振動誘發(fā)金屬微粒彈跳對圓盤絕緣子表面電荷積聚的影響

王文渠，高 宇，趙慧存，苑曉晨，王 歡

（天津大學 電氣自動化與信息工程學院，天津 300072）

0 引言

氣體絕緣開關設備（gas insulated switchgear，GIS）與氣體絕緣輸電線路（gas insulated transmis‐sion line，GIL）在大容量、長距離電能輸送與區(qū)域聯網工程建設中應用日益廣泛，這歸功于其占地面積小、傳輸損耗少、運行可靠性高、環(huán)境適應性強等優(yōu)點[1]。GIS/GIL 因其良好的靈活性、適應性和互動性，成為可代替架空線路、電力電纜、敞開式變電站等傳統輸變電方式的更優(yōu)解決方案。但相比于交流氣體絕緣設備的推廣應用，直流領域中GIS/GIL的研發(fā)工作仍面臨許多技術問題。

目前普遍認為，GIS/GIL 中絕緣子表面電荷的積聚是制約其在直流電壓作用下絕緣性能的關鍵因素。此外，在GIS/GIL 的安裝和長期運行過程中引入的金屬微粒對表面電荷的積聚也有促進作用。金屬微粒會引起電場的嚴重畸變，在絕緣子附近誘發(fā)微放電，引起絕緣表面電荷密度的激增[2-3]，甚至導致絕緣失效。在GIS/GIL 的運行過程中，高壓斷路器或隔離開關動作形成的強烈沖擊、短路故障、外部撞擊等因素均會導致設備發(fā)生機械振動[4-6]。振動不僅會導致設備內部元件磨損，材料變形，還會造成絕緣材料的加速劣化和氣室泄漏[7]，同時有可能引起金屬微粒彈跳運動，影響表面電荷的積聚特性，威脅設備的絕緣安全。為提高直流GIS/GIL的運行可靠性，有必要針對振動誘發(fā)金屬微粒彈跳對表面電荷積聚的影響開展系統性研究。

目前，國內外學者對金屬微粒的動態(tài)行為和危害性給予了高度關注。研究發(fā)現，線形金屬微粒的運動往往伴隨著氣體放電的現象[8]。S OKABE 等[9]研究了金屬微粒在同軸電極模型中的運動行為，發(fā)現金屬微粒在導體與外殼之間往復運動過程中會產生局部放電，其出現的頻率與微粒往復運動的頻率幾乎相同。律方成等[10]采用仿真軟件，基于楔形電極建立了電-力瞬態(tài)耦合模型，精確預測了金屬微粒的運動軌跡，對比了不同直徑與材料的金屬微粒軌跡的差異，將球形金屬微粒的運動分為3個階段，并對金屬微粒的污染問題提出了相關治理方法[11]。對于初始位置在外殼上的金屬微粒，王健等[12]建立了同軸電極模型，在考慮金屬微粒碰撞的隨機性與SF6混合氣體阻力的基礎上研究了其運動規(guī)律。M M MORCOS 等[13]發(fā)現線形金屬微粒由于其端部電場更加集中，易引起氣體電離，從而對設備產生更大的危害。K SAKAI等[14-15]通過對比球形和線形微粒引發(fā)空氣擊穿時的位置，發(fā)現線形微粒引發(fā)氣體擊穿的時間更早。P WENGER 等[16]在同軸電極模型下采用高速攝像機觀察了金屬微粒的運動過程，歸納了金屬微粒運動3種典型模式。綜上所述，此前關于金屬微粒的研究主要關注其在直流電場中的運動，而對實際工況中設備振動誘發(fā)的金屬微粒彈跳及表面電荷積聚現象卻鮮有報道。

本文以126 kV 圓盤絕緣子為試樣，搭建非周期性振動發(fā)生裝置，測量振動條件下線形金屬微粒的運動軌跡及絕緣子表面電荷積聚情況，總結金屬微粒在不同初始位置下受到振動后的運動模式，討論啟舉方式和微粒最終位置對絕緣子表面電荷積聚的影響。

1 實驗

1.1 實驗樣品

本實驗采用的126 kV 圓盤絕緣子由山東泰開電器絕緣有限公司提供。為模擬真實GIS/GIL運行工況下絕緣子所處電場條件，設計了同軸圓柱電極結構，絕緣子及同軸圓柱電極實物如圖1(a)所示。絕緣子以及電極的具體尺寸如圖1(b)所示。環(huán)氧絕緣子表面從外部至中心分為3個區(qū)域，分別為：與地電極接觸區(qū)（x=123～172.5 mm）、平面區(qū)（x=83～123 mm）以及非平面區(qū)（x=44～83 mm），其中非平面區(qū)從外部至中心分為3 段，分別為圓弧段A1、直線段L1 以及圓弧段A2。其中，A1 為非平面區(qū)和平面區(qū)的交界區(qū)。在GIS/GIL 中，線形和球形金屬微粒最為典型。研究表明，線形金屬微粒由于其端部電場更加集中，更容易引起電離，從而對設備的絕緣性能影響更大。線形微粒的長度大多在mm 量級，直徑在100 μm量級[17-18]。故本實驗所采用的鋁制線形金屬微粒長度為5 mm，截面半徑為0.5 mm。

圖1 絕緣子以及電極設置Fig.1 Spacer and electrode setting

1.2 實驗平臺設計

實驗裝置示意圖如圖2 所示，根據圓盤絕緣子軸對稱的結構特點，設計了一套探頭及絕緣子運動單元，主要由三組平移臺和兩組旋轉臺組成，可以測量得到絕緣子上表面的電位[19]。

為模擬GIS/GIL 受到的振動，設計了非周期振動發(fā)生裝置，其在實驗腔體中的位置如圖2 所示。該裝置放置于地電極的外側，輸出的最大加速度為338.9 m/s2，振動頻率為1.1 Hz，實驗前調整其高度使撞擊點位于地電極中央。研究表明，GIS 中高壓斷路器動作或發(fā)生具有幅值高、阻尼強的操作過電壓時，其產生的瞬時沖擊引發(fā)的金屬外殼振動的加速度在9.8×10-5～980 m/s2[20]。本文選取的加速度338.9 m/s2在此范圍之內，振動加速度的時域曲線如圖3所示。該振動裝置通過無線繼電器（型號為JYDAM0404D，北京聚英翱翔電子有限公司）與計算機進行通信，由上位機來控制振動裝置的啟動與停止。

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental device

圖3 絕緣子振動加速度時域曲線Fig.3 Time domain curve of insulator vibration acceleration

1.3 實驗方法

實驗前，在60℃下對圓盤絕緣子進行24 h 的干燥處理，保證無電荷殘留后，將無水乙醇清潔過的線形金屬微粒放置于初始位置。實驗在空氣氛圍中進行，溫度控制在（25±1）℃，相對濕度為（20±2）%。本文旨在揭示偶發(fā)振動誘導的金屬微粒運動導致的表面電荷積聚機理，考慮到空氣比SF6更易電離，一旦由于微?；冸妶稣T發(fā)微放電，可以更為清晰地觀察到電荷積聚現象，從而為理解和揭示表面電荷積聚的機理提供便利條件。因此，采用空氣作為介質進行實驗，這種方法也被此前的研究人員所采用[21-23]。

為對比說明振動引起金屬微粒跳動對表面電荷積聚的影響，分別開展了I 和II 兩類實驗。在第I類中，無金屬微粒，電極間施加-30 kV 直流電壓1 h后，測量表面電荷密度分布。在第II類中，施加電壓后立刻啟動振動發(fā)生裝置，振動施加時間控制在5 s以內。采用高幀率攝像機記錄金屬微粒從開始運動到靜止的全過程，加壓1 h 后，測量表面電荷密度的分布。對比I、II兩類實驗結果中電荷積聚特征的差異，分析振動誘導金屬微粒彈跳的影響。

2 實驗結果

2.1 第I類實驗的典型結果

當絕緣子與電極上均未放置金屬微粒時，測得的表面電荷典型分布特征如圖4 所示。由圖4 可見，絕緣子非平面區(qū)（虛線內）的負極性表面電荷呈環(huán)狀分布，正極性電荷主要積聚在平面區(qū)與非平面區(qū)的交界處。正、負極性電荷密度的最大值分別為0.3 pC/mm2和-0.2 pC/mm2?？傮w來說，表面電荷的積聚情況并不顯著。

圖4 第I類實驗中表面電荷典型分布特征Fig.4 Surface charge distribution of group I

2.2 第II類實驗的典型結果

在第II 類實驗中，為了更為細致地研究振動對金屬微粒彈跳和表面電荷積聚的影響，將金屬微粒的初始位置分為絕緣子平面區(qū)、高壓電極和地電極3種情況。當微粒初始位置在絕緣子平面區(qū)時，振動并未造成微粒產生位移，因此僅展示在有振動與無振動條件下，平面區(qū)存在金屬微粒時的電荷積聚情況，如圖5 所示。由圖5(a)可見，未施加振動時，絕緣子非平面區(qū)被環(huán)形的負極性電荷覆蓋，正極性電荷斑出現在交界處，最大正、負電荷密度分別為0.7 pC/mm2和-0.7 pC/mm2。由圖5(b)可見，施加振動時，最大正、負電荷密度分別為0.8 pC/mm2和-0.7 pC/mm2。結果表明，初始位置位于平面區(qū)的金屬微粒無論振動與否，均不會對電荷積聚特性產生明顯影響。

圖5 微粒初始位置在平面區(qū)的電荷測量結果Fig.5 Charge measurement results of particle initial position in plane region

當金屬微粒的初始位置位于高壓電極時，實驗發(fā)現，振動誘發(fā)金屬微粒離開電極的方式有兩種，方式1：直接從起始靜止位置啟舉；方式2：向電極邊緣滾動一段距離后啟舉。

當微粒以方式1 離開高壓電極時，經過多次碰撞停留在絕緣子平面區(qū)，如圖6(a)所示，對應的表面電荷分布特性如圖6(b)所示，最大正、負電荷密度分別為0.5 pC/mm2和-0.8 pC/mm2?？梢姡斘⒘Ｖ苯訌母邏弘姌O飛出，最終停留在平面區(qū)時，對表面電荷積聚的影響較小。當微粒以方式2離開高壓電極時，如圖7(a)所示，其在運動過程中，多次與絕緣子表面發(fā)生碰撞并停留在平面區(qū)。僅當微粒與交界區(qū)發(fā)生過碰撞時，非平面區(qū)才會存在明顯的正電荷斑，最大電荷密度為4.5 pC/mm2，如圖7(b)所示，在微粒最終靜止的位置則未觀察到電荷斑的存在。

圖6 金屬微粒通過方式1運動最終靜止在平面區(qū)Fig.6 Metal particles move through mode 1 and finally rest in the plane region

圖7 金屬微粒通過方式2運動最終靜止在平面區(qū)Fig.7 Metal particles move through mode 2 and finally rest in the plane region

此外，還存在兩種特殊的情況，即金屬微粒最終停留在交界區(qū)處，如圖8(a)和9(a)所示。此時，無論微粒以方式1 或2 離開高壓電極，絕緣子表面都會出現明顯的正電荷積聚。當微粒以方式1離開電極時，非平面區(qū)內出現了面積較大的正電荷斑，最大電荷密度為5.5 pC/mm2，如圖8(b)所示。當微粒以方式2 離開電極時，非平面區(qū)形成了最大電荷密度為11.6 pC/mm2的正極性電荷斑，如圖9(b)所示。與方式1相比，其電荷密度幅值更大，表明微粒以先滾動后啟舉的方式離開高壓電極對表面電荷積聚特性的影響更明顯。

圖8 金屬微粒通過方式1運動最終靜止在交界區(qū)Fig.8 Metal particles move through mode 1 and finally rest in the junction area

圖9 金屬微粒通過方式2運動最終靜止在交界區(qū)Fig.9 Metal particles move through mode 2 and finally rest in the junction area

綜上所述，當初始位置在高壓電極的金屬微粒在振動作用下發(fā)生運動，且微粒最終靜止在交界區(qū)或微粒以方式2 彈出且在碰撞到交界區(qū)時，均可能在絕緣子非平面區(qū)形成正極性的電荷斑。

當金屬微粒的初始位置位于地電極時，同樣觀察到如前所述的兩種離開電極的方式。微粒以方式1 和2 彈出，并最終靜止在交界區(qū)時的運行軌跡如圖10(a)和11(a)所示，可見兩種情形下微粒的運行軌跡相似。此外，這兩種情形下，均導致絕緣子非平面區(qū)形成了較大的正極性電荷斑，如圖10(b)和11(b)所示，最大電荷密度分別為5.2 pC/mm2和12.1 pC/mm2。顯然，以方式2 離開電極的微粒誘發(fā)了更為明顯的電荷積聚現象。若微粒離開地電極后，最終靜止在絕緣子的平面區(qū)，其能否引發(fā)明顯的電荷積聚與微粒的運動方式有關。當微粒以方式1離開接地電極時，并不會引起表面電荷的明顯積聚，電荷分布特征與圖6(b)類似，最大電荷密度小于1 pC/mm2，故未示于文中。而當微粒以方式2 離開地電極時，如圖12(a)所示，微粒與交界處碰撞，使非平面區(qū)形成了幅值為9.0 pC/mm2的正極性電荷斑。此外，也可能出現如圖13 所示的特殊情況，即微粒從交界處反彈后最終靜止在地電極附近，其端部與地電極的距離小于3 mm，最大電荷密度為4.4 pC/mm2?？梢?，當初始位置在地電極的金屬微粒受振動作用向絕緣子運動時，在交界處靜止或滾動-啟舉-碰撞交界處會導致非平面出現電荷積聚，若微粒靜止位置與地電極的距離較小時，在微粒附近的平面區(qū)也會出現明顯的電荷積聚現象。

圖10 金屬微粒通過方式1運動最終靜止在交界區(qū)Fig.10 Metal particles move through mode 1 and finally rest in the junction area

圖11 金屬微粒通過方式2運動最終靜止在交界區(qū)Fig.11 Metal particles move through mode 2 and finally rest in the junction area

圖12 金屬微粒通過方式2運動最終靜止在平面區(qū)Fig.12 Metal particles move through mode 2 and finally rest in the plane region

圖13 以方式2運動的金屬微粒最終靜止在地電極附近Fig.13 Metal particles finally rest near the ground electrode by mode 2

3 振動誘發(fā)金屬微粒彈跳對表面電荷積聚的影響機理分析

當GIS/GIL 中存在金屬微粒時，振動可能導致原本靜止的微粒產生運動，降低微粒的啟舉電壓，同時也會改變微粒的啟舉方式[24]。故振動將通過改變金屬微粒的帶電荷量和運動軌跡來影響表面電荷的積聚特性。需要注意的是，金屬微粒的啟舉、遷移等動態(tài)過程與其所處的氣體氛圍有關，空氣介質和SF6中金屬微粒的啟舉電壓等參數存在差異。但本文研究的重點并非金屬微粒的啟舉及運動的機理，而是微粒運動前后的位置變化導致的電場畸變、誘發(fā)氣體電離和電荷積聚的過程。因此，采用更易電離的空氣介質將有助于分析電荷積聚的機理。

3.1 啟舉方式對表面電荷的影響

金屬微粒的帶電荷量對表面電荷積聚的影響，在實驗中體現在微粒啟舉方式的差異上。采用COMSOL 軟件建立圓盤絕緣子三維模型，在-30 kV下開展有、無金屬微粒時的電場仿真。振動前，線形微粒平置于電極表面并帶有與電極極性相同的電荷，其帶電量q為式（1）。

式（1）中：a和l分別為微粒的半徑和長度；E為微粒所在位置的電場強度。以距電極邊緣的距離為橫坐標，無金屬微粒時，高壓和地電極表面電場強度的仿真結果如圖14 所示。由圖14 可見，電極邊緣的電場強度最高，且場強隨距電極邊緣的距離增加而迅速降低，距離地電極x=5 mm 處的電場強度僅為邊緣處的21.9%，距離高壓電極x=5 mm 處的電場強度僅為邊緣處的34.6%。因此，當微粒以直接在初始位置啟舉的方式（即方式1）離開電極時，其帶電量低于方式2中微粒的帶電量。故金屬微粒以方式2 運動比以方式1 對絕緣子表面電荷積聚的影響更大。

圖14 高壓電極與地電極表面電場分布曲線Fig.14 Surface electric field distribution curves of high voltage electrode and ground electrode

3.2 靜止位置對表面電荷的影響

研究表明，當金屬微粒處于絕緣子表面的不同位置時，其對電場畸變的影響存在差異。微粒距絕緣子表面越遠，其對表面電荷積聚的影響越弱[25-26]。本文針對金屬微粒位于絕緣子表面不同位置時的電場分布進行分析，共選取7個點，其中4個點位于非平面區(qū)，3個點位于平面區(qū)。依次將不帶電微粒和金屬微粒A～D 放置在所選取的碰撞點進行仿真，根據3.1 節(jié)的分析，以方式1 離開電極的微粒帶電量要低于以方式2 離開電極的微粒，同時兩電極的電位和結構的差異也會導致微粒帶電量不同。令微粒A 初始位置在地電極，以方式1離開電極，其帶電量為9.8×10-12C；微粒B 初始位置在地電極，以方式2 離開電極，其帶電量為4.5×10-11C；微粒C 初始位置在高壓電極，以方式1 離開電極，其帶電量為-1.9×10-11C；微粒D初始位置在高壓電極，以方式2 離開電極，其帶電量為-5.5×10-11C。微粒中心的橫坐標與所選取點的橫坐標重合，提取仿真結果中的最大場強模值，可得如圖15所示的電場分布。由圖15 可見，當微粒從高壓或地電極彈出時，電場畸變最嚴重的位置均在A1 區(qū)。未帶電的金屬微粒也可使其附近的電場發(fā)生不同程度的畸變，以從地電極彈出的微粒為例，當微粒在交界區(qū)A1 時畸變程度最高，最大場強為2.6 kV/mm，為無微粒存在時的5.9倍。

圖15 微粒位置與帶電量對絕緣子表面電場分布的影響Fig.15 Influence of metal particle position and charge on the surface electric field distribution of spacer

當金屬微粒帶電時，根據靜電感應原理，靠近帶負電的高壓電極的微粒尖端積聚正電荷，其附近的電場方向為從空氣指向絕緣子；微粒的另一端積聚負電荷，其附近的電場方向為從絕緣子指向空氣。微粒所帶凈電荷極性為正，且同軸圓柱電極下的電場存在梯度，因此靠近高壓電極的微粒端部對電場畸變更嚴重，易引發(fā)氣體電離。如圖15(a)中所示，帶電微粒A 對交界區(qū)電場畸變的影響比不帶電微粒更加嚴重，當其僅碰撞但未靜止在交界區(qū)時，最大場強為3.3 kV/mm，達到了空氣電離場強3 kV/mm[27]，但電場強度幅值不高，電離程度較弱，且電場被加強的時間較短，因此難以在絕緣子表面觀察到明顯電荷積聚。當微粒靜止于交界區(qū)附近時，非平面區(qū)正電荷積聚機理示意圖如圖16所示，微粒周圍的氣體中會持續(xù)產生大量自由電荷，其中的正電荷會在法向電場的作用下向非平面區(qū)遷移，使氣體側傳導在與體傳導的競爭中占據優(yōu)勢，因此在非平面區(qū)積聚正極性電荷斑[26]。電離產生的負電荷在平面區(qū)較強的切向電場的作用下，向地電極遷移并泄入大地。當微粒經過或靜止在絕緣子表面其他區(qū)域時，其引起的最大場強均未超過3 kV/mm，不會發(fā)生氣體電離，故未靜止在交界處的金屬微粒不會導致明顯的電荷積聚。帶電金屬微粒B在交界區(qū)附近的電場高達4.0 kV/mm，相比于微粒A，其畸變電場的程度以及帶電量都較高。當微粒B僅碰撞但未靜止到交界區(qū)時，雖然氣體電離的時間短，但很劇烈，故在非平面區(qū)有電荷斑出現。當微粒B 最終靜止在交界處時，微粒周圍的氣體電離劇烈且時間長，導致空氣中正電荷密度較高，故圖11(b)中非平面區(qū)的最大電荷密度高于圖10(b)。

圖16 非平面區(qū)的電荷積聚機理Fig.16 The charge accumulation mechanism in non-planar region

4 結論

本文研究了振動誘發(fā)的金屬微粒彈跳對圓盤絕緣子表面電荷積聚特性的影響，分析了微粒啟舉、靜止位置對表面電荷積聚過程的影響機理，主要得到如下結論：

（1）金屬微粒初始位置在絕緣子平面區(qū)時，振動未造成微粒移動；初始位置在高壓電極或地電極時，其受振后彈離電極的方式有兩種：直接啟舉和先滾向電極邊緣后再啟舉。微粒在運動過程中與絕緣子表面發(fā)生碰撞，主要靜止位置為地電極、絕緣子平面區(qū)及交界區(qū)。

（2）當微粒以直接啟舉的方式彈離電極并最終靜止于交界區(qū)時，絕緣子非平面區(qū)積聚正極性電荷斑；當微粒以先滾動后啟舉的方式彈離電極時，其碰撞或最終靜止在交界區(qū)都會導致正極性電荷斑；微粒先滾動后啟舉造成的表面電荷積聚大于直接啟舉，原因為前者使微粒的帶電荷量更大。

（3）金屬微粒最終靜止在絕緣子交界區(qū)時，對電場的畸變作用強于其靜止在平面區(qū)的情況，導致絕緣子表面電荷的積聚現象更顯著。