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(xì)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(guī)則運(yùn)動(dòng)是設(shè)備安全運(yùn)行的重要隱患，研究金屬微粒在GIS腔體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行為和危害性十分必要。

針對(duì)金屬微粒運(yùn)動(dòng)行為的研究，學(xué)者的工作方向集中在數(shù)值解析和實(shí)驗(yàn)測試兩個(gè)方面。

• M. Wohlmut做了較系統(tǒng)的線形微粒運(yùn)動(dòng)行為軟件仿真，研究表明，對(duì)于長度超過1mm的線形微粒，其電場梯度力可達(dá)庫侖力的10%，對(duì)于線形微粒不能以點(diǎn)電荷來簡化仿真。
• G. V. Nagesh Kumarl采用Monte Carlo數(shù)學(xué)方法計(jì)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(dòng)幅度更高。
• Alan H. Cookson通過實(shí)驗(yàn)探索了交流電壓下線形微粒跳動(dòng)峰值高度與外施電壓幅值、微粒材料以及氣壓的關(guān)系。
• 代爾夫特理工大學(xué)S. Meijer探索了微粒小幅運(yùn)動(dòng)、移動(dòng)和跳動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)特高頻頻譜和局部放電相位分析（Phase Resolved Partial Discharge, PRPD）統(tǒng)計(jì)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(yīng)力下，半徑1mm不銹鋼圓球的受力、運(yùn)動(dòng)以及覆膜電極對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。
• 華北電力大學(xué)王健探索了同軸電極直流電壓下，直徑1mm鋁球徑向運(yùn)動(dòng)分布數(shù)學(xué)模型的仿真計(jì)算，且考慮了非彈性隨機(jī)碰撞對(duì)粒子行為的影響，季洪鑫搭建了126kV GIS縮比實(shí)驗(yàn)腔體，研究了線形微粒尺寸、數(shù)量及殼體振動(dòng)對(duì)微粒起舉電壓的影響。

針對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微粒起舉后開始在地電極上跳動(dòng)，最終會(huì)向高電場區(qū)域運(yùn)動(dòng)，并引起擊穿。Alan H. Cookson等研究了同軸結(jié)構(gòu)電極中微粒引發(fā)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(guān)系，擊穿電壓與微粒粗細(xì)相關(guān)性不明顯，分散性較大。有學(xué)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(jié)前人研究成果，對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)行為的研究熱點(diǎn)集中在典型電極結(jié)構(gòu)（平板、楔形、同軸）下，微粒受力分析、起舉條件、跳動(dòng)行為的數(shù)學(xué)仿真和實(shí)驗(yàn)觀測，得到了微粒受力情況的數(shù)學(xué)解析方法與運(yùn)動(dòng)行為直觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但前人研究成果中缺乏盆式絕緣子對(duì)金屬粒子運(yùn)動(dòng)行為影響的分析，且實(shí)驗(yàn)腔體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中也缺乏對(duì)實(shí)際GIS開關(guān)腔體強(qiáng)弱電場分布不均的考慮，對(duì)微粒終止?fàn)顟B(tài)和落點(diǎn)分布的統(tǒng)計(jì)也未見報(bào)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(dòng)行為引起的電極間的氣隙擊穿和相關(guān)影響因素分析，擊穿過程施加電壓較高，缺乏對(duì)實(shí)際GIS運(yùn)行電壓限制的考慮；且由于SF6氣體本身較強(qiáng)的滅弧性能和氣體絕緣的可恢復(fù)性，以電極間氣隙擊穿電壓評(píng)價(jià)微粒危害性也較為片面。

根據(jù)有關(guān)學(xué)者研究成果，附著在絕緣子表面的固定金屬微粒兩端會(huì)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(fā)局部放電，明顯降低絕緣子的沿面閃絡(luò)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(gè)重要方面，而這一點(diǎn)在前人文獻(xiàn)中也缺乏討論。

為了研究球形、線形微粒運(yùn)動(dòng)行為和危害性，本文搭建了具有強(qiáng)弱電場分布、更貼合實(shí)際工況的縮比同軸實(shí)驗(yàn)腔體，記錄了兩類微粒起跳、碰撞、運(yùn)動(dòng)和最終停止的全過程，對(duì)比分析了兩類微粒運(yùn)動(dòng)行為的差異；統(tǒng)計(jì)了兩類微粒在絕緣子表面吸附情況和外側(cè)弱電場區(qū)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(nèi)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(shí)驗(yàn)腔體側(cè)視圖

圖6 27kV鋁球運(yùn)動(dòng)過程

結(jié)論

1）運(yùn)動(dòng)行為：球形微粒運(yùn)動(dòng)主要表現(xiàn)為滾動(dòng)，徑向跳動(dòng)高度非常小，而線形微粒起跳時(shí)首先一端抬起，然后豎直站立跳動(dòng)，且在徑向有一段“穩(wěn)態(tài)”跳動(dòng)現(xiàn)象。粒子長度越小、端部光滑度越好以及電壓等級(jí)較低的情況下，線形粒子在電極間的“穩(wěn)態(tài)”跳動(dòng)時(shí)間會(huì)更長。

2）終止位置：球形微粒不會(huì)在絕緣子表面形成吸附，運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，全部停止于球電極外側(cè)的弱電場區(qū)。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(gè)位置，附著于絕緣子表面的顆粒數(shù)均多于弱電場區(qū)的顆粒數(shù)。

3）受力分析：球形微粒運(yùn)動(dòng)過程主要受庫侖力與重力支配，而線形微粒站立跳動(dòng)過程中，電場梯度力的效應(yīng)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(dǎo)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(cè)弱電場區(qū)，線形顆粒經(jīng)過運(yùn)動(dòng)后，多數(shù)吸附于絕緣子表面，附著在絕緣子表面的線形微粒兩端會(huì)產(chǎn)生局部放電，明顯降低絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓，說明線形顆粒危害性高于球形顆粒。