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文檔簡介

1、一、氣體放電的產(chǎn)生和描述,一. 氣體放電及其特點(diǎn),圖4-1 氣體間隙中的電流與電壓的關(guān)系 (a)有氣體間隙的直流電路;(b)氣體放電的特性,1.放電種類,非自持性放電 自持性放電 自持性放電有多種形式。從非自持性放電轉(zhuǎn)變到自持性放電的過渡途徑取決于氣體壓力、電極形狀、電源功率及電極間的距離等多種因素 。,2.轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姷耐緩胶蜅l件,弧光放電就是自持性放電的一種形式。從c點(diǎn)開始,轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姷耐緩胶蜅l件有: 如電場比較均勻,則到達(dá)c點(diǎn)后間隙將被擊穿,此時c點(diǎn)的電壓就稱為間隙的擊穿電壓,當(dāng)電源功率足夠大時,擊穿將直接發(fā)展成為弧光放電。 在電場比較均勻,而氣體壓力較低時,氣體間隙擊穿后,將首先

2、出現(xiàn)輝光放電,然后隨著電流的增大逐步過渡到弧光放電。 在極不均勻電場中,當(dāng)氣體壓力較高且回路電阻較大時,先在電極表面電場較集中的區(qū)域出現(xiàn)電暈放電,只有電極間電壓增大到一定值后,才可能通過火花放電過渡到弧光放電。,二、真空,真空的概念 真空擊穿的機(jī)理 真空斷路器是20世紀(jì)初發(fā)展起來的一種以真空作為絕緣和滅弧介質(zhì)的新型開關(guān)電器。,1. 真空,真空的程度用氣體的絕對壓力值來表示,壓力越低,真空度越高。 在真空滅弧室中,壓力在10-210-5Pa之間。 1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1.01325105Pa 1Pa=1N/m2,玻璃材質(zhì)的真空滅弧室,陶瓷材質(zhì)的真空滅弧室,陶瓷材質(zhì)的真空滅弧室,陶瓷材質(zhì)的真空滅弧室,

3、2 真空絕緣及其擊穿機(jī)理,真空滅弧室內(nèi)部的氣體壓力很低,此時殘余氣體分子的平均自由程遠(yuǎn)大于真空滅弧室的幾何尺寸,因而對真空間隙的絕緣擊穿影響很小。理想情況下,真空的擊穿場強(qiáng)可達(dá)109Vm,但在108106Vm時,一般的真空間隙就會發(fā)生擊穿。真空擊穿主要取決于電極表面過程和極間粒子交換過程,其中電極表面過程是起主導(dǎo)作用的過程。綜合目前的研究結(jié)果. 一般認(rèn)為,引起真空絕緣破壞的機(jī)理主要有以下三種:(1)場致發(fā)射;(2)粒子交換;(3)微放電。,(1)場致發(fā)射和預(yù)擊穿過程,宏觀上無論多么光滑,電極表面不可避免地存在有許多小尖端和微觀突起,這些小尖端和微觀突起會引起局部電場增強(qiáng),從而導(dǎo)致金屬中自由電子

4、的冷陰極發(fā)射,形成預(yù)擊穿電流。 陰極加熱擊穿理論; 陽極加熱擊穿理論;,擊穿電壓和間隙距離間的關(guān)系,理論計(jì)算表明,此時擊穿電壓Ub和間隙距離d間存在關(guān)系,(8-4),一般認(rèn)為,由場致發(fā)射引起的擊穿,通常是在電極間距較?。╠2mm)的情況下存在。,(2)微粒遷移引起的擊穿,間隙電壓作用下,粘附在電極表面的微粒會集聚與電場成比例的電荷。在長間隙條件下,由于強(qiáng)的電機(jī)械力的作用,微粒脫離電極表面,進(jìn)入間隙,在間隙中被電場加速,積累能量。當(dāng)它與對面電極碰撞時,動能轉(zhuǎn)化為熱能,使微粒熔化和蒸發(fā)。當(dāng)碰撞能量足夠大時,可以產(chǎn)生足夠的金屬蒸汽。金屬蒸汽被場致發(fā)射電子電離,最后引起間隙擊穿。,擊穿電壓和間隙距離間

5、的關(guān)系,根據(jù)這一假說,Cramberg推導(dǎo)出擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系為,(8-5),上式與一些試驗(yàn)結(jié)果吻合得較好,也很好地解釋了長間隙中的自發(fā)擊穿現(xiàn)象。 理論修正:認(rèn)為,除了這種因微粒引起的蒸發(fā)擊穿外,還可能有因粒子與電極間的局部電場增強(qiáng)及微粒非彈性碰撞陰極引起“瞬時的”電子發(fā)射所導(dǎo)致的擊穿。,(3)微放電引發(fā)的擊穿(粒子交換過程),真空間隙中由表面吸附層產(chǎn)生的電子、正離子或負(fù)離子與電極碰撞時由二次發(fā)射產(chǎn)生二次粒子,這些二次粒子在電場加速下又與相對的電極碰撞產(chǎn)生第二代二次粒子。如果每一個二次粒子產(chǎn)生的第二代二次粒子數(shù)大于1,則間隙中的帶電粒子數(shù)將越來越多,電流將迅速增大,造成真空擊穿。 當(dāng)真空

6、電極表面很清潔時,由這種過程引發(fā)擊穿的可能性很小。,真空擊穿的統(tǒng)計(jì)特性,實(shí)際上,真空間隙的絕緣擊穿過程是一個非常復(fù)雜的過程,常常不是一個單一的擊穿機(jī)理起作用,而是幾個機(jī)理共同起作用,彼此之間難以準(zhǔn)確地區(qū)分和描述。從本質(zhì)上說,真空間隙的絕緣擊穿過程是一個隨機(jī)過程,擊穿的引發(fā)和發(fā)展受到許多隨機(jī)因素的影響,擊穿電壓的分布表現(xiàn)出明顯的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)。,五、影響真空擊穿的因素,電極的幾何形狀和大小 一般來說,曲率半徑越大,擊穿相對越困難。但對小于1mm的短間隙,情況是反常的,曲率半徑小反而會增加擊穿強(qiáng)度。 此外,在真空中,擊穿電壓隨著電極面積的增加反而降低。真空擊穿的這種面積效應(yīng)。 2. 電極間隙的大小 真空間隙的擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系可用下式來描述:,(8-8),長、短間隙的擊穿場有差別,其中,K為比例常數(shù),為系數(shù),它的取值與間隙條件有關(guān)。 許多研究者認(rèn)為,長間隙的擊穿場強(qiáng)之所以與短間隙有差別,主要是因?yàn)槎涕g隙多半是由場致發(fā)射引起擊穿,而

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