論氣體放電理論及其放電形式

徐超++張麗麗++張雨晨++王越

摘 要：氣體作為電力設備的主要絕緣介質對于電力設備的安全穩定運行有重要的作用。了解氣體放電的理論和放電形式對提高電力設備的絕緣水平有重要的指導意義。本文具體介紹了氣體放電理論及常見的幾種放電形式。

關鍵詞：氣體放電 電氣絕緣 電子雪崩

1、引言

幾乎所有的電氣設備的絕緣材料都是氣體。如主要存在于高壓輸電線路之間和高壓電氣設備內的空氣，為保證高壓用電的安全提供了可能。理想狀態下的空氣不存在帶電粒子，故而其不導電。但事實上，在外界宇宙射線和地下放射性物質的高能輻射線的作用下，大氣壓下每立方厘米體積內的空氣約有500-1000對正負帶電粒子。但是即使如此，空氣仍不失為一種相當理想的電介質 [1]。

在一定的條件下，氣體也會出現放電現象，甚至完全轉化為導體，嚴重威脅高壓電氣設備的運行安全。因此了解氣體放電的理論和放電形式對提高電力設備的絕緣水平有重要的指導意義。本文具體介紹了氣體放電理論及常見的幾種放電形式。

2、氣體放電理論

氣體放電理論主要包括湯生放電理論和流注理論。

2.1湯森放電理論

1903年，英國物理學家湯森提出了第一個定量的氣體放電理論，即電子雪崩理論。為了描述氣體導電中的電離現象，湯森提出了三種電離過程，并引入三個對應的電離系數[2]：

（1）電子在向陽極運動的過程中，與氣體粒子頻繁碰撞，產生大量電子和正離子。電子與氣體粒子發生碰撞電離的次數就是α電離系數，這個過程稱為α過程。

（2）正離子在向陰極運動的過程中，與氣體中性粒子頻繁碰撞，也會產生一定數量的正離子和電子。而β電離系數是指在單位距離上一個正離子在向陰極運動過程中與氣體粒子發生碰撞電離的次數，即為β過程。而在通常情況下，正離子在電場中所獲得的能量遠小于中性粒子發生電離所需的能量，因而β過程通常被忽略。

（3）攜帶一定能量的正離子打到陰極，使其發射二次電子。二次電子發射數為γ系數，這個過程稱為γ過程。

假設氣體空間為均勻電場，單位時間內從陰極單位面積上發射出的電子數為n0，這些初始電子在電場作用下，向陽極方向運動，與中性粒子發生頻繁碰撞，進而發生碰撞電離。即從陰極發出的一個電子，向陽極運動的過程中，若不斷發生碰撞電離，新產生的電子數將迅猛增加，這種現象成為電子雪崩。

n0個初始電子發生電子雪崩，單位時間內到達陽極表面單位面積的電子數為：

（1）

由α過程可知，放電空間中新產生的電子數為：

（2）

電離過程中產生一個電子的同時也產生一個正離子，因此放電空間中的離子數也為： 。這些正離子打到陰極上，引起的陰極二次電子發射數為 。這些二次電子又成為第二代電子雪崩中的種子電子，在α作用下向陽極運動，碰撞電離出新的電子。同時，增加的離子再次打到陰極引起二次電子發射。以此類推，不斷循環。顯然，當 時，二次電子發射才能持續進行，放電達到自持。

2.2流注理論

湯森理論無法解釋高氣壓中的放電起始現象，因而引入流注理論。流注理論強調α作用、光電離效應以及空間電荷電場的作用，完全忽略γ作用。如圖1（a）所示，陰極附近存在由外界電離因素所產生的偶然電子，其可作為放電的種子電子。當氣體間隙內施加的外部電場為E0時，放電間隙內不斷發生碰撞電離，形成電子雪崩。電子雪崩在電場的作用下，繼續向陽極一側運動。電子質量小，速度大，位于電子雪崩的頭部。而離子質量大，速度小、幾乎處于靜止狀態。正離子會在放電間隙內形成與外加電場E0方向相反的電場Er。當 時， 就會出現如圖1（b）所示的大量以光電離形式生成的電子為種子的小電子雪崩。存在于小電子雪崩頭部中的電子被正離子所吸引，形成正離子與電子密度相近的等離子體。由于等離子體頭部的電場很強，會形成如圖1（c）所示的許多小的電子雪崩，從而使放電通道向陽極擴展。當等離子體通道擴展到陽極時，如圖1（d）所示的流注就會形成，引起放電[3]。

3、大氣壓下的幾種放電形式

常見的氣體放電形式主要包括電暈放電、輝光放電和弧光放電。

3.1電暈放電

電暈放電一般發生在極不均勻電場中。在曲率半徑很大的電極上、電極尖端、邊緣部位發生局部的類似月亮暈光的光層，這種現象即為電暈放電[4]。電暈放電是自持放電，電流在微安級別。如果在電暈條件下，繼續升高電壓，在電暈電極上將出現很多明亮的類似刷狀的現象，放電電流比電暈放電大的多，這種類型稱為刷狀放電。

3.2輝光放電

輝光放電是氣體放電中一種重要的放電形式。它放電電流的密度小，維持電壓較高。放電電流一般介于幾毫安和幾百毫安。它是一種穩定的自持放電，能產生均勻穩定的放電現象。比如街頭上霓虹燈中看到的發出非常柔和的光的放電現象。

3.3弧光放電

弧光放電是一種陰極位降低、電流密度大、溫度和發光度高的氣體放電現象。弧光放電用途很廣，利用其陰極位降低、電流密度大的特性，可制造閘流管、整流管和汞弧整流器等；根據其高溫特性，可用于對難熔金屬進行切割、焊接和噴涂；其發光特性，可用來制造高亮度、高光效的放電燈，如高壓汞燈、金屬鹵化物等等。但是在某些場合，電弧是有害的，需采取滅弧措施。

4、總結

對于電力設備的絕緣來說，很多氣體是其重要的絕緣材料，了解氣體放電的理論與機理對提高電氣設備的絕緣水平具有重大的指導意義。

參考文獻

[1]趙智大等.高電壓技術[M].北京.中國電力出版社.2006.

[2]劉明光.高電壓絕緣與試驗技術[M].四川.西南交通大學出版社.2001.

[3]武占成，張希軍，胡有志.氣體放電[M].北京.國防工業出版社.2012.

[4]管文華.大氣壓輝光放電的數值模擬方法研究.[碩士學位論文].大連.大連理工大學.2008.