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並誘發絕緣擊穿，但相關研究鮮有報道。電力裝置電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）、國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院的研究人員李傑、李曉昂 等，在2021年第21期《電工技術學報》上撰文，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、受力和運動模擬計算模型，研究了不同外施電壓和振動引數對微粒運動特性的影響規律，並獲得不同條件下微粒的超聲飛行時間譜圖。
研究結果表明：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速度及電壓相位有關，且與微粒飛行時間呈正相關。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明顯的三角脈衝，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（Gas Insulated Metal-Enclosed Switchgear, GIS）具有佔地面積小、受環境影響小、執行可靠性高、維修週期長等優點。GIS在生產製造過程由於加工工藝不良、搬運中的機械摩擦、開關動作等都可能導致自由金屬微粒的產生，金屬導電微粒的存在會對GIS絕緣效能產生較大威脅[6-9]，因此，有必要對實際執行工況下GIS內自由金屬微粒運動行為以及規律展開研究。
國內外開展了大量有關GIS內自由金屬微粒運動規律的研究。然而，在GIS實際執行工況下，由於高壓母線電磁力作用、內部接觸不良以及緊固性鬆動等故障，並且考慮到實際GIS內高壓斷路器分合閘時，其驅動力可達數萬牛，對GIS裝置整體衝擊力在觸頭制動、緩衝更為強烈，從而引起GIS殼體振動，對GIS內金屬微粒的起跳以及運動特性產生影響。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律的影響。
電力裝置電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學）等單位的研究人員在現有研究基礎上，建立了真實比例的1100kV GIS模擬模型，對自由金屬微粒啟用以及運動過程進行受力和數值分析。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律，模擬得到微粒運動過程各運動參量變化曲線及外施振動引數變化對微粒起跳以及運動規律的影響。
圖1 微粒實驗飛行圖譜
研究人員最後透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律的影響，並透過實驗對模擬結果加以驗證。研究結果如下，其成果可為實際GIS內金屬微粒檢測提供一定的理論指導。
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小；振幅為10μm時微粒起跳場強相對於未施加振動下降約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速度有關，相位為零時，微粒近似做豎直上拋運動，同樣碰撞恢復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速度，使得最大飛行高度相對於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差異，在外施工頻電壓幅值較低時，飛行圖譜即呈現明顯的三角脈衝，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，則圖譜的上包絡線幅值會明顯增加；若運動方向相同，圖譜的下包絡線幅值變化會明顯減小，導致最終微粒飛行時間圖譜呈山峰狀分佈。
本文編自2021年第21期《電工技術學報》，論文標題為“正弦振動激勵下GIS內自由金屬微粒運動特性”，作者為李傑、李曉昂 等。
