正极性电场中SF6 气体对导电微粒带电特性的影响

马御棠，刘 刚，耿 浩，廖民传，冯瑞发

（1.南方电网云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217；2.南方电网科学研究院，广州510663；3.特高压电力技术与新型电工装备基础国家工程研究中心，昆明651701）

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）由于在生产、运输、装配过程中存在擦拭不净、振动以及在运行过程中出现器件温变摩擦、老化等问题，不可避免地会产生中导电微粒（下称微粒）.微粒在电场中运动会降低GIS 的绝缘性能，主要会导致间隙击穿及绝缘子沿面闪络等问题.GIS 中微粒运动规律问题一直是高电压工程领域长期关注的问题之一［1-5］.

微粒在GIS 电场环境中存在带电、运动、碰撞及附着等环节［6-7］.其中微粒带电制约电场力，是影响微粒其他状态的关键因素.国内外在该方面已经开展了广泛而深入的研究.考虑到微粒带电量对运动过程所受电场力的制约及碰撞过程引发放电的可能性，众多学者针对微粒在电场中的带电开展了深入的研究工作.Lebedev 等［8］推导了高压静电场中微粒的带电，得出球形微粒的感应带电量与微粒的表面积、电场值及绝缘的介电常数成正比，该结论得到Perez［9］的进一步验证.当微粒形状不同时微粒带电量及在微粒表面的分布也不同，如线状微粒［10］、片状微粒［11］及近似椭球［12］的微粒，同时微粒放置方式不同，带电量具有较大差异［10］.考虑到气体绝缘金属封闭系统外壳内表面涂覆的情况，西安交通大学张乔根教授等通过试验方法得到微粒在电极表面的带电量与电场的关系，同时得到电极表面覆膜情况，微粒的带电量约为裸电极情况的0.82［10］.华北电力大学李庆民教授等研究了微粒在覆膜电极表面的启举场强，认为在覆膜电极表面微粒带电存在暂态过程并得到了微粒的弛豫响应特性［14］.文献［15-22］研究了微粒在直流及交流电场中微粒的运动过程，然而在此过程未计及微粒与电极间放电对带电的影响.微粒在电极表面及附近的带电受放电过程、气体特性、空间电荷等因素影响，带电随机性较强，难准确估算，给微粒运动模型的描述及启举场强的计算带来误差，影响针对异物缺陷的GIL 耐压试验及有效性分析，关于GIL 环境中导电微粒带电的影响因素及影响规律问题需要开展深入的研究.

本文作者针对气体绝缘金属封闭环境中金属微粒带电运动问题开展带电量影响因素的研究，结合金属微粒运动模拟试验平台，根据微粒的受力分析，推导了真空及气体环境中微粒带电量的估算方法；考虑到SF6 电负性的影响，开展了正极性电场中微粒带电运动试验，分析了空气及SF6 环境中微粒的启举场强及带电量，获得正极性条件下SF6 气体压力对微粒启举场强的影响，并进行机理揭示，同时得到交流电场中SF 气体对微粒的带电量的影响研究为GIS 耐压试验方案的制定提供理论和数据支持.

1 试验装置及试验方法

1.1 试验装置

文中研究所用微粒运动模拟试验平台包括电源与保护，试验腔体及测量系统3 部分，如图1 所示.试验电源采用直流高压发生器；试验电极在罐体内部，电极为铜质平行板电极，间距可调，罐体可抽真空，可充气体，用以模拟GIS 中的SF6 环境.

图1 微粒运动试验系统Fig.1 Particle movement test system

试验系统关键设备及部件材料如下：高压直流发生器，±150 kV；密闭罐体，承受压力＞0.5 MPa；试验电极，间距0-50 mm 可调.

测量系统主要包括高速摄像机、超声测量系统、特高频局部放电测量系统及脉冲电流测量系统，主要用于观测微粒的运动轨迹、测量微粒的碰撞信号与放电信号，系统各部分主要参数如下：高速摄像机：帧频1 000～2 000 Hz；特高频局放测量系统：工作频带300 MHz～1.5 GHz；超声测量系统：工作频带15～70 Hz；脉冲电流测量系统：上限截止频率300 Hz，下限截止频率200 MHz.

1.2 试验过程

用酒精擦拭并调整电极间距33 mm，放置微粒（铝球Φ2.0 mm），罐体抽真空，施加电压，施加电压的方式参考阶梯加压的方式，0.2 kV/次，时间间隔3 s，28.6 kV 时微粒开始运动观测微粒的运动轨迹，如图2 所示.参考文献［18］，分别比较微粒与高压电极碰撞前后的速度vu，v'u，与地电极碰撞前后的速度vd，v'u.微粒向地电极运动，与地电极碰撞前速度达到最大，约为1.35 m/s，微粒向高压电极运动过程加速度约为1.40 m/s2，向地电极运动时加速度约为21.00 m/s2.

图2 金属铝微粒在电极间运动轨迹Fig.2 Aluminum particle moving trajectories between electrodes

同时得到微粒在运动过程的碰撞及放电的测量结果如图3 所示，图3 中上部分为测量的碰撞、局部放电及脉冲信号的全波图，下部分是信号放大的结果，从测量结果可以看出，微粒与上极板及下极板碰撞过程存在局部放电情况，但未产生脉冲电流，放电仅为微粒所带电量的释放.

图3 测试获得的碰撞及放电信号Fig.3 Crash and discharge signals obtained from the test

2 导电微粒运动过程带电量估算方法

直流电场中微粒运动过程中受力包括电场力、电场梯度力、重力、浮力、气体阻力等.在真空条件下匀强电场中，微粒受到电场力与中立的作用，带电量可以表示为［17-18］

式中：q±为球形微粒所带电荷，C；a为球形微粒的半径，mm；E为电场强度，kV/cm.

结合式（1），考虑微粒运动时存在加速度及气体环境中微粒所受到的浮力与运动过程的阻力，当微粒向上极板运动时，受力方程可以表示为

向下极板运动时，受力方程可以表示为

式 中：m为微粒的质量；g为重力加速 度；qu、qd分别表示微粒向高压电极与向地电极运动过程的带电量；au、ad分别表示微粒向高压电极与向地电极运动时的加速度.微粒的运动方程可以表示为

式中：Ff及Fdv表示微粒所受浮力及气体阻力，其中气体阻力与微粒的运动速度相关，分别表示为

式中：r为微粒半径；ρg表示气体密度；v为微粒运动速度；η气体黏度，空气20 °C 时η为1.8×10-5Pa·s.将微粒的运动速度值带入方程，比较微粒所受的电场力、气体阻力与重力，可以得到Φ2.0 mm 铝微粒所受电场力重力与气体阻力在电极间运动碰撞过程，如图4 所示.

图4 微粒运动过程中的受力Fig.4 Forces on moving particles

在启举电场中微粒所受气体阻力约为电场力的10-3，同时气体浮力约为重力的10-3，微粒启举时，重力及电场力是影响微粒运动过程的主要力.试验过程中选择铝球及铜球；极板间距33 mm.

3 微粒运动特性试验

3.1 空气环境中微粒的带电量

参考文献［6］中微粒碰撞恢复系数测量结果及仿真分析方法，考虑微粒与电极碰撞恢复系数为0.55，结合式（2）～式（3），利用COMSOL 仿真软件进行仿真，得到微粒运动的运动过程见图5.

图5 微粒运动的仿真与试验结果Fig.5 Simulation and experimental results of particles moving trajectorie

仿真得到的微粒运动轨迹与实验得到的微粒运动轨迹相符，可以看出，基于微粒运动过程计算的微粒带电量与实际情况具有一致性.对于Φ2.0 mm 铝质球形微粒，启举场强下在间隙运动过程的带电量约为180.3 pC，此时微粒的启举场强为0.57 kV/mm.当气体压力不同时，获得铝球及铜球的带电量如表1 所示.

表1 不同气压下的铜微粒带电Tab.1 Charge on copper particle with different SF6 pressure

在施加电压过程中，微粒在电极表面感应带电，当微粒所受电场力大于重力时，场强达到微粒的启举场强，微粒在电极表面浮起，此时由于微粒与电极之间电场较强，微粒发生放电现象，如图6所示.

金属铜微粒在运动及与电极碰撞过程存在局部放电信号如图7 所示.表明微粒在运动过程存在局部放电现象，影响微粒的带电量，进而影响微粒的运动状态.

图6 不同尺寸的铝微粒的局部放电信号Fig.6 Partial discharge signals of aluminum particles with different sizes

图7 不同尺寸的铜微粒的局部放电信号Fig.7 Partial discharge signal of copper particles with different sizes

3.2 SF6 环境中微粒带电量

常温0.1 MPa 绝对气压下SF6 气体相对介电常数1.002 04，与空气（1.000 585）相近，然而SF6 气体具有较强的电负性能，其气体分子对电子有较强的吸附能力，微粒表面附近的SF6 与微粒表面电子结合，形成负离子，其简单过程可以描述为

该过程在一定程度上会减少微粒表面的感应带电量，使得微粒只有再施加较高的电场才能浮起.在电极间分别放置Φ2.0 mm 的金属铝微粒及Φ1.0 mm 金属铜球（Φ1.0 mm 以上金属铜球存在极间放电，影响微粒的荷电量分析），对罐体充0.1 MPa 的SF6 气体，施加电压，观察微粒在启举场强下的运动过程，如图8 所示.

图8 SF6 环境微粒运动轨迹的试验与仿真结果Fig.8 Experimental and simulation particle trajectory in SF6 environment

根据微粒运动过程中的带电量计算得到SF6 气体中2.0 mm 金属铝微粒表面的带电量为195.715 pC，此时启举场强为1.15 kV/mm.根据微粒的启举场强及带电量，参考微粒运动模型（微粒与电极碰撞恢复系数为0.55），仿真得到微粒的运动过程如图6～8 中仿真轨迹.微粒在上述电场及带电量情况运动轨迹与试验结论相同，说明了微粒带电量情况与实际相符，放电过程如图9 所示.

对密闭腔体充以不同气压的SF6，得到不同气压下，微粒（以Φ2.0 mm 金属铝球为典型进行试验分析）在不同气压下的启举场强如图10 所示.平行板电极构成的匀强电场中，随着SF6 气压的增大，微粒的浮起电压有所增加，当气压由0.1 MPa 增加到0.4 MPa时，浮起场强由1.15 kV/mm 增加到1.20 kV/mm，微粒的带电量由197.7 pC 增加到215.1 pC.

对于金属铜微粒，获得不同SF6 气压条件下的启举场强及荷电量情况如表2 所示.

图9 SF6 环境微粒放电信号Fig.9 Particle partial discharge signal in SF6 environment

图10 不同气压下SF6 中微粒的启举场强与带电量Fig.10 Particle lift-off electric field and charge in SF6 environment with different pressure

表2 不同气压下的铜微粒带电量Tab.2 Charge on copper particle with different SF6 pressure

4 讨论

根据试验，得到2.0 mm 微粒在空气及SF6 环境中的运动轨迹如图11 所示.正极性条件下SF6 气体中微粒的浮起电压明显增大.当空气条件下施加的场强为1.15 kV/mm 此时电极间场强与SF6 环境相同，由空气间隙微粒带电量计算方程［2］可以得到空气间隙微粒的带电量为248.05 pC，约为空气中相同电压下感应带电的0.786 倍.

根据上述带电量分析，借助Ansoft Maxwell 仿真得到微粒引起的电场畸变如图12 所示.

图11 微粒在空气及SF6 条件下的运动轨迹Fig.11 Particle moving trajectory in air and SF6

图12 SF6 与微粒表面电子形成SF-6Fig.12 SF6 formatting to SF-6 on particle surface

当电压较小时，电极表面的微粒附近电场虽然畸变，但电场值较小，电子与SF6 结合的电子加速电压较小，SF6 形成SF-6 的速度较小（SF6 离子电流较小）；随着施加电压的增大，电子加速电压增大，SF6 形成SF-6 的速度增大（SF6 离子电流增大，如图13 所示，离子电流坐标表示的是相对值），使得微粒表面聚集电荷速度减慢.

图13 SF6 离子电流Ir与电子加速电压Ua的关系Fig.13 Relationship of SF6 ion current Ir and electronic accelerating voltage Ua

当施加电压超过一定值时，电子加速电压增大到一定值，SF6 形成SF-6 的速度急剧下降，微粒表面聚集电荷数量增加迅速.SF6 电负性能特性影响了微粒在电极表面的起跳电压及起跳过程，是提高正极性条件下微粒浮起电压的重要原因.

5 结论

本文推导了气体环境微粒带电量的计算方法，考虑电负性气体对微粒初始带电的影响，得到了正极性电场中微粒的带电量运动过程，获得了SF6 对微粒启举场强及带电量的影响，得到的具体结论如下：

1）启举场强下，微粒在33 mm 间隙间运动时，最高速度约为1.5 m/s，空气阻力及浮力对微粒运动的影响约为电场力的0.001 倍，微粒运动过程受浮力及气体阻力较小.

2）正极性电场的SF6 环境中，带电微粒启举场强明显高于空气环境，常压条件下，SF6 条件下微粒带电量小于空气环境，约为空气条件下的0.789 倍.

3）电场强度相同时，微粒启举场强随SF6 气体压力的升高而增大，SF6 具有电负性，微粒表面电场集中，电荷容易与SF6 结合形成SF-6 是造成上述结果的主要原因.研究可为GIS/GIL 耐压试验检测微粒缺陷提供数据支持.