电压种类影响击穿电压的研究

气体间隙的击穿电压和电压种类有关。直流电压和工频电压统称为持续电压。这类电压的变化速度小，相比之下放电发展所需时间可忽略不计。大气过电压和电网中的操作过电压，其作用时间极短，仅以μs（10^－6 s）计，统称为冲击电压，此时的放电发展速度就不能忽略了。

1.持续电压作用下空气的击穿电压

对于直流电压作用下的情况前面已讨论过，在此仅讨论工频交流电压作用下气体间隙的击穿电压。均匀电场中，工频击穿电压（幅值）和直流击穿电压相同。在极不均匀电场中，直流和工频及冲击击穿电压间的差别比较明显，分散性大，且极性效应明显。

尖—板及尖—尖气隙的直流击穿电压与极间距离的关系如图1-16所示。

由上面讨论可见，气体的击穿电压和电场形式有很大关系，当间隙距离相同时，电场越均匀，其击穿电压也越高。

尖—尖及尖—板间隙的工频击穿电压与间隙距离的关系如图1-17所示，当尖—板电极间施加工频电压时，击穿总是在尖极为正、电压达到幅值时发生，并且其击穿电压（幅值）和直流电压下正尖—负板的击穿电压下的情况相近，尖—尖电极的工频击穿电压与直流电压下的情况也相近，其平均击穿场强约为3.8kV／cm或5.36kV／cm。尖—板电极的平均击穿场强稍低一些，约为3.35kV／cm或4.8kV／cm。

2.冲击电压作用下空气的击穿电压

冲击电压是过电压的一种形式，持续时间极短，在其作用下气隙击穿具有新的特性。

1）冲击电压的标准波形。作用时间为几至几十微秒的电压称为冲击电压，标准雷电冲

图1-16 尖—板及尖—尖气隙的直流击穿电压与极间距离的关系

图1-17 尖—尖及尖—板间隙的工频 击穿电压与间隙距离的关系

击电压波形如图1-18所示。这是非周期性指数衰减波。冲击波波形由波流长度t₁及波长t₂确定。为便于确定分析计算上的方便，经常采用等值斜角波头，如图1-18中虚线所示。

在冲击放电时，击穿电压值与所加电压波形有关，故为在绝缘试验时能得到可以比较的结果，须严格规定冲击电压的波形。我国国标规定的标准波形是波头为1.5μs，波长为40μs，，表示为±1.5／40μs，其中“＋”和“－”表示其极性。

图1-18 标准雷电冲击电压波形

t₁—波头长度t₂—波长

U_max—冲击电压幅值

2）气隙的击穿时间。每个气隙都有它的最低静态击穿电压，即持续电压作用下使间隙击穿的最低电压。欲使间隙击穿，外加电压必须小于静态击穿电压。但这仅是必要条件，而不是充分条件。欲使气隙击穿，还必须使该电压持续作用一定时间。从开始对气隙施加冲击电压的瞬时到气隙完全击穿为止总的时间称为击穿时间（t_d）。它由三部分组成，如图1-19所示。升压时间t₁，即电压从零升到静态击穿电压U₀所需的时间。统计时延t_s，即从电压到达U₀的瞬时起到气隙中形成能产生碰撞游离的有效电子为止的时间，从出现第一个有效电子到形成电子崩及流注气隙完成被击穿的时间称为放电形成时延t_f。显然：

图1-19 气隙的放电时间的各组成部分示意图

t_d＝t₁＋t_s＋tf(www.xing528.com)

其中，t_s＋t_f称为放电时延。

放电统计时延t_s和放电形成时延t_f都具有统计性。在比较均匀的电场中，间隙的放电时间中t_s占主要比重，特别是短间隙，它完全依赖于气体中自然存在的自由电子成为有效电子。由于整个间隙中各处的电场强度相差不大，放电发展速度快，所以放电形成时延较短。

在极不均匀的电场中，由于尖极附近电场很强，可能发生强电场发射电子，所以统计时延较短。但由于间隙内各处电场强度不均匀，放电只能由强电场区域逐渐向弱电场区域伸展，所以放电形成时延较长。

3.50％冲击放电电压

由于气体间隙放电时延具有分散性，所以气体间隙中冲击放电电压也具有分散性。实验发现，若保持波形不变，逐渐升高电压幅值，多次施加同一电压，当幅值较低时，放电时延较长，间隙不能被击穿；随着外施电压的增高，放电时延缩短，当电压幅值达到一定值时，击穿有时发生，有时不发生；随着外施电压的继续增高，击穿的百分比越来越大，直至每次施加电压时，间隙都能击穿。从说明间隙耐受冲击电压的绝缘能力看，是希望获得刚好发生击穿的电压，但这个值很难准确测得。所以，工程上常采用50％冲击放电电压来表示间隙耐受冲击电压的特性。所谓50％冲击放电电压，是在多次施加同一波形的电压时，其中有半数导致击穿的电压。

在均匀和稍不均匀电场中，由于放电时延短，击穿电压的分散性小，所以50％冲放电压和持续电压作用时的击穿电压相差不大，可用持续电压时的数据来表示（直流或工频电压幅值）。

在极不均匀电场中，由于放电时延长，击穿电压分散性大，因此存在着明显的极性效应，50％冲放电压和间隙距离基本上呈线性关系。在一定条件下，气体间隙在持续电压作用下的击穿电压是常数，所以在估算绝缘的冲击强度时，引入一相对值——绝缘的冲击系数k：

4.伏秒特性

由于冲击电压持续时间短，放电时延不能忽略，仅用50％冲放电压并不能完全说明间隙的冲击击穿特性。还要用伏秒特性和其一起来表示间隙在冲击电压下的击穿特性。伏秒特性是间隙的冲击放电电压和电压作用时间的关系曲线。工程上常用间隙上出现电压的最大值和放电时间的关系来表示间隙在冲击电压下的击穿特性。当冲击电压幅值较高时，击穿发生在波头部分，这时加于间隙上的最大值就是击穿时的电压值，当击穿发生在波尾部分时，加于间隙上的最大值是冲击电压的幅值。伏秒特性的绘制如图1-20所示，图中绘制的只是一条曲线，但由于放电时间具有分散性，在每级电压下可得一系列放电时间，所以实际上伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域，伏秒特性带如图1-21所示。

图1-20 伏秒特性的绘制

1、2—波尾击穿 3—波头击穿

图1-21 伏秒特性带

伏秒特性和间隙电场的均匀程度有关，在均匀电场中伏秒特性较陡；均匀电场和稍不均匀电场的伏秒特性较平坦。如图1-22所示，如果一个电压同时作用在两个并联的间隙S₁和S₂上，其中某一个间隙先被击穿，则电压被短接，另一个间隙就不会被击穿了。这个原则如用于保护装置和被保护的设备，那就是前者保护了后者。设前者的伏秒特性以S₂记之，后者以S₁记之。在图1-23中，S₂全面位于S₁的左下方，这意味着在任何波峰值下，S₂都比S₁先击穿，就能可靠地保护S₁不会被击穿。在图1-23中，在时延较长的区域，S₂位于S₁的下方；而在时延较短的区域，则S₂位于S₁的上方；介于其中的为交叉区。这种情况意味着：当冲击电压峰值较低时，S₂先击穿，能保护S₁不被击穿，但当冲击电压峰值较高时，则S₁将先击穿，而S₂不会击穿。如果要求S₂能可靠地保护S₁，则S₂的伏秒特性必须全面低于S₁。由此可见，在考虑不同间隙的绝缘配合时，保护设备的伏秒特性总希望平坦一些，即采用电场较均匀的结构。

图1-22 极不均匀电场（S₁）和稍不均匀电场（S₂）间隙的伏秒特性举例

图1-23 两个间隙的伏秒特性发生交叉的情况

工程上有时还采用“2_μs冲击击穿电压”这一术语，这是指某间隙在该电压作用下会产生击穿放电，其击穿前时间小于和大于2_μs的几率各为50％，它也是击穿发生在标准波形幅值附近的电压值。均匀和稍不均匀电场中，2_μs冲击放电电压接近于50％冲击放电电压，而在极不均匀电场中，则2_μs冲击放电电压要比50％冲击放电电压高得多。所以，用2_μs冲击放电电压和50％冲击放电电压这两个数值，可以大致反映出击穿电压和放电时间的关系。