CN105806926A - 大气离子迁移率的测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大气离子迁移率的测试方法及装置，包括：确定上下极板之间的距离d及周围的气压、温度和相对湿度；确定下极板的电场E_d和上极板的电压V_T的方程组，并对E_d和V_T的方程组联合求解得到离子迁移率k，调节V_co和V_A的电压，使起晕细导线网发生电晕放电；调节V_T使电晕电荷通过上极板到达下极板；测量下极板处的电场强度E_d和离子流密度J；将V_T、E_d、J代入到离子迁移率k的方程中，得到离子迁移率。本发明直接通过严格的解方程获得离子迁移率，而无需采用E₀＝0的假设，结果更准确；只需一组测试数据即可得到离子迁移率，无需为了寻找IT变化但测试区离子流密度J趋于饱和的曲线而测量大量的点。

Description

大气离子迁移率的测试方法及装置

技术领域

本发明涉及高电放电技术领域，尤其涉及大气离子迁移率的测试方法及装置。

背景技术

离子迁移率是粒子本质特性之一，反映了粒子的微观运动特性，可以据此区分粒子种类。在许多物理、化学领域，如绝缘介质性能，介质导电性分析，微观电子运动，痕量物质识别，爆炸物、毒品、大气污染物监测，化学反应进程分析，化学反应产物检测等，离子迁移率都有重要应用。作为一个普适性基本参数，它描述的是基础物理现象。研究离子迁移率不仅具有物理意义，还具有重要的工程意义。离子迁移率普遍运用于各种电场计算中，任何受空间电荷分布影响的电场计算分析，都必然会有离子迁移率的应用。在实际的电磁场数值计算中，离子迁移率是电场、电荷密度、离子电流相互影响作用的循环中的重要一环。如果能得到符合客观事实的离子迁移率，就能更准确地模拟真实情况，有助于提高计算精度和计算速度，使仿真数据能代表事实。特别是在空间电荷对电场分布影响很大的特高压直流输电线路的电磁环境的计算中，尤其如是。

大气离子迁移率是一个宏观意义上的平均量，是大气内所有载荷粒子在电场作用下运动的综合体现。实际大气的条件非常复杂。其背景中性气体可以有很多不同的组成成分和构成比例，不同的气体有不同的特性。而载荷粒子的情况也千差万别，不同的气态分子、多分子聚合物、单体被电离带上正负电荷，其组分、带电量、质量各不相同。此外大气中的悬浮固体、液体粒子也可能带上电荷，影响整体空气粒子的荷电表现。除了大气组成外，大气环境条件也千差万别，状态参数复杂，压强、温度、湿度、污染程度、风速是其主要的状态表征量。不同状态下离子迁移率不同，而不同的状态参数对离子迁移率的影响还未能探明。所以，实际中的大气离子迁移率本身是一个复杂的平均综合量，而且是一个时变位变的多元函数，当考虑实际工程中的离子迁移率时必须考虑到这点。

为了得到大气离子迁移率的影响因子，必须对大气离子迁移率进行测量。目前国内外对离子迁移率的测量方法主要有电压-电流曲线法、突起微粒法(又称预放电电流法)、脉冲汤逊法、离子迁移率谱仪法、以及电晕U-I曲线外推法，这些方法仅适用于理想环境、均匀气体的测试，很难用于复杂大气条件下的空气离子迁移率的测量。IEEE导则(IEEEStd1227-1990(R2010),IEEEGuidefortheMeasurementofDCElectric-FieldStrengthandIonRelatedQuantities)提供了图1所示的离子迁移率测量装置。该装置的优点是将电晕放电产生离子流的区域与测量区域分开，避免了电晕放电在测量系统中的电磁干扰，并且测试区的空间电场可以通过计算确定。尤其是，它可以直接放置在大气条件下，测量大气的离子迁移率。

基于一维泊松方程，测试区任何位置的电场和电压为：

$E\left(z\right)={(E_0^2+\frac{2Jz}{k\mathrm{\ϵ}})}^{\frac{1}{2}}---\left(1\right)$

$V\left(z\right)=V_T-(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[{(E_0^2+\frac{2Jz}{k\mathrm{\ϵ}})}^{\frac{3}{2}}-E_0^3\]---\left(2\right)$

式中，E₀和V_T为上极板的电场和电压，J为下极板测得的离子流密度，k为离子迁移率，ε₀为空气介电常数。

使用图1所述的装置测量离子迁移率时，IEEE导则认为当离子流密度J强到一定程度时，位于极板间的空间电荷相应增加，并起到限制外部电荷从上极板流入的作用，当上极板接收的电流I_T变化但测试区离子流密度J趋于饱和时，可认为上极板处E₀＝0，将其代入(1)、(2)可得离子迁移率：

$k=\frac{8}{9}\frac{d^3}{\mathrm{\ϵ}}\frac{J}{V_T^2}---\left(3\right)$

式中d为两极板间的距离。然而，按照离子迁移率的定义，离子流密度、空间电荷、空间电场、离子迁移率之间满足如下关系：J＝ρkE。可见如果E＝0，则J＝0(离子流密度是连续的，E₀处J为0，则其他各处J均为0)。而事实上使用(3)时J并不为0。因此(3)并不成立，IEEE导则(IEEEStd1227-1990(R2010)方法不能获得准确的离子迁移率。

发明内容

针对上述问题中存在的不足之处，本发明提供大气离子迁移率的测试方法及装置。

为实现上述目的，本发明提供一种大气离子迁移率的测试方法，包括：

步骤一、确定离子迁移率测试装置中测试区上下极板之间的距离d，所述下极板接地；

步骤二、确定离子迁移率测试装置周围的气压、温度和相对湿度；

步骤三、基于一维泊松方程，确定下极板的电场E_d和上极板的电压V_T的方程组：

$E_d={(E_0^2+\frac{2Jd}{k\mathrm{\ϵ}})}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$V_T=(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[E_d^3-E_0^3\]---\left(5\right)$

式中：E₀为上极板电场，J为下极板测得的离子流密度，k为离子迁移率，ε为空气介电常数；

步骤四、对公式(4)和公式(5)进行联合求解，得到离子迁移率k为：

$k=\frac{-AB+B\sqrt{A^2-192{\mathrm{Cd}}^3}}{12C}---\left(7\right)$

式中：B＝J/ε，

步骤五、调节离子迁移率测试装置中起晕细导线网的电压V_co和控制网的电压V_A，使起晕细导线网发生电晕放电；

步骤六、调节上极板的电压V_T使电晕电荷通过上极板到达下极板；

步骤七、测量下极板处的电场强度E_d和离子流密度J；

步骤八、将步骤六测量的V_T和步骤七测量的E_d、J代入到公式(7)中，得到相应气压、温度、相对湿度下的离子迁移率。

作为本发明的进一步改进，所述步骤三中，基于一维泊松方程确定下极板的电压V_d为：

$V_d=V_T-(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[E_d^3-E_0^3\]---\left(6\right)$

由于下极板接地，V_d＝0；则通过公式(6)变换得到公式(5)。

作为本发明的进一步改进，所述步骤七中，利用旋转伏特计测量下极板处的电场强度E_d，利用离子流板测量下极板处的离子流密度J。

作为本发明的进一步改进，所述步骤八之后还包括步骤九；

所述步骤九、通过调节控制网的电压V_A分别得到3～5组数值，对每一组数值分别重复步骤六～步骤八，得到每一组数值对应的离子迁移率，将所有的离子迁移率取平均作为最终的测试结果。

作为本发明的进一步改进，所述步骤九之后还包括步骤十；

所述步骤十、改变V_co、V_A和V_T极性，测量另一极性离子迁移率。

本发明还公开了一种大气离子迁移率的测试装置，包括：绝缘柱和挂靠在绝缘柱上的且相互平行的五层圆形平板，五层圆形平板从上至下依次为金属盖板、电晕线盘、控制盘、上极板和下极板；

所述金属盖板与所述控制盘通过金属相连；

所述电晕线盘由金属圆形框架和设置在金属圆形框架上的起晕细导线网组成，所述起晕细导线网由电晕线均匀排布而成；

所述控制盘由金属圆形框架和设置在金属圆形框架上的控制网组成；

所述下极板接地。

作为本发明的进一步改进，所述金属盖板至电晕线盘的间距与所述控制盘至电晕线盘的间距相等。

作为本发明的进一步改进，所述下极板上设有旋转伏特计和离子流板。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明公开的大气离子迁移率的测试方法及装置，直接通过严格的解方程获得离子迁移率，而无需采用E₀＝0的假设，结果更准确；本发明只需一组测试数据即可得到离子迁移率，无需为了寻找IT变化但测试区离子流密度J趋于饱和的曲线而测量大量的点；

测试装置既可以放置在自然环境也可以放置在人工环境，可以得到各种环境下的离子迁移率，使用范围更广，均采用圆形平板，防止周边放电；测量装置的具有将电晕放电产生离子流源区与测量区分开，避免电晕放电在测量装置中的电磁干扰的优点。

附图说明

图1为现有技术公开的离子迁移率测量装置的电路图；

图2为本发明一种实施例公开的离子迁移率测量装置的结构图；

图3为本发明一种实施例公开的大气离子迁移率测试方法的流程图。

1、绝缘杆；2、金属盖板；3、电晕线盘；3-1、起晕细导线网；4、控制盘；4-1、控制网；5、上极板；6、下极板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

实施例1：如图1～2所示，为了实现大气离子迁移率的测试，本发明依据图1所示的电路图设计如图2所示的一种大气离子迁移率的测试装置，其为圆柱形结构，该测试装置包括：四根绝缘柱1和挂靠在四根绝缘柱1上且相互平行的五层圆形平板；相邻圆形平板的板间间距可调；五层圆形平板从上至下依次为金属盖板2、电晕线盘3、控制盘4、上极板5和下极板6；其中：金属盖板2、电晕线盘3和控制盘4构成了离子流源区，上极板5和下极板6构成了测试区。

金属盖板2作为屏蔽板，同时金属盖板2与控制盘4共同控制电晕线放电和改善电场分布，金属盖板2和控制盘4的边缘圆滑，防止周边放电；

电晕线盘3由金属圆形框架和设置在金属圆形框架上的起晕细导线网3-1组成，起晕细导线网3-1为电晕线均匀排布而成；为了保证放电电晕强度足够强且直接产生的离子流密度较均匀；

控制盘4由金属圆形框架和设置在金属圆形框架上的控制网4-1组成，控制网4-1与起晕细导线网3-1之间的电压差控制电晕强度，图1中控制网4-1的电压为V_A，起晕细导线网3-1的电压为V_co；为了使起晕细导线网3-1有最高的放电效率，金属盖板2至电晕线盘3的间距与控制盘4至电晕线盘3的间距相等，且金属盖板2与控制盘4通过金属相连，保证电位相等。控制盘4作为第一层过滤盘，使穿过其控制网4-1向下迁移的电晕离子流分布趋向均匀，控制盘的网孔较大。

金属盖板2、电晕线盘3和控制盘4组成了测试装置的离子流源区；离子流源区下方由上极板5和下极板6构成了测试区，下极板6接地，上极板的电压为V_T；测试区是测试装置中的核心测量区域；这种离子流产生在远离测量区处的结构设计保证了电晕时复杂的物理、化学反应及高场强不会影响离子迁移率的取值。

实施例2：本发明的目的是提出一种准确测量大气离子迁移率的方法，其基本思想如下：

本发明依据图1-2所示的离子迁移率测量装置进行实验，通过旋转伏特计和离子流板可以测量图1中底板位置z＝d处(即下极板)的电场强度E_d和离子流密度J。然后，可以基于公式(1)和公式(2)建立一组关于上极板电场E₀和离子迁移率k的方程组：

$E_d={(E_0^2+\frac{2Jd}{k\mathrm{\ϵ}})}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$V_T=(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[E_d^3-E_0^3\]---\left(5\right)$

其中：基于一维泊松方程确定下极板的电压V_d为：

$V_d=V_T-(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[E_d^3-E_0^3\]---\left(6\right)$

由于下极板接地，V_d＝0；则通过公式(6)变换得到公式(5)。

解(4)和(5)可以直接得到k：

$k=\frac{-AB+B\sqrt{A^2-192{\mathrm{Cd}}^3}}{12C}---\left(7\right)$

式中：B＝J/ε，

实施例2：如图3所示，本发明提供的一种大气离子迁移率测试方法的具体实现方法如下：

S101、确定图2离子迁移率测试装置中测试区上下极板之间的距离d，即图2中上极板和下极板的距离为d，下极板接地；

S102、确定图2中离子迁移率测试装置周围的气压、温度和相对湿度；

S103、基于一维泊松方程，确定下极板的电场E_d和上极板的电压V_T的方程组：

$E_d={(E_0^2+\frac{2Jd}{k\mathrm{\ϵ}})}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$V_T=(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[E_d^3-E_0^3\]---\left(5\right)$

式中：E₀为上极板电场，J为下极板测得的离子流密度，k为离子迁移率，ε为空气介电常数；

其中：基于一维泊松方程确定下极板的电压V_d为：

$V_d=V_T-(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[E_d^3-E_0^3\]---\left(6\right)$

由于下极板接地，V_d＝0；则通过公式(6)变换得到公式(5)。

S104、对公式(4)和公式(5)进行联合求解，得到离子迁移率k为：

$k=\frac{-AB+B\sqrt{A^2-192{\mathrm{Cd}}^3}}{12C}---\left(7\right)$

式中：B＝J/ε，

S105、调节离子迁移率测试装置中起晕细导线网的电压V_co和控制网的电压V_A，使起晕细导线网发生电晕放电；

S106、调节上极板的电压V_T使电晕电荷在V_T电压下能够通过上极板到达下极板；

S107、利用图1所示的旋转伏特计测量下极板处的电场强度E_d，利用图1所示的离子流板测量下极板处的离子流密度J；

S108、将S106测量的V_T和S107测量的E_d、J代入到公式(7)中，得到相应气压、温度、相对湿度下的离子迁移率k；

S109、通过调节控制网的电压V_A分别得到3～5组数值，对每一组数值分别重复S106～S108，得到每一组数值对应的离子迁移率，将所有的离子迁移率取平均作为最终的测试结果；

S110、改变V_co、V_A和V_T极性，测量另一极性离子迁移率。

实施例3：

本发明在如图2所示的一个直径1m的离子迁移率测量装置中使用本发明方法和IEEE标准的方法进行了对比测试，测试结果如表1所示。根据表1可以看到，采用本发明方法得到的离子迁移率比原有方法更稳定。

表1、负离子迁移率(d＝0.099m,T＝25.2℃,相对湿度≈50％,气压0.1003MPa)

本发明公开大气离子迁移率的测试方法及装置，其特点是：1、基于测试数据，直接通过严格的解方程获得离子迁移率，而无需采用E₀＝0的假设，结果更准确。2、只需一组测试数据即可得到离子迁移率，无需为了寻找IT变化但测试区离子流密度J趋于饱和的曲线而测量大量的点。3、所使用的测试装置既可以放置在自然环境也可以放置在人工环境，可以得到各种环境下的离子迁移率，使用范围更广。4、所使用的测量装置的具有将电晕放电产生离子流的区域与测量区域分开，避免电晕放电在测量系统中的电磁干扰的优点。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大气离子迁移率的测试方法，其特征在于，包括：

步骤一、确定离子迁移率测试装置中测试区上下极板之间的距离d，所述下极板接地；

步骤二、确定离子迁移率测试装置周围的气压、温度和相对湿度；

步骤三、基于一维泊松方程，确定下极板的电场E_d和上极板的电压V_T的方程组：

$E_d={(E_0^2+\frac{2Jd}{k\mathrm{\ϵ}})}^{\frac{1}{2}}---\left(4\right)$

$V_T=(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[E_d^3-E_0^3\]---\left(5\right)$

式中：E₀为上极板电场，J为下极板测得的离子流密度，k为离子迁移率，ε为空气介电常数；

步骤四、对公式(4)和公式(5)进行联合求解，得到离子迁移率k为：

$k=\frac{-AB+B\sqrt{A^2-192{\mathrm{Cd}}^3}}{12C}---\left(7\right)$

式中：

步骤五、调节离子迁移率测试装置中起晕细导线网的电压V_co和控制网的电压V_A，使起晕细导线网发生电晕放电；

步骤六、调节上极板的电压V_T使电晕电荷通过上极板到达下极板；

步骤七、测量下极板处的电场强度E_d和离子流密度J；

步骤八、将步骤六测量的V_T和步骤七测量的E_d、J代入到公式(7)中，得到相应气压、温度、相对湿度下的离子迁移率。

2.如权利要求1所述的大气离子迁移率的测试方法，其特征在于，所述步骤三中，基于一维泊松方程确定下极板的电压V_d为：

$V_d=V_T-(k\mathrm{\ϵ}/3J)\[E_d^3-E_0^3\]---\left(6\right)$

由于下极板接地，V_d＝0；则通过公式(6)变换得到公式(5)。

3.如权利要求1所述的大气离子迁移率的测试方法，其特征在于，所述步骤七中，利用旋转伏特计测量下极板处的电场强度E_d，利用离子流板测量下极板处的离子流密度J。

4.如权利要求1所述的大气离子迁移率的测试方法，其特征在于，所述步骤八之后还包括步骤九；

所述步骤九、通过调节控制网的电压V_A分别得到3～5组数值，对每一组数值分别重复步骤六～步骤八，得到每一组数值对应的离子迁移率，将所有的离子迁移率取平均作为最终的测试结果。

5.如权利要求4所述的大气离子迁移率的测试方法，其特征在于，所述步骤九之后还包括步骤十；

所述步骤十、改变V_co、V_A和V_T极性，测量另一极性离子迁移率。

6.一种用于实现如权利要求1所述的大气离子迁移率测试方法的测试装置，其特征在于，包括：绝缘柱和挂靠在绝缘柱上的且相互平行的五层圆形平板，五层圆形平板从上至下依次为金属盖板、电晕线盘、控制盘、上极板和下极板；

所述金属盖板与所述控制盘通过金属相连；

所述电晕线盘由金属圆形框架和设置在金属圆形框架上的起晕细导线网组成，所述起晕细导线网由电晕线均匀排布而成；

所述控制盘由金属圆形框架和设置在金属圆形框架上的控制网组成；

所述下极板接地。

7.如权利要求6所述的大气离子迁移率的测试装置，其特征在于，所述金属盖板至电晕线盘的间距与所述控制盘至电晕线盘的间距相等。

8.如权利要求6所述的大气离子迁移率的测试装置，其特征在于，所述下极板上设有旋转伏特计和离子流板。