高电压技术中的气体放电及其应用分析

李铭展

摘要：高电压技术中，气体放电应用广泛。本文主要对高电压技术中气体放电的现象进行研究，分析产生气体放电现象的因素，并对气体放电在我国电力工程、工业生产以及化学生产中甲烷转化的应用情况进行过深入研究，充分了解高电压技术中国气体放电对我国各方面的促进作用。

关键词：高电压;气体放电;放电应用

引言：气体放电属于一种自然的现象，在自然环境中，宇宙射线放射到处于绝缘状态的气体上，会导致气体电压升高，最后产生放电现象。我国工业生产以及电力工程行业的发展离不开对高电压技术下气体放电现象的研究利用。因此，高效利用高电压技术下气体放电资源，能够促进工业生以及电力工程等行业的发展。

1 高电压技术中气体放电原因分析

自然状态下的绝缘气体经过宇宙射线的照射，会携带少量的带电粒子，如果对气体施加电场，会导致气体中所有带电粒子在外力的作用下沿着电场的方向移动，带电粒子的高速移动会形成电流。当把电场强度提高到一定的程度，气体中存在的带电粒子将形成传导性较高的电流通道。此时，气体间隙很有可能被带电粒子击穿，最终造成气体放电，气体放电由此得来。气体放电的时候，气体分子会被电离成为电子和离子，形成低温等离子。当处于最小单位的气体原子接受外能时，将差生一定的能级变化，能级变化又会使电子能量不守恒跳至更高的运动轨道。此时，气体中原子处于被激发状态。外部能量的引入使得气体原子和电子能够快速脱离原子核的束缚，造成自由电子和正离子的产生[1]。受到放电模式、外界激励电源的影响，被宇宙射线照射最终会形成放电现象。

气体放电需要一定的外界条件，当气压足够大时，采用可能产生气体放电现象。国际上根据气体放电类型，将气体放电划分为两种，分别为非自持放电和自持放电。气体击穿的过程即使气体从非自持状态变为自持状态的过程，气体击穿是等离子体产生的唯一方式。例如，利用紫外线对气体进行照射并在电极上施加电压，会使气体中的带电粒子沿着相同方向运动，形成电流，最后造成气体放电。去掉电离源，也就是撤掉施加电压，将无法产生气体放电现象。因此，高电压是实气体放电的最主要条件之一。

2 气体放电在高电压技术中的应用分析

2.1 电力工程中的应用

气体放电常被电力企业用来进行电力生产，由于电力工程电场多为非均匀电场，雷电等自然因素对气体放电的影响较大。雷电击穿空气中的气体之后，会产生很明显的极性效应，造成长时间的气体放电现象。当电力工程企业施加电压不足的时候，整个气体间隙之间将发生局部放电现象，电晕放电就是一个例子。局部放电可能带来能量损耗，导致工程设备产生光、热等效应并造成局部损坏。因此在电力工程中，在进行气体放电实验时，不能使用低压进行气体击穿，会造成设备损耗。应当使用高压进行气体击穿，加强气体放电的使用，最大程度限制电晕带来的损失。

电力工程中主要使用多间隙气体放电管模型，该模型由阴极区和阳极区组成，当雷电等电流穿过该模型时，阴极区将产生较大的电场强度，在强大电场的作用下，形成等离子体。等离子体从阴极快速流向阳极，从而形成电流。在模型的阳极区，电子加速碰撞原子，引发连续的电离现象。当雷电等强电流进入模型时，模型放电管将产生高电压电容器短路，模型放电管将瞬间获得高电位，造成模型阴阳极产生电位差，发生气体间隙穿透。将模型能量导入地面，最终促使模型放电管恢复原来的高阻抗状态，最终致使雷电流得到释放，将放管绝缘状态改变为导电状态，有效避免雷电在成的电力工程设备损耗。

2.2 工业生产中的应用

在工业生产中，大气压辉光是主要的气体击穿电压来源，辉光具有较低的击穿电压，较低的电压通过能够实现气体击穿并且稳定且均匀地放电。整个放电过程不需要较高的气体活性粒子数量，放电现象在真空中就能完成。因此，我国的工业生产经常使用到大气压辉光放电。辉光作为最主要的放电形式，放电较为稳定、均匀[2]。在日常生活中，电灯泡等就利用了辉光放电。工业生产主要使用圆形玻璃管模型进行辉光放电，在圆形玻璃管的两端，设置两个平板电极，并于圆管中放入一定量的气体，在两极施加一定程度大小的电压。慢慢增加电压强度，当电压增大都一定程度时，圆管中的玻璃将被击穿，气体被击穿后，圆管模型外电路电流的影响将实现辉光放电区稳定放电。

例如，我国工业生产中，等离子体显示屏的生产实际上就是完成大量微小圆管辉光等的组合。在真空镀膜工艺中，亦可以使用等离子体具有的辐射效应进行靶材轰击，轰击致使靶材原子和离子的产生，两种粒子数量的增多最后将沉淀成为工业所需薄膜。在我国工业生产中，使用弧光工艺能够进行化工材料的焊接。当施加的气体放电电压达到一定的数值时，气体间隙中将产生大量的电流。降低电压到一定大小并保持恒定时，电弧放电可以维持稳定燃烧，高温促使化学材料表面化学键断裂，当温度回到正常数值时，化工材料会进行化学键复合，最终实现化工材料焊接。

随着脉冲电源技术的发展，用于激励气体放电产生等离子体的纳秒脉冲电源得到了很大程度的应用，这种电源能够促使气体进行均匀放电，有利于甲烷燃烧转化和点火助燃等方面的工业应用。

2.3 化学生产中的甲烷转化

气体放电产生的等离子体可用于化学生产中甲烷转化的研究，甲烷转化属于等离子体技术与化学工程能源的交叉，近年来，世界各国对气体放电的研究越来越频繁。自上个世纪九十年代以来，美国、日本、德国等很多国家就对气体放电等离子体甲烷转化的现象进行了深入的研究。气体放电产生的等离子体能够促进甲烷转化效率的提高，并能控制甲烷转化生成的产物。化学上通过点脉冲电晕放电产生等离子体，能够将甲烷转化成乙炔，经过等离子体的作用，甲烷转化效率可提高50%以上，并将乙炔选择性提高至95%以上。

国外有人研究了DBD甲烷转化，制备出了高碳烃。在高碳烃的制备过程中，分別对电压、等离子体停留时间以及添加气等因素进行了研究，结果显示，甲烷的转化效率会随和等离子体停留时间的增长而得到相应的提高，甲烷转化产物不变，不受停留时间的影响。在我国，天津大学、大连理工大学等多所大学相继开展了等离子体甲烷转化研究，通过使用气体辉光放电产生等离子体，进行了高效催化剂的制作，高效催化剂能够降低甲烷燃烧的温度，提高转化效率。相关科技人员通过使用脉冲电晕和脉冲直流进行气体放电试验，放电产生的低温等离子体对甲烷的转化效率有一定的提高作用，并对电气特征与影响甲烷转化率的因素进行了研究，最终提出同轴结构反应器并应用于实际生活中。

总的来说，我国化学生产方面，主要集中于甲烷转化和重整制氢的转化率和选择性研究，通过改变操作条件，提高甲烷的转化效率。气体放电产生的等离子体对甲烷的转化有很大的促进作用，因此，在我国的化学生产中，技术人员要合理利用气体放电现象，实现甲烷化学转化效率的提高，制作各种化学物品，促进生产效率的提升，提升国家经济实力。

结语：综上所述，高电压技术下，气体放电对国家各方面的研究有很大的作用。因此，电力工程、工业生产等行业要合理利用气体放电资源，进行电力生产，提高自然资源利用率，促进企业经济健康快速发展。加大气体放电技术宣传，最大化气体放电社会效益和经济效益。

参考文献：

[1]刘磊. 用于气体放电的多路组合开关电源研究[D].西安石油大学，2020.

[2]滕潘.短间隙空气放电的光信息研究[J].大庆师范学院学报，2019，39（06）：5-11.

[3]何欣洁.高电压技术中的气体放电及其应用探析[J].电子测试，2019（20）：31-32.