《真空电弧》课件

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1、11.真空电弧11.1概述真空电弧：电极间为真空状态时产生的电弧，它实际上是电极金属蒸汽中的电弧。（1）真空度与气压粗真空：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；极高真空：﹤1.33×10-10Pa真空度越高，气压越低（2）击穿电压与气压的关系Paschen定律描述了均匀场中击穿电压与pd的关系，它是一条V形曲线，对于一定距离的极间距，击穿电压与气压

2、的关系如图。当p＜10-4pa时，Ub基本不变，为了维持较高的击穿电压，应使p＜10-4pa，产生真空电弧时应使p＜10-2pa。属于高真空。（3）高真空间隙的绝缘强度在电极表面光滑、电场均匀、高真空的条件下，取p=6.7×10-2Pa，电子的平均自由程为25cm,而极间距通常小于4cm，所以电极间基本不会因电子的碰撞电离而发生击穿。所以高真空间隙具有很高的绝缘强度。由图可见，高真空间隙的绝缘强度比一个大气压下的空气、SF6气体和变压器油的高很多。问题：一个大气压下，空气的击穿场强是多少？条件是什么？（4）击穿电压与

3、极间距的关系a.空气中均匀电场击穿电压与d的关系b.高真空中Ub与d的关系当d＜1cm时，Ub基本上正比于d,当d＞1cm后，Ub趋于饱和，增大极间距不能有效地提高击穿电压。这就是研制高电压等级真空断路器的难点。当d＞1cm后，Ub趋于饱和。击穿电压随距离变化的原因是什么？如何解释？这涉及其击穿机理。现已提出几种假说。11.2真空间隙的击穿机理为了解释击穿电压随极间距离增大的曲线特性，人们提出了多种理论。真空绝缘主要与电极过程和金属蒸汽有关。其击穿机理主要有如下两种：（1）场致发射机理再光滑的电极表面都有许多的微观突

4、起，这些微观突起被称为晶须。晶须的高度约为10-4cm，半径约为10-5cm，密度约为104个/cm2。由于尖端效应，晶须的尖端场强可增强数百倍。这样，在平均场强＞106V/cm时，尖端场强可＞108V/cm，阴极晶须会在强电场作用下发射电子（Schottky效应）。电子电流密度由Schottky公式表示。晶须的尖端场强增强的程度可由电场的增强系数表示，晶须的高径比与极间距的比值越大，则增强系数就越大，若极间距增大，则增强系数就越小。所以这一机理仅成立于小极间距的情况。在阴极发射电子电流的作用下，晶须的温度由两方面决

5、定：a.流过晶须的电流产生的焦耳热；电极热传导引起的冷却。物理过程：若晶须温度足够高→汽化→间隙内金属原子密度增大→碰撞电离加剧→等离子体→膨胀扩散到电极间→间隙击穿晶须汽化需有一临界场强Ec，与其相应的间隙击穿电压Ub=Ecd可见，间隙击穿电压与极间距成正比。所以，当d＜1cm时，击穿由热电子发射或/和场致电子发射引起。（2）微粒击穿机理设阴阳极间为均匀电场E，电极表面的电荷面密度σ=ε0E，又设一微粒吸附在阴极表面，微粒所占阴极表面的面积为S，则微粒所带电量为Q=σS=ε0ES。该微粒在电场力作用下到达阳极时的动

6、能为Wk=QU=ε0ESU=ε0SU2/d（1）若微粒的动能足够大，当其撞击阳极表面时，使阳极表面温度升高、汽化而产生等离子体，就可使间隙击穿。此时的电压即为击穿电压，所以有→可见，Ub与d的平方根成正比。这一结论与d＞1cm的实验结果吻合。另外，还有二次电子发射的机理。这几种击穿的原因和作用是同时存在的，看是哪种为主。（3）影响击穿电压的因素真空度；极间距；电极材料：铜钨合金、铜铋合金、铜铬合金金属蒸汽的电离能与金属材料有关，电极材料对击穿电压和真空电弧的性质都有重要影响。电极表面状况老练情况（4）击穿的物理过程用

7、真空触发管做实验a.真空触发管的结构b.实验电路C.实验结果触发瞬间发展阶段电弧形成问题：1.可见光的来源？它反映了什么？2.电极间的一团等离子体如何运动？根据物理现象推断的击穿过程开关的两个电极断开时，若阴极表面的电场强度超过某一阈值，就会由于场致发射而发射出电子，电子在电极间做加速运动，具有很高能量的电子撞击阳极就会轰击出正离子和金属蒸汽，这之后就会发生两个过程：第一个过程是后续的电子就会与金属蒸汽中的金属原子发生雪崩式的碰撞电离，电离出的大量电子和正离子就在阳极附近形成了电弧等离子体；第二个过程是从阳极表面轰击

8、出的正离子在强电场作用下加速运动，撞击阴极并轰击出电子和金属蒸汽，后续的正离子与金属蒸汽同样也会发生雪崩式的碰撞电离，结果就在阴极附近形成电弧等离子体。随后阴极和阳极附近的等离子体迅速向整个间隙扩散（双极性扩散），最终使间隙导通，电极间的电压迅速下降到电弧的维持值。由阴极电子发射发展到电弧形成，这一过程涉及真空放电物理要研究高电压等级的真空开关