馬御棠，劉 剛，耿 浩，廖民傳，馮瑞發(fā)

（1.南方電網(wǎng)云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院，昆明650217；2.南方電網(wǎng)科學研究院，廣州510663；3.特高壓電力技術與新型電工裝備基礎國家工程研究中心，昆明651701）

氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）由于在生產(chǎn)、運輸、裝配過程中存在擦拭不凈、振動以及在運行過程中出現(xiàn)器件溫變摩擦、老化等問題，不可避免地會產(chǎn)生中導電微粒（下稱微粒）.微粒在電場中運動會降低GIS 的絕緣性能，主要會導致間隙擊穿及絕緣子沿面閃絡等問題.GIS 中微粒運動規(guī)律問題一直是高電壓工程領域長期關注的問題之一［1-5］.

微粒在GIS 電場環(huán)境中存在帶電、運動、碰撞及附著等環(huán)節(jié)［6-7］.其中微粒帶電制約電場力，是影響微粒其他狀態(tài)的關鍵因素.國內外在該方面已經(jīng)開展了廣泛而深入的研究.考慮到微粒帶電量對運動過程所受電場力的制約及碰撞過程引發(fā)放電的可能性，眾多學者針對微粒在電場中的帶電開展了深入的研究工作.Lebedev 等［8］推導了高壓靜電場中微粒的帶電，得出球形微粒的感應帶電量與微粒的表面積、電場值及絕緣的介電常數(shù)成正比，該結論得到Perez［9］的進一步驗證.當微粒形狀不同時微粒帶電量及在微粒表面的分布也不同，如線狀微粒［10］、片狀微粒［11］及近似橢球［12］的微粒，同時微粒放置方式不同，帶電量具有較大差異［10］.考慮到氣體絕緣金屬封閉系統(tǒng)外殼內表面涂覆的情況，西安交通大學張喬根教授等通過試驗方法得到微粒在電極表面的帶電量與電場的關系，同時得到電極表面覆膜情況，微粒的帶電量約為裸電極情況的0.82［10］.華北電力大學李慶民教授等研究了微粒在覆膜電極表面的啟舉場強，認為在覆膜電極表面微粒帶電存在暫態(tài)過程并得到了微粒的弛豫響應特性［14］.文獻［15-22］研究了微粒在直流及交流電場中微粒的運動過程，然而在此過程未計及微粒與電極間放電對帶電的影響.微粒在電極表面及附近的帶電受放電過程、氣體特性、空間電荷等因素影響，帶電隨機性較強，難準確估算，給微粒運動模型的描述及啟舉場強的計算帶來誤差，影響針對異物缺陷的GIL 耐壓試驗及有效性分析，關于GIL 環(huán)境中導電微粒帶電的影響因素及影響規(guī)律問題需要開展深入的研究.

本文作者針對氣體絕緣金屬封閉環(huán)境中金屬微粒帶電運動問題開展帶電量影響因素的研究，結合金屬微粒運動模擬試驗平臺，根據(jù)微粒的受力分析，推導了真空及氣體環(huán)境中微粒帶電量的估算方法；考慮到SF6 電負性的影響，開展了正極性電場中微粒帶電運動試驗，分析了空氣及SF6 環(huán)境中微粒的啟舉場強及帶電量，獲得正極性條件下SF6 氣體壓力對微粒啟舉場強的影響，并進行機理揭示，同時得到交流電場中SF 氣體對微粒的帶電量的影響研究為GIS 耐壓試驗方案的制定提供理論和數(shù)據(jù)支持.

1 試驗裝置及試驗方法

1.1 試驗裝置

文中研究所用微粒運動模擬試驗平臺包括電源與保護，試驗腔體及測量系統(tǒng)3 部分，如圖1 所示.試驗電源采用直流高壓發(fā)生器；試驗電極在罐體內部，電極為銅質平行板電極，間距可調，罐體可抽真空，可充氣體，用以模擬GIS 中的SF6 環(huán)境.

圖1 微粒運動試驗系統(tǒng)Fig.1 Particle movement test system

試驗系統(tǒng)關鍵設備及部件材料如下：高壓直流發(fā)生器，±150 kV；密閉罐體，承受壓力＞0.5 MPa；試驗電極，間距0-50 mm 可調.

測量系統(tǒng)主要包括高速攝像機、超聲測量系統(tǒng)、特高頻局部放電測量系統(tǒng)及脈沖電流測量系統(tǒng)，主要用于觀測微粒的運動軌跡、測量微粒的碰撞信號與放電信號，系統(tǒng)各部分主要參數(shù)如下：高速攝像機：幀頻1 000～2 000 Hz；特高頻局放測量系統(tǒng)：工作頻帶300 MHz～1.5 GHz；超聲測量系統(tǒng)：工作頻帶15～70 Hz；脈沖電流測量系統(tǒng)：上限截止頻率300 Hz，下限截止頻率200 MHz.

1.2 試驗過程

用酒精擦拭并調整電極間距33 mm，放置微粒（鋁球Φ2.0 mm），罐體抽真空，施加電壓，施加電壓的方式參考階梯加壓的方式，0.2 kV/次，時間間隔3 s，28.6 kV 時微粒開始運動觀測微粒的運動軌跡，如圖2 所示.參考文獻［18］，分別比較微粒與高壓電極碰撞前后的速度vu，v'u，與地電極碰撞前后的速度vd，v'u.微粒向地電極運動，與地電極碰撞前速度達到最大，約為1.35 m/s，微粒向高壓電極運動過程加速度約為1.40 m/s2，向地電極運動時加速度約為21.00 m/s2.

圖2 金屬鋁微粒在電極間運動軌跡Fig.2 Aluminum particle moving trajectories between electrodes

同時得到微粒在運動過程的碰撞及放電的測量結果如圖3 所示，圖3 中上部分為測量的碰撞、局部放電及脈沖信號的全波圖，下部分是信號放大的結果，從測量結果可以看出，微粒與上極板及下極板碰撞過程存在局部放電情況，但未產(chǎn)生脈沖電流，放電僅為微粒所帶電量的釋放.

圖3 測試獲得的碰撞及放電信號Fig.3 Crash and discharge signals obtained from the test

2 導電微粒運動過程帶電量估算方法

直流電場中微粒運動過程中受力包括電場力、電場梯度力、重力、浮力、氣體阻力等.在真空條件下勻強電場中，微粒受到電場力與中立的作用，帶電量可以表示為［17-18］

式中：q±為球形微粒所帶電荷，C；a為球形微粒的半徑，mm；E為電場強度，kV/cm.

結合式（1），考慮微粒運動時存在加速度及氣體環(huán)境中微粒所受到的浮力與運動過程的阻力，當微粒向上極板運動時，受力方程可以表示為

向下極板運動時，受力方程可以表示為

式 中：m為微粒的質量；g為重力加速 度；qu、qd分別表示微粒向高壓電極與向地電極運動過程的帶電量；au、ad分別表示微粒向高壓電極與向地電極運動時的加速度.微粒的運動方程可以表示為

式中：Ff及Fdv表示微粒所受浮力及氣體阻力，其中氣體阻力與微粒的運動速度相關，分別表示為

式中：r為微粒半徑；ρg表示氣體密度；v為微粒運動速度；η氣體黏度，空氣20 °C 時η為1.8×10-5Pa·s.將微粒的運動速度值帶入方程，比較微粒所受的電場力、氣體阻力與重力，可以得到Φ2.0 mm 鋁微粒所受電場力重力與氣體阻力在電極間運動碰撞過程，如圖4 所示.

圖4 微粒運動過程中的受力Fig.4 Forces on moving particles

在啟舉電場中微粒所受氣體阻力約為電場力的10-3，同時氣體浮力約為重力的10-3，微粒啟舉時，重力及電場力是影響微粒運動過程的主要力.試驗過程中選擇鋁球及銅球；極板間距33 mm.

3 微粒運動特性試驗

3.1 空氣環(huán)境中微粒的帶電量

參考文獻［6］中微粒碰撞恢復系數(shù)測量結果及仿真分析方法，考慮微粒與電極碰撞恢復系數(shù)為0.55，結合式（2）～式（3），利用COMSOL 仿真軟件進行仿真，得到微粒運動的運動過程見圖5.

圖5 微粒運動的仿真與試驗結果Fig.5 Simulation and experimental results of particles moving trajectorie

仿真得到的微粒運動軌跡與實驗得到的微粒運動軌跡相符，可以看出，基于微粒運動過程計算的微粒帶電量與實際情況具有一致性.對于Φ2.0 mm 鋁質球形微粒，啟舉場強下在間隙運動過程的帶電量約為180.3 pC，此時微粒的啟舉場強為0.57 kV/mm.當氣體壓力不同時，獲得鋁球及銅球的帶電量如表1 所示.

表1 不同氣壓下的銅微粒帶電Tab.1 Charge on copper particle with different SF6 pressure

在施加電壓過程中，微粒在電極表面感應帶電，當微粒所受電場力大于重力時，場強達到微粒的啟舉場強，微粒在電極表面浮起，此時由于微粒與電極之間電場較強，微粒發(fā)生放電現(xiàn)象，如圖6所示.

金屬銅微粒在運動及與電極碰撞過程存在局部放電信號如圖7 所示.表明微粒在運動過程存在局部放電現(xiàn)象，影響微粒的帶電量，進而影響微粒的運動狀態(tài).

圖6 不同尺寸的鋁微粒的局部放電信號Fig.6 Partial discharge signals of aluminum particles with different sizes

圖7 不同尺寸的銅微粒的局部放電信號Fig.7 Partial discharge signal of copper particles with different sizes

3.2 SF6 環(huán)境中微粒帶電量

常溫0.1 MPa 絕對氣壓下SF6 氣體相對介電常數(shù)1.002 04，與空氣（1.000 585）相近，然而SF6 氣體具有較強的電負性能，其氣體分子對電子有較強的吸附能力，微粒表面附近的SF6 與微粒表面電子結合，形成負離子，其簡單過程可以描述為

該過程在一定程度上會減少微粒表面的感應帶電量，使得微粒只有再施加較高的電場才能浮起.在電極間分別放置Φ2.0 mm 的金屬鋁微粒及Φ1.0 mm 金屬銅球（Φ1.0 mm 以上金屬銅球存在極間放電，影響微粒的荷電量分析），對罐體充0.1 MPa 的SF6 氣體，施加電壓，觀察微粒在啟舉場強下的運動過程，如圖8 所示.

圖8 SF6 環(huán)境微粒運動軌跡的試驗與仿真結果Fig.8 Experimental and simulation particle trajectory in SF6 environment

根據(jù)微粒運動過程中的帶電量計算得到SF6 氣體中2.0 mm 金屬鋁微粒表面的帶電量為195.715 pC，此時啟舉場強為1.15 kV/mm.根據(jù)微粒的啟舉場強及帶電量，參考微粒運動模型（微粒與電極碰撞恢復系數(shù)為0.55），仿真得到微粒的運動過程如圖6～8 中仿真軌跡.微粒在上述電場及帶電量情況運動軌跡與試驗結論相同，說明了微粒帶電量情況與實際相符，放電過程如圖9 所示.

對密閉腔體充以不同氣壓的SF6，得到不同氣壓下，微粒（以Φ2.0 mm 金屬鋁球為典型進行試驗分析）在不同氣壓下的啟舉場強如圖10 所示.平行板電極構成的勻強電場中，隨著SF6 氣壓的增大，微粒的浮起電壓有所增加，當氣壓由0.1 MPa 增加到0.4 MPa時，浮起場強由1.15 kV/mm 增加到1.20 kV/mm，微粒的帶電量由197.7 pC 增加到215.1 pC.

對于金屬銅微粒，獲得不同SF6 氣壓條件下的啟舉場強及荷電量情況如表2 所示.

圖9 SF6 環(huán)境微粒放電信號Fig.9 Particle partial discharge signal in SF6 environment

圖10 不同氣壓下SF6 中微粒的啟舉場強與帶電量Fig.10 Particle lift-off electric field and charge in SF6 environment with different pressure

表2 不同氣壓下的銅微粒帶電量Tab.2 Charge on copper particle with different SF6 pressure

4 討論

根據(jù)試驗，得到2.0 mm 微粒在空氣及SF6 環(huán)境中的運動軌跡如圖11 所示.正極性條件下SF6 氣體中微粒的浮起電壓明顯增大.當空氣條件下施加的場強為1.15 kV/mm 此時電極間場強與SF6 環(huán)境相同，由空氣間隙微粒帶電量計算方程［2］可以得到空氣間隙微粒的帶電量為248.05 pC，約為空氣中相同電壓下感應帶電的0.786 倍.

根據(jù)上述帶電量分析，借助Ansoft Maxwell 仿真得到微粒引起的電場畸變如圖12 所示.

圖11 微粒在空氣及SF6 條件下的運動軌跡Fig.11 Particle moving trajectory in air and SF6

圖12 SF6 與微粒表面電子形成SF-6Fig.12 SF6 formatting to SF-6 on particle surface

當電壓較小時，電極表面的微粒附近電場雖然畸變，但電場值較小，電子與SF6 結合的電子加速電壓較小，SF6 形成SF-6 的速度較?。⊿F6 離子電流較?。?；隨著施加電壓的增大，電子加速電壓增大，SF6 形成SF-6 的速度增大（SF6 離子電流增大，如圖13 所示，離子電流坐標表示的是相對值），使得微粒表面聚集電荷速度減慢.

圖13 SF6 離子電流Ir與電子加速電壓Ua的關系Fig.13 Relationship of SF6 ion current Ir and electronic accelerating voltage Ua

當施加電壓超過一定值時，電子加速電壓增大到一定值，SF6 形成SF-6 的速度急劇下降，微粒表面聚集電荷數(shù)量增加迅速.SF6 電負性能特性影響了微粒在電極表面的起跳電壓及起跳過程，是提高正極性條件下微粒浮起電壓的重要原因.

5 結論

本文推導了氣體環(huán)境微粒帶電量的計算方法，考慮電負性氣體對微粒初始帶電的影響，得到了正極性電場中微粒的帶電量運動過程，獲得了SF6 對微粒啟舉場強及帶電量的影響，得到的具體結論如下：

1）啟舉場強下，微粒在33 mm 間隙間運動時，最高速度約為1.5 m/s，空氣阻力及浮力對微粒運動的影響約為電場力的0.001 倍，微粒運動過程受浮力及氣體阻力較小.

2）正極性電場的SF6 環(huán)境中，帶電微粒啟舉場強明顯高于空氣環(huán)境，常壓條件下，SF6 條件下微粒帶電量小于空氣環(huán)境，約為空氣條件下的0.789 倍.

3）電場強度相同時，微粒啟舉場強隨SF6 氣體壓力的升高而增大，SF6 具有電負性，微粒表面電場集中，電荷容易與SF6 結合形成SF-6 是造成上述結果的主要原因.研究可為GIS/GIL 耐壓試驗檢測微粒缺陷提供數(shù)據(jù)支持.