协同现象

化学专业术语

近年来在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合气体作为绝缘介质，用以替代纯SF6气体。为了在电力设备中更好地应用 SF6/N2混合气体，在极不均匀电场、正负两种极性雷电冲击(LI)下，通过实验分析研究了较低SF6混合比的SF6/N2混合气体的放电特性与协同现象，并在负极性雷电冲击下发现了反常的负协同效应。

简介

SF6由于其耐电强度高、灭弧能力强、化学稳定性好，已广泛应用于电力设备中。但SF6作为强温室效应气体，随着其用量的迅速增加，对环境造成的影响也日趋严重。

1997年，《京都议定书》中将SF6气体列为需要管制使用的气体之一。除了环境保护方面的影响，SF6对电场不均匀度具有很高的敏感性，当电场不均匀度增加时，SF6的有效电离系数迅速升高，导致其绝缘强度显著下降。此外，考虑到SF6较为昂贵，若在气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated metal-enclosed transmissionline, GIL)上大量使用纯SF6气体作为绝缘介质，其经济性将显著降低。

目前，仍没有找到在绝缘、环保等方面能替代SF6气体的单一气体。因此，使用SF6的二元混合气体替代SF6气体成为目前公认的较好解决方案。二元混合气体的临界击穿场强与单一气体有所不同，可分为4种类型，分别是：线性关系，协同效应，正协同效应和负协同效应。目前常见研究中的混合气体主要有SF6/N2、SF6/CO2等，2者均为协同效应气体。由于N2无污染，并且易于制备，使SF6/N2混合气体具有较好的应用前景。

负协同现象

极不均匀场下，SF6/N2混合气体出现负协同效应是由于在负极性雷电冲击下，随着气压的升高，N2的击穿电压上升速率显著高于SF6及SF6/N2混合气体的击穿电压，甚至使得高气压下N2的击穿电压高于SF6气体的击穿电压。对于这一现象，可以通过以下3个方面来解释。

1）一方面，随着电场强度的增加，SF6气体中有效电离系数α的增长速率远大于N2，即SF6气体中电子崩内电子数的增长远快于N2，这使得极不均匀场中SF6的局部放电起始电压高出N2的局部放电起始电压不多，甚至十分接近。同理，极不均匀场中SF6/N2混合气体的局部放电起始电压将与N2的局部放电起始电压更加接近。

2）另一方面是空间电荷的影响不同。SF6气体分子的直径大，且分子质量也远大于N2，因此与N2相比，SF6电离或电子附着而产生的离子迁移率小、驱引速度低，这使得棒板电极结构中棒电极周围的空间电荷十分密集，不易形成均匀的空间电荷层用以改善棒电极附近电场集中的情况，而N2离解形成的离子可以更好地向外迁移，形成稳定的空间电荷层以改善强场区的电场分布。也就是说，此时SF6中电晕稳定化的效果不如同一电场结构下的N2强。且在雷电冲击下，电压上升率较高，给予离子迁移的时间较短，使得上述现象更加明显，N2中更易形成较大尺寸的稳定电晕；而当气压升高时，SF6中空间电荷的迁移扩散将受到明显阻碍，导致空间电荷更加密集，而N2中空间电荷迁移扩散受气压影响小于SF6。

上述分析可以解释实验中发现的在雷电冲击下，随着气压升高，N2击穿电压上升率大于SF6的原因。同时，也要注意到电压极性将显著影响这一现象。当棒电极为正极性时，电压达到一定值后将在棒电极附近形成流注，由于外加电场的影响，电子将很快进入棒电极，而流注头部将具有正电荷，头部的正电荷将减弱流注区域的电场，同时加强流注头部前方的电场，使得流注进一步发展。可以看出，正极性下流注电晕的径向尺寸较小，电晕稳定化的作用较弱。而当棒电极为负极性时，棒电极附近的强场区将很快形成流注电晕，但是由于棒电极附近同时产生了大量的电子崩，使得流注电晕的分布呈现弥散状，这类似于增大了电极曲率半径，减弱了流注通道前方的电场，也就是说，负极性下流注电晕的径向尺寸较大，电晕稳定化的作用显著强于正极性。

综上所述，正极性下无论是SF6还是N2，其电晕稳定化作用都将明显减弱，这也使得N2击穿电压由于电晕稳定化作用增强的影响明显减弱，这可以解释在正极性下负协同效应不明显的现象。

3）此外，N2与SF6气体的放电过程也是不同的。对于N2而言，此时的间隙距离d很小(d=3.3cm)，远不足以发生先导放电过程，因此，N2中的放电过程是流注放电过程。而通过拍摄放电图片可以看出，SF6的放电过程是流注–先导的放电过程，如图8所示。

图是负极性雷电冲击下的放电图片，图8中(a)给出了放电初期的流注过程，可以看出存在多个流注通道，且整体呈现弥散状分布；图8中(b)给出了40ns后的放电过程，可以看出已出现了明显的先导过程，放电通道细而明亮。前面分析说明，SF6离解产生的离子不易迁移扩散，使得流注电晕半径较小，电荷密度更大，更容易使流注通道根部加热，在流注还不足以贯穿整个间隙的情况下，流注根部出现热电离，转化为先导，电离程度加强，电导明显增大，轴向场强显著降低，使得先导头部的流注区域的场强增加，进而引起新的流注，先导也不断增长。随着电压继续升高，先导贯穿整个间隙，完成击穿过程。因此，先导的出现将显著降低间隙的平均击穿场强，从而造成击穿电压下降的情况。

可以看出，负极性雷电冲击下，向N2中加入少量SF6会显著降低击穿电压的现象可以由上述第3方面来解释，即向N2中加入少量SF6后，流注电晕半径显著减小，电荷密度增大，使流注通道根部加热形成先导，由于先导的出现，使得平均击穿场强显著降低，即出现了负协同效应。这一现象可由不同SF6体积分数混合气体的放电时延来验证。

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