發(fā)布時(shí)間：2020-05-10 17:39

【摘要】：氣體放電是高電壓絕緣領(lǐng)域重點(diǎn)關(guān)注的基礎(chǔ)性問(wèn)題,其主要研究?jī)?nèi)容涉及機(jī)理分析、特征曲線、放電形態(tài)、數(shù)值仿真四個(gè)方面。目前低氣壓下氣體放電特性已廣泛應(yīng)用于高海拔超高壓輸變電設(shè)備空氣間隙絕緣配合、高空飛行器表面靜電絕緣設(shè)計(jì)、真空斷路器滅弧性能、真空鍍膜技術(shù)等領(lǐng)域,且所涉及放電間隙主要為極不均勻場(chǎng)。然而為滿足工程應(yīng)用需求,現(xiàn)階段研究成果主要集中于獲取粗真空(103～105 Pa)下部較高Pd值范圍內(nèi)特征曲線和研究特定Pd條件下的放電機(jī)理,而對(duì)低真空(10-1～103 Pa)下部至粗真空上部Pd值范圍內(nèi)特征曲線以及放電形態(tài)與Pd值間關(guān)系方面關(guān)注較少。為彌補(bǔ)這一空白,本研究利用自主搭建的低氣壓放電平臺(tái)開(kāi)展極不均勻場(chǎng)放電特性實(shí)驗(yàn)研究,揭示了不同電極布置下自低真空下部10 Pa氣壓值點(diǎn)至粗真空上部3×104 Pa氣壓值點(diǎn)之間的較廣氣壓范圍內(nèi)放電形態(tài)和特征曲線的變化規(guī)律。具體研究?jī)?nèi)容如下:建立了包括電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)腔體、氣壓控制系統(tǒng)、電極系統(tǒng)和光學(xué)觀測(cè)系統(tǒng)的低氣壓放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。利用該平臺(tái)在特征曲線方面獲得了3.759×10-1～4.511×103cm·mmHg(10～3×104pa 氣壓范圍、5～20cm 間隙范圍)的Pd范圍內(nèi)、不同棒尖端(針尖、錐尖、半球)下棒-板電極、不同電壓形式(工頻交流、正極性直流、負(fù)極性直流)下的U-P曲線和U-Pd散點(diǎn)圖。結(jié)果表明:實(shí)驗(yàn)Pd范圍內(nèi)不同條件下的U-P曲線具有顯著的極小值特征,曲線左半支對(duì)電極形狀不敏感但整體形態(tài)受間隙變化影響顯著;U-P散點(diǎn)圖具有Paschen曲線形態(tài)但整體不符合Paschen定律,散點(diǎn)圖左半支分散性顯著但交流和負(fù)極性直流電壓下右半支均存在符合U=f(Pd)函數(shù)關(guān)系的Pd范圍。通過(guò)比較正、負(fù)極性直流特征曲線,發(fā)現(xiàn)低氣壓極不均勻場(chǎng)下存在極性效應(yīng)發(fā)生逆轉(zhuǎn)的氣壓區(qū)間。在放電形態(tài)方面開(kāi)展交流、正極性和負(fù)極性直流電壓下放電觀測(cè),研究棒-板間隙1.504～4.511×103 cm·mmHg范圍內(nèi)放電形態(tài)隨Pd的變化以及不同Pd區(qū)間內(nèi)放電形態(tài)的形成機(jī)理,提出放電形態(tài)突變點(diǎn)和分區(qū)的概念。以20 cm針尖頭棒-板間隙為例,交流、正極性直流電壓下的四個(gè)突變點(diǎn)將1.504～4.511×103 cm·mmHg的Pd范圍劃分為條紋區(qū)、低能正柱區(qū)、高能正柱轉(zhuǎn)化區(qū)、單一流注區(qū)和流注分叉區(qū),各分區(qū)典型特征為:①條紋區(qū)為U-Pd散點(diǎn)圖左半支內(nèi)由陽(yáng)極棒電極向前周期性排列的明暗條紋;②低能正柱區(qū)內(nèi)輝光正柱屬低能狀態(tài)而不可見(jiàn),僅陽(yáng)極輝區(qū)和負(fù)輝區(qū)發(fā)光顯著;③高能正柱轉(zhuǎn)化區(qū)內(nèi)正柱由陽(yáng)極向陰極方向逐漸變?yōu)槊髁粮吣軤顟B(tài),其轉(zhuǎn)化程度隨電壓幅值升高而增加;④單一流注區(qū)內(nèi)流注頭部無(wú)明顯分叉;⑤流注分叉區(qū)內(nèi)流注頭部分叉顯著且隨氣壓升高分叉數(shù)量增加。負(fù)極性直流電壓下的兩個(gè)突變點(diǎn)將可觀測(cè)Pd范圍劃分為低能正柱區(qū)、斑圖區(qū)和單一流注區(qū),U-Pd散點(diǎn)圖極小值兩側(cè)放電形態(tài)無(wú)明顯變化,而陽(yáng)極板電極表面的自組織斑圖是負(fù)極性直流電壓下的特殊放電形態(tài)。提出U-Pd散點(diǎn)圖左半支條紋的形成原因,即認(rèn)為輝光正柱陽(yáng)極端由于電流熱效應(yīng)和亞穩(wěn)態(tài)原子分步電離導(dǎo)致電子密度擾動(dòng)超出正柱穩(wěn)定閾值。提出流注分叉區(qū)內(nèi)通道延伸方式,即流注不斷在有效分叉點(diǎn)后選擇某條分支而分叉點(diǎn)不移動(dòng)。提出利用金屬陽(yáng)極板電極表面燒蝕點(diǎn)路徑判別斑圖性質(zhì)的方法以及斑圖向正柱轉(zhuǎn)變的三種方式,另外推測(cè)斑圖內(nèi)陽(yáng)離子空間電荷對(duì)正柱發(fā)展的促進(jìn)作用是導(dǎo)致直流電壓下極性效應(yīng)逆轉(zhuǎn)的原因。為進(jìn)一步揭示低氣壓下放電特征曲線和放電形態(tài)與Pd的關(guān)系,利用自行設(shè)計(jì)并制作的聚丙烯腔體對(duì)2～60 kPa氣壓范圍內(nèi)30～60 cm棒-板間隙開(kāi)展探索性實(shí)驗(yàn)。研究表明:當(dāng)間隙距離超過(guò)20 cm時(shí)交流U-P曲線飽和特征明顯而正、負(fù)極性直流U-P曲線僅呈線性;間隙增大使交流電壓下流注分叉點(diǎn)、分支和曲折數(shù)量以及直流電壓下的條紋數(shù)量顯著增加,增大放電間隙對(duì)放電形態(tài)特征具有明顯的放大作用。
【圖文】：

２．１．２流注階段逡逑對(duì)于板－板電極均勻場(chǎng)而言，當(dāng)外施電壓使間隙內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)便可逡逑引發(fā)電子崩向流注的轉(zhuǎn)化，此時(shí)由空間光電離造成的二次電子崩是導(dǎo)致流注形成的逡逑關(guān)鍵因素。圖２－２為外施電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)的流注發(fā)展過(guò)程，由圖２－２第１步所逡逑示陰極前方自由電子形成的初始電子崩在向陽(yáng)極發(fā)展的過(guò)程中其內(nèi)部電荷密度逐逡逑漸增加。當(dāng)電子崩到達(dá)陽(yáng)極時(shí)崩頭電子迅速在陽(yáng)極中和，，而剩余陽(yáng)＇離子則大大加強(qiáng)逡逑原電場(chǎng)并向四周發(fā)射光子。光子在空間光電離的作用下形成光電子，光電子則在初逡逑始電子崩剩余陽(yáng)離子畸變電場(chǎng)的吸引下開(kāi)始發(fā)展碰撞電離并形成二次電子崩，如圖逡逑２－２第２？３步所示。二次電子崩頭部電子匯入初始電子崩尾部陽(yáng)離子空間電荷區(qū)域，逡逑由于該區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)較弱，大多數(shù)電子與陽(yáng)離子復(fù)合成中性分子或吸附于中性分子而形逡逑成負(fù)離子，此時(shí)電離區(qū)內(nèi)共存的正、負(fù)離子共同構(gòu)成流注的等離子體部分，如圖２－２逡逑第４步所示。由于流注頭部為二次電子崩尾部的正空間電荷且等離子體通道導(dǎo)電性逡逑良好，陽(yáng)極類似于被流注通道轉(zhuǎn)移至頭部，因此流注頭部前方電場(chǎng)很強(qiáng)并持續(xù)發(fā)射逡逑大量光子，二次電子崩的不斷匯入導(dǎo)致流注通道持續(xù)伸長(zhǎng)，如圖２－２第５步所示。逡逑由于流注頭部前方發(fā)射光子方向具有隨機(jī)性，由光電子引發(fā)的二次電子崩并不一定逡逑

邐華北電力大學(xué)博士學(xué)位論文邐逡逑電子崩匯入時(shí)便終止。隨流注伸長(zhǎng)其頭部前方場(chǎng)強(qiáng)越強(qiáng)且發(fā)展速度越快，當(dāng)其延伸逡逑至陰極時(shí)整個(gè)間隙即被導(dǎo)電性良好的等離子體通道貫穿，間隙擊穿完成。逡逑由正流注的發(fā)展過(guò)程可見(jiàn)當(dāng)外施電壓為間隙擊穿電壓時(shí)，初始電子崩需跨越整逡逑個(gè)間隙才能積累起足夠有效畸變電場(chǎng)的空間電荷并引發(fā)二次電子崩。然而當(dāng)外施電逡逑壓高于擊穿電壓時(shí)流注發(fā)展過(guò)程則產(chǎn)生變化。圖２－３為負(fù)流注發(fā)展過(guò)程。由圖２－３第逡逑１？２步可見(jiàn)當(dāng)初始電子崩發(fā)展一段距離后其頭部及尾部空間電荷畸變電場(chǎng)程度均己逡逑達(dá)到足以引發(fā)二次電子崩的程度，此時(shí)新產(chǎn)生的一部分二次電子崩向初崩尾部正離逡逑子區(qū)匯聚形成向陰極推進(jìn)的流注，另一部分二次電子崩則由初崩頭部繼續(xù)向前發(fā)逡逑展。如圖２－３第３步所示，流注等離子體通道向陽(yáng)極的推進(jìn)依靠初崩頭部自由電子逡逑和二次電子崩尾部正離子的匯聚，當(dāng)流注伸長(zhǎng)至陽(yáng)極時(shí)間隙擊穿。由此可見(jiàn)當(dāng)外施逡逑電壓足夠高時(shí)，流注直接由陰極起始向陽(yáng)極發(fā)展。逡逑
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM855

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2657654