氣體介質(zhì)擊穿

更新時(shí)間：2009-06-17 | 點(diǎn)擊率：5399

氣體介質(zhì)擊穿-正文

　　氣體介質(zhì)在電場(chǎng)作用下發(fā)生碰撞電離而導(dǎo)致電極間貫穿性放電的現(xiàn)象。氣體介質(zhì)擊穿與很多因素有關(guān)，其中主要的影響因素為作用電壓、電極形狀、氣體的性質(zhì)及狀態(tài)等。氣體介質(zhì)擊穿常見的有直流電壓擊穿、工頻電壓擊穿、沖擊電壓擊穿、高氣壓電擊穿、高真空電擊穿、負(fù)電性氣體擊穿。
　　直流電壓擊穿　直流電壓作用下的。可分為以下兩種。
　?、僭陔姌O間電場(chǎng)是均勻的情況下,氣壓低于1大氣壓（約0.1兆帕）時(shí),間隙擊穿電壓服從于帕邢定律。對(duì)于空氣介質(zhì)，擊穿電壓U_b可按經(jīng)驗(yàn)公式

進(jìn)行計(jì)算。式中d為電極間距離（cm），δ為空氣相對(duì)密度。一般情況下,空氣介質(zhì)擊穿電壓也可近似地用30kv/cm的擊穿場(chǎng)強(qiáng)來(lái)估計(jì)。對(duì)于稍不均勻電場(chǎng)，如兩球電極的間隙，當(dāng)電極距離d與球直徑D之比d/D＜1/4時(shí)，可看作均勻電場(chǎng)，超過(guò)此限度時(shí)就不能這樣考慮了。

　?、谠跇O不均勻電場(chǎng)的情況下，如棒－板電極的間隙，擊穿場(chǎng)強(qiáng)E_b大為降低,并且還會(huì)出現(xiàn)極性效應(yīng),即正極性棒對(duì)負(fù)極性板的間隙擊穿電壓小于相反極性的情形，如圖1所示。引起極性效應(yīng)的原因是由于正離子比電子運(yùn)動(dòng)慢很多,在間隙中形成正極性空間電荷,改變了電場(chǎng)分布而引起不同的放電發(fā)展過(guò)程。在 0.3～3m電極間距離范圍內(nèi)，棒對(duì)板間隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)E_b分別約為：正極性棒電極時(shí)，E₊≈4.5kV/cm；負(fù)極性棒電極時(shí)，E_-≈10kV/cm。
　　工頻電壓擊穿　工頻交流電壓作用下的。在均勻電場(chǎng)（見不均勻電場(chǎng)）的間隙中，工頻擊穿電壓和直流擊穿電壓相等。在極不均勻電場(chǎng)的間隙中（如棒－板間隙），擊穿總是發(fā)生在棒電極處于正極性的狀態(tài)，因而交流擊穿電壓幅值與正極性棒對(duì)負(fù)極性板間隙的直流擊穿電壓相近。棒－板空氣間隙的交流平均擊穿場(chǎng)強(qiáng)為Eа≈4.8kV/cm，與上述E₊很接近。為提供高電壓輸電線或變電所空氣間隙距離的設(shè)計(jì)依據(jù)，近年來(lái)很多人研究長(zhǎng)空氣間隙的工頻擊穿電壓（見長(zhǎng)間隙擊穿）。圖2為1～ 10m間隙距離的擊穿電壓曲線。圖中,曲線1、2是棒-棒電極間隙，上棒電極均為5m，下棒電極分別為6m及3m，兩者的擊穿電壓稍有差異。這是因?yàn)榍€2的下棒電極短，大地的影響大。曲線3是棒-地間隙的擊穿電壓,它比棒-棒間隙的數(shù)值低許多,并且有“飽和”的趨勢(shì)。這些試驗(yàn)是在室內(nèi)進(jìn)行的，后來(lái)由戶外試驗(yàn)說(shuō)明，并未出現(xiàn)“飽和”現(xiàn)象。“飽和”現(xiàn)象是由于試驗(yàn)室墻的影響引起的。進(jìn)行長(zhǎng)間隙的試驗(yàn)需要很大的試驗(yàn)室，投資很多。因此許多人在研究用理論模型計(jì)算或試驗(yàn)?zāi)M來(lái)代替實(shí)際尺寸的試驗(yàn)。
　　沖擊電壓擊穿　沖擊電壓作用下的現(xiàn)象。沖擊電壓可分兩類：一類是雷電沖擊電壓，其標(biāo)準(zhǔn)波形為1.2/50 ，是模擬雷閃放電時(shí)造成的雷電過(guò)電壓；一類是操作沖擊電壓，標(biāo)準(zhǔn)波形為250/2500 或波前時(shí)間為2000～3000 的衰減振蕩波，為模擬開關(guān)操作或系統(tǒng)故障時(shí)產(chǎn)生的操作過(guò)電壓（見過(guò)電壓）。不同電極形狀空氣間隙的雷電沖擊擊穿電壓如圖3 所示。由于沖擊擊穿電壓有隨機(jī)分散性，一般取50％概率的數(shù)值。沖擊擊穿電壓與試驗(yàn)電壓極性和電極形狀有關(guān)。沖擊電壓擊穿可以發(fā)生在波前或波尾部分，視電壓高低而定。電壓越高，擊穿時(shí)延越短。擊穿電壓與時(shí)延的關(guān)系曲線常稱伏秒特性（見絕緣強(qiáng)度）。它對(duì)電力系統(tǒng)的絕緣配合有重要意義。同樣，由于作用時(shí)間的影響，操作沖擊電壓下間隙擊穿電壓比雷電沖擊電壓下的低。而在一些高功率脈沖裝置產(chǎn)生的幾十納秒脈沖電壓下，間隙擊穿電壓則高得多。
　　高氣壓電擊穿　由于氣體壓力與氣體密度成正比，因而氣壓將直接影響電子的自由程，從而影響電離和擊穿。帕邢定律表明,在相同的間隙距離下,提高氣體壓力可提高其擊穿電壓。然而高氣壓下的機(jī)理與湯森理論有很大差異。高氣壓電擊穿有以下特點(diǎn)：①超過(guò)一定氣壓P_c之后（各種氣體的P_c值不同,例如SF₆的P_c約在6kg/cm² 以上），擊穿電壓有較大的分散性。經(jīng)過(guò)多次放電之后（一般稱“鍛煉”），擊穿電壓值漸趨穩(wěn)定。但即使在鍛煉之后，偶而也會(huì)出現(xiàn)很低的擊穿電壓。②陰極材料對(duì)擊穿電壓有影響。陰極材料的結(jié)構(gòu)，例如有無(wú)雜質(zhì)，單晶或多晶，是否有位錯(cuò)等，也會(huì)影響擊穿電壓的大小。③電極表面狀態(tài)的影響。電極表面加工及清潔程度對(duì)擊穿電壓有作用。如電極經(jīng)拋光、除油等處理后，擊穿電壓比處理前高。④電極面積增大，擊穿電壓將有所降低。⑤氣體中若含有水氣及懸浮尖埃等雜質(zhì)，則會(huì)降低擊穿電壓。因此所充氣體應(yīng)經(jīng)過(guò)凈化處理。
　　高真空電擊穿　由于高真空狀態(tài)下氣體密度減少到很小的程度,電子或離子的自由程將很長(zhǎng),以致在間隙中不易發(fā)生碰撞電離，因此間隙的擊穿電壓將會(huì)很高（帕邢定律的左半支曲線）。某些設(shè)備高真空間隙的擊穿場(chǎng)強(qiáng)可高達(dá)1.3MV/cm。影響真空間隙擊穿過(guò)程有許多因素，如真空度、間隙距離、電極材料、電極狀態(tài)、電壓作用時(shí)間等。在真空放電中,電極表面過(guò)程,特別是陰極表面過(guò)程是非常重要的，許多研究工作圍繞著這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行，提出了各種真空擊穿放電模型，如場(chǎng)致發(fā)射模型、微粒模型、微放電模型等。對(duì)于脈沖電壓擊穿的機(jī)制，看法比較一致。對(duì)于穩(wěn)態(tài)電壓下的真空擊穿機(jī)制，P.A.恰特登認(rèn)為,在間隙距離d≈10^-3～10^-1cm的區(qū)域，可能是場(chǎng)致發(fā)射引起擊穿；在d≈10^-1～1cm的區(qū)域,可能是微放電的擊穿機(jī)制；更大的間隙，可能是微粒擊穿機(jī)制。
　　負(fù)電性氣體擊穿　六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等許多種鹵化物氣體的擊穿現(xiàn)象。這些氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比空氣的高。其主要原因是鹵族元素具有很強(qiáng)的負(fù)電性,易于吸附電子形成負(fù)離子，而負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子，很容易和正離子發(fā)生復(fù)合，使氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)減少，因而放電的形成和發(fā)展比較困難。其次是這些氣體的分子量和分子直徑都較大,使電子在其中的自由程縮短,不易積聚能量，因而減少了電子碰撞電離的能力。這些氣體相對(duì)于空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，或稱相對(duì)介電強(qiáng)度列于表中。

表中還列出了上述材料在98千帕下的液化溫度。電力設(shè)備中選用負(fù)電性氣體作為絕緣介質(zhì)時(shí)，除要求高介電強(qiáng)度外，還要求較低的液化溫度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。因?yàn)橐夯瘻囟容^高的氣體不能在低溫下或寒冷地區(qū)運(yùn)行，也不能增加壓力以提高其擊穿電壓；化學(xué)性能不穩(wěn)定則容易分解或與其他材料起反應(yīng)。例如四氯化碳的介電強(qiáng)度雖然較高，但其液化溫度過(guò)高，而且在放電過(guò)程中容易分解產(chǎn)生氯氣。六氟化硫則液化溫度低而化學(xué)性能穩(wěn)定，它的相對(duì)介電強(qiáng)度為2.5～3.0，在工程中應(yīng)用。

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