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。

雷電在電力系統中造成的過電壓是一種沖擊電壓，當雷擊設備時能造成高的電壓，這是電力系統發生事故的重要因素。雷電沖擊電壓波的標準波形，如圖1-9所示。規定標準波形，可使所得結果互相比較。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中規定雷電沖擊標準放形的參數為τ₁=1.5±0.2μs，τ₂=40±4μs。現用的波形參數為1.2/50μs，此外，還應指出其極性(不接地電極相對地而言的極性)。標準波形通常可以用符號士1.2/50μs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擊穿電壓U₀所需的時間。

(2)統計時延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，所以間隙中出現有效電子的時間也可能要比t₀長。有效電子何時出現是一個隨機事件，故統計時延t_s具有分散性。有效電子出現后，間隙中開始出現各種游離過程，放電開始發展，經放電形成時延t_f后使間隙擊穿。因為影響放電發展過程的因素較多，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，這時統計時延實際上就等于全部放電時延。山于每次放電統計時延大小不一，故通常討論其平均值，稱平均統計時延。

平均統計時延和電壓大小、照射強度等很多因素有關。平均統計時延隨間隙所加電壓增加而減少。這是因為間隙中出現自由電子轉變為有效電子的概率增加之故。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，由于電場局部增強，出現有效電子的概率增加，所以其平均統計時延較小，并且和外游離因素強度的關系也較小了。

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。通常都采用標準波形評定絕緣的沖擊特性。

在持續電壓作用下，當氣體狀態不變時，一定距離的間蹤，其擊穿電壓具有確定的數值，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展；或者游離過程已可發展起來，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。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，擊穿已有可能發生。即在多次施加電壓時，擊穿有時發生，有時不發生。隨電壓幅值繼續升高，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，其中半數導致擊穿的電壓，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%擊穿電壓和靜態擊穿電壓(即持續作用電壓下擊穿電壓)材差很小，所以可用持續作用電壓下的數據(直流、工頻擊穿電壓值)。50%沖擊擊穿電壓和持續作用電壓下擊穿電壓之比稱為沖擊系數。均勻電場和稍不均勻電場中的沖擊系數等于1。由于放電時延短，在50%擊穿電壓下，擊穿通常發生在波頭幅值附近

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的關系見圖1-11，從圖中可見棒一板間隙有明顯的極性效應，間隙距離更大時擊穿電壓和間隙距離呈直線關系。

四、伏秒特性

在工程上常用間隙上出現的電壓最大值和放電時間的關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線為界的一個帶狀區域，如圖1-13所示。

伏秒特性曲線和間隙電場的均勻程度有關。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向弱電場區發展，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，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。保護設備的伏秒特性總希望平坦一些，即采用電場較均勻的結構。