论气体放电理论及其放电形式

徐超++张丽丽++张雨晨++王越

摘 要：气体作为电力设备的主要绝缘介质对于电力设备的安全稳定运行有重要的作用。了解气体放电的理论和放电形式对提高电力设备的绝缘水平有重要的指导意义。本文具体介绍了气体放电理论及常见的几种放电形式。

关键词：气体放电 电气绝缘 电子雪崩

1、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 [1]。

在一定的条件下，气体也会出现放电现象，甚至完全转化为导体，严重威胁高压电气设备的运行安全。因此了解气体放电的理论和放电形式对提高电力设备的绝缘水平有重要的指导意义。本文具体介绍了气体放电理论及常见的几种放电形式。

2、气体放电理论

气体放电理论主要包括汤生放电理论和流注理论。

2.1汤森放电理论

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[2]：

（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，与气体中性粒子頻繁碰撞，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：

（1）

由α过程可知，放电空间中新产生的电子数为：

（2）

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： 。这些正离子打到阴极上，引起的阴极二次电子发射数为 。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。

2.2流注理论

汤森理论无法解释高气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。如图1（a）所示，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， 就会出现如图1（b）所示的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，形成正离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，会形成如图1（c）所示的许多小的电子雪崩，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，如图1（d）所示的流注就会形成，引起放电[3]。

3、大气压下的几种放电形式

常见的气体放电形式主要包括电晕放电、辉光放电和弧光放电。

3.1电晕放电

电晕放电一般发生在极不均匀电场中。在曲率半径很大的电极上、电极尖端、边缘部位发生局部的类似月亮晕光的光层，这种现象即为电晕放电[4]。电晕放电是自持放电，电流在微安级别。如果在电晕条件下，继续升高电压，在电晕电极上将出现很多明亮的类似刷状的现象，放电电流比电晕放电大的多，这种类型称为刷状放电。

3.2辉光放电

辉光放电是气体放电中一种重要的放电形式。它放电电流的密度小，维持电压较高。放电电流一般介于几毫安和几百毫安。它是一种稳定的自持放电，能产生均匀稳定的放电现象。比如街头上霓虹灯中看到的发出非常柔和的光的放电现象。

3.3弧光放电

弧光放电是一种阴极位降低、电流密度大、温度和发光度高的气体放电现象。弧光放电用途很广，利用其阴极位降低、电流密度大的特性，可制造闸流管、整流管和汞弧整流器等；根据其高温特性，可用于对难熔金属进行切割、焊接和喷涂；其发光特性，可用来制造高亮度、高光效的放电灯，如高压汞灯、金属卤化物等等。但是在某些场合，电弧是有害的，需采取灭弧措施。

4、总结

对于电力设备的绝缘来说，很多气体是其重要的绝缘材料，了解气体放电的理论与机理对提高电气设备的绝缘水平具有重大的指导意义。

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.

[3]武占成，张希军，胡有志.气体放电[M].北京.国防工业出版社.2012.

[4]管文华.大气压辉光放电的数值模拟方法研究.[硕士学位论文].大连.大连理工大学.2008.