1.2.2 雷電沖擊作用下的擊穿

大氣中雷電產生的過電壓對高壓電氣設備絕緣會產生重大威脅。因此，在電力系統中一方面應采取措施限制大氣過電壓，另一方面應保證高壓電氣設備能耐受一定水平的雷電過電壓。雷電過電壓是一種持續時間極短的脈沖電壓，在這種電壓作用下絕緣的擊穿具有與穩態電壓下擊穿不同的特點。

1.雷電沖擊電壓的標準波形

雷電能對地面設備造成危害的主要是云地閃。按雷電發展的方向可分為下行雷和上行雷兩種。下行雷是在雷云中產生并向大地發展，上行雷則是由接地物體頂部激發，并向雷云方向發展。雷電的極性是按照從雷云流入大地的電荷符號決定。實驗表明，不論地質情況如何，90%左右的雷電是負極性雷。

下行的負極性雷通?？煞譃?個主要階段，即先導、主放電和余光。先導過程延續約幾毫秒，以逐級發展、高電導、高溫的、具有極高電位的先導通道將雷云到大地之間的氣隙擊穿。沿先導通道分布著電荷，其數量達幾庫侖。當下行先導和大地短接時，發生先導通道放電的過渡過程，稱為主放電過程。在主放電過程中，通道產生突發的亮光，發出巨大的聲響，沿著雷電通道流過幅值很大、延續時間為近百微秒的沖擊電流。正是這個主放電過程造成雷電放電最大的破壞作用。主放電完成后，云中的剩余電荷沿著雷電通道繼續流向大地，這時在展開照片上看到的是一片模糊發光的部分，稱為余光放電，相應的電流是逐漸衰減的，約為103～101A，延續時間約為幾毫秒。上述3個階段組成下行雷的第一個分量。通常，雷電放電并不就此結束，而是隨后還有幾個（甚至十幾個）后續分量。每個后續分量也是由重新使雷電通道充電的先導階段、使通道放電的主放電階段和余光放電階段組成。各分量中的最大電流和電流增長最大陡度是造成被擊物體上的過電壓、電動力、電磁脈沖和爆破力的主要因素。而在余光階段中，流過較長時間的電流則是造成雷電熱效應的重要因素。

由雷云放電引起的大氣過電壓的波形是隨機的，但在實驗室中用沖擊電壓發生器產生沖擊電壓來模擬雷電過電壓時必須采用標準波形，這樣可以使不同實驗室的試驗結果互相比較。圖1-16表示雷電沖擊電壓的標準波形和確定其波前和波長時間的方法（波長指沖擊波衰減至半峰值的時間）。

圖1-16中，O為原點，P點為波峰，但在波形圖中這兩點都不易確定，因為波形在O點處往往模糊不清；而P點處波形很平，難以確定其出現時間。國際上都用圖示的方法求得名義零點O₁（即圖中虛線所示），連接0.9倍峰值點與0.3倍峰值點作虛線交橫軸于O₁點，這樣波前時間T₁和波長時間T₂都從O₁算起。對于操作沖擊波，T₁和T₂都從真實原點算起，這是因為操作波上升比較平緩，原點附近的波形可以看得清楚。

目前，國際上大多數國家對于標準雷電波的波形規定是：

T₁=1.2(1±30%)μs,T₂=50(1±20%)μs

對于不同極性的標準雷電波形可表示為+1.2/50μs或-1.2/50μs。

2.放電時延

每個氣隙都有它的最低靜態擊穿電壓，即長時間作用在間隙上能使間隙擊穿的最低電壓。要使氣體間隙擊穿，不僅需要外施電壓高于臨界擊穿電壓U₀，而且還需要外施電壓維持一定的時間，以保證放電發展過程的完成。

圖1-17表示沖擊擊穿所需要的時間。施加沖擊電壓經時間t₀后電壓值達U₀，但此時間隙不會擊穿。從t₀至間隙擊穿所需的時間t₁稱為放電時延，它包括兩部分時間，即t_s和t_f。t_s表示從外施電壓達U₀的時刻起，到氣隙中出現第一個有效電子的時間，稱之為統計時延（因為第一個有效自由電子的出現服從統計規律）。t_f表示從出現第一個有效自由電子的時刻起，到放電過程完成所需的時間，也就是電子崩的形成和發展到流注所需的時間，稱為放電形成時延。所以，圖1-17中沖擊擊穿所需的總時間t_b為

短間隙中，尤其當電場較均勻的時候，放電形成時延比統計時延小得多，因此這種情況下放電時延主要決定于統計時延。為了減小統計時延，可以采用紫外線或其他高能射線對間隙進行人工照射，使陰極表面釋放出更多電子。例如，用較小的球隙測量沖擊電壓時，通常需要采取這種措施。較長的間隙中，主要決定于放電形成時延，且電場越不均勻，則放電形成時延越長。顯然，對間隙施加高于擊穿所需的最低電壓，可以使統計時延和放電形成時延都縮短。

3.50%擊穿電壓

由于放電時延服從統計規律，因此沖擊擊穿電壓具有一定的分散性。一般的規律是，放電時延越長，則沖擊擊穿電壓的分散性越大，即電場越不均勻或間隙越長，則沖擊擊穿電壓的分散性越大，也就是說，低概率擊穿電壓與100%擊穿電壓的差別越大。從確定間隙耐受沖擊電壓的絕緣能力來看，希望在實驗中求取低概率擊穿電壓U_b0（U_b0可看作是絕緣的沖擊耐受電壓），但這通常是很難準確求得的。國內外實踐大多是求取50%放電電壓，即多次施加電壓時有50%概率會導致間隙擊穿或不擊穿。根據50%沖擊擊穿電壓（U_b50）和標準偏差σ即可估算出U_b0值。

一般來說，50%沖擊擊穿電壓比工頻擊穿電壓的峰值要高一些，這是由于雷電沖擊電壓作用時間短的緣故。同一間隙的50%沖擊擊穿電壓U_b50與穩態擊穿電壓U_b0之比，稱為沖擊系數β。

均勻電場和稍不均勻電場間隙的放電時延短，擊穿的分散性小，沖擊擊穿通常發生在波峰附近，所以這種情況下沖擊系數接近于1。極不均勻電場間隙的放電時延長，沖擊擊穿常發生在波尾部分，這種情況下沖擊系數大于1。

4.伏秒特性

由于放電時延的影響，氣隙擊穿需要一定的時間才能完成，對于不是持續作用而是脈沖性質的電壓，氣隙的擊穿電壓就與該電壓作用的時間有很大關系。同一個氣隙，在峰值較低但延續時間較長的沖擊電壓作用下可能被擊穿，而在峰值較高但延續時間較短的沖擊電壓作用下可能反而不被擊穿。因此，在沖擊電壓下僅用單一的擊穿電壓值描述間隙的絕緣特性是不全面的。一般用間隙上出現的電壓最大值和間隙擊穿時間的關系曲線來表示間隙的沖擊絕緣特性，此曲線稱間隙的伏秒特性曲線。

伏秒特性繪制方法如圖1-18所示。保持一定的波形而逐級升高沖擊電壓的峰值。電壓較低時，擊穿發生在波尾。在擊穿前的瞬時，電壓雖已從峰值下降到一定數值，但該電壓峰值仍然是氣隙擊穿過程中的主要因素，因此以該電壓峰值為縱坐標，以擊穿時刻為橫坐標，得點“1”、點“2”。電壓再升高時，擊穿可能正好發生在波峰，則該點當然是伏秒特性曲線上的一點。電壓進一步升高時，氣隙很可能在電壓尚未升到波形的峰值時就已經被擊穿，如圖中的點“3”。把這些相應的點連成一條曲線，就是該氣隙在該電壓波形下的伏秒特性曲線。

由于放電時間具有分散性，所以在每級電壓下可得到一系列放電時間。實際上，伏秒特性是以上、下包線為界的一個帶狀區域。工程上還采用所謂50%伏秒特性，或稱平均伏秒特性。每級電壓下，放電時間小于下包線橫坐標所示數值的概率為0，大于上包線橫坐標所示數值的概率為100%?，F于上下限間選一個數值，使放電時間小于該值的概率等于50%，即某個電壓下多次擊穿中放電時間小于該值者恰占一半，這個數值可稱為50%概率放電時間。以50%概率放電時間為橫坐標，縱坐標仍為該電壓值，連成曲線就是50%伏秒特性曲線，如圖1-19所示。同理，上下包線可相應地稱為100%及0伏秒特性曲線。較多地采用的是50%伏秒特性，它從較少次的實驗中就可得到。但應用它時應注意，它只是大致地反映了該間隙的伏秒特性，在其兩側還有一定的分散范圍。