浅谈气体击穿理论

朱泳康

【摘要】高压电技术在能源、电力、医疗器械、环境保护等国民经济中起着非常重要的作用，尤其在国民经济迅速发展的今天，高压电技术的重要性就显得更加突出。在电力工业中，可以说没有高压电技术就谈不上电力工业，因为当今电力的传输必须要依靠提高电压的方法才能将电能传送到不同的用户，否则就会造成电能传输过程中大量的损耗。高压电技术的应用不仅仅在电力工程中，在社会生活其他领域也得到了广泛的应用。对于高压电技术的理论也是越来越完善，对于各种电介质的击穿理论，至今为止人们已经做了很多研究。所谓击穿，对于气体而言，就是所谓的放电现象。在高压放电技术中，气体击穿的理论是其他理论的基础，因为气体对于电力工业来说，是应用最为广泛的，比如高压输电。目前，几乎国内所有的输电线都是利用空气来绝缘，变压器相间绝缘也以气体作为绝缘材料。对气体击穿的理论做出介绍和分析。

【关键词】电介质 气体 击穿 自持放电 非自持放电

一、气体击穿的基本概念

电介质的击穿，指的是固体、液体、气体介质以及混合介质在电场作用下，丧失绝缘能力，介质变得导电的现象。全部电介质都能够被击穿，击穿表现了它在电场作用下能够保持绝缘性能的极限，是影响电子产品、电器元件使用寿命的重要条件。

气体的击穿是指气体介质在一定的电场条件下，气体间隙发生放电。作为电力系统和电气设备中最经常被使用的绝缘介质，气体介质中的电场强度达到一定临界点后，本来绝缘的气体就会变得导电，从而造成危险情况的发生。为了能合理构成气体绝缘，就应该先要了解气体中的基本放电理论。

二、气体放电的放电形式

正常状态下气体中存在少量带电质点，在电场作用下，带电质点沿着电场方向运动，形成电流。但是由于带电质点的数量非常少，其形成的电流也极小，所以依然是很好的绝缘体。但是当气体压力、电源效率、电极形状等条件发生变化的时候，就会产生放电现象，被击穿后的气体放电形态在各种条件下各不相同，具体而言会产生以下几种：

1.辉光放电

当气体压力不大、电源功率很小的时候，将外部施加的电压增加到一定值以后，电流在短时间内大量增长，管内整个区域出现发光的现象。这种放电形式被称为辉光放电。辉光放电的特性是电流密度不大，放电通常会发生在整个空间。而且放电时管端电压较高，不具备短路的特性。辉光放电仅仅发生在气压较低的情况下。

2.电弧放电

随着外回路中的阻抗减小，电流增大。当电流增大到了某个数值时，放电的通道变窄，并且亮度越来越高，管端的电压则下降，说明通道的导电性越来越强，这时的放电就叫做电弧放电。电弧放电时电流密度很大，管端电压很低，具有短路的特性。

3.火花放电

在较高的气压下，比如大气压力下，气体击穿后总是形成收窄的发光通道，而非分散到整个区域，此时称之为火花放电。火花放电的产生分为两种情况：当外回路中阻抗较大的时候或者当外回路中阻抗很小且电源功率足够大的时候。

4.电晕放电

随着电压的增大，在电极周围电场最强的地方出现发光层，随着电压的继续提高，发光层随之变大，放电电流也逐渐增强。这种现象叫做电晕放电。电晕放电时，气体间隙中只有小部分尚丧失绝缘性能，放电电流微弱，间隙依然可以耐受管端电压。此时继续增大电压，从电晕电极中延伸出来很多的比较明亮的细放电通道，叫做刷状放电。电压再增大，最后气体间隙整个被击穿，根据电源功率的强弱而转换成电弧放电或者是火花放电。

三、带电质点的产生与消失

普通状态下的气体是中性不导电的，气体导电并产生放电现象是因为气体分子发生了电离，产生了充足的带电粒子。

1.带电质点的产生

带电质点的产生气体放电现象发生的前提。空气介质中带电质点的形成主要有气体分子的电离和金属的表面电离两种形式。

气体分子的电离可以由碰撞电离、光电离、热电离、电极表面电离这四种方式产生。

碰撞电离主要由电子和分子的碰撞所引发。电子在电场下被加速而获得动能，使其获得摆脱原子核束缚的能量。当电子从电场获得的动能大于气体分子的电离能时，就有可能因为碰撞而使得气体分子发生电离，产生电子与正离子。

光电离是指由光辐射引发的气体分子的电离。由异号带电粒子复合而成中性粒子释放出光子，或者由激励态分子回复到正常态释放出光子，这是光游离发生的两种来源。

热电离是指由分子的热运动而引发的气体分子的电离。热电离的本质是气体分子的热状态引起的碰撞电离和光电离的综合。在常温下，气体分子发生热电离的概率是极小的。当温度大于10000K的时候，才需要去考虑热电离，而当温度大于20000K的时候，几乎全部的分子都是出于热电离状态的。

以上的三种电离形式都产生于气体空间中，所以这三种电离也称之为空间电离。

金属的表面电离是指金属阴极表面逸出电子的过程。电子从金属表面逸出，主要有四种形式，分别为正离子碰撞阴极的表面、光电子发射、场致发射和热电子发射。

2.带电质点的消失

带点质点的消失主要有三种形式，分别为复合，扩散，和进入电极。

复合是指正负离子在相遇的时候，发生电荷的传递而相互中和从而还原为分子的过程。电子复合和离子复合都是以光子的形式释放出多余的能量。一定条件下会导致其他氣体产生光电离，使得气体放电阶跃式发展。扩散是指带电质点由浓度较大的空间移动到其他浓度较小的空间的现象。进入电极指的是在外电场作用下，气体间隙中的正负电荷分别向两个电极定向移动的现象。带电质点进入电极会阻碍放电的发展。

四、气体放电的两个经典理论——汤逊理论和流注理论

均匀电场中的放电分为自持放电与非自持放电。自持放电的过程不需要外界因素，仅由电场作用就可以维持。非自持放电需要外界电离因素，当外界因素撤销后放电过程随之停止。

在上世纪初期，汤逊做了大量的实验研究，根据其实验结果，提出了适用于均匀电场、低气压、短间隙的气体放电的理论。汤逊认为，电子的碰撞电离和正离子撞击阴极造成的表面电离对于气体放电起着主要作用。但是仅适用于短间隙低气压条件下的辉光放电。汤逊理论没有考虑放电过程中的空间电荷效应，很难解释一些现象，例如放电发生的速度领先于碰撞电离时，放电通道是不均匀的而呈折线形状。

随着气体放电研究的发展，流注理论是由R.瑞特与J.M.米克在1937年提出的。汤逊理论为气体放电的理论发展打下了基础，流注理论总结了前人的经验，补充完善了汤逊理论。流注理论着重说明了空间电荷畸变电场的作用，认为自持放电主要是由电子碰撞电离和空间光电离引起。流注理论适用于均匀电场、大气压、长间隙气体的击穿。

五、非均匀电场中的气体击穿

为了比较各种条件下的电场的不均匀程度，引入电场不均匀系数f，它是最大场强和平均场强的比值。根据放电的特征，大致可以做如下区分：稍不均勻电场不均匀系数f<2；当f>4后，属于极不均匀电场；不均匀系数2

均匀电场：不存在极性效应；稍不均匀电场：正极性大于负极性；极不均匀电场：放电起始电压、正极性大于负极性击穿电压，负极性大于正极性。

当电场极不均匀时，在大曲率电极附近空间局部场强首先达到周围空气发生强烈电离的数值。使得附近很薄的一层空气形成自持放电，产生薄薄的淡紫色发光层。该放电仅仅发生在大曲率电极周围很小的范围内，而整个气体间隙未被击穿，这种现象称之为电晕放电。电晕放电会引起空气的化学反应，不但消耗能量，还产生臭氧等有害气体、噪声等污染。但是电晕放电在除尘器、静电喷涂等方面得到了广泛的应用。

六、影响气体间隙放电的主要因素

影响气体电介质的条件有很多，主要有电压强度、电板外形、气体的性质及状态等。具体而言，电场情况的均匀、稍微不均匀、极不均匀，电压形式的不同，包括直流、交流、雷电冲击、操作冲击等，以及大气条件，如气压、温度、湿度等，都会影响气体间隙的放电现象，因此在实际工作中要考虑这些因素并进行校正。

七、气体放电研究现状与前景

虽然在宏观上气体放电特性和放电的应用方面取得了一些进展，但对于放电形成机理的微观方面，如气体分子间的的运动等还缺乏深入的研究。当前对于气体放电的研究，根据研究目的，气体放电可分为理论研究和应用研究。

理论研究主要集中在气体放电的物理过程，等离子体特性，放电机理和稳定机理等方面，重点研究如何产生，稳定和控制等离子体等问题，探索各种放电机理。研究的应用是基于对低温等离子体理论研究中的各种实际问题的技术应用。应用研究使用更多的实验方法，针对具体应用，设计相应的等离子体生成和控制装置，分析实验现象，评估实验结果，设计实用甚至工业设备。

自上世纪末到现在，气体放电研究及其应用取得了飞速的发展。气体放电技术由于其在中等压力或高于大气压力下实现大规模、宏观均匀和强烈的微放电，可广泛用于各个领域，不仅仅是电力工程中，在很多方面都有较好的发展前景。

参考文献：

[1]曾杰，李志刚，刘洋，时家明.影响气体击穿场强阈值的参数分析[J].真空科学与技术学报，2017，（07） ：705-708.

[2]陈昀，毕海岩.介质阻挡放电中气隙击穿电压计算研究[J].物理通报，2017，（01） ：109-110+129.

[3]高树香，杨勇，张岚.潘宁效应存在时的气体击穿理论[J].南京工学院学报，1985，（03） ：46-53.

[4]彭建昌，王颖，王利民，李爽，王雪峰，林强，谢晋.气体开关击穿机理的初步研究[J].现代应用物理，2014，（02） ：129-134.