操作冲击电压下气体间隙的击穿特性

电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化而引起电感和电容回路的振荡产生的过电压，称为操作过电压。操作过电压的峰值可高达最大相电压的3～3.5倍，因此为保证安全运行，需要对高压电气设备的绝缘考察其耐受操作过电压的能力。在电力系统中的操作过电压作用下空气间隙的击穿特性，过去曾认为与工频电压的击穿特性差别不大，其击穿电压介于雷电冲击击穿电压和工频击穿电压之间，一般可以引入某个操作冲击系数把操作过电压折算成等效工频电压来考虑，故早期的工程实践中，常采用工频电压试验来考验绝缘耐受操作过电压的能力。近20年来，随着电力系统工作电压的不断提高，操作过电压下的绝缘问题越来越突出，对操作过电压波形下气体绝缘放电特性的研究日益广泛。在研究中发现了一系列过电压新的特点，如波形对击穿电压有很大的影响，在一定的波形下长间隙在操作冲击50%击穿电压甚至比工频击穿电压还要低等。因此目前的试验标准规定，对额定电压在300 kV以上的高压电气设备要进行操作冲击电压试验。这说明操作冲击电压下的击穿对绝缘间隙距离的确定具有重要意义。

为了模拟操作过电压，需要规定一定的标准波形，国际电工委员会（IEC）和我国国家标准规定的操作冲击电压标准波形是与雷电冲击电压波形相类似的非周期性指数衰减波，只是波前时间T1和半峰值时间T2长得多，规定的操作冲击电压标准波形为250/2500μs，容许的偏差为波前时间±20%，半峰值时间±60%。当标准波形不能满足要求时，可选用100/2500μs或500/2500μs的波形。用冲击电压发生器产生标准操作冲击波时，发生器的效率很低，所以在工程实践中也常采用振荡操作波代替非周期性的指数衰减的标准波形。

通常采用与雷电冲击波相似的非周期性指数衰减波来模拟频率为数千赫兹的操作过电压，研究表明，长空气间隙的操作冲击击穿通常发生在波前部分，因而其击穿电压与波前时间有关而与波尾时间无关。如图1.35所示是棒-板空气间隙的正极性操作冲击U50%和波前时间的关系。

从图中可以看出，曲线呈“U”形，在某一波前时间（称为临界波前时间）下U50%有极小值。这个极小值可能比间隙的工频击穿电压还低。随着间隙距离的增大，临界波前时间也增加。对于输电线路和变电所的各种形状的空气间隙，操作冲击波形对击穿电压都具有类似的影响。出现“U”形曲线在正极性操作冲击波下更为明显。

如图1.36所示给出空气中棒-板间隙在正极性雷电冲击波和操作冲击波作用下击穿电压的比较（图中数据为标准大气条件下的）。 由图1.36可见，长间隙的雷电冲击击穿电压远比操作冲击击穿电压要高，且操作冲击击穿电压在间隙长度超过5m时呈现明显的饱和趋势。从图1.36还可看出，间隙距离越大，则最小击穿电压与标准正极性操作波下的击穿电压的差别越大。当间隙长度达25 m时，操作冲击下的最低击穿强度仅为1 kV/cm。对于图1.36所示的操作冲击波下的最小击穿电压Umin在间隙距离S=1～20 m内，可用以下经验公式表达：

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图1.35　棒-板空气间隙的正极性操作冲击U50%和波前时间的关系

图1.36　空气中棒-板间隙在正极性雷电冲击和操作冲击下的击穿电压

棒-板间隙的操作冲击击穿电压比同样距离的其他间隙要低，其他间隙的操作冲击击穿电压Ua，可根据其间隙系数k和棒-板间隙的操作冲击击穿电压Ur（均指50%击穿电压）来估算，即

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间隙系数k与间隙的几何形状，也就是间隙中的电场分布有关，k的数值可在绝缘手册中查到。但在工程中为了保证可靠性和经济性，常需要在1∶1的模型上进行试验以取得可靠的数据。