长沙理工大学《高电压技术》讲稿

图1－15 在正极性“棒－棒”气隙中自持放电前空间电荷对原电场的畸变

E0—原电场，Eq—空间电荷的电场，Ecom—合成电场

－E0(a)????EE0????????????－(b)Ecom?E0?EqEq(c)x0

1.4 雷电冲击电压作用下气体的击穿

冲击电压分为雷电冲击电压和操作冲击电压，前者是由雷电造成的幅值高、陡度大、作

EE0?Eq??Ecom?E0?Eq?Eq

图1－16 负极性“棒－板”间隙中自持放电前空间电荷对原电场的畸变

E0—原电场，Eq—空间电荷的电场，Ecom—合成电场

用时间极短的冲击电压；后者是由电力系统在操作或发生事故时，因系统状态发生突然变化引起的持续时间较长、幅值高于系统相电压几倍的冲击电压。不同于稳态电压，在冲击电压作用下空气间隙的击穿特性有着许多新的特点，并且雷电冲击电压与操作冲击电压下的特性也有很大不同。本节讨论在雷电冲击电压下空气间隙的击穿特性。

0?Eqx 13

一、雷电冲击电压标准波形

二、放电时延

u/Um雷电冲击电压是变化速

P度很快、作用时间很短的波，10.9其有效作用时间是以微秒计

的。实验表明：对空气间隙施

0.5加冲击电压，要使间隙击穿不0.3仅需要足够幅值的电压，有引t起电子崩并导致流注和主放

0T1电的有效电子，而且需要电压o'T2 作用一定的时间让放电得以

图1－17 标准雷电冲击电压波形 发展以至击穿。设对间隙施加

冲击电压，当经过时间t1后，电压升高到持续作用电压下的击穿电压Us（称为静态击穿电压）时，间隙并不立即击穿，而需要经过一定时间间隔tlag，才能击穿。因这时间隙中可能尚未出现有效电子，间隙中受到外界因素的作用出现自由电子需要一定时间，从t1开始到间隙中出现第一个有效电子所需的时间ts称为统计时延，这一电子的出现的所需时间是具有统计性的。从有效电子出现时刻起到产生电子崩、形成流注和发展到主放电，乃至间隙击穿完成所需的时间tf称为放电形成时延，它同样具有统计性。所以，冲击放电所需的全部时间为

tb?t1? ts? tf

（1－30）

式中，ts? tf称为放电时延，记为tlag，它是统计时延和放电形成时延的总和。

uUUS0t1tStftlag tb图1-18 冲击放电时间的组成t

研究表明：短间隙（几厘米内）中，特别是电场较均匀时，间隙中的电场到处都很强，放电发展速度快，放电形成时延短，此时ts>>tf，这种情况下tlag主要决定于ts。为了减小ts，一方面可提高外施电压使气隙中出现有效电子的概率增加，另一方面可采用人工光源照

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射，使阴极释放出更多电子。如用较小的球隙测冲击电压通常采取照射措施就是一例。在较长间隙中，电场不均匀，局部场强高，出现有效电子的概率增加，统计时延短，放电时延往往主要决定于tf，且电场越不均匀tf越长。 三、雷电50%冲击击穿电压（U50%）

在持续电压作用下，当气体状态不变时，间隙距离一定，击穿电压就具有确定的数值，当间隙上所加电压达到击穿电压时，间隙就被击穿。

由于冲击电压作用下放电有分散性，所以很难准确得到一个使间隙击穿的最低电压值，因此工程上采用50%冲击击穿电压（U50%）来描述间隙的冲击击穿特性，即在多次施加同一电压时，用间隙击穿概率为50％的电压值来反映间隙的耐受冲击电压的特性。

U50%(MV)3.53.02.52.01.521.010.5340123456d(m)

图 图1-19 “棒－棒”和“棒－板”长空气间隙的雷电50%冲击击穿电压和极间距离的关系1－19 “棒－棒”和“棒－板”长空气间隙的雷电50%冲击击穿电压和极间

距离的关系 1－正极性“棒－板”；2－正极性“棒－棒”；3－负极性“棒－棒”；4－负极

性“棒－板”；

四、伏秒特性

由于雷电冲击电压持续时间短，间隙的击穿存在放电时延现象，所以仅靠U50%冲击击穿电压来表征间隙击穿特性是不够的，还必须将击穿电压值与放电时间联系起来确定间隙的击穿特性，也就是伏秒特性，它是表征气隙击穿特性的另一种方法。

图1－20表示通过实验绘制气隙伏秒特性的方法，其步骤是保持间隙距离不变、保持冲击电压波形不变，逐级升高电压使气隙发生击穿，记录击穿电压波形，读取击穿电压值U与击穿时间t。注意到当电压不很高时击穿一般在波尾时间发生，当电压很高时，击穿百分比将达100%，放电时间大大缩短，击穿可能在波头时间发生。以图1－21三个坐标点为例说明绘制方法：击穿发生在波前时，U与t均取击穿时的值（图中2、3坐标点）；击穿发生在波尾时，U取波峰值，t取击穿时对应值（图中1坐标点）；将1、2、3各点连接起来，即可得到伏秒特性曲线。

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U3210tUb

图1－20 气隙伏秒特性曲线的绘制方法（虚线表示原始冲击电压波形）

12304t

图1－21 伏秒特性带与50%伏秒特性

1－上包线， 2－50%伏秒特性，3－下包线， 4－U50%

间隙的伏秒特性曲线的形状与间隙中的电场分布有关。在均匀电场和稍不均匀电场中，击穿时平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，伏秒特性曲线平坦；在极不均匀电场中，平均击穿场强较低，放电时延较长，放电分散性大，伏秒特性曲线较为陡峭。 1.5 操作冲击电压作用下气体的击穿

由于电力系统中存在电感和电容，在系统进行操作或发生故障时会引起振荡过程，产生很高的冲击电压，称为操作冲击电压。为保证高压电气设备安全运行，需要考核其操作冲击电压的耐受能力。

一、操作冲击电压标准波形

操作冲击电压的标准波形与雷电冲击电压类似，也是非周期性指数衰减波，如图1－23（a）所示。IEC标准和我国标准规定为，波头时间Tcr=250μs，容许偏差±20%；波尾时间T2=2500μs，容许偏差±60%。表示为±250/2500?s波，±符号的意思与雷电冲击电压波相同。由于原点和峰值点的位置较清晰，所以波头、波尾都为自然波头、自然波尾。此外，还建议采用一种衰减振荡波（如图1－23（b）所示），其第一个半波的持续时间为2000~3000μs；第二个半波为反极性，它的峰值约占第一个半波峰值的4/5。

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