淺談氣體擊穿理論

朱泳康

【摘要】高壓電技術(shù)在能源、電力、醫(yī)療器械、環(huán)境保護(hù)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)中起著非常重要的作用，尤其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，高壓電技術(shù)的重要性就顯得更加突出。在電力工業(yè)中，可以說(shuō)沒(méi)有高壓電技術(shù)就談不上電力工業(yè)，因?yàn)楫?dāng)今電力的傳輸必須要依靠提高電壓的方法才能將電能傳送到不同的用戶，否則就會(huì)造成電能傳輸過(guò)程中大量的損耗。高壓電技術(shù)的應(yīng)用不僅僅在電力工程中，在社會(huì)生活其他領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于高壓電技術(shù)的理論也是越來(lái)越完善，對(duì)于各種電介質(zhì)的擊穿理論，至今為止人們已經(jīng)做了很多研究。所謂擊穿，對(duì)于氣體而言，就是所謂的放電現(xiàn)象。在高壓放電技術(shù)中，氣體擊穿的理論是其他理論的基礎(chǔ)，因?yàn)闅怏w對(duì)于電力工業(yè)來(lái)說(shuō)，是應(yīng)用最為廣泛的，比如高壓輸電。目前，幾乎國(guó)內(nèi)所有的輸電線都是利用空氣來(lái)絕緣，變壓器相間絕緣也以氣體作為絕緣材料。對(duì)氣體擊穿的理論做出介紹和分析。

【關(guān)鍵詞】電介質(zhì) 氣體 擊穿 自持放電 非自持放電

一、氣體擊穿的基本概念

電介質(zhì)的擊穿，指的是固體、液體、氣體介質(zhì)以及混合介質(zhì)在電場(chǎng)作用下，喪失絕緣能力，介質(zhì)變得導(dǎo)電的現(xiàn)象。全部電介質(zhì)都能夠被擊穿，擊穿表現(xiàn)了它在電場(chǎng)作用下能夠保持絕緣性能的極限，是影響電子產(chǎn)品、電器元件使用壽命的重要條件。

氣體的擊穿是指氣體介質(zhì)在一定的電場(chǎng)條件下，氣體間隙發(fā)生放電。作為電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中最經(jīng)常被使用的絕緣介質(zhì)，氣體介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定臨界點(diǎn)后，本來(lái)絕緣的氣體就會(huì)變得導(dǎo)電，從而造成危險(xiǎn)情況的發(fā)生。為了能合理構(gòu)成氣體絕緣，就應(yīng)該先要了解氣體中的基本放電理論。

二、氣體放電的放電形式

正常狀態(tài)下氣體中存在少量帶電質(zhì)點(diǎn)，在電場(chǎng)作用下，帶電質(zhì)點(diǎn)沿著電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，形成電流。但是由于帶電質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量非常少，其形成的電流也極小，所以依然是很好的絕緣體。但是當(dāng)氣體壓力、電源效率、電極形狀等條件發(fā)生變化的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，被擊穿后的氣體放電形態(tài)在各種條件下各不相同，具體而言會(huì)產(chǎn)生以下幾種：

1.輝光放電

當(dāng)氣體壓力不大、電源功率很小的時(shí)候，將外部施加的電壓增加到一定值以后，電流在短時(shí)間內(nèi)大量增長(zhǎng)，管內(nèi)整個(gè)區(qū)域出現(xiàn)發(fā)光的現(xiàn)象。這種放電形式被稱為輝光放電。輝光放電的特性是電流密度不大，放電通常會(huì)發(fā)生在整個(gè)空間。而且放電時(shí)管端電壓較高，不具備短路的特性。輝光放電僅僅發(fā)生在氣壓較低的情況下。

2.電弧放電

隨著外回路中的阻抗減小，電流增大。當(dāng)電流增大到了某個(gè)數(shù)值時(shí)，放電的通道變窄，并且亮度越來(lái)越高，管端的電壓則下降，說(shuō)明通道的導(dǎo)電性越來(lái)越強(qiáng)，這時(shí)的放電就叫做電弧放電。電弧放電時(shí)電流密度很大，管端電壓很低，具有短路的特性。

3.火花放電

在較高的氣壓下，比如大氣壓力下，氣體擊穿后總是形成收窄的發(fā)光通道，而非分散到整個(gè)區(qū)域，此時(shí)稱之為火花放電?；鸹ǚ烹姷漠a(chǎn)生分為兩種情況：當(dāng)外回路中阻抗較大的時(shí)候或者當(dāng)外回路中阻抗很小且電源功率足夠大的時(shí)候。

4.電暈放電

隨著電壓的增大，在電極周圍電場(chǎng)最強(qiáng)的地方出現(xiàn)發(fā)光層，隨著電壓的繼續(xù)提高，發(fā)光層隨之變大，放電電流也逐漸增強(qiáng)。這種現(xiàn)象叫做電暈放電。電暈放電時(shí)，氣體間隙中只有小部分尚喪失絕緣性能，放電電流微弱，間隙依然可以耐受管端電壓。此時(shí)繼續(xù)增大電壓，從電暈電極中延伸出來(lái)很多的比較明亮的細(xì)放電通道，叫做刷狀放電。電壓再增大，最后氣體間隙整個(gè)被擊穿，根據(jù)電源功率的強(qiáng)弱而轉(zhuǎn)換成電弧放電或者是火花放電。

三、帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失

普通狀態(tài)下的氣體是中性不導(dǎo)電的，氣體導(dǎo)電并產(chǎn)生放電現(xiàn)象是因?yàn)闅怏w分子發(fā)生了電離，產(chǎn)生了充足的帶電粒子。

1.帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生

帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象發(fā)生的前提?？諝饨橘|(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)的形成主要有氣體分子的電離和金屬的表面電離兩種形式。

氣體分子的電離可以由碰撞電離、光電離、熱電離、電極表面電離這四種方式產(chǎn)生。

碰撞電離主要由電子和分子的碰撞所引發(fā)。電子在電場(chǎng)下被加速而獲得動(dòng)能，使其獲得擺脫原子核束縛的能量。當(dāng)電子從電場(chǎng)獲得的動(dòng)能大于氣體分子的電離能時(shí)，就有可能因?yàn)榕鲎捕沟脷怏w分子發(fā)生電離，產(chǎn)生電子與正離子。

光電離是指由光輻射引發(fā)的氣體分子的電離。由異號(hào)帶電粒子復(fù)合而成中性粒子釋放出光子，或者由激勵(lì)態(tài)分子回復(fù)到正常態(tài)釋放出光子，這是光游離發(fā)生的兩種來(lái)源。

熱電離是指由分子的熱運(yùn)動(dòng)而引發(fā)的氣體分子的電離。熱電離的本質(zhì)是氣體分子的熱狀態(tài)引起的碰撞電離和光電離的綜合。在常溫下，氣體分子發(fā)生熱電離的概率是極小的。當(dāng)溫度大于10000K的時(shí)候，才需要去考慮熱電離，而當(dāng)溫度大于20000K的時(shí)候，幾乎全部的分子都是出于熱電離狀態(tài)的。

以上的三種電離形式都產(chǎn)生于氣體空間中，所以這三種電離也稱之為空間電離。

金屬的表面電離是指金屬陰極表面逸出電子的過(guò)程。電子從金屬表面逸出，主要有四種形式，分別為正離子碰撞陰極的表面、光電子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射和熱電子發(fā)射。

2.帶電質(zhì)點(diǎn)的消失

帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)的消失主要有三種形式，分別為復(fù)合，擴(kuò)散，和進(jìn)入電極。

復(fù)合是指正負(fù)離子在相遇的時(shí)候，發(fā)生電荷的傳遞而相互中和從而還原為分子的過(guò)程。電子復(fù)合和離子復(fù)合都是以光子的形式釋放出多余的能量。一定條件下會(huì)導(dǎo)致其他氣體產(chǎn)生光電離，使得氣體放電階躍式發(fā)展。擴(kuò)散是指帶電質(zhì)點(diǎn)由濃度較大的空間移動(dòng)到其他濃度較小的空間的現(xiàn)象。進(jìn)入電極指的是在外電場(chǎng)作用下，氣體間隙中的正負(fù)電荷分別向兩個(gè)電極定向移動(dòng)的現(xiàn)象。帶電質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入電極會(huì)阻礙放電的發(fā)展。

四、氣體放電的兩個(gè)經(jīng)典理論——湯遜理論和流注理論

均勻電場(chǎng)中的放電分為自持放電與非自持放電。自持放電的過(guò)程不需要外界因素，僅由電場(chǎng)作用就可以維持。非自持放電需要外界電離因素，當(dāng)外界因素撤銷后放電過(guò)程隨之停止。

在上世紀(jì)初期，湯遜做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)其實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了適用于均勻電場(chǎng)、低氣壓、短間隙的氣體放電的理論。湯遜認(rèn)為，電子的碰撞電離和正離子撞擊陰極造成的表面電離對(duì)于氣體放電起著主要作用。但是僅適用于短間隙低氣壓條件下的輝光放電。湯遜理論沒(méi)有考慮放電過(guò)程中的空間電荷效應(yīng)，很難解釋一些現(xiàn)象，例如放電發(fā)生的速度領(lǐng)先于碰撞電離時(shí)，放電通道是不均勻的而呈折線形狀。

隨著氣體放電研究的發(fā)展，流注理論是由R.瑞特與J.M.米克在1937年提出的。湯遜理論為氣體放電的理論發(fā)展打下了基礎(chǔ)，流注理論總結(jié)了前人的經(jīng)驗(yàn)，補(bǔ)充完善了湯遜理論。流注理論著重說(shuō)明了空間電荷畸變電場(chǎng)的作用，認(rèn)為自持放電主要是由電子碰撞電離和空間光電離引起。流注理論適用于均勻電場(chǎng)、大氣壓、長(zhǎng)間隙氣體的擊穿。

五、非均勻電場(chǎng)中的氣體擊穿

為了比較各種條件下的電場(chǎng)的不均勻程度，引入電場(chǎng)不均勻系數(shù)f，它是最大場(chǎng)強(qiáng)和平均場(chǎng)強(qiáng)的比值。根據(jù)放電的特征，大致可以做如下區(qū)分：稍不均勻電場(chǎng)不均勻系數(shù)f<2；當(dāng)f>4后，屬于極不均勻電場(chǎng)；不均勻系數(shù)2

均勻電場(chǎng)：不存在極性效應(yīng)；稍不均勻電場(chǎng)：正極性大于負(fù)極性；極不均勻電場(chǎng)：放電起始電壓、正極性大于負(fù)極性擊穿電壓，負(fù)極性大于正極性。

當(dāng)電場(chǎng)極不均勻時(shí)，在大曲率電極附近空間局部場(chǎng)強(qiáng)首先達(dá)到周圍空氣發(fā)生強(qiáng)烈電離的數(shù)值。使得附近很薄的一層空氣形成自持放電，產(chǎn)生薄薄的淡紫色發(fā)光層。該放電僅僅發(fā)生在大曲率電極周圍很小的范圍內(nèi)，而整個(gè)氣體間隙未被擊穿，這種現(xiàn)象稱之為電暈放電。電暈放電會(huì)引起空氣的化學(xué)反應(yīng)，不但消耗能量，還產(chǎn)生臭氧等有害氣體、噪聲等污染。但是電暈放電在除塵器、靜電噴涂等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

六、影響氣體間隙放電的主要因素

影響氣體電介質(zhì)的條件有很多，主要有電壓強(qiáng)度、電板外形、氣體的性質(zhì)及狀態(tài)等。具體而言，電場(chǎng)情況的均勻、稍微不均勻、極不均勻，電壓形式的不同，包括直流、交流、雷電沖擊、操作沖擊等，以及大氣條件，如氣壓、溫度、濕度等，都會(huì)影響氣體間隙的放電現(xiàn)象，因此在實(shí)際工作中要考慮這些因素并進(jìn)行校正。

七、氣體放電研究現(xiàn)狀與前景

雖然在宏觀上氣體放電特性和放電的應(yīng)用方面取得了一些進(jìn)展，但對(duì)于放電形成機(jī)理的微觀方面，如氣體分子間的的運(yùn)動(dòng)等還缺乏深入的研究。當(dāng)前對(duì)于氣體放電的研究，根據(jù)研究目的，氣體放電可分為理論研究和應(yīng)用研究。

理論研究主要集中在氣體放電的物理過(guò)程，等離子體特性，放電機(jī)理和穩(wěn)定機(jī)理等方面，重點(diǎn)研究如何產(chǎn)生，穩(wěn)定和控制等離子體等問(wèn)題，探索各種放電機(jī)理。研究的應(yīng)用是基于對(duì)低溫等離子體理論研究中的各種實(shí)際問(wèn)題的技術(shù)應(yīng)用。應(yīng)用研究使用更多的實(shí)驗(yàn)方法，針對(duì)具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)相應(yīng)的等離子體生成和控制裝置，分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)實(shí)用甚至工業(yè)設(shè)備。

自上世紀(jì)末到現(xiàn)在，氣體放電研究及其應(yīng)用取得了飛速的發(fā)展。氣體放電技術(shù)由于其在中等壓力或高于大氣壓力下實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、宏觀均勻和強(qiáng)烈的微放電，可廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域，不僅僅是電力工程中，在很多方面都有較好的發(fā)展前景。

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