正弦振動激勵下GIS內(nèi)自由金屬微粒運動特性

李 杰 李曉昂 呂玉芳 吳治誠 趙 科 張喬根

正弦振動激勵下GIS內(nèi)自由金屬微粒運動特性

李 杰1李曉昂1呂玉芳1吳治誠1趙 科2張喬根1

（1.電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學(xué)） 西安 710049 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院 南京 210000）

自由金屬微粒是影響氣體絕緣組合電器（GIS）絕緣可靠性的主要威脅之一，常具有潛伏性和隨機性，而GIS振動可激勵微粒起跳并誘發(fā)絕緣擊穿，但相關(guān)研究鮮有報道。該文建立了特高壓GIS中工頻電壓疊加正弦振動條件下自由金屬微粒的荷電、受力和運動仿真計算模型，研究了不同外施電壓和振動參數(shù)對微粒運動特性的影響規(guī)律，并獲得不同條件下微粒的超聲飛行時間譜圖。研究結(jié)果表明：初始時刻，在殼體加速度作用下，微粒起跳場強隨振幅的增加逐漸降低，微粒半徑對起跳場強影響隨振幅的增加逐漸減小。微粒運動過程中，相鄰兩次碰撞間最大飛行高度與碰撞瞬間恢復(fù)速度及電壓相位有關(guān)，且與微粒飛行時間呈正相關(guān)。與僅施加工頻電壓相比，外施振動激勵條件下，微粒飛行時間圖譜在電壓幅值較低時即呈現(xiàn)明顯的三角脈沖，且微粒飛行時間圖譜呈山峰狀，與帶狀飛行圖譜相比具有明顯差異，具有較高的識別性。

氣體絕緣組合電器（GIS） 自由金屬微粒 工頻電壓 正弦振動 起跳場強 超聲飛行圖譜

0 引言

氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Metal-Enclosed Switchgear, GIS）具有占地面積小、受環(huán)境影響小、運行可靠性高、維修周期長等優(yōu)點[1-5]。GIS在生產(chǎn)制造過程由于加工工藝不良、搬運中的機械摩擦、開關(guān)動作等都可能導(dǎo)致自由金屬微粒的產(chǎn)生，金屬導(dǎo)電微粒的存在會對GIS絕緣性能產(chǎn)生較大威脅[6-9]，因此，有必要對實際運行工況下GIS內(nèi)自由金屬微粒運動行為以及規(guī)律展開研究。

國內(nèi)外開展了大量有關(guān)GIS內(nèi)自由金屬微粒運動規(guī)律的研究。西安交通大學(xué)張喬根等學(xué)者研究了交流電壓下GIS內(nèi)自由金屬微粒運動行為及交流電壓下自由金屬微粒超聲幅值-飛行時間圖譜特性，并給出了自由導(dǎo)電微粒飛行圖譜特征表達式[10-13]。華北電力大學(xué)王健等學(xué)者研究了直流氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated Transimission Line, GIL）內(nèi)自由金屬微粒運動特性，利用流體力學(xué)理論分析了氣體阻力、殼體表面粗糙度及非彈性隨機碰撞對微粒運動軌跡影響[14]。K. Sakai等使用理論結(jié)合實驗方式開展了交流楔形電極空氣間隙中自由金屬微粒運動行為的研究，金屬微粒在電場梯度力以及庫侖力水平分量作用下，會向局部高場強區(qū)域運動，并導(dǎo)致間隙擊穿，同時微粒的微放電會對運動方向和擊穿電壓產(chǎn)生很大影響[15-16]。L. E. Lundgaard等利用聲信號檢測技術(shù)對GIS內(nèi)自由金屬微粒的風(fēng)險進行評估，研究了微粒質(zhì)量、長度對微粒飛行時間圖譜和聲信號幅值的影響[17-19]。A. H. Cookson等研究了不同尺寸球形微粒跳起最大高度與外施電壓的關(guān)系，隨著外施電壓幅值增加，球形微粒跳起高度迅速升高，微粒越小，材質(zhì)越輕，跳動高度越高[20-21]。H. D. Schlemper等指出飛行時間及微粒的動量正比于微粒碰撞時的超聲信號幅值。同時研究指出電荷和微粒質(zhì)量之比與飛行時間的關(guān)系。此比值能夠決定飛行時間，從而進一步?jīng)Q定超聲信號特性及譜圖形狀[22]。

以上研究對金屬微粒在交變電場作用下運動行為和規(guī)律進行了詳細的研究。然而，在GIS實際運行工況下，由于高壓母線電磁力作用、內(nèi)部接觸不良以及緊固性松動等故障，并且考慮到實際GIS內(nèi)高壓斷路器分合閘時，其驅(qū)動力可達數(shù)萬牛，對GIS設(shè)備整體沖擊力在觸頭制動、緩沖更為強烈，從而引起GIS殼體振動[23-25]，對GIS內(nèi)金屬微粒的起跳以及運動特性產(chǎn)生影響。因此，有必要針對上述工況，考慮GIS殼體振動對金屬微粒起跳場強以及運動規(guī)律的影響。

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，建立了真實比例的1 100kV GIS仿真模型，對自由金屬微粒激活以及運動過程進行受力和數(shù)值分析。對比分析了自由金屬微粒在工頻和工頻疊加正弦振動激勵下受力以及運動規(guī)律，仿真得到微粒運動過程各運動參量變化曲線及外施振動參數(shù)變化對微粒起跳以及運動規(guī)律的影響。最后通過計算得到微粒飛行時間譜圖，研究了不同外施電壓幅值對微粒運動規(guī)律的影響，并通過實驗對仿真結(jié)果加以驗證。研究結(jié)果可為實際GIS內(nèi)金屬微粒檢測提供一定的理論指導(dǎo)。

1 金屬微粒運動模型

1.1 微粒運動過程受力分析

在不考慮微?？拷^緣子、高壓導(dǎo)體末端以及接頭處等區(qū)域的情況下，可以忽略微粒受到的軸向電場力作用，因此只需考慮微粒處于二維徑向平面的受力情況。由于GIS殼體內(nèi)表面具有一定表面粗糙度，微粒在水平和豎直方向具有不同的速度恢復(fù)系數(shù)。因此，速度水平和豎直分量需要分別進行考慮，采用二維直角坐標(biāo)系分析微粒受力及運動過程更為精確。

在裸電極結(jié)構(gòu)下，微粒主要通過殼體傳導(dǎo)帶電，忽略微?？赡艽嬖诘奈⑷蹙植糠烹娺^程，在與殼體接觸過程中，微粒帶電量主要受到殼體底部電場的影響。初始時刻，微粒受到殼體支持力、重力、電場梯度力、交變電場力及氣體阻力的作用，在豎直方向多種力的作用下隨GIS殼體做正弦運動，如圖1所示。

圖1 自由金屬微粒受力模型

考慮到SF6氣體對微粒的浮力作用，故微粒受到的重力與浮力的合力為

微粒與殼體接觸過程中，微粒帶電量與所處位置場強大小有關(guān)，殼體所處位置電場強度為

式中，1為高壓導(dǎo)體半徑；2為殼體半徑；為工頻電壓函數(shù)。

假設(shè)不考慮微粒運動過程中電量損失，故微粒所受電場力的大小與微粒所處位置以及微粒與殼體碰撞后帶電量的變化有關(guān)。由于施加的是工頻電壓，因此，微粒帶電量與微粒和地電極碰撞時刻有關(guān)，地電極極性與高壓電極極性相反，對于球形導(dǎo)電微粒，微粒每次與殼體碰撞后的電荷量[26-27]為

式中，0和r分別為真空介電常數(shù)和SF6氣體介電常數(shù)。

微粒受到的庫侖力沿徑向方向，其表達式為

式中，為鏡像電荷引起的修正系數(shù)[26]，微粒靠近殼體時，取0.832，其他情況取1。

外施正弦振動可用旋轉(zhuǎn)矢量表示，振幅為m，圓頻率為的簡諧振動的矢量表示方法，如圖2所示。

外施正弦振動位移函數(shù)為

圖2 外施正弦振動矢量圖

考慮到微粒在運動過程會受到SF6氣體摩擦阻力作用，球形微粒所受氣體粘滯阻力[15]為

式中，為氣體的粘滯系數(shù)；為微粒運動速度；v的方向與微粒運動方向相反。

對于同軸圓柱電極，電場沿徑向呈梯度變化。微粒受到的電場梯度力與微粒帶電量無關(guān)，且始終沿半徑指向圓心方向，電場梯度力可以表示為

根據(jù)式（7）電場梯度力計算公式，可知微粒處于殼體底部時所受電場梯度力相對于其他作用力可以忽略。因此，微粒在隨殼體運動過程中滿足力學(xué)方程，即

微粒被激活的條件是：不受殼體的支持力作用，即N=0。

1.2 微粒與殼體碰撞過程分析

由于微粒的幾何尺寸大多處于mm級甚至μm級，相對于真實的GIS管道殼體尺寸可以忽略，并且在工頻電壓下，作用于微粒的交變電場力以及電場梯度力的水平方向分量相對于豎直方向分量很小，因此，微粒在殼體底部較小的一部分區(qū)域內(nèi)運動，其弧度大約在15°[14]，因此其運動范圍相對于真實的GIS尺寸，其碰撞接觸面近似可看成是水平面?？紤]到微粒與殼體碰撞位置以及碰撞時速度與水平方向夾角和，將速度分解為豎直和水平方向兩個分量v和v，分別采用不同的速度恢復(fù)系數(shù)，參考文獻[15-16]中微粒水平方向受力分析以及實驗測量結(jié)果，將水平方向速度恢復(fù)系數(shù)取1，豎直方向取0.7。

當(dāng)微粒以某一入射角度與殼體發(fā)生碰撞時，會沿碰撞點殼體切線坐標(biāo)系發(fā)生反射。由于殼體內(nèi)表面并不完全光滑，反射角度具有一定隨機性，因此在原有速度反射角的各鄰域內(nèi)，留有角度為的隨機反射裕度角，如圖3所示。

圖3 碰撞過程反射角的隨機性

根據(jù)微粒與殼體碰撞位置的不同，恢復(fù)速度分別滿足不同方程。當(dāng)微粒與殼體左半圓碰撞時，水平及豎直方向恢復(fù)速度為

當(dāng)微粒與殼體右半圓碰撞時，恢復(fù)速度為

式中，為碰撞點與圓心的連線與水平方向夾角，即微粒碰撞點的位置角；為微粒運動速度方向與水平方向夾角，即微粒運動的速度角；為隨機反射角，取值主要與殼體表面粗糙度有關(guān)。結(jié)合文獻[14]中根據(jù)實驗觀測結(jié)果得到的取值以及GIS殼體內(nèi)表面粗糙度，將取值范圍設(shè)置為-5°～+5°。

利用外施正弦振動激勵模擬GIS殼體豎直方向簡諧振動。微粒與殼體碰撞瞬間，二者組成的系統(tǒng)所受外力雖然不等于零，但系統(tǒng)的內(nèi)力遠大于微粒受到的電場力以及氣體粘滯阻力，系統(tǒng)的動量可近似看成守恒。由于微粒與殼體碰撞類似于小金屬球與質(zhì)量無窮大金屬板的碰撞模型，微粒碰撞恢復(fù)系數(shù)為（與材料特性有關(guān)），根據(jù)碰撞恢復(fù)系數(shù)與動量守恒定律[28-29]，列出如下微粒運動方程。

根據(jù)上述對微粒碰撞以及運動過程分析，利用仿真軟件計算半徑0.5mm球形金屬鋁微粒分別在工頻電壓幅值為900kV以及疊加振幅為100μm正弦振動激勵下空間位置密度分布，每組仿真取10 000次碰撞，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 工頻以及工頻疊加正弦振動激勵下金屬微?？臻g位置密度分布圖

根據(jù)圖4所示仿真計算結(jié)果，微粒在同軸圓柱電極空間位置分布主要集中在殼體底部中間區(qū)域，并且空間位置密度分布由殼體底部向電極空間區(qū)域逐漸減小。

相對于工頻情況下，工頻電壓疊加正弦振動情況下微粒在水平以及豎直方向位移均有增加，水平方向最大位移由17cm增加到27cm，豎直方向最大位移由1.5cm增加到2cm。分析出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：由于殼體具有一定弧度，在豎直方向施加振動激勵時，微粒碰撞前瞬間速度豎直方向分量v因疊加振動發(fā)生改變，殼體傳遞給微粒豎直方向動量對微粒水平以及豎直方向恢復(fù)速度均會產(chǎn)生影響，如式（9）和式（10）所示。因此，微粒碰撞后水平以及豎直方向恢復(fù)速度均有所增加，空間位置分布區(qū)域也因此增加。

2 微粒起跳與運動特性分析

結(jié)合上述微粒運動過程分析和實際GIS運行工況下殼體振動對微粒起跳以及運動過程的影響，接下來分別探究不同外施振動激勵對微粒起跳與運動規(guī)律的影響。

2.1 工頻及工頻疊加外施正弦振動狀態(tài)下微粒起跳特性

初始運動時刻，靜止于殼體底部的金屬微粒受力如圖5所示。

圖5 靜止金屬微粒受力分析

利用僅施加工頻電壓模擬忽略殼體自身振動對微粒運動過程的影響。此時，殼體保持靜止，上述加速度取值為0。當(dāng)微粒在豎直方向受到的電場力足以克服自身重力時，微粒即可脫離殼體運動。結(jié)合式（1）、式（3）、式（4）、式（8），可得微粒起跳場強為

在工頻電壓疊加外施正弦振動激勵情況下，靜止于殼體底部的金屬微粒不僅受到電場力、重力、電場梯度力及氣體粘滯阻力作用，并且在微粒跟隨殼體運動過程中，殼體在豎直方向上給微粒施加一初始加速度。結(jié)合上述對微粒運動過程的分析，微粒跟隨殼體運動過程中，處于殼體底部的微粒受到的電場梯度力相對于電場力和重力可以忽略，故微粒脫離殼體運動需滿足如式（14）所示運動方程。

結(jié)合實際現(xiàn)場測量和相關(guān)文獻，可得GIS殼體振動基頻分量主要集中于100Hz，振動幅值在0.5～50μm之間[25]。故設(shè)定振幅分別為10μm、20μm、30μm，頻率為100Hz外施正弦激勵模擬實際GIS殼體振動。微粒半徑分別為0.25mm、0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm，施加幅值為500kV工頻電壓，電壓以及外施振動初始相位均為0°，根據(jù)式（13）和式（14），計算得到工頻以及工頻電壓疊加外施正弦振動激勵條件下微粒起跳場強，如圖6所示。

圖6 工頻以及工頻電壓疊加外施正弦振動激勵下微粒起跳場強

根據(jù)圖6所示計算結(jié)果，半徑為1.25mm微粒在幅值為500kV工頻電壓疊加振幅為10μm外施正弦振動激勵下未能有效激活，當(dāng)振動幅值增加到20μm時，微粒被有效激活。工頻疊加外施正弦振動激勵相對于僅施加工頻電壓能夠明顯降低微粒起跳場強。隨著外施機械振動幅值增加，微粒起跳場強逐漸降低，并且隨微粒半徑增加，微粒起跳場強增加逐漸變緩，此時，微粒起跳主要受到振動幅值參量的影響。

2.2 工頻以及工頻疊加外施正弦振動狀態(tài)下微粒運動特性

當(dāng)外施激勵滿足2.1節(jié)計算得到的臨界起跳條件時，微粒將脫離殼體，在電極空間內(nèi)自由運動并不斷與殼體碰撞釋放出聲信號。由于微粒在水平方向受力遠遠小于微粒在豎直方向受力，故忽略微粒在水平方向速度分量，只考慮微粒在豎直方向速度分量，微粒在豎直方向滿足如式（15）所示運動方程。

微粒與殼體碰撞瞬間，微粒帶電量發(fā)生變化，同時由于碰撞，微粒具有一向上的初始恢復(fù)速度。假設(shè)微粒在飛行過程中帶電量保持不變，則微粒在電場力以及重力等力的作用下再次飛起，直至再次與殼體發(fā)生碰撞。相鄰兩次碰撞間微粒最大飛行高度估算公式為

上述微粒激活以及運動過程的計算流程如圖7所示。

圖7 微粒激活以及運動過程的計算流程

根據(jù)實際1 100kV?GIS尺寸建立仿真計算模型。其中殼體內(nèi)徑為880mm，高壓導(dǎo)體內(nèi)徑為180mm，球形微粒半徑為0.5mm，金屬鋁材質(zhì)，分別施加幅值為900kV的工頻電壓及工頻疊加頻率為100Hz、幅值為50μm的正弦振動激勵。根據(jù)1.2節(jié)對微粒運動以及碰撞過程分析，仿真得到微粒在工頻以及工頻疊加外施正弦振動激勵下微粒運動參量變化曲線，如圖8和圖9所示。

根據(jù)圖8所示仿真計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，微粒相鄰兩次碰撞間最大運動高度與微粒飛行時間相關(guān)，相鄰兩次碰撞間隔時間越長，相應(yīng)的微粒最大飛行高度越高。而微粒相鄰兩次碰撞飛行時間受到微粒碰撞瞬間恢復(fù)速度大小及飛行過程微粒受力情況影響。在文獻[13]中，假設(shè)微粒在相鄰兩次碰撞間最大運動高度主要受到碰撞瞬間恢復(fù)速度影響，忽略了碰撞瞬間電壓相位對微粒運動的影響。

圖8 工頻電壓下微粒運動行為

圖9 工頻疊加外施正弦振動激勵微粒運動行為

Fig.9 Motion behavior of particles excited by power frequency superposition and applied sinusoidal vibration

根據(jù)圖8所示虛線標(biāo)記區(qū)域微粒運動過程各參量變化曲線，微粒與殼體第二次碰撞瞬間恢復(fù)速度小于第三次微粒碰撞恢復(fù)速度，但相對應(yīng)的微粒第二次碰撞后最大飛行高度要明顯高于第三次碰撞后最大飛行高度，仿真計算結(jié)果與上述文獻假設(shè)條件相悖。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是微粒在第二次碰撞后速度繼續(xù)增加，第三次碰撞后速度開始減小，而微粒與殼體碰撞后速度變化與微粒碰撞瞬間電壓相位相關(guān)。若微粒與殼體碰撞瞬間電壓相位恰好過零點，則根據(jù)微粒碰撞過程帶電量計算公式，此時微粒帶電量為零，可將微粒在下一碰撞間隔內(nèi)運動過程簡化為豎直上拋運動。若碰撞瞬間電壓處于非零點，則微粒在碰撞后會受到向上的電場力作用，若此電場力大于重力以及氣體粘滯阻力作用，微粒在碰撞后會有一段向上加速的過程，并在下一碰撞時間間隔內(nèi)受到周期性的電場力作用。

在上述文獻中，由于把微粒相鄰兩次碰撞過程簡化為上拋運動，忽略了碰撞瞬間電壓相位對微粒運動規(guī)律的影響，因此，導(dǎo)致上述假設(shè)條件與微粒運動仿真計算過程出現(xiàn)偏差。

對比圖8與圖9仿真計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，相對于僅施加工頻電壓，工頻疊加外施正弦振動激勵下微粒相鄰兩次碰撞間時間間隔以及運動高度普遍增加。

結(jié)合式（12）和式（16）對上述差異進行解釋。根據(jù)式（12）所示工頻疊加正弦振動激勵微粒碰撞恢復(fù)速度計算公式可得，工頻疊加正弦振動激勵相對于僅施加工頻電壓，微粒與殼體碰撞瞬間恢復(fù)速度有所提高。并根據(jù)式（16）微粒在相鄰兩次碰撞之間最大飛行高度估算公式，可得微粒相鄰兩次碰撞間最大飛行高度與微粒碰撞恢復(fù)速度相關(guān)，恢復(fù)速度增加，微粒最大飛行高度隨之增加。

3 工頻及工頻疊加外施正弦振動激勵下微粒飛行規(guī)律研究

聲信號檢測作為非侵入式檢測方法，只有當(dāng)金屬微粒處于激活狀態(tài)才能有效采集微粒與殼體碰撞所產(chǎn)生的微弱聲信號。

由于微粒碰撞產(chǎn)生的聲信號幅值與微粒碰撞瞬間動量大小有關(guān)，若微粒質(zhì)量保持不變，則碰撞所產(chǎn)生的聲信號幅值與微粒碰撞時速度大小呈線性關(guān)系[17]。因此，可以利用微粒與殼體碰撞瞬間的速度大小代替微粒碰撞所產(chǎn)生的超聲信號幅值。

3.1 工頻電壓下微粒飛行規(guī)律研究

根據(jù)2.1節(jié)計算結(jié)果，工頻電壓下，直徑為1mm球形鋁質(zhì)微粒起跳場強為6.026kV/cm，利用式（2）計算得到最低外施工頻電壓幅值為420.763kV。因此，為了研究微粒運動規(guī)律，分別施加幅值為500kV、700kV、900kV工頻電壓，計算得到如圖10所示微粒超聲飛行幅值-時間圖譜，圖中橫坐標(biāo)Δ表示微粒相鄰兩次碰撞時間間隔，縱坐標(biāo)表示微粒與殼體碰撞瞬間速度大小。

圖10 工頻電壓下微粒飛行圖譜

隨著外施工頻電壓幅值增加，微粒飛行圖譜呈現(xiàn)出逐漸上升的三角脈沖分布規(guī)律，并且三角脈沖寬度基本保持不變，維持在0.02s左右，即工頻電壓一個周期時間。假設(shè)微粒在相鄰兩次碰撞飛行過程中帶電量保持不變，則微粒在運動過程中受到周期性的電場力作用，因此圖譜的三角脈沖時間間隔呈現(xiàn)工頻電壓周期的倍頻特性。由于微粒碰撞瞬間帶電量與工頻電壓幅值呈正相關(guān)，因此隨著外施電壓幅值的增加，受到的電場力幅值增加，飛行時間相應(yīng)延長，碰撞瞬間速度也逐漸增加。

3.2 工頻電壓疊加外施正弦振動激勵下微粒飛行特性研究

由2.1節(jié)計算結(jié)果可知，工頻電壓疊加外施正弦振動激勵能夠降低微粒起跳場強，有效激活自由金屬微粒，提高金屬微粒檢出效率。在3.1節(jié)所述計算模型基礎(chǔ)上，外施頻率為100Hz，幅值為100μm的正弦振動激勵，仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 工頻電壓疊加正弦振動激勵微粒飛行圖譜

相較于僅施加工頻電壓，在工頻電壓疊加正弦振動激勵下，施加電壓幅值為500kV時微粒運動圖譜即呈現(xiàn)出明顯的三角脈沖，且三角脈沖的寬度同樣為一個工頻電壓周期時間，與外施正弦振動激勵頻率無關(guān)。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：微粒在運動過程中的受力與交變的電場力有關(guān)，外施正弦振動僅能在碰撞瞬間改變微粒運動行為，對處于飛行狀態(tài)的微粒運動沒有影響。

對比圖9和圖10微粒飛行圖譜，可以發(fā)現(xiàn)：工頻疊加外施正弦振動激勵與僅施加工頻電壓相比，三角脈沖形狀具有顯著差異。工頻電壓下微粒飛行圖譜呈條帶狀分布，疊加外施正弦振動激勵后，三角脈沖呈山峰狀分布。在文獻[17]中，將工頻電壓下微粒飛行圖譜分解為線性的重力線和呈正弦分布的外包絡(luò)線，疊加外施正弦振動激勵后，微粒與殼體碰撞瞬間，微粒由于碰撞會損失部分能量，但同時殼體將自身運動動能傳遞給微粒。因此，微粒碰撞恢復(fù)速度不僅與微粒和殼體材料屬性有關(guān)，也與碰撞瞬間殼體運動速度有關(guān)。根據(jù)式（12）微粒與殼體碰撞恢復(fù)速度計算公式，若微粒與殼體碰撞瞬間，微粒處于向下運動狀態(tài)，殼體處于簡諧振動上升階段，則微粒與殼體相對運動速度相對于僅施加工頻電壓時增加，微粒與殼體碰撞后恢復(fù)速度也隨之增加，導(dǎo)致圖譜上包絡(luò)線峰值增加。若微粒與殼體碰撞瞬間，微粒運動方向與殼體運動方向相同，則碰撞瞬間，微粒與殼體相對速度減小，碰撞后微粒恢復(fù)速度隨之減小，因此，三角脈沖下包絡(luò)線波動幅值減小。

為了驗證本文仿真結(jié)果準(zhǔn)確性，搭建了與上述同軸圓柱電極同樣具有稍不均勻場的碗狀電極實驗平臺對上述仿真結(jié)果進行驗證。采用直徑為0.9mm的球形金屬鋼微粒進行實驗，分別施加三個不同電壓等級工頻電壓，實驗結(jié)果如圖12所示，圖中橫坐標(biāo)Δ表示相鄰兩次碰撞時間間隔，縱坐標(biāo)為碰撞信號幅值。

圖12 微粒實驗飛行圖譜

對比實驗以及仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，實驗結(jié)果與未考慮振動條件下仿真結(jié)果有較明顯差異，更接近考慮振動條件下微粒超聲飛行譜圖。并通過結(jié)合相關(guān)已有實驗研究結(jié)果[13,17,30-31]，可進一步對考慮正弦振動激勵下微粒運動仿真結(jié)果準(zhǔn)確性進行驗證。

因此，在接下來的相關(guān)研究中，為了提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，有必要將殼體振動耦合到仿真模型當(dāng)中。

4 結(jié)論

1）微粒起跳場強隨殼體振幅增加逐漸降低，且微粒半徑對起跳場強影響隨振幅增加逐漸減??；振幅為10μm時微粒起跳場強相對于未施加振動下降約25%，振幅增加到30μm時，微粒起跳場強隨半徑增加基本保持不變，約為2kV/cm。

2）微粒相鄰兩次碰撞間最大飛行高度與微粒碰撞瞬間電壓相位以及碰撞恢復(fù)速度有關(guān)，相位為零時，微粒近似做豎直上拋運動，同樣碰撞恢復(fù)速度條件下運動高度最低，正弦振動激勵能夠有效加快微粒碰撞恢復(fù)速度，使得最大飛行高度相對于僅施加工頻電壓有所增加。

3）正弦振動激勵下微粒飛行圖譜呈山峰狀，與僅施加工頻電壓下帶狀飛行圖譜相比具有明顯形態(tài)差異，在外施工頻電壓幅值較低時，飛行圖譜即呈現(xiàn)明顯的三角脈沖，因此具有更高的可識別性。

4）微粒與振動殼體碰撞瞬間，若二者運動方向相反，則圖譜的上包絡(luò)線幅值會明顯增加；若運動方向相同，圖譜的下包絡(luò)線幅值變化會明顯減小，導(dǎo)致最終微粒飛行時間圖譜呈山峰狀分布。

[1] 邱毓昌. GIS 設(shè)備及其絕緣技術(shù)[M]. 北京: 水利電力出版社, 1994.

[2] 張連根, 路士杰, 李成榕, 等. 氣體絕緣組合電器中微米量級金屬粉塵運動和放電特征[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(2): 234-242.

Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Movement and discharge characteristics of mocron-scale metal dust in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 234-242.

[3] 莊丞, 曾建斌, 袁傳鎮(zhèn). 表面異物對252kV氣體絕緣組合電器盆式絕緣子絕緣性能的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(20): 42-50.

Zhuang Cheng, Zeng Jianbing, Yuan Chuanzhen. Effect of surface foreign matters on the insulation property of 252kV gas insulated switchgear basin insulators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 42-50.

[4] 高克利, 顏湘蓮, 劉焱, 等. 環(huán)保氣體絕緣管道技術(shù)研究進展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(1):3-20.

Gao Keli, Yan Xianglian, Liu Yan, et al. Progress of technology for environment-friendly gas insulated transmission line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35 (1): 3-20.

[5] 羅毅, 唐炬, 潘成, 等. 直流GIS/GIL盆式絕緣子表面電荷主導(dǎo)積聚方式的轉(zhuǎn)變機理[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(23): 185-194.

Luo Yi, Tang Ju, Pan Cheng, et al. The transition mechanism of surface charge accumulation dominating way in DC GIS/GIL[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 185-194.

[6] 張連根, 路士杰, 李成榕, 等. GIS中線形和球形金屬微粒的運動行為和危害性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(20): 51-59.

Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Motor behavior and hazard of spherical and linear particle in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 51-59.

[7] 孫秋芹, 羅宸江, 王峰, 等. 直流 GIL 導(dǎo)體表面金屬顆粒跳躍運動特性研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018, 33(22): 5206-5216.

Sun Qiuqin, Luo Chenjiang, Wang Feng, et al. Jumping characteristics of metal particle onthe surface of DC gas insulated transmission line conductor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(22): 5206-5216.

[8] 李慶民, 王健, 李伯濤, 等. GIS/GIL 中金屬微粒污染問題研究進展[J]. 高電壓技術(shù), 2016, 42(3): 849-861.

Li Qingmin, Wang Jian, Li Botao, et al. Review on metal particle contamination in GIS/GIL[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 849-861.

[9] Diessner A , Trump J G . Free conducting particles in a coaxial compressed-gas-insulated system[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus & Systems, 1970, PAS-89(8):1970-1978.

[10] 賈江波, 張喬根, 師曉巖, 等. 交流電壓下絕緣子附近導(dǎo)電微粒運動特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2008, 23(5): 7-11.

Jia Jiangbo, Zhang Qiaogen, Shi Xiaoyan, et al. Motion of conducting particle near PTFE spacer under AC voltage[J]. Transactions of China Electro-technical Society, 2008, 23(5): 7-11.

[11] 賈江波, 陶風(fēng)波, 楊蘭均, 等. GIS 中不均勻直流電場下球狀自由導(dǎo)電微粒運動分析[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2006, 26(8): 106-111.

Jia Jiangbo, Tao Fengbo, Yang Lanjun, et al. Motion analysis of spherical free conducting particle in non- uniform electric field of GIS under DC voltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(8): 106-111.

[12] 賈江波, 查瑋, 楊連殿, 等. 直流電壓下絕緣子附近球形導(dǎo)電微粒運動起始電壓研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報, 2006, 40(6): 699-703.

Jia Jiangbo, Zha Wei, Yang Liandian, et al. Threshold voltage of spherical conducting particle motion near spacer in inhomogeneous electric field[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2006, 40(6): 699-703.

[13] Wu Zhicheng , Zhang Qiaogen , Song Jiajie , et al. Improved method for acoustic identification of free conductive particle defects in GIL[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2018, 34(4): 1317-1323.

[14] 王健, 李慶民, 李伯濤, 等. 考慮非彈性隨機碰撞與SF6/N2混合氣體影響的直流GIL球形金屬微粒運動行為研究[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2015, 35(15): 3971-3978.

Wang Jian, Li Qingmin, Li Botao, et al. Motion analysis of spherical conducting particlein DC GIL considering the influence of inelastic random collisions and SF6/N2gaseous mixture[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(15): 3971-3978.

[15] Sakai K, Abella D L, Khan Y, et al. Theoretical and experimental studies for spherical free-conducting particle behavior between nonparallel plane electrodes with AC voltages in air[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, 10(3): 404-417.

[16] Sakai K, Tsuru S, Abella D L, et al. Conducting particle motion and particle-initiated breakdown in DC electric field between diverging conducting plates in atmospheric air[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1999, 6(1): 122-130.

[17] Lundgaard L E. Particles in GIS characterization from acoustic signatures[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2001, 8(6): 1064-1074.

[18] Lundgaard L E, Runde M. Acoustic diagnosis of gas insulated substations: a theoretical and experimental basis[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1990, 5(4): 1751-1759.

[19] Lundgaard L E , Tangen G . Acoustic diagnoses of GIS; field experience and development of expert system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1992, 7(1): 287-294.

[20] Cookson A H, Boln P C, Doepken H C, et al. Recent research in the united states on the effect of particle contamination reducing the breakdown voltage in compressed gas-insulated systems[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1972, PAS-91(4): 1329-1328.

[21] Cookson A H, Farish O. Particle-initiated breakdown between coaxial electrodes in compressed SF6[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1973, PAS-92(3): 871-876.

[22] Schlemper H D, Feser K. Characterisation of moving particles in GIS by acoustic and electric partial discharge detection[C]//10th International Symposium on HV Engineering, Montreal, 1997, 2: 13-18.

[23] 蔣玲, 曲全磊, 王志惠, 等. 高溫差工況下長母線GIS設(shè)備振動特性研究[J]. 高壓電器, 2019, 55(11): 144-151.

Jiang Ling, Qu Quanlei, Wang Zhihui, et al. Study on vibration characteristics of long?busbar GIS equipment in large temperature difference conditions[J]. High Voltage Apparatus, 2019, 55(11): 144-151.

[24] 丁登偉, 何良, 龍偉, 等. GIS設(shè)備運行狀態(tài)下振動機理及檢測診斷技術(shù)研究[J]. 高壓電器, 2019, 368(11): 101-107.

Ding Dengwei, He Liang, Long Wei, et al. Analysis on vibration mechanisms and detection diagnosis technology of GIS in operating condition[J]. High Voltage Apparatus, 2019, 368(11): 101-107.

[25] 劉媛, 楊景剛, 賈勇勇, 等. 基于振動原理的GIS隔離開關(guān)觸頭接觸狀態(tài)檢測技術(shù)[J]. 高電壓技術(shù), 2019, 45(5): 1591-1599.

Liu Yuan, Yang Jinggang, Jia Yongyong, et al. Connection state diagnosis method of GIS disconnector based on mechanical vibration[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(5): 1591-1599.

[26] Masanori H, Masanori A. A method for prediction of gaseous discharge threshold voltage in the presence of a conducting particle[J]. Journal of Electrostatics, 1977, 2(3): 223-239.

[27] Lebedev N N. Force acting on a conducting sphere in the field of a parallel plane condenser[J]. Soviet Journal Physics-Technical Physics, 1962, 7: 268-270.

[28] 董連政. 恢復(fù)系數(shù)兩種定義等價性的證明[J]. 吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2004, 25(2): 74-75.

Dong Lianzheng. Prove the equivalence of two definitions of restitution coefficient[J]. Jilin Normal University Journal (Natural Science Edition), 2004, 25(2): 74-75.

[29] 吳百詩. 大學(xué)物理（修訂本）[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2000.

[30] Runde M, Aurud T. Risk assessment basis of moving particles in gas insulated substations[C]// Proceeding of 1996 Transmission and Distribution Conference and Exposition, Los Angeles, USA, 1996: 181-188.

[31] Schlemper H D, Feser K. Estimation of mass and length of moving particles in GIS by combined acoustical and electrical PD detection[C]//Conference on Electrical Insulation & Dielectric Phenomena-ceidp, Millbrae, USA, 1996, 1: 90-93.

Motion Characteristics of Free Metal Particles in GIS under Sinusoidal Vibration

Li Jie1Li Xiaoang1Lü Yufang1Wu Zhicheng1Zhao Ke2Zhang Qiaogen1

（1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi’an Jiaotong University Xi’an 710049 China 2. State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute Nanjing 210000 China)

Free metal particles are one of the main threats to the reliability of gas insulated metal-enclosed switchgear (GIS) insulation. They have the character of latent and random. The vibration of GIS can excite particles to taken off and induced insulation breakdown, but related research was rarely reported. This paper established a simulation calculation model for the charging, force, and motion of free metal particles under the power frequency voltage superimposed sinusoidal vibration in UHV GIS. Researching the influence of voltage and vibration parameters on the particle motion characteristics and obtained particles' acoustic flight patterns under different conditions. The results show that under the vibration of the shell acceleration at the initial moment. The take-off electric field strength of particles gradually decreases with the increase of the amplitude. The effect of the particle radius on the take-off electric field strength gradually decreases with the amplitude's growth. During the movement, the maximum flight height of particles between two adjacent collisions is related to the collision recovery speed and the instantaneous voltage phase of the collision. And the maximum flight height is positively related to particle flight time. Under the power frequency voltage superimposed sinusoidal vibration, the acoustic flight pattern shows an evident triangular pulse with a higher recognition when the voltage amplitude is low. The acoustic flight pattern is mountain-shaped, significantly different from the band flight pattern under the power frequency voltage application.

Gas insulated metal-enclosed switchgear(GIS), free metal particles, power frequency voltage, sinusoidal vibration, take-off electric field strength, acoustic flight pattern

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201425

TM85

國家電網(wǎng)有限公司科技項目資助（5500-202018080A-0-0-00）。

2020-10-27

2020-12-02

李 杰 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為GIS/GIL絕緣狀態(tài)監(jiān)測與診斷技術(shù)。E-mail：jieli112358@stu.xjtu.edu.cn

李曉昂 男，1989年生，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向為脈沖功率技術(shù)、氣體放電特性及其應(yīng)用、GIS放電特性及其環(huán)保化技術(shù)等。E-mail：li_xiaoang@xjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）