電壓一般是指持續(xù)時(shí)間很短，只有約幾個(gè)微妙到幾十個(gè)微秒的非周期性變化的電壓。由產(chǎn)生的過電正就屬于這樣的電壓。由于電壓作用時(shí)間短到可以與放電需要的時(shí)間相比擬，所以空氣間隙在電壓作用下有著一系列的特點(diǎn)，本節(jié)將介紹空氣間隙在電壓作用下所顯現(xiàn)的一些主要放電特性。

一、標(biāo)準(zhǔn)波形

為了檢驗(yàn)絕緣耐受電壓的能力，在實(shí)驗(yàn)室中可以利用電壓發(fā)生器產(chǎn)生高壓，以模擬放電引起的過電壓。為了使所得到的結(jié)果可以互相比較，需要規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)波形。標(biāo)準(zhǔn)波形是根據(jù)電力系統(tǒng)中大量實(shí)測(cè)得到的過電壓波形制訂的。我國(guó)規(guī)定的電壓標(biāo)準(zhǔn)波形如圖1-14所示。電壓波形由波前時(shí)間T₁及半峰值時(shí)間T₂來(lái)確定。由于實(shí)驗(yàn)室中一般用示波器攝取的電壓波形圖在原點(diǎn)附近往往模糊不清，波峰附近波形較平，不易確定原點(diǎn)及峰值的位置，因此視經(jīng)過0.3U_m和0.9U_m，兩點(diǎn)的直線構(gòu)成的視在斜角波前(圖1-14)。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的沖電壓標(biāo)準(zhǔn)波形的參數(shù)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC規(guī)定的相同，T₁=(1.2±30%)μs，T₂=(50±20%)μs。沖電壓除了T₁及T₂外，還應(yīng)指出其極性(不接地電極相對(duì)于地而言的極性)。標(biāo)準(zhǔn)波形道常可以用符號(hào)±1.2/50μs表示。

二、放電時(shí)延

圖1-15表示電壓作用下空氣間隙的電壓擊穿波形。設(shè)經(jīng)過時(shí)間t₁后，電壓由零升到間隙的靜態(tài)電壓擊穿(即直流或工頻電壓擊穿幅值)U₀時(shí)，間隙并不能立即擊穿，而要經(jīng)過一定的時(shí)間間隔t₁，到達(dá)t₂時(shí)才能完成擊穿。為此，首先必須在陰級(jí)附近出現(xiàn)一個(gè)有效電子，通常把電壓達(dá)間隙的靜態(tài)電壓擊穿U₀開始到間隙中出現(xiàn)第一個(gè)有效電子為止所需的時(shí)間稱為統(tǒng)計(jì)時(shí)延，用t_s表示。由于間隙中自由電子的出現(xiàn)與許多不能準(zhǔn)確估計(jì)的因素有關(guān)，特別是在依賴自然界的宇宙線等輻射產(chǎn)生游離的情況下更是如此，而由此產(chǎn)生的自由電子也不一定都能成為有效電子。因?yàn)橛械?/span>電子可能因擴(kuò)散而消失，有的可能附著在分子上成為負(fù)離子，

因此統(tǒng)計(jì)時(shí)延t_s有分微。從第一個(gè)有效電子到間隙完成擊穿，還需要一定的放電發(fā)展時(shí)間，稱為放電形成時(shí)延，用t_f表示。t_f包括從電子崩、流注到主放電的發(fā)展所需的時(shí)間，由于受各種偶然因素的影響，t_f也具有分放性。t_s和t_f均服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。

氣體間隙在電壓作用下擊穿所需的全部時(shí)間為 

t=t₁+t_s+t_f   (1-16)

式中t_s+t_f—放電時(shí)延，用t₁表示。

在電場(chǎng)比較均勻的短間隙(如球隙中)，t₁比較穩(wěn)定，其也較小，這時(shí)統(tǒng)計(jì)時(shí)延t_s實(shí)際上就是放電時(shí)延。

統(tǒng)計(jì)時(shí)延t_s和外加電壓大小、光照射強(qiáng)度等很多因素有關(guān)。t_s隨間隙上外施電壓的增加而減小，這是因?yàn)榇藭r(shí)間隙中出現(xiàn)的自由電子轉(zhuǎn)變?yōu)橛行щ娮拥母怕试黾拥木壒?。若用紫外線等高能射線照射間隙，使陰極釋放出更多的電子，就能減少t_s，利用球隙測(cè)量電壓時(shí)，有時(shí)需采用這一措施。極不均勻電場(chǎng)的間隙，如棒一板間隙中，由于在局部強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)較早地出現(xiàn)游離，出現(xiàn)有效電子的概率增加，所以t_s較小，放電時(shí)延主要取決于t_f，特別是當(dāng)間隙距離較大時(shí)，t_f較長(zhǎng)。若增加間隙上的電壓，則電子的運(yùn)動(dòng)速度及游離能力都會(huì)增大，從而使t_f減小。

三、50%放電電壓 U_50%

在持續(xù)電壓作用下，當(dāng)氣體狀態(tài)不變時(shí)，一定距離的間隙，其電壓擊穿具有確定的數(shù)值，當(dāng)間隙上所加的電壓達(dá)到其電壓擊穿時(shí)，其間隙即被擊穿。

為了求得在電壓作用下空氣間隙的電壓擊穿，應(yīng)保持電壓的波形不變，逐漸升高電壓的幅值。在此過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電壓的幅值很低時(shí)，每次施加電壓間隙都不擊穿；隨著外施電壓的升高，放電時(shí)延縮短，因此，當(dāng)電壓幅值增加到某一定值時(shí)，由于放電時(shí)延有分散性，對(duì)下較短的放電時(shí)延，擊穿有可能發(fā)生。即在多次施加此電壓時(shí)，擊穿有時(shí)發(fā)生，有時(shí)不發(fā)生；隨著電壓幅值的繼續(xù)升高，多次施加電壓時(shí)間隙擊穿的百分比越來(lái)越高；最后當(dāng)電壓的幅值超過某一值后，間隙在每次施加電壓時(shí)都將發(fā)生擊穿。從說(shuō)明間隙耐受電壓的能力看，當(dāng)然希望求得剛好發(fā)生擊穿時(shí)的電壓，但這個(gè)電壓值在實(shí)驗(yàn)中很難準(zhǔn)缺求得，所以工程上采用了50%放電電壓，用U_50%表示，U_50%就是指在該電壓作月下，放電的概率為50%。實(shí)際上U_50%和絕緣的低放電電壓已相差不遠(yuǎn)，故可用U_50%來(lái)反映絕緣耐受電壓的能力。

50%主穿電與靜態(tài)電壓擊穿的比值，稱為絕緣的系數(shù)，用β表示，即

式中 U₀——工頻電壓擊穿的幅值。

在均勻電場(chǎng)和稍不均勻電場(chǎng)中，由于放電時(shí)延縮短，電壓擊穿的分散性小，其系數(shù)實(shí)際上等于1，且在U_50%作用下，擊穿通常發(fā)生在波前峰值附近；在極不均勻電場(chǎng)中，由于放電時(shí)延較長(zhǎng)，電壓擊穿的分散性也大，故系數(shù)通常大于1，且在U_50%作用下，擊穿通常發(fā)生在波尾

在標(biāo)準(zhǔn)擊電壓波作用下，棒一棒及棒一板空氣間隙50%放電電壓與間隙距離的關(guān)系如圖1-16所示。

從圖1-16中可見，棒一板間隙有明顯的極性效應(yīng)。棒一棒間隙也有不大的極性效應(yīng)，這是由于大地的影響，使不接地的下的棒極附近電場(chǎng)增強(qiáng)的緣故。在圖中所示范圍內(nèi)，電壓擊穿U_50%和間隙距離S呈直線關(guān)系。

四、伏秒特性

由于電壓持續(xù)時(shí)間短，放電時(shí)延不能忽略不計(jì)，所以上述50%電壓擊穿不能說(shuō)明間隙的擊穿特性。例如，兩個(gè)間隙并聯(lián)，在不同幅值的電壓作用下，就不一定是50%電壓擊穿低的那個(gè)間隙先擊穿了。因?yàn)殚g隙的電壓擊穿還必須和電壓的作用時(shí)間聯(lián)系起來(lái)，才好確定間隙的擊穿特性。

間隙在工頻電壓及直流電壓作用下，電壓變化的速度相對(duì)于放電過程來(lái)說(shuō)，總是非常緩慢的，故可用某個(gè)確定的電壓擊穿值來(lái)表示某間隙的絕緣強(qiáng)度。兩個(gè)間隙并聯(lián)，在持續(xù)電壓作用下，總是電壓擊穿低的那個(gè)間隙先擊穿。然而電壓作用時(shí)間以微秒計(jì)，故間隙的擊穿特性就必須考慮到放電時(shí)間的作用。

同一波形、不同幅值的電壓作用下，間隙上出現(xiàn)的電壓最大值和放電時(shí)間的關(guān)系曲線，稱為間隙的伏秒特性曲線。工程上常用伏秒特性曲線來(lái)表征間隙在電壓作用下的擊穿特性。

伏秒特性可用實(shí)驗(yàn)方法求取。對(duì)丁某一間隙施加電壓，并保持其標(biāo)準(zhǔn)的電壓波形不變，逐漸升高電壓幅值，得到該間隙的放電電壓U與放電時(shí)間t的關(guān)系，則可繪出伏秒特性，如圖1-17所示。作圖時(shí)要注意，當(dāng)擊穿發(fā)生在波尾時(shí)，伏秒特性上該點(diǎn)的電壓值應(yīng)取電壓的幅值，而不是擊穿時(shí)的電壓值。

由于放電時(shí)間具有分散性，同一個(gè)間隙在同一幅值的標(biāo)準(zhǔn)電壓波的多次作用下，每次擊穿所需的時(shí)間不同，故在每級(jí)電壓下，可得到一系列的放電時(shí)間，故伏秒特性曲線實(shí)際上是以上、下包絡(luò)線為界的一個(gè)帶狀區(qū)域，如圖1-18所示。

間隙的伏秒特性形狀與極間電場(chǎng)分布有關(guān)。對(duì)于均勻或稍不均勻電場(chǎng)，由于擊穿時(shí)的平均場(chǎng)強(qiáng)較高，放電發(fā)展較快，放電時(shí)延較短，故間隙的伏秒特性曲線比較平坦，如圖1-18曲線2所示，而且分散性也較小，僅在放電時(shí)間極短時(shí)，略有上翹，這是由于統(tǒng)計(jì)時(shí)延的縮短需要提高電壓的緣故。由于均勻及稍不均勻電場(chǎng)的伏秒特性曲線除在很短一部分的上翹以外，很大一部分曲線是平坦的，其50%電壓擊穿和靜態(tài)電壓擊穿相一致。由于上述這種性質(zhì)，故在實(shí)踐中常常利用電場(chǎng)比較均勻的球間隙作為測(cè)量靜態(tài)電壓和電壓的通用儀表。

對(duì)于極不均勻電場(chǎng)中的間隙，其平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)較低，放電形成時(shí)延t_f受電壓的影響大，t_f較長(zhǎng)且分散性也大，其伏秒特性曲線在放電時(shí)間還相當(dāng)大時(shí)，便隨時(shí)間t之減少而明顯地上翹，曲線比較陡，如圖1-18曲線1所示。而且，即使在電壓作用時(shí)間較長(zhǎng)(擊穿發(fā)生在波尾)時(shí)，電壓擊穿也高于靜態(tài)電壓擊穿。

間隙的伏秒特性在考慮保護(hù)設(shè)備(如保護(hù)間隙或避雷器)與被保護(hù)設(shè)備(如變壓器)的絕緣配合上具有重要的意義。在圖1-19和圖1-20中，S₁表示被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性，S₂表示與其并聯(lián)的保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性。圖1-19所示S₂總是低于S₁，說(shuō)明在同一過電壓作用下，總是保護(hù)設(shè)備先動(dòng)作(或間隙先擊穿)，從而限制了過電壓的幅值，這時(shí)保護(hù)設(shè)備就可對(duì)被保護(hù)設(shè)備起到了可靠的保護(hù)作用，但若S₂與S₁相交，如圖1-20所示，雖然在放電時(shí)間長(zhǎng)的情況下保護(hù)設(shè)備有保護(hù)作用，但在放電時(shí)間很短時(shí)，保護(hù)沒備的電壓擊穿已高于被保護(hù)設(shè)備絕緣的電壓擊穿，被保護(hù)設(shè)備就有可能先被擊穿，因而此時(shí)保護(hù)設(shè)備已起不到保護(hù)作用了。

伏秒特性是防雷設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備和被保護(hù)設(shè)備間絕緣配合的依據(jù)。為了使被保護(hù)設(shè)備得到可靠的保護(hù)：被保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性曲線的下包線必須始終高于保護(hù)設(shè)備的伏秒特性曲線的上包線。為了得到較理想的絕緣配合，保護(hù)設(shè)備絕緣的伏秒特性曲線總希望平坦一些，分散性小一些，即保護(hù)設(shè)備應(yīng)采用電場(chǎng)比較均勻的絕緣結(jié)構(gòu)。