1.2.3 操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性

電力系統在操作或發生事故時，因狀態發生突然變化引起電感和電容回路的振蕩產生過電壓，稱為操作過電壓。操作過電壓幅值與波形顯然跟電力系統的參數有密切關系，這一點與雷電過電壓不同，后者一般取決于接地電阻，與系統電壓等級無關。操作過電壓則不然，由于其過渡過程的振蕩基值即是系統運行電壓，因此電壓等級越高，操作過電壓的幅值也越高。在不同的振蕩過程中，振蕩幅值最高可達最大相電壓峰值的3～4倍。因此，為保證安全運行，需要對高壓電氣設備絕緣考察其耐受操作過電壓的能力。早期的工程實踐中，采用工頻電壓試驗來考驗絕緣耐受操作過電壓的能力。但其后的研究表明，長間隙在操作沖擊波作用下的擊穿電壓比工頻擊穿電壓低。因此目前的試驗標準規定，對額定電壓在300kV以上的高壓電氣設備要進行操作沖擊電壓試驗。這說明操作沖擊電壓下的擊穿只對長間隙才有重要意義。

1.操作沖擊電壓波形

操作過電壓波形隨著電壓等級、系統參數、設備性能、操作性質、操作時機等因素而有很大變化的。IEC推薦了250/2500μs的操作沖擊電壓標準波形，我國國家標準也采用了這個標準波形。如圖1-20所示，圖中0點為實際零點，u為電壓值，圖中u=1.0處為電壓u峰值。波形特征參數：波前時間T_cr=250μs，允許誤差為±20%；半峰值時間T₂=2500μs，允許誤差為±60%；峰值允許誤差±3%；90%峰值以上持續時間T_d未作規定。

2.操作沖擊放電電壓的特點

（1）U形曲線

通常采用與雷電沖擊波相似的非周期性指數衰減波來模擬頻率為數千赫茲的操作過電壓。研究表明，長空氣間隙的操作沖擊擊穿通常發生在波前部分，因而其擊穿電壓與波前時間有關，而與波尾時間無關。

圖1-21表示空氣中3m的棒-棒（一極接地）和導線-板間隙的平均擊穿場強與操作沖擊波的波前時間的關系。由此可見，雷電沖擊擊穿場強高于工頻擊穿場強，但操作沖擊波作用下，當波前時間t_cr為100～300μs時，擊穿場強出現極小值，其值比工頻擊穿場強要低。進一步的研究還表明，出現擊穿場強極小值的波前時間隨間隙距離的增加而增大。對于操作沖擊電壓作用下長間隙擊穿的“U形曲線”，通常是用放電時延和空間電荷的形成與遷移這兩種作用相反的影響因素來解釋的。U形曲線極小值左邊，E_b隨t_cr的減小而增大，是放電時延在起作用，這一點與雷電沖擊電壓下的伏秒特性是相似的。U形曲線極小值右邊，E_b隨t_cr的增加而增大，是因為電壓作用時間增加后空間電荷遷移的范圍擴大，更好地改善了間隙整個電場分布，從而使擊穿電壓提高。

（2）極性效應

在各種不同的電場結構中，正極性操作沖擊的50%擊穿電壓都比負極性的低，所以是更危險的。在討論操作沖擊電壓下的間隙擊穿特性時，若無特別說明，一般均指正極性的情況。還有一點值得注意的是，在同極性的雷電沖擊標準波作用下，棒-板間隙的擊穿電壓比棒-棒間隙的擊穿電壓低得不多，而在操作過電壓作用下，前者卻比后者低得多，這個情況啟示我們在設計高壓電力裝置時，應注意盡量避免出現棒-板型氣隙。

（3）飽和現象

與工頻擊穿電壓的規律性類似，長間隙在操作波電壓作用下也呈現出顯著的飽和現象，特別是棒-板型氣隙，其飽和程度更加突出。這是因為長間隙下先導形成之后，放電更易發展。而雷電沖擊時，作用時間太短，所以雷電的飽和現象很不明顯，放電電壓與氣隙距離一般呈線性關系。

（4）分散性大

在操作沖擊電壓作用下，間隙的50%擊穿電壓的分散性比雷電沖擊下大得多，集中電極（如棒極）比伸長電極（如導線）要大。波前時間較長時（比如，大于1000μs）比波前時間較短時（比如100～300μs）要大。對棒-板間隙，50%擊穿電壓的相對標準偏差前者達8%左右，波前時間較短時約5%。而雷電沖擊電壓下，分散性小得多，σ≈3%；工頻下分散性更小，不超過2%。

（5）鄰近效應

電場分布對操作沖擊電壓U_50%影響很大，接地物體靠近放電間隙會顯著降低正極性擊穿電壓（但能多少提高一些負極性擊穿電壓），稱鄰近效應。

U_50%擊穿電壓極小值經驗公式：正棒-板空氣間隙操作沖擊電壓的U形曲線中50%放電電壓極小值U_50%，min與間隙距離d的關系可用如下經驗公式表示為

由實驗結果，對于1～20m的長間隙，此公式能很好地吻合。