沖擊擊穿電壓下空氣的擊穿

一、標(biāo)準(zhǔn)波形

作用時(shí)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(guò)電壓是一種沖擊電壓，當(dāng)雷擊設(shè)備時(shí)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(biāo)準(zhǔn)波形，如圖1-9所示。規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)波形，可使所得結(jié)果互相比較。沖擊波波形，可由波頭長(zhǎng)度τ₁及波長(zhǎng)τ₂加以確定。由于實(shí)驗(yàn)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(diǎn)及幅值的位置。因此，波頭的確定采用了等值的斜角波頭。國(guó)標(biāo)GB 311.1-2012中規(guī)定雷電沖擊標(biāo)準(zhǔn)放形的參數(shù)為τ₁=1.5±0.2μs，τ₂=40±4μs?，F(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(duì)地而言的極性)。標(biāo)準(zhǔn)波形通常可以用符號(hào)士1.2/50μs表示，如圖1-9所示。波頭的量測(cè)方法是取0.3U_m與0.9U_m的兩點(diǎn)a、b，直線ab與U_m處的水平線和時(shí)間軸之交點(diǎn)的連線OM即為波前，波頭時(shí)間τ₁是a、b兩點(diǎn)時(shí)間間隔的1.67倍。波長(zhǎng)時(shí)間則從O點(diǎn)量至波幅下降至0.5U_m時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間處(τ₂)，為模仿線路上有放電點(diǎn)將波截?cái)鄷r(shí)的情況，我國(guó)還規(guī)定了截?cái)鄷r(shí)間τ_c=2～5μs的截波波形。

二、擊穿時(shí)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(kāi)始出現(xiàn)電壓到擊穿所需的時(shí)間稱為擊穿時(shí)間或全部放電時(shí)間。由三個(gè)部分組成：

(1)升壓時(shí)間t₀為電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓U₀所需的時(shí)間。

(2)統(tǒng)計(jì)時(shí)延t_s為從電壓達(dá)到U₀的瞬間起到間隙中形成第一個(gè)有效電子為止的時(shí)間。

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

有效電子是指能引起一系列的游離過(guò)程，最后導(dǎo)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(guò)程，所以不會(huì)形成有效電子。即使時(shí)間到達(dá)t₀，電壓達(dá)到U₀，擊穿過(guò)程也可能還沒(méi)有開(kāi)始，因?yàn)橛行щ娮拥某霈F(xiàn)具有偶然性，不一定在電壓達(dá)到U₀時(shí)就立刻形成，所以間隙中出現(xiàn)有效電子的時(shí)間也可能要比t₀長(zhǎng)。有效電子何時(shí)出現(xiàn)是一個(gè)隨機(jī)事件，故統(tǒng)計(jì)時(shí)延t_s具有分散性。有效電子出現(xiàn)后，間隙中開(kāi)始出現(xiàn)各種游離過(guò)程，放電開(kāi)始發(fā)展，經(jīng)放電形成時(shí)延t_f后使間隙擊穿。因?yàn)橛绊懛烹姲l(fā)展過(guò)程的因素較多，所以t_f也具有分散性。

擊穿時(shí)間t₀可表達(dá)為

t_b= t₀+ t_s+ t_f

t_s、t_f兩個(gè)分量之和稱為放電時(shí)延t₁，即

t₁= t_s+ t_f

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

平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延和電壓大小、照射強(qiáng)度等很多因素有關(guān)。平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延隨間隙所加電壓增加而減少。這是因?yàn)殚g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(jì)時(shí)延，利用球隙測(cè)量沖擊電壓時(shí)，有時(shí)需采用這一措施。在極不均勻電場(chǎng)內(nèi)，由于電場(chǎng)局部增強(qiáng)，出現(xiàn)有效電子的概率增加，所以其平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延較小，并且和外游離因素強(qiáng)度的關(guān)系也較小了。

在較長(zhǎng)間隙中，放電時(shí)延主要決定于放電形成時(shí)延，在比較均勻的電場(chǎng)中，由于間隙中各點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度相差不大，放電發(fā)展速度快，所以放電形成時(shí)延較短。在極不均勻電場(chǎng)中則放電形成時(shí)延較長(zhǎng)。顯然，間隙上外施電壓增加，放電形成時(shí)延也會(huì)減小。

三、雷電沖擊50%擊穿電壓(U_50%)

由于完成擊穿過(guò)程需要一定時(shí)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(biāo)準(zhǔn)波形評(píng)定絕緣的沖擊特性。

在持續(xù)電壓作用下，當(dāng)氣體狀態(tài)不變時(shí)，一定距離的間蹤，其擊穿電壓具有確定的數(shù)值，當(dāng)間隙上的電壓升高達(dá)到擊穿電壓時(shí)，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(dāng)電壓幅值很低時(shí)，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(chǎng)太弱，游離過(guò)程根本不能發(fā)展；或者游離過(guò)程已可發(fā)展起來(lái)，但所需的放電時(shí)間超過(guò)了外施電壓作用時(shí)間(沖擊波尾電壓已很低不可能引起放電過(guò)程)，擊穿仍不能實(shí)現(xiàn)。隨外施電壓增高，放電時(shí)延縮短。因此，當(dāng)電壓幅值增高到某一定值時(shí)，由于放電時(shí)延有分散性，對(duì)于較短的放電時(shí)延，擊穿已有可能發(fā)生。即在多次施加電壓時(shí)，擊穿有時(shí)發(fā)生，有時(shí)不發(fā)生。隨電壓幅值繼續(xù)升高，多次施加電壓時(shí)，間隙擊穿的百分比越來(lái)越增加。最后，當(dāng)電壓幅值超過(guò)某一值后，間隙在每次施加電壓時(shí)都將發(fā)生擊穿。從說(shuō)明間隙絕緣耐受沖擊電壓的絕緣能力來(lái)看，當(dāng)然希望求得剛好發(fā)生擊穿時(shí)的電壓，但這個(gè)電壓值在實(shí)驗(yàn)中很難準(zhǔn)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(shí)，其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷?，以此?lái)反映間隙的耐受沖擊電壓的特性。

1.均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中的擊穿電壓

在均勻電場(chǎng)和稍不均電場(chǎng)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(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中的沖擊系數(shù)等于1。由于放電時(shí)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(chǎng)中的擊穿電壓

在極不均勻電場(chǎng)中，由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，通常沖擊系數(shù)大于1，擊穿電壓的分散性也大些，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取為3%，在50%擊穿電壓下，當(dāng)間隙較長(zhǎng)時(shí)，擊穿通常發(fā)生在波尾。

標(biāo)準(zhǔn)波形下，棒一棒及棒一板空氣間隙的雷電沖擊50%，穿電樂(lè)U_50%和間隙距離d的關(guān)系見(jiàn)圖1-11，從圖中可見(jiàn)棒一板間隙有明顯的極性效應(yīng)，間隙距離更大時(shí)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(shí)間的關(guān)系來(lái)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(shí)驗(yàn)方法求取。即在間隙上施加一系列標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間用示波器測(cè)出來(lái)。然后以時(shí)間t為橫軸，電壓u為縱軸，記錄于坐標(biāo)紙上連成曲線，即得伏秒特性曲線。電壓的取法是當(dāng)沖擊電壓波幅值較低時(shí)，擊穿發(fā)生在波尾部分，此時(shí)不取擊穿時(shí)的電壓值。而取在間隙上曾作用過(guò)的電壓最大值，作為縱坐標(biāo)。當(dāng)沖擊電壓波幅值較高時(shí)，擊穿發(fā)生在波首部分，這時(shí)加于間隙上的最大電壓值就是擊穿時(shí)的電壓值，取這個(gè)電壓值作為縱坐標(biāo)。

當(dāng)每級(jí)電壓下只有一個(gè)放電時(shí)間時(shí)，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(shí)間是具有分散性的，于是在每級(jí)電壓下可得一系列放電時(shí)間，所以實(shí)際上伏秒特性是以上下包絡(luò)線為界的一個(gè)帶狀區(qū)域，如圖1-13所示。

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

伏秒特性對(duì)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(duì)S₁起保護(hù)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(shí)，S₂能對(duì)S₁起保護(hù)作用，但在高幅值沖擊電壓作用時(shí)，S₂就不起保護(hù)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(jiàn)，單是50% 沖擊擊穿電壓不能充分說(shuō)明間隙的沖擊擊穿特性。在考慮不同間隙的絕緣配合時(shí)，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(hù)設(shè)備的伏秒特性總希望平坦一些，即采用電場(chǎng)較均勻的結(jié)構(gòu)。