這是一個很有意思的問題，以下進行詳細解答。

一.氣體放電的基本原理

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

氣體受到電場或熱能的作用，就會使中性氣體原子中的電子獲得足夠的能量，以克服原子核對它的引力而成為自由電子，同時中性的原子或分子由于失去了帶負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電動勢的電壓置為最低值，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)在我們開始調(diào)節(jié)電源E的電動勢，我們看到電流表中有一點電流了。

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。我們把這個比值叫做電離度。元素呈氣態(tài)時，從它的一個原子或陽離子中將一個電子移至無窮遠處時所需做的功，稱為該元素的電離勢，單位為電子伏特（ev）。氣態(tài)電中性基態(tài)原子失去一個電子轉(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。

電離后的負離子也即電子奔向陽極，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，這些離子還沒到達電極，就被復合了。所以此時的電流極小。

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。這是因為宇宙射線的數(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，右圖的縱坐標是弧隙電壓，不是電源電壓。

我們繼續(xù)調(diào)高電壓，當?shù)竭_一定階段后，電流發(fā)生了突變，此時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，這說明，這一過程是非自持的。

另外，注意到這一階段的曲線是單調(diào)上升的。因為 ，也即弧隙電壓與電弧電流之比是正值，說明曲線對應的等效電阻Rh具有正阻特性。

現(xiàn)在，我們來研究一下陰極和陽極的：

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

1.熱發(fā)射：金屬因為溫度升高電子逸出。

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

2.場致發(fā)射：在高電場下，自由電子越過勢壘而逸出。

當金屬表面具有高電場時，自由電子穿過勢壘逸出金屬的現(xiàn)象。

場致發(fā)射對于低壓電器的滅弧有重要意義。

3.光發(fā)射：當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：當高速正離子、電子和負離子撞擊金屬時，引起的電子發(fā)射。

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

 

這里的A1是系數(shù)，對于純金屬，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電離，還有熱電離。

第二階段：輝光階段

 

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

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，伏安特性曲線上任意點的等效電阻    ，說明曲線對應的等效電阻Rh具有負阻特性。

我們知道，所謂離子復合，其實就是電子返回正離子的過程。當電子返回原子時，會把它攜帶的能量以光的形式發(fā)射出來。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)出的光則是藍白色的。

這個區(qū)域叫做輝光放電區(qū)。

輝光放電區(qū)的特點是：弧隙中整個空間都在放電，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，我們會發(fā)現(xiàn)一個現(xiàn)象：右側(cè)伏安特性曲線中，弧隙的電壓降低了，通過弧隙的電流增大了，現(xiàn)在曲線進入了弧光放電區(qū)域。

所謂弧光，其實就是電弧。

 
弧光放電的介質(zhì)溫度很高，可達6000K。直徑很細。

在電弧內(nèi)部，會出現(xiàn)一種有趣現(xiàn)象：正負離子在奔向電極的途中，會在某個區(qū)域復合，然后再次熱電離。這個區(qū)域叫做電子崩。由于正負離子復合會發(fā)出強光，所以電子崩的崩頭就是電弧中發(fā)光較強的區(qū)域。

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

我們來看電弧的電場分布：

 
最上面一張圖就是電弧了。左邊是陰極，右邊是陽極。

中間圖顯示的是從陰極到陽極的電場分布情況。

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)電壓相對平穩(wěn)；右側(cè)的近陽極區(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分布，我們看到近陰極區(qū)電場改變量極大，但寬度不如近陽極區(qū)；中間的弧柱區(qū)電壓很平穩(wěn)，說明弧柱區(qū)內(nèi)其實就是一團等離子氣體，它的特性近乎于金屬導體；右邊就是近陽極區(qū)，它的電場改變量較小，但寬度更寬。

2.電弧的伏安特性

當氣體放電管中已經(jīng)出現(xiàn)了電弧后，我們改變弧長或者調(diào)節(jié)電源電壓，會發(fā)生什么現(xiàn)象呢？

（1）改變弧長后電弧的特性

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

其意義也很明顯：長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遠大于低壓電器。

（2）電弧的負阻特性

電弧伏安特性曲線上的任意一點，電弧電阻Rh為：

 

當電弧電流Ih增加時，我們看到電弧電阻在減小。因此，電弧具有負阻特性。

事實上，當電弧電流增大后，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）電弧的動態(tài)伏安特性

 

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

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

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，電弧是一團等離子的高溫氣體，它的溫度在短時間內(nèi)不允許突變，這叫做電弧的熱慣性。

由于電弧的熱慣性，當電流快速變大后，電弧電阻瞬時間不變，因為Uh=RhIh，所以電弧電壓會上升，到達2點。隨著電弧電阻的動態(tài)調(diào)整，最后返回到3點。

當電流急劇地從I1增大到I2后，它會到達4點，最后返回到3點。

當電流減小時，情況也類似。

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

正因為電弧具有熱慣性，它不允許電流突變，所以電弧具有一定的限流能力。估計，這一點是許多人都沒有想到的。

看來，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)，我們看到這是一個實際電路：有交流電源E，有電阻R，還有觸頭K。當K打開后，觸頭間就會出現(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，當電壓過零后，電弧不會重燃。等到電壓升到一定的幅值后，氣隙被擊穿，電弧開始出現(xiàn)。此時的電壓就是U0。

氣隙擊穿后，隨著電壓不斷上升，弧柱不斷地變熱變粗，弧柱的電阻也會下降，并進入負阻區(qū)。當Rh下降的速度等于Ih增長的速度時，Uh到達A點的最大值Ur，Ur又叫做燃弧電壓；此后，Ih不斷增長，當?shù)竭_B點最大值后，開始減少。由于電弧存在熱慣性，這時的電弧電阻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點叫做熄弧電壓Ux。從C點以后，電弧趨于熄滅。

我們來看電阻性負載的交流電弧電壓uh和電弧電流ih的波形：

 

 

圖中U是電壓波形。

（1）當電壓過零后，電弧在燃弧電壓Ur下開始點燃。注意到Ur就是A點電壓；電弧在熄弧電壓Ux后熄滅。注意到Ux就是C點電壓，

（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)域叫做零休時刻。電弧從第一半波到最后熄滅，每次過零時零休越來越長。

（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)恢復為常態(tài)的強度Ujf，必須大于過零后的電壓恢復強度Uhf。即： 。

說了這么多，我們來看一個應用。

我們來設(shè)想，當交流電流過零前，若電極處于左邊是陽極右邊是陰極，見下圖：

 

過零前，陽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，正負電子的數(shù)量接近均等；交流電流過零后，陽極變成陰極。由于正離子體積大質(zhì)量也大，而負離子也即電子質(zhì)量小它會迅速地移動，于是在新陰極的表面會殘留一層正離子構(gòu)成的區(qū)域。

過零后新陰極附近的電場強度E0表達式為：

 

這里的Uj就是新陰極近旁相對陰極的電壓。

過零后，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發(fā)射，也即場致發(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)果使得電流過零后恢復電壓被延滯，繼而電弧重燃也被延滯，弧隙也獲得了一定的耐壓強度，這種效應叫做近陰極效應。

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

近陰極效應對高壓電器的長弧不起作用。

弧光區(qū)有關(guān)電弧的內(nèi)容極其豐富，知識面也很廣，本帖只是蜻蜓點水般地點一下而已。具體細節(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)

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

說明一下：有的書籍認為輝光放電后現(xiàn)出現(xiàn)火花放電，然后再出現(xiàn)弧光放電，有的書籍則相反。其實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

氣體間隙的擊穿過程，從流注理論來看是這樣的：

（1）從陰極發(fā)射的電子，在電場的作用下向陽極運動，經(jīng)過一系列碰撞，產(chǎn)生了大量的新電子和正負離子。

（2）由于電子運動速度快，大量地集中在前進方向的前部，而正離子則留在后部，這樣就形成了一個電子和正離子構(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分布，使得其中復合作用增強。這些復合作用放出了大量的光子，使得距離甭頭不遠處產(chǎn)生了第二個電子崩。若繼續(xù)發(fā)展，又會產(chǎn)生第三個和更多的電子崩。

（4）若弧隙的擊穿繼續(xù)發(fā)展，電子崩就會連成一體，形成了一個從陰極到陽極的電離氣體通道，此時間隙被擊穿。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問題

知識問題：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)說明。我們把回答的內(nèi)容放在其它問題上。

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，是它的一個電極為棒狀，而另一個電極為板狀。

（1）當棒極為正，板極為負時

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被削弱，而陰極的電場則有所增強，結(jié)果使得棒極附近的強電離區(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降低。

（2）當棒極為負，板極為正時

陰極表面形成的電子在電場作用下向正極（板極）運動，立即進入強電場區(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被加強，因此電暈的起始電壓相對棒極為正極時有所增高。

什么是低氣壓放電和高壓電弧？

這個問題正好反映了氣體放電按氣壓變化的兩個方面。

我們來看下圖：

 

圖的右上方我們看到了巴申曲線。

巴申曲線縱坐標是擊穿電壓，橫坐標是壓強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，當氣體壓力高于該電壓所對應的氣壓值時，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，從而削弱電場電離的過程，進而提高氣體的介電強度。

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

下圖是某著名水電樞紐中的GIS開關(guān)圖片：

 

（2）關(guān)于高真空

當氣體間隙被抽成真空狀態(tài)時，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，電場電離的次數(shù)極大地降低，不利于間隙擊穿的過程發(fā)展。因此，高真空能提高間隙的擊穿電壓。

事實上，在真空下?lián)舸�機理已經(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（見前面尖端放電的說明）電場強度很高，會導致強烈的場致發(fā)射。當場致發(fā)射嚴重時，電極表面會出現(xiàn)熱點。若電極材料的沸點較低，就會出現(xiàn)金屬蒸汽，最終導致間隙擊穿。

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關(guān)中（3到35kV）。