气体介质击穿

气体介质击穿-正文

　　气体介质在电场作用下发生碰撞电离而导致电极间贯穿性放电的现象。气体介质击穿与很多因素有关，其中主要的影响因素为作用电压、电极形状、气体的性质及状态等。气体介质击穿常见的有直流电压击穿、工频电压击穿、冲击电压击穿、高气压电击穿、高真空电击穿、负电性气体击穿。
　　直流电压击穿 　直流电压作用下的。可分为以下两种。
　　①在电极间电场是均匀的情况下,气压低于1大气压（约0.1兆帕）时,间隙击穿电压服从于帕邢定律。对于空气介质，击穿电压U_b可按经验公式

进行计算。式中d为电极间距离（cm），δ为空气相对密度。一般情况下,空气介质击穿电压也可近似地用30kv/cm的击穿场强来估计。对于稍不均匀电场，如两球电极的间隙，当电极距离d与球直径D之比d/D＜1/4时，可看作均匀电场，超过此限度时就不能这样考虑了。

　　②在极不均匀电场的情况下，如棒－板电极的间隙，击穿场强E_b大为降低,并且还会出现极性效应,即正极性棒对负极性板的间隙击穿电压小于相反极性的情形，如图1所示。 引起极性效应的原因是由于正离子比电子运动慢很多,在间隙中形成正极性空间电荷,改变了电场分布而引起不同的放电发展过程。在 0.3～3m电极间距离范围内，棒对板间隙的平均击穿场强E_b分别约为：正极性棒电极时，E₊≈4.5kV/cm；负极性棒电极时，E_-≈10kV/cm。
　　工频电压击穿 　工频交流电压作用下的。在均匀电场（见不均匀电场）的间隙中，工频击穿电压和直流击穿电压相等。在极不均匀电场的间隙中（如棒－板间隙），击穿总是发生在棒电极处于正极性的状态，因而交流击穿电压幅值与正极性棒对负极性板间隙的直流击穿电压相近。棒－板空气间隙的交流平均击穿场强为Eа≈4.8kV/cm，与上述E₊很接近。为提供高电压输电线或变电所空气间隙距离的设计依据，近年来很多人研究长空气间隙的工频击穿电压（见长间隙击穿）。 图2为1～ 10m间隙距离的击穿电压曲线。图中,曲线1、2是棒-棒电极间隙，上棒电极均为5m，下棒电极分别为6m及3m，两者的击穿电压稍有差异。这是因为曲线2的下棒电极短，大地的影响大。曲线3是棒-地间隙的击穿电压,它比棒-棒间隙的数值低许多,并且有“饱和”的趋势。这些试验是在室内进行的，后来由户外试验说明，并未出现“饱和”现象。“饱和”现象是由于试验室墙的影响引起的。进行长间隙的试验需要很大的试验室，投资很多。因此许多人在研究用理论模型计算或试验模拟来代替实际尺寸的试验。
　　冲击电压击穿 　冲击电压作用下的现象。冲击电压可分两类：一类是雷电冲击电压，其标准波形为1.2/50 ，是模拟雷闪放电时造成的雷电过电压；一类是操作冲击电压，标准波形为250/2500 或波前时间为2000～3000 的衰减振荡波，为模拟开关操作或系统故障时产生的操作过电压（见过电压）。不同电极形状空气间隙的雷电冲击击穿电压如图3 所示。由于冲击击穿电压有随机分散性，一般取50％概率的数值 。冲击击穿电压与试验电压极性和电极形状有关。冲击电压击穿可以发生在波前或波尾部分，视电压高低而定。电压越高，击穿时延越短。击穿电压与时延的关系曲线常称伏秒特性（见绝缘强度）。它对电力系统的绝缘配合有重要意义。同样，由于作用时间的影响，操作冲击电压下间隙击穿电压比雷电冲击电压下的低。而在一些高功率脉冲装置产生的几十纳秒脉冲电压下，间隙击穿电压则高得多。
　　高气压电击穿 　由于气体压力与气体密度成正比，因而气压将直接影响电子的自由程，从而影响电离和击穿。帕邢定律表明,在相同的间隙距离下,提高气体压力可提高其击穿电压。然而高气压下的机理与汤森理论有很大差异。高气压电击穿有以下特点：①超过一定气压P_c之后（各种气体的P_c值不同,例如SF₆的P_c约在6kg/cm² 以上），击穿电压有较大的分散性。经过多次放电之后（一般称“锻炼”），击穿电压值渐趋稳定。但即使在锻炼之后，偶而也会出现很低的击穿电压。②阴极材料对击穿电压有影响。阴极材料的结构，例如有无杂质，单晶或多晶，是否有位错等，也会影响击穿电压的大小。③电极表面状态的影响。电极表面加工及清洁程度对击穿电压有作用。如电极经抛光、除油等处理后，击穿电压比处理前高。④电极面积增大，击穿电压将有所降低。⑤气体中若含有水气及悬浮尖埃等杂质，则会降低击穿电压。因此所充气体应经过净化处理。
　　高真空电击穿 　由于高真空状态下气体密度减少到很小的程度,电子或离子的自由程将很长,以致在间隙中不易发生碰撞电离，因此间隙的击穿电压将会很高（帕邢定律的左半支曲线）。某些设备高真空间隙的击穿场强可高达1.3MV/cm。影响真空间隙击穿过程有许多因素，如真空度、间隙距离、电极材料、电极状态、电压作用时间等。在真空放电中,电极表面过程,特别是阴极表面过程是非常重要的，许多研究工作围绕着这个问题进行，提出了各种真空击穿放电模型，如场致发射模型、微粒模型、微放电模型等。对于脉冲电压击穿的机制，看法比较一致。对于稳态电压下的真空击穿机制，P.A.恰特登认为,在间隙距离d≈10^-3～10^-1cm的区域，可能是场致发射引起击穿；在d≈10^-1～1cm的区域,可能是微放电的击穿机制；更大的间隙， 可能是微粒击穿机制。
　　负电性气体击穿 　六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等许多种卤化物气体的击穿现象。这些气体的击穿场强比空气的高。其主要原因是卤族元素具有很强的负电性,易于吸附电子形成负离子，而负离子的运动速度远小于电子，很容易和正离子发生复合，使气体中带电质点减少，因而放电的形成和发展比较困难。其次是这些气体的分子量和分子直径都较大,使电子在其中的自由程缩短,不易积聚能量，因而减少了电子碰撞电离的能力。这些气体相对于空气的击穿场强，或称相对介电强度列于表中。

表中还列出了上述材料在98千帕下的液化温度。电力设备中选用负电性气体作为绝缘介质时，除要求高介电强度外，还要求较低的液化温度和良好的化学稳定性。因为液化温度较高的气体不能在低温下或寒冷地区运行，也不能增加压力以提高其击穿电压；化学性能不稳定则容易分解或与其他材料起反应。例如四氯化碳的介电强度虽然较高，但其液化温度过高，而且在放电过程中容易分解产生氯气。六氟化硫则液化温度低而化学性能稳定，它的相对介电强度为2.5～3.0，在工程中应用。

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