雷电冲击电压的标准波形、操作冲击电压波形、放电时延等概念
雷电冲击电压的标准波形、操作冲击电压波形、放电时延等概念
冲击电压是电气工程领域中的一个重要概念，它对于评估电气设备的绝缘性能具有重要意义。本文详细介绍了雷电冲击电压和操作冲击电压的标准波形，以及在这些电压作用下气隙的击穿特性，包括放电时延、50%冲击放电电压和冲击系数等关键参数。
冲击电压的标准波形
冲击电压指的是作用时间短暂的电压。为了检验电气设备的绝缘耐受冲击电压的能力，在实验室中常利用冲击电压发生器产生冲击电压。为使实验结果能相互比较，需规定标准波形。
雷电冲击电压的标准波形
- 雷电冲击电压全波。雷电全波冲击试验电压为非周期性冲击电压，如图1所示，先是很快上升到峰值，然后缓慢下降到零。波形由视在波前时间T1、视在半峰值时间T2确定。国际电工委员会和我国国家标准规定：
- T1=1.2μs；允许误差为±30%；
- T2=50μs；允许误差为±20%；
- 峰值允许误差为±3%。标准波形通常表示为±1.2/50μs。
- 雷电冲击电压截波。雷电截波冲击试验电压如图2所示。国家标准规定了视在波前时间T1(T1=1.2μs±30%)、截断时间TC(TC=2～5μs)、截波峰值UC、截断时刻电压Uj、电压过零系数U2/UC等参数。
操作冲击电压的标准波形
标准操作冲击电压波形如图3所示。国际电工委员会和我国国家标准规定：
- 波前时间：Tp=250μs（1±20%）；
- 半峰值时间：Tz-2500μs（1+60%）；
- 峰值允许偏差±3%；
- 超过90%峰值的持续时间T1未作规定。
标准波形通常可表示为±250/2500μs。
雷电冲击电压下气隙的击穿特性
要使气体间隙击穿，不仅需要足够高的电压，而且电压作用时间必须足够长，以保证放电发展过程的完成。
放电时延
放电时延是指从电压升到间隙的静态击穿电压U0(长时间作用在气隙上能使其击穿的低电压)的瞬间起到间隙击穿为止的时间。放电时延包括统计时延和放电形成时延两部分。
- 统计时延ts—从电压达到U0的瞬间起到间隙中形成第一个能引起电子崩并导致间隙击穿的有效电子为止的时间。这一有效电子出现所需要的时间具有统计性。
- 放电形成时延tf——从形成第一个有效电子的瞬间起到间隙击穿为止的时间。由于电子崩及流注的发展受到一些偶然因素的影响，所以放电形成时延tf也服从统计规律。
由于放电时延服从统计规律，所以冲击击穿电压具有分散性。电场越不均匀或间隙越长(放电时延越长)，冲击击穿电压的分散性越大。
在短间隙(几厘米)中，特别是电场较均匀时，由于平均场强很高，放电发展速度快，统计时延大于放电形成时延，故放电时延近似等于统计时延。为了减小放电时延，可采取提高外施电压或外界照射的方法。对于电场分布极不均匀的长间隙，由于局部场强高(出现有效电子的概率增加)，而平均场强较低(放电发展速度慢)，放电时延主要取决于放电形成时延，且电场越不均匀放电时延越长。
放电时延还与外加电压的大小有关，总的趋势是电压越高，出现有效电子的时间越短，且放电过程发展的越快，故放电时延越短。
50%冲击放电电压U50%
由于冲击击穿电压具有分散性，工程上常用50%冲击击穿电压U50%表示间隙的冲击击穿特性。
U50%是指多次施加同一冲击电压时，间隙被击穿的概率为50%的冲击电压峰值。
应当指出，同一间隙在不同波形的冲击电压作用下，其U50%是不同的，如无特别说明，一般指用标准波形作出的。
冲击系数
同一间隙的50%冲击放电电压U50%与静态击穿电压U0之比称为冲击系数β，即
β = U50% / U0 (1)
均匀和稍不均匀电场间隙，放电时延短，击穿电压的分散性小，冲击击穿常发生在波峰附近。50%冲击放电电压U50%与静态击穿电压U0相差不大，冲击系数近似等于1。
在极不均匀电场中，放电时延较长，击穿电压的分散性也较大。冲击击穿常发生在波尾部分，其冲击系数大于1。
操作冲击电压下气隙的击穿特性
在均匀或稍不均匀电场的空气间隙中，操作冲击50%击穿电压与雷电冲击U50%s、工频击穿电压(峰值)几乎相同，击穿发生在峰值处，击穿电压的分散性也不大。在极不均匀电场中，空气间隙在操作冲击电压下的击穿有许多特点：
U形曲线
长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，击穿电压与波前时间有关而与波尾时间无关。图4为棒一板间隙正极性操作冲击U50%击穿电压与波前时间的关系，由图可以看出，曲线呈U形，即当波前时间为某定值时，U50%具有极小值。当间隙距离S(m)在1～20m范围内时，正棒一板间隙操作冲击电压的极小值U50%min(kV)可用下面的经验公式估算
U50%min = 3400/(1+8/S) (2)
对应于极小值的波前时间称为临界波前时间。当间隙距离增大时，临界波前时间也相应增大。需要注意的是：在某些波前时间内，气隙的操作冲击击穿电压比工频击穿电压还低，所以在设计高压电力装置时必须注意这种现象。
极性效应
在极不均匀电场中，正极性操作冲击电压下的U50%比负极性的低，且其极性效应较雷电冲击电压下的极性效应更加显著，如图5所示。
饱和现象
长空气间隙在操作冲击电压作用下，其U50%min与间隙距离的关系呈现显著的饱和特征，如图5所示。
分散性大
空气间隙在操作冲击电压的作用下，其击穿电压的分散性比雷电冲击电压作用下大得多。对极不均匀电场的空气间隙，其相对标准偏差可达8%左右。