高電壓技術(shù)中的氣體放電及其應(yīng)用分析

李銘展

摘要：高電壓技術(shù)中，氣體放電應(yīng)用廣泛。本文主要對(duì)高電壓技術(shù)中氣體放電的現(xiàn)象進(jìn)行研究，分析產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象的因素，并對(duì)氣體放電在我國電力工程、工業(yè)生產(chǎn)以及化學(xué)生產(chǎn)中甲烷轉(zhuǎn)化的應(yīng)用情況進(jìn)行過深入研究，充分了解高電壓技術(shù)中國氣體放電對(duì)我國各方面的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：高電壓;氣體放電;放電應(yīng)用

引言：氣體放電屬于一種自然的現(xiàn)象，在自然環(huán)境中，宇宙射線放射到處于絕緣狀態(tài)的氣體上，會(huì)導(dǎo)致氣體電壓升高，最后產(chǎn)生放電現(xiàn)象。我國工業(yè)生產(chǎn)以及電力工程行業(yè)的發(fā)展離不開對(duì)高電壓技術(shù)下氣體放電現(xiàn)象的研究利用。因此，高效利用高電壓技術(shù)下氣體放電資源，能夠促進(jìn)工業(yè)生以及電力工程等行業(yè)的發(fā)展。

1 高電壓技術(shù)中氣體放電原因分析

自然狀態(tài)下的絕緣氣體經(jīng)過宇宙射線的照射，會(huì)攜帶少量的帶電粒子，如果對(duì)氣體施加電場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致氣體中所有帶電粒子在外力的作用下沿著電場(chǎng)的方向移動(dòng)，帶電粒子的高速移動(dòng)會(huì)形成電流。當(dāng)把電場(chǎng)強(qiáng)度提高到一定的程度，氣體中存在的帶電粒子將形成傳導(dǎo)性較高的電流通道。此時(shí)，氣體間隙很有可能被帶電粒子擊穿，最終造成氣體放電，氣體放電由此得來。氣體放電的時(shí)候，氣體分子會(huì)被電離成為電子和離子，形成低溫等離子。當(dāng)處于最小單位的氣體原子接受外能時(shí)，將差生一定的能級(jí)變化，能級(jí)變化又會(huì)使電子能量不守恒跳至更高的運(yùn)動(dòng)軌道。此時(shí)，氣體中原子處于被激發(fā)狀態(tài)。外部能量的引入使得氣體原子和電子能夠快速脫離原子核的束縛，造成自由電子和正離子的產(chǎn)生[1]。受到放電模式、外界激勵(lì)電源的影響，被宇宙射線照射最終會(huì)形成放電現(xiàn)象。

氣體放電需要一定的外界條件，當(dāng)氣壓足夠大時(shí)，采用可能產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象。國際上根據(jù)氣體放電類型，將氣體放電劃分為兩種，分別為非自持放電和自持放電。氣體擊穿的過程即使氣體從非自持狀態(tài)變?yōu)樽猿譅顟B(tài)的過程，氣體擊穿是等離子體產(chǎn)生的唯一方式。例如，利用紫外線對(duì)氣體進(jìn)行照射并在電極上施加電壓，會(huì)使氣體中的帶電粒子沿著相同方向運(yùn)動(dòng)，形成電流，最后造成氣體放電。去掉電離源，也就是撤掉施加電壓，將無法產(chǎn)生氣體放電現(xiàn)象。因此，高電壓是實(shí)氣體放電的最主要條件之一。

2 氣體放電在高電壓技術(shù)中的應(yīng)用分析

2.1 電力工程中的應(yīng)用

氣體放電常被電力企業(yè)用來進(jìn)行電力生產(chǎn)，由于電力工程電場(chǎng)多為非均勻電場(chǎng)，雷電等自然因素對(duì)氣體放電的影響較大。雷電擊穿空氣中的氣體之后，會(huì)產(chǎn)生很明顯的極性效應(yīng)，造成長時(shí)間的氣體放電現(xiàn)象。當(dāng)電力工程企業(yè)施加電壓不足的時(shí)候，整個(gè)氣體間隙之間將發(fā)生局部放電現(xiàn)象，電暈放電就是一個(gè)例子。局部放電可能帶來能量損耗，導(dǎo)致工程設(shè)備產(chǎn)生光、熱等效應(yīng)并造成局部損壞。因此在電力工程中，在進(jìn)行氣體放電實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能使用低壓進(jìn)行氣體擊穿，會(huì)造成設(shè)備損耗。應(yīng)當(dāng)使用高壓進(jìn)行氣體擊穿，加強(qiáng)氣體放電的使用，最大程度限制電暈帶來的損失。

電力工程中主要使用多間隙氣體放電管模型，該模型由陰極區(qū)和陽極區(qū)組成，當(dāng)雷電等電流穿過該模型時(shí)，陰極區(qū)將產(chǎn)生較大的電場(chǎng)強(qiáng)度，在強(qiáng)大電場(chǎng)的作用下，形成等離子體。等離子體從陰極快速流向陽極，從而形成電流。在模型的陽極區(qū)，電子加速碰撞原子，引發(fā)連續(xù)的電離現(xiàn)象。當(dāng)雷電等強(qiáng)電流進(jìn)入模型時(shí)，模型放電管將產(chǎn)生高電壓電容器短路，模型放電管將瞬間獲得高電位，造成模型陰陽極產(chǎn)生電位差，發(fā)生氣體間隙穿透。將模型能量導(dǎo)入地面，最終促使模型放電管恢復(fù)原來的高阻抗?fàn)顟B(tài)，最終致使雷電流得到釋放，將放管絕緣狀態(tài)改變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，有效避免雷電在成的電力工程設(shè)備損耗。

2.2 工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)中，大氣壓輝光是主要的氣體擊穿電壓來源，輝光具有較低的擊穿電壓，較低的電壓通過能夠?qū)崿F(xiàn)氣體擊穿并且穩(wěn)定且均勻地放電。整個(gè)放電過程不需要較高的氣體活性粒子數(shù)量，放電現(xiàn)象在真空中就能完成。因此，我國的工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常使用到大氣壓輝光放電。輝光作為最主要的放電形式，放電較為穩(wěn)定、均勻[2]。在日常生活中，電燈泡等就利用了輝光放電。工業(yè)生產(chǎn)主要使用圓形玻璃管模型進(jìn)行輝光放電，在圓形玻璃管的兩端，設(shè)置兩個(gè)平板電極，并于圓管中放入一定量的氣體，在兩極施加一定程度大小的電壓。慢慢增加電壓強(qiáng)度，當(dāng)電壓增大都一定程度時(shí)，圓管中的玻璃將被擊穿，氣體被擊穿后，圓管模型外電路電流的影響將實(shí)現(xiàn)輝光放電區(qū)穩(wěn)定放電。

例如，我國工業(yè)生產(chǎn)中，等離子體顯示屏的生產(chǎn)實(shí)際上就是完成大量微小圓管輝光等的組合。在真空鍍膜工藝中，亦可以使用等離子體具有的輻射效應(yīng)進(jìn)行靶材轟擊，轟擊致使靶材原子和離子的產(chǎn)生，兩種粒子數(shù)量的增多最后將沉淀成為工業(yè)所需薄膜。在我國工業(yè)生產(chǎn)中，使用弧光工藝能夠進(jìn)行化工材料的焊接。當(dāng)施加的氣體放電電壓達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，氣體間隙中將產(chǎn)生大量的電流。降低電壓到一定大小并保持恒定時(shí)，電弧放電可以維持穩(wěn)定燃燒，高溫促使化學(xué)材料表面化學(xué)鍵斷裂，當(dāng)溫度回到正常數(shù)值時(shí)，化工材料會(huì)進(jìn)行化學(xué)鍵復(fù)合，最終實(shí)現(xiàn)化工材料焊接。

隨著脈沖電源技術(shù)的發(fā)展，用于激勵(lì)氣體放電產(chǎn)生等離子體的納秒脈沖電源得到了很大程度的應(yīng)用，這種電源能夠促使氣體進(jìn)行均勻放電，有利于甲烷燃燒轉(zhuǎn)化和點(diǎn)火助燃等方面的工業(yè)應(yīng)用。

2.3 化學(xué)生產(chǎn)中的甲烷轉(zhuǎn)化

氣體放電產(chǎn)生的等離子體可用于化學(xué)生產(chǎn)中甲烷轉(zhuǎn)化的研究，甲烷轉(zhuǎn)化屬于等離子體技術(shù)與化學(xué)工程能源的交叉，近年來，世界各國對(duì)氣體放電的研究越來越頻繁。自上個(gè)世紀(jì)九十年代以來，美國、日本、德國等很多國家就對(duì)氣體放電等離子體甲烷轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象進(jìn)行了深入的研究。氣體放電產(chǎn)生的等離子體能夠促進(jìn)甲烷轉(zhuǎn)化效率的提高，并能控制甲烷轉(zhuǎn)化生成的產(chǎn)物。化學(xué)上通過點(diǎn)脈沖電暈放電產(chǎn)生等離子體，能夠?qū)⒓淄檗D(zhuǎn)化成乙炔，經(jīng)過等離子體的作用，甲烷轉(zhuǎn)化效率可提高50%以上，并將乙炔選擇性提高至95%以上。

國外有人研究了DBD甲烷轉(zhuǎn)化，制備出了高碳烴。在高碳烴的制備過程中，分別對(duì)電壓、等離子體停留時(shí)間以及添加氣等因素進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，甲烷的轉(zhuǎn)化效率會(huì)隨和等離子體停留時(shí)間的增長而得到相應(yīng)的提高，甲烷轉(zhuǎn)化產(chǎn)物不變，不受停留時(shí)間的影響。在我國，天津大學(xué)、大連理工大學(xué)等多所大學(xué)相繼開展了等離子體甲烷轉(zhuǎn)化研究，通過使用氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體，進(jìn)行了高效催化劑的制作，高效催化劑能夠降低甲烷燃燒的溫度，提高轉(zhuǎn)化效率。相關(guān)科技人員通過使用脈沖電暈和脈沖直流進(jìn)行氣體放電試驗(yàn)，放電產(chǎn)生的低溫等離子體對(duì)甲烷的轉(zhuǎn)化效率有一定的提高作用，并對(duì)電氣特征與影響甲烷轉(zhuǎn)化率的因素進(jìn)行了研究，最終提出同軸結(jié)構(gòu)反應(yīng)器并應(yīng)用于實(shí)際生活中。

總的來說，我國化學(xué)生產(chǎn)方面，主要集中于甲烷轉(zhuǎn)化和重整制氫的轉(zhuǎn)化率和選擇性研究，通過改變操作條件，提高甲烷的轉(zhuǎn)化效率。氣體放電產(chǎn)生的等離子體對(duì)甲烷的轉(zhuǎn)化有很大的促進(jìn)作用，因此，在我國的化學(xué)生產(chǎn)中，技術(shù)人員要合理利用氣體放電現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)甲烷化學(xué)轉(zhuǎn)化效率的提高，制作各種化學(xué)物品，促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升，提升國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力。

結(jié)語：綜上所述，高電壓技術(shù)下，氣體放電對(duì)國家各方面的研究有很大的作用。因此，電力工程、工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)要合理利用氣體放電資源，進(jìn)行電力生產(chǎn)，提高自然資源利用率，促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)健康快速發(fā)展。加大氣體放電技術(shù)宣傳，最大化氣體放電社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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