气体放电过程的分析

气体放电过程的分析
摘要:气体电介质，特别是空气，是电力系统中最重要的绝缘介质。

对气体放电过程进行分析，研究气体电介质的绝缘特性具有十分重要的意义。

而气体放电又受气体间隙、环境电场影响，其过程的分析需要各种理论的支持。

关键字：气体放电、带电质点、气体间隙、电子崩、汤逊理论、流注理论
K
一、气体中带电质点的产生与消失
1．气体中带电质点的产生
气体的特点：气体的分子间距很大，极化率很小，因此，介电常数都接近于1。

纯净的、中性状态的气体是不导电的，只有气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，才可能导电，并在电场作用下发展成为各种形式的气体放电现象。

气体导电的原因：气体中出现了带电质点（电子、正离子、负离子）以后，游离出来的自由电子、正离子和负离子在电场作用下移动，从而形成气体电介质的电导层。

气体带电质点的来源：有两个，一是气体分子本身发生游离（包括撞击游离、光游离、热游离等多种形式）；二是放在气体中的金属发生表面游离。

2．气体中带电质点的消失
气体中带电质点的消失主要有下列三种方式：带电质点受电场力的作用流入电极并中和电量；带电质点的扩散；带电质点的复合。

1）带电质点受电场力的作用而流入电极，中和电量
带电质点在电场力的作用下受到加速，在向电场方向运动途中会不断地与气体分子相碰撞，碰撞后会发生散射，但从宏观来看，是向电场方向作定向运动的。

其平均速度开始是逐渐增加的（因受电场力的加速），但随着速度的增加，碰撞时失去的动能也增加，最后，在一定的电场强度下，其平均速度将达到某个稳定值。

这一平均速度称为带电质点的驱引速度。

2）带电质点的扩散
带电质点的扩散就是指这些质点会从浓度较大的区域转移到浓度较小的区域，从而使带电质点在空间各处的浓度趋于均匀的过程。

带电质点的扩散是由杂乱的热运动造成的，而不是由于同号电荷的电场斥力造成的，因为即使在很大的浓度下，离子之间的距离仍大到静电力起不到什么作用的程度。

电子的直径比离子的直径小很多，在运动中受到的碰撞也比离子少得多，因此电子的扩散比离子的扩散快得多。

3）带电质点的复合
带有异号电荷的质点相遇，发生电荷的传递、中和而还原为中性质点的过程称为复合。

复合时，质点原先在游离时所吸取的游离能通常将以光子的形式如数放出。

对负离子来说，复合的过程就是从负离子上游离出原先吸附的一个电子。

二、汤逊理论
气隙击穿的过程，就是各种形式的游离持续发展的过程。

在不同情况下，各
种游离所起作用的强弱不同，气隙击穿的机理也就有差别。

对气隙击穿影响最大的因素δ·S，其中δ为气体的相对密度，S为极间距离。

汤森德机理：
当δ·S值较小时，电子的撞击游离和正离子撞击金属阴极所造成的表面游离起主要作用，气隙的击穿电压大体上是δ·S 的函数。

这就是汤森德（Townsend）机理，是英国物理学家汤森德（Townsend）在二十世纪初提出来的。

对空气来说，一般认为，在δ·S<0.26cm时，汤森德机理是比较符合实际的。

图1.1 气体间隙放电实验原理图及其伏安特性
(a)实验原理图；(b)气隙中的伏安特性
电子崩：在电场作用下电子从阴极向阳极推进而形成的一群电子
图1.2电子崩形成示意图
放电形式
辉光放电：放电路径分布在整个电极间的空间里
电弧放电：电极间导电性非常好的一种自持放电，是气体放电的最终阶段，电弧放电的特征是维持放电的电压低，而流过的电流比较大。

电晕放电：电场不均匀的情况下，间隙中只是一部分发生电离，这种局部满足自持放电条件的放电现象称为电晕放电。

火花放电：火花放电时，碰撞电离并不发生在电极间的整个区域内，只是沿着狭窄曲折的发光通道进行，并伴随爆裂声。

三、流注理论
流注机理：
当δ·S值较大时，空间电荷量可能达到很大，使电场强烈畸变，形成局部强场；同时，大量空间电荷的复合，产生光子，造成空间光游离，在局部强场中，发展成为衍生电子崩；衍生电子崩与主电子崩汇合发展，形成流注。

考虑了这些因素后，气体放电机理就有了新的发展，称为流注机理。

对空气来说，一般认为，在δ·S >0.26cm 范围内，流注机理比较符合实际。

流注的形成条件
流注的形成与发展：正流注发展机理(1)原始电子崩；(2)发展中的流注
流注的形成条件就是流注理论的自持放电条件
放电过程
有效电子(经碰撞游离)-----电子崩(畸变电场)-----发射光子(在强电场作用下)-----产生新的电子崩(二次崩)-----形成混质通道(流注)-----由阳极向阴极(阳极流注)或由阴极向阳极(阴极流注)击穿.。

四、不均匀电场中的放电过程
电场的不均匀系数：Ke=Emax/Eav
Ke<2，稍不均匀电场（GIS ）
Ke>4，极不均匀电场 （输电线）
1.电晕放电
电晕放电： 在电场极不均匀时，随间隙上所加电压的升高，在大曲率电极附近很薄一层空气中将具备自持放电条件，放电仅局限在大曲率电极周围很小范围内，而整个间隙尚未击穿，这种放电称为电晕放电 。

电晕放电是极不均匀电场所特有的一种自持放电形式
2.极性效应
原则：决定极性要看表面场强较强的那个电极 所具有的极性。

在两个电极几何形状不同 的场合(如棒.板间隙)，极性取决于大曲率 半径的那个电极的极性，而在两个电极几 何形状相同的场合(如棒.棒间隙)，则极性 取决于不接地的那个电极的极性。

极不均匀电场的放电特点：
气隙较小时，间隙放电大致可分为电子崩、流注和主放电阶段。

长间隙的放电则可分为电子崩、流注、先导和主放电阶段。

间隙越长，先导过程就发展得越充分。

e 1s αγ=1
ln s αγ=1
ln 20
s αγ=≈对于空气间隙：
五、气隙的伏秒特性
气隙的击穿，需要一定的时间才能完成，对于不是持续作用的、而是脉冲性质的电压，则气隙的击穿电压就与该电压作用的时间有很大关系。

同一个气隙，在峰值较低但延续时间较长的冲击电压作用下可能击穿，而在峰值较高但延续时间较短的冲击电压作用下可能反而不击穿，所以，对于非持续作用的电压来说，一个气隙的耐电性能就不能单一地用“击穿电压”值来表达了，而是对于某一定的电压波形，必须用电压峰值和击穿时间这两者共同来表达，这就是该气隙在该波形下的伏秒特性。

同一气隙在同一电压（包括波形和峰值）作用下，每次击穿前时间也不完全一样，具有一定的分散性。

因此，一个气隙的伏秒特性不是一条简单的曲线，而是一组曲线族，如图3－7所示。

族中各曲线代表不同击穿几率下的伏秒特性。

例如ψ=0.7的曲线表示有70％的击穿次数，其击穿前时间是小于该曲线所标时间的。

参考文献:
1.高电压技术/马永翔, 北京-北京大学出版社2009.01
2.高电压技术/周浩、余虹云、陈剑萍编著，浙江大学出版社2007
3.高电压技术/赵智大, 中国电力出版社2006.08。