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(guò)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(kāi)始，轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姷耐緩胶蜅l件有： 如電場(chǎng)比較均勻，則到達(dá)c點(diǎn)后間隙將被擊穿，此時(shí)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(shí)，擊穿將直接發(fā)展成為弧光放電。 在電場(chǎng)比較均勻，而氣體壓力較低時(shí)，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(guò)渡到弧光放電。 在極不均勻電場(chǎng)中，當(dāng)氣體壓力較高且回路電阻較大時(shí)，先在電極表面電場(chǎng)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(guò)火花放電過(guò)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(lái)的一種以真空作為絕緣和滅弧介質(zhì)的新型開(kāi)關(guān)電器。,1. 真空,真空的程度用氣體的絕對(duì)壓力值來(lái)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(gè)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(shí)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(duì)真空間隙的絕緣擊穿影響很小。理想情況下，真空的擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)109Vm，但在108106Vm時(shí)，一般的真空間隙就會(huì)發(fā)生擊穿。真空擊穿主要取決于電極表面過(guò)程和極間粒子交換過(guò)程，其中電極表面過(guò)程是起主導(dǎo)作用的過(guò)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(chǎng)致發(fā)射；（2）粒子交換；（3）微放電。,（1）場(chǎng)致發(fā)射和預(yù)擊穿過(guò)程,宏觀上無(wú)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(huì)引起局部電場(chǎng)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(yáng)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(shí)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(chǎng)致發(fā)射引起的擊穿，通常是在電極間距較小（d2mm）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(huì)集聚與電場(chǎng)成比例的電荷。在長(zhǎng)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(chǎng)加速，積累能量。當(dāng)它與對(duì)面電極碰撞時(shí)，動(dòng)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(shí)，可以產(chǎn)生足夠的金屬蒸汽。金屬蒸汽被場(chǎng)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(shuō)，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(zhǎng)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(chǎng)增強(qiáng)及微粒非彈性碰撞陰極引起“瞬時(shí)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(guò)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(shí)由二次發(fā)射產(chǎn)生二次粒子，這些二次粒子在電場(chǎng)加速下又與相對(duì)的電極碰撞產(chǎn)生第二代二次粒子。如果每一個(gè)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(lái)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(shí)，由這種過(guò)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(guò)程是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，常常不是一個(gè)單一的擊穿機(jī)理起作用，而是幾個(gè)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(shuō)，真空間隙的絕緣擊穿過(guò)程是一個(gè)隨機(jī)過(guò)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(lái)說(shuō)，曲率半徑越大，擊穿相對(duì)越困難。但對(duì)小于1mm的短間隙，情況是反常的，曲率半徑小反而會(huì)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(lái)描述：,(8-8),長(zhǎng)、短間隙的擊穿場(chǎng)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(zhǎng)間隙的擊穿場(chǎng)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(chǎng)致發(fā)射引起擊穿，而