【模块描述】本模块介绍带电质点的产生与消失，气体放电过程的描述，气体放电形式。通过概念描述、知识要点总结分析，掌握气体绝缘的自恢复特性，了解电负性气体、电子崩、自持放电的概念，了解不同的自持放电形式。

【正文】

一、气体中带电质点的产生与消失

气体电介质，特别是空气在电力系统中的应用非常广泛。与固体和液体电介质相比，气体电介质的优点是不存在老化问题，并且在击穿后去掉外施电压其绝缘特性可以自行恢复。

由于受到各种射线的辐射，空气中会产生极少量的带电质点，因其电导极小，可认为空气是良好的绝缘体。只有当气体中出现大量的带电质点时，气体才会失去绝缘性能变为导体。

原子中的电子脱离原子核的束缚成为自由电子和正离子的过程称为原子的游离。游离过程需要从外界获得能量才能完成，游离所需的能量称为游离能。发生游离的条件是原子从外界获取的能量大于原子的游离能。

1.气体介质中带电质点的产生

(1)气体中电子和正离子的产生。根据原子从外界获得的能量形式的不同，游离可分为碰撞游离、光游离和热游离。

1)碰撞游离。气体中的带电质点(电子或离子)在电场作用下加速而获得足够大的动能时，若与气体分子发生碰撞，可能使气体分子游离为电子和正离子，这种由碰撞引起的游离称为碰撞游离。碰撞游离是气体放电过程中产生带电质点的重要来源。

质点在每两次碰撞之间通过的距离称为自由行程。离子因其体积和质量较大，所以自由行程小且每次碰撞后易损失其动能，不易积聚游离所需的能量，产生碰撞游离的可能性很小，所以碰撞游离主要是由自由电子与气体分子碰撞而引起的。提高气体中的电场强度或减小气体分子的密度可以提高碰撞游离的概率。

2)光游离。光辐射引起的气体分子的游离过程称为光游离。光辐射是以光子的形式发出，产生光游离的必要条件是光子的能量大于游离能。光子的能量W决定于其频率 v，其计算式如下

W=hv=hc/λ  （TYBZ01402001-1)

式中 h——普朗克常数，h=6.63×10^-34J·s;

c——光速，3×10⁸m/s;

v——光波频率，Hz；

λ——光波波长，m。

由式(TYBZ01402001-1)可知，只有短波长的高能辐射线才能使气体分子发生光游离，可见光是不能直接产生光游离的。必须注意的是气体本身也可能产生光子，如激励状态的分子或原子回到常态时或正、负带电质点在复合时都会以光子的形式放出能鱼。因此，光游离在气休放电中起着重要的作用。

3)热游离。由气体的热状态引起的游离称为热游离。当气体的温度很高时，气体分了具有的动能足以使共在相互碰接时产生碰撞游离。此外，高温气体发出的热辐射也能导致光游离。也就是说热游离实质上是热状态下产生的碰撞游离和光游离的综合。

在常温下，气体分了的平均动能低，不会产生热游离。在高温下(如电弧放电产生的高温)，气体中有明显的热游离过程。

(2)气体中金属电极表的游离。电子从金居电极表面逸出的过程称为表面游离。表面游离所需的能量称为逸出功，不同金属材料的逸出功不同。用各种不同方式供给金属电极能量，例如，正离子撞击阴极表面、将金属电极加热、短波光源照射电极以及强电场的作用都可使阴极表面发生游离。

(3)气体中负离子的形成。在气体放电过程中，除电子和正离子外，还存在带负电的离子。负离子是由自由电子与中性分子或原子结合而成的。

某些气体中的中性分子(或原子)具有较大的电子亲和力，容易吸附电子形成负离子。我们把容易吸附电子形成负离子的气体称为电负性气体。因离子的游离能力比电子小得多，所以当电子被分子吸附成为负离子后，其游离能力大大降低，对气体放电的发展起抑制作用，有助于提高气体的电气强度。含卤族元素的气体(如SF₆)属电负性气体，其分子具有很强的电负性，所以具有很高的电气强度。

2.气体介质中带电质点的消失

气体中带电质点在放电空间的消失主要有三个途径：

(1)带电质点在电场作用下定向运动消失于电极。

(2)带电质点的扩散。

(3)带电质点的复合。

二、气体放电过程的描述

气体中流通电流的各种形式统称为气体放电。

由于宇宙射线等高能射线的作用，气体会发生较微弱的游离过程，同时正、负带电质点又不断复合。在这两种过程的作用下，大气中通常会存在少量的带电质点。在气隙电极间施加电压后，带电质点沿电场运动，在回路中形成电流。当气体间隙中的电场较弱时，因带电质点数量极少，故电流也极小，气体为良绝缘体。当气隙中的电场强度达到一定数值时，电流急剧增加，使其失去绝缘能力。这种由绝缘状态突变为导电状态的过程，称为击穿。发生击穿的低临界电压称为击穿电压。均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称为击穿场强，不均匀电场中击穿电压与间隙距离之比称为平均击穿场强。击穿场强反映气体的电气强度。

1. 均匀电场中气体的伏安特性

图TYBZ01402001-1为平板电极气体间隙中电流与外施电压的关系。气体间隙上施加直流电压，在曲线的oa段，气体间隙中的电流随外施电压的升高而增大，这是因为带电质点运动速度加快，因复合而消失的带电质点的数目减少。a点以后，电流不再随电压的升高而增大，因为这时由外界游离因素产生的带电质点全部进入电极参与导电，电流的大小与所加电压无关而仅取决于外界游离因素的强弱。当外施电压大于U_b后，电流又随电压的升高而增大，这是由于间隙中的电场强度已较高，足以引起碰撞游离，即带电质点由外界游离因素和碰撞游离共同产生，带点质点数目增多的缘故。当电压维续升高至U_c时，电流急剧增大，此时气体间隙转入良好的导电状态，即气体被击穿了。

当外施电压小于U_c时，间隙中电流的数值仍很小，一般为微安级，此时间隙中的电流仍需要外界游离因素维持。取消外界游离因素，气隙中的电流将消失，这种需要外界游离因素维持的放电称为非自持放电。当外施电压达到U_c后，间隙中的电场强度已足够强，游离过程仅靠电场的作用可自行维持和发展，不再需要外界游离因素，因此U_c以后的放电形式称为自持放电。

2.电子崩的形成

由于电极表面光游离比空间光游离强烈得多，所以引起放电的起始电子主要是由阴极的表面游离产生的。这些电子在电场作用下加速向阳极运动，动能不断增加。当电场较强时，电子所具有的动能足以引起碰撞游离，游离出来的电子和原有电子从电场中获得动能又可维续引起碰撞游离。这样气隙中电子的数目将按几何级数不断增加，如同雪崩一样，所以称为电子崩。

3.自持放电条件

只有电子崩过程是不会发生自持放电的，此时如果去掉外界游离因素，放电会中止。所以自持放电的条件是在气隙内初始电子崩消失前产生新的电子(称为有效电子)来抵偿那个引起电子崩后将消失于阳极的初始电子。这个新的电子在电场作用下又引起碰撞游离，产生新的电子崩，从而使放电可以继续进行下去，即放电转入自持放电。放电由非自持放电转入自持放电的临界电压称为起始放电电压。

有效电子的产生情况与气体的相对密度δ和极间距离S的乘积δS有关。当δS值较小时，有效电子是正离子撞击阴极表面造成表面游离产生的。当δS值较大时，有效电子是由空间光游离产生的。

三、气体放电的主要形式

根据气体压力、外回路阻抗、电场分布的不同，间隙击穿前后气体放电具有不同的形式，主要有以下四种。

(1)辉光放电：气体的压力远小于1个标准大气压时发生。其特点是放电电流密度小，放电区域为整个电极间的空间，整个问隙仍处于绝缘状态。

(2)火花放电：气体压力在1个大气压力及以上、外回路阻抗较大时发生。其放电特点是具有贯穿两电极的收细的放电通道，电流增大，且放电过程不稳定，气体间隙被间歇性地击穿。

(3)电弧放电：气体压力在1个大气压力及以上、外回路阻抗很小时发生。其特点是具有持续贯通两电极的细而明亮的放电通道，放电通道电导极大，电流密度极大，温度很高，电路具有短路特征。

(4)电晕放电：气体间隙中的电场分布极不均匀时发生。其特点是在曲率半径较小的电极附近出现发光的薄层，电流值不大，此时整个间隙仍处于绝缘状态。