- 頭條GIS中線形和球形金屬微粒的運動行為和危害性2021-01-11 作者：張連根 路士杰 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學）的研究人員張連根、路士杰、李成榕、王海青、唐志國，在2019年第20期《電工技術學報》上撰文，為了研究氣體絕緣組合電器（GIS）中線形和球形兩種典型微粒污染物運動行為和危害性，在實驗室搭建了以實際126kV GIS設備為原型的2:1縮比實驗腔體，記錄了球形和線形微粒在腔體內起跳、碰撞、運動與停止的全過程，對微粒的運動行為特征進行了描述和總結，對兩類微粒最終停止位置以及不同停止位置處的危害性進行了統計分析，并通過不同微粒初始位置、不同外施電壓下的多次重復性實驗論證了實驗結果的一般性。 研究結果表明：球形微粒起跳后，徑向起跳高度2mm左右；線形微粒起跳時，一端首先抬起，然后微粒站立跳動，徑向起跳高度5mm左右。球形微粒與絕緣子碰撞會彈回，經過充分運動最終全部停止在外側弱電場區；線形微粒與絕緣子碰撞作用易形成吸附，吸附于絕緣子的線形微粒易引起局部放電和誘發沿面閃絡，危害性高于球形微粒。分析了重力、庫侖力、電場梯度力及鏡像力對兩類微粒運動行為的影響，并論證了接觸面鏡像力所引起的靜摩擦力差異是線形微粒與球形微粒在絕緣子表面吸附情況不同的主要原因。
金屬微粒是氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）中最常見的缺陷，有細長的線形、螺旋形、片狀、球形和錐形等，其中以球形和線形微粒最為典型。金屬微粒在電場作用下不規則運動是設備安全運行的重要隱患，研究金屬微粒在GIS腔體內的運動行為和危害性十分必要。
針對金屬微粒運動行為的研究，學者的工作方向集中在數值解析和實驗測試兩個方面。
- M. Wohlmut做了較系統的線形微粒運動行為軟件仿真，研究表明，對于長度超過1mm的線形微粒，其電場梯度力可達庫侖力的10%，對于線形微粒不能以點電荷來簡化仿真。
- G. V. Nagesh Kumarl采用Monte Carlo數學方法計算了交流電壓下同軸腔體，同一電壓下相同尺寸的鋁微粒比銅、銀微粒的跳動幅度更高。
- Alan H. Cookson通過實驗探索了交流電壓下線形微粒跳動峰值高度與外施電壓幅值、微粒材料以及氣壓的關系。
- 代爾夫特理工大學S. Meijer探索了微粒小幅運動、移動和跳動三種運動形式對應特高頻頻譜和局部放電相位分析（Phase Resolved Partial Discharge, PRPD）統計譜圖的差異。
- 日本九州電氣公司K. Sakai通過楔形電極探索了空氣中直流電壓應力下，半徑1mm不銹鋼圓球的受力、運動以及覆膜電極對其運動狀態的影響。
- 華北電力大學王健探索了同軸電極直流電壓下，直徑1mm鋁球徑向運動分布數學模型的仿真計算，且考慮了非彈性隨機碰撞對粒子行為的影響，季洪鑫搭建了126kV GIS縮比實驗腔體，研究了線形微粒尺寸、數量及殼體振動對微粒起舉電壓的影響。
針對金屬微粒危害性的研究，Koh-ichi Sakai等研究了在交流電壓下楔形電極、鋁線形微粒的擊穿特性。實驗結果表明，微粒起舉后開始在地電極上跳動，最終會向高電場區域運動，并引起擊穿。Alan H. Cookson等研究了同軸結構電極中微粒引發的擊穿特性。研究表明，擊穿電壓與線形微粒長度成反比例關系，擊穿電壓與微粒粗細相關性不明顯，分散性較大。有學者得到了直流電壓下平板電極球形微粒三種擊穿模式：靜止直接擊穿、微放電擊穿和起舉電壓擊穿。
總結前人研究成果，對微粒運動行為的研究熱點集中在典型電極結構（平板、楔形、同軸）下，微粒受力分析、起舉條件、跳動行為的數學仿真和實驗觀測，得到了微粒受力情況的數學解析方法與運動行為直觀的實驗數據，但前人研究成果中缺乏盆式絕緣子對金屬粒子運動行為影響的分析，且實驗腔體結構的設計中也缺乏對實際GIS開關腔體強弱電場分布不均的考慮，對微粒終止狀態和落點分布的統計也未見報道。
在金屬微粒危害性研究方面，前人研究方向集中在由于微粒跳動行為引起的電極間的氣隙擊穿和相關影響因素分析，擊穿過程施加電壓較高，缺乏對實際GIS運行電壓限制的考慮；且由于SF6氣體本身較強的滅弧性能和氣體絕緣的可恢復性，以電極間氣隙擊穿電壓評價微粒危害性也較為片面。
根據有關學者研究成果，附著在絕緣子表面的固定金屬微粒兩端會引起附近絕緣子電場分布畸變，加劇絕緣子表面電荷積聚，誘發局部放電，明顯降低絕緣子的沿面閃絡電壓，因此能否吸附于絕緣子表面，是自由金屬微粒危害性的一個重要方面，而這一點在前人文獻中也缺乏討論。
為了研究球形、線形微粒運動行為和危害性，本文搭建了具有強弱電場分布、更貼合實際工況的縮比同軸實驗腔體，記錄了兩類微粒起跳、碰撞、運動和最終停止的全過程，對比分析了兩類微粒運動行為的差異；統計了兩類微粒在絕緣子表面吸附情況和外側弱電場區停止情況，闡述了兩類微粒危害性的不同；建立了微粒在同軸腔體內的受力模型，并論證了接觸面鏡像力所引起的靜摩擦力差異是線形微粒與球形微粒在絕緣子表面吸附情況不同的主要原因。
圖1 測試回路示意圖
圖2 實驗腔體側視圖
圖6 27kV鋁球運動過程
結論
1）運動行為：球形微粒運動主要表現為滾動，徑向跳動高度非常小，而線形微粒起跳時首先一端抬起，然后豎直站立跳動，且在徑向有一段“穩態”跳動現象。粒子長度越小、端部光滑度越好以及電壓等級較低的情況下，線形粒子在電極間的“穩態”跳動時間會更長。
2）終止位置：球形微粒不會在絕緣子表面形成吸附，運動結束后，全部停止于球電極外側的弱電場區。線形微粒與絕緣子碰撞易形成吸附，無論線形顆粒放置于哪個位置，附著于絕緣子表面的顆粒數均多于弱電場區的顆粒數。
3）受力分析：球形微粒運動過程主要受庫侖力與重力支配，而線形微粒站立跳動過程中，電場梯度力的效應不能忽略；線形微粒與絕緣子表面接觸的靜摩擦力大于球形微粒，兩者靜摩擦力的不同導致了線形微粒在絕緣子表面可以形成吸附，而球形微粒不能形成吸附。
4）微粒危害性：球形顆粒全部終止于球電極外側弱電場區，線形顆粒經過運動后，多數吸附于絕緣子表面，附著在絕緣子表面的線形微粒兩端會產生局部放電，明顯降低絕緣子的沿面閃絡電壓，說明線形顆粒危害性高于球形顆粒。
