5,6-气

通常，雷电放电并未结束，随后还有几个(甚至十 几个)后续分量。每个后续分量也是由重新使雷电通道 充电的先导阶段、使通道放电的主放电阶段和余光放 电阶段组成。各分量中的最大电流和电流增长最大陡 度是造成被击物体上的过电压、电动力、电磁脉冲和 爆破力的主要因素。而在余光阶段中流过较长时间的 电流则是造成雷电热效应的重要因素。
本节内容

1.2.1 持续作用电压下的击穿
1.2.2 雷电冲击电压下的击穿


1.2.3 操作冲击电压下空气的绝缘特性
1.2.4 大气条件对气体击穿的影响

1.2.5 提高气体击穿电压的措施
1.2.1 持续作用电压下的击穿
1、均匀电场中的击穿
实际中，大均匀 电场间隙要求电极尺 寸做得很大。因此， 对于均匀场间隙，通 常只有间隙长度不大 时的击穿数据，如图 1-11所示。
第一章
1.2 气体介质的电气强度
主讲人：陈兆权 博士 安徽理工大学 淮南
1.2 气体介质的电气强度
实际工程应用中，击穿电压的确定 方式如下：
参照一些典型电极的击穿电压来 选择绝缘距离； 根据实际电极布置情况，通过实 验来确定。
空气间隙放电电压的影响因素如下：

电场情况 电压形式

大气条件
图1-13表示雷电冲击电压的标准波形和确定其波 前和波长时间的方法(波长指冲击波衰减至半峰值的 时间)。
图1-13 标准雷电冲击电压波形 T1－波前时间 T2 －半峰值时间 U max-冲击电压峰值
图中O为原点，P点为波峰。国际上都用图示的 方法求得名义零点 O（即图中虚线所示，连接P点与 1 0.3倍峰值点作虚线交横轴、于 O1点）
1、雷电冲击电压的标准波形
雷电能对地面设备造成危害的主要是云地闪。 按雷电发展的方向可分为：
下行雷
在雷云中产生并向大地发展；
上行雷
由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。
下行负极性雷通常可分为3个主要阶段：
先导过程 主放电过程 余光放电过程
先导过程：延续约几毫秒，以远级发展、 高电导、高温的、具有极高电位的先导通道将 雷云到大地之间的气隙击穿。沿先导通道分布
图1-13 标准雷电冲击电压波形 T1 －波前时间 T2 －半峰值时间 U max —冲击电压峰值
目前国际上大多数国家对于标准雷电波的波 形规定是：
T1 1.2s 30% T2 50s 20%
对于不同极性的标准雷电波形可表示为 + 1.2 / 50us 或 - 1.2 / 50us 。
t 0－气隙在持续电压下的
击穿电压为 U s ，为所加
电压从0上升到 U s 的时间；
－从t1开始到气隙中出
现第一个有效电子所需的 t
s
时间称为统计时延；
图1-14 冲击击穿所需时间的示意图
tf－出现有效电子后，引
起碰撞电离，形成电子崩，
发展到流注和主放电，最
后完成气隙的击穿。这个
过程需要的时间称为放电
(1-48)
Байду номын сангаас
同轴圆柱电极
E0 31.5 (1 0.305/ r )
(1-49)
(1-50)
E max
U r ln(R / r )
Rr f r ln(R / r )
(1-51)
R U c E 0 r ln( ) r
(1-52)
同心球电极
E0 24 (1 1/ r )
如图1-17所示，波形特征参数为：波前时间 Tcr ＝250us ，允许误差为土20％；半峰值时间 T2 ＝ 2500us ，允许误差为土60％；峰值允许误差土3％； 90％蜂值以上持续时间 Td 未作规定。
图1-17 操作冲击电压全波 图中0点为实际零点，u为电压值，图中u＝1.0处为电压u峰值
(1-37)
E max
(1-38)
0 .9 f 1 d / r
(1-39)
dr U c E0 0.9(d r )
(1-40)
柱—板电极
E0 30.3 (1 0.298/ r )
(1-41)
Emax
0.9U d r r ln( ) r
(1-42)
0.9d f d r r ln( ) r
条件下才能互相进行比较。
国标规定的大气条件： 压力：p0=101.3kPa(760mmHg)；
温度：t0=20摄氏度或T0=293K；
绝对湿度：hc=11g/m3。
实验条件下的气隙击穿电压 U 与标准大气条
件下的击穿电压U S 之间关系：
Kd U Us Kh
(1-66)
K d ：空气密度校正因数 K h ：湿度校正因数
均对应于标准大气条件和正常海拔高度。
由于大气的压力、温度、湿度等条件都会影响
空气的密度、电子自由行程长度、碰撞电离及附着
过程，所以也必然会影响气隙的击穿电压。 海拔高度的影响亦与此类似，因为随着海拔高度
的增加，空气的压力和密度均下降。
正由于此，在不同大气条件和海拔高度下所 得出的击穿电压实测数据都必须换算到某种标准
来表示，这种在“电压
－时间”坐标平面上形 成的曲线，通常称为伏 秒特性曲线，它表示该 气隙的冲击击穿电压与
放电时间的关系。如图
1-15所示：
图1-15 伏秒特性绘制方法
实际的伏秒特性曲线如图1-16所示，是一个
以上、下包线为界的带状区域。通常取50％伏秒 特性或平均伏秒特性曲线来表征一个气隙的冲击 击穿特性。 1-0％伏秒特性 3－100％伏秒特性
在直流电压中，直流击穿电压的极性效应非
常明显；
工频电压下，击穿都发生在正半周峰值附近。 当间隙距离不大时，击穿电压基本上与间
隙距离呈线性上升的关系；
当间隙距离很大时，平均击穿场强明显降
低，即击穿电压不再随间隙距离的增大而线性
增加，呈现出饱和现象。
1.2.2 雷电冲击电压下的击穿
大气中雷电产生的过电压对高压电气设备绝缘 会产生重大威胁。因此在电力系统中，一方面应采 取措施限制大气过电压，另一方面应保证高压电气 设备能耐受一定水平的雷电过电压。 雷电过电压是一种持续时间极短的脉冲电压，在 这种电压作用下绝缘的击穿具有与稳态电压下击穿 不同的特点。
形成时延tf 。
图1-14 冲击击穿所需时间的示意图
tb和tf都具有统计性
放电时间tb和tlag放电时延的长短都与所加电
压的幅值 U 有关，总的趋势是 U 越高，放电过程 发展的越快，tb和tlag越短。
3、50％击穿电压
在工程实际中广泛采用击穿百分比为50％时的
电压（ U50% ）来表征气隙的冲击击穿特性。实际
稍不均匀电场的击穿电压通常可以根据起始场强 经验公式进行估算
U Emax d / f
解槽实验的方法求得。
(1-35)
f 取决于电极布置，可用静电场计算的方法或电
U 对于稍不均匀场，当 Emax 达临界场强 E0时， 达到 击穿电压 U b ，从而
U b E0 d / f
(1-36)
(1-59)
(1-60)
另外，对于某些不太好根据经验公式求的电场结 构，也可以用 E0＝30kV/cm进行大致估算，则间隙击 穿电压 U b 为
U b 30d / f
(1-61)
3、极不均匀电场中的击穿
极不均匀场的击穿特性： 电场不均匀程度对击穿电压的影响减弱； 极间距离对击穿电压的影响增大；
成负离子，这对气体中的放电过程显然起着抑制
作用，可见大气的湿度越大，气隙的击穿电压也 会增高。
在均匀和稍不均匀电场中，放电开始时，整个气 隙的电场强度都较大，电子的运动速度较快，不易 被水气分子所俘获，因而湿度的影响就不太明显， 可以忽略不计。 例如用球隙测量高电压时，只需要按空气相对
2－50％伏秒特性
4—50％冲击击穿电压
5－0％冲击击穿电压
图1-16 50％伏秒特性示意图（虚线表示没 有被试间隙时的波形）
（静态击穿电压）
1.2.3 操作冲击电压下空气的绝缘特性
电力系统在操作或发生事故时，因状态发生
突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压，
称为操作过电压。 目前的试验标准规定，对额定电压在300kV以
图1-11 均匀电场中空气间隙的击穿电压峰值 U b 随间隙距离d的变化
均匀电场的击穿特性：
电极布置对称，无击穿的极性效应； 间隙中各处电场强度相等，击穿所需时间极短；
直流击穿电压、工频击穿电压峰值以及50％冲击
击穿电压相同；
击穿电压的分散性很小。
对于图 1-11所示的击穿电压(峰值)实验曲线，可用 以下经验公式表示：
上式不仅适用于气隙的击穿电压，也适用于外 绝缘的沿面闪络电压。
在进行高压试验时，也往往要根据实际试验时 的大气条件，将试验标准中规定的标准大气条件下 的试验电压值换算得出实际应加的试验电压值。
下面分别讨论各个校正因数的取值：
湿度校正因数 正如在“负离子的形成”一段中所介绍的那
样，大气中所含的水气分子能俘获自由电子而形
上的高压电气设备要进行操作冲击电压试验。这
说明操作冲击电压下的击穿只对长间隙才有重要
意义。
1、操作冲击电压波形 操作过电压波形是随着电压等级、系统参数、 设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大变
化的。
IEC推荐了250／2500 us 的操作冲击电压标准 波形，我国国家标准也采用了这个标准波形。
下面给出几种典型的电极结构:
图1-12 几种典型电极结构示意图 1、同心球 2、球－平板 3、球－球 4、同轴圆柱 5、圆柱－平板 6、圆柱－圆柱 7、曲面－平面 8、曲面－曲面
球－板电极
E0 27.7 (1 0.337/ r )