曾晗，張靖，程宏波，辛建波，王利娜

(1.國(guó)網(wǎng)江西省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330096；2.華東交通大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

隨著電網(wǎng)和電氣化鐵路的不斷擴(kuò)大，人們對(duì)高電壓絕緣子的研究進(jìn)一步深入，其中絕緣子表面的電暈放電是一個(gè)重要的研究方面。高壓線路中絕緣子表面發(fā)生電暈放電，會(huì)引起電能的巨大損耗、通信以及噪聲干擾，放電過(guò)程中會(huì)逐漸破壞絕緣子的絕緣性能。電暈放電是氣體放電的一種，多年來(lái)研究者對(duì)氣體放電做了深入的研究和分析。KOSSYI I A 等提出了氮-氧混合物中非平衡放電的動(dòng)力學(xué)方案，包括電子態(tài)激發(fā)、重粒子的電子碰撞和電離、電子附著和分離、電子-離子和離子-離子重組、中性粒子的化學(xué)轉(zhuǎn)化和離子轉(zhuǎn)換[1]。SUN B等利用脈沖流光電暈放電形成多種活性物質(zhì)[2]。2013年 KOMURO A在利用二維數(shù)值模擬方法研究常壓流光放電中OH自由基的行為時(shí)，考慮了H2O分子參與的流光放電[3]，但是其主要研究的是常壓流光放電中OH自由基形成的機(jī)理。國(guó)內(nèi)研究電暈放電在20世紀(jì)末陸續(xù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在相關(guān)研究也不斷地深入。2014重慶大學(xué)提出了一種改進(jìn)的電暈放電混合模型，研究了負(fù)電暈放電過(guò)程中重粒子的特性[4]。2016年劉民等[5]搭建局部放電測(cè)試系統(tǒng)，研究了干燥空氣中直流電壓下電暈放電發(fā)展過(guò)程。2018年張友鵬、劉家治等人結(jié)合實(shí)際工程，研究了大氣壓下接觸網(wǎng)絕緣子電暈放電特性，分析了相應(yīng)的電子密度、電子溫度和電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，同時(shí)分析了電暈放電在空氣中的放電過(guò)程[6]。從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，電暈放電最深入的研究就是考慮了空氣中N2和O2的相關(guān)粒子反應(yīng)，但是沒(méi)有考慮潮濕環(huán)境中相關(guān)的H2O分子反應(yīng)。通過(guò)大量相關(guān)的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，到目前為止氣體放電的研究主要分為：①是通過(guò)在真空環(huán)境中加入一種或幾種氣體，然后分析氣體放電過(guò)程；②是通過(guò)大氣壓下O2和N2混合，研究相關(guān)的氣體放電過(guò)程。以上2種方法幾乎沒(méi)有考慮水分子的影響，而在潮濕環(huán)境下，水分子的影響是不可避免的。

本文依照氣體放電的相關(guān)機(jī)理，并結(jié)合等離子體模型和流體力學(xué)模型，在相應(yīng)的電暈放電反應(yīng)中添加H2O的相關(guān)反應(yīng)方程；同時(shí)基于COMSOL有限元仿真軟件中的等離子體模塊，采用了流體力學(xué)中的擴(kuò)散方程對(duì)潮濕環(huán)境下絕緣子表面的電暈放電進(jìn)行二維數(shù)值仿真。為了更好地研究絕緣子表面的電暈放電，本文結(jié)合KOMURO A在流光放電中的水反應(yīng)和張友鵬絕緣子電暈放電的研究，考慮了潮濕空氣中的主要成分N2、O2和H2O的激發(fā)、電離、碰撞和化學(xué)反應(yīng)等離子反應(yīng)。研究放電過(guò)程中電場(chǎng)強(qiáng)度、電子數(shù)密度、電子溫度和相關(guān)離子數(shù)密度隨時(shí)間的分布，并且與干燥環(huán)境下的電暈放電相對(duì)比，分析水分子對(duì)放電的影響，以及水反應(yīng)產(chǎn)生相應(yīng)物質(zhì)在絕緣子表面的分布狀況。

1 潮濕環(huán)境下電暈放電模型

1.1 流體動(dòng)力學(xué)模型

傳統(tǒng)流體動(dòng)力學(xué)模型主要由電子連續(xù)性方程、重粒子多組分?jǐn)U散輸運(yùn)方程、重粒子動(dòng)量方程、能量平衡方程和Poisson方程組成?？諝夥烹娢锢磉^(guò)程的分析在數(shù)值分析中實(shí)質(zhì)是求解偏微分方程問(wèn)題[7]。為了準(zhǔn)確、細(xì)致地重現(xiàn)電暈放電的微觀物理過(guò)程，本文加入等離子體碰撞反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)模型，其電子的連續(xù)控制方程為[8]：

(1)

(2)

式中：ne、ni和nn分別為電子、正離子和負(fù)離子數(shù)密度；E為電場(chǎng)強(qiáng)度；Re為化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子的凈速率；we為電子的漂移速率；α為電離系數(shù)；η為附著系數(shù)；Rei為電子與離子的復(fù)合系數(shù)；vdet為解離系數(shù)；S0為初始電子的出現(xiàn)速率；Sph為光電離項(xiàng)，大氣壓下空氣放電過(guò)程中電子與中性粒子之間的碰撞光電離過(guò)程劇烈，即使如此，光電離產(chǎn)生的電子數(shù)還是遠(yuǎn)小于碰撞電離產(chǎn)生的電子數(shù)，故本文光電離項(xiàng)忽略不計(jì)；t為時(shí)間；μe為電子遷移率;De為電子擴(kuò)散性能函數(shù)。

平均電子能量Te(又稱(chēng)為“電子溫度”)的平衡方程[9]為

(3)

式中：Γe為電子密度通量；χ=(5/2)neDe為熱散射系數(shù)；ST為描述電子熱源和冷源函數(shù)。解式(3)可以近似地考慮電子熱傳導(dǎo)引起的非局域效應(yīng)。

為了準(zhǔn)確地描述潮濕環(huán)境下電暈放電的放電區(qū)域，引入了電子能量Te的守恒方程，即Farouk的改進(jìn)模型[10]

(4)

式中：nk為第k種物質(zhì)的密度；ηk為電子與k物質(zhì)碰撞后能量損失的速率系數(shù)；me為電子質(zhì)量；Mk為第k種物質(zhì)的質(zhì)量；T為氣體溫度；ve,n為電子動(dòng)量轉(zhuǎn)移碰撞頻率；je為能量增益系數(shù)；kB為玻爾茲曼常數(shù)。

其中電子密度方程為：

(5)

Γe=-(μe·E)ne-(Dene).

(6)

式中u為中性流體速度矢量。

平均電子能量

(7)

電子溫度定義為

(8)

電場(chǎng)通過(guò)泊松方程來(lái)計(jì)算得

(9)

式(7)—(9)中：nε為電子能量密度；ε0為自由空間的介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；e為電子電荷；V為電勢(shì)。

電場(chǎng)強(qiáng)度E的表達(dá)式為

E=-V.

(10)

1.2 等離子模型

設(shè)等離子模型溫度為293.1 K(20 ℃)，壓強(qiáng)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，考慮到電暈放電的速度一般為十幾納秒，絕緣子上的電壓變化相對(duì)于電暈放電電壓的變化較為緩慢，可以近似地看作為是直流放電。設(shè)上端陽(yáng)極電壓為39 kV[11]，陰極接地，電勢(shì)為0，并設(shè)置了1 pF的阻斷電容與5 000 Ω的保護(hù)電阻[6]。

等離子模型選用的是電氣化鐵路用絕緣子中的FQB-25/8復(fù)合絕緣子。本文選擇的絕緣子實(shí)際尺寸包括了8個(gè)小傘裙和9個(gè)大傘裙，結(jié)構(gòu)如圖1所示(單位mm)，但考慮到計(jì)算模型的復(fù)雜性和重復(fù)性，模型選擇首尾金具及2個(gè)大傘裙和1個(gè)小傘裙，簡(jiǎn)化絕緣子的模型如圖2(b)。這樣既能研究電暈放電對(duì)絕緣子的影響，又不會(huì)耗費(fèi)太多的計(jì)算時(shí)間。絕緣子模型在進(jìn)行仿真計(jì)算中的重要一步就是網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分會(huì)影響計(jì)算的復(fù)雜性和準(zhǔn)確性。本文研究重點(diǎn)是電暈放電對(duì)絕緣子表面的影響，而金屬的曲率半徑也會(huì)對(duì)電暈放電造成影響，故劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)絕緣子表面和金具的凸出處都進(jìn)行細(xì)化，而其他部分只做常規(guī)處理，剖分圖如圖2(a)。

圖1 FQB-25/8復(fù)合絕緣子Fig.1 FQB-25/8 composite insulator

圖2 絕緣子幾何模型和網(wǎng)格剖分Fig.2 Geometric model of insulator and mesh generation

1.3 邊界條件

絕緣子表面電暈放電過(guò)程中，入射離子和電子通量引起的電荷會(huì)在表面積累，故相應(yīng)的邊界方程[12]為

(11)

式中：D1和D2分別為界面兩側(cè)電通量的法向分量；Ji為壁上總離子電流密度的法向分量；Je為壁上總電子電流密度的法向分量。

1.4 二次發(fā)射系數(shù)條件

電子打在絕緣子表面會(huì)產(chǎn)生二次電子，二次電子在表面正電荷的吸引下會(huì)重新打在絕緣子表面上。故絕緣子的仿真計(jì)算中添加了相應(yīng)的仿真條件。模型中陰極和陽(yáng)極的電子通量為[13]：

(12)

(13)

式中：Γi為離子密度通量；vth,e為電子熱速度；為二次電子發(fā)射系數(shù)；qi為第i個(gè)離子的帶電量。

BURKE E A對(duì)不同聚合物材料的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了總結(jié)歸納，得出了二次電子發(fā)射系數(shù)隨入射電子能量變化的經(jīng)驗(yàn)公式，發(fā)現(xiàn)材料發(fā)射系數(shù)K是與聚合物的發(fā)射效率成正比的，與聚合物組成的復(fù)雜程度直接相關(guān)[14]，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜K值越小，發(fā)射電子的效率也就越低，從而有利于抑制電子崩的形成。故本文考慮設(shè)置的二次發(fā)射系數(shù)K較小，陰極設(shè)為0.1，陽(yáng)極設(shè)為0，傘裙設(shè)為0.05。

1.5 等離子區(qū)的放電反應(yīng)

模型計(jì)算以潮濕的空氣作為反應(yīng)氣體，即在N2和O2體積比為4∶1的干燥空氣中加入10%的H2O(50 ℃左右空氣中的飽和水汽含量)。粒子間的反應(yīng)常見(jiàn)的是碰撞反應(yīng)(包括彈性碰撞、激發(fā)和電離)，粒子之間還會(huì)發(fā)生二體重組、三體重組、解離重組、電子附著、電子逸出、電荷轉(zhuǎn)移和離子轉(zhuǎn)換、分子離子轉(zhuǎn)換、去激發(fā)等；但是考慮到絕緣子模型計(jì)算的復(fù)雜性，本文主要采用6類(lèi)粒子間反應(yīng)。其中電子碰撞橫截面積的數(shù)據(jù)來(lái)自于等離子數(shù)據(jù)交換中心[15]。

6類(lèi)粒子間反應(yīng)為：

a)碰撞反應(yīng)(彈性碰撞、電離、激發(fā))。

R1：e+N2→e+N2，m/M=1.95010-5;

R2：e+O2→e+O2，m/M=1.70010-5;

R3：e+H2O→e+H2O，m/M=3.04310-5;

R6：e+H2O→2e+H2O+，Δε=13.00 V;

R7：e+H2O→e+H2O，Δε=0.20 V;

R8：e+H2O→e+H2O，Δε=0.41 V;

R9：e+H2O→e+H2O，Δε=0.43 V;

R10：e+H2O→e+H+OH，Δε=7.00 V;

R11：e+H2O→e+O+H2，Δε=13.00 V。

b)電子與離子的重組。

R16：H2O++e→OH+H，k=3.8010-13;

R17：H2O++e→H2+O，k=1.4010-13;

R18：H2O++e→H+H+O，k=1.7310-13。

c)離子間的重組。

R21：H2O++O-→H2O+O，k=4.0010-13;

d)電子附著反應(yīng)。

R24：e+H2O→H2+O-，橫截面積;

R25：e+H2O→OH+H-，橫截面積;

R26：e+H2O→H+OH-，橫截面積。

e)電子的脫離(逸出)。

R28：H-+H→H2+e，k=2.0010-15;

R29：H-+O2→HO2+e，k=1.2010-15;

R30：OH-+H→H2O+e，k=1.4010-15;

R31：OH-+O→HO2+e，k=2.0010-15。

f)電荷的轉(zhuǎn)移和離子轉(zhuǎn)換。

R42：H-+H2O→OH-+H2，k=3.8010-15。

其中：R1—R42為離子反應(yīng)式；溫度的比值Tr=T/Te，T為氣體的溫度(K)；m/M為電子質(zhì)量比；Δε為閾值電壓(能量損耗);R33—R40中M代表O2和N2；k為反應(yīng)速率(二體反應(yīng)為m3/s，三體為m6/s)。二體反應(yīng)指有2個(gè)粒子參與的反應(yīng)如R18、R32等，三體反應(yīng)指有3個(gè)粒子參與的反應(yīng)如R23、R33等。

表1 表面反應(yīng)Tab.1 Surface reactions

2 結(jié)果與分析

2.1 電勢(shì)與電場(chǎng)的發(fā)展規(guī)律

圖3(a)左圖為放電區(qū)域的幾何模型，其中上端陽(yáng)極是絕緣子直接接觸高壓的一端，下端陰極是接地極。圖3(a)右圖為電場(chǎng)等值線分布，它滿(mǎn)足電場(chǎng)強(qiáng)度E的表達(dá)式(10)，即在電勢(shì)密集的位置電場(chǎng)強(qiáng)度值較大，而在稀疏的位置電場(chǎng)強(qiáng)度值較?。徊⑶译妶?chǎng)集中的區(qū)域開(kāi)始逐漸離開(kāi)陽(yáng)極和陰極區(qū)，幅值也不斷地減小。這是由于在陽(yáng)陰兩極附近發(fā)生強(qiáng)烈粒子碰撞和化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量電子、正離子、負(fù)離子，其中速度遷移較快的電子會(huì)增強(qiáng)金具與等離子區(qū)域之間的電場(chǎng)強(qiáng)度[17]。

圖3(b)為電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)展曲線。從圖3(b)可以看出：在放電起始(t=5 ns)，絕緣子表面電勢(shì)和電場(chǎng)強(qiáng)度值都比較小，電勢(shì)呈現(xiàn)梯形分布，而電場(chǎng)在絕緣子金具兩端附近發(fā)生了畸變；隨著時(shí)間的增加及放電的不斷發(fā)展，電勢(shì)逐漸增大，而在絕緣子陽(yáng)極和陰極附近的電場(chǎng)畸變也越來(lái)越大。

圖3 電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度的分布圖Fig.3 Distribution diagram of electric potential and electric field

2.2 空間電荷密度的發(fā)展規(guī)律

圖4為絕緣子沿面的不同時(shí)間點(diǎn)的電子密度曲線圖。從圖4可以明顯地發(fā)現(xiàn)傘裙與陽(yáng)極的電子密度隨著時(shí)間的增加，在t=25 ns后電子密度急劇增加。陽(yáng)極電子密度的增加是因?yàn)殡S著初級(jí)電子雪崩向陽(yáng)極堆積，同時(shí)在陽(yáng)極附近發(fā)生激發(fā)與電離；在較大電場(chǎng)力的作用下，電子迅速遷移，與附近離子更激烈地發(fā)生碰撞、電離，使得電子密度迅速增高。陰極附近的電子密度從放電開(kāi)始，一直維持比較低的密度，這是因?yàn)楸M管陰極附近電場(chǎng)強(qiáng)度很大，電離了大量的電子和離子，但是電子的遷移速率很快，在陰極幾乎沒(méi)有停留，絕緣子陰極沿面的離子不能持續(xù)地與電子發(fā)生碰撞電離。其中在傘裙的空間電子密度與如圖5所示的干燥環(huán)境下的相比，電子密度要低上幾個(gè)數(shù)量級(jí)，其原因是環(huán)境濕度越高，空氣中的水分子增多，電子與水分子碰撞幾率增大，碰撞后形成活動(dòng)能力很差的負(fù)離子，碰撞能量及電子崩的作用減弱使傘裙的電子密度遠(yuǎn)低于干燥環(huán)境下的電子密度。

圖4 絕緣子沿面的電子密度Fig.4 Electron density along the surface of insulator

圖 6為陽(yáng)極表面不同階段電子密度變化。從圖6(a)可以看出：在放電的初期電子密度發(fā)展是比較均勻地附著在陽(yáng)極端[18]，這是因?yàn)樵谕怆妶?chǎng)的作用下，電子主要是以漂移為主。從圖6(b)發(fā)現(xiàn)：隨著時(shí)間的增大，電子密度在陽(yáng)極出現(xiàn)指數(shù)級(jí)增大，并且開(kāi)始緩慢地遠(yuǎn)離陽(yáng)極，這是因?yàn)殡娮用芏鹊脑龃笞屵@片區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)了不同的梯度，使得電子運(yùn)動(dòng)不僅受到外電場(chǎng)作用，同時(shí)電子會(huì)發(fā)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從電子濃度高的點(diǎn)向濃度低的點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖5 干燥環(huán)境下絕緣子沿面的電子密度Fig.5 Electron density along the surface of insulator in dry environment

圖6 陽(yáng)極表面不同階段電子密度變化Fig.6 Electron density variation of anode surface at different stages

2.3 電子溫度發(fā)展規(guī)律

電暈放電時(shí)電子溫度的變化反映了碰撞電離反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)移速度的變化，即粒子反應(yīng)的劇烈程度。圖7為電子溫度變化曲線，由圖7發(fā)現(xiàn)：在大傘裙的邊沿以及絕緣子附近的電離區(qū)域的電子溫度呈速率較大的正增長(zhǎng)，且出現(xiàn)了極大值，而中間小傘裙的電子溫度增加較慢；傘裙與絕緣子附近遷移區(qū)的電子溫度都是迅速地下降，而在其他等離子放電區(qū)的電子溫度是保持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值。前者的變化圖與電場(chǎng)曲線變化非常相似，從而證明通過(guò)電場(chǎng)的焦耳熱效應(yīng)所產(chǎn)生的能量可以使電子溫度升高[19]，由圖3(b)和圖7對(duì)照，它們之間是正相關(guān)的；后者也與電場(chǎng)強(qiáng)度緊密相關(guān)，由于小傘裙的電場(chǎng)不夠大，放電開(kāi)始時(shí)電子不能持續(xù)與其他粒子發(fā)生碰撞電離，故電子溫度增加緩慢。

圖7 不同時(shí)刻電子溫度變化曲線圖Fig.7 Curve of electron temperature change at different moments

2.4 潮濕環(huán)境與干燥環(huán)境電暈放電比較

潮濕環(huán)境下絕緣子附近的水分子是必然存在的，并且與干燥環(huán)境相比水分子的含量較多。在電流通過(guò)后,絕緣子的金具與導(dǎo)線的連接處會(huì)發(fā)熱蒸發(fā)分解絕緣子附近的水滴，絕緣子附近放電空間水分子數(shù)目增多。2種環(huán)境下電暈放電比較見(jiàn)表2。從表2可知，潮濕環(huán)境下的電子溫度與干燥環(huán)境下(不考慮水分子)相比，干燥環(huán)境下電暈放電中電離區(qū)的電子溫度最大值在6 eV左右，而潮濕環(huán)境下電離區(qū)最大值在8 eV左右。電子溫度的升高是因?yàn)殡婋x系數(shù)隨相對(duì)濕度的增加造成的，電子與空氣中水分子發(fā)生碰撞電離次數(shù)的增加，使電離區(qū)等離子反應(yīng)增強(qiáng)，電子溫度升高[20-22]。

圖8為2種環(huán)境下的粒子密度對(duì)比分析圖。由圖8看出本文所做的干燥環(huán)境下電暈放電的仿真與文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)基本吻合。結(jié)合圖9和表2發(fā)現(xiàn)：在t=30 ns時(shí)，潮濕環(huán)境下電暈放電的電子與離子密度要低于干燥環(huán)境下的；但是在t=35 ns時(shí)可以明顯地看出潮濕環(huán)境下電暈放電的電子與離子密度要大于干燥環(huán)境下的。這是因?yàn)樵谒肿拥膮⑴c下，電子與水分子的碰撞電離的電壓閾值部分低于干燥環(huán)境下的，而反應(yīng)速率部分高于干燥環(huán)境下的，在同等電場(chǎng)和電勢(shì)下抑制了N2與O2相關(guān)粒子的產(chǎn)生；但是隨著時(shí)間的增大及電子雪崩發(fā)生，空間中粒子反應(yīng)加劇，電子與粒子密度增大。

表2 2種環(huán)境下電暈放電比較Tab.2 Comparison of corona discharge in two environments

圖8 2種環(huán)境下的粒子密度的對(duì)比分析Fig.8 Ion density comparison in two environments

圖9 t=30 ns時(shí)電子密度對(duì)比分析分布Fig.9 Electron density comparative analysis distribution diagram as t=30 ns

2.5 潮濕環(huán)境下重要粒子分析

本文主要分析在潮濕環(huán)境下的電暈放電，而H-、OH-和H2O+就是其中與水有關(guān)的離子成分。圖10為這3種離子在陽(yáng)極附近的曲線圖，本文對(duì)其作了平滑處理，發(fā)現(xiàn)OH-和H2O+離子在陽(yáng)極附近比較密集，遠(yuǎn)離陽(yáng)極密度就大幅減小，OH-離子的密度在t=35 ns時(shí)最大值達(dá)到了4.04×1018m-3，H2O+離子最大值達(dá)到了9.02×1018m-3；H-離子密度則有極大的波動(dòng)，其密度最大值達(dá)到1.49×1018m-3。在仿真模型中，H-與OH-的電子碰撞反應(yīng)及參考反應(yīng)分別是R25與R26，其電壓閾值分別是3.28 V與4.36 V，小于H2O+參考反應(yīng)R6的電壓閾值13 V，H+與OH-被先電離，在同等電場(chǎng)相同能量下，能量被消耗后抑制H2O+的電離，使其密度小于H+和OH-的密度。但是仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)H2O+的密度遠(yuǎn)大于OH-的密度，原因是H+在R28、R29、R42與OH-在R30、R31的化學(xué)反應(yīng)部分被消耗，從而使兩者密度降低。

圖10 t=35 ns時(shí)離子分布對(duì)數(shù)表示Fig.10 Ion distribution logarithm as t=35 ns

本文電暈放電中有關(guān)H2O的反應(yīng)有22種，故會(huì)產(chǎn)生很多相關(guān)的粒子，而其中對(duì)絕緣子有嚴(yán)重影響的2個(gè)重要粒子分別是OH-離子和OH自由基。由圖11可以看出在潮濕環(huán)境下，2種粒子在絕緣子金屬部位(陽(yáng)極)附近的密度很高，而這2種粒子都會(huì)加速絕緣子的腐蝕。其中OH-會(huì)加速絕緣子的腐蝕的原因有2點(diǎn)：①OH-在水參與下失去電子得到H+和O2，其中H+離子在電場(chǎng)的作用下會(huì)向陰極遷移，使OH-密度高處的氧氣的含量較高；②絕緣子與外電源相連接的是鋅材料，失去電子的Zn+離子與附近密度較高的OH-離子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成氫氧化鋅[23]。OH自由基則是大氣中一種重要的氧化劑，所以高密度的OH自由基自然會(huì)加速絕緣子的氧化。

圖11 t=35 ns時(shí)絕緣子正極附近表面離子分布Fig.11 Surface ion distribution near the positive pole of the insulator as t=35 ns

3 結(jié)論

本文提出了在潮濕條件下絕緣子表面電暈放電特點(diǎn)，考慮了H2O對(duì)電暈放電的影響，研究了電暈放電的幾大顯著特征，分析了與僅有N2與O2環(huán)境下電暈放電的不同，討論了在水分子參與下放電中產(chǎn)生的2種重要粒子。得到的結(jié)論如下：

a)在潮濕環(huán)境中，放電區(qū)域空間電子密度、電勢(shì)與電場(chǎng)強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律與干燥環(huán)境下的發(fā)展規(guī)律極為相似，而其中電子密度的發(fā)展情況有著明顯的不同，在絕緣子傘裙的附近電子密度要遠(yuǎn)低于干燥環(huán)境中的。在潮濕環(huán)境中，電子易附著在水分子上形成離子團(tuán)，使得電子崩的作用減弱，傘裙表面附近的空間電子密度遠(yuǎn)低于干燥空氣下的。

b)在潮濕環(huán)境下，電子溫度明顯大于干燥環(huán)境下的，說(shuō)明了盡管水分子減小了電子崩的作用，但是放電區(qū)參與的化學(xué)反應(yīng)更多，并且電離系數(shù)隨相對(duì)濕度的增加而增大，電子與空氣中水分子發(fā)生的碰撞電離次數(shù)增加，電離區(qū)等離子反應(yīng)增強(qiáng)，從而電子的溫度增大。

c)由于水分子的參與，潮濕環(huán)境下絕緣子正負(fù)兩極的OH-和OH自由基密度明顯提高，絕緣子金具腐蝕更為嚴(yán)重。

d)在水分子的參與下，潮濕環(huán)境中電子與水分子的碰撞使電離閾值電壓部分低于干燥環(huán)境下的，而反應(yīng)速率部分高于干燥環(huán)境下的，從而在相同的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)抑制N2與O2相關(guān)粒子的產(chǎn)生。