高电压技术1.2

主放电过程：当下行先导和大地短接时， 发生先导通道放电的过渡过程。在主放电过程 中，通道产生突发的亮光，发出巨大的声响， 沿着雷电通道流过幅值很大、延续时间为近百 微秒的冲击电流。
余光放电：主放电完成后，云中的剩余电荷 沿着雷电通道继续流向大地，这时在展开照片上 看到的是一片模糊发光的部分，相应的电流是逐 渐衰减的，约为 10 3 ~ 101 A，延续时间约为几毫 秒。 上述3个阶段组成下行负雷的第一个分量。
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。
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 2－100％伏秒特性 3－50％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）
2、稍不均匀电场中的击穿 稍不均匀电场的击穿特点： �击穿前无电晕； �无明显的极性效应； �直流击穿电压、工频击穿电压峰值及 50％冲击击穿电压几乎一致。
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 = E max ⋅ 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
(1-45)
E max
(1-46)
0 .9 d f = d + 2r 2r ln( ) 2r (1-47)
d + 2r 2r ln( ) 2r U c = E0 0.9
(1-48)
同轴圆柱电极
E0 = 31.5δ (1 + 0.305 / rδ )
(1-49) (1-50)
E max
U = r ln( R / r )
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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。
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
� 湿度校正因数 � 空气密度校正因数 � 海拔高度的影响
前面介绍的不同气隙在各种电压下的击穿特性 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。
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
� Td －电压值持续处于0.9倍电压峰值以上时间 � Tcr－波前时间 � T2 －半峰值时间
2. 操作冲击放电电压的特点
�U形曲线 �极性效应 �饱和现象 �分散性大 �邻近效应
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1.2.4 大气条件对气体击穿的影响
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 = 1.2µs ± 30% T2 = 50µs ± 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 。
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
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、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 着电荷，其数量达几库仑。
Kd U= Us Kh
(1-66)
K d ：空气密度校正因数
K h ：湿度校正因数
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：
(1-41)
E max
0.9U = d +r r ln( ) r
(1-42)
0. 9 d f = d +r r ln( ) r
d +r r ln( ) r U c = E0 0.9
(1-44)
(1-43)
平行圆柱电极
E0 = 30.3δ (1 + 0.298 / rδ )
0.9U = d + 2r 2r ln( ) 2r
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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 1 方法求得名义零点 O（即图中虚线所示，连接 P点与 0.3倍峰值点作虚线交横轴、于 O1点）
2、放电延时 完成气隙击穿的三个必备条件：
�最低静态击穿电压； �在气隙中存在能引起电子崩并导致流注和
主放电的有效电子；
�需要有一定的时间，让放电得以逐步发展
并完成击穿。
总放电时间
tb = t0 + ts + t f
称为放电延时
(1-62)
后面两个分量之和
tlag = ts +t f
图1-14 冲击击穿所需时间的示意图
球－球电极
E0 = 27.7δ (1 + 0.337 / rδ )
(1-57) (1-58)
E max
U d = 0.9 (1 + ) d 2r
d d f = 0.9(1 + ) U c = E0 0.9(1 + d / 2r ) 2r
(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
R−r f = r ln( R / r )
(1-51)
R U c = E 0 r ln( ) r
(1-52)
同心球电极
E0 = 24δ (1 + 1 / rδ )
(1-53) (1-54)
E max
RU = r(R − r)
f = R/r
( R − r )r U c = E0 R
(1-55) (1-56)
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：
U b = 24.22δd + 6.08 δd
式中
kV
(1-34)
d －间隙距离，cm；
δ －空气相对密度
从图 1-11 中可以得出，当 d 在1～10cm范围内时，击 穿强度 E（用电压峰值表示）约等于 30kV/cm。 b
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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。
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 中，施加10次电压中有4-6次击穿了，这一电压即可 认为是50％冲击击穿电压。
球－板电极
E0 = 27.7δ (1 + 0.337 / rδ )
(1-37)
E max
r+d U d = 0.9U ⋅ = 0.9 (1 + ) rd d r
(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 = 30.3δ (1 + 0.298 / rδ )
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。