低气压非均匀场放电形态及特性研究

发布时间：2020-05-10 17:39

【摘要】：气体放电是高电压绝缘领域重点关注的基础性问题,其主要研究内容涉及机理分析、特征曲线、放电形态、数值仿真四个方面。目前低气压下气体放电特性已广泛应用于高海拔超高压输变电设备空气间隙绝缘配合、高空飞行器表面静电绝缘设计、真空断路器灭弧性能、真空镀膜技术等领域,且所涉及放电间隙主要为极不均匀场。然而为满足工程应用需求,现阶段研究成果主要集中于获取粗真空(103～105 Pa)下部较高Pd值范围内特征曲线和研究特定Pd条件下的放电机理,而对低真空(10-1～103 Pa)下部至粗真空上部Pd值范围内特征曲线以及放电形态与Pd值间关系方面关注较少。为弥补这一空白,本研究利用自主搭建的低气压放电平台开展极不均匀场放电特性实验研究,揭示了不同电极布置下自低真空下部10 Pa气压值点至粗真空上部3×104 Pa气压值点之间的较广气压范围内放电形态和特征曲线的变化规律。具体研究内容如下:建立了包括电源系统、数据采集系统、实验腔体、气压控制系统、电极系统和光学观测系统的低气压放电实验平台。利用该平台在特征曲线方面获得了3.759×10-1～4.511×103cm·mmHg(10～3×104pa 气压范围、5～20cm 间隙范围)的Pd范围内、不同棒尖端(针尖、锥尖、半球)下棒-板电极、不同电压形式(工频交流、正极性直流、负极性直流)下的U-P曲线和U-Pd散点图。结果表明:实验Pd范围内不同条件下的U-P曲线具有显著的极小值特征,曲线左半支对电极形状不敏感但整体形态受间隙变化影响显著;U-P散点图具有Paschen曲线形态但整体不符合Paschen定律,散点图左半支分散性显著但交流和负极性直流电压下右半支均存在符合U=f(Pd)函数关系的Pd范围。通过比较正、负极性直流特征曲线,发现低气压极不均匀场下存在极性效应发生逆转的气压区间。在放电形态方面开展交流、正极性和负极性直流电压下放电观测,研究棒-板间隙1.504～4.511×103 cm·mmHg范围内放电形态随Pd的变化以及不同Pd区间内放电形态的形成机理,提出放电形态突变点和分区的概念。以20 cm针尖头棒-板间隙为例,交流、正极性直流电压下的四个突变点将1.504～4.511×103 cm·mmHg的Pd范围划分为条纹区、低能正柱区、高能正柱转化区、单一流注区和流注分叉区,各分区典型特征为:①条纹区为U-Pd散点图左半支内由阳极棒电极向前周期性排列的明暗条纹;②低能正柱区内辉光正柱属低能状态而不可见,仅阳极辉区和负辉区发光显著;③高能正柱转化区内正柱由阳极向阴极方向逐渐变为明亮高能状态,其转化程度随电压幅值升高而增加;④单一流注区内流注头部无明显分叉;⑤流注分叉区内流注头部分叉显著且随气压升高分叉数量增加。负极性直流电压下的两个突变点将可观测Pd范围划分为低能正柱区、斑图区和单一流注区,U-Pd散点图极小值两侧放电形态无明显变化,而阳极板电极表面的自组织斑图是负极性直流电压下的特殊放电形态。提出U-Pd散点图左半支条纹的形成原因,即认为辉光正柱阳极端由于电流热效应和亚稳态原子分步电离导致电子密度扰动超出正柱稳定阈值。提出流注分叉区内通道延伸方式,即流注不断在有效分叉点后选择某条分支而分叉点不移动。提出利用金属阳极板电极表面烧蚀点路径判别斑图性质的方法以及斑图向正柱转变的三种方式,另外推测斑图内阳离子空间电荷对正柱发展的促进作用是导致直流电压下极性效应逆转的原因。为进一步揭示低气压下放电特征曲线和放电形态与Pd的关系,利用自行设计并制作的聚丙烯腔体对2～60 kPa气压范围内30～60 cm棒-板间隙开展探索性实验。研究表明:当间隙距离超过20 cm时交流U-P曲线饱和特征明显而正、负极性直流U-P曲线仅呈线性;间隙增大使交流电压下流注分叉点、分支和曲折数量以及直流电压下的条纹数量显著增加,增大放电间隙对放电形态特征具有明显的放大作用。
【图文】：

崩中,电场畸变,均匀场,空间电荷

２．１．２流注阶段逡逑对于板－板电极均匀场而言，当外施电压使间隙内部场强达到击穿场强时便可逡逑引发电子崩向流注的转化，此时由空间光电离造成的二次电子崩是导致流注形成的逡逑关键因素。图２－２为外施电压达到击穿电压时的流注发展过程，由图２－２第１步所逡逑示阴极前方自由电子形成的初始电子崩在向阳极发展的过程中其内部电荷密度逐逡逑渐增加。当电子崩到达阳极时崩头电子迅速在阳极中和，，而剩余阳＇离子则大大加强逡逑原电场并向四周发射光子。光子在空间光电离的作用下形成光电子，光电子则在初逡逑始电子崩剩余阳离子畸变电场的吸引下开始发展碰撞电离并形成二次电子崩，如图逡逑２－２第２？３步所示。二次电子崩头部电子汇入初始电子崩尾部阳离子空间电荷区域，逡逑由于该区域场强较弱，大多数电子与阳离子复合成中性分子或吸附于中性分子而形逡逑成负离子，此时电离区内共存的正、负离子共同构成流注的等离子体部分，如图２－２逡逑第４步所示。由于流注头部为二次电子崩尾部的正空间电荷且等离子体通道导电性逡逑良好，阳极类似于被流注通道转移至头部，因此流注头部前方电场很强并持续发射逡逑大量光子，二次电子崩的不断汇入导致流注通道持续伸长，如图２－２第５步所示。逡逑由于流注头部前方发射光子方向具有随机性，由光电子引发的二次电子崩并不一定逡逑

过程图,均匀场,过程,二次电子

逦华北电力大学博士学位论文逦逡逑电子崩汇入时便终止。随流注伸长其头部前方场强越强且发展速度越快，当其延伸逡逑至阴极时整个间隙即被导电性良好的等离子体通道贯穿，间隙击穿完成。逡逑由正流注的发展过程可见当外施电压为间隙击穿电压时，初始电子崩需跨越整逡逑个间隙才能积累起足够有效畸变电场的空间电荷并引发二次电子崩。然而当外施电逡逑压高于击穿电压时流注发展过程则产生变化。图２－３为负流注发展过程。由图２－３第逡逑１？２步可见当初始电子崩发展一段距离后其头部及尾部空间电荷畸变电场程度均己逡逑达到足以引发二次电子崩的程度，此时新产生的一部分二次电子崩向初崩尾部正离逡逑子区汇聚形成向阴极推进的流注，另一部分二次电子崩则由初崩头部继续向前发逡逑展。如图２－３第３步所示，流注等离子体通道向阳极的推进依靠初崩头部自由电子逡逑和二次电子崩尾部正离子的汇聚，当流注伸长至阳极时间隙击穿。由此可见当外施逡逑电压足够高时，流注直接由阴极起始向阳极发展。逡逑
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM855

【参考文献】