介質(zhì)的電氣強(qiáng)度

對(duì)于擊穿的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律，用上一節(jié)所介紹的氣體放電的發(fā)展過(guò)程可以解釋?zhuān)怯捎跉怏w放電理論還不完善，因此并不能對(duì)擊穿電壓進(jìn)行精確的計(jì)算。所以在實(shí)際的工程 式應(yīng)用中，比較普遍的是通過(guò)參照一些典型電極的擊穿電壓來(lái)選擇絕緣距離，或者根據(jù)實(shí)際電極布置情況，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定擊穿電壓。

空氣間隙放電電壓主要受到電場(chǎng)情況、電壓形式以及大氣條件的影響。本節(jié)主要討論在不同條件下空氣間隙放電電壓的一些規(guī)律。

1.2作用電壓下的擊穿

氣體間隙的擊穿電壓與外施電壓的種類(lèi)有關(guān)。直流與工頻電壓均為持續(xù)作用的電壓，這類(lèi)電壓隨時(shí)間的變化率很小，在放電發(fā)展所需的時(shí)間范圍內(nèi)(以微秒計(jì))可以認(rèn)為外施電壓沒(méi)什么變化，因此統(tǒng)稱(chēng)為穩(wěn)態(tài)電壓，以區(qū)別于作用時(shí)間很短的雷電沖擊電壓(模擬大氣過(guò)電壓)和操作沖擊電壓(模擬操作過(guò)電壓)。而沖擊電壓(雷電沖擊、操作沖擊)則持續(xù)時(shí)間極短，以微秒計(jì)，放電發(fā)展所需的時(shí)間不能忽略，間隙的擊穿因而也具有新的特點(diǎn)，電場(chǎng)不均勻時(shí)，尤為明顯。

1.均勻電場(chǎng)中擊穿

實(shí)際工程中很少見(jiàn)到比較大的均勻電場(chǎng)間隙，因?yàn)檫@種情況下為消除電極邊緣效應(yīng)，電極的尺寸必須做得很大。因此，對(duì)于均勻場(chǎng)間隙，通常只有間隙長(zhǎng)度不大時(shí)的擊穿數(shù)據(jù)，如圖1-14所示。

均勻電場(chǎng)中電極布置對(duì)稱(chēng)，因此無(wú)擊穿的極性效應(yīng)。均勻場(chǎng)間隙中各處電場(chǎng)強(qiáng)度相等，擊穿所需時(shí)間極短，因此其直流擊穿電壓與工頻擊穿電壓峰值以及50%沖擊擊穿電壓(指多次施加沖擊電壓時(shí)，其中50%導(dǎo)致擊穿的電壓值)，實(shí)際上是相同的，且擊穿電壓的分散性很小。對(duì)于圖1-14所示的擊穿電壓(峰值)實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，可用以下經(jīng)驗(yàn)公式表示為

式中  d——間隙距離(cm)；

δ——空氣相對(duì)密度。

從圖1-14中可以大致看出，當(dāng)d在1~10cm范圍內(nèi)時(shí)，擊穿強(qiáng)度Eb(用電壓峰值表示)約等于30kV/cm。

2. 稍不均勻電場(chǎng)的擊穿

稍不均勻電場(chǎng)的擊穿特點(diǎn)是擊穿前無(wú)電暈，極性效應(yīng)不很明顯，直流擊穿電壓、工頻擊穿電壓峰值及 50%沖擊擊穿電壓及乎一致。然而，稍不均勻電場(chǎng)的擊穿電壓與電場(chǎng)均勻程度f關(guān)系極大，因而既沒(méi)有能夠概括各種電極結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一經(jīng)驗(yàn)公式，也沒(méi)有適用于各種電極形狀的統(tǒng)一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。通常是對(duì)一些典型的電極結(jié)構(gòu)做出一批實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際的電極結(jié)構(gòu)可能復(fù)雜得多，只能從典型電極中選取類(lèi)似的結(jié)構(gòu)進(jìn)行估算。

稍不均勻電場(chǎng)的擊穿電壓通?？梢愿鶕?jù)起始場(chǎng)強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，由

可得

f取決于電極布置，可用靜電場(chǎng)計(jì)算的方法或電解槽實(shí)驗(yàn)的方法求得。圖1-15給出了幾種典型電極結(jié)構(gòu)。

對(duì)于稍不均勻電場(chǎng)，當(dāng)Emax達(dá)到臨界場(chǎng)強(qiáng)E0時(shí)，達(dá)到擊穿電壓U0，從而

下面給出幾種典型電極結(jié)構(gòu)的電暈起始場(chǎng)強(qiáng)E、電極表面最大場(chǎng)強(qiáng)Emax、電場(chǎng)不均勻系數(shù)f以及電暈起始電壓U0(對(duì)于f<2的稍不均勻間隙，電暈起始電壓也就等于間隙擊穿電壓)的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：

球-平板電極為

圓柱-平板電極

平行圓柱-圓柱電極為

同軸圓柱電極為

同心球電極為

球-球電極

式中，E0、Emax單位為kV/cm(峰值)；UC單位為kV(峰值)；r、R、d的含義如圖1-15所示，單位均為cm。

另外，對(duì)于某些不便于根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式求的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)，也可以用E0=30kV/cm進(jìn)行大致估算，則間隙擊穿電壓Ud為

                          Ud=30d/f                     （1-63）

3.極不均勻電場(chǎng)的擊穿

極不均勻場(chǎng)擊穿電壓的特點(diǎn)：電場(chǎng)不均勻程度對(duì)擊穿電壓的影響減弱(由于電場(chǎng)已經(jīng)極不均勻)，極間距離對(duì)擊穿電壓的影響增大。

這個(gè)結(jié)果有很大意義，可以選擇電場(chǎng)極不均勻的情況，棒-板和棒-棒作為典型電極結(jié)構(gòu)(或尖-板和尖-尖電極結(jié)構(gòu))。它們的擊穿電壓具有代表性，當(dāng)在工程上遇到很多極不均勻的電場(chǎng)時(shí)，可以根據(jù)這些典型電極的擊穿電壓數(shù)據(jù)來(lái)做估算。如果電場(chǎng)分布不對(duì)稱(chēng)，則可參照棒-板(或尖-板)電極的數(shù)據(jù)；如果電場(chǎng)分布對(duì)稱(chēng)，則可參照棒-棒(或尖-尖)電極的數(shù)據(jù)。

在直流電壓中，極不均勻場(chǎng)中直流擊穿電壓的極性效應(yīng)非常明顯。同樣間隙距離下，不同極性間，擊穿電壓相差一倍以上。而尖-尖電極的擊穿電壓介于兩種極性尖-板電極的擊穿電壓之間，這是因?yàn)檫@種電場(chǎng)有兩個(gè)強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，同等間隙距離下，電場(chǎng)均勻程度較尖-板電極為好。

而在工頻電壓下的擊穿，無(wú)論是棒-棒電極還是棒-板電極，其擊穿都發(fā)生在正半周峰值附近(對(duì)棒-板電極結(jié)構(gòu)，擊穿發(fā)生在棒電極處于正半周峰值附近)，故擊穿電壓與直流的正極性相近。工頻擊穿電壓的分散性不大，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差σ一般不超過(guò)2%。當(dāng)間隙距離太大時(shí)，擊穿電壓基本上與間隙距離呈線(xiàn)性上升的關(guān)系；當(dāng)間隙距離很大時(shí)，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)明顯降低，即擊穿電壓不再隨間隙距離的加大而線(xiàn)性增加，呈現(xiàn)出飽和現(xiàn)象，這一現(xiàn)象對(duì)棒板間隙尤為明顯。

因此，在電氣設(shè)備上，希望盡量采用棒棒類(lèi)對(duì)稱(chēng)型的電極結(jié)構(gòu)，而避免棒-板類(lèi)不對(duì)稱(chēng)的電極結(jié)構(gòu)。由于試驗(yàn)時(shí)所采用的“棒"或“板"不盡相同，不同實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)會(huì)有所不同。這一點(diǎn)在各種電壓的空氣間隙擊穿特性中都存在，使用這些曲線(xiàn)時(shí)應(yīng)注意其試驗(yàn)條件。

在持續(xù)作用電壓下，電極間距離遠(yuǎn)小于相應(yīng)電磁波的波長(zhǎng)，所以任一瞬間的這種電場(chǎng)都可以近似作為靜電場(chǎng)來(lái)考慮。除在很少數(shù)情況下可以直接求得解析解外，要想了解局部或整體電場(chǎng)分布的詳細(xì)情況，主要依靠電場(chǎng)數(shù)值計(jì)算來(lái)求解，應(yīng)用較多的方法主要有有限元法和模擬電荷法。有限元法在計(jì)算封閉場(chǎng)域的電場(chǎng)方面有許多優(yōu)點(diǎn)，而模擬電荷法在計(jì)算開(kāi)放場(chǎng)域的電場(chǎng)方面應(yīng)用較多。

1.2.2 雷電沖擊作用下的擊穿

大氣中雷電產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)高壓電氣設(shè)備絕緣會(huì)產(chǎn)生重大威脅。因此，在電力系統(tǒng)中一方面應(yīng)采取措施限制大氣過(guò)電壓，另一方面應(yīng)保證高壓電氣設(shè)備能耐受一定水平的雷電過(guò)電壓。雷電過(guò)電壓是一種持續(xù)時(shí)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(wěn)態(tài)電壓下擊穿不同的特點(diǎn)。

1.雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形

雷電能對(duì)地面設(shè)備造成危害的主要是云地閃。按雷電發(fā)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(chǎn)生并向大地發(fā)展，上行雷則是由接地物體頂部激發(fā)，并向雷云方向發(fā)展。雷電的極性是按照從雷云流入大地的電荷符號(hào)決定。實(shí)驗(yàn)表明，不論地質(zhì)情況如何，90%左右的雷電是負(fù)極性雷。

下行的負(fù)極性雷通?？煞譃?/span>3個(gè)主要階段，即先導(dǎo)、主放電和余光。先導(dǎo)過(guò)程延續(xù)約幾毫秒，以逐級(jí)發(fā)展、高電導(dǎo)、高溫的、具有高電位的先導(dǎo)通道將雷云到大地之間的氣隙擊穿。沿先導(dǎo)通道分布著電荷，其數(shù)量達(dá)幾庫(kù)侖。當(dāng)下行先導(dǎo)和大地短接時(shí)，發(fā)生先導(dǎo)通道放電的過(guò)渡過(guò)程，稱(chēng)為主放電過(guò)程。在主放電過(guò)程中，通道產(chǎn)生突發(fā)的亮光，發(fā)出巨大的聲響，沿著雷電通道流過(guò)幅值很大、延續(xù)時(shí)間為近百微秒的沖擊電流。正是這個(gè)主放電過(guò)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(xù)流向大地，這時(shí)在展開(kāi)照片上看到的是一片模糊發(fā)光的部分，稱(chēng)為余光放電，相應(yīng)的電流是逐漸衰減的，約為103～101A，延續(xù)時(shí)間約為幾毫秒。上述3個(gè)階段組成下行雷的第一個(gè)分量。通常，雷電放電并不就此結(jié)束，而是隨后還有幾個(gè)(甚至十幾個(gè))后續(xù)分量。每個(gè)后續(xù)分量也是階段和金光放電階段組成。各分量中的最大電流和電流增長(zhǎng)最大陡度是造成被擊物體上的過(guò)電壓、電動(dòng)力、電磁脈沖和爆破力的主要因素。而在余光階段中，流過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的電流則是造成雷電熱效應(yīng)的重要因素。

由雷云放電引起的大氣過(guò)電壓的波形是隨機(jī)的，但在實(shí)驗(yàn)室中用沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生沖擊電壓來(lái)模擬雷電過(guò)電壓時(shí)必須采用標(biāo)準(zhǔn)波形，這樣可以使不同實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)結(jié)果互相比較。圖1-16表示雷電沖擊電壓的標(biāo)準(zhǔn)波形和確定其波前和波長(zhǎng)時(shí)間的方法(波長(zhǎng)指沖擊波衰減至半峰值的時(shí)間)。

圖1-16中，O為原點(diǎn)，P點(diǎn)為波峰，但在波形圖中這兩點(diǎn)都不易確定，因?yàn)椴ㄐ?/span>在O點(diǎn)處往往模糊不清；而P點(diǎn)處波形很平，難以確定其出現(xiàn)時(shí)間。國(guó)際上都用圖示的方法求得名義零點(diǎn)O1，(即圖中虛線(xiàn)所示)，連接0.9倍峰值點(diǎn)與0.3倍峰值點(diǎn)作虛線(xiàn)交橫軸于O1點(diǎn)，這樣波前時(shí)間T1和波長(zhǎng)時(shí)間T2都從O1算起。對(duì)于操作沖擊波，T1和T2都從真實(shí)原點(diǎn)算起，這是因?yàn)椴僮鞑ㄉ仙容^平緩，原點(diǎn)附近的波形可以看得清楚。

目前，國(guó)際上大多數(shù)國(guó)家對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)雷電波的波形規(guī)定是：

T1=1.2(1±30%)μs，T2=50(1±20%)μs

對(duì)于不同極性的標(biāo)準(zhǔn)雷電波形可表示為+1.2/50μs或-1.2/50μs。

2.放電時(shí)延

每個(gè)氣隙都有它的低靜態(tài)擊穿電壓，即長(zhǎng)時(shí)間作用在間隙上能使間隙擊穿的低電壓。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(shí)間，以保證放電發(fā)展過(guò)程的完成。

圖1-17表示沖擊擊穿所需要的時(shí)間。施加沖擊電壓經(jīng)時(shí)間t0后電壓值達(dá)U0，但此時(shí)間隙不會(huì)擊穿。從t0至間隙擊穿所需的時(shí)間t1稱(chēng)為放電時(shí)延，它包括兩部分時(shí)間，即ts和tf。ts表示從外施電壓達(dá)U0的時(shí)刻起，到氣隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子的時(shí)間，稱(chēng)之為統(tǒng)計(jì)時(shí)延(因?yàn)榈谝粋€(gè)有效自由電子的出現(xiàn)服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律)。tf表示從出現(xiàn)第一個(gè)有效自由電子的時(shí)刻起，到放電過(guò)程完成所需的時(shí)間，也就是電子崩的形成和發(fā)展到流注所需的時(shí)間，稱(chēng)為放電形成時(shí)延。所以，圖1-17中沖擊擊穿所需的總時(shí)間tb為

                       tb=t0+ ts+ tf                            (1-64)

短間隙中，尤其當(dāng)電場(chǎng)較均勻的時(shí)候，放電形成時(shí)延比統(tǒng)計(jì)時(shí)延小得多，因此這種情況下放電時(shí)延主要決定于統(tǒng)計(jì)時(shí)延。為了減小統(tǒng)計(jì)時(shí)延，可以采用紫外線(xiàn)或其他高能射線(xiàn)對(duì)間隙進(jìn)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(cè)量沖擊電壓時(shí)，通常需要采取這種措施。較長(zhǎng)的間隙中，主要決定于放電形成時(shí)延，且電場(chǎng)越不均勻，則放電形成時(shí)延越長(zhǎng)。顯然，對(duì)間隙施加高于擊穿所需的低電壓，可以使統(tǒng)計(jì)時(shí)延和放電形成時(shí)延都縮短。

3. 50%擊穿電壓

由于放電時(shí)延服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，因此沖擊擊穿電壓具有一定的分散性。一般的規(guī)律是，放電時(shí)延越長(zhǎng)，則沖擊擊穿電壓的分散性越大，即電場(chǎng)越不均勻或間隙越長(zhǎng)，則沖擊擊穿電壓的分散性越大，也就是說(shuō)，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(lái)看，希望在實(shí)驗(yàn)中求取低概率擊穿電壓Ub0(Ub0可看作是絕緣的沖擊耐受電壓)，但這通常是很難準(zhǔn)確求得的。國(guó)內(nèi)外實(shí)踐大多是求取50%放電電壓，即多次能加電壓時(shí)有50%概率會(huì)導(dǎo)致間隙擊穿或不擊穿。根據(jù)50%沖擊擊穿電壓(Ub0)和標(biāo)準(zhǔn)偏差σ即可估算出Ub0值。

                            Ub0= Ub50-3σ                            (1-65)

一般來(lái)說(shuō)，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(shí)間短的緣故。同一間隙的50%沖擊擊穿電壓Ub50與穩(wěn)態(tài)擊穿電壓Ub0之比，稱(chēng)為沖擊系數(shù)β。

均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)間隙的放電時(shí)延短，擊穿的分散性小，沖擊擊穿通常發(fā)生在波峰附近，所以這種情況下沖擊系數(shù)接近于1。極不均勻電場(chǎng)間隙的放電時(shí)延長(zhǎng)，沖擊擊穿常發(fā)生在波尾部分，這種情況下沖擊系數(shù)大于1。

4.伏秒特性 

由于放電時(shí)延的影響，氣隙擊穿需要一定的時(shí)間才能完成，對(duì)于不是持續(xù)作用而是脈沖性質(zhì)的電壓，氣隙的擊穿電壓就與該電壓作用的時(shí)間有很大關(guān)系。同一個(gè)氣隙，在峰值較低但延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的沖擊電壓作用下可能被擊穿，而在峰值較高但延續(xù)時(shí)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(xiàn)的電壓最大值和間隙擊穿時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)表示間隙的沖擊絕緣特性，此曲線(xiàn)稱(chēng)間隙的伏秒特性曲線(xiàn)。

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

由于放電時(shí)間具有分散性，所以在每級(jí)電壓下可得到一系列放電時(shí)間。實(shí)際上，伏秒特性是以上、下包線(xiàn)為界的一個(gè)帶狀區(qū)域。工程上還采用所謂50%伏秒特性，或稱(chēng)平均伏秒特性。每級(jí)電壓下，放電時(shí)間小于下包線(xiàn)橫坐標(biāo)所示數(shù)值的概率為0，大于上包線(xiàn)橫坐標(biāo)所示數(shù)值的概率為100%。現(xiàn)于上下限間選一個(gè)數(shù)值，使放電時(shí)間小于該值的概率等于50%，即某個(gè)電壓下多次擊穿中放電時(shí)間小于該值者恰占一半，這個(gè)數(shù)值可稱(chēng)為50%概率放電時(shí)間。以50%概率放電時(shí)間為橫坐標(biāo)，縱坐標(biāo)仍為該電壓值，連成曲線(xiàn)就是50%伏秒特性曲線(xiàn)，如圖1-19所示。同理，上下包線(xiàn)可相應(yīng)地稱(chēng)為100%及0伏秒特性曲線(xiàn)。較多地采用的是50%伏秒特性，它從較少次的實(shí)驗(yàn)中就可得到。 但應(yīng)用它時(shí)應(yīng)注意，它只是大致地反映了該間隙的伏秒特性，在其兩側(cè)還有一定的分散范圍。

1.2.3操作沖擊電壓下空氣的絕緣特性

電力系統(tǒng)在操作或發(fā)生事故時(shí)，因狀態(tài)發(fā)生突然變化引起電感和電容回路的振蕩產(chǎn)生過(guò)電壓，稱(chēng)為操作過(guò)電壓。操作過(guò)電壓幅值與波形顯然跟電力系統(tǒng)的參數(shù)有密切關(guān)系，這一點(diǎn)與雷電過(guò)電壓不同，后者一般取決于接地電阻，與系統(tǒng)電壓等級(jí)無(wú)關(guān)。操作過(guò)電壓則不然，由于其過(guò)渡過(guò)程的振蕩基值即是系統(tǒng)運(yùn)行電壓，因此電壓等級(jí)越高，操作過(guò)電壓的幅值也越高。在不同的振蕩過(guò)程中，振蕩幅值最高可達(dá)最大相電壓峰值的3～4倍。因此，為保證安全運(yùn)行，需要對(duì)高壓電氣設(shè)備絕緣考察其耐受操作過(guò)電壓的能力。早期的工程實(shí)踐中，采用工頻電壓試驗(yàn)來(lái)考驗(yàn)絕緣耐受操作過(guò)電壓的能力。但其后的研究表明，長(zhǎng)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(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)額定電壓在300kV以上的高壓電氣設(shè)備要進(jìn)行操作沖擊電壓試驗(yàn)。這說(shuō)明操作沖擊電壓下的擊穿只對(duì)長(zhǎng)間隙才有重要意義。

1.操作沖擊電壓波形

操作過(guò)電壓波形隨著電壓等級(jí)、系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)備性能、操作性質(zhì)、操作時(shí)機(jī)等因素而有很大變化的。IEC推薦了250/2500μs的操作沖擊電壓標(biāo)準(zhǔn)波形，我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也采用了這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波形。如圖1-20所示，圖中0點(diǎn)為實(shí)際零點(diǎn)，u為電壓值，圖中u=1.0處為電壓u峰值。波形特征參數(shù)；波前時(shí)間Tcr=250μs，允許誤差為±20%；半峰值時(shí)間T2=2500μs，允許誤差為±60%；峰值允許誤差±3%；90%峰值以上持續(xù)時(shí)間Td未作規(guī)定。

2.操作沖擊放電電壓的特點(diǎn)

(1)U形曲線(xiàn)

通常采用與雷電沖擊波相似的非周期性指數(shù)衰減波來(lái)模擬頻率為數(shù)千赫茲的操作過(guò)電壓。研究表明，長(zhǎng)空氣間隙的操作沖擊擊穿通常發(fā)生在波前部分，因而其擊穿電壓與波前時(shí)間有關(guān)，而與波尾時(shí)間無(wú)關(guān)。

圖1-21表示空氣中3m的棒-棒(一極接地）和導(dǎo)線(xiàn)-板間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)與操作沖擊波的波前時(shí)間的關(guān)系。由此可見(jiàn)，雷電沖擊擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)，但操作沖擊波作用下，當(dāng)波前時(shí)間tcr為100～300μs時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)極小值，其值比工頻擊穿場(chǎng)強(qiáng)要低。進(jìn)步的研究還表明，出現(xiàn)擊穿場(chǎng)強(qiáng)極小值的波前時(shí)間隨間隙距離的增加而增大。對(duì)于操作沖擊電壓作用下長(zhǎng)間隙擊穿的“U形曲線(xiàn)"，通常是用放電時(shí)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(lái)解釋的。Eb隨tcr的減小而增大，是放電時(shí)延在起作用，這一點(diǎn)與雷電沖擊電壓下的伏秒特性是相似的。U形曲線(xiàn)極小值右邊，Eb隨tcr的增加而增大，是因?yàn)?/span>電壓作用時(shí)間增加后空間電荷遷移的范圍擴(kuò)大，更好地改善了間隙整個(gè)電場(chǎng)分布，從而使擊穿電壓提高。

(2)極性效應(yīng)

在各種不同的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，正極性操作沖擊的50%擊穿電壓都比負(fù)極性的低，所以是更危險(xiǎn)的。在討論操作沖擊電壓下的間隙擊穿特性時(shí)，若無(wú)特別說(shuō)明，一般均指正極性的情況。還有一點(diǎn)值得注意的是，在同極性的雷電沖擊標(biāo)準(zhǔn)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(guò)電壓作用下，前者卻比后者低得多，這個(gè)情況啟示我們?cè)谠O(shè)計(jì)高壓電力裝置時(shí)，應(yīng)注意盡量避免出現(xiàn)棒-板型氣隙。

(3)飽和現(xiàn)象

與工頻擊穿電壓的規(guī)律性類(lèi)似，長(zhǎng)間隙在操作波電壓作用下也呈現(xiàn)出顯著的飽和現(xiàn)象，特別是棒-板型氣隙，其飽和程度更加突出。這是因?yàn)殚L(zhǎng)間隙下先導(dǎo)形成之后，放電更易發(fā)展。而雷電沖擊時(shí)，作用時(shí)間太短，所以雷電的飽和現(xiàn)象很不明顯，放電電壓與氣隙距離一般呈線(xiàn)性關(guān)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(zhǎng)電極(如導(dǎo)線(xiàn))要大。波前時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)(比如，大于1000μs)比波前時(shí)間較短時(shí)(比如100~300μs)要大。對(duì)棒-板間隙，50%擊穿電壓的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差前者達(dá)8%左右，波前時(shí)間較短時(shí)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(guò)2%。

(5)鄰近效應(yīng)

電場(chǎng)分布對(duì)操作沖擊電壓U50%影響很大，接地物體靠近放電間隙會(huì)顯著降低正極性擊穿電壓(但能多少提高一些負(fù)極性擊穿電壓)，稱(chēng)鄰近效應(yīng)。

U50%擊穿電壓極小值經(jīng)驗(yàn)公式：正棒-板空氣間隙操作沖擊電壓的U形曲線(xiàn)中50%放電電壓極小值U50%，min與間隙距離d的關(guān)系可用如下經(jīng)驗(yàn)公式表示為

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于1～20m的長(zhǎng)間隙，此公式能很好地吻合。

1.2.4大氣條件對(duì)氣體擊穿的影響

大氣中間隙的放電電壓隨空氣密度的增大而提高，這是因?yàn)榭諝饷芏仍龃髸r(shí)，電子的平均自由行程縮短，使電離過(guò)程削弱的緣故。而對(duì)于空氣濕度來(lái)說(shuō)，在極不均勻電場(chǎng)中，空氣中的水分能使間隙的擊穿電壓有所提高，這是因?yàn)樗肿泳哂腥蹼娯?fù)性，容易吸附電子使其形成負(fù)離子的緣故。但濕度對(duì)均勻電場(chǎng)間隙擊穿的影響很小，因?yàn)榫鶆驁?chǎng)間隙在擊穿前各處的場(chǎng)強(qiáng)都很高，即各處電子運(yùn)動(dòng)速度都很高，不易被水分子捕獲而形成負(fù)離子。所以，在均勻場(chǎng)或稍不均勻場(chǎng)間隙中，通常對(duì)濕度的影響可忽略不計(jì)。本節(jié)中討論濕度對(duì)放電的影響是指空氣中水汽分子的影響，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度很高而在固體絕緣表面發(fā)生凝露時(shí)，情況就不同了。這種情況下電場(chǎng)分布會(huì)發(fā)生畸變，因而導(dǎo)致氣隙擊穿電壓或沿固體絕緣表面的閃絡(luò)電壓下降。

1. 濕度校正因數(shù)和空氣密度校正因數(shù)

根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，在不同大氣狀態(tài)下，外絕緣的放電電壓可按如下公式校正： 

式中  US——標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下(氣壓為0.1013MPa，溫度為20℃，絕對(duì)濕度為11g/cm2)外絕緣放電電壓；

U——實(shí)際大氣狀態(tài)下外絕緣放電電壓；

Kd——空氣密度校正因數(shù)；

Kh——濕度校正因數(shù)。

顯然，大氣狀態(tài)不同時(shí)，外絕緣試驗(yàn)電壓也應(yīng)該按照式(1-68)換算?？諝饷芏刃Ｕ?/span>數(shù)Kd為

式中  P——試驗(yàn)條件下的氣壓(Pa)；

t——-試驗(yàn)條件下的氣溫(℃)； 

Ps、ts——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣壓和氣溫。

濕度校正因數(shù)Kh為 

式中k——絕對(duì)濕度的函數(shù)，根據(jù)外施電壓形式不同而采用圖1-22中曲線(xiàn)1或者曲線(xiàn)2。

而式（1-69）與式（1-70）中的冪m、n和w取決于電壓的形式、極性和放電距離d。目前標(biāo)準(zhǔn)中假定m=n，即

式中δ——空氣相對(duì)密度。

2.海拔的影響

隨著海拔的增加，大氣壓力下降，空氣密度減小，導(dǎo)致外絕緣放電電壓也隨之下降。

海拔對(duì)外絕緣放電電壓的影響一般也由經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)。根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T11022—2020《高壓交流開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共同技術(shù)要求》規(guī)定，對(duì)用于海拔4000m以下1000m以上的設(shè)備外絕緣以及干式變壓器絕緣，在非高海拔地區(qū)試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)電壓U應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下試驗(yàn)電壓Us乘以海拔校正系數(shù)KA即

式中 H——安裝地點(diǎn)海拔。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，取下述確定值：m=1，對(duì)于工頻、雷電沖擊和相間操作沖擊電壓；m=0.9，對(duì)于縱絕緣操作沖擊電壓；m=0.75，對(duì)于相對(duì)地操作沖擊電壓。

以上公式還比較簡(jiǎn)單，對(duì)于一些較復(fù)雜的，比如相同海拔、不同地區(qū)間大氣狀態(tài)以及不同濕度下的大氣狀態(tài)沒(méi)有比較好地解決，對(duì)于海拔對(duì)外絕緣放電電壓的影響，仍在繼續(xù)研究中。

1.2.5提高氣體擊穿電壓的措施

提高氣體擊穿電壓不外乎兩個(gè)途徑：一方面是改善電場(chǎng)分布，使之盡量均勻；另一方面是利用其他方法來(lái)削弱氣體中的電離過(guò)程。改善電場(chǎng)分布也有兩種途徑：一種是改進(jìn)電極形狀；另一種是利用氣體放電本身的空間電荷畸變電場(chǎng)的作用。

1.電極形狀的改進(jìn)

均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)比極不均勻電場(chǎng)間隙的要高很多。一般來(lái)說(shuō)，電場(chǎng)分布越均勻，平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)也越高。因此，可以通過(guò)改進(jìn)電極形狀、增大電極曲率半徑，以改善電場(chǎng)分布，提高間隙的擊穿電壓。同時(shí)，電極表面應(yīng)盡量避免毛刺、棱角等以消除電場(chǎng)局部增強(qiáng)的現(xiàn)象。若不可避免出現(xiàn)極不均勻電場(chǎng)，則盡可能采用對(duì)稱(chēng)電場(chǎng)(棒-棒類(lèi)型)。即使是極不均勻電場(chǎng)，不少情況下，為了避免在工作電壓下出現(xiàn)強(qiáng)烈電暈放電，也必須增大電極曲率半徑。

改變電極形狀以調(diào)整電場(chǎng)的方法有：

1)增大電極曲率半徑。如變壓器套管端部加球形屏蔽罩，采用擴(kuò)徑導(dǎo)線(xiàn)(截面積相同，半徑增大)等，用增大電極曲率半徑的方法來(lái)減小表面場(chǎng)強(qiáng)。

2)改善電極邊緣。電極邊緣做成弧形，或盡量使其與某等位面相近，以消除邊緣效應(yīng)。

3)使電極有最佳外形。如穿墻高壓引線(xiàn)上加金屬扁球，墻洞邊緣做成近似垂鏈線(xiàn)旋轉(zhuǎn)體，以此改善其電場(chǎng)分布。

2.空間電荷對(duì)原電場(chǎng)的畸變作用

極不均勻電場(chǎng)中間隙被擊穿前先發(fā)生電暈現(xiàn)象，所以在一定條件下，可以利用放電自身產(chǎn)生的空間電荷來(lái)改善電場(chǎng)分布，以提高擊穿電壓。例如，導(dǎo)線(xiàn)與平板間隙中，當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)直徑減小到一定程度后，間隙的工頻擊穿電壓反而顯著提高。

當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)直徑很小時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)周?chē)菀仔纬杀容^均勻的電暈層，電壓增加，電暈層也逐漸擴(kuò)大，電暈放電所形成的空間電荷使電場(chǎng)分布改變。由于電暈層比較均勻，電場(chǎng)分布改善了，從而提高了擊穿電壓。當(dāng)導(dǎo)線(xiàn)直徑較大時(shí)，情況就不同了。電極表面不可能絕對(duì)光滑，總存在電場(chǎng)局部強(qiáng)的地方，從而總存在電離局部強(qiáng)的現(xiàn)象。此外，由于導(dǎo)線(xiàn)直徑較大，導(dǎo)線(xiàn)表面附近的強(qiáng)場(chǎng)區(qū)也較大，電離一經(jīng)發(fā)展，就比較強(qiáng)烈。局部電離的發(fā)展，將顯著加強(qiáng)電離區(qū)前方的電場(chǎng)，而削弱了周?chē)浇碾妶?chǎng)(類(lèi)似于出現(xiàn)了金屬端)，從而使該電離區(qū)進(jìn)一步發(fā)展。這樣，電暈就容易轉(zhuǎn)入刷狀放電，從而其擊穿電壓就和尖-板間隙的擊穿電壓相近了。只有在一定間隙距離范圍內(nèi)才存在上述“細(xì)線(xiàn)"效應(yīng)。間隙距離超過(guò)一定值時(shí)，細(xì)線(xiàn)也將產(chǎn)生刷狀放電，從而破壞比較均勻的電暈層，此后擊穿電壓也同尖-板間隙的擊穿電壓相近了。

實(shí)驗(yàn)表明，雷電沖擊電壓下沒(méi)有細(xì)線(xiàn)效應(yīng)。這是由于電壓作用時(shí)間太短，來(lái)不及形成充分的空間電荷層的緣故。利用空間電荷(均勻的電暈層)提高間隙的擊穿電壓，僅在持續(xù)作用電壓下才有效，而且此時(shí)在擊穿前將出現(xiàn)持續(xù)的電暈現(xiàn)象，這在很多場(chǎng)合下也是不允許的。

3.極不均勻場(chǎng)中屏障的采用

在極不均勻場(chǎng)的空氣間隙中，放入薄片固體絕緣材料(如紙或紙板)，在一定條件下可以顯著地提高間隙的擊穿電壓。屏降的作用在于屏障表面上積聚的空間電荷，使屏障與板電極之間形成比較均勻的電場(chǎng)，從而使整個(gè)間隙的擊穿電壓提高。

工頻電壓下，在尖-板電極中設(shè)置屏障可以顯著地提高擊穿電壓，因?yàn)楣ゎl電壓下擊穿總是發(fā)生在尖電極為正極性的半周內(nèi)。雷電沖擊電壓下，屏障也可提高尖·板同隙的擊穿電壓，但是幅度比穩(wěn)態(tài)電壓下要小一些。

4.提高氣體壓力的作用

提高間隙擊穿電壓的另一個(gè)途徑是采取其他方法削弱氣體中的電離過(guò)程，比如，在設(shè)備內(nèi)絕緣等有條件的情況下提高氣體壓力。由于大氣壓下空氣的電氣強(qiáng)度約30kV/cm，即使采取上述措施，盡可能改善電場(chǎng)分布，其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)最高也不會(huì)超過(guò)這個(gè)數(shù)值。而提高氣體壓力可以減小電子的平均自由行程，削弱電離過(guò)程，從而提高擊穿電壓。

在采取這種措施時(shí)，必須注意電場(chǎng)均勻程度和電極表面狀態(tài)。當(dāng)間隙距離不變時(shí)，擊穿電壓隨壓力的提高而很快增加；但當(dāng)壓力增加到一定程度后，擊穿電壓增加的幅度逐漸減小，說(shuō)明此后繼續(xù)增加壓力的效果逐漸下降了。在高氣壓下，電場(chǎng)的均勻程度對(duì)擊穿電壓的影響比在大氣壓力下要顯著得多，電場(chǎng)均勻程度下降，擊穿電壓將急劇降低。因此，采用高氣壓的電氣設(shè)備應(yīng)使電場(chǎng)盡可能均勻。而在實(shí)際工程中采用的高氣壓值也不會(huì)太大。因?yàn)闅鈮禾邥r(shí)，擊穿電壓隨氣壓升高的規(guī)律將不符合巴申定律，壓力越高，二者分歧越大。而且同一δd條件下，壓力越高，擊穿電壓越低。另外壓力太高，工程制造成本也會(huì)大幅度增加。

在高氣壓下，氣隙的擊穿電壓和電極表面的粗糙度也有很大關(guān)系。電極表面越粗糙，氣隙的擊穿電壓就越低，氣體壓力越大，這個(gè)影響就越顯著。一個(gè)新的電極最初幾次的擊穿電壓往往較低，經(jīng)過(guò)多次限制能量的火花擊穿后，氣隙的擊穿電壓就有顯著提高，分散性也減小，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)作對(duì)電極進(jìn)行“老煉"處理。氣壓提高，“老煉"處理所需的擊穿次數(shù)也越多。電極表面不潔、有污物以及濕度等因素在高氣壓下對(duì)氣隙擊穿電壓的影響都要比常壓下顯著。如果電場(chǎng)不均勻，濕度使擊穿電壓下降的程度就更顯著。

因此，高氣壓下應(yīng)盡可能改進(jìn)電極形狀，以改善電場(chǎng)分布。在比較均勻的電場(chǎng)中，電極應(yīng)仔細(xì)加工光潔。氣體要過(guò)濾，濾去塵埃和水分。充氣后需放置較長(zhǎng)時(shí)間凈化后再使用。

5.高真空和高電氣強(qiáng)度氣體SF6的采用

(1)高真空的采用

采用高真空也是削弱了電極間氣體的電離過(guò)程，雖然電子的自由行程變得很大，但間隙高間隙擊穿電壓大。

間隙距離較小時(shí)，高真空的擊穿場(chǎng)強(qiáng)很高，其值超過(guò)壓縮氣體間隙；但間隙距離較大時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)急劇減小，明顯低于壓縮氣體間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。真空擊穿理論對(duì)這一現(xiàn)象是這樣解釋的：高真空小間隙的擊穿是與陰極表面的強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射密切有關(guān)。由于強(qiáng)場(chǎng)發(fā)射造成很大的電流密度，導(dǎo)致電極局部過(guò)熱使電極發(fā)生金屬汽化并釋放出氣體，破壞了真空，從而引起擊穿。間隙距離較大時(shí)，擊穿是由所謂全電壓效應(yīng)引起的。隨著間隙距離及擊穿電壓的增大，電子從陰極到陽(yáng)極經(jīng)過(guò)巨大的電位差，積聚了很大的動(dòng)能，高能電子轟擊陽(yáng)極時(shí)能使陽(yáng)極釋放出正離子及輻射出光子；正離子及光子到達(dá)陰極后又將加強(qiáng)陰極的表面電離。在此反復(fù)過(guò)程中產(chǎn)生越來(lái)越大的電子流，使電極局部汽化，導(dǎo)致間隙擊穿，這就是全電壓效應(yīng)引起平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)隨間隙距離的增加而降低的原因。由此可見(jiàn)，真空間隙的擊穿電壓與電極材料、電極表面粗糙度和清潔度(包括吸附氣體的多少和種類(lèi))等多種因素有關(guān)，因此擊穿分散性很大。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，擊穿電壓隨電極材料熔點(diǎn)的提高而增大。在電力設(shè)備中，目前，還很少采用高真空作為絕緣介質(zhì)，因?yàn)殡娏υO(shè)備的絕緣結(jié)構(gòu)中總會(huì)使用固體絕緣材料，這些固體絕緣材料會(huì)逐漸釋放出吸附的氣體，使真空無(wú)法保持。目前，真空間隙只在真空斷路器中得到應(yīng)用。真空不僅絕緣性能好，而且有很強(qiáng)的滅弧能力，所以真空斷路器已廣泛應(yīng)用于配電網(wǎng)絡(luò)中。

(2)高電氣強(qiáng)度氣體SF6的采用

高氣壓高真空到一定限度后，給設(shè)備密封帶來(lái)很大困難，造價(jià)也大為上升。而且10個(gè)大氣壓以后，再提高氣壓，效果也越來(lái)越差。近幾十年，人們發(fā)現(xiàn)許多含鹵族元素的氣體化合物，如SF6、CCl4、CCl2F2等的電氣強(qiáng)度都比空氣高很多，這些氣體通常稱(chēng)為高電氣強(qiáng)度氣體。采用這些氣體代替空氣可以提高間隙擊穿電壓，縮小設(shè)備尺寸，降低工作氣壓。

表1-5中列出了幾種氣體的相對(duì)電氣強(qiáng)度。所謂某種氣體的相對(duì)電氣強(qiáng)度是指在氣壓與間隙距離相同的條件下該氣體的電氣強(qiáng)度與空氣電氣強(qiáng)度之比。

表1-5               幾種氣體的相對(duì)電氣強(qiáng)度

SF6氣體的主要優(yōu)點(diǎn)有：除了具有較高的電氣強(qiáng)度外，還有很強(qiáng)的滅弧性能。它是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、非燃性的惰性化合物，對(duì)金屬和其他絕緣材料沒(méi)有腐蝕作用，被加熱到500℃仍不會(huì)分解。在中等壓力下，SF6氣體可以被液化，便于儲(chǔ)藏和運(yùn)輸。SF6氣體被廣泛用于大容量高壓斷路器、高壓充氣電纜、高壓電容器、高壓充氣套管以及全封閉組合電器中。采用SF6的電氣設(shè)備的尺寸大為縮小，例如，500kV的SF6金屬封閉式變電站的占地僅為開(kāi)放式500kV變電站用地的5%，且不受外界氣候變化的影響。

用SF6電氣設(shè)備的缺點(diǎn)是造價(jià)太高，而且作為一種對(duì)臭氧層有破壞作用的溫室氣體，SF6的進(jìn)一步應(yīng)用也遇到一些問(wèn)題，不過(guò)目前還找不到一種在性能、價(jià)格方面都能與SF6競(jìng)爭(zhēng)的高電氣強(qiáng)度氣體。