發(fā)布時間：2020-05-10 17:39

【摘要】：氣體放電是高電壓絕緣領(lǐng)域重點關(guān)注的基礎(chǔ)性問題,其主要研究內(nèi)容涉及機理分析、特征曲線、放電形態(tài)、數(shù)值仿真四個方面。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、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。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條件下的放電機理,而對低真空(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。為彌補這一空白,本研究利用自主搭建的低氣壓放電平臺開展極不均勻場放電特性實驗研究,揭示了不同電極布置下自低真空下部10 Pa氣壓值點至粗真空上部3×104 Pa氣壓值點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。具體研究內(nèi)容如下:建立了包括電源系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實驗腔體、氣壓控制系統(tǒng)、電極系統(tǒng)和光學(xué)觀測系統(tǒng)的低氣壓放電實驗平臺。利用該平臺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、負極性直流)下的U-P曲線和U-Pd散點圖。結(jié)果表明:實驗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散點圖具有Paschen曲線形態(tài)但整體不符合Paschen定律,散點圖左半支分散性顯著但交流和負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。通過比較正、負極性直流特征曲線,發(fā)現(xiàn)低氣壓極不均勻場下存在極性效應(yīng)發(fā)生逆轉(zhuǎn)的氣壓區(qū)間。在放電形態(tài)方面開展交流、正極性和負極性直流電壓下放電觀測,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)的形成機理,提出放電形態(tài)突變點和分區(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突變點將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散點圖左半支內(nèi)由陽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,僅陽極輝區(qū)和負輝區(qū)發(fā)光顯著;③高能正柱轉(zhuǎn)化區(qū)內(nèi)正柱由陽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。負極性直流電壓下的兩個突變點將可觀測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散點圖極小值兩側(cè)放電形態(tài)無明顯變化,而陽極板電極表面的自組織斑圖是負極性直流電壓下的特殊放電形態(tài)。提出U-Pd散點圖左半支條紋的形成原因,即認(rèn)為輝光正柱陽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后選擇某條分支而分叉點不移動。提出利用金屬陽極板電極表面燒蝕點路徑判別斑圖性質(zhì)的方法以及斑圖向正柱轉(zhuǎn)變的三種方式,另外推測斑圖內(nèi)陽離子空間電荷對正柱發(fā)展的促進作用是導(dǎo)致直流電壓下極性效應(yīng)逆轉(zhuǎn)的原因。為進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)計并制作的聚丙烯腔體對2～60 kPa氣壓范圍內(nèi)30～60 cm棒-板間隙開展探索性實驗。研究表明:當(dāng)間隙距離超過20 cm時交流U-P曲線飽和特征明顯而正、負極性直流U-P曲線僅呈線性;間隙增大使交流電壓下流注分叉點、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流注階段逡逑對于板－板電極均勻場而言，當(dāng)外施電壓使間隙內(nèi)部場強達到擊穿場強時便可逡逑引發(fā)電子崩向流注的轉(zhuǎn)化，此時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為外施電壓達到擊穿電壓時的流注發(fā)展過程，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極發(fā)展的過程中其內(nèi)部電荷密度逐逡逑漸增加。當(dāng)電子崩到達陽極時崩頭電子迅速在陽極中和，，而剩余陽＇離子則大大加強逡逑原電場并向四周發(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離子畸變電場的吸引下開始發(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離子空間電荷區(qū)域，逡逑由于該區(qū)域場強較弱，大多數(shù)電子與陽離子復(fù)合成中性分子或吸附于中性分子而形逡逑成負離子，此時電離區(qū)內(nèi)共存的正、負離子共同構(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很強并持續(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，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便終止。隨流注伸長其頭部前方場強越強且發(fā)展速度越快，當(dāng)其延伸逡逑至陰極時整個間隙即被導(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)展過程可見當(dāng)外施電壓為間隙擊穿電壓時，初始電子崩需跨越整逡逑個間隙才能積累起足夠有效畸變電場的空間電荷并引發(fā)二次電子崩。然而當(dāng)外施電逡逑壓高于擊穿電壓時流注發(fā)展過程則產(chǎn)生變化。圖２－３為負流注發(fā)展過程。由圖２－３第逡逑１？２步可見當(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程度均己逡逑達到足以引發(fā)二次電子崩的程度，此時新產(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極的推進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)流注伸長至陽極時間隙擊穿。由此可見當(dāng)外施逡逑電壓足夠高時，流注直接由陰極起始向陽極發(fā)展。逡逑
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM855

【參考文獻】

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本文編號：2657654