直流GIL中線形金屬微粒電動力學行為研究

程 涵 魏 威 Bilal lqbal Ayubi 孫優良 張 黎

直流GIL中線形金屬微粒電動力學行為研究

程 涵 魏 威 Bilal lqbal Ayubi 孫優良 張 黎

（山東大學電氣工程學院 濟南 250061）

直流GIL中線形金屬微粒受力運動極易引發氣體間隙擊穿或者絕緣子沿面閃絡，降低GIL的絕緣性能，嚴重影響直流輸電系統的安全可靠運行。為研究直流GIL中線形金屬導電微粒電動力學行為機理，搭建自由微粒實驗裝置和觀測平臺，并建立直流下微粒電動力學模型。通過實驗與仿真相結合的方法，獲得線形金屬微粒荷電特性、啟舉與運動特性以及微粒運動導致的氣隙擊穿特性，并從微觀角度解釋了微粒啟舉與運動現象形成的原因。研究結果表明，線形啟舉電壓只與半徑有關，與長度和電壓極性無關，隨著半徑增大，啟舉電壓升高，直流電壓極性不影響金屬微粒啟舉電壓幅值；線形微粒的運動及導致的氣隙擊穿與微粒半徑、長度和電壓極性有關，線形金屬微粒半徑小、長度增加時容易導致氣隙擊穿；線形金屬微粒形狀的不規則使得電場畸變作用加強，極性效應更明顯。電暈極性效應導致正負極性下線形微粒的啟舉與運動及運動致氣隙擊穿特性呈現出明顯的規律，當達到啟舉電壓時，正極性下，線形金屬微粒一端抬起后，在下極板小幅跳躍、旋轉或者直立，難以貫穿氣隙；負極性下，線形金屬微粒貫穿氣隙運動，極易出現飛螢現象，為直流GIL中線形金屬微粒污染防治提供了理論指導。

直流GIL 線形金屬微粒 電動力學行為 啟舉 運動

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated transmission Line, GIL）因其電壓等級高、輸送容量大、電磁輻射小、敷設靈活性強等特點具有廣闊的發展前景[1-2]。然而，在實際GIL生產、組裝、輸運和運行過程中將會產生球形、線形等金屬微粒，帶電微粒受到庫侖力、重力、氣體黏滯力等作用力，在GIL腔體內部運動或者粘附在絕緣子表面，使周圍電場發生畸變，從而引發氣體擊穿或者絕緣子沿面閃絡，降低GIL的絕緣性能，嚴重影響到直流輸電系統的安全可靠運行[3-4]。因此，有必要開展直流GIL中金屬微粒的荷電特性、啟舉與運動特性以及微粒運動導致的氣隙擊穿特性研究，對GIL絕緣設計以及金屬微?；钚砸种拼胧┑闹贫ň哂兄匾饬x[5]。

國內外諸多學者針對金屬微粒荷電與運動及導致的氣隙擊穿特性等方面開展了廣泛的研究。裸電極下金屬微粒帶電來源主要有金屬電極傳導帶電、微粒與電極之間進行微放電和微粒尖端電暈放電[6-7]。文獻[8-9]推導了靜止于平板電極表面金屬微粒帶電量解析公式。文獻[10-12]研究了GIL中不同類型金屬微粒的帶電及受力機理，在分析微粒碰撞彈性恢復系數的基礎上，歸納了電壓類型、微粒尺寸與微粒的運動特性和設備絕緣劣化之間的關系和規律。文獻[13-14]通過計算得出楔形不均勻直流電場導電金屬微粒的啟舉電壓，運用Runge-Kutta方法建立金屬微粒運動仿真模型、Monte-Carlo方法模擬金屬微粒運動過程中隨機變化的施加電壓等參數，研究微粒啟舉及運動特性。文獻[15-16]提出了金屬微粒運動過程中的帶電量及碰撞恢復系數的解析計算方法，實驗結合仿真，研究金屬微粒運動特性的影響因素。文獻[17-18]研究了楔形不均勻直流電場下金屬微粒啟舉前及運動過程中金屬微粒表面電場畸變的瞬時情況。

金屬微粒的運動在一定條件下會導致氣隙擊穿。文獻[19-21]指出，金屬微粒的狀態會影響氣隙擊穿，即自由金屬微粒較固定金屬微粒更易造成氣隙擊穿。文獻[22]分析了GIS中交直流下自由金屬微粒運動導致的氣隙擊穿，結果表明，交流電壓下，金屬微粒受到交變的電場力，使得微粒在下極板附近“跳躍”，難以貫穿氣隙；在單極性的直流電壓下，金屬微粒受到單向的電場力，當滿足一定條件時，金屬微粒會發生貫穿氣隙的運動，引起氣隙擊穿。文獻[23-26]指出線形金屬微粒因其形成的穩定電暈引發氣隙擊穿，球形金屬微粒造成氣隙擊穿是由于電子崩發展形成流注。

現有計算模型多為球形微粒，實際上線形金屬微粒的危害更大，對設備絕緣性能的威脅也最大[27-30]。對線性微粒的運動特性及其影響因素和運動微粒引起的氣隙擊穿放電特性的研究多采用實驗的方法，缺乏對線性微粒典型運動現象及微粒運動導致氣體絕緣擊穿機理的微觀分析。

本文搭建自由微粒運動實驗觀測平臺，獲得線形微粒啟舉與運動特性以及微粒運動導致的氣隙擊穿特性。考慮氣體中空間電荷的產生、復合、遷移、擴散等，建立多物理場耦合作用下直流線形微粒電動力學行為模型，分析線形金屬微粒的荷電機制，探究微粒與空間電荷的協同耦合作用引發電動力學行為機理，從微觀角度對典型微粒運動行為和氣隙擊穿的關聯特性進行分析。

1 實驗平臺

由于同軸圓柱結構的GIL內部電場多為稍不均勻電場，僅在如絕緣子支撐、高壓導體末端、金屬微粒驅趕裝置和接頭附近等處為不均勻電場，因此，可以用便于分析研究的平板電極來模擬GIL[31]?，F有研究結論表明，氣壓和氣體類型對金屬微粒的啟舉電壓無影響[32]。因此，本文采用空氣中平板電極進行實驗。

搭建自由金屬微粒運動觀測平臺如圖1所示，平板電極上極板接直流源，下極板接地，采用高速相機（Fastec HiSpec5）觀測微粒運動。實驗選取半徑為0.1mm、0.25mm、0.4mm，長度為2～15mm的鋁制線形微粒。每組實驗重復5次以上，記錄數據。

圖1 自由金屬微粒運動觀測平臺

2 微粒啟舉與運動導致的氣隙擊穿特性實驗

2.1 微粒受力與運動方程

K. I. Sakai使用勢函數法對平行板電極間靜電場求解[33]，線形微粒的帶電量與其位置和形態有關，平躺時微粒的帶電量[34]為

式中，為微粒半徑；0為真空介電常數；為平板電極間電場強度；為線形微粒長度。

所受庫侖力可表示為

式中，為面電荷引起的鏡像修正系數[8]。

線形微粒所受的重力為

微粒運動過程中會受到氣體的粘滯阻力和浮力作用，但微粒密度遠大于空氣密度，可忽略所受到的浮力。氣體的粘滯阻力與運動速度有關，初始運動階段，微粒速度極小，可忽略氣體阻力作用。

式中，為極板間距。

由式（4）可知，線形微粒的啟舉電壓只與半徑有關，與長度和電壓極性無關。

2.2 啟舉實驗

線形微粒在正負極性電壓下不同半徑、不同長度線形微粒的啟舉電壓（取每組實驗平均值）如圖2和圖3所示。

圖2 正負極性下不同半徑線形微粒啟舉電壓

圖3 正負極性下不同長度線形微粒啟舉電壓

由圖2和圖3可知，線形微粒啟舉電壓實驗值基本與式（6）理論值預測值相符，啟舉電壓與半徑有關，與長度和電壓極性無關，隨著半徑增大，啟舉電壓升高。

2.3 微粒運動導致的氣隙擊穿實驗

實驗采用不同長度的半徑0.25mm的線形微粒，觀測到線形微粒的運動及導致的氣隙放電隨著長度和電壓極性的變化呈現出明顯的規律，如圖4～圖7所示：微粒一端先抬起（見圖4a），隨著長度增大，正極性下，跳起往返運動、多次碰撞擊穿（見圖4b、圖5a）→下極板旋轉、升高電壓擊穿（見圖4c、圖5b和圖5c）→下極板直立、直接擊穿（見圖4d、圖5d）；負極性下，跳起往返運動（見圖6a）→“飛螢”（見圖6b）→上極板旋轉（見圖6c）→上極板直立，大概率一運動就擊穿（見圖6d、圖7）。

圖4 正極性下不同長度線形微粒運動

圖5 正極性下不同長度線形微粒導致氣隙放電

圖6 負極性下不同長度線形微粒運動

圖7 負極性下不同長度線形微粒導致氣隙放電

正極性下，微粒長度為5～10mm，隨著電壓升高，一端先抬起，并伴隨著不同程度的以電力線方向為軸心旋轉和傾斜等“晃動”，另一端固定不動或也在電極表面作旋轉運動，長度越長，旋轉轉矩越小，傾斜程度越低，輕微晃動后處于相對平衡的“站立”狀態；范圍內長度越短，晃動越劇烈，繼續升高達到啟舉電壓，向上運動，在多次碰撞中發生擊穿，長度越長，擊穿電壓越低。長度大于10mm，微粒一旦啟舉馬上發生擊穿，微粒端部伴有劇烈的局部放電，在電極之間形成明亮的流注；微粒長度較短的5mm，一端抬起后，直接跳起，在極板間做無規律旋轉的“諧振”運動，直至擊穿。

負極性下，長度小于4mm，一端抬起后，直接跳起，在極板間做無規律旋轉的“諧振”運動；長度大于4mm，隨著長度的增加，飛螢時與上極板間的距離減小，并出現和正極性相似的在上極板“晃動”和“站立”。微粒大概率一運動就發生擊穿，兩端形成明亮的流注，且運動中存在多次放電。

比較正負極性下不同尺寸線形微粒的啟舉和擊穿電壓，如圖8所示。

圖8 正負極性下不同尺寸線形微粒啟舉與擊穿電壓

由圖8可知，正極性下，長度較小的線形微粒隨著長度增加，擊穿電壓增大，半徑越小，啟舉與擊穿電壓越低；長度較大的微粒的擊穿電壓下降幅度隨著長度增加明顯增大，且微粒的長度越長，擊穿電壓越接近啟舉電壓，半徑越小，啟舉與擊穿電壓越低。負極性下，線形微粒長度較小的，隨著長度增加，擊穿電壓增加，半徑越小，啟舉與擊穿電壓越低；長度較大的，擊穿電壓逐漸接近啟舉電壓。線形微粒在負極性的擊穿電壓明顯小于正極性，且較短長度的微粒易發生擊穿。

3 直流線形微粒電動力學行為仿真

3.1 基本模型

線形微粒電動力學模型主要由控制靜電場中電勢分布的泊松方程、控制空間電荷場中電荷分布的方程及控制流場中速度分布的Navier-Stokes方程構成。

GIL內靜電場滿足泊松方程，有

考慮電場作用下空間電荷的產生、復合及遷移、擴散等物理過程，建立空間電荷輸運方程[35]為

平躺時，線形微粒端部電場強度發生畸變，導致電子集中在微粒端部頂點處，與下板接觸點存在較大的梯度差。當電壓升高至啟舉電壓，微粒所受的庫侖力克服重力使微粒微微抬起，懸浮的微粒尖端即會與下極板產生不同程度的電暈放電，放電的隨機性，以及線形微粒存在表面粗糙程度不同、質量分布不均等因素，導致微粒電荷量及電荷分布存在隨機性，隨機的旋轉力矩迫使微粒一端先抬起，即出現一個較小的偏角。

極板內空氣可以看作不可壓縮流體[35]，其控制方程為Navier-Stokes方程，有

電子連續性方程[36]為

重粒子（正離子、負離子和中性粒子）多組分輸運方程[37]表示為

式中，為流體平均速度；n為粒子的數密度；j為粒子的擴散通量；r為粒子的化學反應速率。

電子能量約束方程[38]為

式中，B為Boltzmann常數；e為電子溫度；為電極間的軸向距離；為電子通量；為元電荷；為氣體反應中發生非彈性碰撞的每個電子的能量損失；為反應的進度；e和m分別為電子和粒子的質量；e為電子動量傳遞碰撞頻率；e為電子熱流。

重粒子動量方程[39]為

式中，為重粒子的數密度；為重粒子所有分壓的總和；F為作用在粒子上的體積力。

簡化的模型方程[40]為

3.2 微粒啟舉仿真結果

仿真選取半徑0.25mm，長度5mm的鋁制線形微粒，緩慢升高電壓至式（4）理論啟舉電壓，此時，平躺在下極板中心位置線形微粒周圍電場強度如圖9所示。

圖9 線形微粒沿軸線方向電場強度

平躺時，線形微粒端部電場強度發生畸變，導致電子集中在微粒端部頂點處，與下板接觸點存在較大的梯度差。當電壓升高至啟舉電壓，微粒所受的庫侖力克服重力使微粒微微抬起，懸浮的微粒尖端即會與下極板產生不同程度的電暈放電，放電的隨機性，以及線形微粒存在表面粗糙程度不同、質量分布不均等因素，導致微粒電荷量及電荷分布存在隨機性，隨機的旋轉力矩迫使微粒一端先抬起，即出現一個較小的偏角[6]。

設置偏角為1°，對比平躺和存在1°偏角線形微粒表面電荷和電場分布，線形微粒沿軸線方向表面電荷密度和電場強度如圖10所示。可知，平躺在下極板，即偏角為0°時，微粒表面電荷主要集中在兩端，呈近梯形的對稱分布；即使是較小的1°偏角也會導致微粒表面的電荷呈現左右不均的情況，抬起端電荷分布較多，所受電場力較大，更易抬起。這就解釋了施加電壓后，與半徑、長度和電壓極性無關，線形微粒均出現如圖4a所示的實驗現象。因此線形微粒在啟舉過程時，往往是一端先抬起。

達到啟舉電壓，線形微粒一端抬起，另一端與下極板存在微小間隙。微小間隙產生嚴重的電場畸變，使得微粒底端與下極板產生微放電而等電位[10]。因此，可將微粒當作極板上的突起，等效為“站立”的微粒。

初始階段，隨著電壓升高，正負極性下電極軸線處電場分布如圖11所示?？芍?，隨著電壓升高，正極性下，1.7ns即有明顯的起暈現象，負極性下1.9ns時才出現電暈，且相同時間正極性下微粒附近電場強度大于負極性。分析原因：電極間存在空間電荷效應，空氣電離、解離產生大量正、負離子（電子），在電場作用下定向移動，而負離子的遷移率大于正離子。正極性時，微粒帶負電，表面形成電子立即進入強電場，造成電子崩，速度較慢的正離子向微粒運動，因此，在微粒附近的正空間電荷較為集中，使其電場發生畸變，易于滿足自持放電條件并轉為流注而形成電暈放電。負極性時，微粒附近的正空間電荷對其電場起屏蔽作用，削弱電場強度，使電暈難以形成。從場致發射角度分析，Schottky效應使得金屬中部分處于導帶的電子從外電場獲得能量，金屬表面勢壘畸變并產生隧道效應，發生勢壘貫穿進而使電子脫離其表面，即形成場致發射[41]。正負極性下，微粒頂端電場畸變最為嚴重，因此，正極性下，微粒帶負電，電場強度畸變最嚴重的端部的勢壘壁很薄，電子容易透過勢壘而脫離表面形成場致發射，在強電場作用下進而產生電子崩，出現電暈放電。根據Townsend放電理論[42]，正負極性下a電離和b電離基本相同，正極性的g電離作用遠強于負極性。電暈放電使得微粒電荷量和電荷在微粒上重新分布，旋轉力矩迫使微粒運動，電暈效果越強，電荷分布越不均勻，微粒運動越明顯。綜上所述，正極性下電暈較負極性易發生。這就導致出現2.3節實驗中，正極性下，隨著電壓升高，一端先抬起，并伴隨著不同程度的以電力線方向為軸心旋轉和傾斜等“晃動”，另一端固定不動或也在電極表面作旋轉運動；而負極性下，達到啟舉電壓前，微粒則保持相對靜止狀態，即電壓升高初始階段，正極性下的微粒相較于負極性就有較大幅度的“振動”。

3.3 微粒運動導致氣隙擊穿分析

繼續增加電壓，電暈極性效應增強。發展階段沿電極軸線方向電場強度如圖12所示。

正極性下微粒帶負電，當電壓達到起暈電壓，隨著電壓升高，微粒頂端發生嚴重的電場畸變，強烈的電離產生大量的電子崩，集中在微粒尖端，與正極性空間電荷形成擴散狀分布的流注等離子體層，相當于增大了頂端流注的曲率半徑，使得前沿電場整體削弱，因此，正極性時微粒易出現如圖4c和圖4d所示的在下極板“站立”和出現文獻[43]正極性實驗的點狀發光的現象；負極性下微粒帶正電，微粒頂端流注的等離子體頭部產生正極性空間電荷，使得等離子體中的電場削弱，而其頭部的電場加強，促使電離繼續發展，產生新的電子崩，加強并延伸了頂端的流注通道，使得電暈更加強烈，因此，負極性下在下極板更易起跳，如圖5a所示，并出現如圖5c和圖5d所示的在上極板站立和出現文獻[43]負極性實驗的刷狀發光的現象。

4 結論

本文研究了線形微粒啟舉特性、運動特性以及微粒導致的氣隙擊穿特性，分析了線形金屬微粒的荷電機制，探究微粒與空間電荷的協同耦合作用引發電動力學行為機理，從微觀角度分析微粒運動行為和氣隙擊穿的關聯特性，得出以下結論：

1）線形啟舉電壓只與半徑有關，與長度和電壓極性無關，隨著半徑增大，啟舉電壓升高。

2）線形微粒的運動及導致的氣隙擊穿隨著長度和電壓極性的變化呈現出明顯的規律：微粒一端先抬起，隨著長度增大，正極性下，跳起往返運動、多次碰撞擊穿→下極板旋轉、升高電壓擊穿→下極板直立、直接擊穿；負極性下，跳起往返運動→“飛螢”→上極板旋轉→上極板直立，大概率一運動就擊穿。線形微粒在負極性的擊穿電壓明顯小于正極性，且較短長度的微粒易發生擊穿。

3）線形微粒出現一端抬起、“站立”等啟舉與運動現象以及碰撞擊穿、直接擊穿等運動致氣隙擊穿現象與電暈的極性效應有關。

[1] Cookson A H, Farish O, Sommerman G M. Effect of conducting particles on AC corona and breakdown in compressed SF6[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1972, 91(4): 1329-1338.

[2] 羅毅, 唐炬, 潘成, 等. 直流GIS/GIL盆式絕緣子表面電荷主導積聚方式的轉變機理[J]. 電工技術學報, 2019, 34(23): 5039-5048.

Luo Yi, Tang Ju, Pan Cheng, et al. The transition mechanism of surface charge accumulation dominating way in DC GIS/GIL[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2019, 34(23): 5039-5048.

[3] Xiao Song, Zhang Xiaoxing, Zhuo Ran, et al. The influence of Cu, Al and Fe free metal particles on the insulating performance of SF6in C-GIS[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2017, 24(4): 2299-2305.

[4] 孫秋芹, 羅宸江, 王峰, 等. 直流GIL導體表面金屬顆粒跳躍運動特性研究[J]. 電工技術學報, 2018, 33(22): 5206-5216.

Sun Qiuqin, Luo Chenjiang, Wang Feng, et al. Jumping characteristics of metal particle on the surface of DC gas insulated transmission line conductor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(22): 5206-5216.

[5] 范建斌, 李鵬, 李金忠, 等. ±800kV特高壓直流GIL關鍵技術研究[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(13): 1-7.

Fan Jianbin, Li Peng, Li Jinzhong, et al. Study on key technology of ±800kV UHVDC GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(13): 1-7.

[6] 張連根, 路士杰, 李成榕, 等. GIS中線形和球形金屬微粒的運動行為和危害性[J]. 電工技術學報, 2019, 34(20): 4218-4225.

Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Motor behavior and hazard of spherical and linear particle in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(20): 4218-4225.

[7] 賈江波, 陳姝敏, 楊蘭均, 等. GIS中絕緣子附近自由導電微粒無害化研究[J]. 高壓電器, 2004, 5(1): 370-372.

Jia Jiangbo, Chen Shumin, Yang Lanjun, et al. Study of deactivation of free conducting particle near spacer in GIS[J]. High Voltage Apparatus, 2004, 5(1): 370-372.

[8] Lebedev N N, Skal Skaya I P. Force acting on a conducting sphere in the field of a parallel plane condenser[J]. Soviet Physics-Technical Physics, 1962, 7(3): 268-270.

[9] Sakai K I, Abella D L, Khan Y, et al. Experimental studies of free conducting wire particle behavior between nonparallel plane electrodes with AC voltages in air[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2003, 10(3): 418-424.

[10] 李慶民, 王健, 李伯濤, 等. GIS/GIL中金屬微粒污染問題研究進展[J]. 高電壓技術, 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.

[11] 李慶民, 劉思華, 王健, 等. 直流氣體絕緣線路中自由金屬微粒的局部放電特性與影響因素[J]. 高電壓技術, 2017, 43(2): 367-374.

Li Qingmin, Liu Sihua, Wang Jian, et al. Characteri- stics of partial discharges caused by free metal particle and influencing factors in DC gas insulated line[J]. High Voltage Engineering, 2017, 43(2): 367- 374.

[12] 王健, 李慶民, 李伯濤, 等. 考慮非彈性隨機碰撞與SF6/N2混合氣體影響的直流GIL球形金屬微粒運動行為研究[J]. 中國電機工程學報, 2015, 35(15): 3971-3978.

Wang Jian, Li Qingmin, Li Botao, et al. Motion analysis of spherical conducting particle in DC GIL considering the influence of inelastic random collisions and SF6/N2gaseous mixture[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(15): 3971-3978.

[13] 賈江波, 陶風波, 楊蘭均, 等. GIS中不均勻直流電場下球狀自由導電微粒運動分析[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(8): 106-111.

Jia Jiangbo, Tao Fengbo, Yang Lanjun, et al. Motion analysis of spherical free conducting particle in non- uniform electric field of GIS under DC voltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(8): 106-111.

[14] 賈江波, 查瑋, 張喬根, 等. 交流電壓下預埋電極對絕緣子附近導電微粒運動的影響[J]. 中國電機工程學報, 2008, 28(10): 136-141.

Jia Jiangbo, Zha Wei, Zhang Qiaogen, et al. Influence of metal inserted polytetrafluorethylene spacer on the motion of conducting particle under AC voltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(10): 136-141.

[15] 孫繼星, 戴琪, 邊凱, 等. 自由導電微粒受迫運動過程與振動特性[J]. 電工技術學報, 2018, 33(22): 5224-5232.

Sun Jixing, Dai Qi, Bian Kai, et al. Forced movement process and vibration characteristics of free con- ductive particle[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2018, 33(22): 5224-5232.

[16] 孫繼星, 陳維江, 李志兵, 等. 直流電場下運動金屬微粒的帶電估算與碰撞分析[J]. 高電壓技術, 2018, 44(3): 779-786.

Sun Jixing, Chen Weijiang, Li Zhibing, et al. Charge estimating and impact analysis of moving metal particle under DC electric field[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(3): 779-786.

[17] 律方成, 劉宏宇, 李志兵, 等. 直流電壓下SF6氣體中電極覆膜對金屬微粒啟舉的影響機理[J]. 電工技術學報, 2017, 32(13): 239-247.

Lü Fangcheng, Liu Hongyu, Li Zhibing, et al. Influence mechanism of dielectric coated electrodes on metallic particle lift-off in SF6gas under DC voltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 32(13): 239-247.

[18] 律方成, 劉宏宇, 陰凱, 等. 直流GIL不均勻場中金屬微粒運動的數值模擬及放電特性分析[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(10): 2798-2806.

Lü Fangcheng, Liu Hongyu, Yin Kai, et al. Numerical simulation and discharge characteristic analysis of metallic particle motion in non-uniform electric field of DC GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(10): 2798-2806.

[19] Rizk F M, Comsa R P. Particle-initiated breakdown in SF6insulated systems under high direct voltage[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1979, 98(3): 825-836.

[20] Budiman F N, Khan Y, Arainy A A, et al. Estimation of particle initiated PD inception voltage around spacer in GIS[C]//4th International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives, Istanbul, 2013: 517-521.

[21] 張連根, 路士杰, 李成榕, 等. 氣體絕緣組合電器中微米量級金屬粉塵運動和放電特征[J]. 電工技術學報, 2020, 35(2): 444-452.

Zhang Liangen, Lu Shijie, Li Chengrong, et al. Movement and discharge characteristics of micron- scale metal dust in gas insulated switchgear[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(2): 444-452.

[22] 汪沨, 邱毓昌. 直流氣體絕緣開關裝置絕緣設計的探討[J]. 中國電力, 2002, 11(1): 50-53.

Wang Feng, Qiu Yuchang. Discussion on the electrical insulation design of the HVDC gas insulated switchgear[J]. Electric Power, 2002, 11(1): 50-53.

[23] Hara M, Akazaki M. A method for prediction of gaseous discharge threshold voltage in the presence of a conducting particle[J]. Journal of Electrostatics, 1977, 2(3): 223-239.

[24] Pedersen A, Lebeda J, Vibholm S. Analysis of spark breakdown characteristics for sphere gaps[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1967, 8(1): 975-978.

[25] Hara M, Negara Y, Setoguchi M, et al. Particle- triggered pre-breakdown phenomena in atmospheric air gap under AC voltage[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2005, 12(5): 1071-1081.

[26] 武占成, 張希軍, 胡有志. 氣體放電[M]. 北京: 國防工業出版社, 2012.

[27] 黃旭煒, 倪瀟茹, 王健, 等. 苯硫醚聚酰亞胺電極覆膜材料合成及直流應力下對金屬微粒運動特性的抑制作用[J]. 電工技術學報, 2018, 33(20): 4712- 4721.

Huang Xuwei, Ni Xiaoru, Wang Jian, et al. Synthesis of phenyl-thioether polyimide as the electrode coating film and its suppression effect on motion behavior of the metal particles under DC stresses[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4712-4721.

[28] 姚雨杭, 潘成, 唐炬, 等. 交直流復合電壓下流動變壓器油中金屬微粒運動規律和局部放電特性研究[J]. 電工技術學報, 2021, 36(15): 3101-3112.

Yao Yuhang, Pan Cheng, Tang Ju, et al. Motion behaviors and partial discharge characteristics of metallic particles in moving transformer oil under AC/DC composite voltage[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(15): 3101-3112.

[29] 王淵, 馬國明, 周宏揚, 等. SF6/N2混合氣體中直流疊加雷電沖擊復合電壓作用下絕緣子閃絡特性[J].電工技術學報, 2019, 34(14): 3084-3092.

Wang Yuan, Ma Guoming, Zhou Hongyang, et al. Flashover characteristics of spacers in SF6/N2-filled under composite voltage of DC and lightning impulse[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(14): 3084-3092.

[30] 張博雅, 張貴新. 直流GIL中固-氣界面電荷特性研究綜述Ⅰ: 測量技術及積聚機理[J]. 電工技術學報, 2018, 33(20): 4649-4662.

Zhang Boya, Zhang Guixin. Review of charge accumulation characteristics at gas-solid interface in DC GIL, part I: measurement and mechanisms[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4649-4662.

[31] 周遠翔, 趙健康, 劉睿, 等. 高壓/超高壓電力電纜關鍵技術分析及展望[J]. 高電壓技術, 2014, 40(9): 2593-2612.

Zhou Yuanxiang, Zhao Jiankang, Liu Rui, et al. Key technical analysis and prospect of high voltage and extra-high voltage power cable[J]. High Voltage Engineering, 2014, 40(9): 2593-2612.

[32] 張喬根, 游浩洋, 馬徑坦, 等. 直流電壓下SF6中自由線形導電微粒運動特性[J]. 高電壓技術, 2018, 44(3): 696-703.

Zhang Qiaogen, You Haoyang, Ma Jingtan, et al. Motion behavior of free conducting wire-type particles in SF6gas under DC voltage[J]. High Voltage Engineering, 2018, 44(3): 696-703.

[33] Sakai K I, Labrado A D, Suehiro J, et al. Charging and behavior of a spherically conducting particle on a dielectrically coated electrode in the presence of electrical gradient force in atmospheric air[J]. IEEE Transactions Dielectrics and Electrical Insulation, 2002, 9(4): 577-588.

[34] Asano K, Anno K, Higashiy Y. The behavior of charged conducting particles in electric fields[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, 33(3): 679-686.

[35] 高麗娟. 考慮等離子體-靜電耦合場的復合絕緣子均勻電暈老化電極設計[D]. 北京: 華北電力大學, 2018.

[36] Neufeld P D, Janzen A R, Aziz R A. Empirical equations to calculate 16 of the transport collision integralsW(l, s)* for the lennard-jones (12-6) potential[J]. The Journal of Chemical Physics, 1972, 57(3): 1100-1102.

[37] Yuan Xiaohui, Raja L L. Computational study of capacitively coupled high-pressure glow discharges in helium[J]. IEEE Transactions on Plasma Science, 2003, 31(4): 495-503.

[38] Hsu C P, Jewell L N E, Krichtafovitch I A. Miniaturization of electrostatic fluid accelerators[J]. Journal of Microelectromechanical Systems, 2007, 16(4): 809-815.

[39] Georghiou G E, Morrow R, Metaxas A C. The effect of photoemission on the streamer development and propagation in short uniform gaps[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2001, 34(2): 200-208.

[40] Morrow R, Lowke J J. Streamer propagation in air[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 1997, 30(4): 614-627.

[41] 楊津基. 氣體放電[M]. 北京: 科學出版社, 1983.

[42] 胡孝勇. 氣體放電[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 1994.

[43] 王健, 李慶民, 李伯濤, 等. 直流GIL中自由線形金屬微粒的運動與放電特性[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36(17):4793-4800.

Wang Jian, Li Qingmin, Li Botao, et al. Motion and discharge behavior of the free conducting wire-type particle within DC GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2016, 36(17): 4793-4800.

Study on the Electrodynamic Behavior of Linear Metal Particles in DC Gas Insulated Transmission Line

（School of Electrical Engineering Shandong University Jinan 250061 China）

The stress motion of linear metal particles in DC GIL can easily cause gas gap breakdown or surface flashover of insulators, which reduces the insulation performance of GIL and seriously affects the safe and reliable operation of the DC transmission system. In order to study the electrodynamic behavior mechanism of linear metal particles in DC GIL, the free particle experiment device and observation platform are built, and the particle electrodynamic model under DC is established. Through experiments and simulations, the characteristics of the linear particle lifting, motion and gas gap breakdown caused by particles are obtained, and the reasons of the particle lifting and motion are analyzed from the microscopic view. The results show that the lifting voltage is related to the radius and independent of length and voltage polarity. The voltage polarity does not affect the lifting voltage amplitude of metal particles. The particle motion and the resulting air gap breakdown are related to the particle radius, particle length and voltage polarity. The smaller the radius and the longer the length of the linear metal particles, the easier it is to cause the air gap to breakdown; the irregular shape of the linear metal particles strengthens the electric field distortion, and the polarity effect is more obvious. The effect of corona polarity leads to the lifting and motion of the particles under positive and negative polarities and the gas gap breakdown characteristics caused by motion show obvious laws. If the particles are lifted, under the DC positive polarity voltage, the linear metal particles will jump, rotate or standing upright near the lower electrode, and it is difficult to penetrate the air gap; under the negative polarity voltage, the particles will move through the air gap, and the phenomenon of flying firefly is easy to appear. It provides theoretical guidance for the prevention and control of the linear metal particle pollution in DC GIL.

DC GIL, linear metal particles, electrodynamic behavior, lifting, motion

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90137

TM85

2020-06-29

2020-09-22

程 涵 女，1997年生，碩士研究生，研究方向為直流GIL金屬微粒電動力學行為及防治措施建模。E-mail: 17854160922@163.com

張 黎 男，1979年生，副教授，博士生導師，研究方向為高電壓與絕緣技術。E-mail: zhleee@sdu.edu.cn（通信作者）

（編輯 崔文靜）