這是一個(gè)很有意思的問(wèn)題，以下進(jìn)行詳細(xì)解答。

一.氣體放電的基本原理

我們都知道空氣的組成，約4/5是氮?dú)�，約1/5是氧氣，還有其它氣體。當(dāng)未加載電壓時(shí)，這些氣體均以分子的形式出現(xiàn)，例如N2、O2等等。

氣體受到電場(chǎng)或熱能的作用，就會(huì)使中性氣體原子中的電子獲得足夠的能量，以克服原子核對(duì)它的引力而成為自由電子，同時(shí)中性的原子或分子由于失去了帶負(fù)電荷的電子而變成帶正電荷的正離子。這種使中性的氣體分子或原子釋放電子形成正離子的過(guò)程叫做氣體電離。

第一階段：起始階段

現(xiàn)在，我們把空氣密封在一個(gè)放電管內(nèi)，然后在放電管的兩極之間加上電源電壓，如下：

 

首先，我們將電源E電動(dòng)勢(shì)的電壓置為最低值，我們看到，電流表的顯示值是零。這是顯然的，電路根本就不通嘛。

現(xiàn)在我們開(kāi)始調(diào)節(jié)電源E的電動(dòng)勢(shì)，我們看到電流表中有一點(diǎn)電流了。

我們知道，空中是存在各種射線的，例如宇宙射線，太陽(yáng)光線等等。氣體分子在這些射線的轟擊下，電子從原子核上剝離，形成電離。當(dāng)然，已經(jīng)電離的氣體占總氣體量的比值非常小。我們把這個(gè)比值叫做電離度。元素呈氣態(tài)時(shí)，從它的一個(gè)原子或陽(yáng)離子中將一個(gè)電子移至無(wú)窮遠(yuǎn)處時(shí)所需做的功，稱為該元素的電離勢(shì)，單位為電子伏特（ev）。氣態(tài)電中性基態(tài)原子失去一個(gè)電子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)基態(tài)正離子所需要的能量叫做第一電離能。簡(jiǎn)言之，第一電離能就是原子失去電子所需要的最低能量。

電離后的負(fù)離子也即電子奔向陽(yáng)極，而丟失了電子的原子則形成了正離子，它們奔向陰極。但由于電離度太低，這些離子還沒(méi)到達(dá)電極，就被復(fù)合了。所以此時(shí)的電流極小。

我們繼續(xù)升高電壓，我們發(fā)現(xiàn)，盡管電壓調(diào)節(jié)的幅值比較大，但電流始終很小。這是因?yàn)橛钪嫔渚�的數(shù)量是固定的，因此雖然電壓變化大，而電流變化不大。

我們看右圖，我們看到起始階段的曲線十分陡峭，其原因就在于此。

注意，右圖的縱坐標(biāo)是弧隙電壓，不是電源電壓。

我們繼續(xù)調(diào)高電壓，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定階段后，電流發(fā)生了突變，此時(shí)的電壓叫做擊穿電壓Uc。

在起始階段，由于氣體的電離度很小，因此若把電源電壓降低，則上述現(xiàn)象立即消失，這說(shuō)明，這一過(guò)程是非自持的。

另外，注意到這一階段的曲線是單調(diào)上升的。因?yàn)?A href="/jichu/UploadFiles_6678/202207/2022071013445962.jpg" target=_blank> ，也即弧隙電壓與電弧電流之比是正值，說(shuō)明曲線對(duì)應(yīng)的等效電阻Rh具有正阻特性。

現(xiàn)在，我們來(lái)研究一下陰極和陽(yáng)極的：

兩極當(dāng)然是金屬的（不過(guò)也不排除采用碳電極）。金屬電極在電離過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？

1.熱發(fā)射：金屬因?yàn)闇囟壬�高電子逸出�?/P>

熱發(fā)射與金屬的沸點(diǎn)密切相關(guān)。沸點(diǎn)越高的金屬，熱發(fā)射的最大電流密度就越大。

2.場(chǎng)致發(fā)射：在高電場(chǎng)下，自由電子越過(guò)勢(shì)壘而逸出。

當(dāng)金屬表面具有高電場(chǎng)時(shí)，自由電子穿過(guò)勢(shì)壘逸出金屬的現(xiàn)象。

場(chǎng)致發(fā)射對(duì)于低壓電器的滅弧有重要意義。

3.光發(fā)射：當(dāng)光線和射線照射到金屬表面而引起的電子逸出。

4.二次發(fā)射：當(dāng)高速正離子、電子和負(fù)離子撞擊金屬時(shí)，引起的電子發(fā)射。

電子的逸出，均與量子物理學(xué)有關(guān)。例如熱發(fā)射的電流密度j表達(dá)式為：

 

這里的A1是系數(shù)，對(duì)于純金屬，它的值是100；Wyc是金屬逸出功；T是金屬表面溫度，單位是K

與兩極的金屬電離不同，空間電離包括光電離和電場(chǎng)電離，還有熱電離。

第二階段：輝光階段

 

氣體擊穿后，電離度當(dāng)然增加了，大量的離子奔向兩極。同時(shí)，也有大量的離子在空中復(fù)合為正常氣體原子。

由于氣體電離度增加，弧隙氣體的等效電阻降低了，弧隙電壓也降低了，而電流卻增大了。如此一來(lái)，伏安特性曲線上任意點(diǎn)的等效電阻    ，說(shuō)明曲線對(duì)應(yīng)的等效電阻Rh具有負(fù)阻特性。

我們知道，所謂離子復(fù)合，其實(shí)就是電子返回正離子的過(guò)程。當(dāng)電子返回原子時(shí)，會(huì)把它攜帶的能量以光的形式發(fā)射出來(lái)。由于某種金屬蒸汽原子的電離能是固定的，如果輝光區(qū)的介質(zhì)中有某種金屬蒸汽的話，那么它發(fā)出的光就是這種金屬所特有。例如鈉燈發(fā)出的光是黃白色的，而水銀燈發(fā)出的光則是藍(lán)白色的。

這個(gè)區(qū)域叫做輝光放電區(qū)。

輝光放電區(qū)的特點(diǎn)是：弧隙中整個(gè)空間都在放電，且溫度不太高。陰極的壓降大概在200V左右，而電流密度大概是 。

輝光放電發(fā)光體充滿著整個(gè)氣體放電管內(nèi)，而且很美麗。

 

第三階段：弧光階段

1.電弧的基本形態(tài)描述

現(xiàn)在，我們繼續(xù)加大電壓，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象：右側(cè)伏安特性曲線中，弧隙的電壓降低了，通過(guò)弧隙的電流增大了，現(xiàn)在曲線進(jìn)入了弧光放電區(qū)域。

所謂弧光，其實(shí)就是電弧。

 
弧光放電的介質(zhì)溫度很高，可達(dá)6000K。直徑很細(xì)。

在電弧內(nèi)部，會(huì)出現(xiàn)一種有趣現(xiàn)象：正負(fù)離子在奔向電極的途中，會(huì)在某個(gè)區(qū)域復(fù)合，然后再次熱電離。這個(gè)區(qū)域叫做電子崩。由于正負(fù)離子復(fù)合會(huì)發(fā)出強(qiáng)光，所以電子崩的崩頭就是電弧中發(fā)光較強(qiáng)的區(qū)域。

在陽(yáng)極，電子轟擊著陽(yáng)極金屬，形成了陽(yáng)極斑點(diǎn)；在陰極，同樣陽(yáng)離子也轟擊陰極金屬，也出現(xiàn)陰極斑點(diǎn)。兩者統(tǒng)稱弧根根班。

我們來(lái)看電弧的電場(chǎng)分布：

 
最上面一張圖就是電弧了。左邊是陰極，右邊是陽(yáng)極。

中間圖顯示的是從陰極到陽(yáng)極的電場(chǎng)分布情況。

我們知道，在陰極附近有大量的正離子存在，因此在近陰極區(qū)，電弧電場(chǎng)變化特別劇烈，我們看到了電壓急劇上升；中間的弧柱區(qū)電壓相對(duì)平穩(wěn)；右側(cè)的近陽(yáng)極區(qū)又積聚了大量的電子，所以電弧電磁再次發(fā)生劇變，但程度上不如近陰極區(qū)。

下圖是電弧自身的電場(chǎng)分布，我們看到近陰極區(qū)電場(chǎng)改變量極大，但寬度不如近陽(yáng)極區(qū)；中間的弧柱區(qū)電壓很平穩(wěn)，說(shuō)明弧柱區(qū)內(nèi)其實(shí)就是一團(tuán)等離子氣體，它的特性近乎于金屬導(dǎo)體；右邊就是近陽(yáng)極區(qū)，它的電場(chǎng)改變量較小，但寬度更寬。

2.電弧的伏安特性

當(dāng)氣體放電管中已經(jīng)出現(xiàn)了電弧后，我們改變弧長(zhǎng)或者調(diào)節(jié)電源電壓，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

（1）改變弧長(zhǎng)后電弧的特性

 
我們發(fā)現(xiàn)，改變弧長(zhǎng)后，電弧的電壓Uh和電流Ih都增加，長(zhǎng)弧曲線在短弧曲線的上方。

其意義也很明顯：長(zhǎng)弧的能量大于短弧的能量。

高壓電器中產(chǎn)生的電弧都是長(zhǎng)弧，低壓電器中的電弧都是短弧，因此高壓電器的滅弧能量和難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于低壓電器。

（2）電弧的負(fù)阻特性

電弧伏安特性曲線上的任意一點(diǎn)，電弧電阻Rh為：

 

當(dāng)電弧電流Ih增加時(shí)，我們看到電弧電阻在減小。因此，電弧具有負(fù)阻特性。

事實(shí)上，當(dāng)電弧電流增大后，輸入給電弧的功率Ph=UhIh也在增加，于是弧柱的溫度升高，直徑變大，反而使得電弧電阻Rh減小。

（3）電弧的動(dòng)態(tài)伏安特性

 

設(shè)想電弧穩(wěn)定地在1點(diǎn)燃燒，它的伏安特性曲線是AB，此時(shí)的電流是I1。

我們以較快的速度將電流調(diào)整到I2，電弧的工作點(diǎn)首先會(huì)移到2點(diǎn)，然后再下降到3點(diǎn)；如果我們快速地將電流調(diào)整到I2，相當(dāng)于  ，則電弧的工作點(diǎn)首先會(huì)移到4點(diǎn)，然后再下降到3點(diǎn)。

為什么呢？

電弧的溫度不允許突變——電弧熱慣性現(xiàn)象。

我們已經(jīng)知道，電弧是一團(tuán)等離子的高溫氣體，它的溫度在短時(shí)間內(nèi)不允許突變，這叫做電弧的熱慣性。

由于電弧的熱慣性，當(dāng)電流快速變大后，電弧電阻瞬時(shí)間不變，因?yàn)閁h=RhIh，所以電弧電壓會(huì)上升，到達(dá)2點(diǎn)。隨著電弧電阻的動(dòng)態(tài)調(diào)整，最后返回到3點(diǎn)。

當(dāng)電流急劇地從I1增大到I2后，它會(huì)到達(dá)4點(diǎn)，最后返回到3點(diǎn)。

當(dāng)電流減小時(shí)，情況也類似。

結(jié)論：電弧的靜態(tài)伏安特性曲線只有一條，但電弧的動(dòng)態(tài)伏安特性曲線有無(wú)數(shù)條。

正因?yàn)殡娀【哂袩釕T性，它不允許電流突變，所以電弧具有一定的限流能力。估計(jì)，這一點(diǎn)是許多人都沒(méi)有想到的。

看來(lái)，配電電器中出現(xiàn)的電弧，并不全是壞事呀！

現(xiàn)在，讓我們來(lái)看看交流狀態(tài)下的電弧又是怎么回事：

 

 

圖的左側(cè)，我們看到這是一個(gè)實(shí)際電路：有交流電源E，有電阻R，還有觸頭K。當(dāng)K打開(kāi)后，觸頭間就會(huì)出現(xiàn)電弧。調(diào)節(jié)交流電壓值，我們就能得到交流電壓下的電弧伏安特性曲線。

右圖中，當(dāng)電壓過(guò)零后，電弧不會(huì)重燃。等到電壓升到一定的幅值后，氣隙被擊穿，電弧開(kāi)始出現(xiàn)。此時(shí)的電壓就是U0。

氣隙擊穿后，隨著電壓不斷上升，弧柱不斷地變熱變粗，弧柱的電阻也會(huì)下降，并進(jìn)入負(fù)阻區(qū)。當(dāng)Rh下降的速度等于Ih增長(zhǎng)的速度時(shí)，Uh到達(dá)A點(diǎn)的最大值Ur，Ur又叫做燃弧電壓；此后，Ih不斷增長(zhǎng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)B點(diǎn)最大值后，開(kāi)始減少。由于電弧存在熱慣性，這時(shí)的電弧電阻Rh比相同電弧電流但處于增大狀態(tài)下的電弧電阻低，所以圖中BC的曲線要比AB的曲線低。

C點(diǎn)叫做熄弧電壓Ux。從C點(diǎn)以后，電弧趨于熄滅。

我們來(lái)看電阻性負(fù)載的交流電弧電壓uh和電弧電流ih的波形：

 

 

圖中U是電壓波形。

（1）當(dāng)電壓過(guò)零后，電弧在燃弧電壓Ur下開(kāi)始點(diǎn)燃。注意到Ur就是A點(diǎn)電壓；電弧在熄弧電壓Ux后熄滅。注意到Ux就是C點(diǎn)電壓，

（2）電弧電流Ih在Ur和Ux的中間。

（3）從上半波熄弧到下半波燃弧中間的區(qū)域叫做零休時(shí)刻。電弧從第一半波到最后熄滅，每次過(guò)零時(shí)零休越來(lái)越長(zhǎng)。

（4）交流電弧熄滅的條件是：零休期間，弧隙介質(zhì)從離子態(tài)恢復(fù)為常態(tài)的強(qiáng)度Ujf，必須大于過(guò)零后的電壓恢復(fù)強(qiáng)度Uhf。即： 。

說(shuō)了這么多，我們來(lái)看一個(gè)應(yīng)用。

我們來(lái)設(shè)想，當(dāng)交流電流過(guò)零前，若電極處于左邊是陽(yáng)極右邊是陰極，見(jiàn)下圖：

 

過(guò)零前，陽(yáng)極的外表面殘留著正離子構(gòu)成的云，而弧隙中間屬于等離子體，正負(fù)電子的數(shù)量接近均等；交流電流過(guò)零后，陽(yáng)極變成陰極。由于正離子體積大質(zhì)量也大，而負(fù)離子也即電子質(zhì)量小它會(huì)迅速地移動(dòng)，于是在新陰極的表面會(huì)殘留一層正離子構(gòu)成的區(qū)域。

過(guò)零后新陰極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度E0表達(dá)式為：

 

這里的Uj就是新陰極近旁相對(duì)陰極的電壓。

過(guò)零后，E0也在增加。要產(chǎn)生電弧，新陰極必須要發(fā)射電子。而電子在變冷的新陰極中，只能依靠新陰極表面的高電場(chǎng)發(fā)射，也即場(chǎng)致發(fā)射，所以要求Uj要有一定的數(shù)值。但我們已經(jīng)知道，Uj被這一層正離子給限制住了。其結(jié)果使得電流過(guò)零后恢復(fù)電壓被延滯，繼而電弧重燃也被延滯，弧隙也獲得了一定的耐壓強(qiáng)度，這種效應(yīng)叫做近陰極效應(yīng)。

近陰極效應(yīng)是低壓電器熄滅交流電弧的主要方法，應(yīng)用十分廣泛。例如低壓電器的滅弧柵，當(dāng)電弧被切割成若干段后，在每一段中都形成了近陰極效應(yīng)，再加上降溫，電弧被熄滅。

近陰極效應(yīng)對(duì)高壓電器的長(zhǎng)弧不起作用。

弧光區(qū)有關(guān)電弧的內(nèi)容極其豐富，知識(shí)面也很廣，本帖只是蜻蜓點(diǎn)水般地點(diǎn)一下而已。具體細(xì)節(jié)有待于知友們自己去閱讀相關(guān)資料。

第四階段：火花放電區(qū)

其實(shí)火花放電區(qū)也屬于弧光放電區(qū)，只不過(guò)它的弧徑更細(xì)，溫度更高而已。我們就不去細(xì)談它了。

說(shuō)明一下：有的書(shū)籍認(rèn)為輝光放電后現(xiàn)出現(xiàn)火花放電，然后再出現(xiàn)弧光放電，有的書(shū)籍則相反。其實(shí)它們描述的是兩種不同直徑的電弧表觀現(xiàn)象而已，區(qū)別不大。因此，在新的出版物中，把火花放電和弧光放電合并為弧光放電。

本帖兼顧老的說(shuō)法，知友們盡可以把火花放電區(qū)和弧光放電區(qū)合并。

二.流注理論

氣體間隙的擊穿過(guò)程，從流注理論來(lái)看是這樣的：

（1）從陰極發(fā)射的電子，在電場(chǎng)的作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)一系列碰撞，產(chǎn)生了大量的新電子和正負(fù)離子。

（2）由于電子運(yùn)動(dòng)速度快，大量地集中在前進(jìn)方向的前部，而正離子則留在后部，這樣就形成了一個(gè)電子和正離子構(gòu)成的區(qū)域，叫做電子崩。

（3）電子崩的泵頭和崩尾削弱了間隙電場(chǎng)分布，使得其中復(fù)合作用增強(qiáng)。這些復(fù)合作用放出了大量的光子，使得距離甭頭不遠(yuǎn)處產(chǎn)生了第二個(gè)電子崩。若繼續(xù)發(fā)展，又會(huì)產(chǎn)生第三個(gè)和更多的電子崩。

（4）若弧隙的擊穿繼續(xù)發(fā)展，電子崩就會(huì)連成一體，形成了一個(gè)從陰極到陽(yáng)極的電離氣體通道，此時(shí)間隙被擊穿。這條通道叫做流注。

流注理論極好地解釋的氣體擊穿現(xiàn)象，是當(dāng)前描述氣體電擊穿的主流理論。

三.有關(guān)氣體擊穿的一些知識(shí)問(wèn)題

知識(shí)問(wèn)題：電暈、輝光、電火花、電弧、尖端放電、低氣壓放電和高壓電弧的機(jī)理都是什么樣的？它們的區(qū)別在哪里？

關(guān)于電暈、輝光、電火花、電弧我們已經(jīng)說(shuō)明。我們把回答的內(nèi)容放在其它問(wèn)題上。

什么是尖端放電？

所謂尖端放電，指的是極不均勻的電暈放電。這里所指的極不均勻，是它的一個(gè)電極為棒狀，而另一個(gè)電極為板狀。

（1）當(dāng)棒極為正，板極為負(fù)時(shí)

在棒極附近積累了正空間電荷，在一定程度上使得緊貼棒極附近的電場(chǎng)被削弱，而陰極的電場(chǎng)則有所增強(qiáng)，結(jié)果使得棒極附近的強(qiáng)電離區(qū)域電離度被削弱，不利于流注形成，因而電暈的起始電壓會(huì)降低。

（2）當(dāng)棒極為負(fù)，板極為正時(shí)

陰極表面形成的電子在電場(chǎng)作用下向正極（板極）運(yùn)動(dòng)，立即進(jìn)入強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)，引起劇烈的氣體電離，并由此形成電子崩。

因此，由于棒極附近的電場(chǎng)被加強(qiáng)，因此電暈的起始電壓相對(duì)棒極為正極時(shí)有所增高。

什么是低氣壓放電和高壓電�。�

這個(gè)問(wèn)題正好反映了氣體放電按氣壓變化的兩個(gè)方面。

我們來(lái)看下圖：

 

圖的右上方我們看到了巴申曲線。

巴申曲線縱坐標(biāo)是擊穿電壓，橫坐標(biāo)是壓強(qiáng)P與弧隙寬度d的乘積。

我們看到，在pd的高值與低值中間某處，氣體介質(zhì)的擊穿電壓曲線有最小值。

（1）關(guān)于高氣壓

在一定的間距距離下，當(dāng)氣體壓力高于該電壓所對(duì)應(yīng)的氣壓值時(shí)，間隙的擊穿電壓將得到提高。

原因：提高氣壓后，可以減小電子的平均自由行程，不利于電子積累能量，從而削弱電場(chǎng)電離的過(guò)程，進(jìn)而提高氣體的介電強(qiáng)度。

在提高氣壓的同時(shí)，一般還采用高介電強(qiáng)度的氣體，例如六氟化硫SF6。一般地，在GIS中，六氟化硫氣體的壓強(qiáng)大約為0.7MPa（約為7個(gè)大氣壓）。

下圖是某著名水電樞紐中的GIS開(kāi)關(guān)圖片：

 

（2）關(guān)于高真空

當(dāng)氣體間隙被抽成真空狀態(tài)時(shí)，盡管電子的平均自由行程增加了，但由于間隙中所含氣體分子太少，電場(chǎng)電離的次數(shù)極大地降低，不利于間隙擊穿的過(guò)程發(fā)展。因此，高真空能提高間隙的擊穿電壓。

事實(shí)上，在真空下?lián)舸�機(jī)理已經(jīng)發(fā)生了本質(zhì)的變化。

我們知道，電極的表面不可能是光滑的，存在微觀上的微小凸起。尤其是陰極的凸起尖端（見(jiàn)前面尖端放電的說(shuō)明）電場(chǎng)強(qiáng)度很高，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的場(chǎng)致發(fā)射。當(dāng)場(chǎng)致發(fā)射嚴(yán)重時(shí)，電極表面會(huì)出現(xiàn)熱點(diǎn)。若電極材料的沸點(diǎn)較低，就會(huì)出現(xiàn)金屬蒸汽，最終導(dǎo)致間隙擊穿。

注意：這里的氣體介質(zhì)是金屬蒸汽！具體可參閱有關(guān)電接觸的文檔。

此外，還有微粒引發(fā)的擊穿。

在實(shí)用中，一般把斷路器的觸頭密封在真空泡內(nèi)，并組裝成真空斷路器。真空斷路器一般用在中壓開(kāi)關(guān)中（3到35kV）。