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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(yùn)行可靠性高、維修周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。GIS在生產(chǎn)制造過(guò)程由于加工工藝不良、搬運(yùn)中的機(jī)械摩擦、開(kāi)關(guān)動(dòng)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(huì)對(duì)GIS絕緣性能產(chǎn)生較大威脅[6-9]，因此，有必要對(duì)實(shí)際運(yùn)行工況下GIS內(nèi)自由金屬微粒運(yùn)動(dòng)行為以及規(guī)律展開(kāi)研究。

國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了大量有關(guān)GIS內(nèi)自由金屬微粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究。然而，在GIS實(shí)際運(yùn)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(dòng)等故障，并且考慮到實(shí)際GIS內(nèi)高壓斷路器分合閘時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力可達(dá)數(shù)萬(wàn)牛，對(duì)GIS設(shè)備整體沖擊力在觸頭制動(dòng)、緩沖更為強(qiáng)烈，從而引起GIS殼體振動(dòng)，對(duì)GIS內(nèi)金屬微粒的起跳以及運(yùn)動(dòng)特性產(chǎn)生影響。因此，有必要針對(duì)上述工況，考慮GIS殼體振動(dòng)對(duì)金屬微粒起跳場(chǎng)強(qiáng)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。

電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西安交通大學(xué)）等單位的研究人員在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，建立了真實(shí)比例的1100kV GIS仿真模型，對(duì)自由金屬微粒激活以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行受力和數(shù)值分析。對(duì)比分析了自由金屬微粒在工頻和工頻疊加正弦振動(dòng)激勵(lì)下受力以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，仿真得到微粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程各運(yùn)動(dòng)參量變化曲線及外施振動(dòng)參數(shù)變化對(duì)微粒起跳以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。

圖1 微粒實(shí)驗(yàn)飛行圖譜

研究人員最后通過(guò)計(jì)算得到微粒飛行時(shí)間譜圖，研究了不同外施電壓幅值對(duì)微粒運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果加以驗(yàn)證。研究結(jié)果如下，其成果可為實(shí)際GIS內(nèi)金屬微粒檢測(cè)提供一定的理論指導(dǎo)。

1）微粒起跳場(chǎng)強(qiáng)隨殼體振幅增加逐漸降低，且微粒半徑對(duì)起跳場(chǎng)強(qiáng)影響隨振幅增加逐漸減??；振幅為10μm時(shí)微粒起跳場(chǎng)強(qiáng)相對(duì)于未施加振動(dòng)下降約25%，振幅增加到30μm時(shí)，微粒起跳場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，微粒近似做豎直上拋運(yùn)動(dòng)，同樣碰撞恢復(fù)速度條件下運(yùn)動(dòng)高度最低，正弦振動(dòng)激勵(lì)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(duì)于僅施加工頻電壓有所增加。

3）正弦振動(dòng)激勵(lì)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(shí)，飛行圖譜即呈現(xiàn)明顯的三角脈沖，因此具有更高的可識(shí)別性。

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

本文編自2021年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“正弦振動(dòng)激勵(lì)下GIS內(nèi)自由金屬微粒運(yùn)動(dòng)特性”，作者為李杰、李曉昂 等。