雷電沖擊下氣體的擊穿新

1、雷電沖擊下氣體的擊穿1一、造成雷電形成原因1二、雷電沖擊過電壓的成因1三、雷電沖擊電壓標準波形1四、放電時延2五、雷電沖擊50擊穿電壓31、均勻電場和稍不均勻電場中的擊穿電壓42、極不均勻電場中的擊穿電壓4六、伏秒特性41、制訂伏秒特性的必要性42、伏秒特性的制訂方法53、伏秒特性的用途6雷電沖擊下氣體的擊穿電力系統中雷電造成的過電壓是一種沖擊電壓，持續(xù)時間極短。在沖擊電壓下空氣問間隙的擊穿具有與持續(xù)電壓下不同的新的特性。雷擊造成極高的電壓，因此是對高壓電力設備絕緣的重大威脅，是電力系統造成事故的重要因素。一、造成雷電形成原因雷電是雷云中積聚了大量電荷而在大氣中引起的放電現象。出現了雷雨天氣后

2、，由于雷云的作用，局部地面上的電場強度劇增，一旦平均場強達到足夠數值，就能使雷云和大地的空氣發(fā)生火花放電，形成所謂的雷電放電。雷云中存在異號電荷，所以雷云內部也可發(fā)生雷電放電。但能造成危害的則顯然主要是由雷云向地面發(fā)生的放電。絕大多數的雷電放電是負極性的(雷云帶負電荷)，但也發(fā)現有正極性的雷電放電。二、雷電沖擊過電壓的成因雷電放電會在設備上造成高電壓。在未發(fā)生雷電放電之前，雷云相對于地面可具有極高的靜電位，然而被擊中物體的電位和放電前的雷云電位是性質不同的兩件事。實際上，地面上物體被雷電擊中時所出現的高電壓，是由于雷電放電的巨大沖擊電流在物體及接地阻抗上產生了甚高的電壓降落所引起的。當輸電線路

3、附近落雷時，由于雷電流引起附近電場及磁場發(fā)生強烈突變，線路上也可感應出 很高的電壓。因此，雷電巨大的沖擊電流是其破壞力的根源，它能引起電位突然升高，同時還有熱效應和力效應，損害設備，危害人身安全。三、雷電沖擊電壓標準波形雷電流具有沖擊波形雷電流具合沖擊波形，電流由零迅速上升到峰值，然后較緩慢地下降至零。雷電流的參數(峰值、波前時間、半峰值時間等)具有統計性。雷電流為沖擊波形，故由雷電放電引起的高電壓也具有沖擊波形，所以需要研究沖擊電壓下空氣間隙的擊穿特性。實驗中利用沖擊電壓發(fā)生裝置產生沖擊電壓以模擬雷電放電引起的過電壓。為使所得結果可以互相比較，需規(guī)定標準波形。標淮波形是根據大量實測得到的雷電

4、造成的電壓波形制定的。我國規(guī)定的標準波形如下圖所示，這是非周期性指數衰減波。雷電沖擊電壓波形由(視在)波的時間T及(視在)半峰值時間T加以確定。四、放電時延假設對氣體間隙施加沖擊電壓，電壓隨著時間迅速由零上升至峰值后，又逐漸衰減(或保持不變)。可以發(fā)現，當時間經過t，電壓升高到持續(xù)作用電壓下的擊穿電壓U(稱為靜態(tài)擊穿電壓)時，間隙并不立刻擊穿，而需經過t后，才能完成擊穿。也就是說，為要造成擊穿，不僅需要足夠的電壓，而且還必須有充分的電壓作用時間，這是由于放電的發(fā)展需要一定的時間之故。于是間隙的沖擊擊穿電壓就可能和電壓隨時間的變化規(guī)律有關，而不再是一個固定的數值。從而使間隙的沖擊擊穿特性的確定復

5、雜化了。如下圖所示：在t以前，間隙實際上不可能發(fā)展擊穿過程。但即使達到t時，擊穿過程也可能還沒有開始。原因是：間隙中受到外界因素的作用而出現自由電子需要一定時間；那些自由電子中后來有的結合成了負離子，有的擴散到間隙外面去了，根本沒有引起電離過程；有的即使己經引起了電離過程，但由于各種不利因素的巧合，電離又可能終止。因此，間隙中出現一個能引起電離過程并最終導致擊穿的電子即所謂的有效電子需要更長的時間。由于上述各種過程都具有統計性。故出現有效電子的時間也遵循統計規(guī)律。從t開始，到間隙中出現一個有效電子所需的時間統稱為統計時延t。然而間隙中出現有效電子，擊穿過程才只是開始。從出現有效電子，引起強烈的

6、電離過程，到擊穿通道完全形成即間隙完全擊穿，還需要一定時間，稱為放電形成時延t。所以全部放電時間t由三部分組成，即 t= t+ t+ t。五、雷電沖擊50擊穿電壓由于完成擊穿過程需要一定時間，所以間隙的沖擊擊穿特性和外施電壓波形有關。通常都采用標準波形評定絕緣的沖擊特性。工程上當然也希望知道沖擊電壓下空氣間隙的擊穿電壓。保持波形不變，逐漸升高電壓的峰值。當電壓峰值很低時，每次施加電壓，間隙都不擊穿。這是由于電壓太低，間隙中電場太弱，電離過程根本不能發(fā)展，或者電離過程雖已可發(fā)展起來，但所需的放電時間超過了外施電壓的作用時間(沖擊電壓雖可延續(xù)較長時間，但當電壓降到很低時已不能引起放電過程)，擊穿仍

7、舊不能實現。隨著外施電壓增高，放電時延縮短。因此當電壓峰值增高到某一定值時，內于放電時延有分散性，對于較短的放電時延，擊穿已有可能發(fā)生。也就是說，在多次施加電壓時，擊穿有時發(fā)生，有時不發(fā)生：隨著電壓繼續(xù)升高，多次施加電壓時，間隙擊穿的百分比越來越增加。最后，當電壓超過某一值后，間隙在每次施加電壓時都將發(fā)生擊穿。說明間隙絕緣耐受沖擊電壓的絕緣能力來看，當然希望求得剛好發(fā)生擊穿時的電壓。但這個電壓值在沖擊實驗中難于準確求得。所以工程上采用50沖擊擊穿電壓，即在多次施加電壓時，其中半數導致擊穿的電壓，以此來反映間隙的耐受沖擊電壓的特性。1、均勻電場和稍不均勻電場中的擊穿電壓在均勻電場和稍不均勻電場中

8、，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)作用電壓下的擊穿電壓)相差很小，所以就可以應用前述持續(xù)作用電壓下的數據(直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值)。50沖擊擊穿電壓和持續(xù)作用電壓下擊穿電壓之比(均取峰值)稱為沖擊系數。均勻電場和稍不均勻電場中的沖擊系數等于l。由于放電時延短，50擊穿電壓下，擊穿通常發(fā)生在波頭峰值附近。2、極不均勻電場中的擊穿電壓在極不均勻電場中，由于放電時延較長，通常沖擊系數大于1，擊穿電壓的分散性也大一些，其標準偏差可取為3。在50擊穿電壓下，當間隙較長時，擊穿通常發(fā)生在波尾。標準波形下，棒一律及棒一板空氣間隙的雷電沖擊50擊穿電壓和間隙距離的關系可以

9、看出，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。六、伏秒特性1、制訂伏秒特性的必要性由于雷電沖擊電壓持續(xù)時間短，放電時延不能忽略不計，所以僅取上述50沖擊擊穿電壓不能完全說明間隙的沖擊擊穿特性。例如兩個間隙并聯，在不同峰值的沖擊電壓作用下，就不定是50沖擊擊穿電壓低的那個間隙擊穿了。以斜角波電壓為例來說明考慮放電時延的必要性。在間隙上如緩慢地施加直流電壓，當它達到靜態(tài)擊穿電壓U后，間隙中就開始發(fā)展起擊穿過程。但擊穿需一定時間 (t為放電時延)在此時間內電壓還會繼續(xù)上升一定數值，于是擊穿完成時間隙上的電壓應為U+。不過由于電壓上升平緩，t也極小，相對于U來說，是微不足道的。因此這

10、個間隙的直流擊穿電壓就可以認為是一個確定值，等于其靜態(tài)擊穿電壓U。還是這個間隙，現在施加斜角沖擊電壓，電壓迅速上升，極大，并沒放電時延仍為，顯然，這時的數值就不能隨便忽略了。間隙的擊穿電壓不再是U，而是U+了；是隨而變化的。實際也受等的影響而有所不同。由此可見，現在必須和電壓作用時間聯系起來，才好確定間隙的擊穿特性。工頻電壓及直流電壓作用下，間隙上電壓增高的速度相對于放電過程來說，總是非常緩慢的，故可用某一比較確定的擊穿電壓值表示間隙的介電強度。如兩個間隙并聯，在持續(xù)作用電壓下，也總是擊穿電壓低的那個間隙擊穿。然而沖擊電壓作用時間以微秒計，情況不同，間隙的擊穿持性就必須考慮到放電時間。2、伏秒

11、特性的制訂方法工程上用間隙山現的電壓最大值和放電時間的關系來表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性伏秒持性。伏秒特性用實驗方法求取。保持標準波形不變，逐級升高電壓。電壓較低時，擊穿發(fā)生在波尾。電壓其甚高時，放電時間減至很小，擊穿可發(fā)生在波頭。在波尾擊穿時，以沖擊電壓峰值作為縱坐標，以放電時間作為橫坐標。在波頭擊穿時，還以放電時間作為橫坐標，但以擊穿時的電壓作為縱坐標：這樣，如每級電壓下只有一個放電時間，則可繪得伏秒特性。但放電時間具有分散性，于是每級電壓下可得一系列放電時間，所以實際伏秒特性是以上、下包絡線為界的一個帶狀區(qū)域。如下圖：3、伏秒特性的用途間隙伏秒特性的形狀決定于電極間的電場分布。極不均勻電場中平均擊穿場強較低，放電時延較長，因此其伏秒特性在放電時間還相當大時(約幾微秒)，就已隨后者減少而明顯地翹向上方了。而在均勻及稍不均勻電場中平均擊穿場強較高，相對來說放電時延較短，所以其伏秒特性就比較平坦。如下圖：伏秒特性對于比較不同設備絕緣的沖擊擊穿特性具有重要意義。若某間隙S的50沖擊擊穿電壓高于另一間隙S的數值，并且間隙S的伏秒特性始終位于間隙S之上（如上圖），則在任意電壓作用下，S都將先于S而擊穿。于是若將兩間隙并聯，S就可對S起保護作用。若間隙S與 S的伏秒特性相交（如下圖），雖然在沖擊電壓峰值較低時，S能對S起保護作用，但在高