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沖擊擊穿電壓下空氣的擊穿
閱讀：1277發(fā)布時(shí)間：2024-2-19
沖擊擊穿電壓下空氣的擊穿
一、標(biāo)準(zhǔn)波形
作用時(shí)間短暫的電壓稱為沖擊電壓，在沖擊電壓作用下空氣間的擊穿具有新的特性,。
雷電在電力系統(tǒng)中造成的過電壓是一種沖擊電壓,，當(dāng)雷擊設(shè)備時(shí)能造成高的電壓，這是電力系統(tǒng)發(fā)生事故的重要因素,。雷電沖擊電壓波的標(biāo)準(zhǔn)波形,，如圖1-9所示。規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)波形,，可使所得結(jié)果互相比較,。沖擊波波形，可由波頭長度τ1及波長τ2加以確定,。由于實(shí)驗(yàn)室中獲得的沖擊電壓的波頭起始部分及幅值部分比較平坦,，故在示波圖上不易確定原點(diǎn)及幅值的位置。因此,，波頭的確定采用了等值的斜角波頭,。國標(biāo)GB 311.1-2012中規(guī)定雷電沖擊標(biāo)準(zhǔn)放形的參數(shù)為τ1=1.5±0.2μs，τ2=40±4μs?，F(xiàn)用的波形參數(shù)為1.2/50μs,，此外，還應(yīng)指出其極性(不接地電極相對地而言的極性),。標(biāo)準(zhǔn)波形通?？梢杂梅柺?.2/50μs表示，如圖1-9所示,。波頭的量測方法是取0.3Um與0.9Um的兩點(diǎn)a、b,，直線ab與Um處的水平線和時(shí)間軸之交點(diǎn)的連線OM即為波前,，波頭時(shí)間τ1是a、b兩點(diǎn)時(shí)間間隔的1.67倍,。波長時(shí)間則從O點(diǎn)量至波幅下降至0.5Um時(shí)對應(yīng)的時(shí)間處(τ2),，為模仿線路上有放電點(diǎn)將波截?cái)鄷r(shí)的情況，我國還規(guī)定了截?cái)鄷r(shí)間τc=2～5μs的截波波形,。
二,、擊穿時(shí)間
圖1-10所示為沖擊電壓下空氣間隙的擊穿電壓波形。間原從開始出現(xiàn)電壓到擊穿所需的時(shí)間稱為擊穿時(shí)間或全部放電時(shí)間,。由三個(gè)部分組成：
(1)升壓時(shí)間t0為電壓從零升到靜態(tài)擊穿電壓U0所需的時(shí)間,。
(2)統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts為從電壓達(dá)到U0的瞬間起到間隙中形成第一個(gè)有效電子為止的時(shí)間。
(3)放電形成時(shí)延tf為從形成第一個(gè)有效電子的瞬間起到間隙完成擊穿為止的時(shí)間,。
有效電子是指能引起一系列的游離過程,，最后導(dǎo)致間隙被擊穿的電子。在t0以前，因電壓小于U0,，間隙不可能發(fā)展擊穿過程,，所以不會形成有效電子。即使時(shí)間到達(dá)t0,，電壓達(dá)到U0,，擊穿過程也可能還沒有開始，因?yàn)橛行щ娮拥某霈F(xiàn)具有偶然性,，不一定在電壓達(dá)到U0時(shí)就立刻形成,，所以間隙中出現(xiàn)有效電子的時(shí)間也可能要比t0長。有效電子何時(shí)出現(xiàn)是一個(gè)隨機(jī)事件,，故統(tǒng)計(jì)時(shí)延ts具有分散性,。有效電子出現(xiàn)后，間隙中開始出現(xiàn)各種游離過程,，放電開始發(fā)展,，經(jīng)放電形成時(shí)延tf后使間隙擊穿。因?yàn)橛绊懛烹姲l(fā)展過程的因素較多,，所以tf也具有分散性,。
擊穿時(shí)間t0可表達(dá)為
tb= t0+ ts+ tf
ts、tf兩個(gè)分量之和稱為放電時(shí)延t1,，即
t1= ts+ tf
短間隙(1cm以下)中,，特別是電場比較均勻時(shí)，相比之下放電形成時(shí)延甚小,，這時(shí)統(tǒng)計(jì)時(shí)延實(shí)際上就等于全部放電時(shí)延,。山于每次放電統(tǒng)計(jì)時(shí)延大小不一，故通常討論其平均值,，稱平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延,。
平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延和電壓大小、照射強(qiáng)度等很多因素有關(guān),。平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延隨間隙所加電壓增加而減少,。這是因?yàn)殚g隙中出現(xiàn)自由電子轉(zhuǎn)變?yōu)橛行щ娮拥母怕试黾又省Ｓ米贤饩€等高能射線照射間隙,，使陰極釋放更多電子,，也能減少平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延，利用球隙測量沖擊電壓時(shí),，有時(shí)需采用這一措施,。在極不均勻電場內(nèi)，由于電場局部增強(qiáng),，出現(xiàn)有效電子的概率增加,，所以其平均統(tǒng)計(jì)時(shí)延較小,，并且和外游離因素強(qiáng)度的關(guān)系也較小了。
在較長間隙中,，放電時(shí)延主要決定于放電形成時(shí)延,，在比較均勻的電場中，由于間隙中各點(diǎn)電場強(qiáng)度相差不大,，放電發(fā)展速度快,，所以放電形成時(shí)延較短。在極不均勻電場中則放電形成時(shí)延較長,。顯然,，間隙上外施電壓增加，放電形成時(shí)延也會減小,。
三,、雷電沖擊50%擊穿電壓(U50%)
由于完成擊穿過程需要一定時(shí)間，所以間隙的沖擊擊穿特性和外施電壓波形有關(guān),。通常都采用標(biāo)準(zhǔn)波形評定絕緣的沖擊特性,。
在持續(xù)電壓作用下，當(dāng)氣體狀態(tài)不變時(shí),，一定距離的間蹤,，其擊穿電壓具有確定的數(shù)值，當(dāng)間隙上的電壓升高達(dá)到擊穿電壓時(shí),，則間隙擊穿,。
為了知道在沖擊電壓下空氣間隙的擊穿電壓，應(yīng)使波形保持不變,，逐漸升高電壓的幅值,，當(dāng)電壓幅值很低時(shí)，每次施加電壓,，間隙都不擊穿,，這或是由于電壓太低，間隙中電場太弱,，游離過程根本不能發(fā)展；或者游離過程已可發(fā)展起來,，但所需的放電時(shí)間超過了外施電壓作用時(shí)間(沖擊波尾電壓已很低不可能引起放電過程),，擊穿仍不能實(shí)現(xiàn)。隨外施電壓增高,，放電時(shí)延縮短,。因此，當(dāng)電壓幅值增高到某一定值時(shí),，由于放電時(shí)延有分散性,，對于較短的放電時(shí)延,，擊穿已有可能發(fā)生。即在多次施加電壓時(shí),，擊穿有時(shí)發(fā)生,，有時(shí)不發(fā)生。隨電壓幅值繼續(xù)升高,，多次施加電壓時(shí),，間隙擊穿的百分比越來越增加。最后,，當(dāng)電壓幅值超過某一值后,，間隙在每次施加電壓時(shí)都將發(fā)生擊穿。從說明間隙絕緣耐受沖擊電壓的絕緣能力來看,，當(dāng)然希望求得剛好發(fā)生擊穿時(shí)的電壓,，但這個(gè)電壓值在實(shí)驗(yàn)中很難準(zhǔn)確求得。所以工程上采用50%沖擊擊穿電壓(U50%),，即在多次施加電壓時(shí),，其中半數(shù)導(dǎo)致?lián)舸┑碾妷海源藖矸从抽g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電場中,，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)作用電壓下擊穿電壓)材差很小,，所以可用持續(xù)作用電壓下的數(shù)據(jù)(直流,、工頻擊穿電壓值)。50%沖擊擊穿電壓和持續(xù)作用電壓下擊穿電壓之比稱為沖擊系數(shù),。均勻電場和稍不均勻電場中的沖擊系數(shù)等于1,。由于放電時(shí)延短，在50%擊穿電壓下,，擊穿通常發(fā)生在波頭幅值附近
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(shí)延較長，通常沖擊系數(shù)大于1,，擊穿電壓的分散性也大些,，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可取為3%，在50%擊穿電壓下,，當(dāng)間隙較長時(shí),，擊穿通常發(fā)生在波尾。
標(biāo)準(zhǔn)波形下,，棒一棒及棒一板空氣間隙的雷電沖擊50%,，穿電樂U50%和間隙距離d的關(guān)系見圖1-11，從圖中可見棒一板間隙有明顯的極性效應(yīng),，間隙距離更大時(shí)擊穿電壓和間隙距離呈直線關(guān)系,。
四,、伏秒特性
在工程上常用間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系來表征間隙在沖擊電壓下的擊穿特性，稱為伏秒特性,。
伏秒特性用實(shí)驗(yàn)方法求取,。即在間隙上施加一系列標(biāo)準(zhǔn)波形的沖擊電壓使間隙擊穿，幅值出小到大逐漸升高,，將每次作用在間隙上的電壓最大值和電壓作用時(shí)間用示波器測出來,。然后以時(shí)間t為橫軸，電壓u為縱軸,，記錄于坐標(biāo)紙上連成曲線,，即得伏秒特性曲線。電壓的取法是當(dāng)沖擊電壓波幅值較低時(shí),，擊穿發(fā)生在波尾部分,，此時(shí)不取擊穿時(shí)的電壓值。而取在間隙上曾作用過的電壓最大值,，作為縱坐標(biāo),。當(dāng)沖擊電壓波幅值較高時(shí)，擊穿發(fā)生在波首部分,，這時(shí)加于間隙上的最大電壓值就是擊穿時(shí)的電壓值,，取這個(gè)電壓值作為縱坐標(biāo)。
當(dāng)每級電壓下只有一個(gè)放電時(shí)間時(shí),，則可繪得伏秒特性如圖1-12所示,，為一根曲線。但如上述,，放電時(shí)間是具有分散性的,，于是在每級電壓下可得一系列放電時(shí)間，所以實(shí)際上伏秒特性是以上下包絡(luò)線為界的一個(gè)帶狀區(qū)域,，如圖1-13所示,。
伏秒特性曲線和間隙電場的均勻程度有關(guān)。對于不均勻電場,，由于平均擊穿電場強(qiáng)度較低,，而且流注總是從強(qiáng)電場區(qū)向弱電場區(qū)發(fā)展，放電速度受到電場分布的影響,，所以放電時(shí)延長,，分散性亦大，伏秒特性在放電時(shí)間還相當(dāng)大時(shí),，便隨時(shí)間t之減少有明顯的向上翹，對于均勻或稍不均勻電場則相反,，由于擊穿時(shí)平均場強(qiáng)較高,，流注發(fā)展較快,，放電時(shí)延較短，其伏秒特性較平坦,，如圖1-14所示,。
伏秒特性對于比較不同設(shè)備絕緣的沖擊擊穿特性具有重要意義，若某間S1的50%沖擊擊穿電壓高于另一間隙S2的數(shù)值,，并且間隙S1的伏秒特性始終位于間隙S2之上,，如圖1-14所示，則在同一電壓作用下,，S2都先于S1擊穿,，于是若將兩間隙并聯(lián)，S2就可對S1起保護(hù)作用,。但若如圖1-15所示,，間隙S2及S1的伏秒特性相交，則雖然在沖擊電壓幅值較低時(shí),，S2能對S1起保護(hù)作用,，但在高幅值沖擊電壓作用時(shí)，S2就不起保護(hù)作用了,。也即,，雖然S1的50%沖擊擊穿電壓高于S2的數(shù)值，但在較高幅值的沖擊波作用下,，反而是S1先擊穿,，這就與持續(xù)電壓作用下的情況不同：由此可見，單是50% 沖擊擊穿電壓不能充分說明間隙的沖擊擊穿特性,。在考慮不同間隙的絕緣配合時(shí),，為更全面地反映間隙的沖擊穿特性，就必須采用間隙的伏秒特性,。保護(hù)設(shè)備的伏秒特性總希望平坦一些,，即采用電場較均勻的結(jié)構(gòu)。
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