高電壓技術(shù)中的氣體放電及其應(yīng)用探析

徐成 縱兆丹

摘要：氣體放電是一種重要的放電現(xiàn)象，廣泛地存在于人們的日常生活中，并且在工業(yè)中獲得了廣泛地應(yīng)用，研究氣體放電對(duì)于認(rèn)識(shí)和了解科技發(fā)展水平具有重要的意義。本文闡述了氣體放電的產(chǎn)生條件和氣體放電等離子體的特性，并且介紹了高電壓技術(shù)中的氣體放電及其應(yīng)用探析。

關(guān)鍵詞：高電壓技術(shù);氣體放電;應(yīng)用

引言

眾所周知，對(duì)氣體施加一定的電壓后，氣體會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，也就是說氣體發(fā)生導(dǎo)電，不具有絕緣的特性，此時(shí)形成了等離子體。氣體放電被廣泛地應(yīng)用于科學(xué)研究和工業(yè)中，同時(shí)，氣體放電在人們的日常生活中也廣泛地存在，例如閃電、日光燈等。因此，研究和認(rèn)識(shí)氣體放電對(duì)于了解當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平具有重要意義。

1.高電壓技術(shù)中的氣體放電概論

在電力系統(tǒng)中，氣體是一種應(yīng)用得相當(dāng)廣泛的絕緣材料。如架空輸電線、母線、隔離開關(guān)的斷口處等都是完全依靠空氣作為絕緣的。還有些雖然不完全依靠空氣作為絕緣，但空氣包圍在它們的外部，構(gòu)成絕緣的一部分。SF6氣體從被發(fā)現(xiàn)至今僅一百余年的歷史，它作為高壓絕緣材料的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了輸變電技術(shù)及高壓絕緣技術(shù)的飛速發(fā)展。氣體有著固體和液體等其它絕緣介質(zhì)所沒有的優(yōu)良特性，比如氣體不存使用壽命的問題;常用的絕緣氣體如空氣、氮?dú)庖约癝F6氣體化學(xué)穩(wěn)定性好，不燃不爆，有很高的可靠性和安全性。氣體絕緣開關(guān)（GasInsulated Switchgear簡稱GIS）由于具有占地面積小，可靠性高，安全性強(qiáng)，維護(hù)工作量很小等優(yōu)點(diǎn)，加之在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)越性和技術(shù)上的先進(jìn)性，已被廣泛的應(yīng)用于高壓輸變電系統(tǒng)。而且氣體放電理論的實(shí)驗(yàn)和研究成果不但為高電壓絕緣技術(shù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也同時(shí)促進(jìn)了其他學(xué)科的技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展，包括等離子體刻蝕、等離子體推進(jìn)、磁流體發(fā)電、加速器氣體激光器等新興技術(shù)領(lǐng)域。

2.氣體放電研究現(xiàn)狀

氣體放電是研究放電過程中各種帶電粒子的產(chǎn)生、消失、相互作用以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科。依氣體壓力、施加電壓、電極形狀、電源頻率的不同，氣體放電有多種多樣的形式。主要的形式有暗放電、輝光放電、電弧放電、電暈放電、火花放電、高頻放電等。近年來，氣體放電在磁流體發(fā)電、等離子體切割及等離子體推進(jìn)和受控?zé)岷朔磻?yīng)等方面都得到飛速發(fā)展和具體應(yīng)用。

與其他物理學(xué)科一樣，對(duì)氣體放電的研究也是通過在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行理論探索的方式進(jìn)行的。從1858年電子被發(fā)現(xiàn)開始，對(duì)于氣體放電的研究就沒有停止過，大量研究取得的豐碩的成果不僅奠定了氣體放電學(xué)科的理論基礎(chǔ)，而且也總結(jié)出了比較成熟的實(shí)驗(yàn)方法和大量寶貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是，由于氣體放電問題本身就是一個(gè)廣闊的研究領(lǐng)域，其中會(huì)遇到物質(zhì)的各個(gè)結(jié)構(gòu)層面（包括分子、原子、光子和電子），影響因素非常多，所以至今，對(duì)于氣體放電現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)研究和理論探索仍沒有一套完整而成熟的體系，還處于發(fā)展階段。

高電壓技術(shù)中，研究氣體放電的主要任務(wù)是研究各種氣體間隙的耐（放）電電壓。氣體間隙的耐電電壓受到介質(zhì)性質(zhì)、電場分布以及氣體狀態(tài)等多種因素的影響。常用的絕緣介質(zhì)分為固、液、氣三類，氣體放電理論相對(duì)于其他二者來說是最完整的，但仍然很不完善，氣體放電影響因素的多樣性以及放電過程的隨機(jī)性使得目前還無法準(zhǔn)確的計(jì)算擊穿電壓。深入研究氣體放電過程的各種影響因素，探索氣體間隙的放電機(jī)制，對(duì)于探索新的絕緣技術(shù)、尋找新的絕緣材料、改進(jìn)現(xiàn)有絕緣設(shè)備、防止各種絕緣事故具有實(shí)際意義。

3.高電壓技術(shù)中的氣體放電及其應(yīng)用

常用絕緣氣體的種類有很多，SF6目前仍舊在電力系統(tǒng)高壓技術(shù)介質(zhì)中占據(jù)著難以替代的穩(wěn)固地位。盡管SF6氣體擁有其他氣體介質(zhì)無法比擬的優(yōu)良絕緣特性，但是其在放電過程中產(chǎn)生的分解物有劇毒，而且其對(duì)于全球氣候變暖的影響也越來越引起人們的注意。近年來，隨著SF6氣體在高電壓技術(shù)設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，其泄露問題也被世界環(huán)境組織格外關(guān)注，據(jù)計(jì)算，每減少1噸SF6氣體排放量，按GWP（全球溫暖化系數(shù)）換算，就相當(dāng)于減少了24000噸的C02氣體排放量。

3.1湯森放電理論應(yīng)用

1903年，英國物理學(xué)家湯森提出了第一個(gè)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(gè)對(duì)應(yīng)的電離系數(shù)：

（1）電子在向陽極運(yùn)動(dòng)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(gè)過程稱為α過程。

（2）正離子在向陰極運(yùn)動(dòng)的過程中，與氣體中性粒子頻繁碰撞，也會(huì)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(gè)正離子在向陰極運(yùn)動(dòng)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(yuǎn)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(gè)過程稱為γ過程。

假設(shè)氣體空間為均勻電場，單位時(shí)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(yùn)動(dòng)，與中性粒子發(fā)生頻繁碰撞，進(jìn)而發(fā)生碰撞電離。即從陰極發(fā)出的一個(gè)電子，向陽極運(yùn)動(dòng)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(gè)初始電子發(fā)生電子雪崩，單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)陽極表面單位面積的電子數(shù)為e0，放電空間中新產(chǎn)生的電子數(shù)為e1。

電離過程中產(chǎn)生一個(gè)電子的同時(shí)也產(chǎn)生一個(gè)正離子，因此放電空間中的離子數(shù)也為e1。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e2。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(yùn)動(dòng)，碰撞電離出新的電子。同時(shí)，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(dāng)時(shí)，二次電子發(fā)射才能持續(xù)進(jìn)行，放電達(dá)到自持。

3.3流注理論應(yīng)用

湯森理論無法解釋高電壓中的放電起始現(xiàn)象，因而引入流注理論。流注理論強(qiáng)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。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(dāng)氣體間隙內(nèi)施加的外部電場為E0時(shí)，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(yùn)動(dòng)。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?fàn)顟B(tài)。正離子會(huì)在放電間隙內(nèi)形成與外加電場E0方向相反的電場Er。當(dāng)時(shí)， 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(qiáng)，會(huì)形成許多小的電子雪崩，從而使放電通道向陽極擴(kuò)展。當(dāng)?shù)入x子體通道擴(kuò)展到陽極時(shí)，流注就會(huì)形成，引起放電。

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(shí)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(duì)正負(fù)帶電粒子。但是即使如此，空氣仍不失為一種相當(dāng)理想的電介質(zhì) 。

參考文獻(xiàn)

[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(yàn)技術(shù)[M].四川.西南交通大學(xué)出版社.2001.