时，可检测到微小电流。气体间隙中电流与外施电压的关系曲线（I-U 曲线）分为三段：

• OA 段：气隙电流随外施电压的提高而增大，这是因为带电质点向电极运动的速度加快导致复合率减小。当电压接近 (U_A) 时，电流趋于饱和，因为此时由外电离因素产生的带电质点全部进入电极，所以电流值仅取决于外电离因素的强弱，而与电压无关，饱和电流值极微小，此时气隙仍处于良好的绝缘状态。
• BC 段：虽然电流增长很快，但电流值仍很小，且此时气体中的电流仍要靠外电离因素来维持。
• 当外施电压小于 (U_0) 时的放电是非自持放电。电压达到 (U_0) 后，电流剧增，且此时间隙中电离过程只靠外施电压已能维持，不再需要外电离因素了。外施电压达到 (U_0) 后的放电称为自持放电，(U_0) 称为放电的起始电压。

4.2 电子崩的形成

外界电离因子在阴极附近产生了一个初始电子，如果空间电场强度足够大，该电子在向阳极运动时就会引起碰撞电离，产生一个新的电子，初始电子和新电子继续向阳极运动，又会引起新的碰撞电离，产生更多电子。电子数如雪崩式地增长，因此将这一剧增的电子流称为电子崩。

引入电子碰撞电离系数a，它代表一个电子沿电场线方向行进 1 cm 时平均发生的碰撞电离次数。设外界电离因子使阴极表面发射出来的初始电子数为n0，在 x处电子数增加为n，在dx 距离中又产生dn 个新电子：

对于均匀电场，a 值不随 x变化：

抵达阳极的电子数：

途中新增加的电子数或正离子数：

虽然电子崩电流按指数规律随极间距离 d而增大，但放电仍不是自持的，因为一旦除去外界电离因子（令 I0=0，则I变为零。)

4.3 影响碰撞电离系数的因素

若电子的平均自由行程为λ ，则在 1 cm 长度内一个电子的平均碰撞次数为 1/λ 。设在x=0 处有n0 个电子沿电力线方向运动，行经距离 x时还剩下n 个电子未发生过碰撞，则在 x 到x+dx 这一距离中发生碰撞的电子数应为：

负号来源于电子只可能碰撞掉、不会自己变多，(n) 随 (x) 单调减少，碰撞数必须为正数，故取负的 (dn)。积分得：

碰撞引起电离的条件是x>=Ui/E，因此碰撞引起电离的概率为 e^{-Ui/(E\λ )。电子碰撞电离系数a的表达式为：

电子的平均自由长度λ e与气温 T 成正比、气压 p成反比。当气温 t不变时：

式中 (A) 是与气体性质有关的常数。由上式可知：

• ① (E) 增大时，(\alpha) 急剧增大；
• ② (p) 很大或很小时，(\alpha) 都比较小；
• ③ 高气压时，(\lambda) 很小，(1/\lambda) 很大，但能引起电离的概率很小；
• ④ 低气压和真空时，(\lambda) 很大，总的碰撞次数少，所以 (\alpha) 也比较小。

4.4 汤逊理论

只有电子崩过程是不会发生自持放电的，要达到自持放电的条件，必须在初始电子崩消失前，产生二次电子替代外电离因素产生的初始电子。实验表明，二次电子的产生机制与气压和气隙长度的乘积 (pd) 有关：(pd) 较小时可以用汤逊理论来说明，pd 较大时需要流注理论来解释。

Y过程与自持放电条件

阴极材料表面逸出功比气体分子的电离能小很多，因此正离子碰撞阴极较易使阴极释放电子。正离子复合以及分子由激励态跃迁回正常态产生的光子都可引起阴极表面电离，统称Y过程，引入表面电离系数 Y。

自持放电条件：

物理含义：一个电子在自己进入阳极后，可以由a过程和Y过程在阴极上又产生一个新的替身，从而无需外电离因素放电即可进行下去。由于 Y和电极材料的逸出功有关，因而汤逊放电显然与电极材料及其表面状态有关。部分金属在空气中的Y 值如下：

汤逊放电理论的适用范围

汤逊理论是在低气压、pd 较小的条件下在放电实验的基础上建立的。pd 的值过大或者过小，放电机理将会出现变化，汤逊理论就不再适用。

• 气压极低d 过小在实际上是不可能的，d/λ小，Y远大于d，碰撞电离来不及发生，击穿电压似乎应不断上升，但实际上电压 U上升到一定程度后，场致发射将导致击穿，汤逊的碰撞电离理论不再适用，击穿电压将不再上升。
• pd 过大：气压高或者距离大，这时气体击穿的很多实验现象无法全部在汤逊理论的范围内给以解释。通常 pd > 200cm·mmHg 时，击穿过程将发生变化，汤逊理论的计算结果不再适用，但其碰撞电离的基本原理仍是普遍有效的。

五、巴申定律及其适用范围

早在汤逊理论出现之前，巴申于 1889 年从大量实验中总结出了击穿电压 Ub 与 pd 的关系曲线，称为巴申定律：

均匀场不同气体间隙的曲线呈 U 形。巴申定律揭示：气压与间隙距离以乘积形式共同决定击穿电压；pd过小或过大时击穿电压均升高，存在一个击穿电压最低的 pd 值。

巴申定律是在气体温度不变的情况下得出的。对于气温并非恒定的情况，应该改写为：

式中 (\delta) 为气体相对密度，指气体密度与标准大气条件下的密度之比。

六、气体放电的流注理论

高气压（101.3 kPa 或更高）、长气隙（pd > 26.66kPa·cm）的情况下，汤逊理论将不再适用。以自然界的雷电为例，它发生在两块雷云之间或雷云与大地之间，这时不存在金属阴极，因而与阴极上的Y过程和二次电子发射无关。气体放电流注理论以实验为基础，它考虑了高气压、长气隙情况下不容忽视的若干因素对气体放电的影响，主要包括：电离出来的空间电荷会使原有电场畸变以及光子在放电过程中的作用（空间光电离和阴极表面光电离）。

（1）空间电荷对原有电场的影响

• 电子崩头部聚集全部电子和大部分正离子，产生了电场畸变；
• 在电场很小的区域（头尾之间——电子和正离子之间），电子和离子浓度最大，有利于完成复合；
• 强烈的复合辐射出许多光子，为引发新的空间光电离的辐射源。

（2）空间光电离的作用

初始电子崩头部成为辐射源后，就会向气隙空间各处发射光子而引起光电离；如果这时产生的光电子位于崩头前方和崩尾附近的强场区内，则造成的二次电子崩将以更大的电离强度向阳极发展或汇入崩尾的正离子群中。这些电离强度和发展速度远大于初始电子崩的二次电子崩以及它们不断汇入初崩通道的过程称为流注。

流注的特点：电离强度很大和传播速度很快（超过初崩 10 倍以上）；出现流注后，放电便获得独立继续发展的能力。出现流注的条件是初崩头部的空间电荷数量必须达到某一临界值。对于均匀电场来说，其自持放电条件应为：

实验研究所得出的常数值为：

汤逊理论与流注理论的核心区别：汤逊理论的二次电子来自阴极 Y 过程，适用于低气压、小 pd；流注理论的二次电离来自空间光电离，适用于高气压、长气隙。前者依赖电极材料，后者不依赖金属阴极。

七、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。全封闭组合电器（GIS）的母线筒和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高压发生器的输出端对周围墙体的空气绝缘则属于极不均匀电场。

引入电场不均匀系数 f：

• 均匀电场 f=1；
• 稍不均匀电场 1<f<2；
• 极不均匀电场 f>4（部分教材将极不均匀场界定为 f>2 或 f>4，以课程约定为准）。

7.1 极不均匀电场的电晕放电

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，大曲率电极（高场强电极）附近会有薄薄的发光层，这种放电现象称为电晕。电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式。开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，而此时电极表面的场强称为电晕起始场强。

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，即电子崩式电晕；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，转为流注式电晕。
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。
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。

电晕放电的起始场强

对于输电线路的导线，在标准大气压下电晕起始场强 Ec 经验表达式为（指导线的表面场强，交流电压下用峰值表示）：

r为导线半径。导线半径 r 越小，碰撞电离系数下降、间隙场强下降，Ec 越大。非标准大气条件表达式需引入气体相对密度 (\delta)；实际导线表面并不光滑，对于绞线要考虑表面粗糙系数 m_1；对于雨雪等使导线表面偏离理想状态的因素可用系数 m_2 加以考虑：

理想光滑导线 m_1=1，绞线 m_1=0.8\sim0.9，好天气时 m_2=1，坏天气可按 0.8 估算。对于离地面高度为 (h) 的单根导线：

对于距离为 (d) 的两根平行导线（(d \gg r)）：

降低电晕的方法

降低电晕的途径是限制导线的表面场强。在选择导线的结构和尺寸时，应使好天气时电晕损耗接近于零，对无线电和电视的干扰应限制到容许水平以下。对于超高压和特高压线路来说，最好的解决办法是采用分裂导线（二分裂、四分裂、六分裂等）。分裂导线通过增大等效半径、降低导线表面场强来抑制电晕。

电晕的工程两面性

电晕放电的危害包括电晕损耗、无线电干扰、可听噪声、臭氧腐蚀等。电晕放电也有可利用的一面：静电除尘、污水处理、空气净化等。静电除尘正是利用电晕放电使粉尘荷电，再在电场作用下被捕集。

7.2 极不均匀电场中放电的极性效应

在电晕放电时，需要关注空间电荷对放电的影响。由于高场强电极极性的不同，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下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。典型电极为棒—板间隙。

正棒—负极间隙

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。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，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。但一旦流注形成并向板极推进，发展猛烈，击穿电压较低。

负棒—正板间隙

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，造成电子崩。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，其余的可为氧原子所吸附形成负离子。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，所以在棒极附近存在着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。负空间电荷浓度小，对外电场影响不大；而正空间电荷使外电场畸变，棒极附近电场加强。因此负极性下电晕容易起始，但流注向间隙深处发展相对困难，击穿电压较正极性时高。

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；而负极性下的击穿电压较正极性时高。

7.3 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 (\alpha) 达足够数值时，间隙中很大一部分区域中的 (\alpha) 也达相当值，起始电子崩在强场区发展起来，经过一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。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，高场强电极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，此时的电晕起始电压就很接近于间隙击穿电压。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。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。

极性效应方向的反转：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。极不均匀场中，高场强电极为正电极时间隙击穿电压低，为负电极时高；稍不均匀场中，高场强电极为正电极时击穿电压高，为负电极时低。这是高压绝缘设计中必须区分的细节。

7.4 长间隙击穿过程

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。长间隙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）。

先导放电

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做出解释。发展过程：流注根部温度升高 → 热电离 → 先导通道 → 电导增加、电流加大、先导不断推进。

主放电

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。

八、拓展：从本章原理到工程前沿

拓展一：SF₆ 替代气体的物理逻辑

本章的电子附着、负离子形成、(\alpha) 与 (\gamma) 过程，直接指导绝缘气体的选择与替代。SF₆ 因强电负性（氟原子高效吸附电子）抑制电子崩发展，兼具优异灭弧能力，但 GWP 高达 CO₂ 的约 24300 倍，大气寿命约 3200 年。当前工程前景最好的替代气体是 C₄F₇N（全氟异丁腈）的 CO₂ 混合气：纯 C₄F₇N 绝缘强度约为 SF₆ 的 2 倍以上，GWP 不到 SF₆ 的 1/10，但液化温度较高（约 −4.7 °C），需与 CO₂ 混合使用。6% C₄F₇N / 94% CO₂ 混合气的工频绝缘强度可达 SF₆ 的约 0.69 倍；加入少量 O₂ 形成三元混合气可进一步改善性能。C₄F₇N 通过增强电子附着、抑制电子崩增长和流注分支实现绝缘，其机制与本章负离子形成和流注发展条件一脉相承。

拓展二：电晕放电的工程两面性

电晕是极不均匀电场中无法回避的现象。危害面：电晕损耗、无线电干扰、可听噪声、臭氧腐蚀。超/特高压线路采用分裂导线，本质是增大等效半径、降低表面场强，把电晕控制在可接受水平。利用面：静电除尘是电晕放电最成功的工业应用——放电电极附近产生电晕使气体局部电离，粉尘颗粒荷电后在电场作用下被集尘极捕集；电晕还被用于污水处理、空气净化、等离子体氧化等环境工程场景。

拓展三：极性效应的工程意义

极不均匀场中正棒—负板击穿电压低、负棒—正板击穿电压高，这一结论直接影响外绝缘设计：高压导体表面应尽量避免出现尖锐正极性突起；在直流输电线路中，正负极导线对地击穿电压不同，杆塔空气间隙距离需按更严酷的极性校核。稍不均匀场极性效应方向相反，球间隙测量冲击电压时需注意极性差异对放电分散性的影响。

拓展四：汤逊与流注的判别与统一

汤逊理论与流注理论并非互相否定，而是同一物理过程在不同 (pd) 条件下的主导机制不同。低气压、短间隙下，阴极 (\gamma) 过程提供的二次电子足以维持放电；高气压、长间隙下，空间光电离取代阴极过程成为自持放电的主因。工程中判断气体间隙击穿电压时，先根据 (pd) 范围选择理论模型，再结合电场不均匀系数修正，这是高电压绝缘计算的基本思路。

《高电压技术》第1章 气体的绝缘特性与介质的电气强度（下）

本节逻辑主线：工程绝缘引入（变压器） → 持续电压下的击穿（均匀/稍不均匀/极不均匀） → 冲击电压下的击穿（雷电/操作） → 大气条件校正 → 工程上如何提高气体击穿电压。

一、工程导论：从变压器绝缘看气体介质

配电变压器（如10kV/0.4kV）的线间、匝间、相间都需要绝缘介质隔离。工程中常用变压器分为两类：

• 干式变压器：直接看到铁芯和线圈，采用树脂绝缘，靠自然风冷（大容量靠风机）。多用于“防火、防爆”场所（如大型建筑、高层建筑），容量较小，电压等级一般35kV及以下，安装在室内配电室，造价通常较高。

• 油浸式变压器：只能看到外壳，线圈浸泡在变压器油中，依靠绝缘油循环散热。容量较大，覆盖所有电压等级（特高压1000kV试验线路采用油浸式），多用于室外独立变电所，需挖设“事故油池”。

• 绕组排布原则：为便于绝缘，一般低压绕组在里，高压绕组在外；但大容量低压大电流变压器，考虑到引出线工艺困难，往往把低压绕组套在高压绕组的外面。

油浸变压器下铺满鹅卵石的作用：

1. 吸收漏油并使其回流至事故油池；
2. 防止事故时油喷溅、爆炸；
3. 隔离并阻止火灾蔓延；
4. 轻微冷却；
5. 绝缘与减震；
6. 防止杂草生长引发短路。
   

气体击穿的实验现象和规律可用气体放电的发展过程解释，但由于理论尚不完善，并不能对击穿电压进行精确计算。实际工程应用中，需参照典型电极的击穿电压选择绝缘距离，或根据实际电极布置通过实验确定击穿电压。空气间隙放电电压的影响因素包括：电场情况、电压形式、大气条件。

二、持续作用电压下的击穿

外施电压分两类：直流与工频电压均为持续作用电压，其随时间变化率很小，在放电发展所需时间（微秒级）内可认为外施电压没什么变化；雷电冲击电压和操作冲击电压作用时间很短，放电发展时间不能忽略，间隙击穿具有新特点。

2.1 均匀电场中的击穿

实际工程中很少见到比较大的均匀电场间隙（为消除边缘效应，电极尺寸必须做得很大），通常只有间隙长度不大时的击穿数据。

• 特点：电极布置对称，无极性效应；各处场强相等，击穿所需时间极短；直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50%冲击击穿电压相同；击穿电压分散性很小。
• 经验公式（空气间隙击穿电压峰值 (U_b) 与距离 (d)）：
  

式中 (d) 单位为 cm。当 d 在 1~10 cm 范围内时，击穿强度 Eb 约等于30 kV/cm。

2.2 稍不均匀电场中的击穿

• 特点：击穿前无电晕；极性效应不明显；直流击穿电压、工频击穿电压峰值及50%冲击击穿电压几乎一致。
• 估算公式：
  

其中 (f) 为电场不均匀系数。当 (E_{\max}) 达临界场强 (E_0) 时，(U) 达到击穿电压 Ub：

• 典型电极结构经验公式（f<2的稍不均匀间隙，电晕起始电压即等于间隙击穿电压）：

  • 球—板电极：
    

  • 柱—板电极：
    

  • 平行圆柱—圆柱电极：
    

  • 同轴圆柱电极：
    

  • 同心球电极：
    

  • 球—球电极：
    

  • 对于不便于用经验公式计算的电场结构，可用 E0=30kV/cm 大致估算，则击穿电压 Ub=30d/f。

2.3 极不均匀电场中的击穿

• 特点：电场不均匀度对击穿电压的影响减弱（已经极不均匀）；极间距离对击穿电压的影响增大；直流击穿电压极性效应非常明显；工频电压下，无论棒—棒还是棒—板电极，击穿都发生在正半周峰值附近。
• 饱和现象：间隙距离不大时，击穿电压基本与距离呈线性关系；间隙距离很大时，平均击穿场强明显降低，击穿电压不再随距离增大而线性增加。
• 工程建议：尽量采用棒—棒类型对称的电极结构，避免棒—板类不对称的电极结构。

三、雷电冲击电压下的击穿

雷电过电压是持续时间极短的脉冲电压，对绝缘的击穿具有与稳态电压不同的特点。90%左右的雷电是负极性雷。下行负极性雷分为三个阶段：先导（几毫秒，逐级发展、高电导高温通道）、主放电（通道短接，产生巨大声响和幅值极大的冲击电流，近百微秒）、余辉（剩余电荷继续流向大地，逐渐衰减，几毫秒）。

3.1 标准雷电冲击波形

波形：(T_1) 为波前时间（从名义零点 (O_1) 算起至波峰 (P)），(T_2) 为半峰值时间（从 (O_1) 算起衰减至半峰值）。名义零点 (O_1) 由0.9倍峰值点和0.3倍峰值点连线与横轴交点确定。国际标准规定：(T_1=1.2\mu s \pm 30%)，(T_2=50\mu s \pm 20%)（即 1.2/50 (\mu s) 标准波形）。

3.2 放电时延与50%击穿电压

完成气隙击穿的三个必备条件：① 最低静态击穿电压 (U_0)；② 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电的有效电子；③ 需要有一定的时间让放电得以逐步发展并完成击穿。

冲击击穿所需总时间：

• (t_0)：电压从0上升到 (U_0) 的时间；
• (t_s)：从电压达 (U_0) 到出现第一个有效电子的统计时延；
• (t_f)：从出现第一个有效电子到电子崩形成流注的放电形成时延。
• 后两者之和称为放电时延
  

由于放电时延服从统计规律，冲击击穿电压具有分散性。放电时延越长，分散性越大（电场越不均匀或间隙越长，低概率与100%击穿电压差别越大）。
冲击系数b：同一间隙50%冲击击穿电压 (U_{b50}) 与静态击穿电压 (U_0) 的比值。

• 均匀和稍不均匀电场：(\beta \approx 1)；
• 极不均匀电场：(\beta > 1)。
  

3.3 伏秒特性

冲击电压下仅用单一击穿电压值描述绝缘特性不全面。伏秒特性曲线：间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。
实际伏秒特性是一条以上、下包线为界的带状区域。通常取50%伏秒特性或平均伏秒特性来表征气隙的冲击击穿特性。放电时延越长，分散性越大，带状区域越宽。

四、操作冲击电压下空气的绝缘特性

操作过电压由系统状态突变引起电感和电容回路振荡产生，幅值与系统参数密切相关（电压等级越高，幅值越高，最高可达最大相电压峰值的3~4倍）。试验标准规定，额定电压在300kV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。

4.1 标准波形

IEC推荐、我国国标采用的250/2500 (\mu s)操作冲击电压标准波形：波前时间 (T_{cr}=250\mu s)（允许误差 (\pm 20%)），半峰时间 (T_2=2500\mu s)（允许误差 (\pm 60%)），峰值误差 (\pm 3%)，90%峰值以上持续时间未作规定。

4.2 放电电压特点

• U形曲线：随间隙距离增大，击穿电压先降后升。
• 极性效应：正极性操作冲击放电电压通常低于负极性。
• 饱和现象：长间隙下击穿电压随距离增加呈现饱和趋势。
• 分散性大：操作冲击放电分散性远大于雷电冲击和工频。
• 邻近效应：附近接地物体（如铁塔、构架）会畸变电场，影响放电电压。

五、大气条件对气体击穿的影响

前述击穿特性均对应标准大气条件和正常海拔。大气压力、温度、湿度会影响空气密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着过程，因此必须换算到标准条件进行比较。
校正公式：

式中 (U_s) 为标准大气压下的放电电压；(U) 为实际状态下的放电电压；(K_d) 为空气密度校正因数；(K_h) 为湿度校正因数。

5.1 湿度校正因数

水气分子能俘获自由电子形成负离子，对放电起抑制作用。

• 均匀和稍不均匀电场：放电开始时整个气隙场强都大，电子速度快，不易被水气分子俘获，湿度影响不明显，可忽略。
• 极不均匀电场：湿度影响很明显。校正因数 (K_h = k^w)（(k) 与绝对湿度和电压类型有关，(w) 取决于电极形状、气隙长度、电压类型及极性）。

5.2 空气密度校正因数

（(p, t) 为试验条件；(p_s, t_s) 为标准状态）。当 (\delta) 处于 0.95~1.05 范围内时，击穿电压几乎与 (\delta) 成正比：(K_d \approx \delta^m)，(U = \delta U_0)。

5.3 海拔的影响

海拔升高，空气稀薄，相对密度减小，电气强度降低。国家标准规定，海拔高于1000m、不超过4000m处的外绝缘，试验电压应乘以海拔校正因数：

(H) 为海拔（m）；(m) 取值：工频、雷电冲击及相间操作冲击取1；纵绝缘操作冲击取0.9；相对地操作冲击取0.75。

六、提高气体击穿电压的措施

为提高气体介质的电气强度，缩小设备尺寸，基本途径有两条：①改善并使气隙中的电场分布均匀；②削弱抑制气体介质中的电离过程。具体包括五种措施：

1. 改进电极形状：增大电极曲率半径；改善电极边缘；使电极具有最佳外形。电场越均匀，平均击穿场强越大。
   
   

2. 利用空间电荷畸变电场：极不均匀场中先出现电晕，利用放电本身产生的空间电荷调整电场分布。典型如**“细线”效应**——导线直径减小到一定程度后，周围反而形成均匀分布电场，使工频击穿电压升高（雷电冲击因作用时间短，无此效应）。
   

3. 极不均匀场中采用屏障：放入薄片固体绝缘材料（纸/纸板），其表面集聚空间电荷，使屏障与板电极间形成均匀电场。对工频电压提升作用比雷电冲击明显。
   

4. 提高气体压力：常压空气电气强度约 30kV/cm。提高气压可大大减小电子自由行程，削弱电离。注意事项：改进电极形状使电场均匀；加工抛光降低表面粗糙度；气体需过滤除尘除水。
   

5. 采用高真空和高电气强度气体（SF₆）：真空可减弱碰撞电离，但造价高局限大。强电负性气体（SF₆、CCl₄、CCl₂F₂ 等）具有极高电气强度。SF₆ 相对电气强度为空气的 2.3~2.5 倍，无色无味无毒非燃，灭弧性能极强，中等压力下液化便于储存，可大大缩小设备尺寸；缺点是造价高、是温室气体。

常用高电气强度气体对比：

七、本节核心结论速记

八、拓展：从击穿特性到工程绝缘配合

拓展一：伏秒特性的工程应用——绝缘配合
电力系统防雷设计中，必须保证绝缘子的伏秒特性位于保护装置（如避雷器）的伏秒特性之上。若避雷器在某一过电压下动作，将电压限制在残压水平，绝缘子此时承受的电压和时间必须在其伏秒特性曲线（下包线）安全范围内。这就是“绝缘配合”的核心逻辑：利用伏秒特性带的上、下包络线，确定设备耐受电压（BIL/SIL）与保护水平之间的安全裕度。极不均匀电场（如线路绝缘子）伏秒特性平坦、分散性大，更需要严格配合。

拓展二：大气校正系数的现场意义
高海拔地区（如青藏高原）的输变电设备外绝缘必须按海拔校正因数放大绝缘距离。例如海拔3000m处，工频电压下 (K_A = e^{1 \times 2000/8150} \approx 1.28)，意味着同样的设备需要增加约28%的绝缘距离才能达到平原的耐受水平。这是我国西电东送工程中设备选型的关键约束。

拓展三：SF₆ 的环保替代与 C₄F₇N
SF₆ 虽电气强度高（空气的2.3~2.5倍），但 GWP 高达 CO₂ 的约 24300 倍，大气寿命约 3200 年。当前最具工程前景的替代方案是C₄F₇N（全氟异丁腈）与 CO₂ 的混合气：纯 C₄F₇N 绝缘强度约为 SF₆ 的 2 倍以上，GWP 不到 SF₆ 的 1/10，但液化温度较高（约 -4.7℃），需与 CO₂ 混合以兼顾低温适应性。6% C₄F₇N / 94% CO₂ 混合气的工频绝缘强度可达 SF₆ 的约 0.69 倍；加入少量 O₂ 形成三元混合气可进一步改善性能。其绝缘机制正是利用 C₄F₇N 的强电负性增强电子附着，抑制电子崩增长与流注分支，这与本章讲述的负离子形成、碰撞电离与流注发展条件一脉相承。

拓展四：提高气体击穿电压措施的综合应用
实际工程中，五种措施并非孤立使用。例如 GIS（气体绝缘全封闭组合电器）同时采用了：改进电极形状（同轴圆柱结构，稍不均匀电场）、提高气体压力（SF₆ 约 0.4~0.6 MPa）、采用高电气强度气体（SF₆）。而高压输电线路则采用分裂导线（增大等效半径、改善电场分布）来降低导线表面场强、抑制电晕；在极不均匀间隙中加装屏障，则是利用空间电荷改善局部电场分布，常用于试验变压器和高压套管的绝缘结构设计。工程绝缘设计的关键在于根据电压类型（持续/雷电/操作）、电场均匀度和大气条件，综合选取最经济有效的技术路线。