正極性電場中SF6 氣體對(duì)導(dǎo)電微粒帶電特性的影響

馬御棠，劉 剛，耿 浩，廖民傳，馮瑞發(fā)

（1.南方電網(wǎng)云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州510663；3.特高壓電力技術(shù)與新型電工裝備基礎(chǔ)國家工程研究中心，昆明651701）

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）由于在生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配過程中存在擦拭不凈、振動(dòng)以及在運(yùn)行過程中出現(xiàn)器件溫變摩擦、老化等問題，不可避免地會(huì)產(chǎn)生中導(dǎo)電微粒（下稱微粒）.微粒在電場中運(yùn)動(dòng)會(huì)降低GIS 的絕緣性能，主要會(huì)導(dǎo)致間隙擊穿及絕緣子沿面閃絡(luò)等問題.GIS 中微粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律問題一直是高電壓工程領(lǐng)域長期關(guān)注的問題之一［1-5］.

微粒在GIS 電場環(huán)境中存在帶電、運(yùn)動(dòng)、碰撞及附著等環(huán)節(jié)［6-7］.其中微粒帶電制約電場力，是影響微粒其他狀態(tài)的關(guān)鍵因素.國內(nèi)外在該方面已經(jīng)開展了廣泛而深入的研究.考慮到微粒帶電量對(duì)運(yùn)動(dòng)過程所受電場力的制約及碰撞過程引發(fā)放電的可能性，眾多學(xué)者針對(duì)微粒在電場中的帶電開展了深入的研究工作.Lebedev 等［8］推導(dǎo)了高壓靜電場中微粒的帶電，得出球形微粒的感應(yīng)帶電量與微粒的表面積、電場值及絕緣的介電常數(shù)成正比，該結(jié)論得到Perez［9］的進(jìn)一步驗(yàn)證.當(dāng)微粒形狀不同時(shí)微粒帶電量及在微粒表面的分布也不同，如線狀微粒［10］、片狀微粒［11］及近似橢球［12］的微粒，同時(shí)微粒放置方式不同，帶電量具有較大差異［10］.考慮到氣體絕緣金屬封閉系統(tǒng)外殼內(nèi)表面涂覆的情況，西安交通大學(xué)張喬根教授等通過試驗(yàn)方法得到微粒在電極表面的帶電量與電場的關(guān)系，同時(shí)得到電極表面覆膜情況，微粒的帶電量約為裸電極情況的0.82［10］.華北電力大學(xué)李慶民教授等研究了微粒在覆膜電極表面的啟舉場強(qiáng)，認(rèn)為在覆膜電極表面微粒帶電存在暫態(tài)過程并得到了微粒的弛豫響應(yīng)特性［14］.文獻(xiàn)［15-22］研究了微粒在直流及交流電場中微粒的運(yùn)動(dòng)過程，然而在此過程未計(jì)及微粒與電極間放電對(duì)帶電的影響.微粒在電極表面及附近的帶電受放電過程、氣體特性、空間電荷等因素影響，帶電隨機(jī)性較強(qiáng)，難準(zhǔn)確估算，給微粒運(yùn)動(dòng)模型的描述及啟舉場強(qiáng)的計(jì)算帶來誤差，影響針對(duì)異物缺陷的GIL 耐壓試驗(yàn)及有效性分析，關(guān)于GIL 環(huán)境中導(dǎo)電微粒帶電的影響因素及影響規(guī)律問題需要開展深入的研究.

本文作者針對(duì)氣體絕緣金屬封閉環(huán)境中金屬微粒帶電運(yùn)動(dòng)問題開展帶電量影響因素的研究，結(jié)合金屬微粒運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)微粒的受力分析，推導(dǎo)了真空及氣體環(huán)境中微粒帶電量的估算方法；考慮到SF6 電負(fù)性的影響，開展了正極性電場中微粒帶電運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)，分析了空氣及SF6 環(huán)境中微粒的啟舉場強(qiáng)及帶電量，獲得正極性條件下SF6 氣體壓力對(duì)微粒啟舉場強(qiáng)的影響，并進(jìn)行機(jī)理揭示，同時(shí)得到交流電場中SF 氣體對(duì)微粒的帶電量的影響研究為GIS 耐壓試驗(yàn)方案的制定提供理論和數(shù)據(jù)支持.

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

文中研究所用微粒運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)平臺(tái)包括電源與保護(hù)，試驗(yàn)腔體及測量系統(tǒng)3 部分，如圖1 所示.試驗(yàn)電源采用直流高壓發(fā)生器；試驗(yàn)電極在罐體內(nèi)部，電極為銅質(zhì)平行板電極，間距可調(diào)，罐體可抽真空，可充氣體，用以模擬GIS 中的SF6 環(huán)境.

圖1 微粒運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Particle movement test system

試驗(yàn)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備及部件材料如下：高壓直流發(fā)生器，±150 kV；密閉罐體，承受壓力＞0.5 MPa；試驗(yàn)電極，間距0-50 mm 可調(diào).

測量系統(tǒng)主要包括高速攝像機(jī)、超聲測量系統(tǒng)、特高頻局部放電測量系統(tǒng)及脈沖電流測量系統(tǒng)，主要用于觀測微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡、測量微粒的碰撞信號(hào)與放電信號(hào)，系統(tǒng)各部分主要參數(shù)如下：高速攝像機(jī)：幀頻1 000～2 000 Hz；特高頻局放測量系統(tǒng)：工作頻帶300 MHz～1.5 GHz；超聲測量系統(tǒng)：工作頻帶15～70 Hz；脈沖電流測量系統(tǒng)：上限截止頻率300 Hz，下限截止頻率200 MHz.

1.2 試驗(yàn)過程

用酒精擦拭并調(diào)整電極間距33 mm，放置微粒（鋁球Φ2.0 mm），罐體抽真空，施加電壓，施加電壓的方式參考階梯加壓的方式，0.2 kV/次，時(shí)間間隔3 s，28.6 kV 時(shí)微粒開始運(yùn)動(dòng)觀測微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖2 所示.參考文獻(xiàn)［18］，分別比較微粒與高壓電極碰撞前后的速度vu，v'u，與地電極碰撞前后的速度vd，v'u.微粒向地電極運(yùn)動(dòng)，與地電極碰撞前速度達(dá)到最大，約為1.35 m/s，微粒向高壓電極運(yùn)動(dòng)過程加速度約為1.40 m/s2，向地電極運(yùn)動(dòng)時(shí)加速度約為21.00 m/s2.

圖2 金屬鋁微粒在電極間運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.2 Aluminum particle moving trajectories between electrodes

同時(shí)得到微粒在運(yùn)動(dòng)過程的碰撞及放電的測量結(jié)果如圖3 所示，圖3 中上部分為測量的碰撞、局部放電及脈沖信號(hào)的全波圖，下部分是信號(hào)放大的結(jié)果，從測量結(jié)果可以看出，微粒與上極板及下極板碰撞過程存在局部放電情況，但未產(chǎn)生脈沖電流，放電僅為微粒所帶電量的釋放.

圖3 測試獲得的碰撞及放電信號(hào)Fig.3 Crash and discharge signals obtained from the test

2 導(dǎo)電微粒運(yùn)動(dòng)過程帶電量估算方法

直流電場中微粒運(yùn)動(dòng)過程中受力包括電場力、電場梯度力、重力、浮力、氣體阻力等.在真空條件下勻強(qiáng)電場中，微粒受到電場力與中立的作用，帶電量可以表示為［17-18］

式中：q±為球形微粒所帶電荷，C；a為球形微粒的半徑，mm；E為電場強(qiáng)度，kV/cm.

結(jié)合式（1），考慮微粒運(yùn)動(dòng)時(shí)存在加速度及氣體環(huán)境中微粒所受到的浮力與運(yùn)動(dòng)過程的阻力，當(dāng)微粒向上極板運(yùn)動(dòng)時(shí)，受力方程可以表示為

向下極板運(yùn)動(dòng)時(shí)，受力方程可以表示為

式 中：m為微粒的質(zhì)量；g為重力加速 度；qu、qd分別表示微粒向高壓電極與向地電極運(yùn)動(dòng)過程的帶電量；au、ad分別表示微粒向高壓電極與向地電極運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度.微粒的運(yùn)動(dòng)方程可以表示為

式中：Ff及Fdv表示微粒所受浮力及氣體阻力，其中氣體阻力與微粒的運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)，分別表示為

式中：r為微粒半徑；ρg表示氣體密度；v為微粒運(yùn)動(dòng)速度；η氣體黏度，空氣20 °C 時(shí)η為1.8×10-5Pa·s.將微粒的運(yùn)動(dòng)速度值帶入方程，比較微粒所受的電場力、氣體阻力與重力，可以得到Φ2.0 mm 鋁微粒所受電場力重力與氣體阻力在電極間運(yùn)動(dòng)碰撞過程，如圖4 所示.

圖4 微粒運(yùn)動(dòng)過程中的受力Fig.4 Forces on moving particles

在啟舉電場中微粒所受氣體阻力約為電場力的10-3，同時(shí)氣體浮力約為重力的10-3，微粒啟舉時(shí)，重力及電場力是影響微粒運(yùn)動(dòng)過程的主要力.試驗(yàn)過程中選擇鋁球及銅球；極板間距33 mm.

3 微粒運(yùn)動(dòng)特性試驗(yàn)

3.1 空氣環(huán)境中微粒的帶電量

參考文獻(xiàn)［6］中微粒碰撞恢復(fù)系數(shù)測量結(jié)果及仿真分析方法，考慮微粒與電極碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.55，結(jié)合式（2）～式（3），利用COMSOL 仿真軟件進(jìn)行仿真，得到微粒運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)過程見圖5.

圖5 微粒運(yùn)動(dòng)的仿真與試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Simulation and experimental results of particles moving trajectorie

仿真得到的微粒運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)驗(yàn)得到的微粒運(yùn)動(dòng)軌跡相符，可以看出，基于微粒運(yùn)動(dòng)過程計(jì)算的微粒帶電量與實(shí)際情況具有一致性.對(duì)于Φ2.0 mm 鋁質(zhì)球形微粒，啟舉場強(qiáng)下在間隙運(yùn)動(dòng)過程的帶電量約為180.3 pC，此時(shí)微粒的啟舉場強(qiáng)為0.57 kV/mm.當(dāng)氣體壓力不同時(shí)，獲得鋁球及銅球的帶電量如表1 所示.

表1 不同氣壓下的銅微粒帶電Tab.1 Charge on copper particle with different SF6 pressure

在施加電壓過程中，微粒在電極表面感應(yīng)帶電，當(dāng)微粒所受電場力大于重力時(shí)，場強(qiáng)達(dá)到微粒的啟舉場強(qiáng)，微粒在電極表面浮起，此時(shí)由于微粒與電極之間電場較強(qiáng)，微粒發(fā)生放電現(xiàn)象，如圖6所示.

金屬銅微粒在運(yùn)動(dòng)及與電極碰撞過程存在局部放電信號(hào)如圖7 所示.表明微粒在運(yùn)動(dòng)過程存在局部放電現(xiàn)象，影響微粒的帶電量，進(jìn)而影響微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).

圖6 不同尺寸的鋁微粒的局部放電信號(hào)Fig.6 Partial discharge signals of aluminum particles with different sizes

圖7 不同尺寸的銅微粒的局部放電信號(hào)Fig.7 Partial discharge signal of copper particles with different sizes

3.2 SF6 環(huán)境中微粒帶電量

常溫0.1 MPa 絕對(duì)氣壓下SF6 氣體相對(duì)介電常數(shù)1.002 04，與空氣（1.000 585）相近，然而SF6 氣體具有較強(qiáng)的電負(fù)性能，其氣體分子對(duì)電子有較強(qiáng)的吸附能力，微粒表面附近的SF6 與微粒表面電子結(jié)合，形成負(fù)離子，其簡單過程可以描述為

該過程在一定程度上會(huì)減少微粒表面的感應(yīng)帶電量，使得微粒只有再施加較高的電場才能浮起.在電極間分別放置Φ2.0 mm 的金屬鋁微粒及Φ1.0 mm 金屬銅球（Φ1.0 mm 以上金屬銅球存在極間放電，影響微粒的荷電量分析），對(duì)罐體充0.1 MPa 的SF6 氣體，施加電壓，觀察微粒在啟舉場強(qiáng)下的運(yùn)動(dòng)過程，如圖8 所示.

圖8 SF6 環(huán)境微粒運(yùn)動(dòng)軌跡的試驗(yàn)與仿真結(jié)果Fig.8 Experimental and simulation particle trajectory in SF6 environment

根據(jù)微粒運(yùn)動(dòng)過程中的帶電量計(jì)算得到SF6 氣體中2.0 mm 金屬鋁微粒表面的帶電量為195.715 pC，此時(shí)啟舉場強(qiáng)為1.15 kV/mm.根據(jù)微粒的啟舉場強(qiáng)及帶電量，參考微粒運(yùn)動(dòng)模型（微粒與電極碰撞恢復(fù)系數(shù)為0.55），仿真得到微粒的運(yùn)動(dòng)過程如圖6～8 中仿真軌跡.微粒在上述電場及帶電量情況運(yùn)動(dòng)軌跡與試驗(yàn)結(jié)論相同，說明了微粒帶電量情況與實(shí)際相符，放電過程如圖9 所示.

對(duì)密閉腔體充以不同氣壓的SF6，得到不同氣壓下，微粒（以Φ2.0 mm 金屬鋁球?yàn)榈湫瓦M(jìn)行試驗(yàn)分析）在不同氣壓下的啟舉場強(qiáng)如圖10 所示.平行板電極構(gòu)成的勻強(qiáng)電場中，隨著SF6 氣壓的增大，微粒的浮起電壓有所增加，當(dāng)氣壓由0.1 MPa 增加到0.4 MPa時(shí)，浮起場強(qiáng)由1.15 kV/mm 增加到1.20 kV/mm，微粒的帶電量由197.7 pC 增加到215.1 pC.

對(duì)于金屬銅微粒，獲得不同SF6 氣壓條件下的啟舉場強(qiáng)及荷電量情況如表2 所示.

圖9 SF6 環(huán)境微粒放電信號(hào)Fig.9 Particle partial discharge signal in SF6 environment

圖10 不同氣壓下SF6 中微粒的啟舉場強(qiáng)與帶電量Fig.10 Particle lift-off electric field and charge in SF6 environment with different pressure

表2 不同氣壓下的銅微粒帶電量Tab.2 Charge on copper particle with different SF6 pressure

4 討論

根據(jù)試驗(yàn)，得到2.0 mm 微粒在空氣及SF6 環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖11 所示.正極性條件下SF6 氣體中微粒的浮起電壓明顯增大.當(dāng)空氣條件下施加的場強(qiáng)為1.15 kV/mm 此時(shí)電極間場強(qiáng)與SF6 環(huán)境相同，由空氣間隙微粒帶電量計(jì)算方程［2］可以得到空氣間隙微粒的帶電量為248.05 pC，約為空氣中相同電壓下感應(yīng)帶電的0.786 倍.

根據(jù)上述帶電量分析，借助Ansoft Maxwell 仿真得到微粒引起的電場畸變?nèi)鐖D12 所示.

圖11 微粒在空氣及SF6 條件下的運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.11 Particle moving trajectory in air and SF6

圖12 SF6 與微粒表面電子形成SF-6Fig.12 SF6 formatting to SF-6 on particle surface

當(dāng)電壓較小時(shí)，電極表面的微粒附近電場雖然畸變，但電場值較小，電子與SF6 結(jié)合的電子加速電壓較小，SF6 形成SF-6 的速度較?。⊿F6 離子電流較?。?；隨著施加電壓的增大，電子加速電壓增大，SF6 形成SF-6 的速度增大（SF6 離子電流增大，如圖13 所示，離子電流坐標(biāo)表示的是相對(duì)值），使得微粒表面聚集電荷速度減慢.

圖13 SF6 離子電流Ir與電子加速電壓Ua的關(guān)系Fig.13 Relationship of SF6 ion current Ir and electronic accelerating voltage Ua

當(dāng)施加電壓超過一定值時(shí)，電子加速電壓增大到一定值，SF6 形成SF-6 的速度急劇下降，微粒表面聚集電荷數(shù)量增加迅速.SF6 電負(fù)性能特性影響了微粒在電極表面的起跳電壓及起跳過程，是提高正極性條件下微粒浮起電壓的重要原因.

5 結(jié)論

本文推導(dǎo)了氣體環(huán)境微粒帶電量的計(jì)算方法，考慮電負(fù)性氣體對(duì)微粒初始帶電的影響，得到了正極性電場中微粒的帶電量運(yùn)動(dòng)過程，獲得了SF6 對(duì)微粒啟舉場強(qiáng)及帶電量的影響，得到的具體結(jié)論如下：

1）啟舉場強(qiáng)下，微粒在33 mm 間隙間運(yùn)動(dòng)時(shí)，最高速度約為1.5 m/s，空氣阻力及浮力對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)的影響約為電場力的0.001 倍，微粒運(yùn)動(dòng)過程受浮力及氣體阻力較小.

2）正極性電場的SF6 環(huán)境中，帶電微粒啟舉場強(qiáng)明顯高于空氣環(huán)境，常壓條件下，SF6 條件下微粒帶電量小于空氣環(huán)境，約為空氣條件下的0.789 倍.

3）電場強(qiáng)度相同時(shí)，微粒啟舉場強(qiáng)隨SF6 氣體壓力的升高而增大，SF6 具有電負(fù)性，微粒表面電場集中，電荷容易與SF6 結(jié)合形成SF-6 是造成上述結(jié)果的主要原因.研究可為GIS/GIL 耐壓試驗(yàn)檢測微粒缺陷提供數(shù)據(jù)支持.