气体放电的基本物理过程

本篇为本科课程《高电压工程基础》的笔记。

和固体液体介质相比，气体绝缘有不老化的有点，而且击穿后具有完全的绝缘自恢复特性，是绝缘部分的重点。

带电质点的产生与消失

中性气体不到点，但是由于宇宙射线和地壳中的放射性物质的射线作用，气体会发生微弱的电离而产生少量的带电质点。但量很少，不影响绝缘性能，大量出现带电质点才会丧失绝缘性。

气体中电子与正离子的产生

电离就是电子脱离原子核的束缚而形成自由电子和正离子的过程。

热电离：室温下气体分子热电离概率极低，只有在电弧放电产生的高温条件下才有显著的热电离现象，常温下无序考虑热电离。
光电离：光辐射引起的电离。可见光不能直接电离，只有高频的光波才能使得气体电离。
碰撞电离：高速运动的质点和中性的原子或分子碰撞时，如果原子或分子得到的能量大于或等于其电离能，那么就会发生电离。
分级电离：原子或分子在激励态再获得能量而发生电离，发生的概率很小。

电极表面的电子逸出

金属电极表面逸出的电子也会参与气体的碰撞电离。电子从电极表面逸出所需的能量来源有：

正离子撞击阴极。
光电子发射。
强场发射。
热电子发射。

气体中负离子的形成

电子与气体碰撞，除了会让气体发生电离产生电子和正电荷，还有可能发生电子的附着生成负离子，这个过程会释放出能量。负离子的产出使得自由电子数量减少，会对气体放电起到抑制作用。

带电质点的消失

气体放电中，带电质点在电场作用下定向移动，做漂移和迁移运动，消失于电极上二形成外回路的电流。除此之外，还可能因为扩散和复合使得带电质点在放电空间消失。

带电质点的扩散：带电质点从高浓度区域向低浓度区域移动，使得浓度变得均匀，这是因为质点的热运动而产生的。
带电质点的复合：带异号电荷的质点相遇，电荷发生传递而中和，还原成中性的质点。能量会以光辐射的形式释放。

放电的电子崩阶段

气体放电都有从电子碰撞电离开始发展到电子崩的阶段。

非自持放电和自持放电的不同特点

下图是气体间隙中电流和外施电压的关系。

在这里插入图片描述

在 $I - U$ 曲线的 $O A$ 段，气隙电流随外部施加电压的提高而提高。当电压接近 $U_A$ ，电流趋于饱和，此时的电流值仅仅取决于外电离因素的强弱而与电压无关。电压达到 $U_B$ 时，电流又开始增大，此时电子的动能已经足够产生碰撞电离。电压达到 $U_0$ 时，电流急剧上升，此时气体击穿了。

在曲线的BC段，电流仍然需要依靠外电离因素来维持。也就是说，外电压小于 $U_0$ 的时候放电是非自持放电。当外电压大于 $U_0$ 时，不需要外电离因素，依靠外电压即可放电，所以叫做自持放电。

电子崩的形成

放电由非自持阶段转向自持阶段和气体的压强与气隙长度的乘积 $(p d)$ 有关，在 $p d$ 较小的时候可以用汤逊理论解释，而 $p d$ 较大的时候就要用流注理论解释。但他们全部都是由电子崩产生的结果。

电子崩的形成：外电离因素在阴极附近产生一个电子，电子会向阳极运动，在电场够大的情况下，会产生碰撞电离，产生一个新电子，这一共两个电子在向阳极运动时还会继续碰撞，电子数目也会指数倍增大。

电子碰撞电离系数 $\alpha$ ：一个电子沿着电力线方向行驶1cm时，平均发生的碰撞电离次数。

虽然电子崩产生的电子很多，但他放电不是自持的，只有电子崩过程（也叫做 $\alpha$ 过程）是非自持过程。

影响碰撞电离系数的因素

压强 $p$ 很大（即电子平均自由程 $\lambda$ 很小）或者压强 $p$ 很小（即电子平均自由程 $\lambda$ 很大）的时候电子碰撞电离系数 $\alpha$ 都比较小。这是因为当 $\lambda$ 很小，虽然单位距离碰撞的次数多，但引起碰撞电离的概率很低；当 $\lambda$ 很大，虽然引起碰撞电离的概率很大，但是碰撞次数很小。

自持放电的条件

只有电子崩是不会发生自持放电，必须在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子（二次电子）来取代外电离因素产生的初始电子。

$p d$ 值较小时的情况

汤逊理论认为，二次电子的来源是正离子撞击阴极使阴极表面发生电子逸出（ $\gamma$ 过程）。

均匀电场中，气体的击穿电压是气隙和间隙长度乘积 $p d$ 的函数。如图所示，存在一个击穿电压的极小值。

下图是空气和 $\mathrm{SF_6}$ 气体的击穿电压U和pd值的关系。

在这里插入图片描述

$p d$ 值较大时的情况

汤逊理论不适用于 $p d$ 值较大时的情况，而流注理论是适用的。

$p d$ 值较大时也是从电子崩开始的，电子崩发展到一定阶段后会产生电离特强，发展速度更快的新的放电区，这就是注流放电，比电子崩要快一个数量级，且不是按照电力线的方向发展。

流注的形成条件：电子崩中空间电荷足以使得原电场（外电压产生的电场）发生显著畸变，大大加强崩头和崩尾的电场。另外，电子崩电荷密度大，复合过程频繁，射出的光子易于在崩头和崩尾发生光电离。而流注理论认为二次电子主要来自于光电离。

空间电荷加强崩头和崩尾的电场而削弱了崩内正度电荷区之间的电场，使得大量正负电荷易于复合，射出光子。
流注自持放电条件：可见一旦出现流注，放电就可以由自身的光电离而自行维持。对于长度为厘米级的平板间隙，在标准大气压下，空气的击穿场强约为30kV/cm。

电负性气体的情况

除了要考虑 $\alpha$ 过程和 $\gamma$ 过程外，还要考虑 $\eta$ 过程。 $\eta$ 与 $\alpha$ 的定义相似。

不均匀电场中气体放电的特点

高压电器绝缘结构中，不均匀电场还要分为两个情况，是稍不均匀电场和极不均匀电场。

稍不均匀电场和极不均匀电场的不同特点

稍不均匀电场中放点特性和均匀电场中相似，稍不均匀电场是略有极性效应，而均匀电场是无极性效应。极不均匀则不同，他有极性效应，击穿前会在高场强区域产生蓝紫色的晕光，称之为电晕放电。

任何电极形状随着极间距离的增大都会从稍不均匀电场变为极不均匀电场。定义电场的不均匀系数 $f=\frac{E_{max}}{E_a}$ 。 $E_{max}$ 是间隙中最大的场强， $E_{a}$ 是平均场强。通常 $f < 2$ 为稍不均匀电场， $f > 4$ 为极不均匀电场。

极不均匀电场中的电晕放电

电晕放电的起始场强：对于输电线路的导线，在标准大气条件下电晕起始场强 $E_c$ 的经验公式为：
$E_c=30(1+\frac{0.3}{\sqrt{r}})$
其中， $r$ 是导线半径。

对于非标准大气条件，要对气体进行相对密度的修正。实际导线也不是光滑的，要考虑导线表面的粗糙系数 $m_1$ ，对于雨雪等使得表面偏离理想状态的因素可用 $m_2$ 加以考虑，则公式应该改写为：
$E_c=30m_1m_2\delta(1+\frac{0.3}{\sqrt{r \delta}})$
其中， $\delta$ 是气体的相对密度，理想光滑导线 $m_1=1$ ，绞线 $m_1=0.8\sim0.9$ ，好天气 $m_2=1$ ，坏天气可估算 $m_2=0.8$ 。
电晕放电的危害与对策：电晕放电会发光发出嘶嘶声，引起化学反应，会产生功率损耗。还会产生放电脉冲，对于无线电产生干扰。解决方法是限制导线的表面场强，使用分裂导线。
电晕放电的利用：可以利用产生的空间电荷来改善极不均匀电场的分布，以提高击穿电压。还可以用于静电除尘器和静电喷涂。

不均匀电场中放电的极性效应

曲率半径较小的电极的电压极性不同，放电产生的空间电荷对原电场的畸变不同，因此同一间隙在不同电压极性下的电晕起始电压不同，击穿电压也不同，这就是放电的极性效应。

自持放电前的情况：
在表示正极性的棒-板电极中，自持放电前空间电荷对原电场的畸变如图所示。棒电极已经有电子崩，因为棒为正极性，电子迅速进入棒电极，而正离子速度慢而暂时流在棒电极附近，他们削弱了棒电极附近的场强，而加强了电荷前方的电场。因此空间电荷遏制了棒附近的流注的产生，使得电晕起始电压有所增加。

下图是正极性棒-板电极中自持放电前空间电荷对原电场的畸变。1-原电场的分布，2-有空间电荷时的电场分布。

负极性的棒-板电极中，自持放电前空间电荷对原电场的畸变如图所示。棒电极首先有电子崩，电子迅速向板运行中形成负离子。而负离子扩散增加了棒电极的等效半径，降低了间隙的电场强度。正离子缓慢向棒电极运动，棒电极附近正电荷浓度大，加强了棒电极附近的场强，而削弱了电荷外部的电场。容易出现注流，使得自持放电易于实现。即棒电极为正极性时候电晕的起始电压要比负极性时候高。

下图是负极性棒-板电极中自持放电前空间电荷对原电场的畸变。1-原电场的分布，2-有空间电荷时的电场分布。
自持放电阶段：
正极性棒-板电极中空间电荷使放电区外部空间的电场加强，随着放电区的扩大，强电场区将向板电极推进，一点满足自持放电条件后，随着外施电压的增大，电晕层很容易扩展而使得间隙最终击穿。

负极性棒-板电极则不同，空间电荷使放电区外部空间场强削弱，这样电晕层不容易扩展而导致击穿，所以负极性棒-板间隙的击穿电压要大于正极性棒-板间隙的击穿电压。

放电等离子体

等离子体是指带正电荷粒子和带负电荷粒子几乎等量混合，呈现电中性的一种集合体。不带电的中性粒子也同时存在，由这三种粒子组成的几何体也称为等离子体。

等离子体的分类和术语

邓文等离子体：电子温度与离子温度、气体温度相等时的等离子体。它处于热力学的平衡状态。
不等温等离子体：电子温度与离子温度、气体温度不相等时的等离子体。一般电子温度高，离子和分子原子温度低。一段时间后，会趋于等温化，这被称为缓和现象。
缓和现象：即不均匀能量分布趋于均匀分布，各成分能量不等分状态变为等分状态，非麦克斯韦分布变为麦克斯韦分布。
缓和时间：缓和现象的快慢。
德拜半径：等离子体中多出一个正离子，为了消除正电荷，周围会聚集大量电子，形成电荷云，正离子电荷形成的电位会按照 $r^{-1}e^{-\frac{r}{h}}$ 的规律减小，这里：
$h=\sqrt{\frac{kT_e}{4\pi e^2n_e}}=6.9\sqrt{\frac{T_e}{n_e}}$
其中， $T_e$ 是电子温度， $n_e$ 是电子密度。h就是德拜半径。
电子等离子体振动：等离子体电中性被破坏，形成空间电荷电场，容易移动的电荷又使得电场被减弱。带电荷的粒子群有一定的运动惯性，会出现移动过头和移动不足，由此发生电荷密度的振动。
磁场中等离子体粒子：置于磁场中的等离子体为磁化等离子体，等离子体中与磁场方向垂直的运动会受到磁场的作用，呈现出各向异性。
电导率 $\sigma$ ：
$\sigma=n_ee\mu_e\\\\ \mu_e=\alpha(\frac{e}{m_e})(\frac{\lambda_e}{w_e})=\alpha(\frac{e}{m_e})\tau_e$

其中， $\sigma$ 是电导率， $\lambda_e$ 是电子的平均自由程， $w_e$ 是电子热运动速度， $e$ 为电子电荷， $\alpha$ 是和速度分布与自由行程有关的系数，分为为1~0.5， $\tau_e$ 是两次碰撞的间隔时间， $\tau_e=\frac{\lambda_e}{w_e}$ 。