为什么海拔高,空气稀薄反而绝缘距离增大,理论上接近真空是不是放电间隙变小?

发布时间:
2024-10-19 21:05
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我给题主说说吧。

1.击穿电压的巴申曲线

题主描述的情况属于两种不同的场景。对于标准大气压或者高海拔低气压,它们属于同一种场景;对于真空(包括低真空和高真空)又是另外一种场景。

描述气体的击穿电压特性就是巴申曲线。我们气体击穿电压的表达式:

,式1

式1中的pd就是气压p与电极间隙d的乘积。A和B是系数,γ是电离度,Uc就是气体的击穿电压。A和B的经验值如下:

图1:击穿电压表达式中的A、B值

我们看巴申曲线:

图2:巴申曲线

我们看到,对应于pd的值,击穿电压存在最小值。击穿电压最小值之右,就是在大气压和高压下的气体击穿特性;击穿电压最小值之左,就是真空(包括低真空和高真空)下的气体击穿特性。

我们知道,气体被击穿实际上就是带电粒子运动造成的。

带电粒子与中性粒子的碰撞,并不是每次都能使中性粒子电离,而是存在一定的几率。碰撞是否会引起电离,主要取决于带电粒子在两次碰撞之间是否能聚集足够的能量,该能量主要与两个因素有关。

第一个因素:电场强度E和带电粒子的平均自由行程λ。E越大,则带电粒子在电场中受到的作用力越大,因此动能越大。

第二个因素:当电压u一定时,在均电场中电场强度E与电极间的距离d成反比(因u=Ed),又因为带电粒子的平均自由行程λ与气体压力p成反比,因此带电粒子在运动中可获得的动能与气体压强p及电极间距离d的乘积pd成反比。

巴申曲线解释如下:

1)当pd值较大时,带电粒子在运动中获得的动能减少,间隙电离减少。为此,必须提高电压才能使间隙击穿。因此,巴申曲线右半部分击穿电压U随pd增加而上升。

2)当pd值很小时,此时带电粒子的平均自由行程入与电极距离d相比,已不是很小的数值,个别电子的自由行程可能已超过电极距离d,这些电子在整个行程中都没有获得与中性粒子碰撞的机会,因此电离更困难。所以必须提高电压,即增加极间电场强度以增加每次碰撞的电离几率。因此,巴申曲线左侧击穿电压随pd减小而增加。

3)巴申曲线表明,对于一个给定的U有两个pd值,即:对于一个给定的U和气体压强p,有两个可能出现击穿的间隙距离d。因此,只是增加电气间隙或者开关电器的触头开距不一定总能有效避免发生击穿。

注意1:巴申曲线的左侧只适用于描述低气压或高真空环境的间隙击穿特性。

注意2:在大气条件下或接近大气条件下,因左侧部分对应的间隙d已在微米或微米以下的数量级上,这样间隙中的电场强度极高,会产生场致发射,使击穿电压大大降低。巴申曲线只给出均匀电场的击穿电压。实际电器产品中的电场都不是完全均匀的,这时的击穿电压一般均低于巴申曲线上的数值。

注意3:当海拔升高时,大气的气体压力降低,在同样的电极距离时,pd值较小,所以击穿电压会下降。

2.关于题主的问题答案

我们看题主的问题:“为什么海拔高,空气稀薄反而绝缘距离增大,理论上接近真空是不是放电间隙变小?”。

题主把巴申曲线左侧特性与右侧特性混淆了。相信,题主弄懂了巴申曲线,就明白自己问题的答案了。

对于具体的开关设备或者开关电器,海拔越高气体密度越低,导体散热越困难,导体在流过相同电流的情况下其温升就越高,由此会出现绝缘材料提前老化现象。

因此,当海拔高度超过2000米后,开关电器和开关设备必须降容。


就回答到这里。

END