雷电冲击电压下空气和绝缘特性

一、雷电冲击电压的形成与标准波形
　　1.雷电冲击电压的形成
　　（1）雷电放电概述
　　雷闪：雷云中积聚了大量电荷而在大气中引起的放电现象，云内闪，云间闪，云地闪对地面设备造成危害
　　下行雷：雷云中产生并向大地发展
　　上行雷：由接地物顶部激发起，并向雷云方向发展，雷电的极性——按从雷云流入大地的电荷的符号决定。
　　实测表明：90%雷电是负极性雷。
　　下行雷3个阶段（负极性情
　　① 光导过程：nms，光导通道将雷云到R地之间气隙击穿，通道电荷轮。
　　② 主放电过程：下行光导和大地短接，光导通道放电的过渡过程。主放电过程通道实发亮光，巨大雷响，沿道通流过很大（几百千安）百微砂的冲击电流——破坏作用
　　③ 余光放电：主放电后，剩余电荷沿通道继续流向大地，照实上看是模糊发光的部分，余光放电，几m³,10³-10’A
　　①②③构成下行负雷第一个分量，后读分量还有被击物上的过电压，电动力，电磁脉冲，爆破力的主要因素——最大电流，电流增长最陡度。
　　　　　　　　　　
　　问题：①雷云如何获得电荷
　　②同号电荷聚集，异号电荷分开
　　③电荷在云中怎样分布
　　④放电前后的整个放电过程中电荷如何活动。
　　假设理论缺乏确定，较肯定的认识
　　认为：雷云电荷局限在大量分散的水性质点（水滴，冰粒，雪片）上，不是独立自由的离子和电子。
　　① 荷电过程——与它们转换到不同的存在状态有关，也与它们吸收离子，相互撞击，被破碎分裂或被融合过程有关。
　　② 异号电荷分离——强烈气流和地球引力场作用下，具备不同的空气动力学特性造成。
　　③ 雷云不同部位积累了异号电荷——之间产生电场，水性质点在电场中极化促进雷云的荷电过程。
　　④ 综合效果——造成相当强的产生的分离电荷的能力——使主要荷电部分横向范围扩展到几公里，垂直方向分离成两个R的电荷中心
　　电荷分布
　　① 负电荷之层1.5-5km(中心2-3km)高
　　② 正电荷云层4-10km
　　③ 最低部分不大区域可能有正电荷局部聚集
　　④ 极少情况测得上负下正
　　⑤ 不同极性电荷接近相等，不同雷云相差很大，一般几百轮
　　　　　　　　　
　　雷闪放电前，雷云对地主争电电位很高,10⁷-10⁸V
　　被击物体冲击电压与淡静电电位不同。
　　雷电冲击电压——①对地放电时，冲击电流在接地阴抗上产生的压降，②极大的电流变化陡度在电感性物体上产生的高电压，③输电线路上雷电冲击电流引起的电场，磁场剧变化，感应出高电压
　　雷击破坏加根径——冲击电流，引起被击物电位突变，巨大的热效应，力效应。
　　2.标准雷电冲击电压波形
　　雷电流（雷电冲击接地电阻上形成电压）具有冲击波特点：迅速上升，平缓下降。
　　标准波形：为模拟雷闪放电引起过电压，实验室中常用冲击电压发生装置产生冲击电压。标准波形根据实测的由雷闪造成的电压波形制定——全波，截波。
　　
　　全波：图2-9，国家规定标准波形确定方法
　　0.3　 0.9
　　A　　 B　 AB交时间轴G，交峰值水平切线F
　　GF线——波前
　　GH线——视在波前时间
　　GK段T₂——视在半峰值时间
　　波形上有振荡，取其平均曲线为基本波形
　　图标（同IEC）规定，
　　计算用双指数波
　　分析波头简化
　　截波:模拟雷电冲击波被某处放电而截断的波形
　　
　　图2-10 波前截断,波尾截断,截断时间T_c,峰值U_c,截断时到电压U_j,截波电压骤降视在陡度斜率过O系数U₂/U_c
　二、放电时延
　　最低静态击穿电压,每个气隙都有一个取低静态击穿电压_即长时间作用在间隙上能使间隙击穿的最低电压。
　　对冲击电压而言这是必要的条件，不是充分条件。
　　——气隙，静态击穿电压U₀，对其施以冲击电压t_o时到达U₀，但需经t₁时间后方能击穿。
　　※间隙的击穿不仅需要足免的电压，还需要足够的时间。
　　击穿时t_b从开始加压到气隙完全击穿的时间。
　　
　　① t₀升压时间：0升到静态击穿电压U₀。
　　② 统计时延ts：从升到U0时廖到气隙中形成第一个有效电子的时间。
　　③ 放电形成时延tf，第一个有效电子到气隙完全击穿。
　　第一个有效电子能发展到一系列电离过程，最后导致间隙完全击穿的那个电子，非自由电子。
　　① 自由电子可被中性质点俘获，形成负离子，失去电离活力。
　　② 自由电子可能扩散到间隙外，不参加电离。
　　③ 自由电子可被引起的电离中途衰之而停止。
　　t₁=t_s t_f放电时延
　　t_b击穿时间
　三、50%放电电压
　　冲击电压t₀直气隙上
　　注意：①电坟起过UO持续的时间T，小于放电时间t₀，则击穿概率很低。
　　②U_m很高，使放电时延缩短，T》t₁，则每次冲击都江堰市能使间隙击穿。
　　③间隙的50%放电电压U₅₀——存在一个电压值，当此电压加到淡间隙上时，击穿与不击穿的概率各50%。
　　冲击电压下间隙的绝缘特性用50%放电电压衡量——多次施加同一幅值冲击波，半数击穿。
　　确定间隙U₅₀方法——标准波形不变，逐级升高幅值，每段10次，有4-6次击穿，则为U₅₀。
　　用50%冲击电压确定绝缘距离。
　四、冲击系数与伏秒特性
　　1.冲击系数：
　　均匀和稍不均匀电场为1-即直流，高流，50%冲击电压三都相等，不易形成流注击穿，50%击穿电压下，击穿发生在峰值附近。
　　极不均匀电场，易形成流注而击穿，U_m低，放电时候冲击系数大于1，波尾击穿。
　　
　　2.伏秒特性及其制定
　　放电时延决定气隙击穿需要一定时间，脉冲电压，击穿电压与电压作用时间相关。
　　伏秒特性：冲击电压下，仅用单一击穿电压值描述间隙绝缘特性是不全面的，一般用电压最大值和击穿时间的关系曲线来表示间隙的冲击绝缘特性，该曲线我为间隙的~。
　　
　　伏秒特性求取方法：
　　虽讨论伏砂特性，但电压几值仍是气隙击穿过程中的主要因素。
　　电压较低时，击穿时，电压已从峰值下降到一定数值，如1.2点
　　电压升高时，击穿可能发生在波峰
　　电压再升高，电压来升到波形的峰值时已击穿，如3
　　连接这些点，构成伏秒特性，击穿点：峰值为纵坐标，击穿时廖为横坐标
　　
　　工程上的50%伏砂特性（平均伏秒特性）
　　放电时间有分散性，每段电压有一系数放电时间，所以伏秒特性是一个带状区域。
　　
　　图2-16，一段电压，下色线0%，上色线100%
　　50%概率放电时间：——放电时间小于淡值概率50%
　　2冲击击穿电压:击穿时放电时间小于或大于2 的概率各为50%的冲击电压值,也是击穿发生的标准波中的附近的电压,极不均匀电场中,值比50%,冲击击穿电压高
　　图2-18
　　3.伏秒特性的应用
　　间隙伏秒特性的形状取决于电极间的电场分布
　　极不均匀电场:平均击穿场强较低,放电时延较长,伏秒特性随放电时间减压少而明显上翘。
　　均匀及稍不均匀电场，平均击穿场强较高，放电时间较短，伏秒特性平均。
　　伏秒特性应用——比较不同设备绝缘的冲击击穿特性，保护装置的设计。
　　两气隙不并联，先击穿的保护后击穿的，
　　
　　阀式避雷口，保护间隙采用均匀电场结构，伏秒特性曲线低于破保护设备。