雷电冲击下气体的击穿新

一、造成雷电形成原因    1

二、雷电冲击过电压的成因    1

三、雷电冲击电压标准波形    1

四、放电时延    2

五、雷电冲击50％击穿电压    3

1、均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压    4

2、极不均匀电场中的击穿电压    4

六、伏秒特性    4

1、制订伏秒特性的必要性    4

2、伏秒特性的制订方法    5

3、伏秒特性的用途    6

雷电冲击下气体的击穿

电力系统中雷电造成的过电压是一种冲击电压，持续时间极短。在冲击电压下空气问间隙的击穿具有与持续电压下不同的新的特性。雷击造成极高的电压，因此是对高压电力设备绝缘的重大威胁，是电力系统造成事故的重要因素。

一、造成雷电形成原因

雷电是雷云中积聚了大量电荷而在大气中引起的放电现象。出现了雷雨天气后，由于雷云的作用，局部地面上的电场强度剧增，一旦平均场强达到足够数值，就能使雷云和大地的空气发生火花放电，形成所谓的雷电放电。雷云中存在异号电荷，所以雷云内部也可发生雷电放电。但能造成危害的则显然主要是由雷云向地面发生的放电。绝大多数的雷电放电是负极性的(雷云带负电荷)，但也发现有正极性的雷电放电。

二、雷电冲击过电压的成因

雷电放电会在设备上造成高电压。在未发生雷电放电之前，雷云相对于地面可具有极高的静电位，然而被击中物体的电位和放电前的雷云电位是性质不同的两件事。实际上，地面上物体被雷电击中时所出现的高电压，是由于雷电放电的巨大冲击电流在物体及接地阻抗上产生了甚高的电压降落所引起的。当输电线路附近落雷时，由于雷电流引起附近电场及磁场发生强烈突变，线路上也可感应出                 很高的电压。因此，雷电巨大的冲击电流是其破坏力的根源，它能引起电位突然升高，同时还有热效应和力效应，损害设备，危害人身安全。

三、雷电冲击电压标准波形

雷电流具有冲击波形雷电流具合冲击波形，电流由零迅速上升到峰值，然后较缓慢地下降至零。雷电流的参数(峰值、波前时间、半峰值时间等)具有统计性。雷电流为冲击波形，故由雷电放电引起的高电压也具有冲击波形，所以需要研究

冲击电压下空气间隙的击穿特性。实验中利用冲击电压发生装置产生冲击电压以模拟雷电放电引起的过电压。为使所得结果可以互相比较，需规定标准波形。标淮波形是根据大量实测得到的雷电造成的电压波形制定的。我国规定的标准波形如下图所示，这是非周期性指数衰减波。雷电冲击电压波形由(视在)波的时间T及(视在)半峰值时间T加以确定。

四、放电时延

假设对气体间隙施加冲击电压，电压随着时间迅速由零上升至峰值后，又逐渐衰减(或保持不变)。可以发现，当时间经过t，电压升高到持续作用电压下的击穿电压U (称为静态击穿电压)时，间隙并不立刻击穿，而需经过t后，才能完成击穿。也就是说，为要造成击穿，不仅需要足够的电压，而且还必须有充分的电压作用时间，这是由于放电的发展需要一定的时间之故。于是间隙的冲击击穿电压就可能和电压随时间的变化规律有关，而不再是一个固定的数值。从而使间隙的冲击击穿特性的确定复杂化了。如下图所示：

在t以前，间隙实际上不可能发展击穿过程。但即使达到t时，击穿过程也可能还没有开始。原因是：①间隙中受到外界因素的作用而出现自由电子需要一定时间；②那些自由电子中后来有的结合成了负离子，有的扩散到间隙外面去了，根本没有引起电离过程；③有的即使己经引起了电离过程，但由于各种不利因素的巧合，电离又可能终止。因此，间隙中出现一个能引起电离过程并最终导致击穿的电子即所谓的有效电子需要更长的时间。由于上述各种过程都具有统计性。故出现有效电子的时间也遵循统计规律。从t开始，到间隙中出现一个有效电子所需的时间统称为统计时延t。然而间隙中出现有效电子，击穿过程才只是开始。从出现有效电子，引起强烈的电离过程，到击穿通道完全形成即间隙完全击穿，还需要一定时间，称为放电形成时延t。所以全部放电时间t由三部分组成，即 t= t+ t+ t。

五、雷电冲击50％击穿电压

由于完成击穿过程需要一定时间，所以间隙的冲击击穿特性和外施电压波形有关。通常都采用标准波形评定绝缘的冲击特性。

工程上当然也希望知道冲击电压下空气间隙的击穿电压。保持波形不变，逐渐升高电压的峰值。当电压峰值很低时，每次施加电压，间隙都不击穿。这是由于电压太低，间隙中电场太弱，电离过程根本不能发展，或者电离过程虽已可发展起来，但所需的放电时间超过了外施电压的作用时间(冲击电压虽可延续较长时间，但当电压降到很低时已不能引起放电过程)，击穿仍旧不能实现。随着外施电压增高，放电时延缩短。因此当电压峰值增高到某一定值时，内于放电时延有分散性，对于较短的放电时延，击穿已有可能发生。也就是说，在多次施加电压时，击穿有时发生，有时不发生：随着电压继续升高，多次施加电压时，间隙击穿的百分比越来越增加。最后，当电压超过某一值后，间隙在每次施加电压时都将发生击穿。说明间隙绝缘耐受冲击电压的绝缘能力来看，当然希望求得刚好发生击穿时的电压。但这个电压值在冲击实验中难于准确求得。所以工程上采用50％冲击击穿电压，即在多次施加电压时，其中半数导致击穿的电压，以此来反

映间隙的耐受冲击电压的特性。

1、均匀电场和稍不均匀电场中的击穿电压

在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿电压分散性小，其雷电冲击50％击穿电压和静态击穿电压(即持续作用电压下的击穿电压)相差很小，所以就可以应用前述持续作用电压下的数据(直流击穿电压、工频击穿电压峰值)。50％冲击击穿电压和持续作用电压下击穿电压之比(均取峰值)称为冲击系数。均匀电场和稍不均匀电场中的冲击系数等于l。由于放电时延短，50％击穿电压下，击穿通常发生在波头峰值附近。

2、极不均匀电场中的击穿电压

在极不均匀电场中，由于放电时延较长，通常冲击系数大于1，击穿电压的分散性也大一些，其标准偏差可取为3％。在50％击穿电压下，当间隙较长时，击穿通常发生在波尾。

标准波形下，棒一律及棒一板空气间隙的雷电冲击50％击穿电压和间隙距离的关系可以看出，棒一板间隙有明显的极性效应，棒一棒间隙也有不大的极性效应。

六、伏秒特性

1、制订伏秒特性的必要性

由于雷电冲击电压持续时间短，放电时延不能忽略不计，所以仅取上述50％冲击击穿电压不能完全说明间隙的冲击击穿特性。例如两个间隙并联，在不同峰值的冲击电压作用下，就不—定是50％冲击击穿电压低的那个间隙击穿了。以斜角波电压为例来说明考虑放电时延的必要性。在间隙上如缓慢地施加直流电压，当它达到静态击穿电压U后，间隙中就开始发展起击穿过程。但击穿需一定时间(t为放电时延)在此时间内电压还会继续上升一定数值，

于是击穿完成时间隙上的电压应为U+。不过由于电压上升平缓，t也极小，相对于U来说，是微不足道的。因此这个间隙的直流击穿电压就可以认为是一个确定值，等于其静态击穿电压U。还是这个间隙，现在施加斜角冲击电压，电压迅速上升，极大，并没放电时延仍为，显然，这时的数值就不能随便忽略了。间隙的击穿电压不再是U，而是U+了；是随而变化的。实际也受等的影响而有所不同。由此可见，现在必须和电压作用时间联系起来，才好确定间隙的击穿特性。

工频电压及直流电压作用下，间隙上电压增高的速度相对于放电过程来说，总是非常缓慢的，故可用某一比较确定的击穿电压值表示间隙的介电强度。如两个间隙并联，在持续作用电压下，也总是击穿电压低的那个间隙击穿。然而冲击电压作用时间以微秒计，情况不同，间隙的击穿持性就必须考虑到放电时间。

2、伏秒特性的制订方法

工程上用间隙山现的电压最大值和放电时间的关系来表征间隙在冲击电压下的击穿特性——伏秒持性。

伏秒特性用实验方法求取。保持标准波形不变，逐级升高电压。电压较低时，击穿发生在波尾。电压其甚高时，放电时间减至很小，击穿可发生在波头。在波尾击穿时，以冲击电压峰值作为纵坐标，以放电时间作为横坐标。在波头击穿时，还以放电时间作为横坐标，但以击穿时的电压作为纵坐标：这样，如每级电压下只有一个放电时间，则可绘得伏秒特性。但放电时间具有分散性，于是每级电压下可得一系列放电时间，所以实际伏秒特性是以上、下包络线为界的一个带状区域。如下图：

3、伏秒特性的用途

间隙伏秒特性的形状决定于电极间的电场分布。极不均匀电场中平均击穿场强较低，放电时延较长，因此其伏秒特性在放电时间还相当大时(约几微秒)，就已随后者减少而明显地翘向上方了。而在均匀及稍不均匀电场中平均击穿场强较高，相对来说放电时延较短，所以其伏秒特性就比较平坦。如下图：

伏秒特性对于比较不同设备绝缘的冲击击穿特性具有重要意义。若某间隙S的50％冲击击穿电压高于另一间隙S的数值，并且间隙S的伏秒特性始终位于间隙S之上（如上图），则在任意电压作用下，S都将先于S而击穿。于是若将两间隙并联，S就可对S起保护作用。若间隙S与 S的伏秒特性相交（如下图），虽然在冲击电压峰值较低时，S能对S起保护作用，但在高峰值冲击电压作用下，S就不起保护作用了。也就是说，虽然S的50％冲击击穿电压高于S的数值，但在较高峰值的冲击波作用下，反而是S先击穿。这就和持续作用电压下的情况不向。由此可见，单是50％冲击击穿电压不能充分说明间隙的冲击击穿特性。在考虑不同间隙冲击电压下的绝缘(强度)配合时，为了更全面地反映间隙的冲击击穿特性，就必须采用间隙的伏秒特性。

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