雷電沖擊電壓的標準波形、操作沖擊電壓波形、放電時延等概念

一、沖擊電壓的標準波形

沖擊電壓指的是作用時間短暫的電壓。為了檢驗電氣設備的絕緣耐受沖擊電壓的能力，在實驗室中常利用沖擊電壓發生器產生沖擊電壓。為使實驗結果能相互比較，需規定標準波形。

1.雷電沖擊電壓的標準波形

(1)雷電沖擊電壓全波。雷電全波沖擊試驗電壓為非周期性沖擊電壓，如圖TYBZ01402008-1所示，先是很快上升到峰值，然后緩慢下降到零。波形由視在波前時間T₁、視在半峰值時間T₂確定。國際電工委員會和我國國家標準規定：

T₁=1.2μs；允許誤差為±30%；

T₂=50μs；允許誤差為±20%；

峰值允許誤差為±3%。標準波形通常表示為±1.2/50μs。

(2)雷電沖擊電壓截波。雷電截波沖擊試驗電壓如圖TYBZ01402008-2所示。國家標準規定了視在波前時間T₁ (T₁=1.2μs±30%)、截斷時間T_C(T_C=2～5μs)、截波峰值U_C、截斷時刻電壓U_j、電壓過零系數U₂/U_C等參數。

2.操作沖擊電壓的標準波形

標準操作沖擊電壓波形如圖TYBZ01402008-3所示。

國際電工委員會和我國國家標準規定：

波前時間：Tp=250μs（1±20%）：

半峰值時問：Tz-2500μs（1+60%）；

峰值允許偏差±3%；

超過90%峰值的持續時間T₁未作規定。

標準波形通常可表示為±250/2500μs。

二、雷電沖擊電壓下氣隙的擊穿特性

要使氣體間隙擊穿，不僅需要足夠高的電壓，而且電壓作用時間必須足夠長，以保證放電發展過程的完成。

1.放電時延

放電時延是指從電壓升到間隙的靜態擊穿電壓U₀(長時間作用在氣隙上能使其擊穿的低電壓)的瞬間起到間隙擊穿為止的時間。放電時延包括統計時延和放電形成時延兩部分。

(1)統計時延t_s—從電壓達到U₀的瞬間起到間隙中形成第一個能引起電子崩并導致間隙擊穿的有效電子為止的時間。這一有效電子出現所需要的時間具有統計性。

(2)放電形成時延t_f——從形成第一個有效電子的瞬間起到間隙擊穿為止的時間。由于電子崩及流注的發展受到一些偶然因素的影響，所以放電形成時延t_f也服從統計規律。

由于放電時延服從統計規律，所以沖擊擊穿電壓具有分散性。電場越不均勻或間隙越長(放電時延越長)，沖擊擊穿電壓的分散性越大。

在短間隙(幾厘米)中，特別是電場較均勻時，由于平均場強很高，放電發展速度快，統計時延大于放電形成時延，故放電時延近似等于統計時延。為了減小放電時延，可采取提高外施電壓或外界照射的方法。對于電場分布極不均勻的長間隙，由于局部場強高(出現有效電子的概率增加)，而平均場強較低(放電發展速度慢)，放電時延主要取決于放電形成時延，且電場越不均勻放電時延越長。

放電時延還與外加電壓的大小有關，總的趨勢是電壓越高，出現有效電子的時間越短，且放電過程發展的越快，故放電時延越短。

2.50%沖擊放電電壓U_50%

由于沖擊擊穿電壓具有分散性，工程上常用50%沖擊擊穿電壓U_50%表示間隙的沖擊擊穿特性。

U_50%是指多次施加同一沖擊電壓時，問隙被擊穿的概率為50%的沖擊電壓峰值。

應當指出，同一問隙在不同波形的沖擊電壓作用下，其U_50%是不同的，如無特別說明，一般指用標準波形作出的。

3.沖擊系數

同一間隙的50%沖擊放電電壓U_50%與靜態擊穿電壓U₀之比稱為沖擊系數β，即

β= U_50%/ U₀   (TYBZ01402008-1)

均勻和稍不均勻電場間隙，放電時延短，山穿電壓的分散性小，沖擊擊穿常發生在波峰附近。50%沖擊放電電壓U_50%與靜態擊穿電壓U₀相差不大，沖擊系數近似等于1。

在極不均勻電場中，放電時延較長，擊穿電壓的分散性也較大。沖擊擊穿常發生在波尾部分，其沖擊系數大于1。

三、操作沖擊電壓下氣隙的擊穿特性

在均勻或稍不均勻電場的空氣間隙中，操作沖擊50%擊穿電壓與雷電沖擊U_50%s、工頻擊穿電壓(峰值)幾乎相同，擊穿發生在峰值處，擊穿電壓的分散性也不大。在極不均勻電場中，空氣間隙在操作沖擊電壓下的擊穿有許多特點：

1.U形曲線

長空氣間隙的操作沖擊擊穿通常發生在波前部分，擊穿電壓與波前時間有關而與波尾時間無關。圖TYBZ01402008-4為棒一板間隙正極性操作沖擊U_50%擊穿電壓與波前時間的關系，由圖可以看出，曲線呈U形，即當波前時間為某定值時，U_50%具有極小值。當間隙距離S(m)在1～20m范圍內時，正棒一板問隙操作沖擊電壓的極小值U_50%min(kV)可用下面的經驗公式估算

U_50%min =3400/(1+8/S)  (TYBZ01402008-2)

對應于極小值的波前時間稱為臨界波前時間。當問隙距離增大時，臨界波前時間也相應增大。需要注意的是：在某些波前時間內，氣隙的操作沖擊擊穿電壓比工頻擊穿電壓還低，所以在設計高壓電力裝置時必須注意這種現象。

2.極性效應

在極不均勻電場中，正極性操作沖擊電壓下的U_50%比負極性的低，且其極性效應較雷電沖擊電壓下的極性效應更加顯著，如圖TYBZ01402008-5所示。

3.飽和現象

長空氣間隙在操作沖擊電壓作用下，其U_50%min與間隙距離的關系呈現顯著的飽和特征，如圖TYBZ01402008-5所示。

4. 分散性大

空氣間隙在操作沖擊電壓的作用下，其擊穿電壓的分散性比雷電沖擊電壓作用下大得多。對極不均勻電場的空氣間隙，其相對標準偏差可達8%左右。