宋領(lǐng)赟　唐紅霞　綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院　152061

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均勻電場(chǎng)中氣體放電過(guò)程的分析

宋領(lǐng)赟唐紅霞綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院152061

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào):12531838

【文章摘要】

在自然界中，氣體放電是一種很普遍的自然現(xiàn)象。干燥氣體通常是良好的絕緣體，但當(dāng)氣體中存在自由帶電粒子時(shí)，它就變?yōu)殡姷膶?dǎo)體。這時(shí)如在氣體中安置兩個(gè)電極并加上電壓，就有電流通過(guò)氣體，這個(gè)現(xiàn)象稱為氣體放電。氣體放電與電場(chǎng)的形式、電壓的種類及大氣條件等因素有關(guān)，本文主要分析均勻電場(chǎng)中低氣壓、短間隙和高氣壓、長(zhǎng)間隙的放電過(guò)程，同時(shí)對(duì)兩種放電理論加以闡述和比較。

【關(guān)鍵詞】

電子崩；湯遜理論；流注理論

1　電子崩的形成與發(fā)展

設(shè)外界游離素在陰極表面輻照出一個(gè)電子，這個(gè)電子由于受到電場(chǎng)力的作用而向陽(yáng)極方向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)頻繁的與氣體分子發(fā)生碰撞，其中一些碰撞可能導(dǎo)致分子的電離，得到一個(gè)電子和一個(gè)正離子。在電場(chǎng)的作用下新電子和原有電子會(huì)繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，與氣體分子碰撞又能引起新的電離過(guò)程，電子數(shù)目成倍增加像雪崩一樣發(fā)展，因而稱之為電子崩。如圖1所示：

圖1　電子崩形成示意圖

2　低氣壓、短間隙下的氣體放電

2.1自持放電與非自持放電

2.2湯遜理論

低氣壓、短間隙的放電過(guò)程可以用湯遜理論來(lái)解釋，此時(shí)指δ·d<0.26cm的情況（δ指氣體的相對(duì)密度，d指間隙的距離）。當(dāng)外施電壓足夠高時(shí)，氣體中會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的游離過(guò)程，使氣體中的自由電子數(shù)和正離子數(shù)按幾何級(jí)數(shù)增加，即出現(xiàn)電子崩。由于正離子的體積和質(zhì)量相對(duì)較大，其平均自由程比電子要小得多，所以很難發(fā)生碰撞游離。但如果場(chǎng)強(qiáng)足夠強(qiáng)，因碰撞游離而產(chǎn)生的新的正離子在電場(chǎng)作用下向陰極運(yùn)動(dòng)，并撞擊陰極，如果至少能從陰極表面釋放出一個(gè)有效電子，以彌補(bǔ)原來(lái)那個(gè)由于外界游離因素產(chǎn)生電子崩并進(jìn)入陽(yáng)極的電子，則放電達(dá)到自持放電，這就是湯遜放電理論的敘述過(guò)程。

3　高氣壓、長(zhǎng)間隙下的氣體放電

當(dāng)δ與d的乘積較大時(shí)，有一些現(xiàn)象用湯遜理論就解釋不清楚了，比如放電時(shí)間、陰極材料的影響、放電外形等。針對(duì)湯遜放電理論的不足，1940年左右，H. Raether及 Loeb、Meek等人提出了流注（Streamer）擊穿理論，從而彌補(bǔ)了湯森放電理論中的一些缺陷，能有效地解釋高氣壓下，如大氣壓下的氣體放電現(xiàn)象，使得放電理論得到進(jìn)一步的完善。

3.1流注的形成條件

形成流注的必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷使原電場(chǎng)明顯畸變，大大加強(qiáng)了崩頭及崩尾處的電場(chǎng)。電子崩中電荷密度很大，所以復(fù)合過(guò)程頻繁，放射出的光子在崩頭或崩尾強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)很容易引起光電離。二次電子的主要來(lái)源是空間的光電離。

3.2流注自持放電條件（即形成流注的條件）

流注的形成需要初崩頭部的電荷達(dá)到一定的數(shù)量，使電場(chǎng)發(fā)生足夠的畸變和加強(qiáng)，并造成足夠的空間光游離。一般認(rèn)為，當(dāng)αd≈20 或eαd≈108即可滿足上述條件，使流注得以形成，而一旦形成流注放電便轉(zhuǎn)入自持。

4　湯遜放電理論與流注放電理論的比較

湯遜理論的實(shí)質(zhì)為氣體放電的主要原因是電子碰撞游離，二次電子來(lái)源于正離子撞擊陰極使陰極表面逸出電子，逸出電子是維持氣體放電的必要條件。所逸出的電子能否接替起始電子的作用是自持放電的判據(jù)。流注理論認(rèn)為形的必要條件是電子崩發(fā)展到足夠的程度后，電子崩中的空間電荷足以使原電場(chǎng)明顯畸變流注理論認(rèn)為二次電子的主要來(lái)源是空間的光電離。

注理論可以解釋湯遜理論無(wú)法說(shuō)明的pd值大時(shí)的放電現(xiàn)象。如放電為何并不充滿整個(gè)電極空間而是細(xì)通道形式，且有時(shí)火花通道呈曲折形，又如放電時(shí)延為什么遠(yuǎn)小于離子穿越極間距離的時(shí)間，再如為何擊穿電壓與陰極材料無(wú)關(guān)。兩種理論各適用于一定條件的放電過(guò)程，不能用一種理論取代另一種理論。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張紅.高電壓技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2006

[2]嚴(yán)璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2007

[3]王麗.高電壓技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版社，2010