律方成 劉宏宇 李志兵 董 蒙 顏湘蓮

（1. 新能源與電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102206 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院 北京 100085）

直流電壓下SF6氣體中電極覆膜對(duì)金屬微粒啟舉的影響機(jī)理

律方成1劉宏宇1李志兵2董 蒙1顏湘蓮2

（1. 新能源與電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102206 2. 中國(guó)電力科學(xué)研究院 北京 100085）

為研究直流電場(chǎng)下SF6氣體中低壓電極覆膜對(duì)金屬微粒啟舉的影響機(jī)理，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并使用高速攝像機(jī)記錄運(yùn)動(dòng)軌跡。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著SF6氣體壓力的增大，微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)升高，且啟舉后到達(dá)高壓電極的時(shí)間縮短?；趫D像處理獲得了微粒的瞬時(shí)位移，結(jié)合運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程和最小二乘法提出了啟舉時(shí)電荷量的計(jì)算方法，微粒電荷量的計(jì)算分析表明啟舉時(shí)的電荷量減小。建立了覆膜后金屬微粒周圍電場(chǎng)分布的理論模型，電場(chǎng)分析表明金屬微粒與薄膜間的電場(chǎng)明顯增大及表面電荷密度分布的改變，使得金屬微粒受到向下的極化作用力。研究認(rèn)為：電荷量減小和極化作用力向下綜合導(dǎo)致金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)提高；覆膜后局部放電是金屬微粒的帶電機(jī)理；SF6氣體壓力增大使得金屬微粒發(fā)生局部放電的起始場(chǎng)強(qiáng)升高，導(dǎo)致極化作用力增大，需要更高場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生啟舉。

直流電壓 SF6氣體 電極表面覆膜 電荷量 極化作用力 金屬微粒啟舉

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulation Line, GIL）因其輸送能力強(qiáng)、占地面積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)成為未來遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸電的一種重要選擇方式[1]。然而，GIL在加工、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過程中將不可避免地產(chǎn)生金屬微粒[2]，由金屬微粒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的絕緣性能下降是GIL在工程應(yīng)用中亟待解決的問題之一[2,3]。

低壓電極表面覆膜是抑制金屬微粒運(yùn)動(dòng)、改善金屬微粒污染的一種重要措施，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量覆膜后金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)，并和裸電極結(jié)果進(jìn)行比較是研究覆膜對(duì)金屬微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)影響的常見思路[4-6]?；谠撍悸罚墨I(xiàn)[4,5]研究了交流電壓下SF6氣體中金屬微粒（不銹鋼球）在電極表面分別覆氧化鋁膜、聚乙烯膜時(shí)的啟舉場(chǎng)強(qiáng)，文獻(xiàn)[6]研究了交流電壓下N2/SF6氣體中線形金屬微粒（鋁質(zhì)）在電極表面覆改性鄰苯二甲酸酯膜時(shí)的啟舉場(chǎng)強(qiáng)，結(jié)果均表明在0.1～0.4MPa范圍內(nèi)，隨著氣體壓力增大，金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)提高。

上述電極表面覆膜對(duì)金屬微粒啟舉影響的研究均在交流電壓下進(jìn)行。與交流電壓相比，直流電壓下金屬微粒受到單一方向的電場(chǎng)作用力在電極間發(fā)生貫穿性運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致金屬微粒污染問題更加嚴(yán)重，因此直流電壓下覆膜的研究顯得尤為重要。但目前對(duì)此研究較少，大部分工作在空氣中開展[7,8]。此外，電極表面覆膜后，阻止了金屬微粒與電極接觸時(shí)的直接帶電，金屬微粒與薄膜間的傳導(dǎo)或局部放電成為金屬微粒帶電的主要機(jī)理，和裸電極相比金屬微粒所帶電荷量可能發(fā)生變化[8,9]，因此，明確金屬微粒啟舉時(shí)的電荷量對(duì)研究電極表面覆膜對(duì)金屬微粒啟舉的影響機(jī)理具有重要意義。

綜合考慮直流電壓下SF6氣體中有關(guān)覆膜研究較少及金屬微粒啟舉時(shí)的電荷量這一參數(shù)的重要意義，本文搭建了直流電壓下SF6氣體中電極表面覆膜后金屬微粒啟舉的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，獲得了金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)及運(yùn)動(dòng)圖像；金屬微粒運(yùn)動(dòng)圖像處理方法（中值濾波、背景差分、形態(tài)學(xué)濾波）、運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程、最小二乘法相結(jié)合計(jì)算得到了金屬微粒啟舉時(shí)的電荷量；探討了覆膜對(duì)金屬微粒啟舉的影響機(jī)理;最后從機(jī)理上定性分析了SF6氣體壓力對(duì)金屬微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)的影響。

1 金屬微粒啟舉實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖1 金屬微粒啟舉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform of metallic particle lift-off

金屬微粒啟舉實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。將平行板電極放置在可充SF6氣體的密閉罐體中，直流電壓通過套管施加到平行板電極上極板，下極板接地，罐體表面設(shè)置觀察窗，使用高速攝像機(jī)觀測(cè)并記錄金屬微粒啟舉后的運(yùn)動(dòng)軌跡。為保證圖片拍攝清晰，利用LED可調(diào)光源進(jìn)行補(bǔ)光。其中，平行板電極的材質(zhì)為黃銅，極板直徑為20cm，厚度為5mm，極板邊緣通過圓角處理，圓角半徑為0.5mm，電極間距為10mm；低壓電極所覆薄膜的材質(zhì)和文獻(xiàn)[7-9]相同，為PET（相對(duì)介電常數(shù)3.8，電導(dǎo)率1×10-14S/m），厚度為100μm；金屬微粒為直徑1mm的鋁球（密度為2 800kg/m3）。

實(shí)驗(yàn)基本步驟：

1）用浸有無水乙醇的絲綢擦拭電極和金屬微粒保證金屬微粒與電極表面潔凈，待乙醇完全蒸發(fā)后，將金屬微粒放置在下極板中心位置。

2）使用SF6氣體回收回充設(shè)備（RF-051）對(duì)封閉罐體進(jìn)行抽真空（真空度至120Pa）、充一定壓力（0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa）的SF6氣體。

3）為方便后續(xù)圖片處理，設(shè)置高速攝像機(jī)的幀率為1 000fps。調(diào)節(jié)高速攝像機(jī)控制軟件中的色溫參數(shù)，使平行板電極間隙整體背景呈綠色、金屬微粒呈黑色。

4）通過直流高壓發(fā)生器（FVG-±150kV）進(jìn)行加壓，升壓速度為0.32～0.36kV/s，直至金屬微粒啟舉。

5）保存高速攝像機(jī)拍攝的金屬微粒啟舉后的運(yùn)動(dòng)圖片，回收SF6氣體，記錄金屬微粒啟舉時(shí)的電壓數(shù)值并根據(jù)公式E=U/d換算為場(chǎng)強(qiáng)數(shù)值，每組實(shí)驗(yàn)測(cè)量3次，得到金屬微粒的平均啟舉場(chǎng)強(qiáng)E。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表1為覆膜后不同氣壓下金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)及與裸電極的對(duì)比結(jié)果。由表1可知，與裸電極相比，覆膜后金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)明顯提高；隨著SF6氣體壓力的增大，金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)增大。

表1 金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)Tab.1 Lift-off field of metallic particle

圖2為不同氣壓下金屬微粒啟舉后的運(yùn)動(dòng)圖像。由圖2可知，金屬微粒啟舉后將向平行板電極上極板運(yùn)動(dòng)直至發(fā)生碰撞，且隨著SF6氣體壓力增大，到達(dá)平行板上極板所需的時(shí)間變短。

圖2 金屬微粒運(yùn)動(dòng)圖像Fig.2 Motion image of metallic particle

2 金屬微粒啟舉時(shí)電荷量的計(jì)算方法

2.1 電荷量計(jì)算原理

金屬微粒啟舉后將在靜電力、重力、氣體阻力的作用下向平行板電極上極板加速運(yùn)動(dòng)[10]。根據(jù)文獻(xiàn)[10]中氣體阻力計(jì)算公式，對(duì)于1mm鋁球，在0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa三種氣體壓力條件下受到氣體阻力Fd與重力G的對(duì)比結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)微粒速度為0～3m/s時(shí)，0.10MPa和0.15MPa下氣體阻力小于重力，0.20MPa下微粒的氣體阻力可能略大于重力，但仍在同一個(gè)數(shù)量級(jí)。而由圖2簡(jiǎn)單估算可知，微粒啟舉后到達(dá)高壓電極的時(shí)間不大于10ms，因而微粒運(yùn)動(dòng)的加速度應(yīng)大于200m/s2，是重力加速度g的20倍以上，電場(chǎng)力的作用遠(yuǎn)大于氣體阻力和重力，表明當(dāng)微粒速度在0～3m/s之內(nèi)時(shí)，受到的氣體阻力可忽略。

圖3 阻力與重力對(duì)比Fig.3 Comparison of drag force and gravity

假設(shè)運(yùn)動(dòng)過程中金屬微粒所帶電荷量q不發(fā)生變化[10,11]，則金屬微粒受到的靜電力不變，意味著金屬微粒將以加速度a向平行板電極上極板做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)力學(xué)方程為[8,10]

式中，m為金屬微粒質(zhì)量，對(duì)于直徑1mm的鋁球，m=1.47×10-6kg；s為金屬微粒的瞬時(shí)位移；g為重力加速度，g =9.81m/s2；E為金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)；q為金屬微粒所帶電荷量。

由式（1）可得

分析式（2）、式（3）可知：若能夠獲得金屬微粒在極板間運(yùn)動(dòng)的加速度a，則可計(jì)算出金屬微粒啟舉時(shí)電荷量q，而加速度a與金屬微粒的瞬時(shí)位移s密切相關(guān)，因此精確獲得金屬微粒的瞬時(shí)位移顯得尤為重要。

2.2 基于圖像處理的金屬微粒瞬時(shí)位移計(jì)算方法

為精確獲得金屬微粒運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)位移，本文基于圖像處理方法對(duì)金屬微粒運(yùn)動(dòng)圖片進(jìn)行如下處理：1）首先采用中值濾波算法提取出實(shí)驗(yàn)中金屬微粒運(yùn)動(dòng)的背景圖像，其基本原理是將運(yùn)動(dòng)圖片中一點(diǎn)的像素值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)像素值的中值代替，讓周圍的像素值接近真實(shí)值，即[12]

式中，B(x,y)、I(x,y)分別為原始圖像和處理后圖像；W為二維模板，通常為33、55區(qū)域，也可以是不同的形狀，如線狀、圓形、十字形、圓環(huán)形等。

2）利用背景差分法將金屬微粒運(yùn)動(dòng)圖像與背景圖像相比較，可得到差分圖像D(x,y)[12]。

若差分圖像同一位置的像素點(diǎn)數(shù)值大于一定閾值，則認(rèn)為是由小球運(yùn)動(dòng)特征所造成的變化，保留該差分圖像即可得到小球運(yùn)動(dòng)的位置信息。

3）由于所得到的差分圖像有部分噪聲存在，干擾了對(duì)小球位置的判定，將差分圖像進(jìn)行二值化處理得到二值化圖像T(x,y)[12]。

式中，T為閾值，本文中T =0.2。采用形態(tài)學(xué)濾波的開閉運(yùn)算對(duì)二值化處理過的圖像進(jìn)行降噪，濾除不相干的噪點(diǎn)[13]。

式中，E為工作空間；B為結(jié)構(gòu)元素；?為形態(tài)學(xué)開運(yùn)算；·為形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算；?為腐蝕運(yùn)算；⊕為膨脹運(yùn)算。

經(jīng)過圖像處理步驟1）～步驟3）后，即可得到只包含小球的準(zhǔn)確圖像，圖4為0.20MPa時(shí)經(jīng)過圖像處理后的運(yùn)動(dòng)圖像。

圖4 處理后的運(yùn)動(dòng)圖像Fig.4 Motion image after processing

獲得只包含金屬微粒的準(zhǔn)確圖像后，可精確獲得金屬微粒的像素坐標(biāo)，像素坐標(biāo)與金屬微粒瞬時(shí)位移之間的轉(zhuǎn)換公式為

式中，yu、yd分別為平行板電極上、下極板的像素坐標(biāo)；yp,i為每幀圖像中金屬微粒的像素坐標(biāo)。不同氣壓下金屬微粒瞬時(shí)位移的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 金屬微粒瞬時(shí)位移計(jì)算結(jié)果Tab.2 Instantaneous displacement calculation result of metallic particle

2.3 電荷量計(jì)算結(jié)果

以式（2）為目標(biāo)公式，利用經(jīng)典最小二乘法擬合算法對(duì)不同時(shí)刻金屬微粒運(yùn)動(dòng)的位移進(jìn)行曲線擬合[14]，結(jié)果如圖5所示。表3為不同氣壓下金屬微粒運(yùn)動(dòng)的加速度a及根據(jù)式（3）得到的金屬微粒啟舉電荷量計(jì)算結(jié)果。此外，在明確加速度a后，根據(jù)勻加速直線運(yùn)動(dòng)的速度計(jì)算公式v=at計(jì)算可知，三種氣壓條件下微粒的最大速度不超過3m/s，在圖3微粒速度范圍內(nèi)，進(jìn)一步表明了氣體阻力可忽略。

圖5 位移曲線擬合結(jié)果Fig.5 Displacement curve fitting results

表3 金屬微粒加速度及其電荷量計(jì)算結(jié)果Tab.3 Acceleration and charge quantity calculation result of metallic particle

3 電極表面覆膜抑制金屬微粒啟舉的機(jī)理分析

3.1 覆膜對(duì)金屬微粒啟舉電荷量的影響

為與裸電極時(shí)金屬微粒的電荷量對(duì)比，根據(jù)Pérez等理論推導(dǎo)的裸電極下金屬微粒與平行板電極下極板接觸時(shí)電荷量計(jì)算公式[15]

對(duì)裸電極下金屬微粒在啟舉場(chǎng)強(qiáng)下的電荷量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表4。對(duì)比表3和表4可知，覆膜后金屬微粒的電荷量減小，在0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa三種氣壓條件下，金屬微粒電荷量分別為裸電極時(shí)的51.78%、47.52%、50.60%。

表4 裸電極下金屬微粒帶電量理論值Tab.4 Theoretical value of the charge quantity of metal particle on the bare electrode

3.2 覆膜對(duì)金屬微粒周圍電場(chǎng)分布的影響

忽略金屬微粒與電極之間的分子吸引力,金屬微粒能夠啟舉是因?yàn)槠涫艿降南蛏系柠溈怂鬼f應(yīng)力大于向下的重力[16],而麥克斯韋應(yīng)力與金屬微粒周圍的電場(chǎng)分布有關(guān)，因此有必要計(jì)算獲得金屬微粒存在時(shí)電極間隙的電場(chǎng)分布，并和裸電極進(jìn)行對(duì)比。

對(duì)于裸電極下的金屬微粒，其電位φ 滿足[7]

式中，φHVE、φGE分別為平行板電極上、下極板的電位；φp為微粒的電位。

對(duì)于覆膜時(shí)的金屬微粒，金屬微粒初始電荷量為0pC，其電位φ 滿足[16,17]

式中，Γ為微粒表面。

為對(duì)比裸電極和覆膜后金屬微粒周圍電場(chǎng)分布的差異性，以SF6氣體壓力為0.15MPa時(shí)金屬微粒的啟舉電壓為例，平行板電極間隙場(chǎng)強(qiáng)為4.80×106V/m。

英格蘭校園足球協(xié)會(huì)通過四級(jí)競(jìng)賽機(jī)制組織并促進(jìn)校園足球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，它們分別是：學(xué)校內(nèi)部比賽、學(xué)校間比賽、郡區(qū)級(jí)校園足球比賽、國(guó)家級(jí)校園足球比賽。

圖6為裸電極和覆膜下金屬微粒附近的電場(chǎng)強(qiáng)度分布。由圖6可知，裸電極下場(chǎng)強(qiáng)的最大值在金屬微粒頂端，而覆膜后金屬微粒電場(chǎng)強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在金屬微粒與薄膜之間，且高于裸電極時(shí)金屬微粒場(chǎng)強(qiáng)的最大值。這可表明覆膜的存在使得金屬微粒周圍的電場(chǎng)分布發(fā)生了極大改變。

圖6 電場(chǎng)強(qiáng)度分布云圖Fig.6 Electric field distribution contour

3.3 覆膜對(duì)金屬微粒表面電荷分布及麥克斯韋應(yīng)

力的影響

圖7 表面電荷密度分布Fig.7 Surface charge density distribution

在電場(chǎng)作用下，金屬微粒表面的電荷分布亦發(fā)生變化，圖7為裸電極和覆膜下金屬微粒表面的電荷密度分布，其中橫坐標(biāo)為微粒表面到金屬微粒底端的垂直距離。由圖7可知，對(duì)于裸電極，金屬微粒表面的電荷密度總為負(fù)極性，越遠(yuǎn)離金屬微粒底端，電荷密度數(shù)值越大，這和圖6a中電場(chǎng)強(qiáng)度在金屬微粒頂端達(dá)到最大值的結(jié)果一致。電極表面覆膜后，在電場(chǎng)作用下金屬微粒發(fā)生了極化，表面電荷密度在距離金屬微粒底端0.435mm處由正極性轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)極性，從而使得金屬微粒的上、下半周產(chǎn)生等量的異種電荷（數(shù)值計(jì)算結(jié)果：上半周-132pC、下半周131pC）。

受表面電荷分布變化的影響，裸電極和覆膜下金屬微粒表面受力明顯不同。圖8為裸電極和覆膜下金屬微粒受到的豎直方向的麥克斯韋應(yīng)力密度分布。由圖8可知，對(duì)于裸電極，金屬微粒在微粒表面各位置受到的應(yīng)力密度均為正值，使得金屬微粒整體受到向上的電場(chǎng)作用力（稱之為靜電力）。覆膜后，微粒的麥克斯韋應(yīng)力密度發(fā)生變化，微粒下半周的麥克斯韋應(yīng)力密度為負(fù)值，上半周的麥克斯韋應(yīng)力密度為正值，這是由金屬微粒表面的電荷密度分布決定的。正、負(fù)電荷在低壓電極內(nèi)部產(chǎn)生鏡像電荷，在兩種電荷及其鏡像電荷的作用下，金屬微粒受到向下的吸引力（稱之為極化作用力）[18]。

圖8 豎直方向麥克斯韋應(yīng)力密度分布Fig.8 Maxwell stress density distribution in the vertical direction

上述對(duì)電荷密度分布及麥克斯韋應(yīng)力密度的分析可表明：覆膜后即使金屬微粒不帶電，其仍然受到向下的極化作用力。S. P. Hornfeldt和J. Q. Feng進(jìn)一步指出：對(duì)于帶有一定電荷量的金屬微粒，其與薄膜表面接觸時(shí)該極化作用力仍然存在，此時(shí)金屬微粒受到的電場(chǎng)作用力可認(rèn)為是靜電力和極化作用力的疊加，也即微粒帶電后仍需考慮金屬微粒受到的極化作用力,而當(dāng)金屬微粒離開薄膜后，極化作用力立刻消失[18,19]。

由上述分析可知，與裸電極相比，覆膜使得金屬微粒啟舉時(shí)所帶的電荷量小于同等條件下裸電極的電荷量。此外，金屬微粒與薄膜間的場(chǎng)強(qiáng)大大增加，金屬微粒的電荷密度分布發(fā)生了變化，使得金屬微粒受到向下的極化作用力。電荷量減小和極化作用力向下是覆膜抑制金屬微粒啟舉的兩個(gè)因素。

4 金屬微粒的帶電機(jī)理分析

已有研究結(jié)果表明：覆膜阻止了金屬微粒與電極接觸時(shí)的直接帶電，傳導(dǎo)或局部放電成為金屬微粒帶電的主要機(jī)理。若傳導(dǎo)為覆膜后金屬微粒的帶電機(jī)理，則金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)與SF6氣體壓力無關(guān)；反之，若局部放電為覆膜后金屬微粒的帶電機(jī)理，則金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)與SF6氣體壓力有關(guān)[17,20,21]。根據(jù)本文1.2節(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果：金屬微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)與SF6氣體壓力相關(guān)，可初步推斷局部放電為直流電壓下SF6氣體中電極表面覆膜后金屬微粒的帶電機(jī)理。

此外，由上文對(duì)金屬微粒電場(chǎng)分布的分析可知，覆膜使得金屬微粒與薄膜之間的場(chǎng)強(qiáng)大大增加，根據(jù)高電壓相關(guān)理論可知，較大的場(chǎng)強(qiáng)可能會(huì)引起金屬微粒與薄膜之間發(fā)生局部放電，使得金屬微粒帶電。為此，本文基于氣體放電的流注起始判據(jù)對(duì)金屬微粒的帶電機(jī)理展開進(jìn)一步分析[17,21-24]。

式中，α、η 分別為氣體的湯遜第一電離系數(shù)和附著系數(shù)，m-1；l為電子崩長(zhǎng)度，在最外層邊界滿足α =η；K為氣體放電常數(shù)，K=10.5[23-25]。不同研究人員給出的SF6氣體有效電離系數(shù)αη-的表達(dá)式略有不同，本文計(jì)算時(shí)取

式中，p為SF6氣體壓力（MPa）；E為沿著電子崩發(fā)展最優(yōu)路徑的電場(chǎng)強(qiáng)度（V/m）。對(duì)于電子崩發(fā)展最優(yōu)路徑的選擇，應(yīng)滿足式（12）的計(jì)算結(jié)果最大[17,26]，雖然金屬微粒與膜接觸的部位電場(chǎng)最大，但其路徑距離為0。因此，電子崩發(fā)展最優(yōu)路徑的起始點(diǎn)并不在金屬微粒與薄膜的接觸點(diǎn)，而是在其附近，其典型的積分路徑示意圖如圖9所示。

圖9 電子崩發(fā)展路徑示意圖Fig.9 Schematic of electronic avalanche development path

表5為不同氣壓下金屬微粒與薄膜之間發(fā)生局部放電的起始場(chǎng)強(qiáng)。由表5可知，該數(shù)值小于實(shí)驗(yàn)獲得的金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)（圖2）。此外，本文計(jì)算氣體放電的流注起始判據(jù)模型中尚未考慮電子崩中正、負(fù)離子的作用，若考慮正、負(fù)離子，則金屬微粒的局部放電起始電壓可能會(huì)變得更低[27]，這更進(jìn)一步證實(shí)了局部放電為覆膜后金屬微粒的帶電機(jī)理。

表5 局部放電起始場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of partial discharge initial electric field

5 SF6氣體壓力對(duì)金屬微粒啟舉的影響分析

基于上述直流電壓下SF6氣體中電極表面覆膜對(duì)金屬微粒啟舉的影響機(jī)理分析，本文對(duì)“金屬微粒啟舉場(chǎng)強(qiáng)隨著SF6氣體壓力增大而增大”這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行如下解釋：

1）對(duì)于放置在覆膜電極表面的金屬微粒，在局部放電機(jī)理下金屬微粒帶電，局部放電的起始場(chǎng)強(qiáng)與SF6氣體的有效電離系數(shù)密切相關(guān)。由式（13）可知，SF6氣體的有效電離系數(shù)隨著氣體壓力的增大而減小，這是因?yàn)闅怏w壓力越大，分子之間的間隙減小，電子的自由程變短，在相繼兩次碰撞間從電場(chǎng)獲得的能量小，電子就不容易引起氣體分子電離，同等條件下需要更高的電場(chǎng)才能滿足發(fā)生局部放電的起始條件（如圖10所示），也即覆膜后金屬微粒因局部放電而帶電所需的場(chǎng)強(qiáng)增大。

圖10 局部放電起始場(chǎng)強(qiáng)與氣壓關(guān)系Fig.10 Relationship between initial electric field of partial discharge and gas pressure

2）金屬微粒與薄膜接觸時(shí)，一直受到向下的極化作用力，其與平行板電極間的場(chǎng)強(qiáng)有關(guān)。圖11為不同場(chǎng)強(qiáng)下金屬微粒受到的極化作用力的計(jì)算結(jié)果及金屬微粒啟舉所需的電荷量。由圖11可知場(chǎng)強(qiáng)越大，極化作用力越大；極化作用力的增大又使得金屬微粒需要帶更多的電荷量克服金屬微粒向下的極化作用力和重力，進(jìn)一步導(dǎo)致了金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)升高。

圖11 極化作用力、啟舉臨界電荷量與場(chǎng)強(qiáng)關(guān)系Fig.11 Relationship between the polarization force、the critical charge and the electric field

6 結(jié)論

1）提出了覆膜后金屬微粒啟舉時(shí)電荷量的計(jì)算方法，獲得了啟舉時(shí)的電荷量，同等條件下和裸電極相比，該數(shù)值減小。

2）覆膜使得金屬微粒與薄膜之間的電場(chǎng)強(qiáng)度明顯增加，金屬微粒表面電荷密度分布發(fā)生變化，導(dǎo)致受到向下的極化作用力。

3）電荷量減少和極化作用力向下共同導(dǎo)致覆膜后金屬微粒的啟舉場(chǎng)強(qiáng)升高。

4）局部放電是覆膜后金屬微粒的帶電機(jī)理，隨著SF6氣體壓力的增大，金屬微粒發(fā)生局部放電的起始場(chǎng)強(qiáng)增大，啟舉場(chǎng)強(qiáng)升高。

[1] 喬勝亞, 周文俊, 唐念, 等. 不同吸附劑對(duì)GIS局部放電特征氣體變化規(guī)律的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(3)： 113-120. Qiao Shengya, Zhou Wenjun, Tang Nian, et al. Effects of different adsorbents on the evolving law of target gases under partial discharges in GIS[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(3)： 113-120.

[2] 季洪鑫, 李成榕, 龐志開, 等. 電壓波形對(duì)GIS自由金屬顆粒放電特性的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016, 31(13)： 218-226. Ji Hongxin, Li Chengrong, Pang Zhikai, et al.Influence of voltage waveforms on partial discharge characteristics of GIS mobilized metal particles[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(13)： 218-226.

[3] Hama H, Okabe S. Factors dominating dielectric performance of real-size gas insulated system and their measures by dielectric coatings in SF6and potential gases[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2013, 20(5)： 1737-1748.

[4] Srivastava K D, Tan M H E, Jaksts A, et al. Effect of dielectric coatings on metallic particle movement in compressed sulphur hexafluoride gas[C]//Annual Report, Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 1977： 448-455.

[5] Hama H, Inami K, Yoshimura M, et al. Dielectric properties of gas insulated bus applying low SF6 content and highly compressed N2/SF6gas mixtures[M]. New York： Gaseous Dielectrics IX, Springer US, 2001.

[6] Ooishi T, Hama H, Yoshimura M, et al. Charging mechanisms of a conducting particle on dielectric coated electrode in SF6gas[J]. Transactions Institute of Electrical Engineers of Japan, 1995, 115(6)： 485-491.

[7] 王健, 李慶民, 李伯濤, 等. 直流應(yīng)力下電極表面覆膜對(duì)金屬微粒啟舉的影響機(jī)理研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(5)： 119-127. Wang Jian, Li Qingmin, Li Botao, et al. Mechanism analysis of the electrode-coating's impact on the particle-lifting under DC voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(5)： 119-127.

[8] Sakai K, Abella D L, Suehiro J, et al. Charging and behavior of a spherically conducting particle on a dielectrically coated electrode in the presence of electrical gradient force in atmospheric air[J]. IEEE Tansactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2002, 9(4)： 577-588.

[9] 張喬根, 賈江波, 楊蘭均, 等. 氣體絕緣系統(tǒng)電極表面覆膜時(shí)金屬導(dǎo)電微粒帶電原因分析[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 38(12)： 1287-1291. Zhang Qiaogen, Jia Jiangbo, Yang Lanjun, et al. Charging mechanism of metallic conducting particle on a dielectrically coated electrode in gas insulated system[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2004, 38(12)： 1287-1291.

[10] 王健, 李慶民, 李伯濤, 等. 考慮非彈性隨機(jī)碰撞與SF6/N2混合氣體影響的直流GIL球形金屬微粒運(yùn)動(dòng)行為研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2015, 35(15)：3971-3978. Wang Jian, Li Qingmin, Li Botao, et al. Motion analysis of spherical conducting particle in DC GIL considering the influence of inelastic random collisions and SF6/N2gaseous mixture[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(15)： 3971-3978.

[11] 邢藏菊, 王守覺, 鄧浩江, 等. 一種基于極值中值的新型濾波算法[J]. 中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào), 2001, 6(6)：533-536. Xing Cangju, Wang Shoujue, Deng Haojiang, et al. A new filtering algorithm based on extremism and median value[J]. Journal of Image and Graphics, 2001, 6(6)： 533-536.

[12] 盧章平, 孔德飛, 李小蕾, 等. 背景差分與三幀差分結(jié)合的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2013, 21(12)： 3315-3318. Lu Zhangping, Kong Defei, Li Xiaolei, et al. A method for moving object detection based on background subtraction and three frame differencing[J]. Computer Measurement & Control, 2013, 21(12)：3315-3318.

[13] 陳虎, 周朝輝, 王守尊. 基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像去噪方法研究[J]. 工程圖學(xué)學(xué)報(bào), 2004, 25(2)： 116-119. Chen Hu, Zhou Zhaohui, Wang Shouzun. Research based on mathematics morphology image chirp method[J]. Journal of Engineering Graphics, 2004, 25(2)： 116-119.

[14] Savitzky A, Golay M J E. Smoothing and differentiation of data by simplified least squares procedures[J]. Analytical Chemistry, 1964, 36(8)：1627-1639.

[15] Pérez A T. Charge and force on a conducting sphere between two parallel electrodes[J]. Journal of Electrostatics, 2002, 56(2)： 199-217.

[16] Nojima K, Zhang Xueqin, Matsuzaki H, et al. Suppression of metallic particle lift-off in GIS by a nonlinear resistivity coating[J]. Electrical Engineering in Japan, 2014, 188(1)： 27-35.

[17] Parekh H, Srivastava K D, Van Heeswijk R G. Lifting field of free conducting particles in compressed SF6with dielectric coated electrodes[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1979(3)：748-758.

[18] Hornfeldt S P. Lifting force on metallic particles in gis systems[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2006, 13(4)： 838-841.

[19] Feng J Q, Hays D A. Electric field detachment of a uniformly charged dielectric sphere on a dielectric coated electrode[C]//Conference Record-IAS Annual Meeting (IEEE Industry Applications Society), 1996, 4： 1883-1890.

[20] Morcos M M, Zhang S, Srivastava K D, et al. Dynamics of metallic particle contaminants in GIS with dielectric coated electrodes[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2000, 15(2)： 455-460.

[21] Ooishi T, Yoshimura M, Hama H, et al. Charging mechanisms of a conducting particle on dielectric coated electrode at AC and DC electric Fields[M]. New York： Gaseous Dielectrics VII. Springer US, 1994： 585-591.

[22] Prakash K S, Srivastava K D, Morcos M M. Movement of particles in compressed SF6GIS with dielectric coated enclosure[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, 4(3)：344-347.

[23] Niemeyer L. A generalized approach to partial discharge modeling[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1995, 2(4)： 510-528.

[24] Seeger M, Clemen M. Partial discharges and breakdown in SF6in the pressure range 25-150kPa in non-uniform background fields[J]. Journal of Physics D： Applied Physics, 2013, 47(2)： 202-215.

[25] Berger S. Onset or breakdown voltage reduction by electrode surface roughness in air and SF6[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1976, 95(4)： 1073-1079.

[26] Eriksson G. Easy evaluation of streamer discharge criteria[C]//Proceedings of 2012 COMSOL Conference, 2012.

[27] Parekh H, Srivastava K D. Effect of avalanche space charge field on the calculation of corona onset voltage[J]. IEEE Transactions on Electrical Insulation, 1979, 14(4)： 181-192.

（編輯 赫 蕾）

Influence Mechanism of Dielectric Coated Electrodes on Metallic Particle Lift-Off in SF6Gas under DC Voltage

Lü Fangcheng1Liu Hongyu1Li Zhibing2Dong Meng1Yan Xianglian2
（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. China Electric Power Research Institute Beijing 100085 China）

In order to study the influence mechanism of dielectrically coated electrode in SF6gas under DC electric field on metallic particle lift-off, experimental platform was setup and motion trajectory was recorded by high-speed camera. The experiment results showed that with the increasing of SF6gas pressures, the lift-off field of metallic particle was increased and the time to reach the high-voltage electrode was shortened. Instantaneous displacement of metallic particle was gained on the basis of image processing and computational method of charge quantity was raised on the combination of dynamics equation and least square method，analyzing of charge quantity showed that the metallic particle’s charge quantity decreased. Meanwhile, theoretical analysis model of field distribution around metallic particle under dielectric coated electrode was established, analyzing of electric field indicated that there was a enhance of electric field between coating and metallic particle and a transform of charge density distribution, which leaded to a downward polarization force formetallic particle. Both the decreasing of the electric charge quantity and the downward polarization force result in the increasing of lift-off field. On the whole, this article maintains that partial discharge is the charging mechanism of metallic particle; the enlargement of SF6gas pressure brings about the raise of initial electric field of partial discharge, causing the increase of downward polarization force with higher electric field to lift-off.

DC voltage, SF6gas, dielectric coated electrodes, electric charge quantity, polarization force, metallic particle lift-off

TM75

律方成 男，1963年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)。

E-mail： lfc0818@sohu.com

劉宏宇 男，1990年生，博士研究生，研究方向?yàn)樘馗邏篏IL中金屬微粒的運(yùn)動(dòng)及控制技術(shù)。

E-mail： lhy3120@126.com（通信作者）

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.161906

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助（GY71-16-070）。

2016-12-01 改稿日期 2017-03-19