学术简报｜自由导电微粒受迫运动过程与振动特性
北京交通大学电气工程学院、国家电网公司、中国电力科学研究院有限公司的研究人员孙继星、戴琪等，在2018年第22期《电工技术学报》上撰文，针对气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）中导电微粒（下称微粒）抑制与缺陷检测问题，参考GIL耐压试验程序，研究了交流电场中微粒的受迫运动过程与振动特性。
通过试验获得微粒在工频电场中的运动过程，建立模型分析微粒的受迫振动特性，得到交流电场激励对微粒振动的影响规律。影响微粒振动规律的因素包括电压幅值、电压频率及电压初相角。工频条件下微粒未发生贯穿性运动时，碰撞频率随电场增加而减小，同时随机性增强，发生贯穿性运动时，碰撞频率随电场强度增加而增大；启举电场时，微粒碰撞频率随电源频率的增加而减小，碰撞随机性增加；初相角对微粒跳起幅值及碰撞频率影响较小，初相角为0°～180°与180°～360°时，微粒碰撞频率具有一定的对称性。
气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated Metal Enclosed Transmission Line, GIL）由于电磁环境友好、输电容量大及受地质环境影响小等特点而广泛应用。GIL在生产、运输及装配过程，由于焊接遗留、清扫不善、碰撞振动等原因不可避免地会产生导电微粒（下称微粒），微粒在GIL的电场中运动会引发电极间击穿及绝缘支撑沿面闪络等问题。
针对交流GIL中微粒抑制与缺陷检测问题，目前已经制定相关标准及试验规程等。考虑到国内尚无直流GIL运行实例，完善针对GIL的耐压试验程序与检测方法具有理论意义与工程实用价值。
针对GIL中的微粒问题，导则中规定需要阶梯施加工频电压的方式使微粒运动到捕捉陷阱的低电场区，同时采用超声及局部放电测量等方法分析微粒的清洁程度。而研究发现交流电场较小，微粒在启举电场时，碰撞及超声信号较小，难以分辨，如图1所示。电场增强后，微粒飞行时间增长，微粒碰撞信号与电场相位无关联性，微粒碰撞具有较强的随机性，工频交流电场微粒缺陷抑制效果难以评估。
图1 工频交流电场中微粒启举电场中的碰撞放电信号
针对微粒的带电、碰撞、运动问题，国内外开展了广泛深入的研究。针对微粒的带电问题，N. N. Lebedev、A. T. Perez，H. Parekh，S. Boggs及刘绍峻等分别得到了不同形状微粒在电极表面的感应带电，西安交通大学张乔根教授及华北电力大学李庆民教授等分别用不同的方法获得了微粒在覆膜电极表面的带电量及弛豫响应等。
根据微粒的带电理论，K.Sakai等得到了直流电场中微粒运动特征，获得了微粒在绝缘支撑附近的运动规律。考虑到气体阻力对微粒运动的影响，文献[20]研究了气体绝缘同轴电极间的运动过程，完善了模型。基于静电场中微粒的带电理论及受力分析，文献[21-26]等研究了交流电场中微粒的运动过程以及微粒在绝缘附近的运动过程，提出了预埋电极对微粒抑制的方法。
针对交直流电场中微粒碰撞规律的问题，基于超声法等文献分析了直流交流电场中微粒的碰撞特性，结果表明直流电场中微粒碰撞信号由于与两电极碰撞，信号明显且规律性强，微粒碰撞受电极形状影响，交流电场中微粒在地电极表面运动，不受高压电极形状影响但碰撞随机性强，相位相关性差。采用传统的交/直流电场分析微粒运动规律具有一定的局限性，获得探索微粒的抑制与检测方法还需从微粒的受迫运动的角度开展研究工作。
基于上述分析，文章拟开展微粒受迫运动过程与碰撞特性研究，通过试验获得微粒在工频电场中的运动过程，建立模型分析微粒的受迫振动特性并分析试验结论，进而探究交流电场强度、频率及电源初相角对微粒振动频率的影响，通过分析受迫振动方程的解的唯一性条件，比较微粒在电极间的受力与能量变化，揭示交流电场对微粒运动碰撞的影响规律，为微粒陷阱设计及耐压试验方法优化提供理论与技术支持。
图2 微粒运动分析试验系统
图4 微粒在交流电压作用下跳起
本文对微粒受迫运动过程与碰撞特性进行研究，得到了微粒运动受电压幅值、频率及初相角影响的规律，结论如下：
1）工频条件启举场强条件下，微粒在电极表面高频小幅跳跃；在稍不均匀电场中具有往返运动的趋势。电极间距不变时，跳起电压随微粒尺寸的增加而增大；随电场不均匀系数的增加而增大。
2）微粒在交流电场中为受迫振动过程，运动幅值频率受电场力激励的幅值、频率制约（式（13）、式（14）），满足微粒受迫振动的条件为微粒碰撞周期与电场力激励周期相近，同时要求微粒的碰撞冲量与激励对微粒的冲量作用值相等。
3）电极间距一定时微粒运动存在贯穿性运动与非贯穿性运动，贯穿性碰撞时电源频率增加，碰撞频率降低；非贯穿性碰撞时电源频率增加碰撞，频率升高。微粒跳起幅值随电源频率的增加而降低。受初相角影响，0°～180°与180°～360°情况微粒运动碰撞特性具有对称性。