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(shè)備的主要絕緣介質(zhì)對于電力設(shè)備的安全穩(wěn)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(shè)備的絕緣水平有重要的指導(dǎo)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(guān)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(shè)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(shè)備內(nèi)的空氣，為保證高壓用電的安全提供了可能。理想狀態(tài)下的空氣不存在帶電粒子，故而其不導(dǎo)電。但事實上，在外界宇宙射線和地下放射性物質(zhì)的高能輻射線的作用下，大氣壓下每立方厘米體積內(nèi)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(zhì) [1]。

在一定的條件下，氣體也會出現(xiàn)放電現(xiàn)象，甚至完全轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體，嚴重威脅高壓電氣設(shè)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(shè)備的絕緣水平有重要的指導(dǎo)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(dǎo)電中的電離現(xiàn)象，湯森提出了三種電離過程，并引入三個對應(yīng)的電離系數(shù)[2]：

（1）電子在向陽極運動的過程中，與氣體粒子頻繁碰撞，產(chǎn)生大量電子和正離子。電子與氣體粒子發(fā)生碰撞電離的次數(shù)就是α電離系數(shù)，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(chǎn)生一定數(shù)量的正離子和電子。而β電離系數(shù)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(fā)生碰撞電離的次數(shù)，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(fā)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(fā)射二次電子。二次電子發(fā)射數(shù)為γ系數(shù)，這個過程稱為γ過程。

假設(shè)氣體空間為均勻電場，單位時間內(nèi)從陰極單位面積上發(fā)射出的電子數(shù)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(fā)生頻繁碰撞，進而發(fā)生碰撞電離。即從陰極發(fā)出的一個電子，向陽極運動的過程中，若不斷發(fā)生碰撞電離，新產(chǎn)生的電子數(shù)將迅猛增加，這種現(xiàn)象成為電子雪崩。

n0個初始電子發(fā)生電子雪崩，單位時間內(nèi)到達陽極表面單位面積的電子數(shù)為：

（1）

由α過程可知，放電空間中新產(chǎn)生的電子數(shù)為：

（2）

電離過程中產(chǎn)生一個電子的同時也產(chǎn)生一個正離子，因此放電空間中的離子數(shù)也為： 。這些正離子打到陰極上，引起的陰極二次電子發(fā)射數(shù)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(fā)射。以此類推，不斷循環(huán)。顯然，當 時，二次電子發(fā)射才能持續(xù)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(xiàn)象，因而引入流注理論。流注理論強調(diào)α作用、光電離效應(yīng)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(chǎn)生的偶然電子，其可作為放電的種子電子。當氣體間隙內(nèi)施加的外部電場為E0時，放電間隙內(nèi)不斷發(fā)生碰撞電離，形成電子雪崩。電子雪崩在電場的作用下，繼續(xù)向陽極一側(cè)運動。電子質(zhì)量小，速度大，位于電子雪崩的頭部。而離子質(zhì)量大，速度小、幾乎處于靜止狀態(tài)。正離子會在放電間隙內(nèi)形成與外加電場E0方向相反的電場Er。當 時， 就會出現(xiàn)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?shù)入x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(fā)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(fā)生局部的類似月亮暈光的光層，這種現(xiàn)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(xù)升高電壓，在電暈電極上將出現(xiàn)很多明亮的類似刷狀的現(xiàn)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(wěn)定的自持放電，能產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的放電現(xiàn)象。比如街頭上霓虹燈中看到的發(fā)出非常柔和的光的放電現(xiàn)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(fā)光度高的氣體放電現(xiàn)象?；」夥烹娪猛竞軓V，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(jù)其高溫特性，可用于對難熔金屬進行切割、焊接和噴涂；其發(fā)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(jié)

對于電力設(shè)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(shè)備的絕緣水平具有重大的指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1]趙智大等.高電壓技術(shù)[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(shù)[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(yè)出版社.2012.

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