基于遷移管法氣壓對(duì)氮?dú)庹姇灧烹婋x子遷移率的影響

劉云鵬 吳振揚(yáng) 朱 雷 裴少通

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基于遷移管法氣壓對(duì)氮?dú)庹姇灧烹婋x子遷移率的影響

劉云鵬1吳振揚(yáng)2朱 雷3裴少通1

（1. 華北電力大學(xué)河北省輸變電設(shè)備安全防御重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 保定 071003 2. 國(guó)網(wǎng)長(zhǎng)春供電公司 長(zhǎng)春 130000 3. 國(guó)網(wǎng)南京供電公司 南京 210000）

低氣壓下離子遷移率是高海拔地區(qū)輸電線路導(dǎo)線電暈放電的關(guān)鍵參數(shù)之一，同時(shí)氮?dú)庾鳛檎姇灧烹妳⑴c反應(yīng)的主要?dú)怏w，目前均作為常量對(duì)待，其測(cè)量結(jié)果對(duì)于建立考慮海拔因素的離子流、電暈損失等計(jì)算模型具有重要意義，因此對(duì)不同氣壓下氮?dú)庹x子遷移率的測(cè)量顯得尤為重要。在已有研究的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)了可模擬不同氮?dú)鈿鈮簵l件下離子遷移率測(cè)量平臺(tái)，并將離子門的動(dòng)作方式由關(guān)閉—導(dǎo)通—關(guān)閉改進(jìn)為關(guān)閉—導(dǎo)通，從而得到幅值盡可能大的離子流波形。利用此平臺(tái)測(cè)量得到大氣條件下純氮?dú)猸h(huán)境離子的遷移率為1.113cm2V-1S-1，并通過(guò)試驗(yàn)研究了氣壓在101.19～44.52kPa范圍內(nèi)氮?dú)猸h(huán)境離子遷移率變化情況，研究發(fā)現(xiàn)氮?dú)庹x子遷移率隨氣壓增大呈非線性減小且具有一定的飽和趨勢(shì)，最后提出了一種氮?dú)庹x子遷移率隨氣壓變化的指數(shù)修正方法。

電暈放電 離子遷移率 氣壓 離子門 氮?dú)?/p>

0 引言

隨著我國(guó)輸電線路電壓等級(jí)的不斷提高。電暈損失問(wèn)題必然成為研究的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一[1]。而離子遷移率作為影響不同海拔條件下輸電線路電暈損失的最主要因素之一，對(duì)于研究尤為重要。

離子遷移率是表征載荷粒子在電場(chǎng)作用下，沿其方向運(yùn)動(dòng)而獲得的平均速度與所加電場(chǎng)強(qiáng)度的比值。它是載荷粒子群的本質(zhì)特性，可以簡(jiǎn)單有效地區(qū)分載荷粒子種類[2-4]。

國(guó)內(nèi)外用于測(cè)量氣體中離子遷移率的方法主要有電壓-電流曲線法、脈沖法和遷移管法等。其中雖然電壓-電流曲線法測(cè)試方法簡(jiǎn)單，但由于在極不均勻電場(chǎng)中電暈起始后的電場(chǎng)分布和電暈發(fā)展過(guò)程目前尚不清楚，從而缺乏理論基礎(chǔ)。而脈沖法本身會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電磁脈沖，因而會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果造成很大的影響，同時(shí)脈沖法對(duì)遷移管本身和試驗(yàn)環(huán)境地線的要求更為苛刻。遷移管法是用于離子遷移譜分析的一種方法，目前已廣泛應(yīng)用于食品安全、毒品等檢測(cè)領(lǐng)域[5-8]，理論比較成熟。文獻(xiàn)[9]基于脈沖電壓源、電離源采用針-環(huán)結(jié)構(gòu)搭建了遷移管測(cè)量平臺(tái)，檢測(cè)了針環(huán)電暈放電離子源的環(huán)極離子流信號(hào)，發(fā)現(xiàn)其信號(hào)強(qiáng)度較大，可以達(dá)到mA級(jí)，滿足針環(huán)放電離子遷移率檢測(cè)裝置的放電源要求。文獻(xiàn)[10]討論了離子通過(guò)離子門進(jìn)入遷移管的有效方式，研究了離子門參數(shù)的變化對(duì)離子遷移譜分辨率和靈敏度的影響，給出了一組較為合適的離子門參數(shù)。本文利用遷移管法，搭建針環(huán)放電模型測(cè)量離子遷移率的試驗(yàn)平臺(tái)，利用改進(jìn)后的離子門測(cè)量了其所在的遷移管內(nèi)氣壓在101.19～44.52kPa范圍內(nèi)氮?dú)猸h(huán)境離子遷移率變化情況，可為其他電暈放電特性的分析提供參考，對(duì)于電暈放電的研究具有重要的意義。

1 離子遷移率測(cè)量試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

基于遷移管法搭建了可模擬不同氣壓氮?dú)怆x子遷移率測(cè)試平臺(tái)，其原理簡(jiǎn)單且易操作。試驗(yàn)時(shí)針環(huán)電極加同極性直流高壓，通過(guò)調(diào)節(jié)針環(huán)間距及針環(huán)間所加電位差來(lái)控制電離源產(chǎn)生的離子數(shù)目。環(huán)電極與法拉第盤同處軸向水平布置，其中遷移管管尾加屏蔽電極且接地，從而在環(huán)電極與法拉第盤之間形成了遷移電場(chǎng)。同時(shí)，為保證遷移電場(chǎng)的均勻性，在遷移管腔體的外側(cè)均勻布置鐵環(huán)，鐵環(huán)間串聯(lián)高精度無(wú)感分壓電阻，分壓電阻首端與離子門相連，末端接屏蔽電極即地電位，使遷移管身內(nèi)電勢(shì)有逐級(jí)減弱均勻分布的電勢(shì)差，鐵環(huán)間場(chǎng)強(qiáng)非常均勻，因而從電離源產(chǎn)生的大量離子在漂移電場(chǎng)的作用下向法拉第盤運(yùn)動(dòng)最終被法拉第盤接收[11]。

離子門是離子遷移管中的一個(gè)重要部件，它控制了離子團(tuán)進(jìn)入遷移管的方式。當(dāng)離子門關(guān)閉時(shí)，電暈放電產(chǎn)生的離子受離子門上金屬絲間的相互作用而改變移動(dòng)方向，被離子門擋在遷移管外。當(dāng)離子門打開(kāi)時(shí)，離子在遷移電場(chǎng)的作用下向遷移管管尾移動(dòng)，并向法拉第盤移動(dòng)，部分離子被法拉第盤捕獲，經(jīng)過(guò)fA級(jí)微弱電流放大器將此放大成電壓信號(hào)而被示波器檢測(cè)到，測(cè)試平臺(tái)實(shí)物如圖1所示。

圖1 測(cè)試平臺(tái)實(shí)物

1.2 腔體內(nèi)主要部件及作用

離子遷移管腔體由聚四氟乙烯材料加工制作，腔體各部分的連接處均用卡夫特免墊片藍(lán)膠進(jìn)行密封。腔體內(nèi)裝有針環(huán)放電電極、Bradbury-Nielson型金屬絲離子門、金屬網(wǎng)屏蔽柵門和法拉第盤，腔體示意圖如圖2所示。

圖2 腔體示意圖

1—針環(huán)放電電極 2—環(huán)電極 3—離子門 4—金屬網(wǎng)屏蔽柵門 5—法拉第盤

Fig.2 Cavity schematic

（1）針環(huán)放電電極：離子源采用針環(huán)直流電暈放電結(jié)構(gòu)。不銹鋼針的針尖曲率半徑0.1mm，鋁環(huán)內(nèi)徑20mm，外徑30mm，厚度8mm，試驗(yàn)時(shí)將放電間隙固定4.3mm。

（2）金屬網(wǎng)屏蔽柵門：距法拉第盤1mm處，固定一張金屬屏蔽網(wǎng)，且通過(guò)2 200pF的電解電容接地。離子在遷移管運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，當(dāng)接近但未達(dá)到法拉第盤時(shí)，會(huì)在法拉第盤上接收到感應(yīng)電流，造成測(cè)得的離子流峰出現(xiàn)高頻干擾，進(jìn)而引起波形失真，影響測(cè)量結(jié)果。因此在法拉第盤前固定屏蔽網(wǎng)，用來(lái)減小感應(yīng)電流的影響，屏蔽網(wǎng)通過(guò)電容接地可以濾掉部分高頻噪聲，并在一定程度上提高了被采集信號(hào)的信噪比，金屬屏蔽網(wǎng)為網(wǎng)孔直徑1mm的鋁網(wǎng)。

（3）法拉第盤：法拉第盤直徑15mm，厚約4mm，用來(lái)接收經(jīng)漂移電場(chǎng)過(guò)來(lái)的離子，離子流信號(hào)比較微弱（約nA級(jí)），通過(guò)fA級(jí)低噪聲微電流放大器進(jìn)行放大，用示波器進(jìn)行采集，法拉第盤另一端與銅棒連接，用來(lái)傳遞信號(hào)。把法拉第盤連同銅棒放入腔體內(nèi)，銅棒通過(guò)外螺紋與腔體右端壁相連。法拉第盤外圍通過(guò)自制的法拉第盤支架固定，同時(shí)支架上均勻分布的8個(gè)圓孔可以保證腔體抽氣時(shí)氣流的平穩(wěn)。

（4）離子門：Bradbury-Nielson型金屬絲離子門由同一平面內(nèi)的兩組平行金屬絲構(gòu)成，離子門金屬絲直徑0.2mm，絲間距0.8mm，控制離子門開(kāi)啟脈沖由自制脈沖發(fā)生器產(chǎn)生。離子門開(kāi)啟時(shí)，離子門軸向電場(chǎng)要有一定的強(qiáng)度（約為遷移管中遷移電場(chǎng)的兩倍），通過(guò)離子門的部分離子被法拉第盤捕獲，經(jīng)過(guò)微弱電流放大器將此放大成電壓信號(hào)而被示波器檢測(cè)到[10]。

（5）腔體的氣路：本試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)是通過(guò)抽取遷移管內(nèi)氣體模擬不同氣壓測(cè)試氮?dú)猸h(huán)境離子遷移情況。需要腔體內(nèi)部有嚴(yán)格的密封性，方便對(duì)不同氣壓調(diào)節(jié)，并且為了能測(cè)試純凈氮?dú)獾臍鈮?，要求送氣口不能混有其他雜質(zhì)氣體。在測(cè)試前，需要將腔體內(nèi)雜質(zhì)排除干凈，采用長(zhǎng)時(shí)間送氣，并從另一側(cè)抽氣的方式，將腔體內(nèi)的雜質(zhì)排出。試驗(yàn)中，為防止雜質(zhì)混入，需從腔體內(nèi)氣壓較高時(shí)開(kāi)始。

根據(jù)物理學(xué)氣壓和海拔的方程，按照大氣環(huán)境空氣氣壓與海拔對(duì)照關(guān)系進(jìn)行取點(diǎn)研究，見(jiàn)表1。

表1 大氣環(huán)境海拔與氣壓的對(duì)照

Tab.1 Atmosphetic environment and the air pressure control

1.3 氮?dú)猸h(huán)境正電暈放電產(chǎn)生離子情況

本試驗(yàn)選用的氮?dú)饧兌葹?9.99%，環(huán)境溫度和相對(duì)濕度分別控制在30℃和55%。為保證腔體內(nèi)氣體的純凈，試驗(yàn)開(kāi)始前，配合抽氣機(jī)對(duì)腔體持續(xù)送氣10min，除去腔體內(nèi)雜質(zhì)氣體。

電暈放電從針尖高電場(chǎng)強(qiáng)度區(qū)電離出初生電子，初生電子與氮?dú)夥肿优鲎玻瑢⒎謩e電離出一個(gè)正離子和一個(gè)次生電子。正離子在電場(chǎng)作用下做遠(yuǎn)離針極遷移運(yùn)動(dòng)，初生電子和次生電子不斷重復(fù)上述過(guò)程，直到其能量低于電離氮?dú)夥肿铀桦婋x能為止，其主要離子反應(yīng)式如下[12]

（2）

1.4 離子門控制回路

本文參考文獻(xiàn)[13]并對(duì)離子門控制回路作了有效改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)離子門的有效關(guān)斷。離子門控制電路如圖3所示，在遷移管外增加一組串聯(lián)電阻至高壓端，阻值與串接在遷移環(huán)上的電阻值相同。離子門一組金屬絲連接到形成遷移電場(chǎng)的分壓電阻上，另一組金屬絲接入串聯(lián)電阻的同一點(diǎn)。當(dāng)微處理器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)為低電平時(shí)，Q1處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)離子門兩組金屬絲的電動(dòng)勢(shì)相等，即A=B，離子門處于打開(kāi)狀態(tài)，在遷移電場(chǎng)的作用下離子可以通過(guò)遷移管最終抵達(dá)法拉第盤從而被檢測(cè)到。當(dāng)脈沖信號(hào)為高電平時(shí)，Q1導(dǎo)通，1被短路，此時(shí)A和B之間將產(chǎn)生電壓差d，d產(chǎn)生一個(gè)近似于兩倍均勻電場(chǎng)的垂直于遷移電場(chǎng)方向的電場(chǎng)。離子靠近離子門時(shí)，會(huì)在這個(gè)垂直電場(chǎng)的作用下發(fā)生90°的偏轉(zhuǎn)，與構(gòu)成離子門的金屬絲相撞而被中和，從而阻止離子進(jìn)入遷移區(qū)域，實(shí)現(xiàn)離子的控制功能。

圖3 離子門控制電路

2 低氣壓下離子門的開(kāi)斷時(shí)間

加拿大G. A. Eiceman利用放射源63Ni對(duì)大氣條件下空氣離子遷移時(shí)間進(jìn)行了研究[14]，測(cè)試了不同離子門開(kāi)斷時(shí)間對(duì)離子遷移時(shí)間的影響，得出開(kāi)門時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)影響離子遷移譜的形狀，但不會(huì)對(duì)遷移時(shí)間產(chǎn)生影響，這說(shuō)明離子遷移率是離子本質(zhì)屬性。

但G. A. Eiceman僅對(duì)大氣條件下不同離子門開(kāi)斷時(shí)間進(jìn)行了討論，而沒(méi)有進(jìn)一步研究不同氣壓條件下離子門開(kāi)斷時(shí)間的變化是否會(huì)影響離子遷移率。通過(guò)模擬較低氣壓測(cè)量不同開(kāi)門時(shí)間純氮?dú)猸h(huán)境電暈放電生成離子的遷移情況，得出離子門觸發(fā)時(shí)打開(kāi)而不關(guān)閉情況下，離子遷移時(shí)間變化不大，并且離子流的濃度較高，易于分辨，受感應(yīng)電流影響較小。因此本文采用打開(kāi)后不關(guān)斷方式控制離子門，測(cè)試氮?dú)猸h(huán)境離子遷移時(shí)間。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 遷移管電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

本文利用Ansys軟件仿真遷移管內(nèi)電場(chǎng)情況，如圖4所示。離子門處電場(chǎng)強(qiáng)度較大，可以促使離子能有效通過(guò)離子門，進(jìn)入遷移區(qū)。在遷移區(qū)，電場(chǎng)分布比較均勻，利于離子沿遷移管軸向運(yùn)動(dòng)，方便被法拉第盤接收到。針?lè)烹婋姌O為7 200V高壓，環(huán)放電電極為2 600V，由仿真計(jì)算得到遷移管平均電場(chǎng)強(qiáng)度為260V/cm。

圖4 遷移管電場(chǎng)強(qiáng)度

3.2 常壓下氮?dú)猸h(huán)境離子遷移率測(cè)量

在離子遷移管實(shí)際工作過(guò)程中，離子遷移時(shí)間是非常重要的參數(shù)，常用來(lái)直接標(biāo)定離子遷移情況。

通過(guò)10次以上重復(fù)測(cè)量得到常壓條件下氮?dú)猸h(huán)境離子遷移時(shí)間為29.311ms。由離子遷移率的基本定義[9,11]可得

==（3）

式中，為離子遷移率；為離子遷移速度；為遷移區(qū)平均電場(chǎng)強(qiáng)度；為遷移區(qū)長(zhǎng)度；為遷移時(shí)間。計(jì)算得到大氣條件下離子遷移率，氮?dú)鉃?.113cm2V-1S-1，而用同樣方法測(cè)得空氣為1.229cm2V-1S-1。同一條件下，氮?dú)庹龢O性離子遷移率小于空氣正極性離子遷移率，主要原因是電暈放電生成的離子有差別，與實(shí)際研究相符[15-18]。

3.3 不同氣壓下氮?dú)猸h(huán)境正極性離子遷移率

Mason-Schamp遷移率方程為

式中，為離子電荷數(shù)；為電子電荷；為漂移氣體分子數(shù)；為漂移氣體分子質(zhì)量；為離子質(zhì)量；為波耳茲曼常數(shù)；為熱力學(xué)溫度；為修正項(xiàng)；為對(duì)不同碰撞散射角及不同能量時(shí)平均值的修正項(xiàng)[19-21]。由式（4）可知，離子遷移率與漂移氣體分子數(shù)直接相關(guān)，即與氣壓直接相關(guān)。

試驗(yàn)中，進(jìn)行了在101.19～44.52kPa范圍內(nèi)離子遷移譜的初步測(cè)量，得到結(jié)果如圖5、圖6所示。

（a）氣壓為101.19kPa

（b）氣壓為82.39kPa

（c）氣壓為63.45kPa

（d）氣壓為44.52kPa

圖5 不同氣壓下離子遷移譜情況

Fig.5 Ion mobility spectra under different air pressure

圖6 不同氣壓下氮?dú)猸h(huán)境離子遷移時(shí)間情況

由圖6可知，隨著氣壓的下降氮?dú)庹龢O性離子的遷移時(shí)間呈減少趨勢(shì)，且減少地越來(lái)越快。在氣壓為101.19kPa時(shí)，氮?dú)庹龢O性離子遷移時(shí)間為29.31ms，而當(dāng)氣壓下降到72.92kPa時(shí)，測(cè)得的離子遷移時(shí)間為23.82ms，降低了18.73%；當(dāng)氣壓抽取到44.52kPa時(shí)，測(cè)得離子遷移時(shí)間的平均值為13.52ms，相對(duì)于101.19kPa時(shí)降低了53.87%，由此可見(jiàn)離子遷移時(shí)間隨氣壓的降低而快速地減少。

由式（3）可知，離子遷移率與遷移時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。由遷移時(shí)間的變化可知，離子遷移率隨氣壓的降低將呈非線性增大，其增長(zhǎng)率見(jiàn)表2。

表2 離子遷移率隨氣壓變化情況

Tab.2 Variation of ion mobility along with pressure

由表2得到氮?dú)庹龢O性離子遷移率隨氣壓變化曲線如圖7所示。

圖7 氮?dú)庹龢O性環(huán)境離子遷移率隨氣壓變化曲線

由圖7可知，當(dāng)氣壓在72.92kPa以上時(shí)氮?dú)猸h(huán)境離子遷移率可近似成線性變化。當(dāng)繼續(xù)抽取氣體而使氣壓下降且小于72.92kPa時(shí)，氮?dú)猸h(huán)境離子遷移率也可近似呈線性變化。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)（9次測(cè)量結(jié)果求平均值）進(jìn)行非線性擬合可得

式中，為氣壓（kPa）。

由式（5）可得，相關(guān)系數(shù)為0.998，擬合效果較好，誤差較小。

4 結(jié)論

1）本文基于遷移管法設(shè)計(jì)了可模擬不同氣壓下，針環(huán)電暈放電結(jié)構(gòu)離子源的離子遷移率測(cè)試裝置，試驗(yàn)結(jié)果初步驗(yàn)證了測(cè)試方法的可行性。

2）采用本文提出的關(guān)閉—導(dǎo)通開(kāi)斷方式的離子門可以得到幅值較大的離子流波形，從而降低背景干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3）由于氣體壓強(qiáng)降低，離子在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中碰撞其他粒子的機(jī)會(huì)減小，造成離子遷移率的增加。離子遷移率在氣壓101.19～72.92kPa范圍內(nèi)隨氣壓呈線性增長(zhǎng)，氣壓為72.92kPa時(shí)的離子遷移率是101.19kPa時(shí)的1.23倍。而當(dāng)氣壓繼續(xù)下降，離子遷移率增長(zhǎng)加快，到44.52kPa時(shí)離子遷移率已經(jīng)是101.19kPa時(shí)的2.17倍。離子遷移率和氣壓的關(guān)系不滿足線性關(guān)系，進(jìn)而提出了一種指數(shù)形式的電暈放電離子遷移率氣壓修正公式。

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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

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）（2011CB209401）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51277073、51577069）資助項(xiàng)目。

2014-09-17 改稿日期 2014-11-28

劉云鵬 男，1976年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事特高壓輸電技術(shù)、電氣設(shè)備在線檢測(cè)和故障診斷等方面的研究。E-mail: liuyunpeng@ncepu.edu.cn

吳振揚(yáng) 男，1987年生，碩士，主要從事特高壓輸電技術(shù)和電暈放電特性方面的研究。E-mail: 444650772@qq.com（通信作者）