一、氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生與消失

氣體電介質(zhì)，特別是空氣在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛。與固體和液體電介質(zhì)相比，氣體電介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)是不存在老化問題，并且在擊穿后去掉外施電壓其絕緣特性可以自行恢復(fù)。

由于受到各種射線的輻射，空氣中會(huì)產(chǎn)生極少量的帶電質(zhì)點(diǎn)，因其電導(dǎo)極小，可認(rèn)為空氣是良好的絕緣體。只有當(dāng)氣體中出現(xiàn)大量的帶電質(zhì)點(diǎn)時(shí)，氣體才會(huì)失去絕緣性能變?yōu)閷?dǎo)體。

原子中的電子脫離原子核的束縛成為自由電子和正離子的過程稱為原子的游離。游離過程需要從外界獲得能量才能完成，游離所需的能量稱為游離能。發(fā)生游離的條件是原子從外界獲取的能量大于原子的游離能。

1.氣體介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)的產(chǎn)生

(1)氣體中電子和正離子的產(chǎn)生。根據(jù)原子從外界獲得的能量形式的不同，游離可分為碰撞游離、光游離和熱游離。

1)碰撞游離。氣體中的帶電質(zhì)點(diǎn)(電子或離子)在電場作用下加速而獲得足夠大的動(dòng)能時(shí)，若與氣體分子發(fā)生碰撞，可能使氣體分子游離為電子和正離子，這種由碰撞引起的游離稱為碰撞游離。碰撞游離是氣體放電過程中產(chǎn)生帶電質(zhì)點(diǎn)的重要來源。

質(zhì)點(diǎn)在每兩次碰撞之間通過的距離稱為自由行程。離子因其體積和質(zhì)量較大，所以自由行程小且每次碰撞后易損失其動(dòng)能，不易積聚游離所需的能量，產(chǎn)生碰撞游離的可能性很小，所以碰撞游離主要是由自由電子與氣體分子碰撞而引起的。提高氣體中的電場強(qiáng)度或減小氣體分子的密度可以提高碰撞游離的概率。

2)光游離。光輻射引起的氣體分子的游離過程稱為光游離。光輻射是以光子的形式發(fā)出，產(chǎn)生光游離的必要條件是光子的能量大于游離能。光子的能量W決定于其頻率 v，其計(jì)算式如下

W=hv=hc/λ  （TYBZ01402001-1)

式中 h——普朗克常數(shù)，h=6.63×10^-34J·s;

c——光速，3×10⁸m/s;

v——光波頻率，Hz；

λ——光波波長，m。

由式(TYBZ01402001-1)可知，只有短波長的高能輻射線才能使氣體分子發(fā)生光游離，可見光是不能直接產(chǎn)生光游離的。必須注意的是氣體本身也可能產(chǎn)生光子，如激勵(lì)狀態(tài)的分子或原子回到常態(tài)時(shí)或正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)在復(fù)合時(shí)都會(huì)以光子的形式放出能魚。因此，光游離在氣休放電中起著重要的作用。

3)熱游離。由氣體的熱狀態(tài)引起的游離稱為熱游離。當(dāng)氣體的溫度很高時(shí)，氣體分了具有的動(dòng)能足以使共在相互碰接時(shí)產(chǎn)生碰撞游離。此外，高溫氣體發(fā)出的熱輻射也能導(dǎo)致光游離。也就是說熱游離實(shí)質(zhì)上是熱狀態(tài)下產(chǎn)生的碰撞游離和光游離的綜合。

在常溫下，氣體分了的平均動(dòng)能低，不會(huì)產(chǎn)生熱游離。在高溫下(如電弧放電產(chǎn)生的高溫)，氣體中有明顯的熱游離過程。

(2)氣體中金屬電極表的游離。電子從金居電極表面逸出的過程稱為表面游離。表面游離所需的能量稱為逸出功，不同金屬材料的逸出功不同。用各種不同方式供給金屬電極能量，例如，正離子撞擊陰極表面、將金屬電極加熱、短波光源照射電極以及強(qiáng)電場的作用都可使陰極表面發(fā)生游離。

(3)氣體中負(fù)離子的形成。在氣體放電過程中，除電子和正離子外，還存在帶負(fù)電的離子。負(fù)離子是由自由電子與中性分子或原子結(jié)合而成的。

某些氣體中的中性分子(或原子)具有較大的電子親和力，容易吸附電子形成負(fù)離子。我們把容易吸附電子形成負(fù)離子的氣體稱為電負(fù)性氣體。因離子的游離能力比電子小得多，所以當(dāng)電子被分子吸附成為負(fù)離子后，其游離能力大大降低，對(duì)氣體放電的發(fā)展起抑制作用，有助于提高氣體的電氣強(qiáng)度。含鹵族元素的氣體(如SF₆)屬電負(fù)性氣體，其分子具有很強(qiáng)的電負(fù)性，所以具有很高的電氣強(qiáng)度。

2.氣體介質(zhì)中帶電質(zhì)點(diǎn)的消失

氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)在放電空間的消失主要有三個(gè)途徑：

(1)帶電質(zhì)點(diǎn)在電場作用下定向運(yùn)動(dòng)消失于電極。

(2)帶電質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散。

(3)帶電質(zhì)點(diǎn)的復(fù)合。

二、氣體放電過程的描述

氣體中流通電流的各種形式統(tǒng)稱為氣體放電。

由于宇宙射線等高能射線的作用，氣體會(huì)發(fā)生較微弱的游離過程，同時(shí)正、負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn)又不斷復(fù)合。在這兩種過程的作用下，大氣中通常會(huì)存在少量的帶電質(zhì)點(diǎn)。在氣隙電極間施加電壓后，帶電質(zhì)點(diǎn)沿電場運(yùn)動(dòng)，在回路中形成電流。當(dāng)氣體間隙中的電場較弱時(shí)，因帶電質(zhì)點(diǎn)數(shù)量極少，故電流也極小，氣體為良絕緣體。當(dāng)氣隙中的電場強(qiáng)度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電流急劇增加，使其失去絕緣能力。這種由絕緣狀態(tài)突變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)的過程，稱為擊穿。發(fā)生擊穿的低臨界電壓稱為擊穿電壓。均勻電場中擊穿電壓與間隙距離之比稱為擊穿場強(qiáng)，不均勻電場中擊穿電壓與間隙距離之比稱為平均擊穿場強(qiáng)。擊穿場強(qiáng)反映氣體的電氣強(qiáng)度。

1. 均勻電場中氣體的伏安特性

圖TYBZ01402001-1為平板電極氣體間隙中電流與外施電壓的關(guān)系。氣體間隙上施加直流電壓，在曲線的oa段，氣體間隙中的電流隨外施電壓的升高而增大，這是因?yàn)閹щ娰|(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度加快，因復(fù)合而消失的帶電質(zhì)點(diǎn)的數(shù)目減少。a點(diǎn)以后，電流不再隨電壓的升高而增大，因?yàn)檫@時(shí)由外界游離因素產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)全部進(jìn)入電極參與導(dǎo)電，電流的大小與所加電壓無關(guān)而僅取決于外界游離因素的強(qiáng)弱。當(dāng)外施電壓大于U_b后，電流又隨電壓的升高而增大，這是由于間隙中的電場強(qiáng)度已較高，足以引起碰撞游離，即帶電質(zhì)點(diǎn)由外界游離因素和碰撞游離共同產(chǎn)生，帶點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)數(shù)目增多的緣故。當(dāng)電壓維續(xù)升高至U_c時(shí)，電流急劇增大，此時(shí)氣體間隙轉(zhuǎn)入良好的導(dǎo)電狀態(tài)，即氣體被擊穿了。

當(dāng)外施電壓小于U_c時(shí)，間隙中電流的數(shù)值仍很小，一般為微安級(jí)，此時(shí)間隙中的電流仍需要外界游離因素維持。取消外界游離因素，氣隙中的電流將消失，這種需要外界游離因素維持的放電稱為非自持放電。當(dāng)外施電壓達(dá)到U_c后，間隙中的電場強(qiáng)度已足夠強(qiáng)，游離過程僅靠電場的作用可自行維持和發(fā)展，不再需要外界游離因素，因此U_c以后的放電形式稱為自持放電。

2.電子崩的形成

由于電極表面光游離比空間光游離強(qiáng)烈得多，所以引起放電的起始電子主要是由陰極的表面游離產(chǎn)生的。這些電子在電場作用下加速向陽極運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能不斷增加。當(dāng)電場較強(qiáng)時(shí)，電子所具有的動(dòng)能足以引起碰撞游離，游離出來的電子和原有電子從電場中獲得動(dòng)能又可維續(xù)引起碰撞游離。這樣氣隙中電子的數(shù)目將按幾何級(jí)數(shù)不斷增加，如同雪崩一樣，所以稱為電子崩。

3.自持放電條件

只有電子崩過程是不會(huì)發(fā)生自持放電的，此時(shí)如果去掉外界游離因素，放電會(huì)中止。所以自持放電的條件是在氣隙內(nèi)初始電子崩消失前產(chǎn)生新的電子(稱為有效電子)來抵償那個(gè)引起電子崩后將消失于陽極的初始電子。這個(gè)新的電子在電場作用下又引起碰撞游離，產(chǎn)生新的電子崩，從而使放電可以繼續(xù)進(jìn)行下去，即放電轉(zhuǎn)入自持放電。放電由非自持放電轉(zhuǎn)入自持放電的臨界電壓稱為起始放電電壓。

有效電子的產(chǎn)生情況與氣體的相對(duì)密度δ和極間距離S的乘積δS有關(guān)。當(dāng)δS值較小時(shí)，有效電子是正離子撞擊陰極表面造成表面游離產(chǎn)生的。當(dāng)δS值較大時(shí)，有效電子是由空間光游離產(chǎn)生的。

三、氣體放電的主要形式

根據(jù)氣體壓力、外回路阻抗、電場分布的不同，間隙擊穿前后氣體放電具有不同的形式，主要有以下四種。

(1)輝光放電：氣體的壓力遠(yuǎn)小于1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)發(fā)生。其特點(diǎn)是放電電流密度小，放電區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)電極間的空間，整個(gè)問隙仍處于絕緣狀態(tài)。

(2)火花放電：氣體壓力在1個(gè)大氣壓力及以上、外回路阻抗較大時(shí)發(fā)生。其放電特點(diǎn)是具有貫穿兩電極的收細(xì)的放電通道，電流增大，且放電過程不穩(wěn)定，氣體間隙被間歇性地擊穿。

(3)電弧放電：氣體壓力在1個(gè)大氣壓力及以上、外回路阻抗很小時(shí)發(fā)生。其特點(diǎn)是具有持續(xù)貫通兩電極的細(xì)而明亮的放電通道，放電通道電導(dǎo)極大，電流密度極大，溫度很高，電路具有短路特征。

(4)電暈放電：氣體間隙中的電場分布極不均勻時(shí)發(fā)生。其特點(diǎn)是在曲率半徑較小的電極附近出現(xiàn)發(fā)光的薄層，電流值不大，此時(shí)整個(gè)間隙仍處于絕緣狀態(tài)。