图1 交流与操作冲击叠加试验平台
Fig.1 The AC and switching impulse superposition experiment platform
摘要 在实际工程中，气体绝缘组合电器（GIS）在运行中不可避免地会受到操作冲击电压的瞬时作用，严重时会激发内部金属微粒缺陷运动而导致局部放电，威胁设备安全运行。该文基于工频叠加操作冲击电压试验平台，搭建了局部放电检测与运动捕捉的关联分析系统，研究并分析了不同粒径和数量的线形金属微粒在工频叠加操作冲击电压下的局部放电特性及同步运动关联性。结果表明，操作冲击电压可以显著激发工频下的线形金属微粒运动，并产生局部放电，单颗粒下的两种不同放电模式与两种运动过程具有显著关联性；对于叠加电压作用下的多个颗粒，其存在非同步起跳行为，且与放电重复率存在相关性。该文的研究结果有助于深入探索冲击电压下金属微粒放电及发展的内在机理，对保障电力系统安全运行具有重要工程意义。
关键词：工频叠加操作冲击电压 局部放电 运动特性 气体绝缘组合电器（GIS）
近年来，随着气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）在电网中的大规模应用，其绝缘故障不断增加，已成为影响GIS可靠运行的关键问题[1-5]。国际大电网会议（CIGRE）调研结果表明，GIS中金属微粒及异物引发绝缘故障的概率最高，占全部绝缘缺陷的20%以上。这些金属微粒主要来源于设备制造、装配、运输、安装及运行过程中的机械磨损[6-9]。一旦被激发运动，便会产生局部放电，降低GIS绝缘性能，甚至诱发绝缘故障。
近年来的现场运行经验表明，多起金属微粒缺陷引发的绝缘故障发生于开关操作后[10]，且部分故障常常发生在远离操作开关的母线气室之中。造成上述故障的主要原因在于，在开关操作过程中会产生操作过电压，设备实际承受的是工频叠加操作冲击电压，在该电压作用下，大幅值的暂态过电压会激发GIS内部金属微粒运动，并在后续工频交流电压的作用下引发局部放电，最终导致绝缘击穿或闪络故障。
研究电场作用下金属微粒的运动行为和局部放电特性是预防此类绝缘故障发生的重要基础。当前，国内外学者围绕不同电压下金属微粒的局部放电与运动行为进行了大量研究，并探究了金属微粒大小尺寸等物理形态对其运动及局部放电的影响[11-16]。马飞越等测试了典型线形及球形微粒在不同交流电压等级下的放电图谱，并使用数值计算方法模拟了金属微粒受力运动轨迹，对比分析了微粒尺寸评估图谱[17]。季洪鑫研究了运行电压下微粒形状、尺寸、数量对运动行为的影响，将金属微粒运动分为静止、小幅度跳动、大幅度跳动及贯穿跳跃四种，并且研究了开关动作时的振动冲击对金属微粒产生的影响，提出了金属微粒的危害诊断方法[18]。齐波等研究了GIS中自由移动的金属颗粒引发局部放电的过程，将局部放电严重程度分为轻微放电、中度放电和威胁性放电，通过检测系统谱图的变化，诊断和评估GIS绝缘子表面自由金属颗粒引发局部放电的严重程度[19]。史天一等聚焦金属微粒在交流电压和机械振动影响下的移动和放电，搭建了联合试验平台，通过观察研究将亚mm级颗粒运动分为初始阶段和发展阶段，考虑麦克斯韦-瓦格纳效应并对试验结果展开了分析[20]。上述研究主要集中于交流或直流等单一电压工况，对于在工频叠加操作冲击电压下金属微粒激发的放电特性与运动行为关注较少。作者所在研究团队首次关注这一特殊电压作用下的金属微粒运动行为和局部放电特性，并在前期开展了工频叠加雷电冲击作用下的金属微粒局部放电研究。研究结果表明，当负极性雷电冲击叠加在交流负半周期后，会激发微粒后续的局部放电[21]。
虽然当前的研究已表明工频叠加冲击电压对金属微粒的运动和放电具有明显的激发作用，但这一过程具有复杂的多时间尺度效应，μs级的暂态冲击电压为金属微粒的运动提供初始加速度，并在后续ms级的工频电压下不断加速，进而产生局部放电[22]。这一过程中金属微粒的运动行为和产生的局部放电密切相关，而目前对于工频叠加冲击电压下金属微粒被激发后的运动过程与局部放电的关联特性尚不清楚。
本文针对工频叠加操作冲击这一工况，构建局部放电检测与运动捕捉的关联分析系统，研究线形金属微粒的局部放电激发过程，并同步捕捉局部放电中金属微粒的运动行为，针对叠加冲击电压下线形金属微粒局部放电特性和运动特性开展关联分析。
对于工频叠加操作冲击电压这一特殊工况，本文搭建交流与操作冲击叠加试验平台如图1所示。试验平台包括工频试验系统、额定电压为100 kV的操作冲击电压回路、球隙同步触发系统、局部放电测量回路和保护器件。移相触发系统通过分压器2获取试品上的电压信号，并利用控制模块经传输光纤对触发球隙g1、隔离保护球隙g2进行同步触发，通过ns级时序同步控制技术，确保两球隙动作的同步，从而保证叠加至缺陷端的电压波形的相位一致性与可靠性。同时，可从与试品并联的分压器1处测量试品上施加的电压波形。
图1 交流与操作冲击叠加试验平台
Fig.1 The AC and switching impulse superposition experiment platform
搭建的局部放电检测系统包括高频脉冲电流传感器（High-Frequency Current Transducer, HFCT）、局部放电检测仪（DDX9121b）以及高分辨率数字示波器（Tektronix HDO9104）。对于在叠加电压下金属微粒的局部放电主要使用高频脉冲电流传感器（800 kHz～102 MHz）与示波器进行检测，同时使用局部放电检测仪记录局部放电相位分布（Phase Resolved Partial Discharge, PRPD）谱图。
试验通过移相触发器控制操作冲击电压施加于工频交流电压的相位，从而实现对不同相位工频电压精确叠加操作冲击电压。试验平台输出的叠加于工频交流270°相位的操作冲击电压波形如图2所示。
图2 工频叠加操作冲击电压波形
Fig.2 AC superposition switching impulse voltage waveform
考虑252 kV GIS同轴圆柱电极内部件尺寸比例，设计金属微粒缺陷模型如图3所示。上电极为铝制电极（半径为17 mm），底部对应配置同心式接地铝制球坑电极（基底半径为46 mm），经过计算可知，模型中电场不均匀度为1.54，有效地复现了真实GIS同轴圆柱电极的准均匀电场。并且对存在线形金属微粒时模型的电场分布进行了计算，微粒引起的局部畸变相对于主电场分量可以忽略，模型的电场分布与真实GIS具有一致性，确保了试验结果具备一定的代表性。
图3 金属微粒缺陷模型
Fig.3 Metal particle defect test model
存在于GIS中的常见金属微粒形状有多种形式，如粉尘、片形、线形，这三种类型的微粒因其对GIS的电气绝缘性能具有潜在影响而具有代表性。其中，线形金属微粒对电场的畸变能力最强，对设备绝缘性能的威胁也最大[23]，在叠加操作冲击下相比球形微粒的放电量也更大。故本文使用不同数量、不同尺寸的线形铝制微粒，以探究当GIS中存在线形金属微粒缺陷时，在工频叠加操作冲击电压作用下，微粒的运动特性及其与放电特性的关联性。
为对金属微粒在工频叠加操作冲击电压下的放电与运动特性进行关联分析，设计了局部放电检测与运动捕捉关联分析系统，如图4所示。
图4 局部放电检测与运动捕捉关联分析系统
Fig.4 Partial discharge detection and motion capture correlation analysis system
金属微粒运动捕捉系统采用高速运动相机补光拍摄，通过使用高速相机，可以保证在1 920×1 080分辨率下每秒最多捕捉3 000张金属微粒运动画面，即精度达到0.3 ms，可满足金属微粒运动状态的精确捕捉。高速相机通过示波器外触发，达到工频叠加操作冲击电压与相机触发拍摄同步进行，从而实现局部放电信号与微粒运动行为的同步采集。通过对比操作冲击电压发生后局部放电的时域信号，以及运动捕捉系统中对应放电信号瞬态帧的照片，以实现金属微粒放电与运动过程的对应，从而对比分析局部放电和运动特性。
工频叠加操作冲击电压下金属微粒试验可分为两步，分别为对局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）的测量，以及叠加操作冲击电压作用下金属微粒的放电特性与运动特性的同步检测。
由于冲击电压的幅值需以金属微粒的PDIV作为参考，故试验中准确地测量金属微粒的PDIV至关重要。本文使用分段升压法，当电压稳定时若出现大于噪声两倍的局部放电信号且60 s内至少存在两次该信号，认为此时的电压即为PDIV。不同直径及数量线形微粒的PDIV如图5所示。通过多组预试验发现，当金属微粒直径越小或数量越少时，其PDIV分散性越大。通过清洁电极表面及去除静电等方法，排除污秽等对金属微粒起跳的影响；同时在每一次测试后充分放电静置，排除残余电荷对试验结果的影响。
图5 不同直径及数量线形微粒的PDIV
Fig.5 PDIV of linear particles of different diameters and quantities
在获得PDIV（Updiv）后，将交流电压设置为90%Updiv，并且综合各电压等级电力系统对于操作过电压的幅值限制[24-25]，选择幅值为2Updiv的标准操作冲击电压，在使用脉冲电流法采集放电时域信号的同时，外同步高速相机拍摄金属微粒的运动特性，对比施加操作冲击电压前后500 ms内线形微粒的状态分析试验结果。
为研究直径对线形金属微粒在工频叠加操作冲击电压下运动及局部放电特性的影响，选取长度为5 mm，直径分别为0.4、0.7、1、1.5、2 mm的线形铝制金属微粒作为研究对象。参考预试验中不同工频相位下叠加负极性操作冲击结果（见表1），当冲击电压叠加在工频相位180°、225°、270°后可激发金属微粒缺陷发生明显的局部放电，且270°最为显著。故为模拟对真实设备威胁最大的工况，均于工频270°相位对试品施加标准操作冲击电压进行试验。得到工频叠加操作冲击电压下不同直径单个线形金属微粒局部放电信号及PRPD谱图如图6、图7所示。
表1 不同相位叠加操作冲击微粒放电特性
Tab.1 The discharge characteristics of particles caused by superimposed switching impulse at different phases
相位/(°)结果放电次数相位/(°)结果放电次数 0× × × √ ×145× × × × ×0 90× × √ × ×1135√ × √ × ×2 180√ √ × × √3225× √ √ √ ×3 270√ √ √ √ √5315× × × × √1
图6 工频叠加操作冲击电压下不同直径单个线形微粒局部放电信号
Fig.6 Partial discharge signals of a single linear particle with different diameters under the superposition of AC and switching impulse voltage
图7 工频叠加操作冲击下不同直径单个线形微粒PRPD谱图
Fig.7 PRPD patterns of a single linear particle with different diameters under the superposition of AC and switching impulse voltage
试验结果表明，操作冲击电压可以显著激发工频交流作用下的线形金属微粒运动并产生局部放电。随着线形微粒直径从0.4 mm增大至2 mm，微粒的放电幅值逐渐增大，操作冲击电压施加后线形金属微粒经过一个迟滞时间Δt后产生第一次大幅值放电。由图6可知，随着线形金属微粒直径的增大，迟滞时间Δt呈现先增大后减小的趋势。从图7 PRPD谱图中可观察到，放电量随着金属微粒直径的增大而增大，冲击电压叠加后于工频交流电压峰值90°和270°附近相位时局部放电发生概率更大，信号整体呈包络分布。
随着线形微粒直径的增大，迟滞时间Δt呈现先增大后减小的趋势，究其原因，虽然微粒所受重力增加，但直径的增加同时会影响其电场畸变程度，使其更类似球形微粒的起跳特性。球形微粒相对线形微粒更均匀的曲率使其电场畸变程度相对较小，在工频叠加操作冲击电压的激发下，会直接运动跳跃并引发局部放电，整体放电量相比线形微粒较小。在线形微粒直径从0.4～1 mm的变化阶段中，其重力增加，而PDIV变化相对不大，在标准操作冲击电压叠加作用下，金属微粒重力的增加导致起举运动需要更长的交流电压周期；而在直径大于1 mm后，线形微粒的形状变化已不可忽略，其对于电场畸变的作用相对减小，整体运动特征也向球形金属微粒发展，Δt呈现减小的趋势；若持续增大金属微粒直径，当微粒直径与长度相等即变成类球形时，其Δt也将减小至数ms，可能直接运动并产生放电信号。
对不同尺寸线形微粒在叠加操作冲击电压后存在的放电迟滞时间Δt进行深入分析。使用高分辨率示波器对直径为1.5 mm、长度为5 mm的线形金属微粒在工频叠加操作冲击电压后的局部放电细节进行重新测量后发现，在Δt时间内存在幅值略大于背景噪声、放电量较低的放电信号。同一信号波形放大细节如图8所示。可将单个线形金属微粒的放电特性分为两个阶段：第一阶段，单个线形微粒受到操作冲击电压的叠加激发作用后便可检测到局部放电，放电信号幅值较小；第二阶段，单个线形微粒在后续交流电压的作用下，呈现大幅值局部放电，并伴随少数小幅值放电信号。
图8 1.5 mm微粒Δt内放电波形细节
Fig.8 Details of the discharge waveforms within Δt of 1.5 mm particles
对局部放电信号的检测仅作为分析金属微粒激发过程的一种方法，而通过金属微粒运动与局部放电的关联特性分析，可以更完整地呈现金属微粒受激发的局部放电过程。
通过高速运动相机捕捉线形金属微粒的运动，观察不同尺寸的金属微粒在施加工频叠加操作冲击电压后运动并产生局部放电的过程。以直径为1.5 mm的线形微粒为例进行分析，其余尺寸线形微粒均存在相似过程。1.5 mm线形金属微粒运动特性如图9所示。观察单个线形微粒的激发运动过程可以发现，线形金属微粒受激发运动特性也与放电特性同样可分为两个阶段。
第一阶段，金属微粒首先受到操作冲击电压的瞬时冲击作用。通过读取高速相机关键帧发现，曲率半径较大的一端在1 ms内即出现轻微起举，之后线形金属微粒整体做“跷板运动”，如图9a所示。线形金属微粒的一侧端部抬起而另一侧落下，两端部交替抬起和落下，形似“跷板”，即中部固定两侧分别做往复抬起运动。
在进入第二阶段的过程中，线形金属微粒两端滞空高度不断增大，最终曲率半径更大的一端电场畸变更强，从而金属微粒呈现竖直状态。竖直后金属微粒上下跳跃，往复于地电极和高压电极之间并伴随自旋，如图9b所示。此阶段线形微粒有时会落下重新抬起，并起举做竖直运动。线形金属微粒运动特性阶段示意图如图10所示，展示了单个线形金属微粒的两阶段运动过程。
图9 1.5 mm线形金属微粒运动特性
Fig.9 Motion characteristics of 1.5 mm linear metal particles
图10 线形金属微粒运动特性阶段示意图
Fig.10 Schematic diagram of the motion characteristics of linear metal particles
在线形金属微粒被激发产生局部放电的过程中，运动状态与放电特性相互紧密关联，运动状态决定了放电特性，而放电特性揭示了运动状态。由于金属微粒受到附着力等因素的影响，其起跳电压往往高于熄灭电压，当处于高于其熄灭电压电场中的金属微粒受到操作冲击电压作用时，其便可能受到激发运动起跳并持续产生局部放电，对设备安全运行造成威胁。
在单个线形微粒的激发过程中，可将相同阶段的运动特性与放电特性进行关联分析，示意图如图11所示。在第一阶段中，金属微粒在受到操作冲击电压激发的1 ms内便开始运动，微粒被激发后单端微弱抬起，其短暂的滞空时间使得感应电荷量较小，放电信号被噪声覆盖。在随后十几毫秒内，微粒“跷板运动”幅度逐渐加大，放电幅值略大于噪声，但由于线形微粒交替一端抬起，几乎未离开地电极，感应电荷更多聚集于滞空的一端。微粒两端交替运动且运动速度较快，故在放电中呈现密集的小幅值放电，单次放电量较小，如图11中蓝色部分①所示。
图11 单个线形金属微粒运动放电关联性示意图
Fig.11 Schematic diagram of the correlation between the movement and discharge of single linear metal particles
在第二阶段时，线形微粒起举并呈现竖直自旋运动状态，此时金属微粒出现整体滞空，电荷集聚时间较长并伴随接触高压电极，感应电荷量较大。在放电特性中，大量电荷的注入使得金属微粒在接触地电极时出现大幅值放电脉冲，整体放电量显著增大，即图11中红色部分②所示。综上可见，微粒激发过程中的运动状态与放电特性显著关联。
通过局部放电检测与运动捕捉关联分析系统，可将瞬态具体放电信号与金属微粒的运动状态一一对应。第二阶段时单个线形金属存在两种局部放电脉冲模式，多数为线形微粒竖直贯穿运动接触地电极放电，少数为线形微粒掉落后起举失败接触地电极放电。单个线形微粒的两种放电模式如图12所示。在叠加操作冲击电压施加后的第163 ms，即高速相机采集（1 000帧采集下）第163帧，放电脉冲为线形微粒起举失败产生。在163 ms前微粒横向掉落并重新起举，于滞空时感应电荷，并在起举失败后接触地电极瞬间释放。而在操作冲击电压施加的第208 ms，放电脉冲为单个微粒贯穿运动产生，线形微粒接触高压电极后获得大量电荷，电荷量远大于滞空感应电荷，然后下落接触地电极瞬间释放大量电荷并产生局部放电，故脉冲幅值远大于起举失败放电脉冲幅值。
图12 单个线形微粒的两种放电模式
Fig.12 Two discharge modes for a single linear particle
基于对工频叠加操作冲击电压下线性金属微粒的放电特性与运动特性关联特性的研究，可对其激发过程中的运动及放电机制进行分析。
叠加电压及工频电压作用下微粒受力情况如图13所示。微粒主要受到库仑力F1、支持力FN和重力G的作用。在负极性操作冲击叠加的作用下，静止于工频交流下的单个线形微粒受到高电荷量的注入，所受库仑力大幅增强，微粒所受库仑力大于重力（摩擦力、黏滞力等可忽略），并在1 ms内出现轻微起举，且由于线形金属微粒两端曲率半径往往不同，其两端电场畸变程度不同，故所受电场力并不完全相等，从而出现单端起举现象。而随着5 ms内负极性工频电压接近零点，所受库仑力减小，线形金属微粒也开始减速并下降。
图13 叠加电压及工频电压作用下微粒受力情况
Fig.13 The force conditions of particles under the action of superimposed voltage and AC voltage
随着操作冲击电压作用后，工频电压从负半周期过零点转为正半周期，如图13b所示，线形金属微粒所受库仑力同时改变，与重力方向相同，使金属微粒加速向下运动，微粒动能持续增大。总体来看，线形金属微粒会受到操作冲击电压的激发，并在工频交流电压的周期性持续作用下，获得越来越大的能量，其运动幅度逐渐增大，最终完成整个微粒的起举放电过程。在第一次贯穿跳跃时，微粒呈现竖直状态并接触高压电极，电荷交换量极大，产生大幅值局部放电信号，且此时微粒整体所受库仑力大于重力，直至接触地电极瞬间释放部分电荷，又重新起举反复进行上述运动。少数情况下，当微粒释放电荷后能量达不到起举条件，微粒起举失败，在后续几个周期内能量持续增加，重新发生贯穿性跳跃，即为第二阶段时单个线形金属存在两种局部放电脉冲模式的原因。
为研究数量对线形金属微粒在工频叠加操作冲击电压下运动与局部放电特性的影响，选取直径为1 mm、长度为0.7 mm的5颗线形铝制金属微粒作为研究对象。采集不同数量金属微粒在操作冲击电压作用前后500 ms的放电信号并绘制冲击作用后的PRPD谱图。
工频叠加操作冲击电压下不同数量线形金属微粒局部放电信号如图14所示。对比操作冲击电压施加前后的时域图可以发现，操作冲击电压激发了多个线形金属微粒产生局部放电，并且随着微粒数量的增多，其放电重复频率显著升高，但放电幅值基本保持不变。叠加操作冲击电压下不同数量微粒放电特性见表2，5个线形金属微粒下的放电重复率约为单个线形微粒的7倍。
图14 工频叠加操作冲击电压下不同数量线形微粒局部放电信号
Fig.14 Partial discharge signals of different numbers of linear particles under the superposition of AC and switching impulse voltage
工频叠加操作冲击电压下不同数量微粒PRPD谱图如图15所示。可见正负半周期内金属微粒放电信号呈对称分布，交流90°与270°相位附近金属微粒局部放电重复率更高，且此时放电幅值相较其他相位更大，金属微粒的运动放电更加危险。
表2 叠加操作冲击下不同数量微粒放电特性
Tab.2 Discharge characteristics of different quantities of particles under superimposed switching impulse
微粒数量/个放电重复率/s平均放电幅值/mV 119.813.0 242.812.9 368.713.7 490.113.5 5132.411.9
图15 工频叠加操作冲击下不同数量线形微粒PRPD谱图
Fig.15 PRPD pattern of different quantities of linear particles under the superposition of AC and switching impulse voltage
不同数量直径为1 mm、长度为0.7 mm的线形金属微粒运动特性如图16所示。由图16可知，多个线形微粒被冲击激发运动过程并不完全相同，它们并非同时受到激发并开始运动，而是呈现“木桶效应”，即在操作冲击电压作用后，少数微粒在数毫秒至数十毫秒不等的时间内受到激发先运动并碰撞其他静置微粒，最终引起所有金属微粒的运动并产生局部放电。并且，开始时部分微粒的激发起跳过程出现三种模式：当线形微粒侧面接触地电极时，以单端起举起跳或滚动振颤起跳模式为主；当线形微粒底面接触地电极时，以位置基本不变的振颤起跳模式为主。图16a中5个微粒从静止到受到冲击电压作用后，中部3个微粒先开始运动，一段时间后碰撞右上角微粒引发放电并同步运动，最后碰撞前方微粒，所有微粒全部呈运动状态。图16b中2个微粒受到冲击电压作用时，左边微粒优先开始运动，一段时间后碰撞右边微粒使其也进入运动状态，2个微粒至此开始随机跳跃翻滚运动。
图16 不同数量下线形金属微粒运动特性
Fig.16 Motion characteristics of linear metal particles in different quantities
在多个线形微粒的激发过程中，受到叠加操作冲击电压作用后，由于多个微粒起跳的木桶效应，少数金属微粒在数毫秒内先起跳，然后在百毫秒后碰撞其他静置微粒导致微粒全部运动放电。多个线形金属微粒运动放电关联性示意图如图17所示。由图17可将运动过程与放电特性对应。在金属微粒从少数激发到全部运动的两个阶段中，放电重复率由小变大，在所有微粒进入运动状态后放电重复率趋于稳定，平均放电幅值无明显变化，这在一定程度上揭示了多个微粒的独立跳动性，即在金属微粒受激发全部起跳后，各个微粒随机运动时不会呈现链状或团状集聚运动，基本呈现独立跳动状态。少数微粒激发时如图17蓝色部分①所示，不同起跳模式导致的局部放电信号均为噪声级别，金属微粒在交流电压作用下运动幅度逐渐增大，直至首次出现大幅值明显放电，整个过程可能需要持续数十毫秒。后续多数微粒被激发后如图17中红色部分②所示，可观察到放电重复率的明显区别。
图17 多个线形金属微粒运动放电关联性示意图
Fig.17 Schematic diagram of the correlation between the movement and discharge of multiple linear metal particles
通过对高速运动相机及冲击电压发生器触发进行同步，可将瞬态下放电信号与金属微粒的运动状态一一对应。通过联合观测发现，多个线形金属微粒在工频叠加操作冲击电压下的局部放电脉冲多为接触地电极放电和相互碰撞放电两种放电模式，如图18所示。在操作冲击电压施加后的第69 ms，即高速相机采集（1 000帧采集下）的第69帧，幅值为19 mV的放电脉冲为单个微粒接触地电极所产生。在69 ms前，线形微粒滞空并感应电荷，接触地电极瞬间释放大量电荷并产生局部放电，随后又一次起跳运动并产生下一次放电。而在操作冲击电压施加的第123 ms，运动中的线形金属微粒碰撞并接触地电极上的静止微粒，形成与地之间的放电通道并释放电荷，产生局部放电，随后2个微粒继续开始运动。
图18 多个线形微粒时的两种放电模式
Fig.18 Two discharge modes for multiple linear particles
对于多个线形微粒的运动及放电机制，首先被激发的部分线形微粒便可看作2.3节中单一线形微粒的运动过程，其在操作冲击电压的激发及后续工频交流电压作用下先开始运动，而其他静止的微粒随后被激发时所获得的初始动能主要来源于运动中微粒的动能交换，最终导致全部线形微粒运动放电。
相比单个线形微粒，操作冲击电压对于工频下多个微粒缺陷的激发危害性更大，其不但会直接激发部分微粒起跳放电，还会使得已经起跳的金属微粒碰撞其他处于静止状态的微粒，间接激发更多更大的金属微粒，给设备的绝缘缺陷带来更大的危害。
本文针对工频叠加操作冲击电压这一工况，构建局部放电检测与运动捕捉的关联分析系统，研究了工频叠加操作冲击电压对SF6中线形金属微粒的局部放电激发过程，并联合运动过程对不同尺寸及数量线形微粒的运动放电关联特性进行了分析。本文的主要结论如下：
1）操作冲击电压可以激发工频交流电压下单个或多个线形金属微粒运动，并在后续工频电压作用下持续产生局部放电。随着线形微粒直径的增大，微粒的放电量逐渐增大；随着线形微粒数量的增多，微粒的放电重复率显著升高，放电幅值相对不变。
2）单个与多个线形金属微粒在受到操作冲击电压激发后，呈现的放电特性与运动特性具有显著关联性。
3）单个线形微粒激发过程中第一阶段Δt内的“跷板运动”对应小幅值高频次的放电，第二阶段竖直运动状态对应大幅值放电，在第二阶段放电中放电脉冲存在两种放电模式。
4）多金属微粒的激发过程呈现从部分微粒被激发到全部微粒碰撞激发的运动状态变化，对应局部放电重复率的升高。同时，结合微粒运动与放电信号，得到了多金属微粒激发放电时接触地电极与接触微粒的两种不同放电模式。
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Abstract In practical engineering applications, gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS) inevitably experiences transient effects from switching impulse voltages. Operation experience in recent years has shown that multiple insulation failures caused by particle defects occur after switching operations. Under AC voltage superimposed with switching impulse voltage, metallic particles in GIS are excited into motion, subsequently triggering partial discharges under the following power-frequency AC voltage, ultimately leading to insulation breakdown or flashover failures. In recent years, researchers worldwide have conducted extensive studies on the partial discharge and motion behavior of metallic particles under various voltage conditions. However, the correlation between the motion process and partial discharge characteristics of metallic particles after excitation under superimposed impulse voltage remains unclear. This study employs a synchronized detection system combining partial discharge measurement and motion capture analysis to investigate and analyze the partial discharge characteristics and synchronized motion correlation of linear metallic particles with different diameters and quantities under power-frequency voltage superimposed with switching impulse voltage.
Firstly, targeting the specific operating condition of AC superimposed with switching impulse, an experimental platform for AC and switching impulse voltage superposition was established. A synchronized detection system integrating partial discharge measurement and motion capture analysis was designed, achieving simultaneous monitoring of both partial discharge characteristics and motion behavior of metallic particles under precisely superimposed switching impulse voltage and AC. The discharge characteristics and motion states of single linear particles with different diameters and multiple linear particles with varying quantities were compared before and after the application of switching impulse voltage, and the experimental results were analyzed. Switching impulse voltage can excite motion and induce partial discharges in either single or multiple linear metallic particles under AC. As the diameter of linear particles increases, the discharge magnitude gradually increases; while as the number of linear particles increases, the discharge repetition rate significantly rises, with the discharge amplitude remaining relatively constant.
During the partial discharge process of linear metallic particles, their motion state and discharge characteristics are closely interrelated. The excitation process of a single linear metallic particle can be divided into two stages. In the first stage, the metallic particle begins to move within 1ms after being excited by the switching impulse voltage, and the amplitude of its “seesaw motion” gradually increases over the following tens of milliseconds. In the second stage, the linear particle lifts off and undergoes vertical spinning motion, becoming completely airborne, while the discharge characteristics exhibit large-amplitude discharge pulses. Moreover, during the second excitation stage of a single linear metallic particle, two partial discharge pulse patterns are observed: the majority occur when the vertically aligned particle contacts the ground electrode during motion, while the minority occur when the particle falls and fails to lift off before contacting the ground electrode.
For multiple linear particles, the “barrel effect” causes a few metallic particles to lift off first within milliseconds. These then collide with other stationary particles hundreds of milliseconds later, triggering collective motion and discharge. Across the two stages—from initial excitation of a few particles to full collective motion—the discharge repetition rate increases from low to high. Once all particles enter the motion state, the discharge repetition rate stabilizes. Joint observation revealed that partial discharge pulses from multiple linear particles under superimposed voltage primarily occur in two modes: contact discharge with the ground electrode and mutual collision discharge. Compared to a single linear particle, switching impulse voltage poses a greater hazard in exciting defects involving multiple particles under AC voltage. It not only directly excites some particles to lift off and discharge but also indirectly excites more and larger metallic particles. This significantly increases the insulation hazard posed by the defect in the equipment.
keywords：AC superimposed switching impulse, partial discharge, motion characteristics, gas insulated switchgear
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.251076
中图分类号：TM85
国家自然科学基金青年科学基金资助项目（52207171）。
收稿日期 2025-06-19
改稿日期 2025-07-22
王宇昂 男，2000年生，硕士研究生，研究方向为智能感知与先进测量、叠加电压试验技术。E-mail：3123104138@stu.xjtu.edu.cn
李军浩 男，1980年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压电力设备故障诊断和局部放电检测新技术等。E-mail：junhaoli@mail.xjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）