《真空電弧》課件

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1、11.真空電弧11.1概述真空電?。弘姌O間為真空狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的電弧，它實(shí)際上是電極金屬蒸汽中的電弧。（1）真空度與氣壓粗真空：1atm—1.33×102Pa;低真空：1.33×102Pa--1.33×10-1Pa;高真空：1.33×10-1Pa--1.33×10-6Pa;超高真空：1.33×10-6Pa--1.33×10-10Pa；極高真空：﹤1.33×10-10Pa真空度越高，氣壓越低（2）擊穿電壓與氣壓的關(guān)系Paschen定律描述了均勻場(chǎng)中擊穿電壓與pd的關(guān)系，它是一條V形曲線，對(duì)于一定距離的極間距，擊穿電壓與氣壓

2、的關(guān)系如圖。當(dāng)p＜10-4pa時(shí)，Ub基本不變，為了維持較高的擊穿電壓，應(yīng)使p＜10-4pa，產(chǎn)生真空電弧時(shí)應(yīng)使p＜10-2pa。屬于高真空。（3）高真空間隙的絕緣強(qiáng)度在電極表面光滑、電場(chǎng)均勻、高真空的條件下，取p=6.7×10-2Pa，電子的平均自由程為25cm,而極間距通常小于4cm，所以電極間基本不會(huì)因電子的碰撞電離而發(fā)生擊穿。所以高真空間隙具有很高的絕緣強(qiáng)度。由圖可見，高真空間隙的絕緣強(qiáng)度比一個(gè)大氣壓下的空氣、SF6氣體和變壓器油的高很多。問題：一個(gè)大氣壓下，空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)是多少？條件是什么？（4）擊穿電壓與

3、極間距的關(guān)系a.空氣中均勻電場(chǎng)擊穿電壓與d的關(guān)系b.高真空中Ub與d的關(guān)系當(dāng)d＜1cm時(shí)，Ub基本上正比于d,當(dāng)d＞1cm后，Ub趨于飽和，增大極間距不能有效地提高擊穿電壓。這就是研制高電壓等級(jí)真空斷路器的難點(diǎn)。當(dāng)d＞1cm后，Ub趨于飽和。擊穿電壓隨距離變化的原因是什么？如何解釋？這涉及其擊穿機(jī)理?，F(xiàn)已提出幾種假說。11.2真空間隙的擊穿機(jī)理為了解釋擊穿電壓隨極間距離增大的曲線特性，人們提出了多種理論。真空絕緣主要與電極過程和金屬蒸汽有關(guān)。其擊穿機(jī)理主要有如下兩種：（1）場(chǎng)致發(fā)射機(jī)理再光滑的電極表面都有許多的微觀突

4、起，這些微觀突起被稱為晶須。晶須的高度約為10-4cm，半徑約為10-5cm，密度約為104個(gè)/cm2。由于尖端效應(yīng)，晶須的尖端場(chǎng)強(qiáng)可增強(qiáng)數(shù)百倍。這樣，在平均場(chǎng)強(qiáng)＞106V/cm時(shí)，尖端場(chǎng)強(qiáng)可＞108V/cm，陰極晶須會(huì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)射電子（Schottky效應(yīng)）。電子電流密度由Schottky公式表示。晶須的尖端場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)的程度可由電場(chǎng)的增強(qiáng)系數(shù)表示，晶須的高徑比與極間距的比值越大，則增強(qiáng)系數(shù)就越大，若極間距增大，則增強(qiáng)系數(shù)就越小。所以這一機(jī)理僅成立于小極間距的情況。在陰極發(fā)射電子電流的作用下，晶須的溫度由兩方面決

5、定：a.流過晶須的電流產(chǎn)生的焦耳熱；電極熱傳導(dǎo)引起的冷卻。物理過程：若晶須溫度足夠高→汽化→間隙內(nèi)金屬原子密度增大→碰撞電離加劇→等離子體→膨脹擴(kuò)散到電極間→間隙擊穿晶須汽化需有一臨界場(chǎng)強(qiáng)Ec，與其相應(yīng)的間隙擊穿電壓Ub=Ecd可見，間隙擊穿電壓與極間距成正比。所以，當(dāng)d＜1cm時(shí)，擊穿由熱電子發(fā)射或/和場(chǎng)致電子發(fā)射引起。（2）微粒擊穿機(jī)理設(shè)陰陽極間為均勻電場(chǎng)E，電極表面的電荷面密度σ=ε0E，又設(shè)一微粒吸附在陰極表面，微粒所占陰極表面的面積為S，則微粒所帶電量為Q=σS=ε0ES。該微粒在電場(chǎng)力作用下到達(dá)陽極時(shí)的動(dòng)

6、能為Wk=QU=ε0ESU=ε0SU2/d（1）若微粒的動(dòng)能足夠大，當(dāng)其撞擊陽極表面時(shí)，使陽極表面溫度升高、汽化而產(chǎn)生等離子體，就可使間隙擊穿。此時(shí)的電壓即為擊穿電壓，所以有→可見，Ub與d的平方根成正比。這一結(jié)論與d＞1cm的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。另外，還有二次電子發(fā)射的機(jī)理。這幾種擊穿的原因和作用是同時(shí)存在的，看是哪種為主。（3）影響擊穿電壓的因素真空度；極間距；電極材料：銅鎢合金、銅鉍合金、銅鉻合金金屬蒸汽的電離能與金屬材料有關(guān)，電極材料對(duì)擊穿電壓和真空電弧的性質(zhì)都有重要影響。電極表面狀況老練情況（4）擊穿的物理過程用

7、真空觸發(fā)管做實(shí)驗(yàn)a.真空觸發(fā)管的結(jié)構(gòu)b.實(shí)驗(yàn)電路C.實(shí)驗(yàn)結(jié)果觸發(fā)瞬間發(fā)展階段電弧形成問題：1.可見光的來源？它反映了什么？2.電極間的一團(tuán)等離子體如何運(yùn)動(dòng)？根據(jù)物理現(xiàn)象推斷的擊穿過程開關(guān)的兩個(gè)電極斷開時(shí)，若陰極表面的電場(chǎng)強(qiáng)度超過某一閾值，就會(huì)由于場(chǎng)致發(fā)射而發(fā)射出電子，電子在電極間做加速運(yùn)動(dòng)，具有很高能量的電子撞擊陽極就會(huì)轟擊出正離子和金屬蒸汽，這之后就會(huì)發(fā)生兩個(gè)過程：第一個(gè)過程是后續(xù)的電子就會(huì)與金屬蒸汽中的金屬原子發(fā)生雪崩式的碰撞電離，電離出的大量電子和正離子就在陽極附近形成了電弧等離子體；第二個(gè)過程是從陽極表面轟擊

8、出的正離子在強(qiáng)電場(chǎng)作用下加速運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極并轟擊出電子和金屬蒸汽，后續(xù)的正離子與金屬蒸汽同樣也會(huì)發(fā)生雪崩式的碰撞電離，結(jié)果就在陰極附近形成電弧等離子體。隨后陰極和陽極附近的等離子體迅速向整個(gè)間隙擴(kuò)散（雙極性擴(kuò)散），最終使間隙導(dǎo)通，電極間的電壓迅速下降到電弧的維持值。由陰極電子發(fā)射發(fā)展到電弧形成，這一過程涉及真空放電物理要研究高電壓等級(jí)的真空開關(guān)