不均匀电场不均匀电场

电场的不均匀程度用电场不均匀系数ƒ表征：

为场域中的最大电场强度值。均匀电场的ƒ等于1,不均匀电场的ƒ总是大于1,即ƒ≥1。电场不均匀系数的倒数称为绝缘利用系数η，η=1/ƒ，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。

两块靠近的大小相等，互相正对并且互相平行的金属板，分别带有等量异种电荷时，它们间的电场除边缘外，都是匀强电场。[1]

（1）电场强度方向处处相同，所以电场线是平行线。[1]

（2）电场强度大小处处相等，要求电场线疏密程度相同，就是电场线分布均匀。[1]

（3）带电粒子在均匀电场中受到恒定的电场力作用。

匀强电场的电场线，是疏密相同的平行的直线。

在匀强电场中，E=U/d ，U为两点间电势差，d为沿电场线方向的距离，单位是：伏/米(v/m)或牛/库(N/C)。

其物理意义为：沿电场线方向单位长度的电势降落，单位长度电压越大，场强越大。

注意：此公式只适用于匀强电场。 公式中的d是指电场中两点间的距离沿电场方向的投影。电荷在其中受到恒定电场力作用，带电粒子在其中只受电场力时做匀变速运动。

电场中各点场强大小相等，方向相同，该区域电场为匀强电场，也可称作均匀电场。[1]

只要有电荷存在的地方，其周围就一定存在电场，通过电磁感应就可能对人体或设备带电。因此，带电作业必须了解电场基本知识，加强防护措施。

根据电场强度的均匀程度，电场可以分为均匀电场与不均匀电场。

在均匀电场中，各点的电场强度的大小，方向都相同，如图2 (a)所示平板电容器中间 部分的电场即为均匀电场。上述情况以外的电场都是不均匀电场；按不均匀程度的差别，又可分为稍不均匀电场和极不均匀电场。稍不均匀电场如球距不大于球的直径的球间隙电场，如图2(b)所示，极不均匀电场如棒一板间隙电场及棒一棒间隙电场，如图2(c)、（d)所示。棒一棒间隙电场属于对称的稍不均匀电场，棒一板间隙电场则属于不对称的不均匀电场。前者比后者稍均匀些。

分析绝缘结构的击穿时，不仅要考虑绝缘距离，而且还要考虑电场不均匀程度的影响。对于同样距离的间隙，电场愈不均匀，通常击穿电压愈低。电气设备中的电场大多为不均匀电场，为了提高绝缘结构的击穿电压，必须设法减小电场的不均匀程度。

电极表面的电场强度与其表面的电荷密度成正比。在电极的尖端或边缘，如图2(a)及（e)所示，由于曲率半径小，表面电荷密度大，电力线密集，电场强度高，容易发生局部放电。这种现象称为尖端效应或边缘效应。电极的边缘或尖端是造成极不均匀电场的重要原因，所以工程上常需要改善电极形状，避免电极表面曲率半径过小或出现尖角 。

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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Eav的比值，即

f=Emax/Eav

Eav=U/d

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1 4。2100433B

与均匀及稍不均匀电场不同，在极不均匀电场中，各种电压下空气间隙击穿电压的差别比较明显，分散性也较大。当电场分布不对称时，极性效应显著，正极性时空气间隙的击穿电压低于负极性击穿电压。通常选择棒-板电极和棒-棒电极作为典型电极，分别代表了不对称分布和对称分布极不均匀电场的极端情况。在没有合适的试验数据可供使用时，可参照棒-板或棒-棒间隙的试验数据来近似估计极不均匀电场空气间隙的击穿电压。间隙距离相同时，棒电极为正极性的棒-板间隙的击穿电压比棒为负极性时低得多，而棒-棒间隙的击穿电压介于两者之间。

(1)直流电压下的击穿电压：试验表明，在间隙距离小于3m时，击穿电压与间隙距离呈线性关系。对棒-板电极，棒为正极性时，平均击穿场强为4.5kV/cm;棒为负极性时约为10kV/cm。对棒-棒电极，平均击穿场强约为4.8～5.0kV/cm。

(2)工频电压下的击穿电压：棒-板电极间施加工频电压时，击穿总是在棒的极性为正、电压达到峰值时发生。图1所示为空气间隙的工频击穿电压U₅₀与间隙距离d的关系。随着d的增加，U₅₀的增加逐渐趋于缓慢，即具有饱和现象。击穿电压的标准差σ约为U₅₀的3%。 2100433B

在稍不均匀电场中，直到击穿为止不发生电晕，各种电压下的50%击穿电压实际上都相同，击穿电压的分散性也不大。当电场分布不对称时，具有不很明显的极性效应，负极性时空气间隙的击穿电压稍低于正极性时击穿电压。稍不均匀电场中，空气间隙的击穿电压与电场的不均匀程度有关，电场分布越是趋于均匀，同样间隙距离时的击穿电压就越高，其极限就是均匀电场中的击穿电压。可近似认为：稍不均匀电场中的最大场强达到30kV/cm时，间隙将击穿。此时，击穿电压的估算公式为U₅₀=30d/f，kV。式中d为间隙距离，cm;f为电场不均匀系数，是最大场强与平均场强之比。