长期以来，污染颗粒的存在被认为是对压缩气体的电压绝缘能力的主要限制。在气体绝缘变电站和输电线路的故障案例中，颗粒被怀疑是一个原因，包括单独的气隙和电介质表面闪络的故障。

早期对大型多兆伏加速器的研究表明，长度仅为电极间隙极小部分的小型导电粒子会显著影响性能、涉及重复穿越绝缘间隙的粒子运动或仅在一个电极附近的边界运动被确认。这种振荡的驱动力来自于电场对带电粒子的作用，在前一种情况下，与每个电极撞击时的电荷逆转改变了力的方向，而在后一种情况下，与空间电荷云发生电荷交换。

这种电荷云可能是由粒子及其相关的强化场产生的，它使气体电离减轻粒子影响的技术也被确认。粒子通过提供低场区域，它们将移动到这些区域，作为其振荡运动的结果，以保持被困。另外两种技术，即涂有电介质的电极和X射线照射的间隙，被认为是改变了粒子电荷交换过程。铝、铜和铅的自由导电颗粒，在限制电晕发生和击穿水平方面很有效，而玻璃或琉璃的绝缘颗粒则不然。粒子的形状也被认为是重要的，细长的尖锐结构比球体有明显的影响。

粒子运动的另一个后果是粒子可能附着在一个电极上，并随后发射电晕和面包。当一个粒子被固定在中心导体上时，它就像一个突起，并在局部增强了电应力。放电时也对这种条件进行了调查N2和SF6都被证明会受到自由粒子的影响。一般来说，正极性的火花比负极性的要低，而且发现颗粒更容易附着并作为固定点。与SF6相比，在护套上的穿孔网或粘合剂表面可以有效地捕获颗粒。摄取绝缘强度。对球形颗粒运动的计算指出了交流电压和直流电压之间的主要差异，即一些颗粒由于其电荷质量比低，可能无法在一个半周期内穿过电极间隙。

实验证明，交流电确实可以被认为是一种过滤器，一些粒子被限制在间隙中，无法到达高场中心导体。然而，一个粒子不能在一个半周期内穿过的简单条件被证明是不准确的，因为在许多周期的时间内发生的交叉是可能的。这项工作的另一个特点是采用了已知形状的粒子，即球体和导线，而不是其他研究中经常使用的锉刀和刨花。在长线颗粒的情况下，例如5毫米长，在4大气压SF6压力附近发现了火花击穿电压的最大值，而球体则没有显示这个最大值。固定在电极上的同一粒子或在间隙中的自由粒子的交流击穿水平的差异表明了可能的时间相关效应。尽管大颗粒预计不会移动在标准脉冲期间，有证据表明，均匀场隙中的小颗粒可以降低脉冲的分解水平。

对有铝屑的电介质间隔物的研究表明，当颗粒聚集在间隔物上时，SF6的交流耐受水平明显下降。然而，在低压下，长度小于1毫米的小颗粒对雷电脉冲或交流耐受水平没有太大的影响。另一项调查12将颗粒的大小分成小颗粒和大颗粒，并将它们分开。平均长度几乎增加了20倍，集中在锥形和圆盘形隔板以及没有隔板的气隙上。当被污染时，隔板的冲力和开关浪涌闪络水平与SF6的关系很弱，没有表现出在清洁系统中观察到的通常增长。

所有报告的工作表明，颗粒的大小、形状和材料、气体压力、电压波形和电介质表面是影响污染气体绝缘系统性能的重要因素。尽管只注意到颗粒会降低性能，但还是会出现大量的数量变化。对于电力设备的应用来说，特别重要的是可以预期的最低应力水平。人们对污染气体绝缘系统在交流和直流电压下的性能比较感兴趣。这种相对值对于比较交流和直流设备的设计数据特别有用。此外，对于用直流电压对交流设备进行现场测试也有讨论和不同的意见。

实验项目

在两个类似的实验系统中研究了粒子在接近气体绝缘电缆和电力设备的条件下的电气影响：一个使用60赫兹的交流电压----在西屋研究实验室，另一个使用直流电压，在麻省理工学院的高压研究实验室。

交流结果是用一个450千伏有效值、225千伏安额定功率的测试变压器和一个串联180千伏安的限流电阻获得的。直流研究采用了一个低功率，小于1千伏安的静电直流源，它在1兆伏时的总储能约为50焦耳，可以产生1500千伏的正电压或负电压，最大电压变化率为1兆伏/秒。粒子以无限的尺寸和形状存在，因此任何对气体中粒子引发的放电的研究在本质上是有选择性的。

在这个项目中，我们选择了两个极端，即产生高场强的金属丝粒子和低场强的球体。两者的优点是它们都是相对可重复的，这使得实验可以重复进行并检查变化情况。两种试验设备都采用了相同的拉丝，拉丝是按长度方形切割的，球体来自同一批次。此外，为了进一步控制测试变量的是具有类似直径的同轴电极。250毫米乘以76毫米，以及后型支撑垫片6铸乘以76毫米。

在同一模具中使用了西屋公司的产品。交流试验中的同轴电极略呈U形，与直流试验中的电极相比，造成了一些9r场的变化，后者是直的，长0.9米。在所有的测量中，在任何一个测试间隙中都有六个或更少的颗粒。使用SF6和氮气，压力范围从1到1.5大气压。粒子运动和放电水平的条件是以强调交流和直流电压下的差异和相似性的方式提出的。在有颗粒存在的情况下，支撑垫片的表面闪变也在交流和直流情况下进行了比较。

粒子动力学

一个与通电系统的电极接触的自由导电粒子是一个局部扰动，它获得了电荷并扭曲了电场。形状、位置和方向决定了诱导的电荷分布。这种电荷的一个后果是在远离电极的方向上对粒子产生净静电力。这个力可以通过整合整个粒子表面的表面电荷密度与电场矢量的乘积来确定。因此，当电力超过重力和接触力时，一个质量为m的粒子停留在电极上将会被拉动，并根据力的方程式加速。

对于同轴的电极来说，在靠近中心导体的地方，所施加的场会增加，因此，只要场保持不变，并且粒子保持足够的电荷，那么被牵引的粒子将继续向内移动。即使速度足够小而忽略了拖曳力，一般来说也很难计算出准确的粒子运动，因为电荷项因几何形状和空间电荷的考虑而复杂。粒子的运动前者影响粒子上的电荷分布，而后者改变了电场的拉普拉斯形式。

启动程序在气体未被电离，因此没有空间电荷效应的情况下，对启动的应用场进行近似计算给出了平躺的圆柱体和端部的半椭圆所计算出的偏移场。作为这种差异的结果，在没有电晕的情况下，一个细长的粒子，如躺在电极上的金属丝，不仅会在提升场值时被提升，而且还会有一个显著的净力将其立即移入气隙。此外，移动到垂直位置的粒子所经历的巨大力量会导致滞后效应。

也就是说，在运动开始后，粒子落下并停止运动所需的磁场可以比原来的提升电压低几倍。对于6.4毫米长的由于电荷量和分布的变化，当一个被释放的粒子垂直站立时，其上的静电力要比平躺时大。因此，平躺的粒子的升力场要比垂直站立时大。这种差异随着粒子长度与半径之比的增加而增加，其中升力场的比例为另一个促进粒子进入间隙运动的因素是，当粒子远离电极时，图像电荷力的减少。净力的增加又取决于粒子，通常在10到30之间。因为粒子运动的激活或启动是一个与场无关的过程，所以预计它与气体类型无关。

因此，只要电晕和空间电荷不影响场，大气、压缩SF6或其他气体将支持同样的起始水平。图2中给出了在同轴几何中获得的实验性粒子升空数据。铝线、铜线和铝球在氮气和SF6压力下使用交流和直流电压进行研究，压力高达15大气压。当静电运动与场的时间变化相比是缓慢的，力由均方根值决定。因此规范化的提升场值是均方根。

气隙中的运动

粒子升高后，其运动主要取决于它所携带的电荷Q和它附近的应用场E，静电力只是QE。在直流电场中，没有电晕的粒子被驱动穿过间隙，直到它撞击到对面的电极，在那里它被相反的电荷驱动回来，重复运动并在电极之间摆动。惯性和粘性阻力影响着穿越过程中达到的速度，虽然小颗粒可以达到一个稳定状态的“漂移”速度，但更大的颗粒（毫米长）在撞击时仍然可以加速。这种在电极之间的来回振荡运动是服务于粒子在直流条件下的运输时间，驱动力。作为输送电荷的传送器。在升空时，这种传输相当于每个粒子10安培左右的测量电流，尽管在更高的磁场下测量到的数值要大10倍。

在铝球的情况下，反弹频率在30赫兹左右观察到，这与计算出的每周期携带的电荷量约为3 100库仑相吻合。这些球体在导体的底面以基本直线的径向移动，并显示为一个在无人帮助的情况下，它们是模糊的。在一分钟左右的时间里，他们可以穿越一米的横向长度。升空后，导线的运动与球体的运动完全不同。在较低的压力下，可以看到长的铜线，而不是立即穿过缝隙，在护套的底部垂直地跳舞。

它们在跳舞时可以横向移动，但有时也会保持垂直固定，不跳舞，但可能会轻微摇摆。在这两种情况下都测量到了一些微安的电晕电流，因此空间电荷效应被认为是显著的。电极之间的导线运动在另一个方面与球体的运动不同。当在电极之间驱动时，经常可以看到导线端对端地旋转，并且会以不同的角度从电极上反弹，在某些情况下会产生剧烈的横向运动，而不是始终与磁场保持同步。

因此，运动并不局限于一个狭窄的区域，而是被视为包括中心导体周围的整个空间和支柱支撑垫片。由于粒子的力量来自于场和电荷的乘积，电荷的变化也将改变粒子的运动。这种效应在直流电压的实验中很容易被区分开来，在这种情况下，拉长的粒子会被观察到在中间的间隙中放慢速度并扭转方向。这种电荷改变的一个典型案例是所谓的“萤火虫”效应。

靠近一个电极的粒子的这种振荡伴随着电晕和发射的光，似乎与粒子在其自身电晕产生的空间电荷云中交换电荷有关。当两个6.4毫米长的A型线在290千伏负极性直流电下，在4.4大气压的SF6中伴有100安培的电晕电流，在中心导体上进行萤火虫运动--通过发射的光来记录环绕中心导体并传递到后型支撑垫片两边的粒子运动。如果外加电压的变化速度与在所有测试的颗粒大小上观察到的直流电相当或更快。这种运动不再是常数，运动变得更加复杂。

这就是60赫兹交流电的情况，在半周期内，升空时大小约为毫米的颗粒会移动相对较短的距离，因此它们会弹跳到在底部电极上，在施加更高的电压之前，不会跨越整个间隙表明它们可能在60赫兹的一个或多个时期内保持在中间位置，并且它们可以在几次反弹中积累动能。为了进行这样的计算，撞击后的速度是根据撞击前的速度和假定的反弹恢复系数来估计的。由于粒子在气隙中的位置对电性能有很大影响，反弹高度可能是一个重要因素。计算的和测量的最大反弹高度是很一致的。以一种类似于直流级联的方式，当粒子在中心导体下时，在交流电中观察到粒子的自振，即萤火虫。这种运动发生在SF6g中的金属丝粒子上，并且可以持续超过1小时的时间。

在交流和直流条件下，电介质表面也会影响粒子的运动。金属电极上的电介质层不仅通过防止与底层金属的接触来抑制粒子电荷的逆转，而且由于偶极力的作用，电介质倾向于将粒子固定在表面。因此，虽然电介质表面起到了限制颗粒运动的作用，但在电介质弥合气体间隙的支持空间的情况下，同样的保持颗粒的趋势可能成为一个重大问题。在这里，粒子的存在可以增强电场，并引发沿着表面的闪光。导电粒子附着在电介质涂层或间隔物表面并不是永久性的，因为粒子的电荷会在一段时间内发生变化，而且粒子会离开表面。

粒子的电效应

导电颗粒，特别是细长的颗粒，会扭曲电的特性。在此图中，显示了带有几个6.4毫米长的金属丝颗粒的同轴电极在压力下的放电电压，从1到近15大气压。对于最低的电晕开始和火花击穿水平，我们给出了不同的条件，包括一些在间隙中使用后型垫片的情况。气体中的火花或间隙中的绝缘垫片的闪光都用斜线来区分。

这些研究采用了包括自由铝、自由铜、垂直连接在中心导体上靠近（但不接触）隔板的铝、带有隔板的自由铝、连接在隔板赤道上的铝，以及交流峰值电压和直流电压在内的导线颗粒。直流极性在符号描述中给出。计算出的排放阈值假设雪崩增长到10个电子从垂直于高场中心导体的理想化半球形尖端的圆柱形导线中出来。

实验数据表明，当施加的电压超过一定水平时就会发生放电，而且这个水平与计算值相当准确地对应。尽管根据计算，最低电晕起始电压随着压力的增加而增加，但最低火花击穿水平对压力的依赖性不大，在1至15大气压的200至250kV之间几乎保持不变。一个值得注意的例外是，当一根导线被固定在垫片上时，突然发生了极性逆转，在垫片一节中会进一步讨论。

最低排放水平的模式相当一致，但一组数据的总体数值范围，或称散点，都条件可能非常大，甚至可能超过五倍。峰值60赫兹交流火花击穿电压由连接方形数据点的阴影区域表示，而正负的直流火花值则由圆圈之间的实心条表示。在交流和直流的火花击穿时，粒子都在中心导体或附近。在直流电上，萤火虫（总是伴随着电晕），也是如此观察。这些涵盖了一个广泛的范围。特别是在中心导体是正的情况下，在负极护套上观察到萤火虫，在电晕电流之前，可以保持非常高的电压而不被击穿，其限制了测试装置的最大电压。

在高于萤火虫上限的情况下，预计会有火花产生。由于萤火虫的原因，粒子运动在间隙中受到限制在直流下的影响似乎是造成击穿电压范围大和性能极不确定的一个重要因素。尽管观察到萤火虫的电压范围可能非常广泛，但并不是所有显示在限制范围内的电压都一定是稳定的。铝线的末端尽管在SF6性能方面已经介绍了颗粒的电气特性，但在氮气中也发现了类似的行为。

交流击穿值接近于直流的下限，直流的范围很广，直流下的萤火虫效应都是在SF6-中观察到的.也就是说，可能有一些电压在指示的在没有遇到萤火虫的不同压力下的限制。与直流电压相比，交流电压的面包镇水平范围相对较窄，倾向于出现在直流电压水平的下限之内和附近。在确定已安装的电力设备的绝缘性能时，交流结果的一致性可能是一个重要因素。在低压下，负极性的火花击穿的直流电压通常比正极性的要低。而另一方面，在5个大气压以上的高压下，SF6的情况正好相反，正极可能比负极低。

在所有观察到的情况下，SF6中的火花击穿电压都高于交流和直流各自的最小粒子啼哭电压。作为参考，直流电火花击穿水平在没有同轴系统中的导线也被显示出来。可以看出，在某些条件下，使用导线的结果接近这些水平。粒子可以被驱动到足够的速度，与电极的撞击改变了它们的形状。对在交流或直流试验中使用的导线的检查表明，其末端变形，并有一个锤击的外观。在SF6m中，使用过的线端显示出一些类似于固定电极击穿后的坑洞和平坦的切面，这可能是撞击造成的。尽管在SF6性能方面已经介绍了颗粒的电气特性，但在氮气中也发现了类似的行为。

此外，氮气中的粒子运动受间隙中空间电荷的影响更大。这一点从更广泛的活动和交流条件下粒子运动的减少可以看出。在直流和交流电压下，Nz的击穿照片显示，在火花产生的瞬间，粒子可以位于间隙中间，甚至靠近鞘，以及中心导体。这这与SF6的结果形成了鲜明的对比，在SF6中，粒子总是在中心导体附近观察到火花。

在直流电压下，当各自的电极为负时，观察到鞘上和中心导体上的萤火虫活动。没有看到萤火虫在间隔物附近或远离间隔物的强烈趋势。另一方面，观察到穿过同轴间隙的颗粒会移动到电介质表面并保持附着。在一个案例中，当系统被抽空和打开时，一根导线留在表面上。这个颗粒可以沿着表面滚动，但是当这个区域被导体放电时，它就会脱落。在另一个案例中，当系统加压但不通电时，表面上的一个导线颗粒在12小时内脱落了。

因此，尽管实际的气体绝缘系统不能在高度颗粒污染的条件下运行，但对颗粒影响和过程的了解可以改进测试程序、闪光性能和颗粒灭活技术。