尖-板放电和沿面放电

试验二 尖-板放电和沿面放电

一、实验目的

1．掌握尖-板放电和沿面放电的基本概念。

2．观察尖-板气隙放电击穿、气体沿面放电等现象及其特点。

3．了解气体放电的原理和气体放电的现象和形式、影响因素及伴随的效应。

4．认识其发展过程及影响击穿电压的各主要因素，加深对气体放电理论的理解。

二、实验预习

概念：电离；撞击电离；光电离；电晕；电子崩；流注；先导放电；自持放电；滑闪放电；

沿面放电；电击穿；热击穿，雷电放电。

判断：空气是绝缘介质；电晕放电的现象；尖板放电是不均匀电场造成的；沿面放电是特殊的气体放电，沿面放电的三个阶段；沿面闪络电压小于气隙击穿电压。

相关知识点：电场、介质极化、偶极子、介电常数、气隙击穿、帕邢定律、汤森德放电理论、流注放电理论、电晕放电、伏秒特性、大气过电压、内部过电压。

三、实验内容

1.测量尖-板放电中不同气隙间距的击穿电压，并观察气隙击穿的现象及伴随的效应。

2.观察固体绝缘介质（玻璃）表面气隙击穿实验现象、实验特性和伴随的实验效应。

1)刷状放电的观察

2)滑闪放电的观察

3)沿面闪络的观察

四、实验仪器

1．实验开关指示操作台。

2．量程（0—600）V电压表。

3．接触调压器TDGC-10/0.5，输入220V，输出（0-250）V。

4．试验变压器YDJ-10（100/0.22）kV。

5．50cm绝缘水电阻。

6．交流尖—板放电装置：尖极、板极、塑料屏障、滑轨、标尺。

7．沿面放电实验装置：圆柱电极一对、玻璃板。

8．接地线。

五、尖-板放电和沿面放电实验原理

1．气体带电质点的产生

纯净的中性状态的气体是不导电的,只有在气体中出现了带电质点(电子、离子等)以后，才能导电，并在电场的作用下，发展成各种形式的气体放电现象。

气体中带电质点的来源为：一是气体分子本身发生电离；二是气体中的固体或液体金属发生表面电离。

当外界加入的能量很大，使电子具有的能量超过最远轨道的能量时，电子就跳出原子轨道之外，成为自由电子。这样，就使原来的一个中性原子变成一个自由电子和一个带正电荷的离子，这种现象称为电离。达到电离所需要的最小能量称为电离能。

电离的形式有：撞击电离；光电离；热电离；表面电离；负离子的形成。

2.电子崩的形成

在气隙电场作用下，电子向阳极方向加速运动，动能增加。同时，电子在其运动过程中不断和气体分子碰撞。当电场很强，电子所积累的能量达到能产生撞击电离时，就能引起撞击电离。分子电离后新产生的电子和离子又将从气隙电场获得动能，继续参与到撞击电离过程中，电离过程就像雪崩似地增长起来， 电子数目激增，形成电子崩，放电电流也随之有较大的增长。

由于电子的迁移速率要比正离子的大两个数量级，因此在电子崩发展过程中，正离子相对于电子来说可看成是静止的。同时由于电子的扩散用，电子崩在其发展过程中半径逐渐增大。这样电子崩中出现了大量的空间电荷，崩头最前面集中着电子，其后直到尾部则是正离子，形成球头状的锥体，如图4-1 所示：

图4-1 电子崩形成示意图

在场强小于某临界值时，这种电子崩还必须有赖于外界因素所造成的原始电离才能持续和发展，这种放电为非自持放电。

当场强超过临界值时，电子崩可以仅由电场的作用而自行维持和发展，不必再有赖于外界电离因素了，这种放电称为自持放电。

由非自持放电转入自持放电的场强称为临界场强，相应的电压为临界电压。

在大体均匀的电场中，各处的场强差异不大，任意一处一旦形成自持放电，自持放电会很快地发展到整个间隙，气隙即被击穿，击穿电压实际上就等于形成自持放电的临界电压。

在很不均匀的电场中，放电过程就相当复杂，下文将给出。

3．气体放电及击穿

⑴．气体在正常情况下绝缘性能良好（带电粒子很少）；

⑵．气体质点获得足够的能量（大于其电离能）后，将会产生电离，生成正离子和电子；

⑶．气体质点获得能量的途径有：粒子撞击、光子激励、分子热碰撞；

⑷．气隙中除了有气体质点游离产生的带电粒子外，还存在金属电极表面的逸出电子；

⑸．气隙加上电场，气隙中的带电粒子将顺电场方向加速运动，造成大量的粒子碰撞，

但产生气体质点游离的撞源粒子是电子；

⑹．气隙上的电场足够强时，撞击电离产生的电子又会成为撞源粒子，从而形成电子崩；

⑺．气隙之间存在的大量带电粒子会形成空间电荷区，空间电荷的存在会改变气隙间的

电场分布；

⑻．气隙在强电场作用下，产生强烈电离，并发展到自持放电，气隙就被击穿。

4.气体放电的影响因素

空气间隙的放电电压与电压性质、电极形状、大气条件等因素有关。

间隙间施加交流电场或直流电场，所表现出的击穿特性及恢复特性都不相同；交流电场实际上是一个大小和极性都在不断变化的电场，如果是针板间隙，则肯定是在最容易击穿的极性下被击穿，交流快过零时气隙间电弧熄灭，气隙绝缘的恢复至少存在半个周期的恢复时间；直流电场的极性不发生改变，如果施加于针板间隙，会随所加极性的不同而表现出强烈的极性效应。

由于不同形状的电极间电场均匀度不同，故电极形状会对放电产生影响。平板间隙间可建立均匀电场，但边沿如不做倒角处理将形成局部强电场，去除边沿效应后的平板间隙在小

距离情况下（δS<0.26cm）放电电压很稳定；由于是均匀电场，不会出现持续的局部放电，起始放电电压就等于击穿电压，并且从自持放电开始到间隙完全击穿所需的时间很短，因此电压波形（包括极性，因形态对称）对击穿电压不会造成影响，放电分散性很小。

针板间隙间建立的电场是非均匀电场，在不同性质的电场作用下，其放电分散性较大；由于存在局部强电场，此处的空气将先期产生强烈电离，出现局部持续放电，生成大量带电粒子，并在针尖附近形成大量的正空间电荷，此空间电荷将改变针板间的电场分布，从而影响间隙的击穿电压，在直流电场情况下，就产生了明显的极性效应。

大气条件主要包括温度、湿度、气压三个指标。

温度实际上反映的是气体分子热运动的强烈程度，温度越高，则分子热运动越强烈，越容易产生热碰撞游离，气隙绝缘性就越差；温度高到一定程度时，气体将变成等离子体，它也就失去了绝缘性而变成了导体。

湿度反映的是气体中含水份的程度，水分子是电负性的，易俘获自由电子，使气体中的自由电子减少，从而阻碍游离的发展，因此随湿度的增大气隙的击穿电压也将提高。

气压是气体分子密度的反映，气压越高，密度越大，气体分子（包括自由电子）平均自由行程缩短，不易形成撞击游离，气隙的击穿电压因而提高。但气压过低（如接近真空）则气体分子稀薄，也难形成大量撞击游离，气隙的击穿电压也将提高。

5.尖-板放电理论

实验所用电源为工频电压时，产生交流电场，交流电场实际上是一个大小和极性都在不断变化的电场。在实验装置的针板间隙中，肯定是在最容易击穿的极性下被击穿，交流快过零时气隙间电弧熄灭，气隙绝缘的恢复至少存在半个周期的恢复时间。

针板间隙间建立的电场是非均匀电场，在不同性质的电场作用下，其放电分散性较大；由于存在局部强电场，此处的空气将先期产生强烈电离，出现局部持续放电，生成大量带电粒子，并在针尖附近形成大量的正空间电荷，此空间电荷将改变针板间的电场分布，从而影响间隙的击穿电压，在直流电场情况下，就产生了明显的极性效应

在电压还较低时，针端电极处的场强可能已经达到临界值，针端电极附近即发生自持放电，离针端较远处，由于场强大为减小，故电离放电只能局限在针极附近的空间，不能扩展开。

该区域内所形成的离子在复合时（或被激励的气体分子在回到常态时）将辐射出光子，其中有一部分在可见光的频谱范围内，其他大部分为紫外光，人眼可见有均匀稳定的发光层笼罩在电极周围，形成电晕。

电压再提高时，当电极间距不大，则可能从电晕放电直接转变为整个间隙的火花击穿；当电极间距较大，则从电晕到击穿之间还有刷形放电的过渡阶段，表现为从针极处散射出密