振动激励为什么用正弦(自由金属微粒威胁GIS绝缘性能，西安交大学者撰文研究其运动规律)

Posted 2023-05-27

篇首语：拼一个春夏秋冬，愿一生无怨无悔。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了振动激励为什么用正弦(自由金属微粒威胁GIS绝缘性能，西安交大学者撰文研究其运动规律)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

振动激励为什么用正弦(自由金属微粒威胁GIS绝缘性能，西安交大学者撰文研究其运动规律)

自由金属微粒是影响气体绝缘组合电器（GIS）绝缘可靠性的主要威胁之一，常具有潜伏性和随机性，而GIS振动可激励微粒起跳并诱发绝缘击穿，但相关研究鲜有报道。电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）、国网江苏省电力有限公司电力科学研究院的研究人员李杰、李晓昂等，在2021年第21期《电工技术学报》上撰文，建立了特高压GIS中工频电压叠加正弦振动条件下自由金属微粒的荷电、受力和运动仿真计算模型，研究了不同外施电压和振动参数对微粒运动特性的影响规律，并获得不同条件下微粒的超声飞行时间谱图。

研究结果表明：初始时刻，在壳体加速度作用下，微粒起跳场强随振幅的增加逐渐降低，微粒半径对起跳场强影响随振幅的增加逐渐减小。微粒运动过程中，相邻两次碰撞间最大飞行高度与碰撞瞬间恢复速度及电压相位有关，且与微粒飞行时间呈正相关。与仅施加工频电压相比，外施振动激励条件下，微粒飞行时间图谱在电压幅值较低时即呈现明显的三角脉冲，且微粒飞行时间图谱呈山峰状，与带状飞行图谱相比具有明显差异，具有较高的识别性。

气体绝缘组合电器（Gas Insulated Metal-Enclosed Switchgear, GIS）具有占地面积小、受环境影响小、运行可靠性高、维修周期长等优点。GIS在生产制造过程由于加工工艺不良、搬运中的机械摩擦、开关动作等都可能导致自由金属微粒的产生，金属导电微粒的存在会对GIS绝缘性能产生较大威胁[6-9]，因此，有必要对实际运行工况下GIS内自由金属微粒运动行为以及规律展开研究。

国内外开展了大量有关GIS内自由金属微粒运动规律的研究。然而，在GIS实际运行工况下，由于高压母线电磁力作用、内部接触不良以及紧固性松动等故障，并且考虑到实际GIS内高压断路器分合闸时，其驱动力可达数万牛，对GIS设备整体冲击力在触头制动、缓冲更为强烈，从而引起GIS壳体振动，对GIS内金属微粒的起跳以及运动特性产生影响。因此，有必要针对上述工况，考虑GIS壳体振动对金属微粒起跳场强以及运动规律的影响。

电力设备电气绝缘国家重点实验室（西安交通大学）等单位的研究人员在现有研究基础上，建立了真实比例的1100kV GIS仿真模型，对自由金属微粒激活以及运动过程进行受力和数值分析。对比分析了自由金属微粒在工频和工频叠加正弦振动激励下受力以及运动规律，仿真得到微粒运动过程各运动参量变化曲线及外施振动参数变化对微粒起跳以及运动规律的影响。

图1 微粒实验飞行图谱

研究人员最后通过计算得到微粒飞行时间谱图，研究了不同外施电压幅值对微粒运动规律的影响，并通过实验对仿真结果加以验证。研究结果如下，其成果可为实际GIS内金属微粒检测提供一定的理论指导。

1）微粒起跳场强随壳体振幅增加逐渐降低，且微粒半径对起跳场强影响随振幅增加逐渐减小；振幅为10μm时微粒起跳场强相对于未施加振动下降约25%，振幅增加到30μm时，微粒起跳场强随半径增加基本保持不变，约为2kV/cm。

2）微粒相邻两次碰撞间最大飞行高度与微粒碰撞瞬间电压相位以及碰撞恢复速度有关，相位为零时，微粒近似做竖直上抛运动，同样碰撞恢复速度条件下运动高度最低，正弦振动激励能够有效加快微粒碰撞恢复速度，使得最大飞行高度相对于仅施加工频电压有所增加。

3）正弦振动激励下微粒飞行图谱呈山峰状，与仅施加工频电压下带状飞行图谱相比具有明显形态差异，在外施工频电压幅值较低时，飞行图谱即呈现明显的三角脉冲，因此具有更高的可识别性。

4）微粒与振动壳体碰撞瞬间，若二者运动方向相反，则图谱的上包络线幅值会明显增加；若运动方向相同，图谱的下包络线幅值变化会明显减小，导致最终微粒飞行时间图谱呈山峰状分布。

本文编自2021年第21期《电工技术学报》，论文标题为“正弦振动激励下GIS内自由金属微粒运动特性”，作者为李杰、李晓昂等。