1.2.3 操作冲击电压下空气的绝缘特性
电力系统在操作或发生事故时，因状态发生突然变化引起电感和电容回路的振荡产生过电压，称为操作过电压。操作过电压幅值与波形显然跟电力系统的参数有密切关系，这一点与雷电过电压不同，后者一般取决于接地电阻，与系统电压等级无关。操作过电压则不然，由于其过渡过程的振荡基值即是系统运行电压，因此电压等级越高，操作过电压的幅值也越高。在不同的振荡过程中，振荡幅值最高可达最大相电压峰值的3～4倍。因此，为保证安全运行，需要对高压电气设备绝缘考察其耐受操作过电压的能力。早期的工程实践中，采用工频电压试验来考验绝缘耐受操作过电压的能力。但其后的研究表明，长间隙在操作冲击波作用下的击穿电压比工频击穿电压低。因此目前的试验标准规定，对额定电压在300kV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只对长间隙才有重要意义。
1.操作冲击电压波形
操作过电压波形随着电压等级、系统参数、设备性能、操作性质、操作时机等因素而有很大变化的。IEC推荐了250/2500μs的操作冲击电压标准波形，我国国家标准也采用了这个标准波形。如图1-20所示，图中0点为实际零点，u为电压值，图中u=1.0处为电压u峰值。波形特征参数：波前时间Tcr=250μs，允许误差为±20%；半峰值时间T2=2500μs，允许误差为±60%；峰值允许误差±3%；90%峰值以上持续时间Td未作规定。
图1-20 操作冲击电压全波
Td—电压值持续处于0.9倍电压峰值以上时间 Tcr—波前时间 T2—半峰值时间
注：图中0点为实际零点，u为电压值，图中u=1.0处为电压u的峰值。
2.操作冲击放电电压的特点
（1）U形曲线
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。
图1-21表示空气中3m的棒-棒（一极接地）和导线-板间隙的平均击穿场强与操作冲击波的波前时间的关系。由此可见，雷电冲击击穿场强高于工频击穿场强，但操作冲击波作用下，当波前时间tcr为100～300μs时，击穿场强出现极小值，其值比工频击穿场强要低。进一步的研究还表明，出现击穿场强极小值的波前时间随间隙距离的增加而增大。对于操作冲击电压作用下长间隙击穿的“U形曲线”，通常是用放电时延和空间电荷的形成与迁移这两种作用相反的影响因素来解释的。U形曲线极小值左边，Eb随tcr的减小而增大，是放电时延在起作用，这一点与雷电冲击电压下的伏秒特性是相似的。U形曲线极小值右边，Eb随tcr的增加而增大，是因为电压作用时间增加后空间电荷迁移的范围扩大，更好地改善了间隙整个电场分布，从而使击穿电压提高。
图1-21 3m空气的平均击穿场强与操作冲击的波前时间的关系
1—棒-棒（一极接地） 2—导线-板间隙 3—工频击穿场强
（2）极性效应
在各种不同的电场结构中，正极性操作冲击的50%击穿电压都比负极性的低，所以是更危险的。在讨论操作冲击电压下的间隙击穿特性时，若无特别说明，一般均指正极性的情况。还有一点值得注意的是，在同极性的雷电冲击标准波作用下，棒-板间隙的击穿电压比棒-棒间隙的击穿电压低得不多，而在操作过电压作用下，前者却比后者低得多，这个情况启示我们在设计高压电力装置时，应注意尽量避免出现棒-板型气隙。
（3）饱和现象
与工频击穿电压的规律性类似，长间隙在操作波电压作用下也呈现出显著的饱和现象，特别是棒-板型气隙，其饱和程度更加突出。这是因为长间隙下先导形成之后，放电更易发展。而雷电冲击时，作用时间太短，所以雷电的饱和现象很不明显，放电电压与气隙距离一般呈线性关系。
（4）分散性大
在操作冲击电压作用下，间隙的50%击穿电压的分散性比雷电冲击下大得多，集中电极（如棒极）比伸长电极（如导线）要大。波前时间较长时（比如，大于1000μs）比波前时间较短时（比如100～300μs）要大。对棒-板间隙，50%击穿电压的相对标准偏差前者达8%左右，波前时间较短时约5%。而雷电冲击电压下，分散性小得多，σ≈3%；工频下分散性更小，不超过2%。
（5）邻近效应
电场分布对操作冲击电压U50%影响很大，接地物体靠近放电间隙会显著降低正极性击穿电压（但能多少提高一些负极性击穿电压），称邻近效应。
U50%击穿电压极小值经验公式：正棒-板空气间隙操作冲击电压的U形曲线中50%放电电压极小值U50%，min与间隙距离d的关系可用如下经验公式表示为
由实验结果，对于1～20m的长间隙，此公式能很好地吻合。