电压下气隙的击穿特性

电压一般是指持续时间很短，只有约几个微妙到几十个微秒的非周期性变化的电压。由产生的过电正就属于这样的电压。由于电压作用时间短到可以与放电需要的时间相比拟，所以空气间隙在电压作用下有着一系列的特点，本节将介绍空气间隙在电压作用下所显现的一些主要放电特性。

一、标准波形

为了检验绝缘耐受电压的能力，在实验室中可以利用电压发生器产生高压，以模拟放电引起的过电压。为了使所得到的结果可以互相比较，需要规定标准波形。标准波形是根据电力系统中大量实测得到的过电压波形制订的。我国规定的电压标准波形如图1-14所示。电压波形由波前时间T₁及半峰值时间T₂来确定。由于实验室中一般用示波器摄取的电压波形图在原点附近往往模糊不清，波峰附近波形较平，不易确定原点及峰值的位置，因此视经过0.3U_m和0.9U_m，两点的直线构成的视在斜角波前(图1-14)。我国国家标准规定的冲电压标准波形的参数与国际标准IEC规定的相同，T₁=(1.2±30%)μs，T₂=(50±20%)μs。冲电压除了T₁及T₂外，还应指出其极性(不接地电极相对于地而言的极性)。标准波形道常可以用符号±1.2/50μs表示。

二、放电时延

图1-15表示电压作用下空气间隙的电压击穿波形。设经过时间t₁后，电压由零升到间隙的静态电压击穿(即直流或工频电压击穿幅值)U₀时，间隙并不能立即击穿，而要经过一定的时间间隔t₁，到达t₂时才能完成击穿。为此，首先必须在阴级附近出现一个有效电子，通常把电压达间隙的静态电压击穿U₀开始到间隙中出现第一个有效电子为止所需的时间称为统计时延，用t_s表示。由于间隙中自由电子的出现与许多不能准确估计的因素有关，特别是在依赖自然界的宇宙线等辐射产生游离的情况下更是如此，而由此产生的自由电子也不一定都能成为有效电子。因为有的电子可能因扩散而消失，有的可能附着在分子上成为负离子，

因此统计时延t_s有分微。从第一个有效电子到间隙完成击穿，还需要一定的放电发展时间，称为放电形成时延，用t_f表示。t_f包括从电子崩、流注到主放电的发展所需的时间，由于受各种偶然因素的影响，t_f也具有分放性。t_s和t_f均服从统计规律。

气体间隙在电压作用下击穿所需的全部时间为 

t=t₁+t_s+t_f   (1-16)

式中t_s+t_f—放电时延，用t₁表示。

在电场比较均匀的短间隙(如球隙中)，t₁比较稳定，其也较小，这时统计时延t_s实际上就是放电时延。

统计时延t_s和外加电压大小、光照射强度等很多因素有关。t_s随间隙上外施电压的增加而减小，这是因为此时间隙中出现的自由电子转变为有效电子的概率增加的缘故。若用紫外线等高能射线照射间隙，使阴极释放出更多的电子，就能减少t_s，利用球隙测量电压时，有时需采用这一措施。极不均匀电场的间隙，如棒一板间隙中，由于在局部强电场区较早地出现游离，出现有效电子的概率增加，所以t_s较小，放电时延主要取决于t_f，特别是当间隙距离较大时，t_f较长。若增加间隙上的电压，则电子的运动速度及游离能力都会增大，从而使t_f减小。

三、50%放电电压 U_50%

在持续电压作用下，当气体状态不变时，一定距离的间隙，其电压击穿具有确定的数值，当间隙上所加的电压达到其电压击穿时，其间隙即被击穿。

为了求得在电压作用下空气间隙的电压击穿，应保持电压的波形不变，逐渐升高电压的幅值。在此过程中发现，当电压的幅值很低时，每次施加电压间隙都不击穿；随着外施电压的升高，放电时延缩短，因此，当电压幅值增加到某一定值时，由于放电时延有分散性，对下较短的放电时延，击穿有可能发生。即在多次施加此电压时，击穿有时发生，有时不发生；随着电压幅值的继续升高，多次施加电压时间隙击穿的百分比越来越高；最后当电压的幅值超过某一值后，间隙在每次施加电压时都将发生击穿。从说明间隙耐受电压的能力看，当然希望求得刚好发生击穿时的电压，但这个电压值在实验中很难准缺求得，所以工程上采用了50%放电电压，用U_50%表示，U_50%就是指在该电压作月下，放电的概率为50%。实际上U_50%和绝缘的低放电电压已相差不远，故可用U_50%来反映绝缘耐受电压的能力。

50%主穿电与静态电压击穿的比值，称为绝缘的系数，用β表示，即

式中 U₀——工频电压击穿的幅值。

在均匀电场和稍不均匀电场中，由于放电时延缩短，电压击穿的分散性小，其系数实际上等于1，且在U_50%作用下，击穿通常发生在波前峰值附近；在极不均匀电场中，由于放电时延较长，电压击穿的分散性也大，故系数通常大于1，且在U_50%作用下，击穿通常发生在波尾

在标准击电压波作用下，棒一棒及棒一板空气间隙50%放电电压与间隙距离的关系如图1-16所示。

从图1-16中可见，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，这是由于大地的影响，使不接地的下的棒极附近电场增强的缘故。在图中所示范围内，电压击穿U_50%和间隙距离S呈直线关系。

四、伏秒特性

由于电压持续时间短，放电时延不能忽略不计，所以上述50%电压击穿不能说明间隙的击穿特性。例如，两个间隙并联，在不同幅值的电压作用下，就不一定是50%电压击穿低的那个间隙先击穿了。因为间隙的电压击穿还必须和电压的作用时间联系起来，才好确定间隙的击穿特性。

间隙在工频电压及直流电压作用下，电压变化的速度相对于放电过程来说，总是非常缓慢的，故可用某个确定的电压击穿值来表示某间隙的绝缘强度。两个间隙并联，在持续电压作用下，总是电压击穿低的那个间隙先击穿。然而电压作用时间以微秒计，故间隙的击穿特性就必须考虑到放电时间的作用。

同一波形、不同幅值的电压作用下，间隙上出现的电压最大值和放电时间的关系曲线，称为间隙的伏秒特性曲线。工程上常用伏秒特性曲线来表征间隙在电压作用下的击穿特性。

伏秒特性可用实验方法求取。对丁某一间隙施加电压，并保持其标准的电压波形不变，逐渐升高电压幅值，得到该间隙的放电电压U与放电时间t的关系，则可绘出伏秒特性，如图1-17所示。作图时要注意，当击穿发生在波尾时，伏秒特性上该点的电压值应取电压的幅值，而不是击穿时的电压值。

由于放电时间具有分散性，同一个间隙在同一幅值的标准电压波的多次作用下，每次击穿所需的时间不同，故在每级电压下，可得到一系列的放电时间，故伏秒特性曲线实际上是以上、下包络线为界的一个带状区域，如图1-18所示。

间隙的伏秒特性形状与极间电场分布有关。对于均匀或稍不均匀电场，由于击穿时的平均场强较高，放电发展较快，放电时延较短，故间隙的伏秒特性曲线比较平坦，如图1-18曲线2所示，而且分散性也较小，仅在放电时间极短时，略有上翘，这是由于统计时延的缩短需要提高电压的缘故。由于均匀及稍不均匀电场的伏秒特性曲线除在很短一部分的上翘以外，很大一部分曲线是平坦的，其50%电压击穿和静态电压击穿相一致。由于上述这种性质，故在实践中常常利用电场比较均匀的球间隙作为测量静态电压和电压的通用仪表。

对于极不均匀电场中的间隙，其平均击穿场强较低，放电形成时延t_f受电压的影响大，t_f较长且分散性也大，其伏秒特性曲线在放电时间还相当大时，便随时间t之减少而明显地上翘，曲线比较陡，如图1-18曲线1所示。而且，即使在电压作用时间较长(击穿发生在波尾)时，电压击穿也高于静态电压击穿。

间隙的伏秒特性在考虑保护设备(如保护间隙或避雷器)与被保护设备(如变压器)的绝缘配合上具有重要的意义。在图1-19和图1-20中，S₁表示被保护设备绝缘的伏秒特性，S₂表示与其并联的保护设备绝缘的伏秒特性。图1-19所示S₂总是低于S₁，说明在同一过电压作用下，总是保护设备先动作(或间隙先击穿)，从而限制了过电压的幅值，这时保护设备就可对被保护设备起到了可靠的保护作用，但若S₂与S₁相交，如图1-20所示，虽然在放电时间长的情况下保护设备有保护作用，但在放电时间很短时，保护没备的电压击穿已高于被保护设备绝缘的电压击穿，被保护设备就有可能先被击穿，因而此时保护设备已起不到保护作用了。

伏秒特性是防雷设计中实现保护设备和被保护设备间绝缘配合的依据。为了使被保护设备得到可靠的保护：被保护设备绝缘的伏秒特性曲线的下包线必须始终高于保护设备的伏秒特性曲线的上包线。为了得到较理想的绝缘配合，保护设备绝缘的伏秒特性曲线总希望平坦一些，分散性小一些，即保护设备应采用电场比较均匀的绝缘结构。