学术简报︱GIS中线形和球形金属微粒的运动行为和危害性
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）的研究人员张连根、路士杰、李成榕、王海青、唐志国，在2019年第20期《电工技术学报》上撰文，为了研究气体绝缘组合电器（GIS）中线形和球形两种典型微粒污染物运动行为和危害性，在实验室搭建了以实际126kV GIS设备为原型的2:1缩比实验腔体，记录了球形和线形微粒在腔体内起跳、碰撞、运动与停止的全过程，对微粒的运动行为特征进行了描述和总结，对两类微粒最终停止位置以及不同停止位置处的危害性进行了统计分析，并通过不同微粒初始位置、不同外施电压下的多次重复性实验论证了实验结果的一般性。
研究结果表明：球形微粒起跳后，径向起跳高度2mm左右；线形微粒起跳时，一端首先抬起，然后微粒站立跳动，径向起跳高度5mm左右。球形微粒与绝缘子碰撞会弹回，经过充分运动最终全部停止在外侧弱电场区；线形微粒与绝缘子碰撞作用易形成吸附，吸附于绝缘子的线形微粒易引起局部放电和诱发沿面闪络，危害性高于球形微粒。分析了重力、库仑力、电场梯度力及镜像力对两类微粒运动行为的影响，并论证了接触面镜像力所引起的静摩擦力差异是线形微粒与球形微粒在绝缘子表面吸附情况不同的主要原因。
金属微粒是气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）中最常见的缺陷，有细长的线形、螺旋形、片状、球形和锥形等，其中以球形和线形微粒最为典型。金属微粒在电场作用下不规则运动是设备安全运行的重要隐患，研究金属微粒在GIS腔体内的运动行为和危害性十分必要。
针对金属微粒运动行为的研究，学者的工作方向集中在数值解析和实验测试两个方面。
M. Wohlmut做了较系统的线形微粒运动行为软件仿真，研究表明，对于长度超过1mm的线形微粒，其电场梯度力可达库仑力的10%，对于线形微粒不能以点电荷来简化仿真。
G. V. Nagesh Kumarl采用Monte Carlo数学方法计算了交流电压下同轴腔体，同一电压下相同尺寸的铝微粒比铜、银微粒的跳动幅度更高。
Alan H. Cookson通过实验探索了交流电压下线形微粒跳动峰值高度与外施电压幅值、微粒材料以及气压的关系。
代尔夫特理工大学S. Meijer探索了微粒小幅运动、移动和跳动三种运动形式对应特高频频谱和局部放电相位分析（Phase Resolved Partial Discharge, PRPD）统计谱图的差异。
日本九州电气公司K. Sakai通过楔形电极探索了空气中直流电压应力下，半径1mm不锈钢圆球的受力、运动以及覆膜电极对其运动状态的影响。
华北电力大学王健探索了同轴电极直流电压下，直径1mm铝球径向运动分布数学模型的仿真计算，且考虑了非弹性随机碰撞对粒子行为的影响，季洪鑫搭建了126kV GIS缩比实验腔体，研究了线形微粒尺寸、数量及壳体振动对微粒起举电压的影响。
针对金属微粒危害性的研究，Koh-ichi Sakai等研究了在交流电压下楔形电极、铝线形微粒的击穿特性。实验结果表明，微粒起举后开始在地电极上跳动，最终会向高电场区域运动，并引起击穿。Alan H. Cookson等研究了同轴结构电极中微粒引发的击穿特性。研究表明，击穿电压与线形微粒长度成反比例关系，击穿电压与微粒粗细相关性不明显，分散性较大。有学者得到了直流电压下平板电极球形微粒三种击穿模式：静止直接击穿、微放电击穿和起举电压击穿。
总结前人研究成果，对微粒运动行为的研究热点集中在典型电极结构（平板、楔形、同轴）下，微粒受力分析、起举条件、跳动行为的数学仿真和实验观测，得到了微粒受力情况的数学解析方法与运动行为直观的实验数据，但前人研究成果中缺乏盆式绝缘子对金属粒子运动行为影响的分析，且实验腔体结构的设计中也缺乏对实际GIS开关腔体强弱电场分布不均的考虑，对微粒终止状态和落点分布的统计也未见报道。
在金属微粒危害性研究方面，前人研究方向集中在由于微粒跳动行为引起的电极间的气隙击穿和相关影响因素分析，击穿过程施加电压较高，缺乏对实际GIS运行电压限制的考虑；且由于SF6气体本身较强的灭弧性能和气体绝缘的可恢复性，以电极间气隙击穿电压评价微粒危害性也较为片面。
根据有关学者研究成果，附着在绝缘子表面的固定金属微粒两端会引起附近绝缘子电场分布畸变，加剧绝缘子表面电荷积聚，诱发局部放电，明显降低绝缘子的沿面闪络电压，因此能否吸附于绝缘子表面，是自由金属微粒危害性的一个重要方面，而这一点在前人文献中也缺乏讨论。
为了研究球形、线形微粒运动行为和危害性，本文搭建了具有强弱电场分布、更贴合实际工况的缩比同轴实验腔体，记录了两类微粒起跳、碰撞、运动和最终停止的全过程，对比分析了两类微粒运动行为的差异；统计了两类微粒在绝缘子表面吸附情况和外侧弱电场区停止情况，阐述了两类微粒危害性的不同；建立了微粒在同轴腔体内的受力模型，并论证了接触面镜像力所引起的静摩擦力差异是线形微粒与球形微粒在绝缘子表面吸附情况不同的主要原因。
图1 测试回路示意图
图2 实验腔体侧视图
图6 27kV铝球运动过程
1）运动行为：球形微粒运动主要表现为滚动，径向跳动高度非常小，而线形微粒起跳时首先一端抬起，然后竖直站立跳动，且在径向有一段“稳态”跳动现象。粒子长度越小、端部光滑度越好以及电压等级较低的情况下，线形粒子在电极间的“稳态”跳动时间会更长。
2）终止位置：球形微粒不会在绝缘子表面形成吸附，运动结束后，全部停止于球电极外侧的弱电场区。线形微粒与绝缘子碰撞易形成吸附，无论线形颗粒放置于哪个位置，附着于绝缘子表面的颗粒数均多于弱电场区的颗粒数。
3）受力分析：球形微粒运动过程主要受库仑力与重力支配，而线形微粒站立跳动过程中，电场梯度力的效应不能忽略；线形微粒与绝缘子表面接触的静摩擦力大于球形微粒，两者静摩擦力的不同导致了线形微粒在绝缘子表面可以形成吸附，而球形微粒不能形成吸附。
4）微粒危害性：球形颗粒全部终止于球电极外侧弱电场区，线形颗粒经过运动后，多数吸附于绝缘子表面，附着在绝缘子表面的线形微粒两端会产生局部放电，明显降低绝缘子的沿面闪络电压，说明线形颗粒危害性高于球形颗粒。