電壓下氣隙的擊穿特性

電壓一般是指持續時間很短，只有約幾個微妙到幾十個微秒的非周期性變化的電壓。由產生的過電正就屬于這樣的電壓。由于電壓作用時間短到可以與放電需要的時間相比擬，所以空氣間隙在電壓作用下有著一系列的特點，本節將介紹空氣間隙在電壓作用下所顯現的一些主要放電特性。

一、標準波形

為了檢驗絕緣耐受電壓的能力，在實驗室中可以利用電壓發生器產生高壓，以模擬放電引起的過電壓。為了使所得到的結果可以互相比較，需要規定標準波形。標準波形是根據電力系統中大量實測得到的過電壓波形制訂的。我國規定的電壓標準波形如圖1-14所示。電壓波形由波前時間T₁及半峰值時間T₂來確定。由于實驗室中一般用示波器攝取的電壓波形圖在原點附近往往模糊不清，波峰附近波形較平，不易確定原點及峰值的位置，因此視經過0.3U_m和0.9U_m，兩點的直線構成的視在斜角波前(圖1-14)。我國國家標準規定的沖電壓標準波形的參數與國際標準IEC規定的相同，T₁=(1.2±30%)μs，T₂=(50±20%)μs。沖電壓除了T₁及T₂外，還應指出其極性(不接地電極相對于地而言的極性)。標準波形道?？梢杂梅?/span>±1.2/50μs表示。

二、放電時延

圖1-15表示電壓作用下空氣間隙的電壓擊穿波形。設經過時間t₁后，電壓由零升到間隙的靜態電壓擊穿(即直流或工頻電壓擊穿幅值)U₀時，間隙并不能立即擊穿，而要經過一定的時間間隔t₁，到達t₂時才能完成擊穿。為此，首先必須在陰級附近出現一個有效電子，通常把電壓達間隙的靜態電壓擊穿U₀開始到間隙中出現第一個有效電子為止所需的時間稱為統計時延，用t_s表示。由于間隙中自由電子的出現與許多不能準確估計的因素有關，特別是在依賴自然界的宇宙線等輻射產生游離的情況下更是如此，而由此產生的自由電子也不一定都能成為有效電子。因為有的電子可能因擴散而消失，有的可能附著在分子上成為負離子，

因此統計時延t_s有分微。從第一個有效電子到間隙完成擊穿，還需要一定的放電發展時間，稱為放電形成時延，用t_f表示。t_f包括從電子崩、流注到主放電的發展所需的時間，由于受各種偶然因素的影響，t_f也具有分放性。t_s和t_f均服從統計規律。

氣體間隙在電壓作用下擊穿所需的全部時間為 

t=t₁+t_s+t_f   (1-16)

式中t_s+t_f—放電時延，用t₁表示。

在電場比較均勻的短間隙(如球隙中)，t₁比較穩定，其也較小，這時統計時延t_s實際上就是放電時延。

統計時延t_s和外加電壓大小、光照射強度等很多因素有關。t_s隨間隙上外施電壓的增加而減小，這是因為此時間隙中出現的自由電子轉變為有效電子的概率增加的緣故。若用紫外線等高能射線照射間隙，使陰極釋放出更多的電子，就能減少t_s，利用球隙測量電壓時，有時需采用這一措施。極不均勻電場的間隙，如棒一板間隙中，由于在局部強電場區較早地出現游離，出現有效電子的概率增加，所以t_s較小，放電時延主要取決于t_f，特別是當間隙距離較大時，t_f較長。若增加間隙上的電壓，則電子的運動速度及游離能力都會增大，從而使t_f減小。

三、50%放電電壓 U_50%

在持續電壓作用下，當氣體狀態不變時，一定距離的間隙，其電壓擊穿具有確定的數值，當間隙上所加的電壓達到其電壓擊穿時，其間隙即被擊穿。

為了求得在電壓作用下空氣間隙的電壓擊穿，應保持電壓的波形不變，逐漸升高電壓的幅值。在此過程中發現，當電壓的幅值很低時，每次施加電壓間隙都不擊穿；隨著外施電壓的升高，放電時延縮短，因此，當電壓幅值增加到某一定值時，由于放電時延有分散性，對下較短的放電時延，擊穿有可能發生。即在多次施加此電壓時，擊穿有時發生，有時不發生；隨著電壓幅值的繼續升高，多次施加電壓時間隙擊穿的百分比越來越高；最后當電壓的幅值超過某一值后，間隙在每次施加電壓時都將發生擊穿。從說明間隙耐受電壓的能力看，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缺求得，所以工程上采用了50%放電電壓，用U_50%表示，U_50%就是指在該電壓作月下，放電的概率為50%。實際上U_50%和絕緣的低放電電壓已相差不遠，故可用U_50%來反映絕緣耐受電壓的能力。

50%主穿電與靜態電壓擊穿的比值，稱為絕緣的系數，用β表示，即

式中 U₀——工頻電壓擊穿的幅值。

在均勻電場和稍不均勻電場中，由于放電時延縮短，電壓擊穿的分散性小，其系數實際上等于1，且在U_50%作用下，擊穿通常發生在波前峰值附近；在極不均勻電場中，由于放電時延較長，電壓擊穿的分散性也大，故系數通常大于1，且在U_50%作用下，擊穿通常發生在波尾

在標準擊電壓波作用下，棒一棒及棒一板空氣間隙50%放電電壓與間隙距離的關系如圖1-16所示。

從圖1-16中可見，棒一板間隙有明顯的極性效應。棒一棒間隙也有不大的極性效應，這是由于大地的影響，使不接地的下的棒極附近電場增強的緣故。在圖中所示范圍內，電壓擊穿U_50%和間隙距離S呈直線關系。

四、伏秒特性

由于電壓持續時間短，放電時延不能忽略不計，所以上述50%電壓擊穿不能說明間隙的擊穿特性。例如，兩個間隙并聯，在不同幅值的電壓作用下，就不一定是50%電壓擊穿低的那個間隙先擊穿了。因為間隙的電壓擊穿還必須和電壓的作用時間聯系起來，才好確定間隙的擊穿特性。

間隙在工頻電壓及直流電壓作用下，電壓變化的速度相對于放電過程來說，總是非常緩慢的，故可用某個確定的電壓擊穿值來表示某間隙的絕緣強度。兩個間隙并聯，在持續電壓作用下，總是電壓擊穿低的那個間隙先擊穿。然而電壓作用時間以微秒計，故間隙的擊穿特性就必須考慮到放電時間的作用。

同一波形、不同幅值的電壓作用下，間隙上出現的電壓最大值和放電時間的關系曲線，稱為間隙的伏秒特性曲線。工程上常用伏秒特性曲線來表征間隙在電壓作用下的擊穿特性。

伏秒特性可用實驗方法求取。對丁某一間隙施加電壓，并保持其標準的電壓波形不變，逐漸升高電壓幅值，得到該間隙的放電電壓U與放電時間t的關系，則可繪出伏秒特性，如圖1-17所示。作圖時要注意，當擊穿發生在波尾時，伏秒特性上該點的電壓值應取電壓的幅值，而不是擊穿時的電壓值。

由于放電時間具有分散性，同一個間隙在同一幅值的標準電壓波的多次作用下，每次擊穿所需的時間不同，故在每級電壓下，可得到一系列的放電時間，故伏秒特性曲線實際上是以上、下包絡線為界的一個帶狀區域，如圖1-18所示。

間隙的伏秒特性形狀與極間電場分布有關。對于均勻或稍不均勻電場，由于擊穿時的平均場強較高，放電發展較快，放電時延較短，故間隙的伏秒特性曲線比較平坦，如圖1-18曲線2所示，而且分散性也較小，僅在放電時間極短時，略有上翹，這是由于統計時延的縮短需要提高電壓的緣故。由于均勻及稍不均勻電場的伏秒特性曲線除在很短一部分的上翹以外，很大一部分曲線是平坦的，其50%電壓擊穿和靜態電壓擊穿相一致。由于上述這種性質，故在實踐中常常利用電場比較均勻的球間隙作為測量靜態電壓和電壓的通用儀表。

對于極不均勻電場中的間隙，其平均擊穿場強較低，放電形成時延t_f受電壓的影響大，t_f較長且分散性也大，其伏秒特性曲線在放電時間還相當大時，便隨時間t之減少而明顯地上翹，曲線比較陡，如圖1-18曲線1所示。而且，即使在電壓作用時間較長(擊穿發生在波尾)時，電壓擊穿也高于靜態電壓擊穿。

間隙的伏秒特性在考慮保護設備(如保護間隙或避雷器)與被保護設備(如變壓器)的絕緣配合上具有重要的意義。在圖1-19和圖1-20中，S₁表示被保護設備絕緣的伏秒特性，S₂表示與其并聯的保護設備絕緣的伏秒特性。圖1-19所示S₂總是低于S₁，說明在同一過電壓作用下，總是保護設備先動作(或間隙先擊穿)，從而限制了過電壓的幅值，這時保護設備就可對被保護設備起到了可靠的保護作用，但若S₂與S₁相交，如圖1-20所示，雖然在放電時間長的情況下保護設備有保護作用，但在放電時間很短時，保護沒備的電壓擊穿已高于被保護設備絕緣的電壓擊穿，被保護設備就有可能先被擊穿，因而此時保護設備已起不到保護作用了。

伏秒特性是防雷設計中實現保護設備和被保護設備間絕緣配合的依據。為了使被保護設備得到可靠的保護：被保護設備絕緣的伏秒特性曲線的下包線必須始終高于保護設備的伏秒特性曲線的上包線。為了得到較理想的絕緣配合，保護設備絕緣的伏秒特性曲線總希望平坦一些，分散性小一些，即保護設備應采用電場比較均勻的絕緣結構。