氣體介質擊穿

更新時間：2009-06-17 | 點擊率：6390

氣體介質擊穿-正文

　　氣體介質在電場作用下發生碰撞電離而導致電極間貫穿性放電的現象。氣體介質擊穿與很多因素有關，其中主要的影響因素為作用電壓、電極形狀、氣體的性質及狀態等。氣體介質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。
　　①在電極間電場是均勻的情況下,氣壓低于1大氣壓（約0.1兆帕）時,間隙擊穿電壓服從于帕邢定律。對于空氣介質，擊穿電壓U_b可按經驗公式

進行計算。式中d為電極間距離（cm），δ為空氣相對密度。一般情況下,空氣介質擊穿電壓也可近似地用30kv/cm的擊穿場強來估計。對于稍不均勻電場，如兩球電極的間隙，當電極距離d與球直徑D之比d/D＜1/4時，可看作均勻電場，超過此限度時就不能這樣考慮了。

　　②在極不均勻電場的情況下，如棒－板電極的間隙，擊穿場強E_b大為降低,并且還會出現極性效應,即正極性棒對負極性板的間隙擊穿電壓小于相反極性的情形，如圖1所示。引起極性效應的原因是由于正離子比電子運動慢很多,在間隙中形成正極性空間電荷,改變了電場分布而引起不同的放電發展過程。在 0.3～3m電極間距離范圍內，棒對板間隙的平均擊穿場強E_b分別約為：正極性棒電極時，E₊≈4.5kV/cm；負極性棒電極時，E_-≈10kV/cm。
　　工頻電壓擊穿　工頻交流電壓作用下的。在均勻電場（見不均勻電場）的間隙中，工頻擊穿電壓和直流擊穿電壓相等。在極不均勻電場的間隙中（如棒－板間隙），擊穿總是發生在棒電極處于正極性的狀態，因而交流擊穿電壓幅值與正極性棒對負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強為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計依據，近年來很多人研究長空氣間隙的工頻擊穿電壓（見長間隙擊穿）。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。這是因為曲線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-棒間隙的數值低許多,并且有“飽和”的趨勢。這些試驗是在室內進行的，后來由戶外試驗說明，并未出現“飽和”現象。“飽和”現象是由于試驗室墻的影響引起的。進行長間隙的試驗需要很大的試驗室，投資很多。因此許多人在研究用理論模型計算或試驗模擬來代替實際尺寸的試驗。
　　沖擊電壓擊穿　沖擊電壓作用下的現象。沖擊電壓可分兩類：一類是雷電沖擊電壓，其標準波形為1.2/50 ，是模擬雷閃放電時造成的雷電過電壓；一類是操作沖擊電壓，標準波形為250/2500 或波前時間為2000～3000 的衰減振蕩波，為模擬開關操作或系統故障時產生的操作過電壓（見過電壓）。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分散性，一般取50％概率的數值。沖擊擊穿電壓與試驗電壓極性和電極形狀有關。沖擊電壓擊穿可以發生在波前或波尾部分，視電壓高低而定。電壓越高，擊穿時延越短。擊穿電壓與時延的關系曲線常稱伏秒特性（見絕緣強度）。它對電力系統的絕緣配合有重要意義。同樣，由于作用時間的影響，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。然而高氣壓下的機理與湯森理論有很大差異。高氣壓電擊穿有以下特點：①超過一定氣壓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。經過多次放電之后（一般稱“鍛煉”），擊穿電壓值漸趨穩定。但即使在鍛煉之后，偶而也會出現很低的擊穿電壓。②陰極材料對擊穿電壓有影響。陰極材料的結構，例如有無雜質，單晶或多晶，是否有位錯等，也會影響擊穿電壓的大小。③電極表面狀態的影響。電極表面加工及清潔程度對擊穿電壓有作用。如電極經拋光、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，則會降低擊穿電壓。因此所充氣體應經過凈化處理。
　　高真空電擊穿　由于高真空狀態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,以致在間隙中不易發生碰撞電離，因此間隙的擊穿電壓將會很高（帕邢定律的左半支曲線）。某些設備高真空間隙的擊穿場強可高達1.3MV/cm。影響真空間隙擊穿過程有許多因素，如真空度、間隙距離、電極材料、電極狀態、電壓作用時間等。在真空放電中,電極表面過程,特別是陰極表面過程是非常重要的，許多研究工作圍繞著這個問題進行，提出了各種真空擊穿放電模型，如場致發射模型、微粒模型、微放電模型等。對于脈沖電壓擊穿的機制，看法比較一致。對于穩態電壓下的真空擊穿機制，P.A.恰特登認為,在間隙距離d≈10^-3～10^-1cm的區域，可能是場致發射引起擊穿；在d≈10^-1～1cm的區域,可能是微放電的擊穿機制；更大的間隙，可能是微粒擊穿機制。
　　負電性氣體擊穿　六氟化硫、氟利昂、四氯化碳等許多種鹵化物氣體的擊穿現象。這些氣體的擊穿場強比空氣的高。其主要原因是鹵族元素具有很強的負電性,易于吸附電子形成負離子，而負離子的運動速度遠小于電子，很容易和正離子發生復合，使氣體中帶電質點減少，因而放電的形成和發展比較困難。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。這些氣體相對于空氣的擊穿場強，或稱相對介電強度列于表中。

表中還列出了上述材料在98千帕下的液化溫度。電力設備中選用負電性氣體作為絕緣介質時，除要求高介電強度外，還要求較低的液化溫度和良好的化學穩定性。因為液化溫度較高的氣體不能在低溫下或寒冷地區運行，也不能增加壓力以提高其擊穿電壓；化學性能不穩定則容易分解或與其他材料起反應。例如四氯化碳的介電強度雖然較高，但其液化溫度過高，而且在放電過程中容易分解產生氯氣。六氟化硫則液化溫度低而化學性能穩定，它的相對介電強度為2.5～3.0，在工程中應用。