图1 自由金属微粒受力模型
Fig.1 Force model of free metal particles
摘要 自由金属微粒是影响气体绝缘组合电器（GIS）绝缘可靠性的主要威胁之一，常具有潜伏性和随机性，而GIS振动可激励微粒起跳并诱发绝缘击穿，但相关研究鲜有报道。该文建立了特高压GIS中工频电压叠加正弦振动条件下自由金属微粒的荷电、受力和运动仿真计算模型，研究了不同外施电压和振动参数对微粒运动特性的影响规律，并获得不同条件下微粒的超声飞行时间谱图。研究结果表明：初始时刻，在壳体加速度作用下，微粒起跳场强随振幅的增加逐渐降低，微粒半径对起跳场强影响随振幅的增加逐渐减小。微粒运动过程中，相邻两次碰撞间最大飞行高度与碰撞瞬间恢复速度及电压相位有关，且与微粒飞行时间呈正相关。与仅施加工频电压相比，外施振动激励条件下，微粒飞行时间图谱在电压幅值较低时即呈现明显的三角脉冲，且微粒飞行时间图谱呈山峰状，与带状飞行图谱相比具有明显差异，具有较高的识别性。
关键词：气体绝缘组合电器（GIS） 自由金属微粒 工频电压 正弦振动 起跳场强 超声飞行图谱
气体绝缘组合电器（Gas Insulated Metal-Enclosed Switchgear, GIS）具有占地面积小、受环境影响小、运行可靠性高、维修周期长等优点[1-5]。GIS在生产制造过程由于加工工艺不良、搬运中的机械摩擦、开关动作等都可能导致自由金属微粒的产生，金属导电微粒的存在会对GIS绝缘性能产生较大威胁[6-9]，因此，有必要对实际运行工况下GIS内自由金属微粒运动行为以及规律展开研究。
国内外开展了大量有关GIS内自由金属微粒运动规律的研究。西安交通大学张乔根等学者研究了交流电压下GIS内自由金属微粒运动行为及交流电压下自由金属微粒超声幅值-飞行时间图谱特性，并给出了自由导电微粒飞行图谱特征表达式[10-13]。华北电力大学王健等学者研究了直流气体绝缘输电线路（Gas Insulated Transimission Line, GIL）内自由金属微粒运动特性，利用流体力学理论分析了气体阻力、壳体表面粗糙度及非弹性随机碰撞对微粒运动轨迹影响[14]。K. Sakai等使用理论结合实验方式开展了交流楔形电极空气间隙中自由金属微粒运动行为的研究，金属微粒在电场梯度力以及库仑力水平分量作用下，会向局部高场强区域运动，并导致间隙击穿，同时微粒的微放电会对运动方向和击穿电压产生很大影响[15-16]。L. E. Lundgaard等利用声信号检测技术对GIS内自由金属微粒的风险进行评估，研究了微粒质量、长度对微粒飞行时间图谱和声信号幅值的影响[17-19]。A. H. Cookson等研究了不同尺寸球形微粒跳起最大高度与外施电压的关系，随着外施电压幅值增加，球形微粒跳起高度迅速升高，微粒越小，材质越轻，跳动高度越高[20-21]。H. D. Schlemper等指出飞行时间及微粒的动量正比于微粒碰撞时的超声信号幅值。同时研究指出电荷和微粒质量之比与飞行时间的关系。此比值能够决定飞行时间，从而进一步决定超声信号特性及谱图形状[22]。
以上研究对金属微粒在交变电场作用下运动行为和规律进行了详细的研究。然而，在GIS实际运行工况下，由于高压母线电磁力作用、内部接触不良以及紧固性松动等故障，并且考虑到实际GIS内高压断路器分合闸时，其驱动力可达数万牛，对GIS设备整体冲击力在触头制动、缓冲更为强烈，从而引起GIS壳体振动[23-25]，对GIS内金属微粒的起跳以及运动特性产生影响。因此，有必要针对上述工况，考虑GIS壳体振动对金属微粒起跳场强以及运动规律的影响。
本文在现有研究基础上，建立了真实比例的1 100kV GIS仿真模型，对自由金属微粒激活以及运动过程进行受力和数值分析。对比分析了自由金属微粒在工频和工频叠加正弦振动激励下受力以及运动规律，仿真得到微粒运动过程各运动参量变化曲线及外施振动参数变化对微粒起跳以及运动规律的影响。最后通过计算得到微粒飞行时间谱图，研究了不同外施电压幅值对微粒运动规律的影响，并通过实验对仿真结果加以验证。研究结果可为实际GIS内金属微粒检测提供一定的理论指导。
在不考虑微粒靠近绝缘子、高压导体末端以及接头处等区域的情况下，可以忽略微粒受到的轴向电场力作用，因此只需考虑微粒处于二维径向平面的受力情况。由于GIS壳体内表面具有一定表面粗糙度，微粒在水平和竖直方向具有不同的速度恢复系数。因此，速度水平和竖直分量需要分别进行考虑，采用二维直角坐标系分析微粒受力及运动过程更为精确。
在裸电极结构下，微粒主要通过壳体传导带电，忽略微粒可能存在的微弱局部放电过程，在与壳体接触过程中，微粒带电量主要受到壳体底部电场的影响。初始时刻，微粒受到壳体支持力、重力、电场梯度力、交变电场力及气体阻力的作用，在竖直方向多种力的作用下随GIS壳体做正弦运动，如图1所示。
图1 自由金属微粒受力模型
Fig.1 Force model of free metal particles
考虑到SF6气体对微粒的浮力作用，故微粒受到的重力与浮力的合力G'为
（1）式中，G为微粒重力；Ff为浮力；r为微粒半径；
、
分别为金属微粒、SF6气体的密度。
微粒与壳体接触过程中，微粒带电量与所处位置场强大小有关，壳体所处位置电场强度为
（2）式中，R1为高压导体半径；R2为壳体半径；u为工频电压函数。
假设不考虑微粒运动过程中电量损失，故微粒所受电场力的大小与微粒所处位置以及微粒与壳体碰撞后带电量的变化有关。由于施加的是工频电压，因此，微粒带电量与微粒和地电极碰撞时刻有关，地电极极性与高压电极极性相反，对于球形导电微粒，微粒每次与壳体碰撞后的电荷量[26-27]为
（3）式中，ε0和εr分别为真空介电常数和SF6气体介电常数。
微粒受到的库仑力沿径向方向，其表达式为
（4）式中，k为镜像电荷引起的修正系数[26]，微粒靠近壳体时，k取0.832，其他情况k取1。
外施正弦振动可用旋转矢量表示，振幅为Am，圆频率为ω的简谐振动的矢量表示方法，如图2所示。
外施正弦振动位移函数为
图2 外施正弦振动矢量图
Fig.2 Vector diagram of sinusoidal vibration
（5）式中，Am为正弦振动幅值；ω为圆频率；
为位移初始相位。
考虑到微粒在运动过程会受到SF6气体摩擦阻力作用，球形微粒所受气体粘滞阻力[15]为
（6）
式中，η为气体的粘滞系数；v为微粒运动速度；Fv的方向与微粒运动方向相反。
对于同轴圆柱电极，电场沿径向呈梯度变化。微粒受到的电场梯度力与微粒带电量无关，且始终沿半径指向圆心方向，电场梯度力可以表示为
（7）根据式（7）电场梯度力计算公式，可知微粒处于壳体底部时所受电场梯度力相对于其他作用力可以忽略。因此，微粒在随壳体运动过程中满足力学方程，即
（8）
式中，
为微粒受到的壳体的支持力。
微粒被激活的条件是：不受壳体的支持力作用，即FN=0。
由于微粒的几何尺寸大多处于mm级甚至μm级，相对于真实的GIS管道壳体尺寸可以忽略，并且在工频电压下，作用于微粒的交变电场力以及电场梯度力的水平方向分量相对于竖直方向分量很小，因此，微粒在壳体底部较小的一部分区域内运动，其弧度大约在15°[14]，因此其运动范围相对于真实的GIS尺寸，其碰撞接触面近似可看成是水平面。考虑到微粒与壳体碰撞位置以及碰撞时速度与水平方向夹角α和β，将速度分解为竖直和水平方向两个分量vx和vy，分别采用不同的速度恢复系数，参考文献[15-16]中微粒水平方向受力分析以及实验测量结果，将水平方向速度恢复系数取1，竖直方向取0.7。
当微粒以某一入射角度与壳体发生碰撞时，会沿碰撞点壳体切线坐标系发生反射。由于壳体内表面并不完全光滑，反射角度具有一定随机性，因此在原有速度反射角β的各邻域内，留有角度为γ的随机反射裕度角，如图3所示。
图3 碰撞过程反射角的随机性
Fig.3 Randomness of reflex-angle
根据微粒与壳体碰撞位置的不同，恢复速度分别满足不同方程。当微粒与壳体左半圆碰撞时，水平及竖直方向恢复速度为
（9）当微粒与壳体右半圆碰撞时，恢复速度为
（10）
式中，α为碰撞点与圆心的连线与水平方向夹角，即微粒碰撞点的位置角；β为微粒运动速度方向与水平方向夹角，即微粒运动的速度角；γ为随机反射角，γ取值主要与壳体表面粗糙度有关。结合文献[14]中根据实验观测结果得到的γ取值以及GIS壳体内表面粗糙度，将γ取值范围设置为-5°～+5°。
利用外施正弦振动激励模拟GIS壳体竖直方向简谐振动。微粒与壳体碰撞瞬间，二者组成的系统所受外力虽然不等于零，但系统的内力远大于微粒受到的电场力以及气体粘滞阻力，系统的动量可近似看成守恒。由于微粒与壳体碰撞类似于小金属球与质量无穷大金属板的碰撞模型，微粒碰撞恢复系数为e（与材料特性有关），根据碰撞恢复系数与动量守恒定律[28-29]，列出如下微粒运动方程。
（11）式中，
和
分别为微粒与壳体质量；v1和v2分别为微粒与壳体碰撞前运动速度；
和
分别为微粒与壳体碰撞后恢复速度。由于
，因此碰撞瞬间壳体速度基本保持不变，即v2=v2'，故式（11）可化简为
（12）
根据上述对微粒碰撞以及运动过程分析，利用仿真软件计算半径0.5mm球形金属铝微粒分别在工频电压幅值为900kV以及叠加振幅为100μm正弦振动激励下空间位置密度分布，每组仿真取10 000次碰撞，仿真结果如图4所示。
图4 工频以及工频叠加正弦振动激励下金属微粒空间位置密度分布图
Fig.4 Distribution of particle spatial position density under power frequency and power frequency voltage superimposed sinusoidal vibration
根据图4所示仿真计算结果，微粒在同轴圆柱电极空间位置分布主要集中在壳体底部中间区域，并且空间位置密度分布由壳体底部向电极空间区域逐渐减小。
相对于工频情况下，工频电压叠加正弦振动情况下微粒在水平以及竖直方向位移均有增加，水平方向最大位移由17cm增加到27cm，竖直方向最大位移由1.5cm增加到2cm。分析出现上述现象的原因是：由于壳体具有一定弧度，在竖直方向施加振动激励时，微粒碰撞前瞬间速度竖直方向分量vy因叠加振动发生改变，壳体传递给微粒竖直方向动量对微粒水平以及竖直方向恢复速度均会产生影响，如式（9）和式（10）所示。因此，微粒碰撞后水平以及竖直方向恢复速度均有所增加，空间位置分布区域也因此增加。
结合上述微粒运动过程分析和实际GIS运行工况下壳体振动对微粒起跳以及运动过程的影响，接下来分别探究不同外施振动激励对微粒起跳与运动规律的影响。
初始运动时刻，静止于壳体底部的金属微粒受力如图5所示。
图5 静止金属微粒受力分析
Fig.5 Force analysis of static particles
利用仅施加工频电压模拟忽略壳体自身振动对微粒运动过程的影响。此时，壳体保持静止，上述加速度a取值为0。当微粒在竖直方向受到的电场力足以克服自身重力时，微粒即可脱离壳体运动。结合式（1）、式（3）、式（4）、式（8），可得微粒起跳场强为
（13）在工频电压叠加外施正弦振动激励情况下，静止于壳体底部的金属微粒不仅受到电场力、重力、电场梯度力及气体粘滞阻力作用，并且在微粒跟随壳体运动过程中，壳体在竖直方向上给微粒施加一初始加速度。结合上述对微粒运动过程的分析，微粒跟随壳体运动过程中，处于壳体底部的微粒受到的电场梯度力相对于电场力和重力可以忽略，故微粒脱离壳体运动需满足如式（14）所示运动方程。
（14）
结合实际现场测量和相关文献，可得GIS壳体振动基频分量主要集中于100Hz，振动幅值在0.5～50μm之间[25]。故设定振幅分别为10μm、20μm、30μm，频率为100Hz外施正弦激励模拟实际GIS壳体振动。微粒半径r分别为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1mm、1.25mm，施加幅值为500kV工频电压，电压以及外施振动初始相位均为0°，根据式（13）和式（14），计算得到工频以及工频电压叠加外施正弦振动激励条件下微粒起跳场强，如图6所示。
图6 工频以及工频电压叠加外施正弦振动激励下微粒起跳场强
Fig.6 The take-off electric field strength of particles under power frequency and power frequency voltage superimposed sinusoidal vibration
根据图6所示计算结果，半径为1.25mm微粒在幅值为500kV工频电压叠加振幅为10μm外施正弦振动激励下未能有效激活，当振动幅值增加到20μm时，微粒被有效激活。工频叠加外施正弦振动激励相对于仅施加工频电压能够明显降低微粒起跳场强。随着外施机械振动幅值增加，微粒起跳场强逐渐降低，并且随微粒半径增加，微粒起跳场强增加逐渐变缓，此时，微粒起跳主要受到振动幅值参量的影响。
当外施激励满足2.1节计算得到的临界起跳条件时，微粒将脱离壳体，在电极空间内自由运动并不断与壳体碰撞释放出声信号。由于微粒在水平方向受力远远小于微粒在竖直方向受力，故忽略微粒在水平方向速度分量，只考虑微粒在竖直方向速度分量，微粒在竖直方向满足如式（15）所示运动方程。
（15）微粒与壳体碰撞瞬间，微粒带电量发生变化，同时由于碰撞，微粒具有一向上的初始恢复速度。假设微粒在飞行过程中带电量保持不变，则微粒在电场力以及重力等力的作用下再次飞起，直至再次与壳体发生碰撞。相邻两次碰撞间微粒最大飞行高度估算公式为
（16）
上述微粒激活以及运动过程的计算流程如图7所示。
图7 微粒激活以及运动过程的计算流程
Fig.7 Computational flow chart of particle activation and movement process
根据实际1 100kV GIS尺寸建立仿真计算模型。其中壳体内径为880mm，高压导体内径为180mm，球形微粒半径为0.5mm，金属铝材质，分别施加幅值为900kV的工频电压及工频叠加频率为100Hz、幅值为50μm的正弦振动激励。根据1.2节对微粒运动以及碰撞过程分析，仿真得到微粒在工频以及工频叠加外施正弦振动激励下微粒运动参量变化曲线，如图8和图9所示。
根据图8所示仿真计算结果可以发现，微粒相邻两次碰撞间最大运动高度与微粒飞行时间相关，相邻两次碰撞间隔时间越长，相应的微粒最大飞行高度越高。而微粒相邻两次碰撞飞行时间受到微粒碰撞瞬间恢复速度大小及飞行过程微粒受力情况影响。在文献[13]中，假设微粒在相邻两次碰撞间最大运动高度主要受到碰撞瞬间恢复速度影响，忽略了碰撞瞬间电压相位对微粒运动的影响。
图8 工频电压下微粒运动行为
Fig.8 Particle motion behavior under power frequency voltage
图9 工频叠加外施正弦振动激励微粒运动行为
Fig.9 Motion behavior of particles excited by power frequency superposition and applied sinusoidal vibration
根据图8所示虚线标记区域微粒运动过程各参量变化曲线，微粒与壳体第二次碰撞瞬间恢复速度小于第三次微粒碰撞恢复速度，但相对应的微粒第二次碰撞后最大飞行高度要明显高于第三次碰撞后最大飞行高度，仿真计算结果与上述文献假设条件相悖。出现上述现象的原因是微粒在第二次碰撞后速度继续增加，第三次碰撞后速度开始减小，而微粒与壳体碰撞后速度变化与微粒碰撞瞬间电压相位相关。若微粒与壳体碰撞瞬间电压相位恰好过零点，则根据微粒碰撞过程带电量计算公式，此时微粒带电量为零，可将微粒在下一碰撞间隔内运动过程简化为竖直上抛运动。若碰撞瞬间电压处于非零点，则微粒在碰撞后会受到向上的电场力作用，若此电场力大于重力以及气体粘滞阻力作用，微粒在碰撞后会有一段向上加速的过程，并在下一碰撞时间间隔内受到周期性的电场力作用。
在上述文献中，由于把微粒相邻两次碰撞过程简化为上抛运动，忽略了碰撞瞬间电压相位对微粒运动规律的影响，因此，导致上述假设条件与微粒运动仿真计算过程出现偏差。
对比图8与图9仿真计算结果可以发现，相对于仅施加工频电压，工频叠加外施正弦振动激励下微粒相邻两次碰撞间时间间隔以及运动高度普遍增加。
结合式（12）和式（16）对上述差异进行解释。根据式（12）所示工频叠加正弦振动激励微粒碰撞恢复速度计算公式可得，工频叠加正弦振动激励相对于仅施加工频电压，微粒与壳体碰撞瞬间恢复速度有所提高。并根据式（16）微粒在相邻两次碰撞之间最大飞行高度估算公式，可得微粒相邻两次碰撞间最大飞行高度与微粒碰撞恢复速度相关，恢复速度增加，微粒最大飞行高度随之增加。
声信号检测作为非侵入式检测方法，只有当金属微粒处于激活状态才能有效采集微粒与壳体碰撞所产生的微弱声信号。
由于微粒碰撞产生的声信号幅值与微粒碰撞瞬间动量大小有关，若微粒质量保持不变，则碰撞所产生的声信号幅值与微粒碰撞时速度大小呈线性关系[17]。因此，可以利用微粒与壳体碰撞瞬间的速度大小代替微粒碰撞所产生的超声信号幅值。
根据2.1节计算结果，工频电压下，直径为1mm球形铝质微粒起跳场强为6.026kV/cm，利用式（2）计算得到最低外施工频电压幅值为420.763kV。因此，为了研究微粒运动规律，分别施加幅值为500kV、700kV、900kV工频电压，计算得到如图10所示微粒超声飞行幅值-时间图谱，图中横坐标Δt表示微粒相邻两次碰撞时间间隔，纵坐标v表示微粒与壳体碰撞瞬间速度大小。
图10 工频电压下微粒飞行图谱
Fig.10 Acoustic flight pattern of particles under power frequency
随着外施工频电压幅值增加，微粒飞行图谱呈现出逐渐上升的三角脉冲分布规律，并且三角脉冲宽度基本保持不变，维持在0.02s左右，即工频电压一个周期时间。假设微粒在相邻两次碰撞飞行过程中带电量保持不变，则微粒在运动过程中受到周期性的电场力作用，因此图谱的三角脉冲时间间隔呈现工频电压周期的倍频特性。由于微粒碰撞瞬间带电量与工频电压幅值呈正相关，因此随着外施电压幅值的增加，受到的电场力幅值增加，飞行时间相应延长，碰撞瞬间速度也逐渐增加。
由2.1节计算结果可知，工频电压叠加外施正弦振动激励能够降低微粒起跳场强，有效激活自由金属微粒，提高金属微粒检出效率。在3.1节所述计算模型基础上，外施频率为100Hz，幅值为100μm的正弦振动激励，仿真结果如图11所示。
图11 工频电压叠加正弦振动激励微粒飞行图谱
Fig.11 Acoustic flight pattern of particles under power frequency voltage superimposed sine vibration
相较于仅施加工频电压，在工频电压叠加正弦振动激励下，施加电压幅值为500kV时微粒运动图谱即呈现出明显的三角脉冲，且三角脉冲的宽度同样为一个工频电压周期时间，与外施正弦振动激励频率无关。出现上述现象的原因是：微粒在运动过程中的受力与交变的电场力有关，外施正弦振动仅能在碰撞瞬间改变微粒运动行为，对处于飞行状态的微粒运动没有影响。
对比图9和图10微粒飞行图谱，可以发现：工频叠加外施正弦振动激励与仅施加工频电压相比，三角脉冲形状具有显著差异。工频电压下微粒飞行图谱呈条带状分布，叠加外施正弦振动激励后，三角脉冲呈山峰状分布。在文献[17]中，将工频电压下微粒飞行图谱分解为线性的重力线和呈正弦分布的外包络线，叠加外施正弦振动激励后，微粒与壳体碰撞瞬间，微粒由于碰撞会损失部分能量，但同时壳体将自身运动动能传递给微粒。因此，微粒碰撞恢复速度不仅与微粒和壳体材料属性有关，也与碰撞瞬间壳体运动速度有关。根据式（12）微粒与壳体碰撞恢复速度计算公式，若微粒与壳体碰撞瞬间，微粒处于向下运动状态，壳体处于简谐振动上升阶段，则微粒与壳体相对运动速度相对于仅施加工频电压时增加，微粒与壳体碰撞后恢复速度也随之增加，导致图谱上包络线峰值增加。若微粒与壳体碰撞瞬间，微粒运动方向与壳体运动方向相同，则碰撞瞬间，微粒与壳体相对速度减小，碰撞后微粒恢复速度随之减小，因此，三角脉冲下包络线波动幅值减小。
为了验证本文仿真结果准确性，搭建了与上述同轴圆柱电极同样具有稍不均匀场的碗状电极实验平台对上述仿真结果进行验证。采用直径为0.9mm的球形金属钢微粒进行实验，分别施加三个不同电压等级工频电压，实验结果如图12所示，图中横坐标Δt表示相邻两次碰撞时间间隔，纵坐标A为碰撞信号幅值。
图12 微粒实验飞行图谱
Fig.12 Experimental acoustic flight pattern of particles
对比实验以及仿真结果，可以发现，实验结果与未考虑振动条件下仿真结果有较明显差异，更接近考虑振动条件下微粒超声飞行谱图。并通过结合相关已有实验研究结果[13,17,30-31]，可进一步对考虑正弦振动激励下微粒运动仿真结果准确性进行验证。
因此，在接下来的相关研究中，为了提高仿真结果的准确性，有必要将壳体振动耦合到仿真模型当中。
1）微粒起跳场强随壳体振幅增加逐渐降低，且微粒半径对起跳场强影响随振幅增加逐渐减小；振幅为10μm时微粒起跳场强相对于未施加振动下降约25%，振幅增加到30μm时，微粒起跳场强随半径增加基本保持不变，约为2kV/cm。
2）微粒相邻两次碰撞间最大飞行高度与微粒碰撞瞬间电压相位以及碰撞恢复速度有关，相位为零时，微粒近似做竖直上抛运动，同样碰撞恢复速度条件下运动高度最低，正弦振动激励能够有效加快微粒碰撞恢复速度，使得最大飞行高度相对于仅施加工频电压有所增加。
3）正弦振动激励下微粒飞行图谱呈山峰状，与仅施加工频电压下带状飞行图谱相比具有明显形态差异，在外施工频电压幅值较低时，飞行图谱即呈现明显的三角脉冲，因此具有更高的可识别性。
4）微粒与振动壳体碰撞瞬间，若二者运动方向相反，则图谱的上包络线幅值会明显增加；若运动方向相同，图谱的下包络线幅值变化会明显减小，导致最终微粒飞行时间图谱呈山峰状分布。
参考文献
[1] 邱毓昌. GIS 设备及其绝缘技术[M]. 北京: 水利电力出版社, 1994.
[2] 张连根, 路士杰, 李成榕, 等. 气体绝缘组合电器中微米量级金属粉尘运动和放电特征[J]. 电工技术学报, 2020, 35(2): 234-242.
Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Movement and discharge characteristics of mocron-scale metal dust in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 234-242.
[3] 庄丞, 曾建斌, 袁传镇. 表面异物对252kV气体绝缘组合电器盆式绝缘子绝缘性能的影响[J]. 电工技术学报, 2019, 34(20): 42-50.
Zhuang Cheng, Zeng Jianbing, Yuan Chuanzhen. Effect of surface foreign matters on the insulation property of 252kV gas insulated switchgear basin insulators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 42-50.
[4] 高克利, 颜湘莲, 刘焱, 等. 环保气体绝缘管道技术研究进展[J]. 电工技术学报, 2020, 35(1):3-20.
Gao Keli, Yan Xianglian, Liu Yan, et al. Progress of technology for environment-friendly gas insulated transmission line[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35 (1): 3-20.
[5] 罗毅, 唐炬, 潘成, 等. 直流GIS/GIL盆式绝缘子表面电荷主导积聚方式的转变机理[J]. 电工技术学报, 2019, 34(23): 185-194.
Luo Yi, Tang Ju, Pan Cheng, et al. The transition mechanism of surface charge accumulation dominating way in DC GIS/GIL[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(23): 185-194.
[6] 张连根, 路士杰, 李成榕, 等. GIS中线形和球形金属微粒的运动行为和危害性[J]. 电工技术学报, 2019, 34(20): 51-59.
Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Motor behavior and hazard of spherical and linear particle in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 51-59.
[7] 孙秋芹, 罗宸江, 王峰, 等. 直流 GIL 导体表面金属颗粒跳跃运动特性研究[J]. 电工技术学报, 2018, 33(22): 5206-5216.
Sun Qiuqin, Luo Chenjiang, Wang Feng, et al. Jumping characteristics of metal particle onthe surface of DC gas insulated transmission line conductor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(22): 5206-5216.
[8] 李庆民, 王健, 李伯涛, 等. GIS/GIL 中金属微粒污染问题研究进展[J]. 高电压技术, 2016, 42(3): 849-861.
Li Qingmin, Wang Jian, Li Botao, et al. Review on metal particle contamination in GIS/GIL[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 849-861.
[9] Diessner A , Trump J G . Free conducting particles in a coaxial compressed-gas-insulated system[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus & Systems, 1970, PAS-89(8):1970-1978.
[10] 贾江波, 张乔根, 师晓岩, 等. 交流电压下绝缘子附近导电微粒运动特性[J]. 电工技术学报, 2008, 23(5): 7-11.
Jia Jiangbo, Zhang Qiaogen, Shi Xiaoyan, et al. Motion of conducting particle near PTFE spacer under AC voltage[J]. Transactions of China Electro-technical Society, 2008, 23(5): 7-11.
[11] 贾江波, 陶风波, 杨兰均, 等. GIS 中不均匀直流电场下球状自由导电微粒运动分析[J]. 中国电机工程学报, 2006, 26(8): 106-111.
Jia Jiangbo, Tao Fengbo, Yang Lanjun, et al. Motion analysis of spherical free conducting particle in non- uniform electric field of GIS under DC voltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(8): 106-111.
[12] 贾江波, 查玮, 杨连殿, 等. 直流电压下绝缘子附近球形导电微粒运动起始电压研究[J]. 西安交通大学学报, 2006, 40(6): 699-703.
Jia Jiangbo, Zha Wei, Yang Liandian, et al. Threshold voltage of spherical conducting particle motion near spacer in inhomogeneous electric field[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2006, 40(6): 699-703.
[13] Wu Zhicheng , Zhang Qiaogen , Song Jiajie , et al. Improved method for acoustic identification of free conductive particle defects in GIL[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2018, 34(4): 1317-1323.
[14] 王健, 李庆民, 李伯涛, 等. 考虑非弹性随机碰撞与SF6/N2混合气体影响的直流GIL球形金属微粒运动行为研究[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(15): 3971-3978.
Wang Jian, Li Qingmin, Li Botao, et al. Motion analysis of spherical conducting particlein DC GIL considering the influence of inelastic random collisions and SF6/N2 gaseous mixture[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(15): 3971-3978.
[15] Sakai K, Abella D L, Khan Y, et al. Theoretical and experimental studies for spherical free-conducting particle behavior between nonparallel plane electrodes with AC voltages in air[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, 10(3): 404-417.
[16] Sakai K, Tsuru S, Abella D L, et al. Conducting particle motion and particle-initiated breakdown in DC electric field between diverging conducting plates in atmospheric air[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1999, 6(1): 122-130.
[17] Lundgaard L E. Particles in GIS characterization from acoustic signatures[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2001, 8(6): 1064-1074.
[18] Lundgaard L E, Runde M. Acoustic diagnosis of gas insulated substations: a theoretical and experimental basis[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1990, 5(4): 1751-1759.
[19] Lundgaard L E , Tangen G . Acoustic diagnoses of GIS; field experience and development of expert system[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 1992, 7(1): 287-294.
[20] Cookson A H, Boln P C, Doepken H C, et al. Recent research in the united states on the effect of particle contamination reducing the breakdown voltage in compressed gas-insulated systems[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1972, PAS-91(4): 1329-1328.
[21] Cookson A H, Farish O. Particle-initiated breakdown between coaxial electrodes in compressed SF6[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1973, PAS-92(3): 871-876.
[22] Schlemper H D, Feser K. Characterisation of moving particles in GIS by acoustic and electric partial discharge detection[C]//10th International Symposium on HV Engineering, Montreal, 1997, 2: 13-18.
[23] 蒋玲, 曲全磊, 王志惠, 等. 高温差工况下长母线GIS设备振动特性研究[J]. 高压电器, 2019, 55(11): 144-151.
Jiang Ling, Qu Quanlei, Wang Zhihui, et al. Study on vibration characteristics of long⁃busbar GIS equipment in large temperature difference conditions[J]. High Voltage Apparatus, 2019, 55(11): 144-151.
[24] 丁登伟, 何良, 龙伟, 等. GIS设备运行状态下振动机理及检测诊断技术研究[J]. 高压电器, 2019, 368(11): 101-107.
Ding Dengwei, He Liang, Long Wei, et al. Analysis on vibration mechanisms and detection diagnosis technology of GIS in operating condition[J]. High Voltage Apparatus, 2019, 368(11): 101-107.
[25] 刘媛, 杨景刚, 贾勇勇, 等. 基于振动原理的GIS隔离开关触头接触状态检测技术[J]. 高电压技术, 2019, 45(5): 1591-1599.
Liu Yuan, Yang Jinggang, Jia Yongyong, et al. Connection state diagnosis method of GIS disconnector based on mechanical vibration[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(5): 1591-1599.
[26] Masanori H, Masanori A. A method for prediction of gaseous discharge threshold voltage in the presence of a conducting particle[J]. Journal of Electrostatics, 1977, 2(3): 223-239.
[27] Lebedev N N. Force acting on a conducting sphere in the field of a parallel plane condenser[J]. Soviet Journal Physics-Technical Physics, 1962, 7: 268-270.
[28] 董连政. 恢复系数两种定义等价性的证明[J]. 吉林师范大学学报(自然科学版), 2004, 25(2): 74-75.
Dong Lianzheng. Prove the equivalence of two definitions of restitution coefficient[J]. Jilin Normal University Journal (Natural Science Edition), 2004, 25(2): 74-75.
[29] 吴百诗. 大学物理（修订本）[M]. 西安: 西安交通大学出版社, 2000.
[30] Runde M, Aurud T. Risk assessment basis of moving particles in gas insulated substations[C]// Proceeding of 1996 Transmission and Distribution Conference and Exposition, Los Angeles, USA, 1996: 181-188.
[31] Schlemper H D, Feser K. Estimation of mass and length of moving particles in GIS by combined acoustical and electrical PD detection[C]//Conference on Electrical Insulation & Dielectric Phenomena-ceidp, Millbrae, USA, 1996, 1: 90-93.
Motion Characteristics of Free Metal Particles in GIS under Sinusoidal Vibration
Abstract Free metal particles are one of the main threats to the reliability of gas insulated metal-enclosed switchgear (GIS) insulation. They have the character of latent and random. The vibration of GIS can excite particles to taken off and induced insulation breakdown, but related research was rarely reported. This paper established a simulation calculation model for the charging, force, and motion of free metal particles under the power frequency voltage superimposed sinusoidal vibration in UHV GIS. Researching the influence of voltage and vibration parameters on the particle motion characteristics and obtained particles' acoustic flight patterns under different conditions. The results show that under the vibration of the shell acceleration at the initial moment. The take-off electric field strength of particles gradually decreases with the increase of the amplitude. The effect of the particle radius on the take-off electric field strength gradually decreases with the amplitude's growth. During the movement, the maximum flight height of particles between two adjacent collisions is related to the collision recovery speed and the instantaneous voltage phase of the collision. And the maximum flight height is positively related to particle flight time. Under the power frequency voltage superimposed sinusoidal vibration, the acoustic flight pattern shows an evident triangular pulse with a higher recognition when the voltage amplitude is low. The acoustic flight pattern is mountain-shaped, significantly different from the band flight pattern under the power frequency voltage application.
keywords：Gas insulated metal-enclosed switchgear(GIS), free metal particles, power frequency voltage, sinusoidal vibration, take-off electric field strength, acoustic flight pattern
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201425
中图分类号：TM85
国家电网有限公司科技项目资助（5500-202018080A-0-0-00）。
收稿日期 2020-10-27
改稿日期 2020-12-02
李 杰 男，1996年生，硕士研究生，研究方向为GIS/GIL绝缘状态监测与诊断技术。E-mail：jieli112358@stu.xjtu.edu.cn
李晓昂 男，1989年生，副研究员，硕士生导师，研究方向为脉冲功率技术、气体放电特性及其应用、GIS放电特性及其环保化技术等。E-mail：li_xiaoang@xjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）