沖擊擊穿電壓下空氣的擊穿

一、標準波形

作用時間短暫的電壓稱為沖擊電壓，在沖擊電壓作用下空氣間的擊穿具有新的特性。

雷電在電力系統(tǒng)中造成的過電壓是一種沖擊電壓，當雷擊設(shè)備時能造成高的電壓，這是電力系統(tǒng)發(fā)生事故的重要因素。雷電沖擊電壓波的標準波形，如圖1-9所示。規(guī)定標準波形，可使所得結(jié)果互相比較。沖擊波波形，可由波頭長度τ₁及波長τ₂加以確定。由于實驗室中獲得的沖擊電壓的波頭起始部分及幅值部分比較平坦，故在示波圖上不易確定原點及幅值的位置。因此，波頭的確定采用了等值的斜角波頭。國標GB 311.1-2012中規(guī)定雷電沖擊標準放形的參數(shù)為τ₁=1.5±0.2μs，τ₂=40±4μs。現(xiàn)用的波形參數(shù)為1.2/50μs，此外，還應(yīng)指出其極性(不接地電極相對地而言的極性)。標準波形通?？梢杂梅柺?.2/50μs表示，如圖1-9所示。波頭的量測方法是取0.3U_m與0.9U_m的兩點a、b，直線ab與U_m處的水平線和時間軸之交點的連線OM即為波前，波頭時間τ₁是a、b兩點時間間隔的1.67倍。波長時間則從O點量至波幅下降至0.5U_m時對應(yīng)的時間處(τ₂)，為模仿線路上有放電點將波截斷時的情況，我國還規(guī)定了截斷時間τ_c=2～5μs的截波波形。

二、擊穿時間

圖1-10所示為沖擊電壓下空氣間隙的擊穿電壓波形。間原從開始出現(xiàn)電壓到擊穿所需的時間稱為擊穿時間或全部放電時間。由三個部分組成：

(1)升壓時間t₀為電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓U₀所需的時間。

(2)統(tǒng)計時延t_s為從電壓達到U₀的瞬間起到間隙中形成第一個有效電子為止的時間。

(3)放電形成時延t_f為從形成第一個有效電子的瞬間起到間隙完成擊穿為止的時間。

有效電子是指能引起一系列的游離過程，最后導致間隙被擊穿的電子。在t₀以前，因電壓小于U₀，間隙不可能發(fā)展擊穿過程，所以不會形成有效電子。即使時間到達t₀，電壓達到U₀，擊穿過程也可能還沒有開始，因為有效電子的出現(xiàn)具有偶然性，不一定在電壓達到U₀時就立刻形成，所以間隙中出現(xiàn)有效電子的時間也可能要比t₀長。有效電子何時出現(xiàn)是一個隨機事件，故統(tǒng)計時延t_s具有分散性。有效電子出現(xiàn)后，間隙中開始出現(xiàn)各種游離過程，放電開始發(fā)展，經(jīng)放電形成時延t_f后使間隙擊穿。因為影響放電發(fā)展過程的因素較多，所以t_f也具有分散性。

擊穿時間t₀可表達為

t_b= t₀+ t_s+ t_f

t_s、t_f兩個分量之和稱為放電時延t₁，即

t₁= t_s+ t_f

短間隙(1cm以下)中，特別是電場比較均勻時，相比之下放電形成時延甚小，這時統(tǒng)計時延實際上就等于全部放電時延。山于每次放電統(tǒng)計時延大小不一，故通常討論其平均值，稱平均統(tǒng)計時延。

平均統(tǒng)計時延和電壓大小、照射強度等很多因素有關(guān)。平均統(tǒng)計時延隨間隙所加電壓增加而減少。這是因為間隙中出現(xiàn)自由電子轉(zhuǎn)變?yōu)橛行щ娮拥母怕试黾又?。用紫外線等高能射線照射間隙，使陰極釋放更多電子，也能減少平均統(tǒng)計時延，利用球隙測量沖擊電壓時，有時需采用這一措施。在極不均勻電場內(nèi)，由于電場局部增強，出現(xiàn)有效電子的概率增加，所以其平均統(tǒng)計時延較小，并且和外游離因素強度的關(guān)系也較小了。

在較長間隙中，放電時延主要決定于放電形成時延，在比較均勻的電場中，由于間隙中各點電場強度相差不大，放電發(fā)展速度快，所以放電形成時延較短。在極不均勻電場中則放電形成時延較長。顯然，間隙上外施電壓增加，放電形成時延也會減小。

三、雷電沖擊50%擊穿電壓(U_50%)

由于完成擊穿過程需要一定時間，所以間隙的沖擊擊穿特性和外施電壓波形有關(guān)。通常都采用標準波形評定絕緣的沖擊特性。

在持續(xù)電壓作用下，當氣體狀態(tài)不變時，一定距離的間蹤，其擊穿電壓具有確定的數(shù)值，當間隙上的電壓升高達到擊穿電壓時，則間隙擊穿。

為了知道在沖擊電壓下空氣間隙的擊穿電壓，應(yīng)使波形保持不變，逐漸升高電壓的幅值，當電壓幅值很低時，每次施加電壓，間隙都不擊穿，這或是由于電壓太低，間隙中電場太弱，游離過程根本不能發(fā)展；或者游離過程已可發(fā)展起來，但所需的放電時間超過了外施電壓作用時間(沖擊波尾電壓已很低不可能引起放電過程)，擊穿仍不能實現(xiàn)。隨外施電壓增高，放電時延縮短。因此，當電壓幅值增高到某一定值時，由于放電時延有分散性，對于較短的放電時延，擊穿已有可能發(fā)生。即在多次施加電壓時，擊穿有時發(fā)生，有時不發(fā)生。隨電壓幅值繼續(xù)升高，多次施加電壓時，間隙擊穿的百分比越來越增加。最后，當電壓幅值超過某一值后，間隙在每次施加電壓時都將發(fā)生擊穿。從說明間隙絕緣耐受沖擊電壓的絕緣能力來看，當然希望求得剛好發(fā)生擊穿時的電壓，但這個電壓值在實驗中很難準確求得。所以工程上采用50%沖擊擊穿電壓(U_50%)，即在多次施加電壓時，其中半數(shù)導致?lián)舸┑碾妷?，以此來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性。

1.均勻電場和稍不均勻電場中的擊穿電壓

在均勻電場和稍不均電場中，擊穿電壓分散性小，其雷電沖擊50%擊穿電壓和靜態(tài)擊穿電壓(即持續(xù)作用電壓下擊穿電壓)材差很小，所以可用持續(xù)作用電壓下的數(shù)據(jù)(直流、工頻擊穿電壓值)。50%沖擊擊穿電壓和持續(xù)作用電壓下擊穿電壓之比稱為沖擊系數(shù)。均勻電場和稍不均勻電場中的沖擊系數(shù)等于1。由于放電時延短，在50%擊穿電壓下，擊穿通常發(fā)生在波頭幅值附近

2.極不均勻電場中的擊穿電壓

在極不均勻電場中，由于放電時延較長，通常沖擊系數(shù)大于1，擊穿電壓的分散性也大些，其標準偏差可取為3%，在50%擊穿電壓下，當間隙較長時，擊穿通常發(fā)生在波尾。

標準波形下，棒一棒及棒一板空氣間隙的雷電沖擊50%，穿電樂U_50%和間隙距離d的關(guān)系見圖1-11，從圖中可見棒一板間隙有明顯的極性效應(yīng)，間隙距離更大時擊穿電壓和間隙距離呈直線關(guān)系。

四、伏秒特性

在工程上常用間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時間的關(guān)系來表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性，稱為伏秒特性。

伏秒特性用實驗方法求取。即在間隙上施加一系列標準波形的沖擊電壓使間隙擊穿，幅值出小到大逐漸升高，將每次作用在間隙上的電壓最大值和電壓作用時間用示波器測出來。然后以時間t為橫軸，電壓u為縱軸，記錄于坐標紙上連成曲線，即得伏秒特性曲線。電壓的取法是當沖擊電壓波幅值較低時，擊穿發(fā)生在波尾部分，此時不取擊穿時的電壓值。而取在間隙上曾作用過的電壓最大值，作為縱坐標。當沖擊電壓波幅值較高時，擊穿發(fā)生在波首部分，這時加于間隙上的最大電壓值就是擊穿時的電壓值，取這個電壓值作為縱坐標。

當每級電壓下只有一個放電時間時，則可繪得伏秒特性如圖1-12所示，為一根曲線。但如上述，放電時間是具有分散性的，于是在每級電壓下可得一系列放電時間，所以實際上伏秒特性是以上下包絡(luò)線為界的一個帶狀區(qū)域，如圖1-13所示。

伏秒特性曲線和間隙電場的均勻程度有關(guān)。對于不均勻電場，由于平均擊穿電場強度較低，而且流注總是從強電場區(qū)向弱電場區(qū)發(fā)展，放電速度受到電場分布的影響，所以放電時延長，分散性亦大，伏秒特性在放電時間還相當大時，便隨時間t之減少有明顯的向上翹，對于均勻或稍不均勻電場則相反，由于擊穿時平均場強較高，流注發(fā)展較快，放電時延較短，其伏秒特性較平坦，如圖1-14所示。

伏秒特性對于比較不同設(shè)備絕緣的沖擊擊穿特性具有重要意義，若某間S₁的50%沖擊擊穿電壓高于另一間隙S₂的數(shù)值，并且間隙S₁的伏秒特性始終位于間隙S₂之上，如圖1-14所示，則在同一電壓作用下，S₂都先于S₁擊穿，于是若將兩間隙并聯(lián)，S₂就可對S₁起保護作用。但若如圖1-15所示，間隙S₂及S₁的伏秒特性相交，則雖然在沖擊電壓幅值較低時，S₂能對S₁起保護作用，但在高幅值沖擊電壓作用時，S₂就不起保護作用了。也即，雖然S₁的50%沖擊擊穿電壓高于S₂的數(shù)值，但在較高幅值的沖擊波作用下，反而是S₁先擊穿，這就與持續(xù)電壓作用下的情況不同：由此可見，單是50% 沖擊擊穿電壓不能充分說明間隙的沖擊擊穿特性。在考慮不同間隙的絕緣配合時，為更全面地反映間隙的沖擊穿特性，就必須采用間隙的伏秒特性。保護設(shè)備的伏秒特性總希望平坦一些，即采用電場較均勻的結(jié)構(gòu)。