气体导电原理简介

气体导电原理简介(Gaseous discharge)

一：气体导电的现象。又称气体导电。气体通常由中性分子或原子组成，是良好的绝缘体，并不导电。气体的导电性取决于其中电子、离子的产生及其在电场中的运动。加热、照射(紫外线、X射线、放射性射线）等都能使气体电离，这些因素统称电离剂。在气体电离的同时，还有正负离子相遇复合为中性分子以及正负离子被外电场驱赶到达电极与电极上异号电荷中和的过程。这3个过程中，电离、复合二者与外电场无关，后者则与外电场有关。随着外电场的增强，离子定向速度加大，复合逐渐减少以致不起作用，因电离产生的全部离子都被驱赶到电极上，于是电流达到饱和。饱和电流的大小取决于电离剂的强度。一旦撤除电离剂，气体中离子很快消失，电流中止。这种完全靠电离剂维持的气体导电称为被激导电或非自持导电。

当电压增加到某一数值后，气体中电流急剧增加，即使撤去电离剂，导电仍能维持。这种情形称为气体自持导电或自激放电。气体由被激导电过渡到自持导电的过程，通常称为气体被击穿或点燃，相应的电压叫做击穿电压。撤去电离剂后，仍有许多带电粒子参与导电。首先，正负离子特别是电子在电场中已获得相当动能，它们与中性分子碰撞使之电离，这种过程连锁式地发展下去，形成簇射，产生大量带电粒子。其次，获得较大动能的正离子轰击阴极产生二次电子发射。此外，当气体中电流密度很大时，阴极会因温度升高产生热电子发射。

气体自持放电的特征与气体的种类、压强、电极的材料、形状、温度、间距等诸多因素有关，而且往往有发声、发光等现象伴随发生。自持放电因条件不同，而采取不同的形式。见辉光放电，弧光放电，火花放电，电晕放电

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二：根据试验的结果，100~310 mm短空气间隙在不同气压、海拔高度以及温度和相对湿度下的放电电压试验结果如图2所示。为分析海拔4 000 m以上的间隙的放电特性，表1列出了海拔4 000 m以上，即气压在40.0 ~61.2 kPa之间的试验数据，不同间隙在不同海拔高度或气压下50 %放电电压的试验数据的标准偏差均在0～ 3 %之间，共计20个有效试验数据中只有1个的标准偏差超过2 %，因此，可以认为数据的标准偏差在容许范围以内。

图2是气压从实验室位置的海拔高度232 m处98.6 kPa降低到40.0 kPa 的试验结果。由图2可以看出：随着海拔升高、气压降低，在试验的各种间隙下，其交流放电电压随着气压的降低而降低，这种降低的趋势在不同的气压范围内存在明显差异，即① 气压在98.6～71.4 kPa范围内变化，即从实验室位置的海拔高度232 m升高到2850 m时，随着气压降低，间隙的交流放电电压将明显下降，这一阶段间隙的交流放电电压随气压下降而下降的趋势最明显；② 气压在

71.4～61.2 kPa，即海拔高度从2850 m升高到4000 m时，随着气压下降、海拔升高，间隙交流放电电压虽有下降的趋势，但较为平缓；③ 当气压降低到61.2 kPa以下，即海拔升高到

4000m以上时，随着气压下降，海拔的增高，间隙的交流放电电压下降的趋势又较为显著，虽没有海拔2850m以下的下降趋势严重，但比2850~4000m之间的变化明显得多。由上分析可以看出：气压或海拔高度对空气间隙交流放电电压的影响因海拔高程的范围而变，因此，其交流放电电压的修正也应针对不同的海拔高程

由图2还可以看出：不同间隙随气压降低而降低的总趋势并不完全一致，d=310 mm和d=260 mm时的曲线下降趋势最为明显，d=190 mm和d=100 mm时的曲线的下降趋势较为缓和，这可能有以下原因：① 不同间隙在进行交流放电试验时的温度和湿度有一定的差异，虽然在试验过程中没有外界热量和水汽源，但放电过程的电弧热量加热可使人工气候室内发生微小变化，不同间隙放电产生的热量有差异，因此，电弧加热也有所不同，温度的变化影响间隙的交流放电电压；

② 不同间隙放电过程中湿度也不同，湿度对空气相对密度的贡献并不明显，但

湿度明显影响空气间隙的交流放电电压，因此，不同湿度条件下间隙的交流放电特性将有异，造成不同空气相对密度时湿度对间隙交流放电电压的影响也有差异；③ 试验时人工气候室内气流处于自然内循环状态，因此放电间隙间气流很小，放电产生的热量扩散与间隙距离有关，间隙越短，扩散越慢，造成空气密度对其放电电压的影响越小；④ 可能存在放电过程中空间电荷产生的影响，继续研究过程中将更深入的进行分析。

三海拔高度对放电电压影响的校正

根据上面的分析，气压在不同范围内对间隙放电电压的影响不同，对表1中的试验数据按随气压P和气压比P/P0的变化分别分析，即：① 以气压P为变量，分析气压P对不同空气间隙50 %交流放电电压U50%的影响, 其结果如图3所示；② 以零海拔气压P0(101.3 kPa)为参考，分析气压比P/P0对不同空气间隙50 %交流放电电压U50%的影响，其结果如图4所示。由图3、4可知：① 无论是以气压为变量还是以气压比为变量，其变化趋势是一致的；② 进行统计分析可知，幂函数是最佳拟合方式，因此，可以推知，短空气间隙的U50%交流放电电压与气压之间的关系符合幂函数规律。

四放电电压与气压P的关系

从数据统计分析可知，实际气压与P0之比对间隙的50%交流放电电压的影响的最佳拟合方式为幂函数拟合，即

式中P0为零海拔气压(kPa)；P为实际气压(kPa)；U0,50%为零海拔的放电电压；n 为气压因素特征指数。

根据图4拟合求得的气压因素特征指数n、拟合相关系数的平方R2与U0,50%如表2所示。由表2可知，对于不同间隙长度，其特征指数n值并不相同，其值在0.4298~0.5216之间变化，平均值为0.472。气压影响因素特征指数n在不同空气间隙产生变化是由于：① 不同间隙长度时，人工气候室内电场畸变的差异产生的影响；② 连续二次放电的时间间隔只有5 min.，前次放电产生的残余电荷并未完全消散，从而对不同间隙放电产生了不同的影响。

五空气间隙交流放电电压海拔高度的修正

式(1)与海拔的关系并不直观，海拔高度H与气压P存在确定的关系。因此，可直接采用海拔高度H来表示其对短空气间隙交流放电电压的影响。根据青藏铁路沿线40年的气象数据统计分析可得气压与海拔高度的关系式为

式中H为海拔高度(km)；k为短空气间隙交流放电电压校正因素；n为气压影响因素特征指数，对于不同间隙，其n值如表2所示。

根据表2的n值由式(3)可绘制不同短空气间隙在海拔H处与零海拔处50%交流放电电压之比与海拔高度H的关系如图5所示。

利用泰勒级数将式(3) 展开，并略去二次以上的高阶项得短间隙交流放电电压校正因素k为

分析计算结果表明，在海拔5500 m以下时，式(4)与式(3)的计算结果的相对误差在n=0.3～0.7时小于5%。本文根据试验结果，对于小于500 mm的短空气间隙，气压影响特征指数n值取表2中的最大值的1.15倍，即n0为0.6。则由式(4)可得

由上式可知，对于海拔4000m以上地区，海拔每升高1 km，对于小于500 mm的短空气间隙，其交流放电电压降低7.14 %。

六结论

（1）海拔高度升高，空气密度降低，气压降低，空气间隙的交流放电电压降低。但在不同的海拔范围内，其放电电压降低的趋势并不一致，在0～ 2 850 m之间，下降速度最快，2 850～ 4 000 m之间趋于平缓，而4 000 m以上下降明显，但其速度较之0～2 850m为慢。

（2）空气中的水气含量，即空气相对湿度对放电电压有明显影响。湿度不仅直接影响间隙的放电电压，而且对放电电压随空气密度的变化趋势也有明显影响。

（3）短空气间隙放电电压随海拔升高而降低的校正公式可以表示为

=0.6，因此短空气间隙交流放k=1-0.119nH；对于100~310 mm的间隙，本文取n

电电压的校正因数为k=1-0.0714H，即海拔4000 m以上地区，海拔每升高1 km，放电电压下降7.14 %.。

（4）本文研究结果仅适用于海拔4000 m以下地区，对于4000 m以上地区，建议仍以现有的有关标准为依据。

（5）湿度对放电电压的影响规律及海拔4000 m以上短间隙的放电物理特性还有待于进一步研究。

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