近年來在氣體絕緣金屬封閉輸電線路(GIL)中開始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合氣體作為絕緣介質，用以替代純SF6氣體。為了在電力設備中更好地套用 SF6/N2混合氣體，在極不均勻電場、正負兩種極性雷電衝擊(LI)下，通過實驗分析研究了較低SF6混合比的SF6/N2混合氣體的放電特性與協同現象，並在負極性雷電衝擊下發現了反常的負協同效應。
基本介紹
- 中文名：協同現象
- 實驗氣體：SF6/N2混合氣體
- 負協同：負極性雷電衝擊下
- 領域：電氣
簡介,負協同現象,
簡介
SF6由於其耐電強度高、滅弧能力強、化學穩定性好，已廣泛套用於電力設備中。但SF6作為強溫室效應氣體，隨著其用量的迅速增加，對環境造成的影響也日趨嚴重。
1997年，《京都議定書》中將SF6氣體列為需要管制使用的氣體之一。除了環境保護方面的影響，SF6對電場不均勻度具有很高的敏感性，當電場不均勻度增加時，SF6的有效電離係數迅速升高，導致其絕緣強度顯著下降。此外，考慮到SF6較為昂貴，若在氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas-insulated metal-enclosed transmissionline, GIL)上大量使用純SF6氣體作為絕緣介質，其經濟性將顯著降低。
目前，仍沒有找到在絕緣、環保等方面能替代SF6氣體的單一氣體。因此，使用SF6的二元混合氣體替代SF6氣體成為目前公認的較好解決方案。二元混合氣體的臨界擊穿場強與單一氣體有所不同，可分為4種類型，分別是：線性關係，協同效應，正協同效應和負協同效應。目前常見研究中的混合氣體主要有SF6/N2、SF6/CO2等，2者均為協同效應氣體。由於N2無污染，並且易於製備，使SF6/N2混合氣體具有較好的套用前景。
負協同現象
極不均勻場下，SF6/N2混合氣體出現負協同效應是由於在負極性雷電衝擊下，隨著氣壓的升高，N2的擊穿電壓上升速率顯著高於SF6及SF6/N2混合氣體的擊穿電壓，甚至使得高氣壓下N2的擊穿電壓高於SF6氣體的擊穿電壓。對於這一現象，可以通過以下3個方面來解釋。
1）一方面，隨著電場強度的增加，SF6氣體中有效電離係數α的增長速率遠大於N2，即SF6氣體中電子崩內電子數的增長遠快於N2，這使得極不均勻場中SF6的局部放電起始電壓高出N2的局部放電起始電壓不多，甚至十分接近。同理，極不均勻場中SF6/N2混合氣體的局部放電起始電壓將與N2的局部放電起始電壓更加接近。
2）另一方面是空間電荷的影響不同。SF6氣體分子的直徑大，且分子質量也遠大於N2，因此與N2相比，SF6電離或電子附著而產生的離子遷移率小、驅引速度低，這使得棒板電極結構中棒電極周圍的空間電荷十分密集，不易形成均勻的空間電荷層用以改善棒電極附近電場集中的情況，而N2離解形成的離子可以更好地向外遷移，形成穩定的空間電荷層以改善強場區的電場分布。也就是說，此時SF6中電暈穩定化的效果不如同一電場結構下的N2強。且在雷電衝擊下，電壓上升率較高，給予離子遷移的時間較短，使得上述現象更加明顯，N2中更易形成較大尺寸的穩定電暈；而當氣壓升高時，SF6中空間電荷的遷移擴散將受到明顯阻礙，導致空間電荷更加密集，而N2中空間電荷遷移擴散受氣壓影響小於SF6。
上述分析可以解釋實驗中發現的在雷電衝擊下，隨著氣壓升高，N2擊穿電壓上升率大於SF6的原因。同時，也要注意到電壓極性將顯著影響這一現象。當棒電極為正極性時，電壓達到一定值後將在棒電極附近形成流注，由於外加電場的影響，電子將很快進入棒電極，而流注頭部將具有正電荷，頭部的正電荷將減弱流注區域的電場，同時加強流注頭部前方的電場，使得流注進一步發展。可以看出，正極性下流注電暈的徑向尺寸較小，電暈穩定化的作用較弱。而當棒電極為負極性時，棒電極附近的強場區將很快形成流注電暈，但是由於棒電極附近同時產生了大量的電子崩，使得流注電暈的分布呈現彌散狀，這類似於增大了電極曲率半徑，減弱了流注通道前方的電場，也就是說，負極性下流注電暈的徑向尺寸較大，電暈穩定化的作用顯著強於正極性。
綜上所述，正極性下無論是SF6還是N2，其電暈穩定化作用都將明顯減弱，這也使得N2擊穿電壓由於電暈穩定化作用增強的影響明顯減弱，這可以解釋在正極性下負協同效應不明顯的現象。
3）此外，N2與SF6氣體的放電過程也是不同的。對於N2而言，此時的間隙距離d很小(d=3.3cm)，遠不足以發生先導放電過程，因此，N2中的放電過程是流注放電過程。而通過拍攝放電圖片可以看出，SF6的放電過程是流注–先導的放電過程，如圖所示。
放電圖片圖是負極性雷電衝擊下的放電圖片，圖(a)給出了放電初期的流注過程，可以看出存在多個流注通道，且整體呈現彌散狀分布；圖(b)給出了40ns後的放電過程，可以看出已出現了明顯的先導過程，放電通道細而明亮。前面分析說明，SF6離解產生的離子不易遷移擴散，使得流注電暈半徑較小，電荷密度更大，更容易使流注通道根部加熱，在流注還不足以貫穿整個間隙的情況下，流注根部出現熱電離，轉化為先導，電離程度加強，電導明顯增大，軸向場強顯著降低，使得先導頭部的流注區域的場強增加，進而引起新的流注，先導也不斷增長。隨著電壓繼續升高，先導貫穿整個間隙，完成擊穿過程。因此，先導的出現將顯著降低間隙的平均擊穿場強，從而造成擊穿電壓下降的情況。
可以看出，負極性雷電衝擊下，向N2中加入少量SF6會顯著降低擊穿電壓的現象可以由上述第3方面來解釋，即向N2中加入少量SF6後，流注電暈半徑顯著減小，電荷密度增大，使流注通道根部加熱形成先導，由於先導的出現，使得平均擊穿場強顯著降低，即出現了負協同效應。這一現象可由不同SF6體積分數混合氣體的放電時延來驗證。
