高電壓技術中的氣體放電及其應用探析

徐成 縱兆丹

摘要：氣體放電是一種重要的放電現象，廣泛地存在于人們的日常生活中，并且在工業中獲得了廣泛地應用，研究氣體放電對于認識和了解科技發展水平具有重要的意義。本文闡述了氣體放電的產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中的氣體放電及其應用探析。

關鍵詞：高電壓技術;氣體放電;應用

引言

眾所周知，對氣體施加一定的電壓后，氣體會發生放電現象，也就是說氣體發生導電，不具有絕緣的特性，此時形成了等離子體。氣體放電被廣泛地應用于科學研究和工業中，同時，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，研究和認識氣體放電對于了解當今的科學技術發展水平具有重要意義。

1.高電壓技術中的氣體放電概論

在電力系統中，氣體是一種應用得相當廣泛的絕緣材料。如架空輸電線、母線、隔離開關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，構成絕緣的一部分。SF6氣體從被發現至今僅一百余年的歷史，它作為高壓絕緣材料的廣泛應用促進了輸變電技術及高壓絕緣技術的飛速發展。氣體有著固體和液體等其它絕緣介質所沒有的優良特性，比如氣體不存使用壽命的問題;常用的絕緣氣體如空氣、氮氣以及SF6氣體化學穩定性好，不燃不爆，有很高的可靠性和安全性。氣體絕緣開關（GasInsulated Switchgear簡稱GIS）由于具有占地面積小，可靠性高，安全性強，維護工作量很小等優點，加之在經濟上的優越性和技術上的先進性，已被廣泛的應用于高壓輸變電系統。而且氣體放電理論的實驗和研究成果不但為高電壓絕緣技術發展提供堅實的理論基礎，也同時促進了其他學科的技術進步與發展，包括等離子體刻蝕、等離子體推進、磁流體發電、加速器氣體激光器等新興技術領域。

2.氣體放電研究現狀

氣體放電是研究放電過程中各種帶電粒子的產生、消失、相互作用以及運動規律的學科。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電、等離子體切割及等離子體推進和受控熱核反應等方面都得到飛速發展和具體應用。

與其他物理學科一樣，對氣體放電的研究也是通過在實驗研究的基礎上進行理論探索的方式進行的。從1858年電子被發現開始，對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科的理論基礎，而且也總結出了比較成熟的實驗方法和大量寶貴的實驗數據。但是，由于氣體放電問題本身就是一個廣闊的研究領域，其中會遇到物質的各個結構層面（包括分子、原子、光子和電子），影響因素非常多，所以至今，對于氣體放電現象的實驗研究和理論探索仍沒有一套完整而成熟的體系，還處于發展階段。

高電壓技術中，研究氣體放電的主要任務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性質、電場分布以及氣體狀態等多種因素的影響。常用的絕緣介質分為固、液、氣三類，氣體放電理論相對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性使得目前還無法準確的計算擊穿電壓。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制，對于探索新的絕緣技術、尋找新的絕緣材料、改進現有絕緣設備、防止各種絕緣事故具有實際意義。

3.高電壓技術中的氣體放電及其應用

常用絕緣氣體的種類有很多，SF6目前仍舊在電力系統高壓技術介質中占據著難以替代的穩固地位。盡管SF6氣體擁有其他氣體介質無法比擬的優良絕緣特性，但是其在放電過程中產生的分解物有劇毒，而且其對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氣體在高電壓技術設備中的廣泛應用，其泄露問題也被世界環境組織格外關注，據計算，每減少1噸SF6氣體排放量，按GWP（全球溫暖化系數）換算，就相當于減少了24000噸的C02氣體排放量。

3.1湯森放電理論應用

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。為了描述氣體導電中的電離現象，湯森提出了三種電離過程，并引入三個對應的電離系數：

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

假設氣體空間為均勻電場，單位時間內從陰極單位面積上發射出的電子數為n0，這些初始電子在電場作用下，向陽極方向運動，與中性粒子發生頻繁碰撞，進而發生碰撞電離。即從陰極發出的一個電子，向陽極運動的過程中，若不斷發生碰撞電離，新產生的電子數將迅猛增加，這種現象成為電子雪崩。

n0個初始電子發生電子雪崩，單位時間內到達陽極表面單位面積的電子數為e0，放電空間中新產生的電子數為e1。

電離過程中產生一個電子的同時也產生一個正離子，因此放電空間中的離子數也為e1。這些正離子打到陰極上，引起的陰極二次電子發射數為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射。以此類推，不斷循環。顯然，當時，二次電子發射才能持續進行，放電達到自持。

3.3流注理論應用

湯森理論無法解釋高電壓中的放電起始現象，因而引入流注理論。流注理論強調α作用、光電離效應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生的偶然電子，其可作為放電的種子電子。當氣體間隙內施加的外部電場為E0時，放電間隙內不斷發生碰撞電離，形成電子雪崩。電子雪崩在電場的作用下，繼續向陽極一側運動。電子質量小，速度大，位于電子雪崩的頭部。而離子質量大，速度小、幾乎處于靜止狀態。正離子會在放電間隙內形成與外加電場E0方向相反的電場Er。當時， 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，會形成許多小的電子雪崩，從而使放電通道向陽極擴展。當等離子體通道擴展到陽極時，流注就會形成，引起放電。

引言

幾乎所有的電氣設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備內的空氣，為保證高壓用電的安全提供了可能。理想狀態下的空氣不存在帶電粒子，故而其不導電。但事實上，在外界宇宙射線和地下放射性物質的高能輻射線的作用下，大氣壓下每立方厘米體積內的空氣約有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 。

參考文獻

[1]趙智大等.高電壓技術[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[M].四川.西南交通大學出版社.2001.