实验三低压气体辉光放电等离子体的参量测量
一、实验目的和要求
1.观察直流低气压辉光放电等离子体的唯象结构，通过对辉光等离子体的伏安曲线
的测量，理解辉光等离子体的电学特性;
2.采用Langmuir双探针测量直流辉光放电等离子体的参数，用双探针法测量气体
放电等离子体的电子密度和电子温度。
二、实验基础知识
1. 等离子体
宏观物质存在的形态不限于一般所熟知的固、液、气三态，等离子体被称为第四态。我们知道，物质的温度越高，它的分子或原子就活跃。在固体里，一般温度下，原子和分子按照严格的规律整齐排列。温度升高到熔点以上变为液体时，它们就可以运动，但还要受到一定的限制。温度再升高，蒸发为气体后，分子或原子都能自由运动，不受限制。但原子内部的电子还被束缚在一定轨道上运动，不能脱离原子核。如果温度再升高，电子就可以脱离原子，完全自由地运动。失去电子的原子也成为带电的正离子。由正离子和电子按一定比例组成总电荷为零的物质形态，就称为等离子态。这种物质就称为等离子体，或者等离子区。因此等离子体定义为包含大量正负带电粒子，而又不出现净空间电荷的电离气体。即其中正、负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体早就被人们所见到：宏伟的极光、闪电或电网上的火花、五颜六色的霓虹灯、明亮的高压汞灯、钠灯和日光灯都是等离子体在发光；地球周围的电离层、整个太阳以及其它恒星也是由等离子体组成。等离子体可分为等温等离子体和不等温离子体。一般气体放电产生的等离子体属不等温离子体。
等离子体有一系列的不同于普通气体的独特性质：有很高的温度，气体分子高度电离，是电和热的良导体；带正电荷和带负电荷的粒子密度几乎相等，宏观上是电中性的；等离子体可以为外加电场或磁场所支配；等离子体具有很大且复杂的电导率；产生等离子体震荡。虽然等离子体在宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性
的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度。当系统尺度大于德拜长度时，系统呈现电中性，当系尺度小于德拜长度时，系统可能出现非电中性。
近年来等离子体物理已成为受控热核反应、天体物理、空间科学、固体物理等领域的理论基础。在工程技术上也得到了广泛的应用，如等离子喷涂、熔焊和切割、等离子体炼钢、炼鈦、等离子体发电、等离子炮以及宇宙飞行中的离子推进器等。六十年代又形成一门新的等离子化学。物质呈等离子态时，由于存在着离子、激发态原子、分子或游离基团以及高能电子、紫外线等不同的辐射线，它们之间相互作用可以引起一系列固、液、气三态中所不能进行的化学反应，产生过去无法得到的产物。无论对化学反应机理的研究和对实际应用都开创了一个嶄新的途径。
2. 低压气体放电的规律
低气压放电可分为三个阶段：暗放电、辉光放电和电弧放电。其中各个阶段的放电在不同的应用领域有广泛的应用。这三个阶段的划分从现象上来看是放电强度的不同，从内在因素来看是其放电电压和放电电流之间存在作显著差异。经典的直流低气压放电在正常辉光放电区有如下示意图：
从左至右，其唯象结果如：
图3-1 低气压放电现象
阴极：阴极由导电材料制成，二次电子发射系数 对放电管的工作有很大影响。
(1)阿斯顿(Aston)暗区：紧靠在阴极右边的阿斯顿暗区，是—个有强电场和负空间电荷的薄的区域．它含有慢电子，这些慢电于正处于从阴极出来向前的加速过程中．在这个区域里电子密度和能量太低不能激发气体，所以出现了暗区。
(2)阴极辉光区：紧靠在阿斯顿暗区右边的是阴极辉光区．这种辉光在空气放电时通常是微红色或桔黄色，是由于离开阴极表面溅射原子的激发，或外部进人的正离子向阴极移动形成的．这种阴极辉光有—个相当高的离了密度．阴极辉光的轴向长度取决于气体类型和气体压力．明极辉光有时紧贴在阴极上，并掩盖阿斯顿暗区．(3)阴极暗区：这是在阴极辉光的右边比较暗的区域，这个区域内有一个中等强度电场，有正的空间电荷和相当高的离子密度．
阴极区：阴极和阴极暗区至负辉光之间的边界之间的区域叫做阴极区．大部分功率消耗在辉光放电的极区．在这个区域内．被加速电子的能量高到足以产生电离，使负辉光区和负辉光右面的区域产生雪崩．
(4)负辉光区：紧靠在阴极暗区右边的是负辉光区，在整个放电中它的光强度最亮．负辉光中电场相当低，它通常比阴极辉光长，并在阴极侧最强．在负辉光区内。几乎全部电流由电子运载，电子在阴极区被加速产生电离，在负辉光区产生强激发。(5)法拉第暗区：这个区紧靠在负辉光区的右边，在这个区域里，由于在负辉光区里的电离和激发作用，电子能量很低，在法拉第暗区中电子数密度由于复合和径向扩散而降低．净空间电荷很低，轴向电场也相当小．
(6)正辉柱: 正辉柱是准中性的，在正辉柱中电场很小，一般是1v／cm．这种电场的大小刚好足以在它的阴极端保持所需的电离度。空气中正辉柱等离子体是粉红色至蓝色．在不变的压力下，随着放电管长度的增加阴极，正辉柱变长．正辉柱是—个长的均匀的辉光。除非触发了自发不动的或运动的辉纹，或产生了扰动引发的电离波．
(7)阳极辉光区: 阳极辉光区是在正辉柱的阳极端的亮区，比正辉柱稍强一些，在各种低气压辉光放电中并不总有．它是阳极鞘层的边界．
(8)阳极暗区: 阳极暗区在阳极辉光和阳极本身之间，它是阳极鞘层，它有一个负的空间电荷，是在电子从正辉柱向阳极运动中引起的，其电场高于正辉柱的电场．
图3-2 低压放电实验原理
辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10－102
Pa 时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分部如图3-1所示。正輝光区是我们感兴趣的等离子区。在这个区中，气体高度电离，电场强度很小，且沿轴方向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布率，由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子的温度。但是，由于电子的质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小。所以电子的平均动能比其它粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此虽然电子的温度很高(约为105
K), 但放电气体的整体温度并不明显升高, 放电管的玻璃壁并不软化。
图3-3 稀薄气体的辉光放电区
3. 等离子体的主要参量
描述等离子体的主要参量为：
（1） 电子温度Te 。它是等离子体的一个主要参量。因为在等离子体中，电子碰橦
电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接的关系，即与电子的温度相关联。等离子体物理学中，常用电子的能量来表示它的温度。所谓1个电子伏特的温度就是1kT ＝1eV ，此时
光强
场强
电势
K 116001038.1106.1k V e 1T 123
19
≈??==--
即绝对温度11600K 。文献中常常把kT 简写成T ，这时T 必须以能量单位（eV ）表示。
（2） 带电粒子的密度，即电子的密度n e 和正离子的密度n i 。在等离子体中，一般
地有n e ≈n i 。
（3） 轴向电场强度E L 。它表征为维持等离子体的存在所需要的电场强度。 （4） 电子的平均动能Ee 。 （5） 空间电荷分布。
此外，还有等离子体的振荡频率、等离子体的电磁辐射等。
4．等离子体参数的静电探针诊断原理
测试等离子体的方法称为诊断。它是等离子体物理实验的重要的部分。等离子体诊断有探针法、 霍尔效应法、微波法、光谱法等。用探针法测定等离子体的参量是朗缪尔于1923年提出的。它的特点是简单，而且实验结果也令人满意，所以一直沿用到现在。它的基本方法是在等离子体中放进一个叫做探针的很小金属电极，其形状可以是平板状、圆柱状、球状。通过测量探针的I －V 曲线，就可推导出Te 、ne 和空间电位等参量。
探针法测量又分为单探针法和双探针法。
本实验所研究的对象是低压气体等离子体，它是在真空管中直流輝光放电的阳极正柱区形成的。放电管的外形如图3-1所示。在稀薄的气体放电管中形成的等离子体，由于电子和离子的质量相差很悬殊，很难使两者的能量通过碰撞达到平衡，往往没有统一的温度。在日光灯和本实验所用的放电管中，它的电子的温度可以达上万度数量级，而离子的温度仅在室温附近。所以这是低温等离子体。在低温等离子体中，离子可以近似的认为是不动的，所以可只用电子的密度和电子的温度来描述。
图3－4 放电管外形图
(1)单探针法
单探针如图3-5所示。以放电管的阳极作为参考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得到探针电流与其电位之间的关系，即探针的伏安特性曲线。
图3-5 单探针法
探针进入到等离子体，如果探针的电位低于它所在的空间电位Vp ，电子受负电位的拒斥作用，而速度很慢的正离子被吸向探针，在探针周围形成正离子构成的空间电荷层，即形成一层所谓“正离子鞘等离子区”一层外壳。外壳的厚度远小于电子或离子的自由路程及探针的线度，它把探针电场屏蔽起来。外壳以外的等离子都因外壳的屏蔽作用而不受探针的影响。探针的线度要远小于电子的自由程，不影响等离子区的电场分布，表面积也要小到它的电流不会影响放电电流的程度。等离子区中正离子只能靠热运动穿过鞘层抵达探针，形成探针电流。如曲线AB 段所示，它是正离子电流，这个电流很小。这时饱和离子电流为:
eA v n 4
1
I i i is -= (3-1)
这里n i 是离子密度，i v 是离子的平均速度，e 是电子的电荷,A 是探针的面积。过了B 点，随着探针电位逐渐升高，负电位减小，电场对电子的拒斥作用减弱，使一些快速电子能够克服电场拒斥作用，抵达探针极，探针开始收集到动能较大的电子，这些电子形成的电流抵消了部分正离子流，使探针电流逐渐下降。这时探针的总电流由饱和的离子流I i s 和电子流I e 两部分组成：
I=I e -I i s (3-2)
如BC 段所示。但这时探针的电位仍低于
等离子体的电位Vp 。到了C 点，电子流刚好等于离子流，互相抵消，使探针电流为零。此时，探针电位就是悬浮电位V f 。
继续减小探针电位的绝对值，到达探极电子数比正离子数多得多时，探针电极转为正向，并且迅速增大，所以CD 段为电子流加离子流，以电子流为主。当探针电位上升到Vs 时，探针电位Vp 和等离子体的空间电位Vs 相等，正离子鞘消失，全部电子都能到达探极。此时，飞向探针的所有电子也都被探针所收集，这对应于曲线上的D 点。此后，电流达到饱和。如果Vp 进一步升高，探极周围的气体也被电离，使探极电流迅速增大，甚至烧毁探针。
对于曲线的CD 段，由于电子受到一个减速电压(Vp-Vs)的作用，只有能量比e(Vp-Vs)大的那部分电子才能到达探针。假定在等离子区内电子的速度是按麦克斯韦分布的，则减速电场中靠近探针表面处的电子密度n e ,按玻耳兹曼分布为
]kTe
)
Vs Vp (e exp[
n n 0e -= (3-3)
其中，Te 是等离子体区中的电子温度，k 为玻耳兹曼常数，n 0为等离子区中的电子密度。所以，在电子平均速度为e v 时，在单位时间内落到表面积为A 的探针上的电子数为：
A v n 4
1
N e e e =
图3- 4 单探针的伏安特性曲线
探子上的电子电流是：
]kTe
)Vs Vp (e ex p[I eA v n 41eN I 0e e e e -==
= (3-4)
其中
eA v n 4
1
I e 00=
(3-5) 对(3-4)式取对数
e
p
e s 0e kT eV kT eV I ln I ln +-= (3-6)
其中e
s
0kT eV I ln -
=常数。故有 常数+=
e
p e kT eV I ln (3-7)
可见电子电流的对数和探针电位是线性关系。作半对数曲线，如图3-5所示，由直线的斜率tg θ 可求出电子温度T e :
kTe
e
Vp Ie ln tg =
=
θ (K) tg 11600
ktg e T e θ
=θ= (3-8)
若取以10为底的对数,则常数11600应改为5040。
电子平均动能e E 和平均速度分别为:
e e kT 2
3
E = (3-9) e
e m kTe
8v π=
(3-10) 式中m e 为电子质量。
由(5)式可求得等离子体区中的电子密度:
kTe
m 2eA I v eA I 4n e
0e
0e π=
=
(3-11)
式中I o 为V p =V s 时的电子电流，A 为探针裸露在等离子区中的表面积。
图3-5 单探针半对数曲线
(2) 双探针法
单探针法有一定的局限性，因为探针的电位必须有一个参考电位，即要以放电管的阳极或阴极作为参考点，而且一部分放电电流会对探极电流有所贡献，造成探极电流过大和特性曲线失真。1950年约翰逊等提出了一种双探针法，不需要参考电位也可测量电子温度和电子密度，此即双探针法。双探针法是在放电管中装两根探针，相隔一段距离L 。双探针法的测量线路和伏安特性曲线如图(3-6)所示。
图3-6 双探针测量法
双探针特性曲线的正、负饱和电流分别是两个探针的饱和离子电流I i s 1和I i s 2。因为两个探针、等离子体和外电源三者构成一个闭合电路，从等离子体流进探针1(或2)的电流必须准确地等于由探针2(或1)流出到等离子体的电流，而能流入每个探针的最大电流正好是它的饱和离子流。所以，在双探针法的测量中，电子电流被饱和离子电流所限制。而饱和电流与探针面积成正比, 即
2
1
2is 1is A A I I
曲线不通过坐标原点，这是因为在坐标原点，如果两个探针处之间没有电位差时，它们各自得到的电流相等，外电流为零。实际上，由于两个探针所在的等离子体电位稍有不同。另外，由于它们之间可能还有接触电位差，所以外加电压为零时，电流不是零。随着外加电压的增加，电流趋于饱和。最大电流是饱和离子电流。双探针法有一个重要的优点，即流到系统的总电流决不可能大于饱和离子流。这是因为流到系统的电子电流总是与相等的离子电流平衡，从而探针对等离子体的干扰大为减小。
为了从I —V 曲线上求得T e 和n e , 我们先令i 1+ 、i 1- 、i 2+ 、i 2-分别代表探针
1和探针2的离子电流和电子电流，则系统能悬浮的条件是：
i 1+ -i 1- + i 2+ - i 2-=0 (3-12)
即回路中的电流为
i 2+ -i 2- -(i 1+-i 1-) =2I (3-13)
这里, 我们选定从探针1到探针2为等离子体中电流的正方向。由(12)式和(13)式，则有
I = i 1- - i 1+ = i 2+ - i 2- (3-14)
由于电子是按麦克斯韦速度分布率分布的，即
i 1- = A 1i o exp(eV 1/kT e ) i 2- = A 2i 0exp(eV 2/kT e )
其中，
V 1 = -(V p 1-V s 1) V 2 = -(V p 2-V s 2)
它们分别代表探针相对于其所在处的等离子体的电位。我们可认为i 1+ ( 或者i 2+ ) 与V 1(或者V 2 ) 无关。按(14)式,有
dV
di dV di dV dI 21--
-== 这里
V=V 1-V 2
有
1dV
dV dV dV 1
2-= 所以，
)1dV
dV (dV di dV dV .dV di dV dI 1221
11--==-- (3-15) 将(13)式代入上式，当V=0时，即V 1=V 2时，可求得
2
12
0V 1A A A ]dV dV [
+== (3-16) 而此时I=0，所以有
i 1+ = i 1- = A 1i 0exp(eV 1/kT e )
i 2+ = i 2- = A 2i o exp(eV 2/kT e ) (3-17)
把(16)、(17)式代入(15)式，可得；
e
21210V kT e
i i i .i )dV dI (
++++=+= (3-18) 这样，从双探针的I-V 的曲线，用外推法(见图3-7中虚线)可定出i 1+ 和 i 2+ 以及在V=0处的斜率(
dV
dI
)V =0。从公式： 0V 2121e )dI
dV
(i i i .i k e T =+++++=
（3-19）
就可以确定电子的温度T e ，式中k 是玻耳兹曼常数，e 是电子电量。
双探针法公式中的(dI/dV)V =0并不是V ＝
0处的实验测量值，因为实验值中包含有放电
电场的分量。而这里指的V=0处应该是整条曲线的中心对称点处，即dI/dV 最大值处。计算时应从图上找出该点，画切线求斜率。
用双探针测量电子的密度n e 时，是用饱和正离子电流I i s ，而不是饱和电子电流。近似有：
M
kT eA
n I e
e iS -= 式中，M 是离子质量（本实验中是水银的质量）。求出电子温度后即可求得电子的密度：
e
iS
e kT M
eA
2I n =
（3-20） 由双探针法可测定等离子体内的轴向电场E L 。一种方法是分别测定两根探针所在处的等离子体的电位V 1和V 2。由下式得
E L =(V 1-V 2)/L （3-21）
式中，L 为两探针间距。
图3-7 双探针法测量的伏安特性
三、实验仪器
DH2005型直流辉光放电等离子体装置
（1）DH2005仪器的结构
仪器采用的是一体化设计，顶部是放电管及水冷部分，高压加在放电管两端，外面采用聚四氟乙烯绝缘材料绝缘防止漏电，冷却水通过两端的循环水冷套对放电管进行冷却，放电管内附两组钨丝，可利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。测量及控制部分均布置在中部的操作面板上，真空系统安装在机箱的内部。
（2）DH2005直流辉光等离子体实验装置操作面板图
各操作部件名称：
1、总电源开关
2、冷却水电源开关
3、真空泵电源开关
4、电阻真空计开关
5、高压电源开关
6、工作选择开关
7、高压调节粗调旋钮8、高压调节细调旋钮
9、探针电流量程旋钮（四个量程）10、探针电压粗调旋钮
11、探针电压细调旋钮12、放电管电压表
13、击穿电压显示表14、辉光电流测量表
15、辉光电流量程旋钮16、探针电流表(四个量程)
17、探针电压表18、探针电流输入端
19、探针电压输出端20、电压输出换向开关
21、电阻真空计22、转子流量计
23、总电源指示灯24、高真空微调阀
25、高真空隔膜阀
其中，
工作选择开关有四个挡位，功能如下：
①断：开关在此位置时，高压没有输出，在更换电极距离和在调试过程中将开关置于“断”档位上。
②辉光放电测量：即产生辉光放电后的电压、电流测量。
③击穿电压测量：其原理是当放电管中的电流增大导致气体击穿时，在内部取样电阻上的电压增大，导致二极管导通，此时电压表显示的是二极管的导通电位值。当电压在0.5～0.6V时可以认为气体击穿，记录下此时放电管两端的电压。（实际的击穿电压值是放电管电压显示的电压值）。
④探针测量：此时将接通探针测量电压。
四、实验内容
1.在电极距离一定的情况下，测量不同压强下低压气体辉光放电的过程，比较不同压强下低压气体放电的规律；
2.在电极距离一定的情况下，采用双探测测量直流辉光等离子体的电子温度和离子体的密度参数。
2-1）放电电压和放电电流一定情况下（即直流功率一定），不同气体压强下，双探针的I-V变化数据；
2-2）气体压强一定情况下，不同直流功率（改变放电电压）下，双探针的I-V变化数据。
五、实验步骤
[5-1] DH2005设备的启动：
1.检查确认设备各部件完好，连接安全（注意接地）。
2.将高压输出线加在放电管两端，注意：在实验过程中禁止用手去触摸高压电源线
以及放电极杆，防止触电。
3.接通总电源，打开总电源开关旋钮，确认冷却水箱水容量打开冷却水开关按钮。
4.打开隔膜阀，确认气路连接规范完好后打开真空泵开关按钮，抽放电管内真空。
5.打开电阻真空计电源开关，测量此时反应室的压强，抽真空约15分钟使放电管
内真空达到所需要求。测量放电管内的本底真空，真空度优于10Pa。
[5-2] 低压放电气体的伏安特性测量：
1.打开转子流量计，调节气体流量到一定值，调节隔膜阀，同时调节微调
阀将气压稳定在所需工作气压(10-100Pa范围)；
2.将工作气压稳定在10Pa, 将工作选择开关置于“辉光放电测量”挡位。缓慢调节高压调节旋钮（操作部件7和8），使得低压气体处于辉光放电状态。此时，缓慢调节高压大小，每隔20V记录相应的放电电流大小。同时根据电流值大小，转换不同的电流量程。共做20组数据测量，记录下辉光放电时电压和电流的测量结果；
3.将电压、电流测量结果填入下表，并绘制电压-电流曲线;
4.在10-100Pa范围内改变工作电压，重复步骤2，3，测量不同气体压强下气体的辉光放电过程，并绘制电压-电流曲线；
5.测量完毕，将放电电压旋至0，工作选择开关旋至“断”。
表1、电压、电流测量值
[5-3] 直流辉光放电等离子体的参数测量
1.读出真空管电极之间的距离和气体压强,并作记录;
2.将工作选择开关旋至“探针测量”挡位上，调节放电电压“高压”旋钮，使得低压气体处于辉光放电状态；读出放电电压和放电电流的数值；
3.选择探针电压“+”输出，探针电流量程置于“200μA”上，逐步增加探针电压（操作部件10和11），记录相应的探针电流，探针电压测到100V为止，将探针电压-探针电流数据填入下表；
4.改变探针电压极性“-”输出，重复步骤3测量；
5.保持电极距离和放电功率不变，改变气体的压强（10-100Pa范围）,重复步骤3-4，测量不同气压下探针的I-V曲线；
6.保持电极距离和气体压强不变，改变放电功率（放电电压），重复步骤3-4,测量不同放电功率下探针的I-V曲线。
7.测量完毕，将探针电压旋至“0”，放电电压旋至“0”；工作选择开关旋至“断”。
[5-4] DH2005设备的关闭：
1. 将工作选择开关置于“断”，依次关闭“高压开关”，“气路”，以及真空泵；
2. 让冷却水循环10分钟，然后关闭冷却水开关，以及电源总开关。
六、数据处理内容
1.作不同气压下的辉光放电曲线图，比较并说明辉光放电在不同气压下的规律；
2.作不同直流功率和不同气压下的探针曲线图，通过图解求出等离子体的电子温度
T
和等离子体n e的密度；根据计算结果，分别分析功率和气压对等离子体参数的影e
响及影响机理。
七、思考题
1、暗放电区电流的测量应注意什么问题？
2、阴极与阳极显著的热效应差别的原因？
3、工作气压对辉光放电中的电压-电流曲线有何影响？其影响机制是什么？
辉光放电（Glow discharge） 辉光放电是放电等离子体中最常见的一种放电形式，应用也最广泛。比如，一般的气体激光器（He-Ne 激光器、CO2激光器等）、常用光源（荧光灯）、空心阴极光谱灯等。同时辉光放电也是放电形式中放电最稳定的放电形式，所以有必要对辉光放电进行较为详细的讨论。 §6.1 辉光放电的产生及典型条件 最简单的辉光放电的结构如图6.1（a）。调节电源电压E或限流电阻R，就会得到如图6.1（b）的V-A 特性曲线。管电压U调节到等于着火电压U b时，放电管内就会从非自持放电过渡到自持放电，此时，放电电流I会继续增大，管压降U下降，进入辉光放电区。放电管发出明亮的辉光，其颜色由放电气体决定。限流电阻R应比较大，以保证放电稳定在辉光放电区。如果限流电阻R很小，放电很容易进入弧光放电区。 辉光放电的特点：比较高的放电管电压U(几百~几千V)，小的电流I（mA量级）； 弧光放电的特点：很低的放电电压U（几十V），大电流放电I（A量级甚至更大）。 辉光放电的典型条件： ①放电间隙中的电场分布比较均匀，至少没有很大的不均匀性；例如He-Ne激光器的放电管内电场近似 均匀。 ②放电管内气体压强不是很高，要求满足（Pd）Ubmin＜Pd＜200Kpa cm（巴邢曲线的右支），d---放电管内 电极间距，（Pd）Ubmin--巴邢曲线最低点U bmin对应的Pd值。一般P=4Pa~14Kpa时，可出现正常辉光放电，而Pd＞200Kpa cm时，非自持放电通常会过渡到火花放电或丝状放电； ③放电回路中的电源电压和限流电阻准许放电管的放电电流工作在mA量级，且电源电压应高于着火电 压U b，否则不能起辉。
气体放电中等离子体的研究 131120161 李晓曦 摘要：本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别使用单探针法 和双探针法测量了等离子体参量，最后对本实验进行了讨论。 关键词：等离子体，等离子体诊断，探针法 1. 引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 2. 等离子体的物理特性及描述 等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度Ｔe。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为ｎe，正离子密度为ｎi，在等离子体中ｎe≈ｎi。 （3）轴向电场强度ＥL。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能Ｅe。 （5）空间电位分布。 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10～102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图1所示。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。其中正辉区是等离子区。
变压器局部放电试验内部编号：（YUUT-TBBY-MMUT-URRUY-UOOY-DBUYI-0128）
变压器局部放电试验 试验及标准 国家标准GB1094-85《电力变压器》中规定的变压器局部放电试验的加压时间步骤，如图5所示。其试验步骤为：首先试验电压升到U 2下进行测量，保持5min ；然后试验电压升到U 1，保持5s ；最后电压降到U 2下再进行测量，保持30min 。U 1、 U 2的电压值规定及允许的放电量为 U U 2153=.m 电压下允许放电量Q ＜500pC 或 U U 213 3=.m 电压下允许放电量Q ＜300pC 式中 U m ——设备最高工作电压。 试验前，记录所有测量电路上的背景噪声水平，其值应低于规定的视在放电量的50%。 测量应在所有分级绝缘绕组的线端进行。对于自耦连接的一对较高电压、较低电压绕组的线端，也应同时测量，并分别用校准方波进行校准。 在电压升至U 2及由U 2再下降的过程中，应记下起始、熄灭放电电压。 在整个试验时间内应连续观察放电波形，并按一定的时间间隔记录放电量Q 。放电量的读取，以相对稳定的最高重复脉冲为准，偶尔发生的较高的脉冲可忽略，但应作好记录备查。整个试验期间试品不发生击穿；在U 2的第二阶段的30min 内，所有测量端子测得的放电量Q ，连续地维持在允许的限值内，并无明显地、不断地向允许的限值内增长的趋势，则试品合格。 如果放电量曾超出允许限值，但之后又下降并低于允许的限值，则试验应继续进行，直到此后30min 的期间内局部放电量不超过允许的限值，试品才合格。利用变压器套管电容作为耦合电容C k ，并在其末屏端子对地串接测量阻抗Z k 。
辉光放电与等离子体 1、辉光放电 通常把在电场作用下气体被击穿而导电的物理现象称之为气体放电。气体放电有“辉光放电”和“弧光放电”两种形式。辉光放电又分为“正常辉光放电”与“异常辉光放电”两种，它们是磁控溅射镀膜工艺过程中产生等离子体的基本环节。 辉光放电(或异常辉光放电)可以由直流或脉冲直流靶电源通过气体放电形成,也可以用交流(矩形波双极脉冲中频电源、正弦波中频与射频)靶电源通过真空市内的气体放电产生。 气体放电时，充什么样的工作气体、气压的高低、电流密度的大小、电场与磁场强度的分布与高低、电极的不同材质、形状和位置特性等多种因素都会影响到放电的过程和性质，也会影响到放电时辐射光的性质和颜色。 (1)直流辉光放电 ①在阴-阳极间加上直流电压时，腔体内工作气体中剩余的电子和离子在电场的作用下作定向运动，于是电流从零开始增加; ②当极间电压足够大时，所有的带电离子都可以到达各自电极，这时电流达到某一最大值(即饱和值); ③继续提高电压，导致带电离子的增加，放电电流随之上升;当电极间的放电电压大于某一临界值(点火起辉电压)时，放电电流会突然迅速上升，阴-阳极间电压陡降并维持在一个较低的稳定值上。工作气体被击穿、电离，并产生等离子体和自持辉光放电，这就是“汤生放电”的基本过程，又称为小电流正常辉光放电。 ④磁控靶的阴极接靶电源负极，阳极接靶电源正极，进入正常溅射时，一定是在气体放电伏-安特性曲线中的“异常辉光放电区段”运行。其特点是，随着调节电源输出的磁控靶工作电压的增加，溅射电流也应同步缓慢上升。 (2)脉冲直流辉光放电 脉冲或正弦半波中频靶电源的单个脉冲的气体放电应与直流气体放电伏-安特性曲线异常辉光放电段及之前段的变化规律相符。可以将其视为气体放电伏-安特性在单个脉冲的放电中的复现。脉冲直流靶电源在脉冲期间起辉溅射，在脉冲间隙自然灭辉(因频率较高，肉眼难以分辨)。 溅射靶起辉放电后，当电源的输出脉冲的重复频率足够高时，由于真空腔体内的导电离子还没有完全被中和完毕，第二个(以后)重复脉冲的复辉电压与溅射靶的工作电压接近或相同。当电源输出脉冲的重复频率很低(例如几百HZ以下)或灭弧时间过长(大于100ms以上)，
气体放电中等离子体的研究 一．实验目的 1．了解气体放电中等离子体的特性。 2．利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。 二．实验原理 1．等离子体及其物理特性 等离子体定义为包含大量正负带点粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说，其中正负电荷密度相当，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 2．等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度e T 。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为e n ，正离子密度为i n ，在等离子体中e i n n 。 （3）轴向电场强度L E 。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能e E 。 （5）空间电位分布。 此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库伦力，使它们在无规则的热运动之外，
能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率 f称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子 p 振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。 3．稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 图2.1 辉光放电的光强，点位和电场分布 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10100Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8 个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图2.1所示。8个区域的名称为阿斯顿区，阴极辉区，阴极暗区，负辉区，法拉第暗区，正辉区，阳极暗区，阳极辉区。其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。 4．单探针与双探针法测量原理 测试等离子体的方法被称为诊断。等离子体诊断有探针法，霍尔效应法，微波法，光谱法等。本次实验中采用探针法。分单探针法和双探针法。 （1）单探针法。
局部放电测试方法
局部放电测试方法 随着电力设备电压等级的提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。我国近年来110kV以上的大型变压器事故中50％是属正常运行下发生匝间或段间短路造成突发事故，原因也是局部放电所致。局部放电检测作为一种非破坏性试验，越来越得到人们的重视。 虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，高压绝缘设备都把局部放电的测量列为检查产品质量的重要指标，产品不但在出厂时要做局部放电试验，而且在投入运行之后还要经常进行测量。对电力设备进行局部放电测试是一项重要预防性试验。 根据局部放电产生的各种物理、化学现象，如电荷的交换，发射电磁波、声波、发热、光、产
生分解物等，可以有很多测量局部放电的方法。总的来说可分为电测法和非电测法两大类，电测法包括脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等，非电测法包括声测法、光测法、化学检测法和红外热测法等。 一、电测法 局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移动。每一次局部放电都伴有一定数量的电荷通过电介质，引起试样外部电极上的电压变化。另外，每次放电过程持续时间很短，在气隙中一次放电过程在10 ns量级；在油隙中一次放电时间也只有1μs。根据Maxwell电磁理论，如此短持续时间的放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射。局部放电电检测法即是基于这两个原理。常见的检测方法有脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等。 1．脉冲电流法 脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法。脉冲电流法的基本测量回路见图3-5 。图中C x代表试品电容，Z m（Z'm）代表测量阻抗，C k代表耦合电容，它的作用是为C x与
局部放电测量指导书 一、适用范围 本指导书适用于电力设备在交流电压下进行局部放电试验，包括测量在某一定电压下的局部放电量、设备局部放电的起始电压和熄灭电压。 二、测量基本方法与步骤 2.1试验方法：根据接线方式可分为并联法、串联法，即检测阻抗与被试品串联进行测量，称为串联法；检测阻抗与被试品并联进行测量，称为并联法，此时，需加测量用耦合电容器。对于变压器来说，一般通过套管末屏处测量，类似并联法。 (1)并联法： 2.2试验步骤： 2.2.1试验接线：应根据被试品的特点完成接线，检查试验加压回路、测量系统回路；
2.2.2试验回路校准：在加压前应对测试回路中的仪器进行例行校正，以确定接入试品时测试回路的刻度系数，该系数受回路特性及试品电容量的影响。在已校正的回路灵敏度下，观察未接通高压电源及接通高压电源后是否存在较大的干扰，如果有干扰应设法排除。 2.2.3试验前试品应按有关规定进行预处理： （1）使试品表面保持清洁、干燥，以防绝缘表面潮气或污染引起局放。 （2）在无特殊要求情况下，试验期间试品应处于环境温度。 （3）试品在前一次机械、热或电气作用以后，应静放一段时间再进行试验，以减少上述因素对本次试验结果的影响。 2.2.4测定局放起始电压和熄灭电压 拆除校准装置，其他接线不变，在试验电压波形符合要求的情况下，电压从远低于预期的局放起始电压加起，按规定速度升压直至放电量达到某一规定值（一般为局放仪在测量时可观测到的设备放电）时，此时的电压即为局放起始电压。其后电压再增加10%，然后降压直到放电量等于上述规定值，对应的电压即为局放熄灭电压。测量时，不允许所加电压超过试品的额定耐受电压，另外，重复施加接近于它的电压也有可能损坏试品。 2.2.5测定局部放电量 （1）无预加电压的测量 试验时试品上的电压从较低值起逐渐增加到规定值，保持一定 时间再测量局放量，然后降低电压，切断电源。有时在电压升
局部放电试验 第一节局部放电特性及原理 一、局部放电测试目的及意义 局部放电：是指设备绝缘系统中部分被击穿的电气放电，这种放电可以发生在导体(电极)附近，也可发生在其它位置。 局部放电的种类： ①绝缘材料内部放电（固体-空穴；液体-气泡）； ②表面放电； ③高压电极尖端放电。 局部放电的产生：设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，在高压电场作用下发生重复击穿和熄灭现象-局部放电。 局部放电的特点： ①放电能量很小，短时间内存在不影响电气设备的绝缘强度； ②对绝缘的危害是逐渐加大的，它的发展需要一定时间-累计效应-缺陷扩大-绝缘击穿。 ③对绝缘系统寿命的评估分散性很大。发展时间、局放种类、产生位置、绝缘种类等有关。 ④局部放电试验属非破坏试验。不会造成绝缘损伤。 局部放电测试的目的和意义： 确定试品是否存在放电及放电是否超标,确定局部放电起始和熄灭电压。发现其它绝缘试验不能检查出来的绝缘局部隐形缺陷及故障。 局部放电主要参量： ①局部放电的视在电荷q： 电荷瞬时注入试品两端时,试品两端电压的瞬时变化量与试品局部放电本身所引起的电压瞬变量相等的电荷量,一般用pC(皮库)表示。 ②局部放电试验电压： 按相关规定施加的局部放电试验电压，在此电压下局部放电量不应超过规定的局部放电量值。 ③规定的局部放电量值： 在规定的电压下，对给定的试品，在规程或规范中规定的局部放电参量的数值。 ④局部放电起始电压Ui： 试品两端出现局部放电时，施加在试品两端的电压值。 ⑤局部放电熄灭电压Ui: 试品两端局部放电消失时 的电压值。（理论上比起始电 压低一半，但实际上要低很多 5%-20%甚至更低） 二、局部放电机理： 内部放电：绝缘材料中含有气隙、油隙、杂质等，在电场的作用下会出现介质内部或介质与电极之间的放电。等效原理图：
实验4局部放电测量0 实验目的 了解局部放电产生的基本原理。 学习局部放电的测量方法及仪器的正确使用。 分析局部放电起始电压、视在放电量与设备绝缘质量的关系。 了解各种局部放电信号的特点。 1．局部放电的产生和实验原理 电气设备绝缘内部常存在一些弱点，例如在一些浇注、挤制或层绕绝缘内部容易出 现气隙或气泡。空气的击穿场强和介电常数都比固体介质小，因此在外施电压作用下这 些气隙或气泡会首先发生放电，这就是电气设备的局部放电。放电的能量很弱，不会影 响到设备的短时绝缘强度，但日积月累会引起绝缘老化，最后可能导致整个绝缘在正常 电压下发生击穿。近数十年来，国内外已经越来越重视对设备进行局部放电测量。 图1固体介质内部气隙放电的三电容模型（a）通过气孔的介质剖面（b）等效电路 局部放电的产生机理常用三电容模型来解释，如图1所示。 图中C g代表气隙的电容；C b代表与C g串联部分的介质电容；C a代表其余部分的电容。若在电极上施加交流电压u t，则出现在C g上的电压为u g，即： u ＝ [C b/(C g+C b)]u t＝ [C b/(C g+C b)]U max sinωt（1） g 因为气隙很小，C g比C b大很多，故u g比u t小很多。局部放电时气隙中的电压和电流变化如图2所示。 u 随u t升高，当u t上升到u s（起始放电电压），u g达到C g的放电电压U g时，C g气隙放g 电，于是C g上的电压很快从U g下降到U r，放电熄灭，则：
U ＝ [C b/(C g+C b)]u c r 式中u c为相应的外施电压；U r为残余电压（0≤U r气体放电中等离子体的研究
气体放电中等离子体的研究 091120*** 一、实验目的 1、了解等离子体的产生和有关参数的物理意义 2、采用探针法测量气体放电等离子体的电子温度和电子密度 二、实验原理 1.等离子体及其物理特性 等离子体(又称等离子区)定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说，其中正负电荷密度相等，整体上呈现电中性。等离子体可分为等温等离子体和不等温等离子体，一般气体放电产生的等离子体属不等温等离子体。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 虽然等离子体宏观上是电中性的，但是由于电子的热运动，等离子体局部会偏离电中性。电荷之间的库仑相互作用，使这种偏离电中性的范围不能无限扩大，最终使电中性得以恢复。偏离电中性的区域最大尺度称为德拜长度λD。当系统尺度L＞λD时，系统呈现电中性，当L＜λD时，系统可能出现非电中性。 2.等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度Ｔe。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为ｎe，正离子密度为ｎi，在等离子体中ｎe≈ｎi。 （3）轴向电场强度ＥL。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能Ｅe。 （5）空间电位分布。 此外，由于等离子体中带电粒子间的相互作用是长程的库仑力，使它们在无规则的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子振荡，其振荡频率Fp称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子振荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。 3.稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在1０～1０2Pａ时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图2.3-1所示。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）辉区(即正辉柱)，（7）阳极暗区，（8）阳极辉
电缆局放试验的特点和要求 一、电缆局放试验的特点（与其它高压输变电设备产品相比） （1）试品电容量大。整盘电缆的出厂试验电容量更可观。 例如：变压器，套管，绝缘子等大都是nF级电容，高压电容器有uF级的电容，但属集中参数。 电缆：35kV，630mm25km 1.4μF/5km 110kV，1600mm210km 2.85μF/10km 220kV，2000mm210km 2.25μF/10km 500kV，2500mm210km 2.04μF/10km 试品电容大，导致：1.高压试验容量巨大，普通试验变压必须改为采用串联谐振电抗；2.局放检测灵敏度降低。（图1） （2）电缆试品占空间大 以110kV电缆为例，电缆螺旋状卷绕在外缘直径5米的大铁盘上。试验时带2个水终端长达约3米。500kV电缆水终端长达6米多。电缆卷绕后如螺旋卷天线，试品展开空间又大，都是易受空间电磁场感应影响的因素。这样对屏蔽室要求高。 （3）电缆的等效电路是电容分布参数电路 分布参数试品在进行脉冲电流的检测中有高频脉冲的传播，反射，叠加等传输特性反映到显示器上，影响检测结果。 应用电缆上局放脉冲的传播特性来进行局放故障定位。（图2）
（4）交联聚乙烯是优质绝缘材料。 用于500kV级的交联乙烯电缆最大工作场强可达3.1kV/mm(35kV电缆)： 5.3kV/mm，（110kV电缆）：10.1kV/mm，（220kV电缆）：13.5kV/mm，（500kV 电缆但它又易受局部放电作用的发生劣化。 这样电缆局放试验标准的允许放电量要求比其它设备或其它品种绝缘低好多，所以要求试验灵敏度高，即背景噪声水平小。 这样将全面要求：屏蔽室，接地，电源，设备性能都精确优良。 目前，国外正在开发800kV/1000kV级XLPE电缆的应用，这就需要更高参数，极低背景噪声水平的局放屏蔽试验系统。 总之：在技术上，高压交联电缆的局放检测，公认是各种试品局放试验中要求最高的。 二、电缆局放试验设备的要求 （1）串联谐振电抗器（图3） 电缆局放试验用可调高压串联谐振电抗器代替普通变压器，试验时供电抗（L）调到与试品电缆电容（C）谐振。从而电抗与电缆的无功功率相互补偿（抵消），电源网络只需承担电抗器，电缆和回路有功损耗部分（R=R LR+R CR+R1）该损耗功率为电抗器输出功率的1/Q倍 对交联电缆，Q=40-80 因而，达到了节能，节约投资，缩小设备体积。当然，该串联谐振设备应在额定工作电压下无局放（例为<2PC） (2)电源采用独立变压器（图4、5）
局部放电的在线监测 一、绝缘内部局部放电在线监测的基本方法 局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声、发光、发热以及出现新的生成物等。因此针对这些现象，局部放电监测的基本方法有脉冲电流测量、超声波测量、光测量、化学测量、超高频测量以及特高频测量等方法。其中脉冲电流法放电电流脉冲信息含量丰富，可通过电流脉冲的统计特征和实测波形来判定放电的严重程度，进而运用现代分析手段了解绝缘劣化的状况及其发展趋势，对于突变信号反应也较灵敏，易于准确及时地发现故障，且易于定量，因此，脉冲电流法得到广泛应用。目前，国内不少单位研制的局部放电监测装置普遍采用这种方法来提取放电信号。该方法通过监测阻抗、接地线以及绕组中由于局部放电引起的脉冲电流，获得视在放电量。它是研究最早、应用最广泛的一种监测方法，也是国际上唯一有标准（IEC60270）的局放监测方法，所测得的信息具有可比性。图4－4为比较典型的局部放电在线监测（以变压器为例，图中CT表示电流互感器）原理框图。 图4－4 脉冲电流法监测变压器局部放电原理框图 随着技术的发展，针对不同的监测对象，近年来发展了多种局部放电在线监测方法。如光测量、超高频测量以及特高频测量法等。利用光电监测技术，通过光电探测器接收的来自放电源的光脉冲信号，然后转为电信号，再放大处理。不同类型放电产生的光波波长不同，小电晕光波长≤400nm呈紫色，大部为紫外线；强火花放电光波长自<400nm扩展至>700nm，呈桔红色，大部为可见光，固体、介质表面放电光谱与放电区域的气体组成、固体材料的性质、表面状态及电极材料等有关。这样就可以实现局部放电的在线监测。同样，由于脉冲放电是一种较高频率的重复放电，这种放电将产生辐射电磁波，根据这一原理，可以采用超高频或特高频测量法监测辐射电磁波来实现局部放电在线监测。 日本H.KAwada等人较早实现了对电力变压器PD的声电联合监测（见图4-5）。由于被测信号很弱而变电所现场又具有多种的电磁干扰源，使用同轴电缆传递信号会接受多种干扰，其中之一是电缆的接地屏蔽层会受到复杂的地中电流的干扰，因此传递各路信号用的是光纤。通过电容式高压套管末屏的接地线、变压器中性点接地线和外壳接地线上所套装的带铁氧体（高频磁）磁心的罗戈夫斯基线圈供给PD脉冲电流信号。通过装置在变压器外壳不同位置的超声压力传感器，接受由PD源产生的压力信号，并由此转变成电信号。在自动监测器中设置光信号发生器，并向图中所示的CD及各个MC发出光信号。最常用的是，用PD 所产生的脉冲电流来触发监测器，在监测器被触发之后，才能监测到各超声传感器的超声压力波信号。后由其中的光信号接收器接收各个声、电信号。 综合分析各个传感器信号的幅值和时延，可以初步判断变压器内部PD源的位置。如果
变压器试验基础与原理 1．概述 随着电力系统电压等级的不断提高，为使输变电设备和输电线路的建设和使 用更加经济可靠，就必须改进限制过电压的措施，从而降低系统中过电压（雷电冲击电压和操作冲击电压）的水平。这样，长期工作电压对设备绝缘的影响相对地显得越来越重要。 电力产品出厂时进行的高电压绝缘试验（如：工频电压、雷电冲击电压、操 作冲击电压等试验），其所施加的试验电压值，只是考核了产品能否经受住长期 运行中所可能受到的各种过电压的作用。但是，考虑这种过电压值的试验与运行中长期工作电压的作用之间并没有固定的关系，特别对于超高电压系统，工作电压的影响更加突出。所以，经受住了过电压试验的产品能否在长期工作电压作用 下保证安全运行就成为一个问题。为了解决这个问题，即为了考核产品绝缘长期运行的性能，就要有新的检验方法。带有局部放电测量的感应耐压试验（ACSD 和ACLD）就是用于这个目的的一种试验。 2．局部放电的产生 对于电气设备的某一绝缘结构，其中多少可能存在着一些绝缘弱点，它在－ 定的外施电压作用下会首先发生放电，但并不随即形成整个绝缘贯穿性的击穿。 这种导体间绝缘仅被局部桥接的电气放电被称为局部放电。这种放电可以在导体附近发生也可以不在导体附近发生（GB/T 7354-2003《局部放电测量》）。 注1：局放一般是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中而引起的。 通常这种放电表现为持续时间小于1微秒的脉冲。 注2：“电晕”是局放的一种形式，她通常发生在远离固体或液体绝缘的导体 周围的气体中。 注3：局部放电的过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生 电磁辐射、超声、发光、发热以及出现新的生成物等。 高压电气设备的绝缘内部常存在着气隙。另外，变压器油中可能存在着微量 的水份及杂质。在电场的作用下，杂质会形成小桥，泄漏电流的通过会使该处发热严重，促使水份汽化形成气泡；同时也会使该处的油发生裂解产生气体。绝缘内部存在的这些气隙（气泡），其介电常数比绝缘材料的介电常数要小，故气隙 上承受的电场强度比邻近的绝缘材料上的电场强度要高。另外，气体（特别是空
《电网设备状态检修技术（带电检测分册）》 弟五章咼频局部放电检测技术 目录
第 1 节高频局部放电检测技术概述 发展历程 高频局部放电检测方法是用于电力设备局部放电缺陷检测与定位的常用测量方法之一，其检测频率范围通常在3MHz到30MHz之间。高频局部放电检测技术可广泛应用于电力电缆及其附件、变压器、电抗器、旋转电机等电力设备的局放检测，其高频脉冲电流信号可以由电感式耦合传感器或电容式耦合传感器进行耦合，也可以由特殊设计的探针对信号进行耦合。 高频局部放电检测方法，根据传感器类型主要分为电容型传感器和电感型传感器。电感型传感器中高频电流传感器（High Frequency Current Transformer ，HFCT具有便携性强、安装方便、现场抗干扰能力较好等优点，因此应用最为广泛，其工作方式是对流经电力设备的接地线、中性点接线以及电缆本体中放电脉冲电流信号进行检测，高频电流传感器多采用罗格夫斯基线圈结构。 罗格夫斯基线圈（Rogowski coils ，简称罗氏线圈）用于电流检测领域已有几十年历史。早在1887 年英国布里斯托大学的茶托克教授即进行了研究，把一个长而且形状可变的线圈作为磁位差计，并且通过测量磁路中的磁阻，试图研究更加理想的直流发电机。罗格夫斯基线圈检测技术在20 世纪90 年代被英国的公立电力公司（CEGB用在名为“ El-Cid ”的新技术里，用于测试发电机和电动机的定子[1]。罗氏线圈自公布起就受到了很多学者的重视，对于罗格夫斯基线圈的应用也越来越广泛，1963 年英国伦敦的库伯在理论上对罗格夫斯基线圈的高频响应进行了分析，奠定了罗格夫斯基线圈在大功率脉冲技术中应用的理论基础[2]。20 世纪中后期以来，国外一些专家学者和公司纷纷对罗氏线圈在电力上的应用进行了大量的研究，并取得了显着的成果。如法国ALSTHO公司有一些基于罗氏线圈电流互感器产品问世，其主要研究无源电子式互感器，在20世纪80 年代英国Rocoil 公司实现了罗格夫斯基线圈系列化和产业化。总而言之，在世界范围内对于罗格夫斯基线圈传感器的研究，于20 世纪60 年代兴起，在80 年代取得突破性进展，并有多种样机挂网试运行，90 年代开始进入实用化阶段。尤其进入21 世纪以来，微处理机和数字处理器技术的成熟，为研制新型的高频电流传感器奠定了基础。20 世纪90年代欧洲学者将罗氏线圈应用于局部放电检测，效果良好，并得到了广泛应用。例如意大利的博洛尼亚大学的. Montanari 和 A.
1、论文（设计）研究目标及主要任务 近些年来，等离子体的研究受到高度关注，由射频放电方式产生的低气压、高密度等离子体在新材料的制备及材料表面改性等工艺中得到了越来越广泛的应用，为了控制离子入射到极板上的行为，通常在极板上施加一射频(RF)偏压，从而在极板附近形成一射频等离子体鞘层。本课题将对离子在射频鞘层中的运动行为进行跟踪研究，力求找到等离子体中各基本粒子随射频频率变化而引起的分布情况。利用流体力学方程，将采用一个自洽的无碰撞射频等离子体鞘层动力学模型实施数值模拟。 2、论文的主要内容 介绍等离子体的概念；等离子体的流体力学理论；对射频等离子体放电的流体动力学模拟射频等离子体鞘层动力学模型给予论述。对模拟结果进行分析研究，为其应用提供理论基础。 3、论文的基础条件及研究路线 根据现有的研究成果，描述任意频率段的射频鞘层演化过程以及对射频放电的物理过程进行分析计算,并指明今后的研究方向。 4、主要参考文献 [1] 居建华．氮对类金刚石薄膜的微观结构内应力与附着力的影响[J]．物理学报，2000，49(11)：2310-2314． [2] 马锡英．氮化硼薄膜的生长特性粘附性研究[J]．物理学报，1998，304(05)：3-101． [3] 戴忠玲．射频等离子体鞘层动力学模型[J]．物理学报，2001，50(12)：2399-2402． [4] Hua-Tan Qiu．Collisional effects on the radio-frequency sheath dynamics[J]．Journal of applied physics，2002，51(06)：1332-1337． [5] 朱武飚．负偏压射频放电过程的流体力学模拟[J]．物理学报，2000，45(07)：1138-1145． [6] 马腾才．等离子体物理原理[M]．合肥市：中国科学技术大学出版社，1988：1-2 32． 5、计划进度 阶段起止日期 1 收集资料，确定题目2011.01.04－2011.01.15 2 总结资料，撰写开题报告2011.01.16－2011.02.30 3 构思框架，书写论文初稿2011.03.01－2011.03.30 4 完成论文二稿,英文文献翻译2011.04.01－2011.04.30 5 修改并完成论文2011.05.01－2011.05.15指导教师：高书侠 2011 年 1 月 2 日
局部放电测试方法 随着电力设备电压等级的提高，人们对电力设备运行可靠性提出了更加苛刻的要求。我国近年来110kV以上的大型变压器事故中50％是属正常运行下发生匝间或段间短路造成突发事故，原因也是局部放电所致。局部放电检测作为一种非破坏性试验，越来越得到人们的重视。 虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。对电力设备进行局部放电试验，不但能够了解设备的绝缘状况，还能及时发现许多有关制造与安装方面的问题，确定绝缘故障的原因及其严重程度。因此，高压绝缘设备都把局部放电的测量列为检查产品质量的重要指标，产品不但在出厂时要做局部放电试验，而且在投入运行之后还要经常进行测量。对电力设备进行局部放电测试是一项重要预防性试验。 根据局部放电产生的各种物理、化学现象，如电荷的交换，发射电磁波、声波、发热、光、产生分解物等，可以有很多测量局部放电的方法。总的来说可分为电测法和非电测法两大类，电测法包括脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等，非电测法包括声测法、光测法、化学检测法和红外热测法等。 一、电测法 局部放电最直接的现象即引起电极间的电荷移动。每一次局部放电都伴有一定数量的电荷通过电介质，引起试样外部电极上的电压变化。另外，每次放电过程持续时间很短，在气隙中一次放电过程在10 ns量级；在油隙中一次放电时间也只有1μs。根据Maxwell电磁理论，如此短持续时间的放电脉冲会产生高频的电磁信号向外辐射。局部放电电检测法即是基于这两个原理。常见的检测方法有脉冲电流法、无线电干扰法、介质损耗分析法等。 1．脉冲电流法 脉冲电流法是一种应用最为广泛的局部放电测试方法。脉冲电流法的基本测量回路见图 3-5 。图中C x 代表试品电容，Z m （Z' m ）代表测量阻抗，C k代表耦合电容，它的作用是为 C x与Z m之间提供一个低阻抗的通道。Z代表接在电源与测量回路间的低通滤波器，Z可以让工频电压作用到试品上，但阻止被测的高频脉冲或电源中的高频分量通过。 图3-5（a）为并联测量回路，试验电压U经Z施加于试品C x，测量回路由C k与Z m串联而成，并与C x并联，因此称为并联测量回路。试品上的局部放电脉冲经C k耦合到Z m上，经放大器A送到测量仪器M。这种测量回路适合于试品一端接地的情况，在实际工作中应用较多。 图3-5（b）为串联测量回路，测量阻抗Z m串联接在试品C x低压端与地之间，并经由C k形成放电回路。因此，试品的低压端必须与地绝缘。 图3-5（c）为桥式测量回路，又称平衡测量回路。试品C x与耦合电容C k均与地绝缘，测量阻抗Z m与Z m分别接在C x与C k的低压端与地之间。测量仪器M测量Z m与Z m’上的电压差。
南京大学物理系实验报告 题目实验2.3 气体放电中等离子体的研究 姓名朱瑛莺 2014年4月4日学号 111120230 一、引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 二、实验目的 1、了解气体放电中等离子体的特性。 2、利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。 三、实验原理 1、等离子体及其物理特性 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。（2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 2、等离子体的主要参量 描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度Te。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为n e ，正离子密度为n i ，在等离子体中n e ≈n i 。 （3）轴向电场强度E L 。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能Ee 。 （5）空间电位分布。 3、稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10-102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区（即正辉柱），（7）阳极暗区，（8）阴极辉区。 如图1所示，其中正辉区是我们感兴趣的等离子区。其特征是：气体高度电离；电场强度很小，且沿轴向有恒定值。这使得其中带电粒子的无规则热运动胜过它们的定向运动。所以它们基本上遵从麦克斯韦速度分布律。由其具体分布可得到一个相应的温度，即电子温度。但是，由于电子质量小，它在跟离子或原子作弹性碰撞时能量损失很小，所以电子的平均动能比其他粒子的大得多。这是一种非平衡状态。因此，虽然电子温度很高（约为105Ｋ），但放电气体的整体温
气体放电中等离子体的研究 摘要：本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别 使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，最后对本实验进行 了讨论。 关键词：等离子体，等离子体诊断，单探针法，双探针法 1. 引言 等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。 2实验目的 1.了解气体放电中等离子体的特性， 2．利用等离子体诊断技术测定等离子体中的一些基本参量。 3. 等离子体的物理特性 1.等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。也就是说，等离子体中正负电荷的密度相等，整体上呈电中性。 等离子体有一系列不同于普通气体的特性： （1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。 （2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。 （3）宏观上是电中性的。 2.描述等离子体的一些主要参量为： （1）电子温度Ｔe。它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主 要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。 （2）带电粒子密度。电子密度为ｎe，正离子密度为ｎi，在等离子体中ｎe≈ｎi。 （3）轴向电场强度ＥL。表征为维持等离子体的存在所需的能量。 （4）电子平均动能Ｅe。
（5）空间电位分布。 此外，由于等离子体中带电粒子之间的相互作用力是长程的库伦力，使他们在无规则运动的热运动之外，能产生某些类型的集体运动，如等离子震荡，其震荡频率称为朗缪尔频率或等离子体频率。电子震荡时辐射的电磁波称为等离子体电磁辐射。 3.稀薄气体产生的辉光放电 本实验研究的是辉光放电等离子体。 辉光放电是气体导电的一种形态。当放电管内的压强保持在10～102Pa时，在两电极上加高电压，就能观察到管内有放电现象。辉光分为明暗相间的8个区域，在管内两个电极间的光强、电位和场强分布如图1所示。8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。其中正辉区是等离子区。 图1 正辉区的特性是：气体高度电离；电场强度较小，且沿轴向有恒定值，这使得带电粒子的无规则运动胜过定向运动，所以他们基本上遵从麦克斯韦分布。4. 等离子体诊断 测试等离子体的方法被称为诊断。等离子体诊断有探针法，霍尔效应法，微波法，光谱法等。本次实验中采用探针法。探针法分单探针法和双探针法。 （1）单探针法。探针是封入等离子体中的一个小的金属电极（其形状可以是平板形、圆柱形、球形）。其接法如图二所示。以放电管的阳极或阴极作为参考点，改变探针电位，测出相应的探针电流，得到探针电流与其电位之间的关系，即探针伏安特性曲线，如图三所示。
中国电力高压设备局部放电检测监测市场发展机会分析 局部放电检测、监测技术在国外发展较早，特别是在欧美和日本等发达地区已经有了几十年的应用和实践经验。检测设备比较成熟，价格相对较高，销售对象主要是省级电力试验研究院和电力公司。目前国内也已有多家研究机构和电力设备厂商开发出了局部放电在线检测设备，但大多是借鉴和模仿国外的产品，在产品实用性和测试结果判断方面还缺乏一定的实践经验。价格较低，在市局级及区级电力部门有比较大的市场空间。局部放电监测技术目前在国内还不成熟，主导产品仍是代理国外的产品，广泛用于电缆、变压器、GIS、开关柜等电气设备。许多国内代理商，自上个世纪末期率先将状态监测类产品引入国内，经过多年的努力，逐步建立起该类产品良好的市场信誉，积累起丰富的工程经验，并逐渐明确监测产品和技术的发展方向。局部放电检测、监测设备是维护电力系统输变电设备安全稳定运行的重要保障，随着国家坚强智能电网建设的全面开展，输变电设备的安全监控力度的加强，该行业将面临前所未有的机遇，未来的市场需求将进一步加大。 电力高压设备的状态检测、监测技术分为多种，如气体分析，局部放电、红外成像等，不同厂家主打不同技术路线，如采用气体分析技术的思源电气股份有限公司、中能电力科技开发有限公司；采用局部放电技术的厦门红相电力设备股份有限公司、西安金源电气有限公司；采用红外成像技术的宁波理工监测科技股份有限公司等。按照应用分类来看，GIS、电缆、变电器等状态检测监测设备的厂家相对较多，产品有代理国外的也有自主研发的，而开关柜状态检测监测设备的市场竞争相对集中，厦门红相电力设备股份有限公司是该类设备的主要供货商，占有市场的较大销售份额。 中国电力高压设备状态检测、监测技术还相对落后，设备性能不佳，高端设备多为国外进口产品，因此在市场上占有较大份额的为国内公司代理的国外先进产品。国内企业自主研发的产品正逐步成熟和完善，未来国产化的产品会逐步占领市场。 局部放电检测、检测市场发展处于起步阶段，但未来市场空间巨大 目前该市场的发展尚处于起步阶段，但随着状态检测、监测技术的快速发展，在未来几年里，该市场规模将迅速扩大。下图为2004-2008年中国电力高压设备局部放电检测、监测设备的市场销售总额，可以看出近年来中国电力高压设备局部放电检测、监测设备市场规模保持稳定增长。到2008年，市场销售总额达到了2亿多。 图1 2004－2008年中国电力高压设备检测、监测设备市场规模（单位：万元） 数据来源：赛迪顾问2009，09 (1)开关柜检测、监测设备 开关柜检测监测设备市场集中度较高，产品主要为国外进口设备，国内厂家代理，如英国EA公司的局放检测监测设备在国内占有较大市场份额。国内主要厂家是厦门红相电力设备股份有限公司、上海亚卡黎实业有限公司、北京埃德尔黛威新技术有限公司等。总体来看，