短間隙的擊穿及其短路放電特性研究

鐘久明， 劉樹(shù)林， 王玉婷， 段江龍

(1. 西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2. 海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院， 海南 ?？?571158)

短間隙的擊穿及其短路放電特性研究

鐘久明1,2， 劉樹(shù)林1， 王玉婷1， 段江龍1

(1. 西安科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710054；2. 海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院， 海南 ?？?571158)

為研究IEC安全火花試驗(yàn)裝置短路放電的擊穿放電機(jī)制，針對(duì)室溫1atm下不同濃度的甲烷空氣混合氣體，對(duì)幾百微米～幾毫米范圍內(nèi)的擊穿實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。分析表明對(duì)于不同濃度甲烷空氣混合氣體，擊穿電壓與電極間距的關(guān)系曲線均呈現(xiàn)馬鞍形；室溫1atm下8.5%甲烷空氣混合氣體在幾百微米～幾毫米間隙范圍內(nèi)的最低擊穿電壓表明試驗(yàn)裝置的電容短路放電過(guò)程在巴申定律的適用范圍之外且其臨界擊穿間距在幾百微米以下?？梢?jiàn)，該放電過(guò)程中間隙內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)并不突出，陰極電子發(fā)射是其擊穿放電的主導(dǎo)機(jī)制，該放電過(guò)程類似真空放電，通過(guò)安全火花試驗(yàn)裝置得出不同介質(zhì)環(huán)境的電容電路短路放電波形對(duì)此進(jìn)行了驗(yàn)證。

短間隙； 短路放電； IEC安全火花試驗(yàn)裝置； 擊穿特性

1 引言

IEC安全火花試驗(yàn)裝置(IEC-SSTA)是進(jìn)行電路本質(zhì)安全(簡(jiǎn)稱本安)性能測(cè)試、評(píng)價(jià)及鑒定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，也是從事本安電路研究最基本的實(shí)驗(yàn)設(shè)備[1,2]。運(yùn)動(dòng)電極下的微間隙是該裝置形成火花放電的重要組成部分，也是研究裝置短路放電特性、揭示短路放電機(jī)理的關(guān)鍵性難點(diǎn)。

目前對(duì)于各種放電的研究多針對(duì)高電壓長(zhǎng)間隙開(kāi)展[3-5]且多為仿真或?qū)嶒?yàn)研究[6,7]，而關(guān)于低電壓短間隙放電特性的研究較為罕見(jiàn)。IEC-SSTA的短路放電過(guò)程中，鎢絲電極以一定的速率向鎘盤(pán)電極靠近直至短路，極間距離在放電過(guò)程中逐漸變小直至為零。由于電極結(jié)構(gòu)及短路方式的特殊性加之極間距較為微小，而且極間距在放電過(guò)程中不斷變化，因此，該試驗(yàn)裝置的短路放電過(guò)程較為復(fù)雜。

關(guān)于IEC-SSTA的短路放電過(guò)程多為定性描述或?qū)嶒?yàn)研究[1,8，9]。文獻(xiàn)[8,9]對(duì)其短路放電機(jī)理進(jìn)行了分析，認(rèn)為該放電過(guò)程是以碰撞電離及電子雪崩為主要特征的氣體放電，而這也是國(guó)內(nèi)外本質(zhì)安全研究領(lǐng)域相關(guān)專家學(xué)者的普遍共識(shí)[8-10]。然而，實(shí)驗(yàn)及理論分析均表明，IEC-SSTA的電容短路放電過(guò)程中間隙內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)并不突出，碰撞電離并非其擊穿放電的主導(dǎo)機(jī)制，陰極電子發(fā)射是其擊穿放電的主導(dǎo)機(jī)制，該放電過(guò)程類似真空放電。而氣體放電與真空放電有本質(zhì)差別，其研究方法與側(cè)重點(diǎn)也截然不同[10-12]。因此，研究IEC-SSTA的短路放電特性及機(jī)理，必須首先搞清楚該放電過(guò)程的擊穿放電機(jī)理。

本文將針對(duì)該放電試驗(yàn)中的特定放電體系進(jìn)行擊穿特性分析及放電實(shí)驗(yàn)，研究氣體介質(zhì)對(duì)間隙擊穿放電的影響。為深入研究IEC-SSTA的短路放電機(jī)理及特性分析奠定理論基礎(chǔ)。

2 間隙及實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)

IEC-SSTA的電容短路放電試驗(yàn)是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)放電過(guò)程：密閉的容器內(nèi)充滿特定的氣體介質(zhì)(如I類環(huán)境為(8.3±0.3)%的室溫常壓甲烷空氣混合氣體), 其中布置一對(duì)鎢絲和鎘盤(pán)電極, 鎢絲由電機(jī)驅(qū)動(dòng)以約0.25m/s的速率向旋轉(zhuǎn)鎘盤(pán)電極靠近直至短路, 放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IEC-SSTA短路放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of short circuit discharge with IEC-SSTA

其中,HG=8mm和RG=15mm分別為鎘盤(pán)的高度和半徑, 鎢絲直徑0.2mm、長(zhǎng)度LW=11mm,鎢絲與鎘盤(pán)的間距為d，兩者相交部分的長(zhǎng)度w=1mm。

考慮到鎢絲及鎘盤(pán)電極微觀表面的粗糙度，幾百微米及以下量級(jí)的電極間距難以準(zhǔn)確定位。為研究IEC-SSTA的電容短路放電擊穿特性，針對(duì)室溫1atm下不同濃度甲烷空氣混合氣體，可對(duì)幾百微米～幾毫米的短間隙擊穿性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

由于IEC-SSTA的試驗(yàn)電壓規(guī)定不超過(guò)300V，而幾毫米間隙的擊穿電壓應(yīng)遠(yuǎn)高于300V，為避免損壞裝置，可設(shè)計(jì)一密封室，其內(nèi)布置與IEC-SSTA裝置結(jié)構(gòu)相似、間距可調(diào)的鎢絲與鎘盤(pán)電極系統(tǒng)，電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)的電極系統(tǒng)示意圖Fig.2 Design of electrode system schematic diagram

運(yùn)用重新設(shè)計(jì)的電極系統(tǒng)進(jìn)行擊穿實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)方案如下。

用0.5mm厚的高壓絕緣膠帶緊緊纏繞在鎘盤(pán)的外側(cè)圓柱面，使鎘盤(pán)側(cè)面上端距上平面約1mm的環(huán)帶空白作為打火電極之一。將Ф0.2mm鎢絲的自由長(zhǎng)度由11mm延長(zhǎng)至18mm，作為另一打火電極。首先對(duì)鎢絲進(jìn)行矯直，然后用粘性膠帶將鎢絲固定于鎘盤(pán)外側(cè)圓柱面的高壓絕緣膠帶上。調(diào)整高壓絕緣膠帶的纏繞層數(shù)便可改變鎢絲與鎘盤(pán)電極的放電間隙長(zhǎng)度。

為減小采用游標(biāo)卡尺測(cè)量絕緣膠帶厚度時(shí)的誤差，測(cè)量時(shí)在膠帶的兩面各墊上一定厚度(如1mm厚)的薄金屬片，測(cè)量值減去2mm即為所測(cè)絕緣膠帶的實(shí)際厚度。

在鎢絲和鎘盤(pán)電極兩端施加直流可調(diào)電壓，并在回路串聯(lián)一微安表和1～2MΩ電阻，調(diào)整直流電壓，以使微安表指針突然擺動(dòng)到100μA時(shí)的電壓作為間隙擊穿電壓。設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法原理示意圖如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)原理示意圖Fig.3 Schematic circuit in experimental program

其中U為直流可調(diào)電壓源(0～10kV)，μA為直流微安表，R為限流電阻。密封室預(yù)留抽真空及進(jìn)氣口，室內(nèi)電極由引出端與外電路相連。為提高實(shí)驗(yàn)安全性，在電路回路中串聯(lián)一高壓開(kāi)關(guān)K。

3 間隙擊穿試驗(yàn)方案及其分析

調(diào)整絕緣膠帶的纏繞圈數(shù)改變間隙長(zhǎng)度，將密封室抽真空后充入不同濃度的甲烷空氣混合氣體，可測(cè)出相應(yīng)擊穿電壓。對(duì)于不同濃度甲烷空氣混合氣體，擊穿電壓與電極間距的關(guān)系曲線大致呈現(xiàn)馬鞍形，即氣體放電中典型擊穿曲線——巴申曲線。說(shuō)明室溫一個(gè)大氣壓下，當(dāng)電極間距大于幾百微米時(shí)，不同濃度甲烷空氣混合氣體的擊穿放電過(guò)程中，氣體介質(zhì)對(duì)擊穿放電起主導(dǎo)作用，此放電過(guò)程符合氣體放電的湯生理論，屬于氣體放電。

湯生理論認(rèn)為，在均勻電場(chǎng)中，氣體放電擊穿主要由自由電子與氣體分子碰撞電離以及正離子碰撞陰極而使其發(fā)射二次電子的γ過(guò)程共同作用的結(jié)果。其放電擊穿曲線由巴申定律給出，即

(1)

式中，A=kσ/T，B=AUi為氣體常數(shù)，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，σ=πrB2為碰撞截面(rB為氣體分子半徑)，Ui為氣體電離電位，T為溫度；p為氣體壓強(qiáng)；d為電極間距；γ為第三碰撞電離系數(shù)。

將式(1)對(duì)pd取微分并令其等于零，可得

(2)

(3)

根據(jù)式(1)和式(2)，當(dāng)pd=(pd)min時(shí)擊穿電壓最小即Vbmin。氣體放電的巴申曲線以(pd)min和Vbmin為界分為左半支和右半支，左半支隨著pd值的減小擊穿電壓?jiǎn)握{(diào)增大，而右半支隨著pd值的增大擊穿電壓?jiǎn)握{(diào)增大。其原因主要是：隨著pd值增大，空間粒子碰撞總次數(shù)增多，使碰撞電離的幾率增大而有利于放電的發(fā)展；另一方面，隨著pd值的增大，吸附、復(fù)合等去電離因素明顯加強(qiáng)，使得碰撞時(shí)電子能量損失增大，碰撞電離的幾率減小，從而不利于放電的發(fā)展。對(duì)巴申曲線的左半支，前者起主導(dǎo)作用，而對(duì)其右半支，后者起主導(dǎo)作用，從而決定了巴申曲線為馬鞍形。

根據(jù)上述分析可知，當(dāng)間隙距離為幾百微米～幾毫米時(shí)，相同的溫度與壓強(qiáng)下，隨著甲烷濃度的降低，巴申曲線的基本形狀保持不變，即各混合氣體的放電擊穿特性均符合氣體放電湯生理論的巴申定律，只是曲線整體往右、往上偏移，相應(yīng)的Vbmin及其對(duì)應(yīng)的d值增大。這主要是由于甲烷的電離電位較空氣的電離電位低，隨著混合氣體中甲烷濃度的降低，混合氣體的整體擊穿電位增大，碰撞電離概率降低，因而表現(xiàn)為Vbmin及其對(duì)應(yīng)的d值增大。

對(duì)于室溫1atm下的8.5%甲烷空氣混合氣體，當(dāng)間隙距離大于幾百微米時(shí)，間隙擊穿特性大致呈馬鞍形曲線，符合氣體放電巴申曲線的基本形狀，說(shuō)明此情形下的擊穿放電以氣體介質(zhì)的碰撞電離為主導(dǎo)放電機(jī)制，屬于氣體放電的范疇。然而，在以碰撞電離為主導(dǎo)放電機(jī)制的氣體放電范圍內(nèi)，最低擊穿電壓為數(shù)百伏，其所對(duì)應(yīng)的間隙距離約為幾毫米。

根據(jù)巴申定律可以推斷，在臨界擊穿間距小于幾百微米的左半支巴申曲線范圍內(nèi)，其擊穿電壓必然近千伏甚至更高。這是因?yàn)楫?dāng)氣壓保持1atm不變時(shí)，隨著間隙距離的減小，總的碰撞次數(shù)及有效碰撞電離次數(shù)均較少，當(dāng)間隙減少至幾十或幾百微米時(shí)，間隙距離已可與混合氣體中電子碰撞的平均自由程相比擬，間隙內(nèi)的總碰撞次數(shù)十分有限，有效碰撞電離次數(shù)極少，因而其臨界擊穿電壓勢(shì)必大大增加。

在臨界擊穿間距大于幾毫米的右半支巴申曲線范圍內(nèi)，其擊穿電壓勢(shì)必大于幾千伏。這主要是由于隨著間距的增大，碰撞時(shí)電子能量損失增大從而使電離碰撞減弱，不利于放電的發(fā)展，因此擊穿電壓增大。

IEC-SSTA所測(cè)試與研究的電路電壓一般為幾十伏，甚至幾伏，可見(jiàn)，IEC-SSTA的短路放電過(guò)程在巴申定律的適用范圍之外。這說(shuō)明僅依賴空間游離電荷的碰撞電離及陰極的二次電子發(fā)射無(wú)法使該間隙發(fā)生擊穿放電，即 “雪崩”氣體放電理論與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不一致。

理論分析表明，氣體壓強(qiáng)一定的情況下，當(dāng)電極間距太小或太大時(shí)，巴申定律已不再適用。顯然，當(dāng)電極電壓為直流幾十伏甚至幾伏時(shí)，其臨界擊穿間距不可能大于幾毫米，因此，該放電過(guò)程的臨界擊穿間距必小于幾百微米。

一般認(rèn)為，一定氣壓下當(dāng)d太小時(shí)，擊穿屬于真空擊穿。因?yàn)閐太小，一方面，電子的平均自由程已可與間隙距離相比擬，在整個(gè)間距范圍之內(nèi)有效碰撞電離的概率極低；另一方面，陰極表面場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)場(chǎng)致發(fā)射，破壞巴申曲線。

綜上分析可知，IEC-SSTA的電容短路放電過(guò)程中，間隙中的碰撞電離效應(yīng)并不突出，碰撞電離并非其擊穿放電的主導(dǎo)機(jī)制，該放電過(guò)程類似真空放電，陰極電子發(fā)射才是其擊穿放電的主導(dǎo)機(jī)制。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為研究IEC-SSTA電容短路放電過(guò)程中氣體介質(zhì)對(duì)擊穿放電的影響，運(yùn)用IEC-SSTA在1atm的氧氣、氫氣、8.5%的甲烷空氣混合氣體及真空四種不同介質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行了簡(jiǎn)單電容電路的短路放電實(shí)驗(yàn)，電容初始電壓為18V，電容值為10μF，示波器測(cè)得各種介質(zhì)環(huán)境下的典型放電波形，如圖4所示。

圖4 部分介質(zhì)的典型放電波形Fig.4 Typical discharge waveforms of some media

其中u、i、w分別為放電電壓、電流及能量波形。從圖4可以看出，不同介質(zhì)下的典型放電波形極為相似，均出現(xiàn)雙峰形的放電電流波形及雙臺(tái)階式的放電電壓波形，即出現(xiàn)兩次放電現(xiàn)象且兩次放電間隔期間放電電壓近似維持9V不變。分別測(cè)量?jī)纱畏烹姵掷m(xù)時(shí)間及電流峰值、兩次放電間隔持續(xù)時(shí)間及期間的電壓等放電特征參量，計(jì)算各參量的統(tǒng)計(jì)平均值，結(jié)果表明描述放電特征的各參量統(tǒng)計(jì)平均值并無(wú)明顯差異。

不同介質(zhì)環(huán)境下(包括真空)的放電曲線特征參量良好的一致性，進(jìn)一步表明氣體介質(zhì)對(duì)放電本身的影響可以忽略不計(jì)，這也說(shuō)明基于該試驗(yàn)裝置的電容短路放電過(guò)程屬于真空放電范疇，而不屬于氣體放電范疇。

需要指出的是，由于O2具有強(qiáng)氧化性，易從周?chē)鷼怏w介質(zhì)中吸附電子，所以其擊穿電壓較高，并遠(yuǎn)高于H2的擊穿電壓[13]，因此，若該放電過(guò)程中氣體介質(zhì)的影響不能忽略，O2、H2及CH4等氣體環(huán)境下的放電特性應(yīng)顯著不同，而以上三種氣體介質(zhì)與真空條件下的放電特征則差異更大，這與圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯相悖，從而說(shuō)明IEC-SSTA的電容短路放電過(guò)程中，氣體介質(zhì)對(duì)放電的影響可以忽略不計(jì)。

綜上所述，無(wú)論是從放電波形還是放電的特征參量來(lái)看，室溫1atm下的氧氣、氫氣或8.5%的甲烷空氣混合氣體等三種介質(zhì)下的放電特性與真空條件基本一致，說(shuō)明IEC-SSTA的電容短路放電過(guò)程中，氣體介質(zhì)對(duì)放電的影響可忽略不計(jì)，該放電過(guò)程類似真空放電過(guò)程。

5 結(jié)論

對(duì)于室溫1atm下不同濃度的甲烷空氣混合氣體，擊穿電壓與電極間距的關(guān)系曲線均呈現(xiàn)典型氣體放電曲線馬鞍形；室溫1atm下8.5%甲烷空氣混合氣體在幾百微米～幾毫米范圍內(nèi)的最低擊穿電壓遠(yuǎn)高于試驗(yàn)裝置測(cè)試電路的工作電壓。

IEC-SSTA的電容短路放電過(guò)程中，間隙中的碰撞電離效應(yīng)并不突出，碰撞電離并非其擊穿放電的主導(dǎo)機(jī)制，該放電過(guò)程類似真空放電，陰極電子發(fā)射是其擊穿放電的主導(dǎo)機(jī)制。

本文確定了氣體介質(zhì)對(duì)間隙擊穿放電的影響，為深入研究IEC-SSTA的容性電路短路放電機(jī)理及特性分析明確了方向，奠定了基礎(chǔ)。

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Study on breakdown and short circuit character of short gaps

ZHONG Jiu-ming1,2, LIU Shu-lin1, WANG Yu-ting1, DUAN Jiang-long1

(1. School of Electrical and Control Engineering, Xi’an University of Science & Technology, Xi’an 710054, China; 2. School of Physic and Electronics Engineering, Hainan Normal University, Haikou 571158, China)

Aiming at the methane-air mixtures at room temperature and one bar pressure, the breakdown tests in 500μm～5mm range of clearance have been performed to study the effect of gas dielectric on the breakdown of short circuit discharge with the IEC safety spark test apparatus (IEC-SSTA). The experimental results show that the relationship between the breakdown voltage and gap distance fits to the typical gas-breakdown chart with changing the methane-air mixtures. For 8.5% methane-air mixtures, the lowest voltage is about 300v which is far larger than the operation voltage of the test circuits with IEC-SSTA. It is also shown that the discharge process does not belong to the category of gas discharge, and the effect of gas dielectric on the breakdown of the gap can be ignored. It is pointed out that the discharge process can be categorized into vacuum discharge rather than gas discharge, and the dominant breakdown mechanism of the discharge is the cathode electron emission. Short circuit discharge experiments of capacitive circuit in different media environment with the IEC-SSTA are performed, The experiment results are in good agreement with the analysis showing the feasibility of the proposed methods.

short gaps; short-circuit discharge; IEC safety spark test apparatus; breakdown character

2014-07-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50977077； 51277149); 海南自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(20165199)

鐘久明(1975-)， 男， 江西籍， 副教授， 博士研究生， 研究方向?yàn)榘踩鸹娐芳皻怏w放電； 劉樹(shù)林(1964-)， 男， 四川籍， 教授， 博士生導(dǎo)師， 主要從事開(kāi)關(guān)變換器的研究和功率集成電路設(shè)計(jì)工作(通訊作者)。

TM85

A

1003-3076(2016)04-0030-05