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教学参考:自持放电、电晕放电、辉光电弧的区别

  教学参考:自持放电、电晕放电、辉光放电、电弧放电的区别_理学_高等教育_教育专区。内蒙古工业大学高电压技术教学课件

  自持放电: 不依赖外界电离条件,仅由外施电压作用即可维持的一种气体放电。这是按照气体放电形 成条件来区分的一种气体放电类型,与它并列的是非自持放电。气体放电的形成需要具备 两个基本条件,一是外施电压,它使电极间隙的空间范围内呈现一定强度的电场;二是外 界电离因素,它在电极间隙中形成初始带电粒子。外界电离因素有多种方式,例如,天然 辐射或人工光源照射会使空间出现带电粒子。当外加电压较低时,只有由外界电离因素所 造成的带电粒子在电场中运动而形成气体放电电流,一旦外界电离作用停止,气体放电现 象即随之中断,这种放电称为非自持放电。当外加电压逐渐升高后,气体中的放电过程发 生转变,此时若去掉外界激离因素,放电仍继续发展,成为自持放电。通常所研究的各种气体 放电形式如辉光放电、电晕放电、火花放电、电弧放电等都属于自持放电。形成自持放电 的条件可根据汤森理论来确定。 辉光放电 稀薄气体中的自激导电现象。其物理机制是:放电管两极的电压加大到一定值时,稀 薄气体中的残余正离子被电场加速,获得足够大的动能去撞击阴极,产生二次电子,经簇 射过程形成大量带电粒子,使气体导电。辉光放电的特点是电流密度小,温度不高,放电 管内产生明暗光区,管内的气体不同,辉光的颜色也不同。正常辉光放电时,放电管极间 电压不随电流变化。辉光放电的发光效应被用于制造霓虹灯、荧光灯等光源,利用其稳压 特性可制成稳压管(如氖稳压管)。 气体在低气压状态下的一种自持放电。对玻璃圆 柱状放电管两端施加电压,当压力处于 1~0.1 托的范围时,由阴极逸出的电子在气体中发 生碰撞电离和光电离,此时放电管的大部分区域都呈现弥漫的光辉,其颜色因气体而异, 故称辉光放电。辉光放电与暗放电和电弧放电共同组成可连续变化的 3 种基本放电形式。 1831~1835 年,M.法拉第在研究低气压放电时发现辉光放电现象和法拉第暗区。1858 年,J.普吕克尔在 1/100 托下研究辉光放电时发现了阴极射线 世纪末粒子辐射和原 子物理研究的先躯。 辉光放电有亚正常辉光和反常辉光两个过渡阶段,放电的整个通道由不同亮度的区间 组成,即由阴极表面开始,依次为:①阿斯通暗区;②阴极光层;③阴极暗区(克鲁克斯暗 区);④负辉光区;⑤法拉第暗区;⑥正柱区;⑦阳极暗区;⑧阳极光层。其中以负辉光区、 法拉第暗区和正柱区为主体。这些光区是空间电离过程及电荷分布所造成的结果,与气体 类别、气体压力、电极材料等因素有关,这些都可以从放电理论上作出解释。辉光放电时, 在两个电极附近聚集了较多的异号空间电荷,因而形成明显的电位降落,分别称为阴极压 降和阳极压降。阴极压降又是电极间电位降落的主要成分,在正常辉光放电时,两极间的 电压不随电流变化,即具有稳压的特性。 辉光放电的主要应用是:①利用它的发光效应(如霓虹灯)和正常辉光放电的稳压特 性(如氖稳压管)。②利用辉光放电的正柱区产生激光的特性,制做氦氖激光器。 电晕放电(corona discharge) 气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。是最常见的一种气体放电形式。在曲率半径很 大的尖端电极附近,由于局部电场强度超过气体的电离场强,使气体发生电离和激励,因 而出现电晕放电。发生电晕时在电极周围可以看到光亮,并伴有咝咝声。电晕放电可以是 相对稳定的放电形式,也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。 电晕放电的形成机制因尖端电极的极性不同而有区别,这主要是由于电晕放电时空间 电荷的积累和分布状况不同所造成的。在直流电压作用下,负极性电晕或正极性电晕均在 尖端电极附近聚集起空间电荷。在负极性电晕中,当电子引起碰撞电离后,电子被驱往远 离尖端电极的空间,并形成负离子,在靠近电极表面则聚集起正离子。电场继续加强时,正离 子被吸进电极,此时出现一脉冲电晕电流,负离子则扩散到间隙空间。此后又重复开始下 一个电离及带电粒子运动过程。如此循环,以致出现许多脉冲形式的电晕电流。电晕电流 这一现象是 G.W.特里切尔于 1938 年发现的,称为特里切尔脉冲。若电压继续升高,电晕电 流的脉冲频率增加、幅值增大,转变为负辉光放电。电压再升高,出现负流注放电(见流注 理论),因其形状又称羽状放电或称刷状放电。当负流注放电得以继续发展到对面电极时, 即导致火花放电,使整个间隙击穿。正极性电晕在尖端电极附近也分布着正离子,但不断 被推斥向间隙空间,而电子则被吸进电极,同样形成重复脉冲式电晕电流。电压继续升高时, 出现流注放电,并可导致间隙击穿。 工频交流电晕在正、负半周内其放电过程与直流正、负电晕基本相同。工频电晕电流 与电压同相,反映出电晕功率损耗。工程应用中还常以外施电压与电晕电荷量的关系表示 电晕特性,称为电晕的伏库特性。 架空输电线路导线电晕起始电场强度 Es 可由皮克公式计算: (千伏/厘米) 式中 δ 为空气相对密度,m 为绞线系数,R 为导线半径(厘米)。当 δ=1、m=0.5、R=0.9 厘米时,Es=19.7 千伏/厘米。实际上,导线表面状况如损伤、雨滴、附着物等,都会使电晕放 电易于发生。 电晕放电在工程技术领域中有多种影响。电力系统中的高压及超高压输电线路导线上 发生电晕(见图),会引起电晕功率损失、无线电干扰、电视干扰以及噪声干扰。进行线 路设计时,应选择足够的导线截面积,或采用分裂导线降低导线表面电场的方式,以避免发 生电晕。对于高电压电气设备,发生电晕放电会逐渐破坏设备绝缘性能。电晕放电的空间电 荷在一定条件下又有提高间隙击穿强度的作用。当线路出现雷电或操作过电压时,因电晕 损失而能削弱过电压幅值。利用电晕放电可以进行静电除尘、污水处理、空气净化等。地 面上的树木等尖端物体在大地电场作用下的电晕放电是参与大气电平衡的重要环节。海洋 表面溅射水滴上出现的电晕放电可促进海洋中有机物的生成,还可能是地球远古大气中生 物前合成氨基酸的有效放电形式之一。针对不同应用目的研究,电晕放电是具有重要意义 的技术课题。 电弧放电(arc discharge) 气体放电中最强烈的一种自持放电。当电源提供较大功率的电能时,若极间电压不高(约 几十伏),两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流(几安至几十安),并发出强烈 的光辉,产生高温(几千至上万度),这就是电弧放电。电弧是一种常见的热等离子体(见 等离子体应用)。 电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。电弧的重要特点是电流增大 时,极间电压下降,弧柱电位梯度也低,每厘米长电弧电压降通常不过几百伏,有时在 1 伏以 下。弧柱的电流密度很高,每平方厘米可达几千安,极斑上的电流密度更高。 电弧放电可分为 3 个区域:阴极区、弧柱和阳极区。其导电的机理是:阴极依靠场致 电子发射和热电子发射效应发射电子;弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及 正离子,呈现导电性,这种电离过程称为热电离;阳极起收集电子等作用,对电弧过程影 响常较小。在弧柱中,与热电离作用相反,电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散 到弧柱外,这一现象称为去电离。在稳定电弧放电中,电离速度与去电离速度相同,形成 电离平衡。此时弧柱中的平衡状态可用萨哈公式描述。 能量平衡是描述电弧放电现象的又一重要定律。能量的产生是电弧的焦耳热,能量的 发散则通过辐射、对流和传导三种途径。改变散热条件可使电弧参数改变,并影响放电的 稳定性。 电弧通常可分为长弧和短弧两类。长弧中弧柱起重要作用。短弧长度在几毫米以下, 阴极区和阳极区起主要作用。 根据电弧所处的介质不同又分为气中电弧和真空电弧两种。 液体(油或水)中的电弧实际 在气泡中放电,也属于气中电弧。真空电弧实际是在稀薄的电极材料蒸气中放电。这二种 电弧的特性有较大差别。 电弧是一束高温电离气体, 在外力作用下, 如气流,外界磁场甚至电弧本身产生的 磁场作用下会迅速移动(每秒可达几百米),拉长、卷曲形成十分复杂的形状。电弧在电 极上的孳生点也会快速移动或跳动。 在电力系统中,开关分断电路时会出现电弧放电。由于电弧弧柱的电位梯度小,如大 气中几百安以上电弧电位梯度只有 15 伏/厘米左右。 在大气中开关分断 100 千伏 5 安电路时, 电弧长度超过 7 米。电流再大,电弧长度可达 30 米。因此要求高压开关能够迅速地在很小 的封闭容器内使电弧熄灭,为此,专门设计出各种各样的灭弧室。灭弧室的基本类型有: ①采用六氟化硫、真空和油等介质;②采用气吹、磁吹等方式快速从电弧中导出能量;③ 迅速拉长电弧等。直流电弧要比交流电弧难以熄灭。 电弧放电可用于焊接、冶炼、照明、喷涂等。这些场合主要是利用电弧的高温、高能 量密度、易控制等特点。在这些应用中,都需使电弧稳定放电。 火花放电(spark discharge) 当高压电源的功率不太大时,高压电极间的气体在强电场的作用下被击穿,产生明亮、曲 折、狭窄且有分叉的电火花,并伴随爆裂声,这种形式的自激导电叫火花放电。火花放电 的击穿电压与气体的性质和压强、电极的形状和大小以及电极间距离等因素有关。雷电就 是一种强大的火花放电现象。 电晕放电气体介质在不均匀电场中的局部自持放电。 最常见的一种气体放电形式。 在曲 率半径很小的尖端电极附近, 由于局部电场强度超过气体的电离场强, 使气体发生电离和激 励 ,因而出现电晕放电引。发生电晕时在电极周围可以看到光亮 ,并伴有咝咝声。电晕放 电可以是相对稳定的放电形式,也可以是不均匀电场间隙击穿过程中的早期发展阶段。 低压气体中显示辉光的气体放电(空气中的电子大概在 1000 对/cm,由于高压放电现象 在低气压状态下会产生辉光现象)现象,即是稀薄气体中的自激导电现象。 滑闪放电是绝缘表面气体热电离引起的, 沿着绝缘表面的不稳定的树枝状放电, 它并没 有贯穿两极。如果滑闪贯穿两极就称为闪络。 闪络是指固体绝缘子周围的气体或液体电介质被击穿时,沿固体绝缘子表面放电的现 象。 (当在气体或液体电介质中沿固体绝缘表面发生破坏性放电现象,称之为闪络。 )其放电 时的电压称为闪络电压。发生闪络后,电极间的电压迅速下降到零或接近于零。闪络通道中 的火花或电弧使绝缘表面局部过热造成炭化,损坏表面绝缘。 电弧是一种气体放电现象,电流通过某些绝缘介质(例如空气)所产生的瞬间火花。电 弧放电是气体放电中最强烈的一种自持放电。 当电源提供较大功率的电能时, 若极间电压不 高(约几十伏) ,两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流(几安至几十安),并发出 强烈的光辉,产生高温 (几千至上万度) , 这就是电弧放电。 电弧是一种常见的热等离子体 (见 等离子体应用) 。 电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。 当高压电源的功率不太大时, 高电压电极间的气体被击穿, 出现闪光和爆裂声的气体放 电现象。火花放电时,碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内,只是沿着狭窄曲折的发光 通道进行,并伴随爆裂声。


点击次数:  更新时间:2020-10-13 22:15   【打印此页】  【关闭
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