高电压技术中的气体放电及其应用探析

徐成 纵兆丹

摘要：气体放电是一种重要的放电现象，广泛地存在于人们的日常生活中，并且在工业中获得了广泛地应用，研究气体放电对于认识和了解科技发展水平具有重要的意义。本文阐述了气体放电的产生条件和气体放电等离子体的特性，并且介绍了高电压技术中的气体放电及其应用探析。

关键词：高电压技术;气体放电;应用

引言

众所周知，对气体施加一定的电压后，气体会发生放电现象，也就是说气体发生导电，不具有绝缘的特性，此时形成了等离子体。气体放电被广泛地应用于科学研究和工业中，同时，气体放电在人们的日常生活中也广泛地存在，例如闪电、日光灯等。因此，研究和认识气体放电对于了解当今的科学技术发展水平具有重要意义。

1.高电压技术中的气体放电概论

在电力系统中，气体是一种应用得相当广泛的绝缘材料。如架空输电线、母线、隔离开关的断口处等都是完全依靠空气作为绝缘的。还有些虽然不完全依靠空气作为绝缘，但空气包围在它们的外部，构成绝缘的一部分。SF6气体从被发现至今仅一百余年的历史，它作为高压绝缘材料的广泛应用促进了输变电技术及高压绝缘技术的飞速发展。气体有着固体和液体等其它绝缘介质所没有的优良特性，比如气体不存使用寿命的问题;常用的绝缘气体如空气、氮气以及SF6气体化学稳定性好，不燃不爆，有很高的可靠性和安全性。气体绝缘开关（GasInsulated Switchgear简称GIS）由于具有占地面积小，可靠性高，安全性强，维护工作量很小等优点，加之在经济上的优越性和技术上的先进性，已被广泛的应用于高压输变电系统。而且气体放电理论的实验和研究成果不但为高电压绝缘技术发展提供坚实的理论基础，也同时促进了其他学科的技术进步与发展，包括等离子体刻蚀、等离子体推进、磁流体发电、加速器气体激光器等新兴技术领域。

2.气体放电研究现状

气体放电是研究放电过程中各种带电粒子的产生、消失、相互作用以及运动规律的学科。依气体压力、施加电压、电极形状、电源频率的不同，气体放电有多种多样的形式。主要的形式有暗放电、辉光放电、电弧放电、电晕放电、火花放电、高频放电等。近年来，气体放电在磁流体发电、等离子体切割及等离子体推进和受控热核反应等方面都得到飞速发展和具体应用。

与其他物理学科一样，对气体放电的研究也是通过在实验研究的基础上进行理论探索的方式进行的。从1858年电子被发现开始，对于气体放电的研究就没有停止过，大量研究取得的丰硕的成果不仅奠定了气体放电学科的理论基础，而且也总结出了比较成熟的实验方法和大量宝贵的实验数据。但是，由于气体放电问题本身就是一个广阔的研究领域，其中会遇到物质的各个结构层面（包括分子、原子、光子和电子），影响因素非常多，所以至今，对于气体放电现象的实验研究和理论探索仍没有一套完整而成熟的体系，还处于发展阶段。

高电压技术中，研究气体放电的主要任务是研究各种气体间隙的耐（放）电电压。气体间隙的耐电电压受到介质性质、电场分布以及气体状态等多种因素的影响。常用的绝缘介质分为固、液、气三类，气体放电理论相对于其他二者来说是最完整的，但仍然很不完善，气体放电影响因素的多样性以及放电过程的随机性使得目前还无法准确的计算击穿电压。深入研究气体放电过程的各种影响因素，探索气体间隙的放电机制，对于探索新的绝缘技术、寻找新的绝缘材料、改进现有绝缘设备、防止各种绝缘事故具有实际意义。

3.高电压技术中的气体放电及其应用

常用绝缘气体的种类有很多，SF6目前仍旧在电力系统高压技术介质中占据着难以替代的稳固地位。尽管SF6气体拥有其他气体介质无法比拟的优良绝缘特性，但是其在放电过程中产生的分解物有剧毒，而且其对于全球气候变暖的影响也越来越引起人们的注意。近年来，随着SF6气体在高电压技术设备中的广泛应用，其泄露问题也被世界环境组织格外关注，据计算，每减少1吨SF6气体排放量，按GWP（全球温暖化系数）换算，就相当于减少了24000吨的C02气体排放量。

3.1汤森放电理论应用

1903年，英国物理学家汤森提出了第一个定量的气体放电理论，即电子雪崩理论。为了描述气体导电中的电离现象，汤森提出了三种电离过程，并引入三个对应的电离系数：

（1）电子在向阳极运动的过程中，与气体粒子频繁碰撞，产生大量电子和正离子。电子与气体粒子发生碰撞电离的次数就是α电离系数，这个过程称为α过程。

（2）正离子在向阴极运动的过程中，与气体中性粒子频繁碰撞，也会产生一定数量的正离子和电子。而β电离系数是指在单位距离上一个正离子在向阴极运动过程中与气体粒子发生碰撞电离的次数，即为β过程。而在通常情况下，正离子在电场中所获得的能量远小于中性粒子发生电离所需的能量，因而β过程通常被忽略。

（3）携带一定能量的正离子打到阴极，使其发射二次电子。二次电子发射数为γ系数，这个过程称为γ过程。

假设气体空间为均匀电场，单位时间内从阴极单位面积上发射出的电子数为n0，这些初始电子在电场作用下，向阳极方向运动，与中性粒子发生频繁碰撞，进而发生碰撞电离。即从阴极发出的一个电子，向阳极运动的过程中，若不断发生碰撞电离，新产生的电子数将迅猛增加，这种现象成为电子雪崩。

n0个初始电子发生电子雪崩，单位时间内到达阳极表面单位面积的电子数为e0，放电空间中新产生的电子数为e1。

电离过程中产生一个电子的同时也产生一个正离子，因此放电空间中的离子数也为e1。这些正离子打到阴极上，引起的阴极二次电子发射数为e2。这些二次电子又成为第二代电子雪崩中的种子电子，在α作用下向阳极运动，碰撞电离出新的电子。同时，增加的离子再次打到阴极引起二次电子发射。以此类推，不断循环。显然，当时，二次电子发射才能持续进行，放电达到自持。

3.3流注理论应用

汤森理论无法解释高电压中的放电起始现象，因而引入流注理论。流注理论强调α作用、光电离效应以及空间电荷电场的作用，完全忽略γ作用。阴极附近存在由外界电离因素所产生的偶然电子，其可作为放电的种子电子。当气体间隙内施加的外部电场为E0时，放电间隙内不断发生碰撞电离，形成电子雪崩。电子雪崩在电场的作用下，继续向阳极一侧运动。电子质量小，速度大，位于电子雪崩的头部。而离子质量大，速度小、几乎处于静止状态。正离子会在放电间隙内形成与外加电场E0方向相反的电场Er。当时， 大量以光电离形式生成的电子为种子的小电子雪崩。存在于小电子雪崩头部中的电子被正离子所吸引，形成正離子与电子密度相近的等离子体。由于等离子体头部的电场很强，会形成许多小的电子雪崩，从而使放电通道向阳极扩展。当等离子体通道扩展到阳极时，流注就会形成，引起放电。

引言

几乎所有的电气设备的绝缘材料都是气体。如主要存在于高压输电线路之间和高压电气设备内的空气，为保证高压用电的安全提供了可能。理想状态下的空气不存在带电粒子，故而其不导电。但事实上，在外界宇宙射线和地下放射性物质的高能辐射线的作用下，大气压下每立方厘米体积内的空气约有500-1000对正负带电粒子。但是即使如此，空气仍不失为一种相当理想的电介质 。

参考文献

[1]赵智大等.高电压技术[M].北京.中国电力出版社.2006.

[2]刘明光.高电压绝缘与试验技术[M].四川.西南交通大学出版社.2001.