高电压技术

gaodianya jishu

高电压技术

high voltage technique

以试验研究为基础的应用技术。主要研究在高电压作用下各种绝缘介质的性能和不同类型的放电现象，高电压设备的绝缘结构设计，高电压试验和测量的设备及方法，电力系统的过电压、高电压或大电流产生的强电场、强磁场或电磁波对环境的影响和防护措施，以及高电压、大电流的应用等。高电压技术对电力工业、电工制造业以及近代物理的发展(如X射线装置、粒子加速器、大功率脉冲发生器等)都有重大影响。工程上把 1000伏及以上的交流供电电压称为高电压。高电压技术所涉及的高电压类型有直流电压、工频交流电压和持续时间为毫秒级的操作过电压、微秒级的雷电过电压、纳秒级的核致电磁脉冲(NEMP)等。

20世纪以来，随着电能应用的日益广泛，电力系统所覆盖的范围越来越大,传输的电能也越来越多,这就要求电力系统的输电电压等级不断提高。就世界范围而言，输电线路经历了 110、150、230千伏的高压，287、400、500、735～765千伏的超高压和 1150千伏的特高压（工业试验线路）的发展。直流输电也经历了±100、±250、±400、±450、±500以及±750千伏的发展。这几个阶段都与高电压技术解决了输电线路的电晕现象、过电压的防护和限制以及静电场、电磁场对环境的影响等问题密切相关。这一发展过程以及物理学中各种高电压装置的研制又促进了高电压技术的进步。60年代以来，为了适应大城市电力负荷日益增长的需要，以及克服城市架空输电线路走廊用地的困难，地下高压电缆输电发展迅速（由220、275 、345千伏发展到70年代的400、500千伏电缆线路）；同时，为减少变电所占地面积和保护城市环境,全封闭气体绝缘组合电器(GIS)得到越来越广泛的应用。这些都提出许多高电压技术的新问题。

高电压技术的内容很广，大致分为电力系统过电压及其限制，高电压绝缘特性研究，高电压试验设备、方法和测量技术几方面。

电力系统过电压及其限制 研究电力系统中各种过电压，以便合理确定其绝缘水平是高电压技术的重要内容。电力系统的过电压包括雷电过电压（又称大气过电压、外部过电压）和内部过电压。其中雷电过电压由雷云直接或间接对变电所或输电线路 (避雷线、杆塔或导线)放电造成。一般雷电过电压幅值较高,超过系统的额定工作电压,但作用时间较短,波头时间大多数为1.5～2微秒，平均波长时间为30微秒，大于50微秒的很少。雷击除了会威胁输电线路和电工设备的绝缘外，还会危害高建筑物、通信线路、天线、飞机、船舶、油库等设备的安全。因此，这些方面的防雷也属于高电压技术的研究对象。

电力系统内部过电压是因正常操作或故障等原因使电磁状态发生变化，引起电磁能量振荡而产生的。其中衰减较快、持续时间较短的称为操作过电压；无阻尼或弱阻尼、持续时间长的称为暂态过电压。对110～220千伏电力系统，内部过电压水平一般取 3倍最大工作电压；对330～500千伏电力系统，需要采取一些限制措施，取2～2.5倍。对特高压电力系统，进一步限制内部过电压具有巨大的经济价值，从前景来看限制到1.5～1.8倍最大工作电压是完全可能的。

高电压绝缘特性研究 高压电工设备的绝缘应能承受各种高电压的作用，包括交流和直流工作电压、雷电过电压和内部过电压。研究电介质在各种作用电压下的绝缘特性、介电强度和放电机理，以便合理解决电工设备的绝缘结构问题是高电压技术的重要内容。

雷电过电压和内部过电压对输电线路和电工设备的绝缘是个严重的威胁。因此，研究各种气体、液体和固体绝缘材料在不同电压下的放电特性是高电压技术的重要课题。其中气体包括大气条件下的空气、压缩空气、六氟化硫气体及高真空等常用作输电线路和电工设备绝缘及其他用途的材料。因此，研究如何提高气体绝缘的放电电压，研究影响气体放电的各种因素，如间隙大小、电极形状、作用电压的极性和类型、气体的压力、温度、湿度和杂质等，对确保电工设备的经济合理和安全运行有重要意义。 在采取措施限制雷电过电压和内部过电压的情况下，随着电压等级的提高，工作电压对绝缘特性的影响越来越重要。在工作电压作用下超高压输电线路和电工设备的电晕放电、局部放电、绝缘老化、静电感应、无线电干扰、噪声等现象都是高电压技术研究的课题。

在工程上经常利用一些气体放电的特性来解决许多高电压技术领域中所遇到的科学技术问题，如利用球隙放电测量高电压；用各种间隙放电来限制过电压；利用电晕放电时产生稳定的电晕层以改善电场分布，从而提高间隙的放电电压等。

高电压试验设备、方法和测量技术 高电压领域的各种实际问题一般都需要经过试验来解决。因此，高电压试验设备、试验方法以及测量技术在高电压技术中占有格外重要的地位。

为了在试验室(见图)或现场研究电介质或电工设备的绝缘特性以及适应于不同科技领域的高电压技术的应用，需要有各种类型的高电压发生装置。常见的高电压发生装置有：由工频试验变压器（见图）及其调压设备等组成的工频试验设备；模拟雷电过电压或操作过电压的冲击电压发生装置（见图）；利用高压硅堆等作为整流阀的高压直流发生装置（见图）。

以上这些高电压试验装置的共同特点是：输出电压高；对输出电压的波形、幅值的调节要求高；输出电流和功率一般不大；试验时持续运行的时间较短。

此外,由于近代科学技术发展的需要,各冲击电流发生装置得到越来越多的应用。冲击电流发生装置要求在很短的时间内产生很大的冲击电流，如用在核物理、加速器、激光等领域的大型冲击电流装置能产生数百万安培的冲击电流。在电力部门，冲击电流发生装置主要用于模拟雷电流，检验某些电工设备在雷电过电压和操作过电压作用下的通流能力。在电工制造部门，冲击发电机和振荡回路（见图）产生强电流，用以模拟电力系统短路电流，检验开关设备以及高压电缆等在系统短路工况下耐受短路电流的能力。

进行高电压试验需要有正确的试验方法，如耐压试验、介质损耗试验、局部放电试验等。高压电工设备外绝缘的介电强度,受气压、温度、湿度、风沙、污秽、雨水、射线等因素的影响，需要有不同条件下的换算法和等效的试验方法。

高电压测量装置和测量技术是正确进行高电压试验的基础。对不同类型的高电压需采用不同的测量装置。如测量直流电压或低频交流电压的有效值用高压静电电压表(见图)；测单次短脉冲(微秒或纳秒

级)用高压示波器,测高电压下的脉冲大电流一般用罗戈夫斯基线圈。此外常用的高

电压测量装置还有各种分压器、分流器、局部放电仪等。60年代以来，光电测试技术

引入高电压领域，它将高电位端的量（如高压回路的电流）转变为光信号，通过光纤

传送到低电位端的接受仪器，再将光信号转为电信号，避免了高电压传到低电压的测

量系统而引起的危险，以及电磁场对低电压测量系统的干扰。

发展动态 60年代后期以来，高电压技术在电工以外的领域得到广泛应用；同

时，也不断采用新技术以发展自身。前者主要指高电压技术在粒子加速器、大功率脉

冲发生器、受控热核反应研究、航空与航天领域的雷电和静电控制与防护、磁流体发

电、激光技术、等离子体切割、电水锤进行海底探油、冲击加工成型、人体内结石的破碎，以及静电除尘、静电喷涂、静电复印等方面的应用。高电压领域中采用的新技术则包括利用电子计算机计算电力系统的暂态过程和变电所的波过程；采用激光技术进行高电压下大电流的测量；采用光纤技术进行高电压的传递和测量；采用信息技术进行数据处理等。这一切构成了高电压技术近年来发展的一个重要方面。

另一方面，高电压技术对于进一步发展超高压、特高压输电继续起着重要的推动作用。一些国家正在沿着传统的“外沿发展模式”，继续开展更高一级电压，例如1500～1800千伏特高压输电的科研工作。而美国和苏联的一些学者，则另辟蹊径，利用电力电子技术的新成就，对现有的超高压电网研究技术改造、扩大传输容量的技术。例如，苏联一些学者，研究利用静止补偿装置，对500千伏输电系统进行全补偿。这种输电系统,只存在回路电阻而无感抗，因而已不存在系统稳定问题，传输容量只决定于电阻值和导线载流能力,因而改造后的500千伏输电系统, 其输电能力可达到百万伏级特高压输电系统的水平。这种“内涵发展模式”正在引起科学界的广泛重视。与此相似，美国也正在研究利用静止补偿装置，对存在严重电磁兼容性问题的超高压输电线段施行局部的分段补偿，以解决过去要对全系统进行改造的问题。

参考书目

　陈维贤：《内过电压基础》，电力工业出版社，北京， 1981。

　刘继：《电气装置的过电压防护》，水利电力出版社，北京，1986。

Saha gongshi

萨哈公式

Saha formula

描述气体在高温下因原子、分子的热运动而产生电离的公式。由印度物理学家萨哈导出。萨哈公式为

为原子的电离能(eV)；P 式中α =离子密度/气体原子密度,称为电离系数；T为气体的热力学温度(K)；W

i

为气压（托）;K为玻耳兹曼常数。公式说明气体的电离度与其温度、压强有关。因为处于热平衡状态的气体，其原子或分子的运动遵循麦克斯韦速度分布律，大部分都处于最概然速度附近，其值与气体温度的平方根成正比。室温下气体原子或分子的动能低,很难发生碰撞电离,若将气体加热到高温,如将铯蒸汽加热到10000K,则约2000次碰撞中就能产生一次碰撞电离。这种因高温气体原子、分子的热运动而引起的电离称为热电离，故萨哈公式又称热电离公式。

杨津基

liuzhu lilun

流注理论

stream theory

关于气体电击穿机理的一种理论。由R.瑞特与J.M.米克于1937年提出。汤森理论奠定了气体放电的理论基础，但是随着气体放电研究的发展，有些现象只由汤森理论难以解释，例如放电发展的速度比碰撞电离快，放电通道是不均匀的而呈折线形状，因此需要寻求其他理论。流注理论就是在总结这些实验现象的基础上形成的。

应用流注理论描述放电过程见图。在外施电场作用下，电子崩由阴极向阳极发展，由于气体原子（或分子）的激励、电离、复合等过程产生光电离，在电子崩附近由光电子引起新的

子电子崩（图a）,电子崩接近阳极时，电离最强,光辐射也强（图b）。光电子产生的

子电子崩汇集到由阳极生长的放电通道，并帮助它的发展，形成由阳极向阴极前进的流注（正流注），流注的速度比碰撞电离快（图c、d）。同时，光辐射是指向各个方向的，光电子产生的地点也是随机的，这说明放电通道可能是曲折进行的。正流注达到阴极时(图e),正负电极之间形成一导电的通道，可以通过大的电流，使间隙击穿。如果所加电压超过临界击穿电压（过电压），电子崩电离加强，虽然电子崩还没有发展到阳极附近，但在间隙中部就可能产生许多光电子及子电子崩,它们汇集到主电子崩,加速放电的发展，增加放电通道的电导率，形成由阴极发展的流注（负流注）。瑞特和米克认为，当电子崩头部的电场比外加电压在间隙中形成的均匀电场更强时，电子崩附近电场严重畸变，电离剧烈，放电可以自行发展成流注，从而导致间隙击穿。根据这一基本思想，他们进行了理论推演。虽然他们计算电子崩头部电场的方法不尽相同，推导出不同的计算击穿电压的方程，但是计算得到的击穿电压很相近，与试验比较相符。

20世纪60年代后期，纳秒照相技术发展，使对放电通道的研究有了更深入的发展，发现电子崩进行到一定距离之后，放电通道分别向阳极和阴极发展，其速度比电子崩快。

杨津基

Tangsen lilun

汤森理论

Townsend theory

解释气体放电机制的最早理论。由英国物理学家J.S.E.汤森于1903年提出。汤森在实验中发现，当两平板电极之间所加电压增大到一定值时，极板间隙的气体中出现连接两个电极的放电通道，使原来绝缘的气体变成电导很高的气体，有放电电流通过，间隙被击穿。汤森用气体电离的概念解释这一现象。他设想有n

个自由电子在电场作用下由阴极向阳极运动,只要电场足够强,电子在与气体分子碰撞时会引起后者电离，发展成电子崩。若每个电子在电场中移动单位距离时产生的电离次数为α(汤森电离

系数),则可推知n

0个自由电子在由阴极向阳极运动中经过距离n后将增加到n

e ad,而每个电子产生的正离

子－电子对数为e ad-1。正离子在电场作用下向阴极运动，设每个正离子撞击阴极时引起的电子发射（称

二次电子发射）的概率为r,则n

0个自由电子引起电离后产生的二次电子数为rn

(e ad-1)。要使放电持续

不断，则需使rn

0(e ad-1)=n

或r(e ad-1)=1，这就是汤森自持放电的条件，又称汤森判别式。

对于不同间隙介质都有不同的临界击穿电场强度E

c （大气中约30kV?cm-1）。间隙中的电场E低于E

c

时，间隙不会击穿。在汤森判别式中,电离系数α随外加电场强度E的增强而增大,因此电子的电离效应也加强。α值必须足够大才能产生足够的电离次数及离子数，满足自持放电条件使间隙被击穿。实际过程比这要复杂一些，例如间隙中空间电荷的积累会引起电场畸变；阴极表面还存在光电发射和其他粒子轰击阴极表面的过程；间隙气体中还有光电离和电附着作用等。虽然自持放电包括的过程比较复杂,但判别式的形式仍是其中r

m

为包括了各种阴极表面过程的二次电子发射概率，μ为气体吸收系数。利用高速示波器可以测出放电发展过程中的电流变化。电流的周期性变化说明间隙中电离、阴极发射电子等一次次的循环。不满足自持条件时的放电，电流逐步减为零，此时间隙中气体未击穿，仍保持绝缘状态。汤森理论只适用于气压比较低、气压与极距的乘积(Pn)比较小的情况。

杨津基

Paxing dinglü

帕邢定律

Paschen law

表征均匀电场气体间隙击穿电压、间隙距离和气压间关系的定律。1889年由F.帕邢根据平行平板电极的间隙击穿试验结果得出。表达为:击穿电压U（千伏）是电极距离d（厘米）和气压P（托）乘积的函数（见图）。应用汤森击穿条件r(e ad-1)=1（见汤森理论）以及电离系数χ与(Pd)的关系式可以求出击穿电压公式

式中A和B在一定E/P范围内是常数。经过微分后得到最低击穿电压。由曲线可见，提高气压或是降低气压到真空(例如10-6托)都能提高间隙击穿电压，这概念在实际应用中是有意义的。帕邢定律在一定(Pd)范围有效。气压过高或高真空中，放电过程不能用汤森理论，帕邢定律也不适用。

杨津基

自持放电

self-contained discharge

不依赖外界电离条件，仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电。这是按照气体放电形成条件来区分的一种气体放电类型，与它并列的是非自持放电。气体放电的形成需要具备两个基本条件，一是外施电压，它使电极间隙的空间范围内呈现一定强度的电场；二是外界电离因素，它在电极间隙中形成初始带电粒子。外界电离因素有多种方式，例如，天然辐射或人工光源照射会使空间出现带电粒子。当外加电压较低时，只有由外界电离因素所造成的带电粒子在电场中运动而形成气体放电电流，一旦外界电离作用停止，气体放电现象即随之中断，这种放电称为非自持放电。当外加电压逐渐升高后，气体中的放电过程发生转变，此时若去掉外界激离因素,放电仍继续发展,成为自持放电。通常所研究的各种气体放电形式如辉光放电、电晕放电、火花放电、电弧放电等都属于自持放电。形成自持放电的条件可根据汤森理论来确定。

张芳榴

放电时延

discharge time delay

气体间隙击穿过程所需要的时间。气体间隙击穿过程可分为两个基本阶段，一是间隙中出现有效的足以引起碰撞电离的触发电子，二是触发电子在电场作用下通过带电粒子碰撞电离、光电离等不同机制使放电通道发展，最终导致使间隙全部击穿。在间隙击穿的外部条件均已实现后，完成这两个阶段的击

穿过程需要一段时间，这就是放电时延，以t

d 表示,t

d

=t

d

+t

f

。式中t

d

是在外施电压作用下出现有效的触

发电子所需要的时间，称为统计时延。t

f

是出现触发电子后，放电通道发展直至贯穿整个间隙而完成击穿所需要的时间，称为形成时延。对于较短的间隙，形成时延较小，放电时延主要是统计时延。当气体间隙较长时，形成时延在放电时延中占主要地位。

对缓慢上升的外施电压，在放电时延阶段电压继续上升的程度不明显，因而觉察不出它对放电电压的影响，间隙的击穿电压就是一个不随时间变化的数值，通常称为静态击穿电压。对随时间变化剧烈的外施电压（如雷电冲击波电压）,在放电时延阶段电压仍继续变化,此时该间隙的击穿电压将不同于静态击穿电压，而必须联系到放电时延的影响。例如，某一间隙的静态击穿电压为5×104伏,放电时延10-6秒，如果电压上升的平均陡度是107伏/秒,在放电时延阶段电压会继续上升107×10-6=10伏，与5×104伏相比是微不足道的，但如果电压上升陡度是1010伏／秒，在放电时延阶段电压将会继续上升104伏，这就不可忽略了。由于存在放电时延，间隙击穿特性需要用电压与时间两个参量加以描述,它是在电压-时间坐标平面上形成的曲线，通常称为伏秒(时)特性曲线。无论统计时延还是形成时延都受多种因素的影响，具有统计分散性，因此，气体间隙的伏秒特性曲线实际是一带状的区域。

研究放电时延对于分析气体间隙的击穿机制，改善间隙的冲击电压击穿特性，合理实现绝缘配合等都具有重要意义。

张芳榴

xiandao

先导

leader

气体放电通道发展的一种形式，多发生在较尖的放电间隙中。在不均匀电场中，例如棒形正电极对平板形负电极，放电将从正电极棒开始，首先出现线状的流注（见流注理论），向负极发展。如果极间距离（极距）不长，流注伸长到负电极后，就引起间隙击穿。当极间距离较长时，流注不能直接达到负电极，不会只由流注而引起间隙击穿。此时,将出现多个流注汇集在一起,加强原来放电通道的电离，形成了较粗的、电导率较高的通道,这就是先导。在先导的端部,有流注继续发展。在一定极距范围内,流注和先导都可能引起击穿,具有随机性。由流注引起的击穿电压比先导引起的高。因此，在此极距范围,击穿电压有分散性。当间隙距离增大时,先导放电发展更为明显。先导放电贯通全部极间距离后，继而出现主放电，最终使间隙击穿（见雷闪放电）。

杨津基

dianzibeng

电子崩

electron avalanche

电子在气体中发生碰撞电离时的链式反应发展过程。一个电子在电场作用下由阴极向阳极运动时，将与气体原子（或分子）碰撞，如果电场很强、电子的能量足够大时,会发生碰撞电离，使原子分解为正离子和电子,此时空间出现两个电子。这两个电子又分别与两个原子发生碰撞电离，出现4个自由电子。如此进行下去,空间中的自由电子将迅速增加，类似于电子雪崩，故名电子崩。因为离子的质量比电子的质量大103～104量级，电子向前“飞行”时，电离产生的正离子基本没有移动。电子崩头部是电子，留在后部的是正离子，形成正空间电荷。若有n 0个初始电子在电场方向行进X 距离后,碰撞电离产生的自由电子n 将增加到n

0e ,即n =n 0e 。α是电子碰撞的电离系数，即一个电子行进单位长度产生的电子数。 形成电子崩的过程中电子将扩散，随着电子崩的发展，其头部越来越大。电子崩的存在已由云室试验证实。

杨津基

Bulusi dianji

布鲁斯电极

Bruce electrodes

将直线段、正弦曲线、圆弧按一定要求连接起来作为轮廓线（见图）的电极。是外形较佳的电极之一。

图中AB、DE是直线段，BC是正弦曲线，CD是圆弧。直线段AB的长度为d

1

；在正弦曲线BC

段，；圆弧CD的圆心在O点,半径为d

4。O点的位置由d

2

,d

3

决定。由 AB、BC、

CD、DE连接起来的曲线绕z轴旋转一周,就构成了布鲁斯电极的外形。

为保证这样的两个电极相对布置时，电极中间部分（AB范围内）十分接近于均匀电场，且击穿不发

生在极板边缘部分,需使d

1≥0.5d,d

2

=2.2d

1

,d

3

=1.07d

1

,d

4

=0.84d

1

。当d

1

=3cm时,若两电极间距离d=5.2cm

(d

1

>0.5d)，此时极间空气的击穿发生在电极中间部分，击穿电压为140kV,十分接近于同样极间距离d时

均匀电场中空气的击穿电压；但若极间距离增加为d＝7.2cm(d

1

<0.5d)时，击穿将发生在电极边缘部分，且击穿电压低于同样d时均匀电场中空气的击穿电压。

谈克雄

luogefusiji dianji

罗戈夫斯基电极

Rogowski electrodes

按电容型绝缘中电位为两极板间电压一半的等位面形状制成的电极。是外形较佳的电极之一。电容套管(见绝缘套管)的绝缘中有很多中间电极,构成了很多同轴圆柱；每层极板长度不同,越靠外极板越短。图1中画出了相邻两层极板的示意图。A为短极板，B为长极板，极间距离为d；极板B的电位为零,极板A的电位为U。由于极板间绝缘厚度很小，极板间轴对称电场可近似看作是二维场，

可以用复变函数中的史瓦茨变换来求解此电场。

图1中χ轴与极板B重合,y轴离极板A边缘的距离为d/。绝缘中某点P(χ，y)的坐

标为，其中R、为变换参数。=常数，R=常数。例如=0，相当于y＝0,即=0的那个等位面是极板B,其电位为零；=，相当于χ≤-d/，y＝

d,即=的那个等位面是极板A,其电位为U。两极板间的其他等位面形状见图2。

P(χ,y)点的电场强度

在任一等位面（=常数）上，最大电场强度

在＝0.5的那个等位面（电位为U/2）上，

即等于电极中间部分的均匀电场的电场强度数值。

罗戈夫斯基电极就是采用＝0.5的那个等位面的形状制成的，只是这一等位面是伸向无穷远处的，电极不可能完全按照这一形状来设计，而需作适当变动。

谈克雄

dianchang tiaozheng

电场调整

electric field modification

采取一定措施改进绝缘中的电场分布，以降低高压电力设备绝缘结构中部分区域过高的电场强度。电场调整方法有3类：改变电极形状,改善电极间电容分布和其他方法。

改变电极形状 属这类调整电场的方法有 3种。①增大电极曲率半径：如变压器套管顶端加装球形屏蔽罩；改用扩径导线（即采用空心结构，使在截面积相同的情况下，导线半径增大）。②改善电极边缘部分：如将平板电极边缘做成弧形。③使电极具有较佳外形：如采用罗戈夫斯基电极或布鲁斯电极。

改善电极间电容分布 属这类调整电场的方法有 2种。①加屏蔽环：在绝缘支柱、分压器等高压端加屏蔽环，增大高压电极对支柱或分压器的电容（形成电容链，如图所示），从而使对地电容

电流得到补偿而改善电压分布。②增设中间电极：在电极间增设一定数量的中间电

极，可以调节轴向和径向电场。如电容锥式电缆终端头或电容式套管（见绝缘套管）

就是在两电极间的绝缘中增设了一定数量的中间电极。

其他电场调整方法 调整电场的方法还有 3种。①采用不同电介质：高压

电力电缆的分阶绝缘结构就是采用介电常数ε不同的电介质来调整电场分布。调整

的方法是：在原电场强度E较大的强电场区采用介电常数ε较大的电介质，而在原弱电场区采用介电常数较小的电介质。②利用电阻压降：利用与电极相连的一半导体层伸入极间电场达到调整局部电场的目的。如高压电机绕组槽口部分采用半导体层后,槽口部分电场强度E明显下降。③利用外施电压强制电场分布均匀：如串级试验变压器的绝缘支柱，各中间法兰分别与各级变压器的出线端或器身相连，从而使沿支柱的电场分布趋于均匀。

谈克雄

bujunyun dianchang

不均匀电场

non-uniform electric field

电场区域内电场强度的大小和方向随空间坐标而变的电场。反之，电场强度的大小和方向与坐标无关的电场被称为均匀电场。

电场的不均匀程度用电场不均匀系数?表征：

式中U为极间电压,d为极间最小距离，为场域中的最大电场强度值。均匀电场的?等于1,不均匀电场的?总是大于1,即?≥1。电场不均匀系数的倒数称为绝缘利用系数η，η=1/?，η≤1。

对于不均匀电场的计算，除了一些电极形状比较简单（例如同轴圆柱电极间的电场，同心圆球电极间的电场等）的情况可以用解析方法精确计算外，大部分情况下只能用近似的解析计算方法或电场数值计算方法计算，或用电场的实际测量或模拟测量技术测得。电场的数值计算方法有有限差分法、有限元法、模拟电荷法等。电场的模拟测量包括电解槽模拟和导电纸模拟测量。

不均匀电场中的电介质的性状与电场的不均匀程度有关。根据其不均匀程度，不均匀电场可分为稍不均匀电场和极不均匀电场。若电场的不均匀程度不严重，当极间电压达到足以使气体介质发生自持放电时，气体间隙就被击穿（见气体介质击穿），这种电场称为稍不均匀电场。若电场不均匀程度比较严重，当极间电压达到足以使气体介质发生自持放电时，气体间隙并不被击穿，只是电场强度较高处的气体发生电晕放电；进一步提高电压后，气体间隙才被击穿，这样的电场称为极不均匀电场。

也可以根据电场不均匀系数来区分不均匀电场。对于圆球形电极，当电场不均匀系数处于2～4时，极间电场为稍不均匀电场；当电场不均匀系数大于4时,极间电场为极不均匀电场。

电场的不均匀程度会影响电介质的绝缘强度。在其他条件相同的情况下，电场愈不均匀，电介质的绝缘强度愈低。

高压电力设备中经常遇到的是极不均匀电场，例如高压架空输电线路周围的电场，高压交流电机线棒出槽处的电场，电力变压器引线附近的电场等。属于稍不均匀电场的电场有高压静电电压表（见静电系电表两电极间的电场，阀型避雷器放电间隙中的电场等。

谈克雄

qiuxing dianji dianchang

球形电极电场

electric field between spherical electrodes

两个同心圆球形电极间或两个分离圆球形电极间的电场。在高电压技术领域进行电场分析和计算时，这种电场具有一定的典型性。

同心圆球电极电场 由两个同心圆球形电极组成(图1)若内球半径为r1，外球半径为r2，极间所加电压为U，两极间介质的介电常数为ε，则两球电极间的电场强度(E)为

两球间电容(C)为

内电极表面电场强度最高,其值为＝r

2U/(r

1

d),电场不均匀系数（见不均匀电场）为f＝r

2

/r

1

。在

其他条件不变的情况下, 内电极表面的电场强度随r

1的大小而变，当r

1

＝0.5r

2

时，最小。若外

球半径r

2趋于无穷大，则电场转变为孤立圆球(半径r

1

)电场。圆球周围电场强度为E＝r

1

U/r2；圆球电容

(C)为C＝4εr

1。球表面电场强度最高，其值为＝U/r

1

。

高电压技术中，可将一些电场简化为同心圆球电极电场进行近似计算。例如对图2所示高压试验变压器套管上端球形电极与试验室墙之间的电场，可近似看作为同心圆球电极间的电场，内圆球半径为r，外圆球半径为r＋d。

分离圆球电极电场 由两个直径相同、相隔一定距离的圆球电极构成（图3）, 其间电场可用

近似方法计算。对图3所示两圆球电极球电极半径r，极间距离d，其电位分别为

电场,可用位于两球电极球心连线上的点电荷＋q及-q的电场来近似代替。

点电荷所在位置应满足下述关系

而

球隙中的最大电场强度出现在A点和B点，其值为

式中f为电场不均匀系数

随着d/r的上升，f增加很快。球隙电容为

当两球电极中有一球接地时，若仍应用以上公式进行计算，会与实际情况有较大偏差。高压试验室中用来测量高电压的测量球隙是分离圆球电极电场的一个例子。

谈克雄