1.2.2 雷电冲击作用下的击穿

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。

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和上行雷两种。下行雷是在雷云中产生并向大地发展，上行雷则是由接地物体顶部激发，并向雷云方向发展。雷电的极性是按照从雷云流入大地的电荷符号决定。实验表明，不论地质情况如何，90%左右的雷电是负极性雷。

下行的负极性雷通常可分为3个主要阶段，即先导、主放电和余光。先导过程延续约几毫秒，以逐级发展、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。当下行先导和大地短接时，发生先导通道放电的过渡过程，称为主放电过程。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。正是这个主放电过程造成雷电放电最大的破坏作用。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，称为余光放电，相应的电流是逐渐衰减的，约为103～101A，延续时间约为几毫秒。上述3个阶段组成下行雷的第一个分量。通常，雷电放电并不就此结束，而是随后还有几个（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。

由雷云放电引起的大气过电压的波形是随机的，但在实验室中用冲击电压发生器产生冲击电压来模拟雷电过电压时必须采用标准波形，这样可以使不同实验室的试验结果互相比较。图1-16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1-16中，O为原点，P点为波峰，但在波形图中这两点都不易确定，因为波形在O点处往往模糊不清；而P点处波形很平，难以确定其出现时间。国际上都用图示的方法求得名义零点O₁（即图中虚线所示），连接0.9倍峰值点与0.3倍峰值点作虚线交横轴于O₁点，这样波前时间T₁和波长时间T₂都从O₁算起。对于操作冲击波，T₁和T₂都从真实原点算起，这是因为操作波上升比较平缓，原点附近的波形可以看得清楚。

目前，国际上大多数国家对于标准雷电波的波形规定是：

T₁=1.2(1±30%)μs,T₂=50(1±20%)μs

对于不同极性的标准雷电波形可表示为+1.2/50μs或-1.2/50μs。

2.放电时延

每个气隙都有它的最低静态击穿电压，即长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。要使气体间隙击穿，不仅需要外施电压高于临界击穿电压U₀，而且还需要外施电压维持一定的时间，以保证放电发展过程的完成。

图1-17表示冲击击穿所需要的时间。施加冲击电压经时间t₀后电压值达U₀，但此时间隙不会击穿。从t₀至间隙击穿所需的时间t₁称为放电时延，它包括两部分时间，即t_s和t_f。t_s表示从外施电压达U₀的时刻起，到气隙中出现第一个有效电子的时间，称之为统计时延（因为第一个有效自由电子的出现服从统计规律）。t_f表示从出现第一个有效自由电子的时刻起，到放电过程完成所需的时间，也就是电子崩的形成和发展到流注所需的时间，称为放电形成时延。所以，图1-17中冲击击穿所需的总时间t_b为

短间隙中，尤其当电场较均匀的时候，放电形成时延比统计时延小得多，因此这种情况下放电时延主要决定于统计时延。为了减小统计时延，可以采用紫外线或其他高能射线对间隙进行人工照射，使阴极表面释放出更多电子。例如，用较小的球隙测量冲击电压时，通常需要采取这种措施。较长的间隙中，主要决定于放电形成时延，且电场越不均匀，则放电形成时延越长。显然，对间隙施加高于击穿所需的最低电压，可以使统计时延和放电形成时延都缩短。

3.50%击穿电压

由于放电时延服从统计规律，因此冲击击穿电压具有一定的分散性。一般的规律是，放电时延越长，则冲击击穿电压的分散性越大，即电场越不均匀或间隙越长，则冲击击穿电压的分散性越大，也就是说，低概率击穿电压与100%击穿电压的差别越大。从确定间隙耐受冲击电压的绝缘能力来看，希望在实验中求取低概率击穿电压U_b0（U_b0可看作是绝缘的冲击耐受电压），但这通常是很难准确求得的。国内外实践大多是求取50%放电电压，即多次施加电压时有50%概率会导致间隙击穿或不击穿。根据50%冲击击穿电压（U_b50）和标准偏差σ即可估算出U_b0值。

一般来说，50%冲击击穿电压比工频击穿电压的峰值要高一些，这是由于雷电冲击电压作用时间短的缘故。同一间隙的50%冲击击穿电压U_b50与稳态击穿电压U_b0之比，称为冲击系数β。

均匀电场和稍不均匀电场间隙的放电时延短，击穿的分散性小，冲击击穿通常发生在波峰附近，所以这种情况下冲击系数接近于1。极不均匀电场间隙的放电时延长，冲击击穿常发生在波尾部分，这种情况下冲击系数大于1。

4.伏秒特性

由于放电时延的影响，气隙击穿需要一定的时间才能完成，对于不是持续作用而是脉冲性质的电压，气隙的击穿电压就与该电压作用的时间有很大关系。同一个气隙，在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下可能被击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下可能反而不被击穿。因此，在冲击电压下仅用单一的击穿电压值描述间隙的绝缘特性是不全面的。一般用间隙上出现的电压最大值和间隙击穿时间的关系曲线来表示间隙的冲击绝缘特性，此曲线称间隙的伏秒特性曲线。

伏秒特性绘制方法如图1-18所示。保持一定的波形而逐级升高冲击电压的峰值。电压较低时，击穿发生在波尾。在击穿前的瞬时，电压虽已从峰值下降到一定数值，但该电压峰值仍然是气隙击穿过程中的主要因素，因此以该电压峰值为纵坐标，以击穿时刻为横坐标，得点“1”、点“2”。电压再升高时，击穿可能正好发生在波峰，则该点当然是伏秒特性曲线上的一点。电压进一步升高时，气隙很可能在电压尚未升到波形的峰值时就已经被击穿，如图中的点“3”。把这些相应的点连成一条曲线，就是该气隙在该电压波形下的伏秒特性曲线。

由于放电时间具有分散性，所以在每级电压下可得到一系列放电时间。实际上，伏秒特性是以上、下包线为界的一个带状区域。工程上还采用所谓50%伏秒特性，或称平均伏秒特性。每级电压下，放电时间小于下包线横坐标所示数值的概率为0，大于上包线横坐标所示数值的概率为100%。现于上下限间选一个数值，使放电时间小于该值的概率等于50%，即某个电压下多次击穿中放电时间小于该值者恰占一半，这个数值可称为50%概率放电时间。以50%概率放电时间为横坐标，纵坐标仍为该电压值，连成曲线就是50%伏秒特性曲线，如图1-19所示。同理，上下包线可相应地称为100%及0伏秒特性曲线。较多地采用的是50%伏秒特性，它从较少次的实验中就可得到。但应用它时应注意，它只是大致地反映了该间隙的伏秒特性，在其两侧还有一定的分散范围。