尖板电极起晕和击穿电压极性的研究

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摘要：利用尖-板电极构成空气间隙，模拟极不均匀电场，在施加工频交流电压时，击穿发生在正半周期而负半周期更容易起晕。即正电晕的起始电压要高于负电晕的起始电压，而击穿电压却低于负电晕时的值。本文通过实验并从金属结构和能带理论、汤生德放电机制以及空间电荷理论等角度对这一现象进行了分析。

关键词： 起晕电压 击穿电压 极性

序言

在均匀电场中某一处开始一定的电离后，常导致完全的过渡过程，建立起等离子体通道。在不均匀电场中则不然，即使已经出现许多局部的电离和激发过程，电极之间并不击穿或导通，当在黑暗中观察时，可大曲率电极附近会有薄薄的发光层。这种现象称为电晕。在尖―板电极构成空气间隙时，正极性电压加在尖棒上称为正电晕，负极性电压加在尖棒上称为负电晕。

在不均匀电场中，放电总是从曲率较大的电极附近开始（该处场强最大），当该电极所带电位极性不同时（正或负），放电产生的空间电荷对原电场的畸变效果不同，从而导致同一间隙在不同极性的电压作用下，放电的起始电压不同，击穿电压不同，这种现象称为极性效应。

本文旨在利用有关理论对尖―板电极系统电晕放电起始电压的极性和击穿电压的极性进行研究分析。

一、实验装置及现象

利用尖―板系统进行正、负电晕放电实验的装置，其中输出工频电压大小连续可调，保护电阻实验采用蒸馏水水电阻，在电路中起限流作用；尖和板的垂直间距连续可调；整个实验过程可以在常温、常压下进行。

进行正、负电晕放电实验用直流电加以模拟时，保持针和板的垂直间距不变，电源的电压从零开始逐渐升高。当电压升高到某一值时，针尖出现浅兰色光晕，并闻到臭氧味道，说明开始出现电晕放电。期间经历起始流注、辉光、击穿流注，终发生电火花击穿最并伴随尖锐的“啪啪”的响声。

二、实验结论

1、由实验可得以下数据：尖板的击穿电压：

正极性尖：Ug=4.9S(kV)，范围50~250[cm]

负极性尖：Ug=100+8.6S(kV)，范围30~125[cm ]

S为极间距离[cm]

2、由此可见，当施加直流电时，正尖―负板的起始电压要高于负尖―正板的起始电压，而击穿电压却低于负尖―正板时的值。外施加为交流电时，击穿电压的峰值接近于施加直流电压时尖电极为正的情形。

3、电晕放电的起始电压以及正、负电晕的起始电压之差与气压、湿度、尖一板间距等因素有关。

三、理论分析

1、电晕放电为一般发生在金属表面的自持放电现象。金属表面发射电子的现象，利用量子力学的观点而言，在原子中，离原子核远的电子势能大，离原子核近的势能小。在金属中也是如此，只是现在不只是一个原子，而是许多原子规则的排列在一起。在金属表面，一个自由电子受多个原子核的作用，它们虽然能在金属中自由运动，但是还不能脱离，必须得到足够的能量才能超过表面势垒而脱离表面。其中有多种方式可以把外部能量传给电子，如热发射、光电发射、场致发射和二次电子发射等。

本试验中就是外加电场以改变电子离开金属表面所需要的能量，即场致发射。当电子逃逸于金属表面时，会受到镜像力的限制作用。而镜像力可以通过外加电场来平衡以使电子更容易脱离金属表面。这种效应成为肖脱基（Schottky）效应。按照经典理论，在“势阱”内的电子，如果不获得超过势垒的电能就不能逃逸金属表面，然而从波动力学分析，由“隧道效应”可知，势垒壁越薄，电子透过势垒壁越容易。外加电场正是改变金属表面电场的分布，切场强越强，势阱的壁越薄，电子越容易透过。

现在考虑一个电子在距离金属表面x的位置，其由自身引起

的“镜像力”由库伦定律可得 积分得该处的势能为

.当没有外电场

时为曲线1所示；

设外加电场的幅值为E,方向与金属表面垂直，电子在此中势能为 ，如曲线2所示。

则合成后的总势能为

如曲线3所示。

由此可见，电子要脱离金属表面就不需要之前大的能量了。

对于正电晕，板电极为阴极，其附近电场较弱，不易满足场致发射的条件。而负电晕时针电极为阴极，其附近电场较强，针尖的势垒壁很薄，电子容易透过势垒而脱离表面形成场致发射。在强电场的作用下进而可产生电子雪崩，出现电晕放电。

2、初始电子崩中存在质量和体积相差很大的电子和正离子，此时整个空间电荷主要体现为正电荷的作用。当尖板电极的位置一定时，电场方向随外加电压极性的改变而改变。于是，对于负尖正板的间隙，空间电荷增加了尖端附近的电场而削弱了外部空间电场，正尖负板反之。由于空间电荷的畸变作用，在这种极不均匀电场下，虽然正尖负板放电的其实电压高，但过程中一旦满足自持放电条件，则放电易于发展，容易导致间隙的最终击穿。因此其击穿电压低于负尖正板间隙的击穿电压。

四、结论

尖板电极构成的电场为极不均匀电场。具有明显的极性效应。当尖板电极所带的电极性不同时，放电产生的空间电荷对原电场的畸变作用不同。在相等的间隙距离，其他环境条件均相同的条件下，正电晕的起始电压要高于负电晕的起始电压，而击穿电压却低于负电晕时的值。在施加工频交流电压时，击穿发生在正半周期而负半周期更容易起晕。

参考文献：

[1]张庆海等．针一板电极电晕放电起始电压的极性效应研究［J］．军械工程学院学报，2006年9月第18卷

[2]张建文．电气设备故障诊断技术［M］．中国水利水电出版社，2006

[3]杨津基．气体放电［M］．科学出版社，1983

[4]本多侃士．气体放电现象［M］．东京电机大学出版局,1964

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