2.5 雷电冲击电压下空气的击穿电压

完成击穿所需放电时间是很短的（微秒级）： 完成击穿所需放电时间是很短的（微秒级）： 直流电压、工频交流等持续作用的电压， 直流电压、工频交流等持续作用的电压，满足上 述三个条件不成问题； 述三个条件不成问题； 当所加电压变化速度很快、作用时间很短的冲击 当所加电压变化速度很快、 电压，因有效作用时间短，以微秒计， 电压，因有效作用时间短，以微秒计，此时放电 时间就变成一个重要因素。 时间就变成一个重要因素。
图为标准雷电冲击压下 下棒—板及棒 板及棒—棒间隙 下棒 板及棒 棒间隙 和距离的关系。 的U50%和距离的关系。 棒—板间隙具有明显的 板间隙具有明显的 极性效应， 极性效应，棒—棒间隙 棒间隙 也具有弱极性效应。 也具有弱极性效应。这 是由于大地的影响， 是由于大地的影响，使 不接地的棒极附近电场 增强的缘故。 增强的缘故。
高压电气绝缘与测试
电气0929-0931班 班 电气 任课教师 罗旖旎
第五节 雷电冲击电压下空气的击穿电压
标准冲击电压波形 放电时间 伏秒特性 雷电冲击50%击穿电压 击穿电压 雷电冲击
一、标准波形
为使实验结果能相互比较， 为使实验结果能相互比较，需规定标准波形 （一）标准雷电冲击电压波 波形由波前时间T1、半峰值时间 确定 确定。 波形由波前时间 、半峰值时间T2确定。 T1=1.2μs，允许偏差±30%；(波头时间) μs，允许偏差±30%； 波头时间) μs T2=50μs，允许偏差±20%；(波长时间) μs，允许偏差±20%； 波长时间) μs 标准波形通常表示为± 标准波形通常表示为±1.2/50μs μs
静态击穿电压的比值称为冲击系数 冲击系数β U50%与U0静态击穿电压的比值称为冲击系数β， 均匀和稍不均匀电场下， 均匀和稍不均匀电场下，β ≈ 1; 极不均匀电场中,β 1， 极不均匀电场中,β > 1，冲击击穿电压的分散 性也较大，其标准偏差可取3 性也较大，其标准偏差可取3％。 因U50%只是在一定波形下对应于某个固定击穿时 间的击穿电压， 间的击穿电压，所以它不能代表任何击穿时间下 间隙的击穿电压。 间隙的击穿电压。即U50%不能全面反映间隙的冲 击击穿特性。 击击穿特性。
个有效电子所需时间 到间隙完全被击 穿为止的时间 静态 击穿电压
总放电时间： 总放电时间：
tb = t 0 + t s + t f
后面两个分量之和 称为放电时延
t1 = t s + t f
升压时间： 升压时间： 0- Uo
三、伏秒特性
一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压， 一个间隙要发生击穿，不仅需要足够高的电压， 而且还必须有充分的电压作用时间。 而且还必须有充分的电压作用时间。 对于冲击电压波， 对于冲击电压波，气隙的击穿电压与该电压的波 形有很大的关系。 形有很大的关系。其击穿电压不能简单地用单一 的击穿电压值表示， 的击穿电压值表示，而必须用电压峰值和延续时 间两者共同表示。 间两者共同表示。
避雷器
电气设备
绝缘配合的要求： 绝缘配合的要求： S2始终处于S1的下方，在任何电压波形下，S2都 S2始终处于S1的下方，在任何电压波形下，S2都 始终处于S1的下方 S1先被击穿 先被击穿。 比S1先被击穿。 保护设备绝缘的伏秒特性曲线应平坦一些， 保护设备绝缘的伏秒特性曲线应平坦一些，即采 用电场比较均匀的绝缘结构。 用电场比较均匀的绝缘结构。
wk.baidu.com、击穿时间
完成气隙击穿的三个必备条件： 完成气隙击穿的三个必备条件： 足够大的电场强度或足够高的电压 足够大的电场强度或足够高的电压 ； 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电 在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和主放电 电子崩并导致流注 的有效电子 ； 需要有一定的时间， 需要有一定的时间，让放电得以逐步发展并完成 时间 击穿。 击穿。
1——均匀电场或稍不均匀电场 均匀电场或稍不均匀电场 2——极不均匀电场 极不均匀电场
伏秒特性曲线主要用于比较不同设备绝缘的冲击 特性。 特性。 如果一个电压同时作用在两个并联的气体间隙S1 如果一个电压同时作用在两个并联的气体间隙S1 S2上 其中一个间隙先击穿， 和S2上，其中一个间隙先击穿，则电压波被短接 截断，另一个就不会再击穿了。 截断，另一个就不会再击穿了。
若两间隙伏秒特性曲线相交： 若两间隙伏秒特性曲线相交： 交点左边在时延较短的区 先被击穿。 域S1先被击穿。 先被击穿 交点右边在时延较长的区 先被击穿。 域S2先被击穿。 先被击穿 在两曲线交叉区域， 在两曲线交叉区域，可能 先被击穿， 是S1先被击穿，也可能是 先被击穿 S2先被击穿。 先被击穿。 先被击穿 S2不能可靠保护S1。 不能可靠保护S1 则S2不能可靠保护S1。
四、雷电冲击50%击穿电压 雷电冲击 击穿电压
间隙的伏秒特性虽能全面反映冲击击穿特性， 间隙的伏秒特性虽能全面反映冲击击穿特性，但 求取较繁琐。在工程实际中常用50 50％ 求取较繁琐。在工程实际中常用50％冲击电压 来表示间隙的冲击击穿特性。 （ U50% ）来表示间隙的冲击击穿特性。 U50% ——间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰 间隙被击穿的概率为50% 间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰 值。 实际中，施加10次电压中有4 次击穿了， 实际中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一 10次电压中有 电压即可认为是50 冲击击穿电压。 50％ 电压即可认为是50％冲击击穿电压。
伏秒特性——对某一冲击电压波形，间隙上出现 对某一冲击电压波形， 伏秒特性 对某一冲击电压波形 的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。 的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线。用实 击穿发生在波前或 验的方法求取。 验的方法求取。
峰值， 峰值，取此刻值
保持一定波形（T1/T2一定）， 保持一定波形（T1/T2一定）， 一定 逐渐升高电压，从示波图求取。 逐渐升高电压，从示波图求取。
击穿发生在波 尾，取峰值
由于放电时延具有分散性， 由于放电时延具有分散性， 实际的伏秒特性曲线如图 所示，是一个以上、 所示，是一个以上、下包 络线为界得带状区域。 络线为界得带状区域。 1——上包络线 上包络线 2——下包络线 下包络线
伏秒特性的形状与间隙中电 场的均匀程度有关 对均匀或稍不均匀电场因平 均场强高，放电时延短， 均场强高，放电时延短，故 曲线比较平坦（例如1μs 曲线比较平坦（例如1μs 且分散性也较小。 处），且分散性也较小。 对极不均匀电场因平均场强 放电时延长， 低，放电时延长，故曲线较 陡峭， 陡峭，且分散性也较大
当间隙距离更大时， 当间隙距离更大时，实 验数据如图所示。 验数据如图所示。与间 隙距离间仍保持良好的 线型关系。 线型关系。
小 结
放电时间的组成为： 1、放电时间的组成为：tb=t0+ts+tf 2、冲击电压波形的标准化 ① 标准雷电冲击电压波 ② 标准雷电截波 3、冲击电压下气隙的击穿特性 采用击穿百分比为50 50％ ① 采用击穿百分比为50％时的电压来表征气隙 的冲击击穿特性； 的冲击击穿特性； ② 伏秒特性表征气隙的冲击击穿电压与放电时 间的关系。 间的关系。
静态击穿电压U 持续电压作用下间隙的击穿电压。（ 。（只 静态击穿电压 0：持续电压作用下间隙的击穿电压。（只 放电时间tb和放电时延t1的长短都与所加电压 要到达此值，间隙中开始有放电过程。） 要到达此值，间隙中开始有放电过程。） 统计时延： 统计时延：从外施电 放电形成时延： 放电形成时延：
有关， 越高， 的幅值U有关，总的趋势是oU越高，放电过程发展 压达U 时起， 压达 时起，到出现 从出现第一个有 击穿时间：间隙从开始出现电压到完全击穿所需用的时间， 击穿时间：间隙从开始出现电压到完全击穿所需用的时间， 一个能引起击穿的初 效自由电子时起， 越短。 的越快， 的越快，tb和t1越短。始电子崩所需的第一 效自由电子时起， 也称为全部放电时间。 也称为全部放电时间。 到间隙完全被击
标准雷电冲击电压波形
波前时间
半峰值时间
标准雷电波的波形： 标准雷电波的波形： T1=1.2µs±30％， T2=50µs±20％ 的波形 ± ％， ± ％ 对于不同极性： 对于不同极性：+1.2/50µs或-1.2/50µs 或
（二）标准雷电截波 用来模拟雷电过电压引起气隙击穿或外绝缘闪络 后出现的截尾冲击波，如图所示。 后出现的截尾冲击波，如图所示。 T1——波前时间 波前时间 Tc——截断时间 截断时间 IEC和国标规定： 和国标规定： 和国标规定 T1=1.2μs ±30% μs Tc=2~5μs μs