直流电压下SF6 气体中电极覆膜对金属微粒启举的影响机理

2017年7月电工技术学报Vol.32 No. 13 第32卷第13期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2017DOI: 10.19595/ki.1000-6753.tces.161906直流电压下SF6气体中电极覆膜对金属微粒启举的影响机理律方成1刘宏宇1李志兵2董蒙1颜湘莲2（1. 新能源与电力系统国家重点实验室（华北电力大学）北京 1022062. 中国电力科学研究院北京 100085）摘要为研究直流电场下SF6气体中低压电极覆膜对金属微粒启举的影响机理，搭建了实验平台并使用高速摄像机记录运动轨迹。

实验结果表明，随着SF6气体压力的增大，微粒启举场强升高，且启举后到达高压电极的时间缩短。

基于图像处理获得了微粒的瞬时位移，结合运动力学方程和最小二乘法提出了启举时电荷量的计算方法，微粒电荷量的计算分析表明启举时的电荷量减小。

建立了覆膜后金属微粒周围电场分布的理论模型，电场分析表明金属微粒与薄膜间的电场明显增大及表面电荷密度分布的改变，使得金属微粒受到向下的极化作用力。

研究认为：电荷量减小和极化作用力向下综合导致金属微粒的启举场强提高；覆膜后局部放电是金属微粒的带电机理；SF6气体压力增大使得金属微粒发生局部放电的起始场强升高，导致极化作用力增大，需要更高场强发生启举。

关键词：直流电压SF6气体电极表面覆膜电荷量极化作用力金属微粒启举中图分类号：TM75Influence Mechanism of Dielectric Coated Electrodes onMetallic Particle Lift-Off in SF6 Gas under DC VoltageLü Fangcheng1 Liu Hongyu1 Li Zhibing2 Dong Meng1 Yan Xianglian2（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy SourcesNorth China Electric Power University Beijing 102206 China2. China Electric Power Research Institute Beijing 100085 China）Abstract In order to study the influence mechanism of dielectrically coated electrode in SF6 gas 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 SF6 gas 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 for国家电网公司科技项目资助（GY71-16-070）。

收稿日期 2016-12-01 改稿日期 2017-03-19240 电工技术学报 2017年7月metallic 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 SF6 gas 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.Keywords：DC voltage, SF6 gas, dielectric coated electrodes, electric charge quantity, polarization force, metallic particle lift-off0引言气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulation Line, GIL）因其输送能力强、占地面积小、可靠性高等优点成为未来远距离、大规模输电的一种重要选择方式[1]。

然而，GIL在加工、运输、安装、运行过程中将不可避免地产生金属微粒[2]，由金属微粒运动导致的绝缘性能下降是GIL在工程应用中亟待解决的问题之一[2,3]。

低压电极表面覆膜是抑制金属微粒运动、改善金属微粒污染的一种重要措施，通过实验测量覆膜后金属微粒的启举场强，并和裸电极结果进行比较是研究覆膜对金属微粒启举场强影响的常见思路[4-6]。

基于该思路，文献[4,5]研究了交流电压下SF6气体中金属微粒（不锈钢球）在电极表面分别覆氧化铝膜、聚乙烯膜时的启举场强，文献[6]研究了交流电压下N2/SF6气体中线形金属微粒（铝质）在电极表面覆改性邻苯二甲酸酯膜时的启举场强，结果均表明在0.1～0.4MPa范围内，随着气体压力增大，金属微粒的启举场强提高。

上述电极表面覆膜对金属微粒启举影响的研究均在交流电压下进行。

与交流电压相比，直流电压下金属微粒受到单一方向的电场作用力在电极间发生贯穿性运动，导致金属微粒污染问题更加严重，因此直流电压下覆膜的研究显得尤为重要。

但目前对此研究较少，大部分工作在空气中开展[7,8]。

此外，电极表面覆膜后，阻止了金属微粒与电极接触时的直接带电，金属微粒与薄膜间的传导或局部放电成为金属微粒带电的主要机理，和裸电极相比金属微粒所带电荷量可能发生变化[8,9]，因此，明确金属微粒启举时的电荷量对研究电极表面覆膜对金属微粒启举的影响机理具有重要意义。

综合考虑直流电压下SF6气体中有关覆膜研究较少及金属微粒启举时的电荷量这一参数的重要意义，本文搭建了直流电压下SF6气体中电极表面覆膜后金属微粒启举的实验平台，获得了金属微粒的启举场强及运动图像；金属微粒运动图像处理方法（中值滤波、背景差分、形态学滤波）、运动力学方程、最小二乘法相结合计算得到了金属微粒启举时的电荷量；探讨了覆膜对金属微粒启举的影响机理;最后从机理上定性分析了SF6气体压力对金属微粒启举场强的影响。

1金属微粒启举实验1.1实验平台金属微粒启举实验平台如图1所示。

将平行板电极放置在可充SF6气体的密闭罐体中，直流电压通过套管施加到平行板电极上极板，下极板接地，罐体表面设置观察窗，使用高速摄像机观测并记录金属微粒启举后的运动轨迹。

为保证图片拍摄清晰，利用LED可调光源进行补光。

其中，平行板电极的（a）示意图（b）实物图图1 金属微粒启举实验平台Fig.1 Experimental platform of metallic particle lift-off第32卷第13期律方成等 直流电压下SF 6气体中电极覆膜对金属微粒启举的影响机理 241材质为黄铜，极板直径为20cm ，厚度为5mm ，极板边缘通过圆角处理，圆角半径为0.5mm ，电极间距为10mm ；低压电极所覆薄膜的材质和文献[7-9]相同，为PET （相对介电常数3.8，电导率1×10−14S/m ），厚度为100μm ；金属微粒为直径1mm 的铝球（密度为2 800kg/m 3）。

实验基本步骤：1）用浸有无水乙醇的丝绸擦拭电极和金属微粒保证金属微粒与电极表面洁净，待乙醇完全蒸发后，将金属微粒放置在下极板中心位置。

2）使用SF 6气体回收回充设备（RF −051）对封闭罐体进行抽真空（真空度至120Pa ）、充一定压力（0.1MPa 、0.15MPa 、0.2MPa ）的SF 6气体。

3）为方便后续图片处理，设置高速摄像机的帧率为 1 000fps 。

调节高速摄像机控制软件中的色温参数，使平行板电极间隙整体背景呈绿色、金属微粒呈黑色。

4）通过直流高压发生器（FVG −±150kV ）进行加压，升压速度为0.32～0.36kV/s ，直至金属微粒启举。

5）保存高速摄像机拍摄的金属微粒启举后的运动图片，回收SF 6气体，记录金属微粒启举时的电压数值并根据公式E=U /d 换算为场强数值，每组实验测量3次，得到金属微粒的平均启举场强E 。