在电力工程的大多数实际绝缘结构中，电场都是不均匀的。不均匀电场可分为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是极不均匀电场。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放电的迹象。而极不均匀电场（为叙述方便以下简称不均匀电场）中空气间隙的放电具有一系列的特点，因此，研究不均匀电场中气体放电的规律有很大的实际意义。
考虑到实际绝缘结构中电场分布形式的多样性，常用棒-棒（或针-针）和棒-板（或针-板）间隙的电场作为典型的不均匀电场来研究。工程上遇到不均匀电场时，可根据这两种典型电极的击穿电压数据来估算绝缘距离。如果实际的电场分布不对称（如输电线路的导线-地间隙），可参照棒-板电极的数据；如果实际的电场分布对称（如输电线路的导线-导线间隙），可参照棒-棒电极的数据。
（一）电晕放电现象
当电场不均匀时，间隙中的最大场强与平均场强相差很大。间隙中的最大场强通常出现在曲率半径小的电极表面附近。在其他条件相同的情况下，电极曲率半径越小，最大场强就越大，电场分布也就越不均匀。
棒-板电极的不均匀电场中，随间隙上所加电压的升高，在曲率半径小的棒电极附近空间的局部场强将先达到足以引起强烈游离的数值，在棒电极附近很薄的一层空气里将达到自持放电条件，于是在这一局部区域形成自持放电。但由于间隙中其余部分的场强较小，所以此游离区不可能扩展很大，仅局限在棒电极附近的强电场范围内。伴随着游离而存在的复合和反激发，发出大量的光辐射，在黑暗里可看到在该电极周围有薄薄的淡紫色发光层，有些像日月的晕光，故称电晕放电。这个发光层叫电晕层。由于游离层不可能向外扩展，所以，虽然电晕放电是自持放电，但整个间隙仍未击穿。要使间隙击穿，必须继续升高电压。电晕放电是不均匀电场所特有的一种自持放电形式，通常将开始出现电晕时的电压称为电晕起始电压，它小于间隙的击穿电压，电场越不均匀，两者的差值就越大。开始出现电晕时电极表面的场强称为电晕起始场强。电晕放电是不均匀电场的一个特征，通常把能否出现稳定的电晕放电作为区别不均匀电场和稍不均匀电场的标志。
工程上经常遇到不均匀电场，架空输电线就是其中一个例子。在阴雨等恶劣天气时，在高压输电线附近常常可听到电晕放电的咝咝声，夜晚还可看到导线周围有淡紫色的晕光。一些高压设备上也会出现电晕，电晕放电会带来许多不利的影响。电晕放电时产生的光、声、热的效应以及化学反应等都会引起能量损耗；电晕电流是多个断续的脉冲，会形成高频电磁波，它既能造成输电线路上的功率损耗，也能产生对无线电通信和测量的严重干扰；电晕放电还会使空气发生化学反应，形成臭氧及氧化氮等，不但产生臭味而且还产生氧化和腐蚀作用。所以应力求避免或限制电晕放电的产生。在超高压输电线路上普遍采用分裂导线来防止产生电晕放电。
当然，事物总是一分为二的，电晕放电在某些场合也有对人类有利的一面。例如，电晕可削弱输电线路上雷电冲击电压波的幅值和陡度，也可以使操作过电压产生衰减；人们可以利用电晕放电净化工业废气，制造净化水和空气用的臭氧发生器，发展静电喷涂技术和静电除尘等。
（二）电晕放电的起始场强
对于输电线路的导线，在标准大气条件下电晕起始场强EC（指导线的表面场强，交流电压下电压用峰值表示）的经验表达式为
（1-23）
式中 r——导线半径，cm。
式（1-23）表明，导线半径r越小，EC值越大，因为r越小，电场越不均匀。当r→∞时（即均匀电场的情况），EC=30 kV/cm，与前面1.4节“二”中给出的值是一致的。
对于非标准大气条件，要进行气体密度的修正，此时式（1-23）应改为
（1-24）
式中 ρ——气体的相对密度。
实际上导线表面并不是光滑的，所以对绞线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（雨水的水滴相当于在导线表面形成了凸起的导电物）可用系数m2加以考虑。此时式（1-24）应改写为
（1-25）
理想光滑导线的m1=1，绞线的m1 = 0.8～0.9，好天气时m2 =1，坏天气时m2可按0.8估算。
算得EC后就不难根据电极布置求得电晕起始电压U C。例如对于离地高度为h的单根导线可写出
（1-26）
对于距离为D的两根平行导线（D□r）则可写出
（1-27）
对于三相输电线路，式（1-27）中UC代表相电压，D为导线的几何均距，
。
（三）不均匀电场中的放电过程
现在以棒-板为例来研究不均匀电场中放电的发展过程。当逐步升高加在棒-板间隙上的电压时，将首先在场强最大的棒极端部出现电晕。当棒极端部曲率很小时，电晕开始时表面的高场强区很窄，所以电晕层很薄，而且较均匀。随着电压的升高，电晕层不断扩大，个别电子崩形成流注，电晕层就不再是均匀的，如果电极的曲率半径较大，则因高场强区较宽，电晕一开始就表规为比较强烈的流注形式。电压进一步升高，个别流注继续发展，最后流注贯通间隙，导致间隙完全击穿。
当间隙距离较长（S＞1m）时，在流注通道还不足以贯通整个间隙的电压下，仍可能发展起击穿过程。当棒-板间隙中，从棒极开始的流注通道发展到足够的长度后，将有较多的电子沿通道流向电极，电子在沿通道运动过程中， 由于碰撞引起气体温度升高，通道逐渐炽热起来。通道根部通过的电子最多，故流注根部的温度最高，当电子越多且根部越细时，根部的温度越高，可达数千度甚至更高，足以使气体产生热游离，于是从根部出发形成一段炽热的高游离火花通道，这个具有热游离过程的通道称为先导通道。由于先导通道中出现了新的更为强烈的游离过程，故先导通道中带电质点的浓度远大于流注通道，因而电导大，压降小。由于流注通道中的一部分转变为先导通道，就使得流注区头部的电场加强，从而为流注继续伸长到对面电极并迅速转变为先导创造了条件，这一过程称为先导放电。
当先导通道发展到接近对面电极时，在余下的小间隙中的场强可达到极大的数值，从而引起强烈的游离，这一强游离区又以极高的速度向相反方向传播，此过程称为主放电。当主放电形成的高电导通道贯穿两电极间隙后，间隙就类似被短路，失去其绝缘性能，击穿过程就完成了。
下面介绍长时电压（工频或直流）作用下空气间隙的放电特性。如图1.22所示为球-板空气间隙在工频电压作用下的特性。1、2分别为直径25cm、 50cm的球-板空气间隙的UF-S曲线，3为用作参照的棒-板U F-S曲线；实线表示未发生电晕放电时，虚线表示电晕放电状态。由图中可以看出：
图1.22 球-板空气间隙在工频电压作用下的特性
1—球直径25 cm； 2—球直径50 cm； 3—棒-板间隙；UF—击穿电压（实线）；
S—间隙距离；U0—电晕起电压（虚线）
（1）当间隙距离S增加到一定数值，球-板空气间隙将会在较低电压下出现电晕放电，间隙将由稍不均匀转变为极不均匀电场，当电压进一步升高时，才发生击穿。
（2）间隙的电晕起始电压U0主要取决于电极的表面形状，即其曲率半径，当球的直径越小，电晕起始电压就越低。
（3）随着间隙距离的增加，电场的不均匀程度逐步增大，间隙的平均击穿场强也逐渐由均匀电场的30 kV/cm左右逐渐减小到不均匀电场中的5 kV/cm以下。不均匀电场中的平均击穿场强之所以低于均匀电场，是由于前者在较低的平均场强下，局部的场强就已超过自持放电的临界值，形成电子崩和流注（长间隙中还有先导放电）。流注或先导导电通道向间隙深处发展，相当于缩短了间隙的距离，所以击穿就比较容易，需要的平均场强也就较低。
（4）在不均匀电场的情况下，不管是棒-板间隙或是不同直径的球-板间隙，击穿电压和距离的关系曲线都比较接近。这就是说，在不均匀电场中，击穿电压主要决定于间隙距离，而与电极形状的关系不大。因此在工程实践中常用棒-板或棒-棒这两种类型间隙的击穿特性曲线作为选择绝缘距离的参考。
（四）极性效应
对于电极形状不对称的棒-板间隙，击穿电压与棒的极性有很大的关系，这就是所谓的极性效应。极性效应是不对称的不均匀电场中的一个明显的特性。
在棒-板间隙上加上电压，无论棒的极性如何，间隙上的外加电场Ex分布总是很不均匀的。如图1.23及图1.24中曲线1所示，在曲率半径小的棒极附近的电场特别强。当此处的场强超过气体游离所需的电场强度时，气体开始游离，产生电子和正离子。当棒电极为正极时，正棒-负板间隙中游离产生的正空间电荷的分布如图1.23所示，在棒附近游离产生的电子首先形成电子崩。电子崩的电子迅速进入棒电极，留下来的正离子缓慢地向板极移动，于是在棒极附近就积聚起正空间电荷，这些正空间电荷在棒电极附近产生的附加电场Ee与外电场Ex方向相反，使紧贴棒极附近的总电场E减弱，棒极附近难以形成流注，从而使自持放电难以实现，即电晕放电难以实现，故其电晕起始电压较高；而正空间电荷在间隙深处产生的附加电场Ee与原电场Ex方向一致，加强了朝向板极的电场E，如图1.23所示，有利于流注向间隙深处发展，故其击穿电压较低。
当棒为负极时，负棒-正板间隙中，空间电荷的分布及电场状况如图1.24所示。棒端形成电子崩的电子迅速向板极移动，棒附近的正空间电荷缓慢地向棒极移动，正空间电荷在棒电极附近产生的附加电场Ee加强了朝向棒端的电场强度E，从而使棒附近容易形成流注，故容易形成自持放电，所以其电晕起始电压较低。在间隙深处，正空间电荷产生的附加电场Ee与原电场Ex方向相反，削弱了朝向板极方向的电场强度E，使放电的发展比较困难，因而击穿电压就较高。
图1.23 正棒-负板间隙中游离产生的正空间电荷对外电场的畸变作用
EX—外甩场；Ee—正空间电荷的电场
图1.24 负棒-正板间隙中游离产生的正空间电荷对外电场的畸变作用
Ex—外电场；Ee—正空间电荷的电场
当电极极性不同时，在直流电压作用下，棒-板与棒-棒空气间隙的直流击穿电压与间隙距离的关系如图1.25和图1.26所示，图中UF为间隙的直流击穿电压，S为间隙距离。由图可看出，棒-棒电极间的击穿电压介于极性不同的棒-板电极之间，这是可以理解的。因为棒-板间隙中有正极性尖端，放电容易由此发展，故其击穿电压比负棒-正板间隙低；但棒-棒间隙有两个尖端，即有两个强电场区域，而在同样间隙距离下，强电场区域增多后，通常其电场均匀程度会增加，因此棒-棒间隙的最大场强比棒-板间隙低，从而使击穿电压比正棒-负板间隙高。
在工频电压作用下，不同间隙的击穿电压UF和间隙距离S的关系如图1.27所示。棒-板间隙在工频电压作用下的击穿总是在棒的极性为正、电压达幅值时发生，并且其击穿电压（幅值）在直流电压下正棒-负板的击穿电压附近。从图1.27可知，除起始部分外，击穿电压与间隙距离近似成直线关系。棒-棒间隙的平均击穿场强3.8 kV（有效值）/cm或5.36 kV（幅值）/cm，棒-板间隙稍低一些，约为3.35 kV（有效值）/cm或4.8 kV（幅值）/cm 。
图1.25 棒-板、棒-棒气隙的直流UF-S关系
图1.26 棒-板、棒-棒长气隙的直流UF-S关系
图1.27 棒-棒、棒-板气隙的工频UF-S关系
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