关于气体放电管在累积放电作用下退化演变过程的研究

《IEEE Transactions on Plasma Science》：Study on Degradation Evolution Process of Gas Discharge Tube Under Cumulative Discharge

气体放电管（GDT）因累积放电导致性能退化，通过建立实验平台研究其电气特性、电极表面形貌及元素组成、质量转移等参数变化规律。结果显示击穿电压先升后降（终值仅初始60%），绝缘电阻持续下降（终值<1MΩ），电极表面铁镍含量增加，电子粉末覆盖减少，最终导致保护失效。

　　

摘要：

气体放电管（GDT）在长期使用过程中，常常因浪涌过电压而发生击穿和放电现象。当放电持续发生一定次数后，GDT的击穿电压和绝缘电阻会发生显著变化，从而导致性能下降，威胁到被保护设备的安全。为了探究这一退化过程，本文建立了一个累积放电实验平台，对GDT的整个生命周期进行累积放电实验。研究了GDT退化过程中四个特征参数的变化及其相互关系：电气特性、电极表面形态及其元素组成，以及电极的质量传输。实验结果表明：随着放电次数的增加，击穿电压先升高后降低，最终值仅为初始值的约60%；绝缘电阻值持续下降，在最后阶段急剧降低，最终低于1 MΩ；电极表面的电子粉末覆盖层逐渐减少，栅极边缘的侵蚀程度逐渐增加，直至与栅极内部结合；电极材料中Fe和Ni的总含量从60.03%增加到98.37%，而电子粉末中相关元素的含量从39.97%降低到1.63%。最后，本文讨论了上述劣化现象及其产生的原因，并分析了各结果之间的关联。

引言

气体放电管（GDT）是一种间隙式浪涌保护元件，具有结构简单、电流承载能力强、电荷传输效率高、无电流泄漏以及适用频率范围广等优点[1],[2]。它被广泛应用于通信系统的雷电保护中。在瞬态过电压作用下，GDT内的气体发生击穿并形成等离子体通道，释放侵入的能量[3],[4],[5]。工程实践表明，经过累积放电后，GDT的绝缘性能通常会下降，导致其提供的保护水平降低，最终可能使保护作用完全失效[6]。更糟糕的是，被保护的设备和系统可能会因GDT故障而发生短路，从而使“保护”反而成为对设备和人员安全的严重威胁。因此，在高速铁路和军事工业等对设备和系统可靠性要求极高的重要工程中，GDT并未得到广泛应用[7]。为了解决这些问题并避免灾难，研究由累积放电引起的GDT退化过程对于后续的可靠性评估和保护装置的退化机制研究具有重要意义。