基于迁移管法气压对氮气正电晕放电离子迁移率的影响

刘云鹏 吴振扬 朱 雷 裴少通



基于迁移管法气压对氮气正电晕放电离子迁移率的影响

刘云鹏1吴振扬2朱 雷3裴少通1

（1. 华北电力大学河北省输变电设备安全防御重点实验室 保定 071003 2. 国网长春供电公司 长春 130000 3. 国网南京供电公司 南京 210000）

低气压下离子迁移率是高海拔地区输电线路导线电晕放电的关键参数之一，同时氮气作为正电晕放电参与反应的主要气体，目前均作为常量对待，其测量结果对于建立考虑海拔因素的离子流、电晕损失等计算模型具有重要意义，因此对不同气压下氮气正离子迁移率的测量显得尤为重要。在已有研究的基础上，自主设计了可模拟不同氮气气压条件下离子迁移率测量平台，并将离子门的动作方式由关闭—导通—关闭改进为关闭—导通，从而得到幅值尽可能大的离子流波形。利用此平台测量得到大气条件下纯氮气环境离子的迁移率为1.113cm2V-1S-1，并通过试验研究了气压在101.19～44.52kPa范围内氮气环境离子迁移率变化情况，研究发现氮气正离子迁移率随气压增大呈非线性减小且具有一定的饱和趋势，最后提出了一种氮气正离子迁移率随气压变化的指数修正方法。

电晕放电 离子迁移率 气压 离子门 氮气

0 引言

随着我国输电线路电压等级的不断提高。电晕损失问题必然成为研究的关键技术问题之一[1]。而离子迁移率作为影响不同海拔条件下输电线路电晕损失的最主要因素之一，对于研究尤为重要。

离子迁移率是表征载荷粒子在电场作用下，沿其方向运动而获得的平均速度与所加电场强度的比值。它是载荷粒子群的本质特性，可以简单有效地区分载荷粒子种类[2-4]。

国内外用于测量气体中离子迁移率的方法主要有电压-电流曲线法、脉冲法和迁移管法等。其中虽然电压-电流曲线法测试方法简单，但由于在极不均匀电场中电晕起始后的电场分布和电晕发展过程目前尚不清楚，从而缺乏理论基础。而脉冲法本身会产生一个电磁脉冲，因而会对测量结果造成很大的影响，同时脉冲法对迁移管本身和试验环境地线的要求更为苛刻。迁移管法是用于离子迁移谱分析的一种方法，目前已广泛应用于食品安全、毒品等检测领域[5-8]，理论比较成熟。文献[9]基于脉冲电压源、电离源采用针-环结构搭建了迁移管测量平台，检测了针环电晕放电离子源的环极离子流信号，发现其信号强度较大，可以达到mA级，满足针环放电离子迁移率检测装置的放电源要求。文献[10]讨论了离子通过离子门进入迁移管的有效方式，研究了离子门参数的变化对离子迁移谱分辨率和灵敏度的影响，给出了一组较为合适的离子门参数。本文利用迁移管法，搭建针环放电模型测量离子迁移率的试验平台，利用改进后的离子门测量了其所在的迁移管内气压在101.19～44.52kPa范围内氮气环境离子迁移率变化情况，可为其他电晕放电特性的分析提供参考，对于电晕放电的研究具有重要的意义。

1 离子迁移率测量试验

1.1 试验原理

基于迁移管法搭建了可模拟不同气压氮气离子迁移率测试平台，其原理简单且易操作。试验时针环电极加同极性直流高压，通过调节针环间距及针环间所加电位差来控制电离源产生的离子数目。环电极与法拉第盘同处轴向水平布置，其中迁移管管尾加屏蔽电极且接地，从而在环电极与法拉第盘之间形成了迁移电场。同时，为保证迁移电场的均匀性，在迁移管腔体的外侧均匀布置铁环，铁环间串联高精度无感分压电阻，分压电阻首端与离子门相连，末端接屏蔽电极即地电位，使迁移管身内电势有逐级减弱均匀分布的电势差，铁环间场强非常均匀，因而从电离源产生的大量离子在漂移电场的作用下向法拉第盘运动最终被法拉第盘接收[11]。

离子门是离子迁移管中的一个重要部件，它控制了离子团进入迁移管的方式。当离子门关闭时，电晕放电产生的离子受离子门上金属丝间的相互作用而改变移动方向，被离子门挡在迁移管外。当离子门打开时，离子在迁移电场的作用下向迁移管管尾移动，并向法拉第盘移动，部分离子被法拉第盘捕获，经过fA级微弱电流放大器将此放大成电压信号而被示波器检测到，测试平台实物如图1所示。

图1 测试平台实物

1.2 腔体内主要部件及作用

离子迁移管腔体由聚四氟乙烯材料加工制作，腔体各部分的连接处均用卡夫特免垫片蓝胶进行密封。腔体内装有针环放电电极、Bradbury-Nielson型金属丝离子门、金属网屏蔽栅门和法拉第盘，腔体示意图如图2所示。

图2 腔体示意图

1—针环放电电极 2—环电极 3—离子门 4—金属网屏蔽栅门 5—法拉第盘

Fig.2 Cavity schematic

（1）针环放电电极：离子源采用针环直流电晕放电结构。不锈钢针的针尖曲率半径0.1mm，铝环内径20mm，外径30mm，厚度8mm，试验时将放电间隙固定4.3mm。

（2）金属网屏蔽栅门：距法拉第盘1mm处，固定一张金属屏蔽网，且通过2 200pF的电解电容接地。离子在迁移管运动的过程中，当接近但未达到法拉第盘时，会在法拉第盘上接收到感应电流，造成测得的离子流峰出现高频干扰，进而引起波形失真，影响测量结果。因此在法拉第盘前固定屏蔽网，用来减小感应电流的影响，屏蔽网通过电容接地可以滤掉部分高频噪声，并在一定程度上提高了被采集信号的信噪比，金属屏蔽网为网孔直径1mm的铝网。

（3）法拉第盘：法拉第盘直径15mm，厚约4mm，用来接收经漂移电场过来的离子，离子流信号比较微弱（约nA级），通过fA级低噪声微电流放大器进行放大，用示波器进行采集，法拉第盘另一端与铜棒连接，用来传递信号。把法拉第盘连同铜棒放入腔体内，铜棒通过外螺纹与腔体右端壁相连。法拉第盘外围通过自制的法拉第盘支架固定，同时支架上均匀分布的8个圆孔可以保证腔体抽气时气流的平稳。

（4）离子门：Bradbury-Nielson型金属丝离子门由同一平面内的两组平行金属丝构成，离子门金属丝直径0.2mm，丝间距0.8mm，控制离子门开启脉冲由自制脉冲发生器产生。离子门开启时，离子门轴向电场要有一定的强度（约为迁移管中迁移电场的两倍），通过离子门的部分离子被法拉第盘捕获，经过微弱电流放大器将此放大成电压信号而被示波器检测到[10]。

（5）腔体的气路：本试验平台设计是通过抽取迁移管内气体模拟不同气压测试氮气环境离子迁移情况。需要腔体内部有严格的密封性，方便对不同气压调节，并且为了能测试纯净氮气的气压，要求送气口不能混有其他杂质气体。在测试前，需要将腔体内杂质排除干净，采用长时间送气，并从另一侧抽气的方式，将腔体内的杂质排出。试验中，为防止杂质混入，需从腔体内气压较高时开始。

根据物理学气压和海拔的方程，按照大气环境空气气压与海拔对照关系进行取点研究，见表1。

表1 大气环境海拔与气压的对照

Tab.1 Atmosphetic environment and the air pressure control

1.3 氮气环境正电晕放电产生离子情况

本试验选用的氮气纯度为99.99%，环境温度和相对湿度分别控制在30℃和55%。为保证腔体内气体的纯净，试验开始前，配合抽气机对腔体持续送气10min，除去腔体内杂质气体。

电晕放电从针尖高电场强度区电离出初生电子，初生电子与氮气分子碰撞，将分别电离出一个正离子和一个次生电子。正离子在电场作用下做远离针极迁移运动，初生电子和次生电子不断重复上述过程，直到其能量低于电离氮气分子所需电离能为止，其主要离子反应式如下[12]

（2）

1.4 离子门控制回路

本文参考文献[13]并对离子门控制回路作了有效改进，实现离子门的有效关断。离子门控制电路如图3所示，在迁移管外增加一组串联电阻至高压端，阻值与串接在迁移环上的电阻值相同。离子门一组金属丝连接到形成迁移电场的分压电阻上，另一组金属丝接入串联电阻的同一点。当微处理器产生的脉冲信号为低电平时，Q1处于关断状态，此时离子门两组金属丝的电动势相等，即A=B，离子门处于打开状态，在迁移电场的作用下离子可以通过迁移管最终抵达法拉第盘从而被检测到。当脉冲信号为高电平时，Q1导通，1被短路，此时A和B之间将产生电压差d，d产生一个近似于两倍均匀电场的垂直于迁移电场方向的电场。离子靠近离子门时，会在这个垂直电场的作用下发生90°的偏转，与构成离子门的金属丝相撞而被中和，从而阻止离子进入迁移区域，实现离子的控制功能。

图3 离子门控制电路

2 低气压下离子门的开断时间

加拿大G. A. Eiceman利用放射源63Ni对大气条件下空气离子迁移时间进行了研究[14]，测试了不同离子门开断时间对离子迁移时间的影响，得出开门时间的长短会影响离子迁移谱的形状，但不会对迁移时间产生影响，这说明离子迁移率是离子本质属性。

但G. A. Eiceman仅对大气条件下不同离子门开断时间进行了讨论，而没有进一步研究不同气压条件下离子门开断时间的变化是否会影响离子迁移率。通过模拟较低气压测量不同开门时间纯氮气环境电晕放电生成离子的迁移情况，得出离子门触发时打开而不关闭情况下，离子迁移时间变化不大，并且离子流的浓度较高，易于分辨，受感应电流影响较小。因此本文采用打开后不关断方式控制离子门，测试氮气环境离子迁移时间。

3 测试结果

3.1 迁移管电场强度计算

本文利用Ansys软件仿真迁移管内电场情况，如图4所示。离子门处电场强度较大，可以促使离子能有效通过离子门，进入迁移区。在迁移区，电场分布比较均匀，利于离子沿迁移管轴向运动，方便被法拉第盘接收到。针放电电极为7 200V高压，环放电电极为2 600V，由仿真计算得到迁移管平均电场强度为260V/cm。

图4 迁移管电场强度

3.2 常压下氮气环境离子迁移率测量

在离子迁移管实际工作过程中，离子迁移时间是非常重要的参数，常用来直接标定离子迁移情况。

通过10次以上重复测量得到常压条件下氮气环境离子迁移时间为29.311ms。由离子迁移率的基本定义[9,11]可得

==（3）

式中，为离子迁移率；为离子迁移速度；为迁移区平均电场强度；为迁移区长度；为迁移时间。计算得到大气条件下离子迁移率，氮气为1.113cm2V-1S-1，而用同样方法测得空气为1.229cm2V-1S-1。同一条件下，氮气正极性离子迁移率小于空气正极性离子迁移率，主要原因是电晕放电生成的离子有差别，与实际研究相符[15-18]。

3.3 不同气压下氮气环境正极性离子迁移率

Mason-Schamp迁移率方程为

式中，为离子电荷数；为电子电荷；为漂移气体分子数；为漂移气体分子质量；为离子质量；为波耳兹曼常数；为热力学温度；为修正项；为对不同碰撞散射角及不同能量时平均值的修正项[19-21]。由式（4）可知，离子迁移率与漂移气体分子数直接相关，即与气压直接相关。

试验中，进行了在101.19～44.52kPa范围内离子迁移谱的初步测量，得到结果如图5、图6所示。

（a）气压为101.19kPa

（b）气压为82.39kPa

（c）气压为63.45kPa

（d）气压为44.52kPa

图5 不同气压下离子迁移谱情况

Fig.5 Ion mobility spectra under different air pressure

图6 不同气压下氮气环境离子迁移时间情况

由图6可知，随着气压的下降氮气正极性离子的迁移时间呈减少趋势，且减少地越来越快。在气压为101.19kPa时，氮气正极性离子迁移时间为29.31ms，而当气压下降到72.92kPa时，测得的离子迁移时间为23.82ms，降低了18.73%；当气压抽取到44.52kPa时，测得离子迁移时间的平均值为13.52ms，相对于101.19kPa时降低了53.87%，由此可见离子迁移时间随气压的降低而快速地减少。

由式（3）可知，离子迁移率与迁移时间呈负相关关系。由迁移时间的变化可知，离子迁移率随气压的降低将呈非线性增大，其增长率见表2。

表2 离子迁移率随气压变化情况

Tab.2 Variation of ion mobility along with pressure

由表2得到氮气正极性离子迁移率随气压变化曲线如图7所示。

图7 氮气正极性环境离子迁移率随气压变化曲线

由图7可知，当气压在72.92kPa以上时氮气环境离子迁移率可近似成线性变化。当继续抽取气体而使气压下降且小于72.92kPa时，氮气环境离子迁移率也可近似呈线性变化。将试验数据（9次测量结果求平均值）进行非线性拟合可得

式中，为气压（kPa）。

由式（5）可得，相关系数为0.998，拟合效果较好，误差较小。

4 结论

1）本文基于迁移管法设计了可模拟不同气压下，针环电晕放电结构离子源的离子迁移率测试装置，试验结果初步验证了测试方法的可行性。

2）采用本文提出的关闭—导通开断方式的离子门可以得到幅值较大的离子流波形，从而降低背景干扰对测量结果的影响。

3）由于气体压强降低，离子在运动的过程中碰撞其他粒子的机会减小，造成离子迁移率的增加。离子迁移率在气压101.19～72.92kPa范围内随气压呈线性增长，气压为72.92kPa时的离子迁移率是101.19kPa时的1.23倍。而当气压继续下降，离子迁移率增长加快，到44.52kPa时离子迁移率已经是101.19kPa时的2.17倍。离子迁移率和气压的关系不满足线性关系，进而提出了一种指数形式的电晕放电离子迁移率气压修正公式。

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Influence of Air Pressure on Corona Discharge Ion Mobility of Nitrogen Based on Drift Tube Method

1231

（1. Hebei Provincial Key Laboratory of Power Transmission Equipment Security Defense North China Electric Power University Baoding 071003 China 2. State Grid Changchun Supply Company Changchun 130000 China 3. State Grid Nanjing Supply Company Nanjing 210000 China）

The ion mobility in low gas pressure is a key parameter for corona discharge of power transmission line in high altitude area. Meanwhile, nitrogen as the main reaction gas in positive corona discharge, its existing value of the ion mobility takes no consideration of gas pressure. Actually, the measurements of ion mobility in different gas pressures have great significance to establish the ion current and corona loss calculation models. A needle-ring corona discharge experiment platform is designed and set up, which can simulate different gas pressures. What's more, the execution of the ion gate is improved from off-on-off to off-on, thus the waveforms with higher amplitudes of the ion could be gained. Thanks to the designed platform, the measured ion mobility of pure nitrogen under normal atmospheric condition is 1.113cm2V-1S-1. Besides, the positive nitrogen ion mobility at gas pressure of 101.19～44.52kPa is measured. The experimental results indicate that the ion mobility decreases nonlinearly with the increasing of gas pressure and has a certain trend of saturation. Finally, an index correction method is put forward.

Corona discharge, ion-mobility, gas pressure, ion gate, nitrogen

TM85

国家重点基础研究发展计划（973计划）（2011CB209401）和国家自然科学基金（51277073、51577069）资助项目。

2014-09-17 改稿日期 2014-11-28

刘云鹏 男，1976年生，博士，教授，博士生导师，主要从事特高压输电技术、电气设备在线检测和故障诊断等方面的研究。E-mail: liuyunpeng@ncepu.edu.cn

吴振扬 男，1987年生，硕士，主要从事特高压输电技术和电晕放电特性方面的研究。E-mail: 444650772@qq.com（通信作者）