[科普中国]-表面放电

概述

表面放电是指带电绝缘体接近接地体时，几乎在与带电体和接地体之间产生放电的同时，沿绝缘体表面发生的放电。它具有固定形状的发光（呈树枝状，一旦形状形成时基本不变），如右图所示。

它的放电能量大，与火花放电相同，极易成为引火源。产生表面放电的条件一是绝缘体带电量特别大；二是在带电绝缘体背面的邻近处有接地体。2

表面放电可由不适当的应力平衡或流过电绝缘表面导电层（典型的如潮湿）的泄漏电流产生。某些材料（特别是无机材料）是非常耐表面敢电的，因此存在放电并不要紧。但在有机材料中，放电通常会使表面碳化或腐蚀。3

基本原理在均匀场中，由于固体介质和电极表面接触不完全密合，在两者之间产生气隙，这样因气体的介电常数比固体介质低，气隙中的场强将比平均场强高许多，从而在气隙中发生局部放电，放电产生的带电质点从气隙中逸出，到达介质表面后使原有电场产生畸变，降低了沿面闪络电压，导致表面放电。其闪络电压通常与气体湿度、压力、介质表面状态有关。

在强垂直分量极不均匀场的情况下，由于高压电极处场强强，放电首先由此开始，电压不太高时，高压电极边缘发生电晕放电，随着电压升高，电晕向前延伸。当电压超过某一临界值时，个别点处电晕放电迅速增长，转变为树枝状明亮的火花。这些放电火花在电极不同位置处交替出现，紧贴介质向前发展，随即很快消失，而后又在新的位置产生，此即滑闪放电阶段。当放电火花到达另一电极，导致间隙完全击穿，产生表面放电。

其放电机理是：电晕产生的带电质点在电场垂直分量的作用下不断撞击介质表面，引起局部温度升高。随着电压的升高，沿面放电通道流过的带电质点增多，介质表面局部温度也就升得更高。在一定电压下此温度可高达足以引起气体的热电离数值，此时通道带电质点数剧增，电阻急剧下降，通道头部场强也剧增，导致通道迅速增长，放电转入滑闪放电阶段。滑闪放电电压与所加电压的角频率、介质表面比电容以及介质表面的电阻率有关，电压角频率越高、表面比电容越大、介质表面电阻率越大，滑闪放电电压越低。在直流电压作用下没有明显的滑闪放电现象，沿面闪络电压也高，但如果是直流脉动电压或直流电压常发生波动，则沿介质表面的放电和交流电压下相似，也有滑闪放电现象。

在弱垂直分量极不均匀场的情况下，由电极电晕产生的带电质点在介质表面的积聚，使电压重新分布，所造成的电场畸变不会显著降低表面放电电压，且电场垂直分量小，介质表面没有较大的电容电流流过，放电过程中不会出现热电离现象，故没有明显的表面滑闪现象，其滑闪电压与空气击穿电压相差不是很大。

比较表面放电的三种类型可见，均匀电场类型要求电极尺寸远大于固体介质尺寸才能保证获得均匀电场，这种类型适合横向泵浦，但不适合作为轴向泵浦。后两种有电场垂直分量的类型可以获得大电流高辐射亮度温度的放电，适合轴向泵浦。但是，有弱垂直分量的极不均匀场类型滑闪电压高，而且难于控制放电路径；而有强垂直分量的极不均匀场类型则可以通过合理的结构设计实现对表面放电的控制。4

表面放电类型表面放电依据固体介质处于电极间电场的形式，可分为以下三种类型：

（1）固体介质处于均匀电场中，电力线平行于固体与气体的分界面，如右图（a）所示。

（2）固体介质处于极不均匀电场中，且电场强度垂直于介质表面的分量（垂直分量）要比平行于表面的分量大得多，如右图（b）所示。

（3）固体介质处于极不均匀电场中，但在介质表面大部分地方电场强度平行于表面的分量要比垂直分量大，如右图（c）所示。4

表面放电开关对常用的火花放电间隙开关，当放电是单通道时，其间隙的击穿时延受到放电通道电感和电阻的影响，尤其是电感的影响大。为了减小开关的击穿时延，其方法之一是采用固体介质作为电介质。因为，固体介质可以做得很薄，固有电感很小。但如前所述，其最大缺点是这种介质只能使用一次，而且只产生单次脉冲。减小电感的另一种方法是采用多通道放电。当放电通道数目很多时，通道电感将大大减小。同样，通道的电阻也减小。但是，为了使火花放电间隙开关能产生多通道放电，就必须有上升时间很短的、幅值足够高的触发脉冲。同时，在结构上，开关主电极多采用具有半圆形表面的长条电极，触发电极则采用具有长条刀片形状的电极。考虑了这些因素后，放电通道数目一般为十几个或者几十个。

现在的表面放电开关，最大特点就是能产生稳定的多通道放电，通道数目多，击穿延时短而且分散性小，开关的寿命也长。

表面放电开关的结构示意图如右图所示。

图中的电极为平板形，表面放电开关的电压就加在A、B两电极上。

加在主电极A和B之间的高电压可以是直流高压，也可以是脉冲高压。当触发电极C加上触发脉冲后，由于电极C和电极A、B之间的耦合电容的作用，介质表面发生弱的电晕放电，通过介质表面的电流是位移电流，而且沿整个介质表面分布。电晕的发展速度约为5mm/ns。在电晕放电的影响下，主电极A和B之间将发生多通道表面放电，使间隙导通。