離子遷移率

直流輸電線路電暈放電產生的離子在電場作用下形成電暈離子流場，其地面合成電場和離子流密度是線路電磁環境控制的關鍵指標。離子遷移率是離子流場計算的關鍵物理參量。直流輸電線路距離較長，沿線氣象條件複雜，現有離子遷移率取值未考慮温度、濕度等氣象因素的影響，難以準確計算不同環境條件下的離子流場。因此，研究不同温度、濕度條件下的離子遷移率對於提高直流路電暈離子流場的預測精度，實現電磁環境的有效控制具有重要意義。離子遷移率取值研究主要採用試驗測量的方法，依據離子來源的不同，測量方法主要分為兩大類。一類是自帶離子流源的試驗方法，包括脈衝Townsend 法、漂移管法、平行平板法等。脈衝Townsend 法是通過測量脈衝激光放電產生的離子電流來計算離子遷移率；漂移管法是測量通過柵電極間的離子漂移時間來計算出離子遷移率；平行平板法是IEEE推薦為產生離子流場並用於校驗電場儀的方法，且基於空間電荷限流原理，亦可用於測量空氣離子遷移率。上述方法中離子流源與測量系統集成一體，不適用於研究環境温濕度改變對空間離子流場中離子遷移率的影響。另一類是用於空間離子流場中離子遷移率的測量方法，其典型代表有Gerdien 管法。Gerdien 管法是將空氣中的離子流抽入同軸電極電場中，離子在電場作用下偏轉被電極吸收形成電流，通過分析電流與同軸電極間的偏轉電壓關係計算出離子遷移率，可適用於直流輸電線路下離子流場中離子遷移率的測量 ^[1]  。

風速由控制器輸出的數字指令調節。指令由D/A 轉換放大器轉換為0-12V 的直流電壓直接控制風扇的轉速，以實現風速的可變調控。分別從傳感器前端、後端，以及抽氣風扇處等不同位置用風速計對風速進行測量，獲取的傳感器風速與風扇施加電壓的關係。風速與施加電壓成線性關係且傳感器前後端部的風速恆定。因此，設計的離子傳感器對風速的影響可忽略不計，且傳感器內部的風速能穩定控制。

數據採集單元主要實現離子電流和偏轉電壓波形數據的採集和存儲。離子電流的波動頻率主要受空氣中離子濃度的變化影響。理想狀態下，離子濃度分佈均勻，離子電流為直流信號，考慮實際離子流場空氣中離子的遷移、擴散等運動過程速率，離子電流波動時間常數為s級。因此，數據採集單元的採樣頻率設定為10kHz可滿足測量要求。離子電流與偏轉電壓信號採集及發送工作將在100μs的採集間隔時間內完成。數據採集單元通過光纖與上位機進行採集信號的發送與控制信號的接收，保證通訊信號不受離子流場干擾，實現控制系統與傳感器的電氣隔離 ^[2]  。

在多平行導線施加正、負極性直流高壓分別為−10.0 kV 和11.0 kV。保持人工氣候室的絕對濕度不變，約為9 g/m³，改變室內温度，調節範圍約為10~40℃。待室內温濕度穩定後，進行離子遷移率測量。

當傳感器偏置電壓一定時，測量離子電流的時間長度為40s，取離子電流平均值作為1對(U，I)測量點。每組U-I特性曲線包含約8～10個測量點，總的測量時長達約10 min(<20min)量級。可認為在此時間範圍內，人工氣候室中離子流場近似保持穩定且氣候條件不變。對應每個設定的温度條件，進行3次U-I 特性曲線測量，計算得出相同條件下3組離子遷移率值並取平均作為該温度條件下的離子遷移率。

理想條件下正、負極性重離子遷移率分別為1.5×10⁻²cm²/(V·s)，2.0×10⁻²cm²/(V·s)；正、負極性輕離子遷移率分別為1.5 cm²/(V·s)，2.0 cm²/(V·s)。若忽略温度對單一組份離子遷移率的影響，當温度自10℃增大至40℃，正極性重離子在空氣中所佔比例由約12%增大到約28%，負極性重離子在空氣中所佔比例由約18%增大到約35%。

當温度升高時，離子熱運動引起的離子擴散作用增強。輕離子由於質量小，其熱運動引起的擴散明顯，在電場的作用向下遷移的同時向四周空間擴散，到達測量點附近的輕離子數量減小。而重離子由於質量大，熱運動引起的離子擴散相對較弱，測量點附近重離子濃度變化不顯著，致使測量點附近的重離子所佔比例增大，這是可能是造成平均離子遷移率減小的原因 ^[3]  。

在多平行導線施加正、負極性直流高壓分別為−10.0kV和11.0 kV。保持人工氣候室的温度為25℃不變，改變室內絕對濕度，調節範圍約為3-25g/m³。待室內温濕度穩定後，每個濕度點測量3組正、負離子遷移率並取平均值。

在温度不變的情況下，正、負離子遷移率均隨絕對温度的增大而減小。對於正離子當絕對濕度增大到約23g/m³，平均遷移率趨近於1.2 cm²/(V·s)的飽和值；對於負離子當絕對濕度增大到約12g/m³時，平均遷移率趨近於飽和值1.5cm²/(V·s) ^[1]  。