基于遷移管法氣壓對氮氣正電暈放電離子遷移率的影響

劉云鵬 吳振揚 朱 雷 裴少通

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基于遷移管法氣壓對氮氣正電暈放電離子遷移率的影響

劉云鵬1吳振揚2朱 雷3裴少通1

（1. 華北電力大學河北省輸變電設備安全防御重點實驗室 保定 071003 2. 國網長春供電公司 長春 130000 3. 國網南京供電公司 南京 210000）

低氣壓下離子遷移率是高海拔地區輸電線路導線電暈放電的關鍵參數之一，同時氮氣作為正電暈放電參與反應的主要氣體，目前均作為常量對待，其測量結果對于建立考慮海拔因素的離子流、電暈損失等計算模型具有重要意義，因此對不同氣壓下氮氣正離子遷移率的測量顯得尤為重要。在已有研究的基礎上，自主設計了可模擬不同氮氣氣壓條件下離子遷移率測量平臺，并將離子門的動作方式由關閉—導通—關閉改進為關閉—導通，從而得到幅值盡可能大的離子流波形。利用此平臺測量得到大氣條件下純氮氣環境離子的遷移率為1.113cm2V-1S-1，并通過試驗研究了氣壓在101.19～44.52kPa范圍內氮氣環境離子遷移率變化情況，研究發現氮氣正離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，最后提出了一種氮氣正離子遷移率隨氣壓變化的指數修正方法。

電暈放電 離子遷移率 氣壓 離子門 氮氣

0 引言

隨著我國輸電線路電壓等級的不斷提高。電暈損失問題必然成為研究的關鍵技術問題之一[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，對于研究尤為重要。

離子遷移率是表征載荷粒子在電場作用下，沿其方向運動而獲得的平均速度與所加電場強度的比值。它是載荷粒子群的本質特性，可以簡單有效地區分載荷粒子種類[2-4]。

國內外用于測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-電流曲線法測試方法簡單，但由于在極不均勻電場中電暈起始后的電場分布和電暈發展過程目前尚不清楚，從而缺乏理論基礎。而脈沖法本身會產生一個電磁脈沖，因而會對測量結果造成很大的影響，同時脈沖法對遷移管本身和試驗環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，目前已廣泛應用于食品安全、毒品等檢測領域[5-8]，理論比較成熟。文獻[9]基于脈沖電壓源、電離源采用針-環結構搭建了遷移管測量平臺，檢測了針環電暈放電離子源的環極離子流信號，發現其信號強度較大，可以達到mA級，滿足針環放電離子遷移率檢測裝置的放電源要求。文獻[10]討論了離子通過離子門進入遷移管的有效方式，研究了離子門參數的變化對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。本文利用遷移管法，搭建針環放電模型測量離子遷移率的試驗平臺，利用改進后的離子門測量了其所在的遷移管內氣壓在101.19～44.52kPa范圍內氮氣環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，對于電暈放電的研究具有重要的意義。

1 離子遷移率測量試驗

1.1 試驗原理

基于遷移管法搭建了可模擬不同氣壓氮氣離子遷移率測試平臺，其原理簡單且易操作。試驗時針環電極加同極性直流高壓，通過調節針環間距及針環間所加電位差來控制電離源產生的離子數目。環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，從而在環電極與法拉第盤之間形成了遷移電場。同時，為保證遷移電場的均勻性，在遷移管腔體的外側均勻布置鐵環，鐵環間串聯高精度無感分壓電阻，分壓電阻首端與離子門相連，末端接屏蔽電極即地電位，使遷移管身內電勢有逐級減弱均勻分布的電勢差，鐵環間場強非常均勻，因而從電離源產生的大量離子在漂移電場的作用下向法拉第盤運動最終被法拉第盤接收[11]。

離子門是離子遷移管中的一個重要部件，它控制了離子團進入遷移管的方式。當離子門關閉時，電暈放電產生的離子受離子門上金屬絲間的相互作用而改變移動方向，被離子門擋在遷移管外。當離子門打開時，離子在遷移電場的作用下向遷移管管尾移動，并向法拉第盤移動，部分離子被法拉第盤捕獲，經過fA級微弱電流放大器將此放大成電壓信號而被示波器檢測到，測試平臺實物如圖1所示。

圖1 測試平臺實物

1.2 腔體內主要部件及作用

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膠進行密封。腔體內裝有針環放電電極、Bradbury-Nielson型金屬絲離子門、金屬網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—針環放電電極 2—環電極 3—離子門 4—金屬網屏蔽柵門 5—法拉第盤

Fig.2 Cavity schematic

（1）針環放電電極：離子源采用針環直流電暈放電結構。不銹鋼針的針尖曲率半徑0.1mm，鋁環內徑20mm，外徑30mm，厚度8mm，試驗時將放電間隙固定4.3mm。

（2）金屬網屏蔽柵門：距法拉第盤1mm處，固定一張金屬屏蔽網，且通過2 200pF的電解電容接地。離子在遷移管運動的過程中，當接近但未達到法拉第盤時，會在法拉第盤上接收到感應電流，造成測得的離子流峰出現高頻干擾，進而引起波形失真，影響測量結果。因此在法拉第盤前固定屏蔽網，用來減小感應電流的影響，屏蔽網通過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的信噪比，金屬屏蔽網為網孔直徑1mm的鋁網。

（3）法拉第盤：法拉第盤直徑15mm，厚約4mm，用來接收經漂移電場過來的離子，離子流信號比較微弱（約nA級），通過fA級低噪聲微電流放大器進行放大，用示波器進行采集，法拉第盤另一端與銅棒連接，用來傳遞信號。把法拉第盤連同銅棒放入腔體內，銅棒通過外螺紋與腔體右端壁相連。法拉第盤外圍通過自制的法拉第盤支架固定，同時支架上均勻分布的8個圓孔可以保證腔體抽氣時氣流的平穩。

（4）離子門：Bradbury-Nielson型金屬絲離子門由同一平面內的兩組平行金屬絲構成，離子門金屬絲直徑0.2mm，絲間距0.8mm，控制離子門開啟脈沖由自制脈沖發生器產生。離子門開啟時，離子門軸向電場要有一定的強度（約為遷移管中遷移電場的兩倍），通過離子門的部分離子被法拉第盤捕獲，經過微弱電流放大器將此放大成電壓信號而被示波器檢測到[10]。

（5）腔體的氣路：本試驗平臺設計是通過抽取遷移管內氣體模擬不同氣壓測試氮氣環境離子遷移情況。需要腔體內部有嚴格的密封性，方便對不同氣壓調節，并且為了能測試純凈氮氣的氣壓，要求送氣口不能混有其他雜質氣體。在測試前，需要將腔體內雜質排除干凈，采用長時間送氣，并從另一側抽氣的方式，將腔體內的雜質排出。試驗中，為防止雜質混入，需從腔體內氣壓較高時開始。

根據物理學氣壓和海拔的方程，按照大氣環境空氣氣壓與海拔對照關系進行取點研究，見表1。

表1 大氣環境海拔與氣壓的對照

Tab.1 Atmosphetic environment and the air pressure control

1.3 氮氣環境正電暈放電產生離子情況

本試驗選用的氮氣純度為99.99%，環境溫度和相對濕度分別控制在30℃和55%。為保證腔體內氣體的純凈，試驗開始前，配合抽氣機對腔體持續送氣10min，除去腔體內雜質氣體。

電暈放電從針尖高電場強度區電離出初生電子，初生電子與氮氣分子碰撞，將分別電離出一個正離子和一個次生電子。正離子在電場作用下做遠離針極遷移運動，初生電子和次生電子不斷重復上述過程，直到其能量低于電離氮氣分子所需電離能為止，其主要離子反應式如下[12]

（2）

1.4 離子門控制回路

本文參考文獻[13]并對離子門控制回路作了有效改進，實現離子門的有效關斷。離子門控制電路如圖3所示，在遷移管外增加一組串聯電阻至高壓端，阻值與串接在遷移環上的電阻值相同。離子門一組金屬絲連接到形成遷移電場的分壓電阻上，另一組金屬絲接入串聯電阻的同一點。當微處理器產生的脈沖信號為低電平時，Q1處于關斷狀態，此時離子門兩組金屬絲的電動勢相等，即A=B，離子門處于打開狀態，在遷移電場的作用下離子可以通過遷移管最終抵達法拉第盤從而被檢測到。當脈沖信號為高電平時，Q1導通，1被短路，此時A和B之間將產生電壓差d，d產生一個近似于兩倍均勻電場的垂直于遷移電場方向的電場。離子靠近離子門時，會在這個垂直電場的作用下發生90°的偏轉，與構成離子門的金屬絲相撞而被中和，從而阻止離子進入遷移區域，實現離子的控制功能。

圖3 離子門控制電路

2 低氣壓下離子門的開斷時間

加拿大G. A. Eiceman利用放射源63Ni對大氣條件下空氣離子遷移時間進行了研究[14]，測試了不同離子門開斷時間對離子遷移時間的影響，得出開門時間的長短會影響離子遷移譜的形狀，但不會對遷移時間產生影響，這說明離子遷移率是離子本質屬性。

但G. A. Eiceman僅對大氣條件下不同離子門開斷時間進行了討論，而沒有進一步研究不同氣壓條件下離子門開斷時間的變化是否會影響離子遷移率。通過模擬較低氣壓測量不同開門時間純氮氣環境電暈放電生成離子的遷移情況，得出離子門觸發時打開而不關閉情況下，離子遷移時間變化不大，并且離子流的濃度較高，易于分辨，受感應電流影響較小。因此本文采用打開后不關斷方式控制離子門，測試氮氣環境離子遷移時間。

3 測試結果

3.1 遷移管電場強度計算

本文利用Ansys軟件仿真遷移管內電場情況，如圖4所示。離子門處電場強度較大，可以促使離子能有效通過離子門，進入遷移區。在遷移區，電場分布比較均勻，利于離子沿遷移管軸向運動，方便被法拉第盤接收到。針放電電極為7 200V高壓，環放電電極為2 600V，由仿真計算得到遷移管平均電場強度為260V/cm。

圖4 遷移管電場強度

3.2 常壓下氮氣環境離子遷移率測量

在離子遷移管實際工作過程中，離子遷移時間是非常重要的參數，常用來直接標定離子遷移情況。

通過10次以上重復測量得到常壓條件下氮氣環境離子遷移時間為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；為遷移區平均電場強度；為遷移區長度；為遷移時間。計算得到大氣條件下離子遷移率，氮氣為1.113cm2V-1S-1，而用同樣方法測得空氣為1.229cm2V-1S-1。同一條件下，氮氣正極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，與實際研究相符[15-18]。

3.3 不同氣壓下氮氣環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；為電子電荷；為漂移氣體分子數；為漂移氣體分子質量；為離子質量；為波耳茲曼常數；為熱力學溫度；為修正項；為對不同碰撞散射角及不同能量時平均值的修正項[19-21]。由式（4）可知，離子遷移率與漂移氣體分子數直接相關，即與氣壓直接相關。

試驗中，進行了在101.19～44.52kPa范圍內離子遷移譜的初步測量，得到結果如圖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 不同氣壓下氮氣環境離子遷移時間情況

由圖6可知，隨著氣壓的下降氮氣正極性離子的遷移時間呈減少趨勢，且減少地越來越快。在氣壓為101.19kPa時，氮氣正極性離子遷移時間為29.31ms，而當氣壓下降到72.92kPa時，測得的離子遷移時間為23.82ms，降低了18.73%；當氣壓抽取到44.52kPa時，測得離子遷移時間的平均值為13.52ms，相對于101.19kPa時降低了53.87%，由此可見離子遷移時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間呈負相關關系。由遷移時間的變化可知，離子遷移率隨氣壓的降低將呈非線性增大，其增長率見表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得到氮氣正極性離子遷移率隨氣壓變化曲線如圖7所示。

圖7 氮氣正極性環境離子遷移率隨氣壓變化曲線

由圖7可知，當氣壓在72.92kPa以上時氮氣環境離子遷移率可近似成線性變化。當繼續抽取氣體而使氣壓下降且小于72.92kPa時，氮氣環境離子遷移率也可近似呈線性變化。將試驗數據（9次測量結果求平均值）進行非線性擬合可得

式中，為氣壓（kPa）。

由式（5）可得，相關系數為0.998，擬合效果較好，誤差較小。

4 結論

1）本文基于遷移管法設計了可模擬不同氣壓下，針環電暈放電結構離子源的離子遷移率測試裝置，試驗結果初步驗證了測試方法的可行性。

2）采用本文提出的關閉—導通開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測量結果的影響。

3）由于氣體壓強降低，離子在運動的過程中碰撞其他粒子的機會減小，造成離子遷移率的增加。離子遷移率在氣壓101.19～72.92kPa范圍內隨氣壓呈線性增長，氣壓為72.92kPa時的離子遷移率是101.19kPa時的1.23倍。而當氣壓繼續下降，離子遷移率增長加快，到44.52kPa時離子遷移率已經是101.19kPa時的2.17倍。離子遷移率和氣壓的關系不滿足線性關系，進而提出了一種指數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

國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）（2011CB209401）和國家自然科學基金（51277073、51577069）資助項目。

2014-09-17 改稿日期 2014-11-28

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

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