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摘要 快速断路器作为新一代气体绝缘开关设备（GIS），其小型化结构虽提升了开断性能，但也使其内部金属微粒在高电场下更易起举并加速运动，在入陷前诱发放电。因此，该文首先提出一种适用于800 kV快速断路器的曲面结构凸起型微粒陷阱设计方案，综合考虑绝缘裕度、微粒捕获与机械应力等因素，将结构参数优化为：厚度3 mm、圆周角40°、提上高度5 mm、槽孔尺寸30 mm× 5 mm，并布设于断口下方与气室端部等关键绝缘区域。仿真结果表明，该陷阱结构在满足典型微粒尺寸捕获需求的同时，也不影响设备原本的绝缘裕度。同时，基于设备的内部电场分布情况，提出微粒安全运动高度阈值为10 cm，并基于微粒入陷仿真构建阶梯加压老炼程序，该程序涵盖6个电压阶梯（280～700 kV），耐压时间1～5 min，升压速率10 kV/s。然后，搭建800 kV快速断路器真型试验平台，结合高速摄像与超声检测技术开展验证试验，结果表明微粒可稳定入陷，整个耐压过程中未发生放电事件。与直接升压方式相比，微粒运动信号强度降低38%。该研究成果可为快速断路器绝缘设计及GIS微粒抑制提供理论与工程支持。
关键词：特高压 快速断路器 凸起型陷阱 阶梯加压 老炼程序 真型试验
快速断路器（Fast-Acting Circuit Breaker, FACB）是气体绝缘开关设备（Gas-Insulated Switchgear, GIS）中的新一代高压开关装置。为提升响应速度与开断能力，其结构趋于小型化，导致内部绝缘气隙显著减小，绝缘安全性面临更大挑战[1]。在运行与试验过程中，残留金属微粒在电场作用下易起举并加速运动，成为引发局部放电甚至击穿的重大隐患。据统计，交流GIS中由运动微粒引发的绝缘故障占比达61.1%[2]。这些金属微粒主要来源于设备制造、运输和装配等环节，是引发气体绝缘设备内部放电的主要隐患[3-4]。尤其在出厂或投运前的工频耐压试验中，若直接升压，未稳定入陷的微粒可能因剧烈运动而引发放电，干扰试验并掩盖潜在缺陷[5-8]。因此，亟须构建与微粒陷阱协同作用的阶梯加压机制，以在升压前实现微粒的安全入陷，从而提升FACB的运行稳定性与试验可靠性。
自金属微粒被证实是GIS内部绝缘故障的重要诱因以来，国内外学者与工程师陆续提出多种微粒陷阱结构设计，包括卡槽式、波纹管型、栅格型、条形及楔形等不同类型[9-12]。微粒陷阱结构经历了由孔式、带式等逐步演化至栅格型的发展过程[13]。J. G. Trump是最早提出栅格型陷阱设计的学者[14]，此后，西屋电气公司在G. K. Bowman等提出的微粒抑制原理的基础上进一步优化了其结构参数[15]。研究结果表明，栅格型陷阱在微粒捕获效率方面优于条形和卡槽式结构，已成为凸起型陷阱的主要结构类型，并在工程中得到广泛应用[16-17]。多项研究表明，在现场工频耐压试验过程中，设备内部残留的金属微粒在高电场作用下易诱发放电，影响绝缘评估的准确性。R. Bell、S. Neuhold与A. Sepehri等学者相继指出，应在升压前采取有效措施捕获微粒，以避免其在耐压过程中引发局部放电[18-20]。王万宝等提出采用超声波技术检测GIS耐压阶段内部的局部放电风险[21]。李晓昂等进一步提出通过叠加机械振动激发潜伏微粒运动，提高微粒检出效率[22]。杜帆研究了基于罗可夫斯基线圈的GIS耐压时的微粒放电检测技术[23]。然而，目前针对耐压阶段微粒无害化捕获的研究仍较为薄弱，亟须从升压控制与陷阱适配角度开展研究，提升微粒抑制与设备耐压的协同稳定性。
本文目标陷阱选型为曲面结构的凸起式陷阱，相较传统平面结构，其具备更优的设备贴合性与安装便捷性，能够有效地避免中部绝缘间隙缩小带来的绝缘风险，兼顾微粒抑制效果与绝缘裕度保护，适用于FACB紧凑化结构下的高压工况。针对工频耐压试验中微粒易放电的问题，提出阶梯加压老炼程序设计方案，通过多级电压控制实现微粒在较低电场强度下的稳定入陷，并逐步过渡至额定耐压等级，有效降低放电概率，提升试验通过率与绝缘系统运行安全性。
基于上述讨论，本文首先针对凸起型陷阱开展优化设计，通过仿真分析陷阱附近电场分布与微粒运动行为特征，明确陷阱的关键设计参数，提出适用于800 kV FACB的曲面结构凸起型陷阱设计方案；然后仿真计算FACB内部电场分布情况，从放电角度提出将微粒安全运动高度作为老炼程序优化判据，并结合微粒尺寸、运动特性，开展微粒运动入陷仿真研究，提出适用于FACB耐压试验阶段的阶梯加压老炼程序，确保微粒稳定入陷并防止微粒运动诱发放电；最后搭建800 kV真型FACB试验平台，通过高速摄像与超声探测，记录微粒入陷情况与运动信号特征，开展陷阱与老炼程序的工程适用性验证试验。本文研究成果可为FACB的安全可靠运行与工程应用提供理论基础和实践指导，同时也能为GIS领域微粒抑制问题的深入研究提供新的技术路线与试验方法参考。
本节旨在系统地分析设备内部微粒的运动受力特性，探讨曲面结构凸起型陷阱的微粒捕获机制，明确陷阱的关键设计参数。综合考虑微粒捕获能力与实际工程需求，提出适用于800 kV FACB的凸起型陷阱优化设计方案。
本节首先基于微粒受力分析明确凸起型陷阱的捕获机制。金属微粒在电场作用下会荷电运动，其中微粒荷电量的定量表征是开展运动受力分析的重要前提。微粒可分为球形、线形和片状三种典型类型，当微粒与设备内壁或陷阱表面发生碰撞时，由于静电感应作用，微粒将呈现与碰撞表面相同的电极性。文献[24-25]指出球形、线形和片状微粒荷电量表达式分别为
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式中，ε0为真空介电常数；εr为气体相对介电常数；E为碰触外壳时微粒重心处电场强度；r为球形和线形微粒半径；l为线形微粒长度；L、W分别为片状微粒边长、宽；H为片状微粒厚度。
FACB内部金属微粒的受力情况复杂，涉及重力、电场力、气体阻力、电场梯度力以及微粒间相互作用力等。微粒的受力分析见表1。表1中，
为微粒密度，g为重力加速度，
x为设备内部电场梯度，η为气体动力黏度系数，v为微粒运动速度，ρg为气体密度，V为微粒体积。
表1 微粒受力分析
Tab.1 Force analysis of particles
受力类型受力方向受力大小 重力竖直向下 外电场库仑力电场方向 气体阻力与运动方向相反 电场梯度力电场梯度方向 浮力与重力方向相反
为明确凸起型陷阱的微粒捕获机制，本文首先针对其电场分布特性开展了仿真计算。考虑设备实际运行条件，针对800 kV FACB，施加有效值为462 kV的单相交流电压，利用多物理场仿真软件计算凸起型陷阱附近的电场分布特征。电场计算结果如图1所示。图中所示电场强度为设备与陷阱轴向中线位置的表面电场强度值，用以表征该区域有无陷阱时的底部电场变化情况。
依据径向电场分布可知，陷阱底部的电场强度显著衰减，较无陷阱结构下降超90%，使底部微粒所受的电场力远小于重力，可有效地抑制其运动趋势。此外，陷阱边缘区域的电场强度亦呈现一定程度的削弱：边缘1 cm处电场强度降低约50%，而在边缘2.5 cm处，电场强度逐渐恢复，降幅减小至约10%，最终趋近于无陷阱时的正常水平。结合微粒受力分析可知，凸起型陷阱通过构建低电场区域并利用物理结构阻挡消耗微粒动能，实现对运动微粒的有效抑制。
图1 电场计算结果
Fig.1 Electric field calculation result
1.2.1 关键优化设计参数
为实现针对凸起型陷阱的优化设计，首先需明确影响其性能的关键设计参数。结合实际工程应用需求，本文将微粒捕获效率及加装陷阱后对设备绝缘裕度的影响作为评估依据，通过仿真计算分析陷阱结构对微粒捕获率与周围电场分布的影响，进而明确凸起型陷阱的关键设计参数。
首先建立三维凸起型陷阱微粒捕获概率与电场分布仿真计算模型，其中仿真几何模型具体包括高压导体、接地外壳和凸起型陷阱，而凸起型陷阱的尺寸有待优化。外壳设计参考真型800 kV FACB，设置外壳半径为57.5 cm，导体为半径为31.4 cm、长度为2.91 m的圆柱体。利用多物理场仿真软件计算陷阱附近电场分布情况，由于本文针对真型800 kV FACB，参考800 kV FACB冲击耐压试验电压值，在仿真中施加2 100 kV的雷电冲击电压，得到陷阱附近电场分布情况如图2所示。
图2 陷阱附近电场分布情况
Fig.2 Electric field distribution near the trap
由图2可知，凸起型陷阱附近电场强度最大值位于陷阱边缘，其值与高压导体表面电场强度值相似，因此，降低陷阱边缘电场强度是保证凸起型陷阱不会破坏设备绝缘裕度的关键因素。基于凸起型陷阱的结构特点与电场仿真计算结果分析，为防止加装凸起型陷阱后设备绝缘裕度遭到破坏，将陷阱提上高度、陷阱厚度与陷阱圆周角列为电场优化的关键参数。
为优化陷阱的微粒捕获效果，应明确特高压FACB凸起型陷阱附近金属微粒运动特性，最终基于上述分析提出凸起型陷阱的微粒捕捉效率参数。根据陷阱捕获微粒初步观测试验可知，微粒入陷方式主要分为两类，具体如图3所示。
图3 微粒入陷特性
Fig.3 Particle trapping characteristics
图3a表示当施加电压较低或微粒尺寸较大时，微粒从陷阱下方跳跃入陷，从而被陷阱捕获；图3b表示当施加电压逐步升高或微粒尺寸较小时，微粒运动至陷阱表面后从陷阱上方槽孔处入陷。由此将陷阱表面槽孔的大小与分布情况、陷阱提上高度等定义为微粒捕捉效率参数，具体参数如图4所示。
图4 陷阱关键设计参数
Fig.4 Key design parameters of the trap
1.2.2 多目标优化设计
为提出陷阱优化设计方案，首先应明确陷阱关键优化设计参数的影响因素与影响趋势，进而计算不同参数下的陷阱工程适用情况。由1.2.1节可知，陷阱关键参数主要为：陷阱圆周角、陷阱厚度、陷阱表面槽孔的大小与分布情况以及陷阱提上高度。其中陷阱圆周角、陷阱厚度的影响因素包括陷阱结构的应力形变和陷阱边缘电场强度；陷阱表面槽孔的大小和分布情况的影响因素包括微粒入陷效率；提上高度的影响因素包括陷阱边缘电场和微粒捕获能力。根据工程加工工艺的实际能力要求，微粒陷阱的最小厚度不应低于3 mm。为验证该厚度在实际应用中的结构稳定性，本文考虑了自重、设备振动等实际载荷条件，对厚度为3 mm的微粒陷阱在典型工况下的应力分布与形变特性进行仿真分析，结果如图5所示。由图5可知，陷阱在最大受力点的形变量为0.65 mm，远小于工程裕度2 mm，表明其具备良好的机械抗力与结构稳定性，可有效地抵御运行过程中的外部载荷。上述分析验证了所设陷阱厚度满足工程安全需求，后续将在此基础上继续完善其他结构参数的优化设计。
图5 陷阱形变仿真计算结果
Fig.5 Simulation calculation results of trap deformation
由于陷阱结构通过中部固定于地电极表面，其两端区域的应力形变抗性尤为关键。为评估结构参数对陷阱性能的影响，本文结合电场分布与机械应力双重因素，分析不同圆周角条件下陷阱边缘的电场与应力特性。考虑左部、中部固定，右端悬臂的结构特点以及运输过程中的惯性载荷，施加陷阱自重与X、Y、Z三轴方向各2g的等效加速度，同时叠加有效值为462 kV的单相交流电压，开展多物理场仿真，结果如图6、图7所示，用于优选陷阱圆周角设计参数。
图6 陷阱应力形变情况
Fig.6 Stress and deformation characteristics of the trap
图7 不同圆周角陷阱的应力形变与边缘电场强度
Fig.7 Stress deformation and edge electric field characteristics of traps with different circumferential angles
由图7可知，陷阱圆周角与边缘电场强度、应力形变抗性均呈正相关。当陷阱圆周角为30°时，陷阱应力形变为2.1 mm，超过工程裕度2 mm，难以满足工程需求；当陷阱圆周角为40°时，应力形变为0.92 mm，陷阱边缘电场强度为14.76 MV/m，满足工程需求。因此，将陷阱圆周角优选为40°。
基于陷阱圆周角优化结果，综合分析陷阱边缘电场强度与微粒入陷效果，优选陷阱提上高度。陷阱边缘电场强度与提上高度的关联特性如图8所示。由图8可知，陷阱边缘电场强度与提上高度呈正相关，当提上高度为5 mm时，陷阱边缘最大电场强度达15.7 kV/mm，接近实际工程的地电极电场阈值16 kV/mm[26]，后续将结合微粒尺寸统计情况明确陷阱提上高度。
图8 陷阱边缘电场强度与提上高度的关联特性
Fig.8 Correlation between edge electric field and raised height of the trap
为保障微粒的有效入陷，本文统计了FACB动作过程中产生的金属微粒尺寸分布，如图9所示。其中，球形微粒直径主要集中在0.2～1 mm；线形微粒长度为0.5～20 mm、直径为0.3～0.8 mm；片状微粒边长为1.5～4 mm、厚度为0.1～0.3 mm。结合陷阱边缘电场分布特性，本文将陷阱提上高度固定为5 mm，以保证球形微粒及小尺寸线形、片状微粒能够顺利被引导入陷。针对尺寸较大的线形微粒和片状微粒，将陷阱表面设计成长度为30 mm、宽度为5 mm的椭圆形槽孔结构，以确保其从陷阱上方顺利进入陷阱区域，实现全尺寸范围内微粒的有效捕获。
图9 金属微粒尺寸分布情况
Fig.9 Metal particle size distribution
最后考虑断路器结构、FACB内部支柱绝缘子安装位置及微粒陷阱抑制机理等因素，明确微粒陷阱的安装位置。微粒掉落与陷阱安装位置如图10所示，确保陷阱能够覆盖气室端部、断路器断口等关键绝缘部位。并且由于陷阱远离气室端部一侧靠近支柱绝缘子，需计算陷阱该侧与绝缘子的绝缘安全距离，陷阱该侧电场强度最大值与间距的计算结果如图11所示，基于工程阈值16 kV/mm可知，陷阱边缘与支柱绝缘子的安全绝缘距离为25 cm。
图10 微粒掉落与陷阱安装位置
Fig.10 Particle fall behavior versus trap installation position
图11 不同间距与边缘电场强度
Fig.11 Edge electric field under different spacing conditions
综上所述，本文首先明确了凸起型陷阱的关键设计参数，进而基于电场分布与微粒捕获效果明确了适用于800 kV FACB的设计方案，具体为：陷阱厚度为3 mm，圆周角为40°，提上高度为5 mm，表面槽孔大小为长30 mm、宽5 mm，陷阱覆盖气室端部、断路器断口等关键绝缘部位，且陷阱靠近支柱绝缘子侧的安全距离为25 cm。后续将开展提升陷阱捕获效率的阶梯加压老炼程序研究。
传统耐压试验多采用连续升压方式，但在电压快速升高至高电压阶段前，难以有效地控制设备内部残留微粒的运动行为，易导致微粒在短时间内剧烈起举并高速运动，诱发局部放电或掩盖潜在绝缘缺陷。相比之下，阶梯加压老炼程序通过设置多个电压平台，结合微粒尺寸、质量及荷电差异，逐步调控电场强度，引导各类微粒在对应电压下依次起举并稳定入陷。该方式不仅避免了瞬时强电场诱发的剧烈运动，还实现了较低起跳高度与平稳运动速度下的高效捕获，有效地提升了微粒抑制的针对性与试验阶段的绝缘安全性，保障了耐压试验的顺利进行与工程适用性。
当微粒进入FACB导体附近的高场强区域时，局部电场强度急剧增加，会显著提高金属微粒表面的静电感应电荷密度，增强局部电场畸变，诱发局部电离及放电风险。此外，在高场强区域内，微粒所受的电场梯度力急剧增加，可能导致微粒运动加速度突然增大，造成微粒剧烈运动甚至高速碰撞电极表面，进一步提升了设备绝缘被击穿的可能性。因此，在阶梯加压老炼程序设计中，应明确限制微粒的运动高度，防止微粒进入导体附近的高场强区，从而保障设备的绝缘安全并提升微粒捕获稳定性。为此，本文计算了不同电压下高压导体与地电极之间径向气隙的电场分布特性，以确定微粒的安全运动高度阈值，如图12所示。
图12仿真结果表明，高压导体附近为气隙中电场强度最大的区域，且沿径向方向电场梯度较大，电场强度从高压导体朝地电极方向快速衰减；而当接近地电极表面时，电场变化趋于平缓，呈现梯度较低的特性。进一步对电场增量进行定量分析可知，低梯度区域的电场增速k约为高梯度区域的1/2，显著低于高梯度区域的电场增速，呈现更加平缓的变化趋势。该“低梯度区域”主要源于地电极结构对电场线分布的均化效应，这使得该区域电场强度在一定范围内保持相对稳定。低梯度电场不仅减缓了微粒运动的加速过程，还有效地降低了微粒在短时间内积聚大量电荷并触发局部放电的风险。一旦微粒进入电场梯度较大的高场强区域，其加速过程将更为剧烈，更容易高速碰撞或引发放电。基于电场计算结果，本文将距离地电极表面10 cm设定为微粒的安全运动高度阈值。在后续阶梯加压老炼程序设计中，以此为基础明确微粒安全入陷高度，为实现其稳定、安全入陷提供理论依据。
图12 FACB气隙径向电场分布特性
Fig.12 Radial electric field distribution characteristics in the gas gap of the FACB
基于阶梯加压老炼程序设计判据，针对球形、线形和片状三种不同形态微粒的运动特性，开展微粒入陷动态仿真研究，初步明确阶梯加压老炼方案。采用数学软件仿真计算微粒运动与入陷情况，搭建老炼程序优化设计仿真模型，仿真参数设置见表2。
表2 仿真参数设置
Tab.2 Simulation parameters
参数数值 铝制金属微粒密度ρAl/(g/cm3)2.7 微粒碰撞弹性模量EAl/GPa70 SF6气压pSF6/MPa0.6 SF6气体密度ρSF6/(kg/cm3)0.116 3 Sutherland常数S/K110.56 热力学温度Tk/K300 SF6气体黏滞系数μSF6/(Pa·s)1.377×10-5
针对800 kV FACB，仿真施加单相交流电压从100 kV起，步长为5 kV，记录微粒的入陷时间与运动高度。根据微粒在电场中的运动轨迹及陷阱的电场分布，微粒被放置在三个不同的位置进行监控：位置A，气室端部的陷阱表面；位置B，开关断口下方的陷阱表面；位置C，陷阱边界与支柱绝缘子之间的地电极表面，如图10所示。以位置C为例，微粒仿真设置示意图如图13所示。本文选取了FACB内部典型工况下主要的金属微粒尺寸，涵盖三种基本形态：球形微粒直径分别为0.5、0.8和1.0 mm；线形微粒长度统一为5 mm，直径分别为0.1、0.5和1.0 mm；片状微粒边长为4 mm，厚度分别为0.15与0.30 mm。
图13 仿真设置示意图
Fig.13 Simulation setting schematic diagram
每0.000 1 s记录一次金属微粒坐标，当金属微粒的坐标小于或等于边界坐标时判定为碰撞；当微粒轴向坐标与径向坐标小于陷阱边界坐标时，判定微粒入陷，进而可明确不同尺寸微粒的起举电压与入陷时间。本文提出微粒安全入陷条件，表达式为
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式中，P为微粒安全入陷判据；Hmax为微粒最大安全入陷高度，针对800 kV FACB为10 cm；Tfast为微粒最快安全入陷时间。在满足设定的运动高度安全阈值Hmax的条件下，比较不同尺寸微粒的实际入陷时间T，当微粒运动高度超过10 cm时，视为未满足安全入陷条件。以实际入陷时间T明确微粒最快安全入陷时间Tfast，进而基于Hmax与Tfast，以P作为不同尺寸微粒的最优入陷电压判据，最终形成阶梯加压老炼方案。
球形微粒的动态入陷过程如图14所示。由于球形微粒形态的高度对称性，其在陷阱表面（位置A、B）时极易发生滚动入陷，捕获难度相对较低，因此研究应聚焦地电极表面（位置C）。根据仿真结果，球形微粒的尺寸主要为直径0.5、0.8与1.0 mm三种典型尺寸，其安全入陷电压范围为300～380 kV。具体来看，以微粒最大安全运动高度作为电压判据可知，直径为0.5 mm的球形微粒在300 kV时可快速且稳定地入陷，所需入陷时间为3 min；直径为0.8 mm的球形微粒安全入陷电压提升至350 kV，入陷时间为4 min；而直径为1.0 mm的球形微粒则需380 kV方可实现高效入陷，且入陷效率更高，仅需约2 min即可入陷。
图14 位置C球形微粒的动态入陷过程
Fig.14 Dynamic trapping behavior of spherical particles at position C
线形微粒的动态入陷情况如图15所示。根据电场分布特性，位置B处线形微粒最先起举运动。仿真结果表明，直径分别0.1、0.5和1.0 mm（长度均为5 mm）的线形微粒的安全入陷电压分别为220、240和280 kV。由于位置B处陷阱表面的槽孔分布密集，微粒起举后可迅速入陷，入陷时间均可控制在1 min以内。在位置C处，直径为0.1 mm、长度为5 mm的线形微粒的临界安全入陷电压为350 kV，入陷时间为2 min；直径为0.5 mm、长度为5 mm的线形微粒的临界安全入陷电压为380 kV，入陷时间为3 min；直径为1.0 mm、长度为5 mm的线形微粒的临界安全入陷电压为420 kV，入陷时间为2 min。位置A位于气室端部，自身处于低电场强度区域，因此微粒入陷电压明显提升，较位置B、C提升1～2倍，直径为0.1、0.5和1.0 mm（长度均为5 mm）的线形微粒的起举电压分别为550、600和630 kV。入陷时间与位置B类似，可控制在1 min以内。
图15 线形微粒的动态入陷情况
Fig.15 Dynamic entrapping behavior of linear particles
与线形微粒相似，位置A、B处的片状微粒一旦起举，可在1 min内迅速入陷，因此，主要针对位置C处的微粒入陷情况进行分析。片状微粒的动态入陷情况如图16所示。片状微粒的尺寸主要有厚度为0.15 mm、边长为4 mm和厚度为0.30 mm、边长为4 mm两种典型尺寸，其安全入陷电压范围为420～700 kV。其中位置B处片状微粒最先起举运动。仿真结果表明，边长为4 mm、厚度为0.15和0.30 mm的片状微粒的安全入陷电压分别为420和450 kV，入陷时间小于1 min。在位置C，边长为4 mm、厚度为0.15 mm片状微粒的临界安全入陷电压为480 kV，入陷时间为4 min；边长为4 mm、厚度为0.3 mm片状微粒的临界安全入陷电压为500 kV，入陷时间为5 min。位置A处边长为4 mm、厚度分别0.15和0.30 mm的片状微粒的起举运动电压分别为680和700 kV，入陷时间均小于1 min。
图16 片状微粒的动态入陷情况
Fig.16 Dynamic entrapping behavior of flake-shaped particles
基于上述针对不同形状与尺寸微粒的动态入陷仿真分析结果，为进一步提升微粒捕获效率并保障设备在耐压试验阶段的绝缘安全性，本文明确了不同尺寸微粒对应的临界安全入陷电压及其所需的合理加压时间。在此基础上，初步制定了适用于设备微粒捕获的阶梯加压老炼程序，设计思路如图17所示。同时，考虑到实际工程中工频耐压试验的时间约束和可操作性要求，本文进一步对此初步程序进行了优化与简化，最终提出了更具工程实用性和高效性的阶梯加压老炼方案。
图17 阶梯加压老炼程序优化设计思路
Fig.17 Optimization design approach of stepwise voltage conditioning method
阶梯加压程序的电压分级应兼顾覆盖性与简洁性。电压设定过多将降低试验效率，提高微粒重复运动风险；电压设定不足则可能造成部分微粒失去稳定入陷电压区间。为此，电压合并需以微粒尺寸-电压响应区间的区分度为依据，确保各阶梯电压具备明确且非重叠的目标作用对象。本文在系统地分析不同形状与尺寸微粒安全起举电压的基础上，优选代表性电压等级，构建覆盖全面、分布合理的老炼程序，实现微粒入陷效果与老炼程序工程可实施性的统一。优化过程如图17所示。
基于前期不同形状与尺寸微粒的动态入陷仿真分析结果，并结合设备实际耐压试验的操作性与时效性要求，本文对初步制定的阶梯加压老炼程序进行了系统优化与调整。首先，考虑位置B处线形微粒在280 kV电压下即可快速起举并稳定入陷，并且微粒直径覆盖0.1、0.5、1.0 mm的典型尺寸，本文保留280 kV作为起始加压等级，将加压时间设为1 min，用于清除低电压阶段的运动微粒。然后设定350 kV电压阶梯，耐压时间为5 min，主要用于捕获直径为0.5、0.8、1.0 mm的球形微粒，同时兼具促使部分位置C处小尺寸线形微粒起举的作用。针对位置C处的大尺寸线形微粒以及位置B处的片状微粒，保留420 kV电压等级，设置耐压时间为2 min，以确保其充分起举并实现稳定入陷。进一步地，为捕获位置C处的片状微粒，同时兼顾位置B处尚未入陷的片状微粒，设置500 kV电压阶梯，耐压时间为5 min，作为中压阶段的过渡电压。在高压阶段，鉴于550、600、630 kV等多个电压等级对微粒响应的差异不显著，本文统一设置630 kV电压，耐压时间为1 min，重点用于捕获位置A处的线形微粒。随后设置700 kV电压阶梯，耐压时间为1 min，主要用于捕获位置A处的片状微粒，并进一步确保前一阶段未完全入陷的微粒在该电压等级下实现彻底抑制。最终设置1 056 kV作为设备出厂工频耐压试验电压，耐压时间为1 min，以验证其整体绝缘性能。优化后的老炼程序电压分级合理、覆盖全面，兼顾微粒入陷效率与工程可实施性。本文后续将基于该程序开展真型试验验证以评估其有效性。
本文搭建了800 kV真型FACB试验平台，利用相机实时记录微粒运动轨迹并评估凸起型陷阱的实际捕获效果。试验平台主要包括800 kV FACB主体、高压电源、高分辨率相机以及曲面结构凸起型陷阱。此外，考虑到位置C位于设备内部中间区域，光学相机难以清晰地捕捉该处微粒的运动细节，因此本文在设备外壁位置C的下方附加了超声探头SR150M，以采集微粒运动过程中的超声信号特征[27-28]，辅助分析微粒的动态行为，并进一步验证老炼程序的有效性。本文真型验证试验平台与加压流程如图18所示。
图18 真型验证试验平台与加压流程
Fig.18 Full-scale validation test platform and voltage application procedure
本文验证试验与仿真设置保持一致，在位置A、B、C处分别放置不同尺寸的试验微粒各5颗。微粒布置完成后，将试验设备密闭并充入SF6气体至0.6 MPa，然后按照本文提出的阶梯加压老炼程序逐级施加电压，将升压速率控制在10 kV/s左右。在整个加压过程中，实时记录位置C的微粒运动信号特征，同时监测设备内部的局部放电信号，直至完成最终阶段的工频耐压试验，以全面验证凸起型陷阱与阶梯老炼程序的实际捕获效果及耐压安全性。
为验证凸起型陷阱与阶梯加压老炼程序的协同抑制效果，本文分析了不同位置、不同尺寸微粒在老炼过程中的入陷特性。重点关注位置C处微粒的运动信号响应，并与直接升压工况下的运动幅值进行对比，以评估老炼程序在降低微粒运动强度及提升捕获效率方面的有效性。本节中入陷时间定义为：将测试信号中出现跳动信号峰值的时刻作为计时起点，直至微粒全部入陷的持续时间。该设置能够消除不同微粒在起始加压阶段所受电场条件不一致带来的影响，从而保证不同工况入陷时序比较的可行性与合理性。
球形微粒入陷试验结果如图19所示。位置C处的球形微粒在第一阶梯时起举运动，并在第二阶梯350 kV时完全入陷，入陷时间约为2 min，运动信号峰值达78 mV，与直接升压的微粒运动信号峰值相比，下降了36%。在后续升压过程中未观测到放电特征信号，且解体后统计可知微粒全部被陷阱捕获，验证了陷阱与老炼程序对球形微粒的有效抑制。
线形微粒入陷试验结果如图20所示。位置B处微粒在第一阶段耐压时30 s内入陷；位置C处微粒在第三阶段420 kV耐压时入陷，运动信号峰值为219 mV，入陷时间约为3 min，运动强度较直接升压下降38%；位置A处微粒分别在550、630 kV下起举，并在起举后45 s内全部入陷。试验过程中未出现放电现象，解体检查后可知所有微粒均被陷阱有效捕获，验证了陷阱与老炼程序对线形微粒的有效抑制。
图19 球形微粒入陷试验结果
Fig.19 Experimental results of spherical particle entrapment
图20 线形微粒入陷试验结果
Fig.20 Experimental results of linear particle entrapment
片状微粒入陷试验结果如图21所示。位置B处微粒在630 kV下20 s内快速入陷；位置A处微粒在700 kV时起举，并于起举后32 s内全部入陷；位置C处微粒在700 kV阶段运动信号峰值达302 mV，并在3 min内全部入陷，运动强度较直接升压下降近31%。试验过程中未检测到放电现象，解体检查后可知所有微粒均被捕获，验证了陷阱与老炼程序对片状微粒的有效抑制。
图21 片状微粒入陷试验结果
Fig.21 Experimental results of flake-shaped particle entrapment
综上所述，本文提出的曲面结构凸起型陷阱与阶梯加压老炼程序可实现对多种典型微粒的高效、安全捕获。试验中各类微粒在相应电压阶梯下均稳定入陷，未出现逃逸或重复起举现象，设备整体保持绝缘稳定。与直接升压方式相比，采用阶梯老炼程序后入陷微粒的运动超声信号强度下降了31%～38%，从而避免了微粒剧烈运动，降低了金属微粒放电风险，验证了所提方法在实际工程中的适用性和可靠性。
1）本文提出了一种适用于800 kV FACB的曲面结构凸起型微粒陷阱设计方案。综合考虑陷阱区域的电场分布特性、设备绝缘裕度要求以及机械应力性能，确定陷阱的关键设计参数如下：厚度为3 mm，圆周角为40°，提上高度为5 mm，表面槽孔尺寸为30 mm×5 mm。该陷阱布置于断路器断口下方与气室端部等关键绝缘区域，且与支柱绝缘子侧保持25 cm的安全距离，实现微粒捕获效率与设备结构可靠性的协调统一。
2）基于电场仿真分析发现，800 kV FACB设备底部气隙中存在典型的低电场梯度区域，据此提出微粒运动的安全高度阈值为10 cm，并通过进一步的微粒运动仿真明确了不同形状、不同尺寸微粒的安全临界入陷电压，为阶梯加压老炼程序的分级设计提供了科学依据。
3）建立了适用于FACB工频耐压试验阶段的阶梯加压老炼程序。程序涵盖280 kV（1 min）、350 kV（5 min）、420 kV（2 min）、500 kV（5 min）、630 kV（1 min）与700 kV（1 min）共六个电压等级，升压速率统一设置为10 kV/s。该老炼程序能够有效地引导不同尺寸、不同形状的微粒在安全高度范围内稳定入陷，避免直接升至高电压引起微粒剧烈运动或设备绝缘性能劣化风险，确保设备的绝缘安全。
4）基于800 kV FACB真型平台开展验证试验，结果表明，各电压阶段微粒均可实现稳定入陷，未发生逃逸或放电现象。与直接升压相比，老炼程序下微粒运动信号强度降低31%～38%，验证了陷阱结构与老炼程序在抑制微粒风险与提升绝缘可靠性方面的有效性与工程适用性。
参考文献
[1] 张登奎, 张立岩, 李志兵, 等. 基于经验小波变换的真空断路器关合预击穿燃弧时间分析[J]. 电工技术学报, 2024, 39(增刊1): 106-116.
Zhang Dengkui, Zhang Liyan, Li Zhibing, et al. Analysis of pre-strike arcing time for vacuum circuit breaker closure based on empirical wavelet transform [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(S1): 106-116.
[2] 薛乃凡. GIS/GIL内微纳粉尘动力学行为与诱发多模式放电的物理机制研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2024.
Xue Naifan. Kinetic behavior of micron-nano dust in GIS/GIL and the physical mechanism of the induced multi-mode discharge[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2024.
[3] 黎宏飞, 高宗宝, 张靖, 等. 一起330kV气体绝缘金属封闭开关设备金属毛刺放电缺陷分析与处理[J]. 电气技术, 2025, 26(3): 65-69.
Li Hongfei, Gao Zongbao, Zhang Jing, et al. Analysis and treatment of metal burr discharge defects in a 330kV gas insulated switchgear[J]. Electrical Engineering, 2025, 26(3): 65-69.
[4] 赖泽楷, 关向雨, 涂嘉毅, 等. 基于激光多普勒测振的电力设备表面振动测量及补偿算法[J]. 电工技术学报, 2025, 40(6): 1707-1717.
Lai Zekai, Guan Xiangyu, Tu Jiayi, et al. Surface vibration measurement and compensation algorithm of power equipment based on laser Doppler vibration[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(6): 1707-1717.
[5] 李泽, 钱勇, 刘伟, 等. GIS局部放电光信号检测技术及光学图像诊断方法[J]. 电工技术学报, 2025, 40(1): 253-263.
Li Ze, Qian Yong, Liu Wei, et al. Optical signal detection technology and optical image diagnostic method of partial discharge in GIS[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(1): 253-263.
[6] 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): 849-860.
Li Qingmin, Wang Jian, Li Botao, et al. Review on metal particle contamination in GIS/GIL[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(3): 849-860.
[7] 李佳, 杨丽薇, 于佼. GIS/GIL设备中金属微粒污染研究综述[J]. 电工电气, 2022(3): 1-7.
Li Jia, Yang Liwei, Yu Jiao. Review on metal particle contamination in GIS/GIL equipment[J]. Electrotech-nics Electric, 2022(3): 1-7.
[8] 吕思辑. 特高压J站工程1000kV GIS安装质量优化管理研究[D]. 长春: 吉林大学, 2018.
Lü Siji. UHV J station 1000kV GlS installation quality optimization management research[D]. Changchun: Jilin University, 2018.
[9] 常亚楠, 王健, 李庆民, 等. 交直流气体绝缘管道输电装备微粒污染治理措施研究进展[J]. 高压电器, 2021, 57(10): 91-100, 110.
Chang Yanan, Wang Jian, Li Qingmin, et al. Research progress of particle contamination suppression measures in AC and DC gas-insulated transmission equipment [J]. High Voltage Apparatus, 2021, 57(10): 91-100, 110.
[10] 王媛, 杨睿成, 苏宝亮, 等. 直流GIS/GIL内微纳粉尘弥散浓度分布特性及对气隙击穿强度的影响[J]. 电工技术学报, 2025, 40(5): 1601-1613.
Wang Yuan, Yang Ruicheng, Su Baoliang, et al. Characterization of diffuse concentration distribution of micron-nano dust in DC GIS/GIL and the effect on air gap breakdown strength[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(5): 1601-1613.
[11] 詹振宇, 宋曼青, 律方成, 等. 交流环保GIL中微粒运动规律及陷阱抑制措施研究[J]. 中国电机工程学报, 2019, 39(增刊1): 278-286.
Zhan Zhenyu, Song Manqing, Lü Fangcheng, et al. Study on particle movement and trap suppression in AC environmentally friendly GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(S1): 278-286.
[12] Banford H M. Particles and breakdown in SF6-insulated apparatus[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1976, 123(9): 877-881.
[13] Chang Yanan, Liu Zhipeng, Li Qingmin, et al. Capture mechanism and optimal design of micro-particle traps in HVAC/HVDC gas insulated equipment[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2022, 37(6): 4700-4710.
[14] Trump J G. Dust precipitator: US3515939DA[P]. 1970-06-02.
[15] Bowman G K. Particle trap contact for gas insulated transmission lines: US4084064[P]. 1978-04-11.
[16] Dale S, Hopkins M. Methods of particle control in SF6 insulated CGIT systems[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1982, 101(6): 1654-1663.
[17] Kemeny G A. Vertically aligned gas insulated transmission line: US4096345[P]. 1978-06-20.
[18] Bell R, Charlson C, Halliday S P, et al. High-voltage onsite commissioning tests for gas-insulated substations using UHF partial discharge detection[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2003, 18(4): 1187-1191.
[19] Neuhold S. On-site tests of GIS[C]//Proceedings of Highvolt Kolloquium 2011, Dresden, Germany, 2011: 1-10.
[20] Sepehri A. High Voltage Gas Insulated Switchgear (GIS) Field Testing According to IEEE C37.122 [EB/OL]. (2019-09-18)[2025-04-20]. https://switch gearcontent.com/2019/09/18/1554/high-voltage-gas-insulted-switchgear-gis-field-testing-according-to-ieee-c37-122/.
[21] 王万宝, 李永宁, 周迎新, 等. GIS超声波局部放电检测技术的应用分析[J]. 电气技术, 2012, 13(2): 49-52.
Wang Wanbao, Li Yongning, Zhou Yingxin, et al. Application analysis of ultrasonic detection of partial discharge signal for GIS[J]. Electrical Engineering, 2012, 13(2): 49-52.
[22] 李晓昂, 杨晓宇, 吕肖肖, 等. GIS带电操作下金属微粒起跳吸附及诱发绝缘子沿面闪络特性[J]. 高电压技术, 2025, 51(3): 1025-1037.
Li Xiaoang, Yang Xiaoyu, Lyu Xiaoxiao, et al. Metal particles movement and its induced insulator flashover characteristics in GIS under electrified operation[J]. High Voltage Engineering, 2025, 51(3): 1025-1037.
[23] 杜帆. 罗可夫斯基线圈检测导电微粒的同轴电极系统的局部放电[J]. 冶金动力, 1999, 18(5): 16-19.
Du Fan. Inspection of partial discharge of conducting particles in coaxial electrode system using Rokovski coil[J]. Metallurgical Power, 1999, 18(5): 16-19.
[24] 王靖瑞, 王健, 倪潇茹, 等. 直流电场下C4F7N/CO2与SF6/N2混合气体中铝质球形自由微粒放电敏感度对比分析[J]. 电工技术学报, 2018, 33(20): 4682-4691.
Wang Jingrui, Wang Jian, Ni Xiaoru, et al. Comparative analysis of discharge sensitivity by the free spherical aluminum particle in C4F7N/CO2 and SF6/N2 gas mixtures under DC electric field[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4682-4691.
[25] 王健, 秦诚意, 张建民, 等. 基于能量法的带电操作典型振动激励下金属微粒运动模型[J]. 电工技术学报, 2025, 40(11): 3653-3666.
Wang Jian, Qin Chengyi, Zhang Jianmin, et al. Particle motion under typical vibration excitation of live operation based on energy method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(11): 3653-3666.
[26] 章宏仁, 罗仲娟, 杨梦蛟, 等. 无励磁分接开关研发关键技术的研讨[J]. 变压器, 2022, 59(12): 16-22.
Zhang Hongren, Luo Zhongjuan, Yang Mengjiao, et al. Research on key technologies of de-energized tap-changer development[J]. Transformer, 2022, 59(12): 16-22.
[27] 李小婧, 焦国勋, 杨晟, 等. 基于超声纵波法的GIS盆式绝缘子应力测量方法研究[J]. 高压电器, 2025, 61(3): 80-86, 95.
Li Xiaojing, Jiao Guoxun, Yang Sheng, et al. Research on stress measurement method of GIS insulating spacer based on ultrasonic longitudinal wave method [J]. High Voltage Apparatus, 2025, 61(3): 80-86, 95.
[28] 牛勃, 史天一, 刘威峰, 等. 交流电压叠加正弦振动激励下GIS内亚毫米金属颗粒起始特性研究[J]. 高压电器, 2025, 61(3): 96-104.
Niu Bo, Shi Tianyi, Liu Weifeng, et al. Study on sub-millimeter metal particle initiation characteristics in GIS under AC voltage superimposed with sinusoidal vibration excitation[J]. High Voltage Apparatus, 2025, 61(3): 96-104.
The Coordinated Optimization Design of Raised-Type Particle Trap and Stepwise Voltage Conditioning Method for UHV Fast-Acting Circuit Breaker
Abstract The fast-acting circuit breaker (FACB), as a new generation high-voltage switching device in gas-insulated switchgear (GIS), is widely deployed in ultra-high-voltage DC transmission systems. Its increasingly compact structure significantly reduces internal insulation gaps, posing critical challenges to insulation reliability. During operation and testing, residual or generated metallic particles can easily lift and accelerate under high electric fields, becoming a major source of partial discharges or dielectric breakdown. Engineering experience indicates that, during power frequency withstand tests, if particles are not securely trapped in advance, direct voltage application may induce discharge and obscure latent defects. Therefore, it is crucial to develop a coordinated strategy integrating particle traps with voltage conditioning procedures to ensure particle suppression prior to high-voltage application.
To address this, a curved-structure protruded particle trap specifically designed for 800 kV FACB is proposed. Simulation of local electric fields and particle trajectories reveals a dual trapping mechanism combining low-field zones and physical obstructions. Without compromising insulation margins, key structural parameters were optimized—trap thickness of 3 mm, circumferential angle of 40°, height of 5 mm, and slot dimensions of 30 mm × 5 mm—with the trap installed near the interrupter gap and enclosure ends. Simulation results confirm this design balances trapping efficiency and structural reliability, making it well-suited for engineering application.
Further field analysis revealed a low-gradient zone approximately 10 cm above the ground electrode, serving as a safe particle movement region. Based on this, the particle safety height was defined. Trajectory simulations were then conducted for representative particle types (spherical: 0.5～1 mm; linear: 0.1～1 mm; flake: 0.15～0.3 mm thick), and their corresponding safe trapping voltages were determined. A stepwise voltage conditioning program was proposed and refined into six voltage steps—280 kV, 350 kV, 420 kV, 500 kV, 630 kV, and 700 kV—with durations of 1～5 min and a ramp rate of 10 kV/s.
Validation experiments were conducted on a full-scale 800 kV FACB platform. High-speed imaging and ultrasonic sensing confirmed that all particles were stably captured within their respective voltage stages, with no re-lifting or discharge events observed. Compared to direct voltage application, the proposed method reduced particle motion signal intensity by up to 38%. These results verify the practical effectiveness and engineering value of the proposed trap structure and stepwise conditioning program, offering theoretical and technical guidance for insulation reliability improvement in FACB and GIS applications.
Keywords: UHV, fast-acting circuit breaker, raised-type trap, stepwise voltage ramping, conditioning method, full-scale experiment
中图分类号：TM84
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.250654
国家电网有限公司科技项目资助（5500-202355794A-3-8-KJ）。
收稿日期 2025-04-22
改稿日期 2025-05-12
耿秋钰 男，1998年生，博士研究生，研究方向为交直流GIS/GIL微粒抑制技术与绝缘优化设计。
E-mail：gengqiuyu19981123@163.com（通信作者）
王 健 男，1985年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术、放电物理等。
（编辑 李 冰）