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浅谈气体放电在高电压技术中的应用和发展

2020-02-27 811 上传者：管理员

摘要：近年来，高电压技术赢得了人们的广泛关注。基于此，本文对高电压技术中的气体放电机理和特性进行了介绍和分析，并结合气体放电条件对其在电力工程和工业生产中的应用问题展开了深度探讨，以期为关注这一话题的人们提供参考。

关键词：
气体放电
电子和离子
等离子体
高电压技术
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1、高电压技术中的气体放电分析

1.1 气体放电概念

在自然状态下，气体处于绝缘状态。受宇宙射线、地下放射性物质的影响，气体中含有少量带电粒子。如果在外施加电场，将导致气体中的带电粒子在强电场作用下沿着电场方向移动，在间隙中形成电导电流。在气体间隙上电压升高到一定数值，将形成传导性较高的通道，使得气体间隙被瞬间击穿，发生气体放电的现象，导致气体分子被电离成为电子和离子^[1]。而气体放电是导致低温等离子体产生的主要方式，在最小位能的气体原子接受外能时，将引发能级变化，促使电子跃迁至能级较高轨道，使原子呈激发状态。

从外部获得足够大的能量，能够使原子或电子脱离原子核束缚，促使自由电子和正离子的产生。产生的等离子体作为物质的第四态，拥有不同的物性和规律。而其特性与放电特性之间关系密切，受激励电源、放电模式等各种因素的影响，将产生各种气体放电形式。按照放电属性、结构等不同方式，可以划分为多种类型，如介质阻挡放电、滑动放电、汤生放电、电弧放电等等。

如表1所示，为典型产生等离子体的不同放电模式及相关参数^[2]。在工频交流、直流等常规条件下，气体放电折合电厂强度和过电压倍数普遍不高。而在高气压下，滑动放电折合的电场强度在10Td-100Td范围内，由辉光放电和火花放电构成，电子轰击产生的转动自由度将快速释放，使得分子解离能够起到有效加热气体的作用。在放电时，温度则接近室温，通常在低气压下进行。在较高气压下，电子平均能量和密度较高，可以促使密度高的低温等离子体产生。

表1 典型产生等离子体的不同放电模式及相关参数

1.2 气体放电条件

气体放电现象的产生，需要满足气压击穿条件。从类型上来看，气体放电可以划分为非自持放电和自持放电，从非自持过渡到自持即为气体击穿过程，是气体等离子体产生的基础。实现非自持放电，需要外在电离源的存在，以便使放电现象得到维持。比如采用紫外光对放电管进行照射，在电极上施加电压才能使带电粒子形成电流，促使气体放电。如果去掉电离源，将无带电粒子的产生，因此气体不会发生放电。而自持放电在去掉外加电离源的情况下依然可以放电，其放电的形成与外电离源无关，又被称之为汤生放电。而无外加电场，带电粒子与气体分子将进行无序运动。

在电极上施加低电压，电子和离子将在电场作用下定向运动，使电流从0开始增大，促使电压得到增加。在电极间的电压达到临界数值后，电流会增速运动，能够摆脱外加电离源进行放电，发生弧光放电或辉光放电，临界值又被称之为击穿电压。

2、高电压技术中的气体放电应用探讨

2.1 在电力工程中的应用

在电力工程中，多数电场为非均匀电场，受雷电等因素的影响，间隙击穿将产生显著极性效应，带来较长时间的放电时延。在工程施加电压不足的情况下，整个间隙击穿时将发生局部放电，如电晕放电等，将引发可能带来能量损耗和设备损坏问题的声、光、热效应。因此在电力工程中，需要加强气体放电的应用，以便使电晕放电问题得到限制。

如图1所示，为多间隙气体放电管模型，由负辉区、阴极位降区等区域构成。在模型中，如果存在雷电流，阴极位降区将产生较大电场强度，为电极提供等离子体。在等离子体从阴极向阳极流动的过程中，将形成电流。而在负辉区，迅速阴极位降将导致电子加速碰撞气体原子，从而引发电离现象。在法拉第暗区，电子能量较低，不会对气体原子进行激发。

图1 多间隙气体放电管模型

在正柱区，拥有场强常数。在雷电流从阳极入侵时，放电管中将出现高压电容短路，将高电位瞬间传导至放电管电极上。而在与电容相连的第一极气体放电模型上，阴阳极间将产生电位差，发生间隙击穿，将能量泄放入地。随后，第二极、第三极将依次导通，完成雷电流泄放，最终促使放电管恢复高阻抗状态^[3]。应用放电管，可以作为纵向保护元件加强电力工程雷电保护，具有绝缘电阻大、暂停电流泄放能力强等优点。利用放电管间的气体放电现象，能够使雷电过电压通过时在极间产生不均匀电场。而在电场作用下，气体将发生游离，在极间场强超出气体绝缘强度时发生放电击穿，使雷电流得到泄放，促使放电管由绝缘状态转变为导通状态，避免与之并联的电子设备受到损坏。

2.2 在工业生产中的应用

大气压辉光放电具有较低的击穿电压，能够实现稳定放电，并在一定尺度内实现均匀放电，拥有较高活性粒子浓度，同时无需较高真空条件，因此在工业生产中得到了应用。作为重要的放电形式，辉光放电较为稳定，在白色光的日光灯中，就应用的辉光放电。在圆形玻璃管两端位置设置两个平板电极，然后通入适当气体，促使电极之间保持一定电压。在电极间电压增加到击穿电压时，气体将被击穿，使得电流不断增长。受外电路电阻限流作用影响，可以在辉光放电区稳定放电。在等离子体显示屏生产中，实际就是完成大量微型荧光灯组合，构成各个荧光层矩阵。而每个矩阵中各像素点由微型放电单元构成，利用氙气混合气体放电产生的等离子体辐射效应进行不同颜色显示。

在真空镀膜工艺中，也可以采用等离子体进行靶材轰击，促使靶材原子和离子产生，在基体表面沉积形成需要的薄膜。在非热力平衡状态下，等离子拥有较高电子能量，可以使材料表面化学键断裂。通过低温等离子体的表面处理，能够使材料表面发生化学、物理变化，产生粗糙或致密的交联层，也能通过引入含氧极性集团促使材料的黏结性、相容性、亲水性等特性得到改善。在工业材料焊接中，采用弧光放电工艺，在气体放电电压达到一定数值后，电流将迅速增加，电压快速下降直至接近恒定。

在真空条件下，电弧放电可以维持稳定燃烧，因此可以在切割工艺中应用。多年以来，用于激励气体放电产生等离子体的电源多为工频或高频交流电。然而随着脉冲电源技术的发展，纳秒脉冲电源得到了应用，能够促使气体均匀、稳定放电，抑制火花放电的产生，能够使大气压均匀放电，在甲烷转化和点火助燃方面可以取得较好应用效果，但在工业中应用仍然存在一定距离。

3、结论

在高电压技术中，气体放电作为重要的放电现象，需要在满足由非自持过渡到自持的条件下才能实现击穿，促使气体从绝缘状态转变为导通状态，从而实现放电控制。在电力工程中，应用这一特性能够防治雷电给设备带来损伤。在工业生产中，则可以采用气体放电满足生产加工中的放电要求。相信伴随着相关技术的发展，气体放电将获得更加广阔的应用前景。

参考文献：

[1]李立浧,饶宏,董旭柱,等.计算高电压工程学的思考与展望[J].高电压技术,2018,44(11):3441-3453.

[2]苑清,齐波,张书琦,等.交直流复合电压下油纸绝缘典型缺陷产气特性[J].电网技术,2018,42(09):3093-3100.

[3]宋领赟,唐红霞.均匀电场中气体放电过程的分析[J].电子制作,2016(06)

何欣洁.高电压技术中的气体放电及其应用探析[J].电子测试,2019,(20):31-32.