GIL中金屬顆粒污染物運(yùn)動(dòng)行為與放電特性研究

馬宏忠， 王立憲， 戴鋒

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211102)

0 引 言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated transmission line，GIL)作為我國能源電力互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的重要新基建設(shè)備，在許多大型輸電項(xiàng)目中都得到了廣泛的應(yīng)用，其中于江蘇省投運(yùn)的GIL蘇通管廊更是創(chuàng)下了多項(xiàng)世界紀(jì)錄[1-4]。但隨著GIL的廣泛應(yīng)用，由金屬顆粒污染物造成的內(nèi)部絕緣裂化問題也日益突出，在GIL設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)輸、裝配以及運(yùn)行的過程中會不可避免的產(chǎn)生金屬顆粒污染物[5-6]，文獻(xiàn)[7]表明金屬顆粒污染物的存在會使GIL內(nèi)部絕緣性能降低50%以上，所以對GIL內(nèi)部金屬顆粒污染物進(jìn)行運(yùn)動(dòng)行為與放電特性研究，對提升GIL設(shè)備內(nèi)部絕緣性能，保護(hù)輸電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。

GIL內(nèi)部金屬顆粒發(fā)生運(yùn)動(dòng)的基本條件是其表面累積的足夠的電荷，當(dāng)能量聚集到某一程度金屬顆粒才會發(fā)生運(yùn)動(dòng)。目前，針對GIS與GIL中顆粒運(yùn)動(dòng)行為與放電特性，國內(nèi)外做了如下研究：

文獻(xiàn)[8]以同軸圓柱模型對金屬顆粒進(jìn)行了受力分析并對其運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行了理論研究，并沒有對金屬顆粒運(yùn)動(dòng)過程中伴隨的放電特性進(jìn)行分析；

文獻(xiàn)[9]以楔形電極板為模型，對金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)與放電現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值建模與實(shí)驗(yàn)觀測，但楔形電極板屬于不均勻電場，在電場環(huán)境、電場梯度力等方面與實(shí)際GIL內(nèi)部的稍不均勻電場存在差別，這將對金屬顆粒的受力運(yùn)動(dòng)與放電特性產(chǎn)生影響；

文獻(xiàn)[10]在考慮非彈性碰撞的前提下分析了不同絕緣氣體混合比對GIL內(nèi)部金屬顆粒運(yùn)動(dòng)的影響；文獻(xiàn)[11]通過對顆粒運(yùn)動(dòng)位置與吸附特性的研究，分析了不同形狀的金屬顆粒對GIS內(nèi)部的危害程度。但以上研究對象均為單個(gè)金屬顆粒，在實(shí)際工程應(yīng)用中，較少出現(xiàn)單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)與放電的情況，金屬污染物常以多個(gè)顆粒甚至“顆粒群”形式出現(xiàn)，單個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)行為與放電特性研究難以對多顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的顆粒間碰撞與放電形成借鑒意義。

同時(shí)，GIL設(shè)備內(nèi)部雖然為同軸圓柱結(jié)構(gòu)，但在盆式絕緣子、三支柱絕緣子以及導(dǎo)電桿末端球頭處，高壓點(diǎn)(高壓導(dǎo)電桿)與接地點(diǎn)(絕緣子附近或GIL接地殼體)的之間的距離會發(fā)生變化，即“極-地”距離發(fā)生變化，這種變化會改變局部電場結(jié)構(gòu)，除此之外“極-地”距離變短也更易形成放電通道，而對于極-地距離變化對金屬顆粒污染物運(yùn)動(dòng)與放電的影響，國內(nèi)外并未有研究。

針對現(xiàn)有研究中存在的不足，文中首先以同軸圓為模型對依附于殼體上的金屬顆粒進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，對其運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分析；其次建立GIL金屬顆粒運(yùn)動(dòng)與放電實(shí)驗(yàn)平臺，對金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)行為與放電現(xiàn)象進(jìn)行觀測，對極-地距離變化對金屬顆粒運(yùn)動(dòng)特性與放電行為的影響以及多顆粒在GIL內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)特性與放電行為進(jìn)行了分析；最后，結(jié)合文中研究結(jié)論對實(shí)際工程中如何抑制金屬顆粒運(yùn)行與放電提出理論性建議。

1 GIL內(nèi)金屬顆粒受力運(yùn)動(dòng)分析

基于文獻(xiàn)[12-17]的研究，文中以同軸圓柱為模型，對于依附于殼體上的鋁制金屬顆粒進(jìn)行分析，其中：導(dǎo)電桿半徑為R1；殼體內(nèi)直徑為R2；導(dǎo)電桿施加電壓為U；金屬顆粒半徑為a；金屬顆粒中心與導(dǎo)電桿中心距離為r；金屬顆粒受力模型如圖1所示。

圖1 金屬顆粒受力模型

金屬顆粒主要受力如表1所示。表中：ρa(bǔ)l為鋁球密度；ρgas為絕緣氣體密度；g為重力加速度；ε0為真空介電常數(shù)；ε1絕緣氣體相對介電常數(shù)；▽E為電勢梯度；q為電荷帶電量；k為鏡像修正系數(shù)；C為氣體阻力系數(shù)；S為金屬顆粒迎風(fēng)面積；b為金屬顆粒運(yùn)動(dòng)與氣體的相對速度。

表1 金屬顆粒主要受力

文中基于實(shí)驗(yàn)室GIL設(shè)備尺寸進(jìn)行建模分析，高壓導(dǎo)電桿外半徑為20 mm，外殼內(nèi)半徑為240 mm，殼體厚度10 mm。金屬顆粒半徑1.5 mm，材質(zhì)為鋁，密度2 700 kg/m3，設(shè)備運(yùn)行溫度設(shè)定20 ℃，氣壓為0.1 MPa，絕緣氣體為SF6，密度為6.1 kg/m3，高壓導(dǎo)體隨機(jī)變化角5°、外殼隨機(jī)變化角度10°，導(dǎo)電桿設(shè)置邊界電壓幅值20、25、30和35 kV，仿真時(shí)長20 s，金屬顆粒運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果如圖2所示，4幅運(yùn)動(dòng)軌跡圖順時(shí)針角度分別為0°、90°、180°和270°，省略非必要參量，圖中以第一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡圖為例，標(biāo)注了0°和90°，θ為金屬顆粒在殼體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)范圍對應(yīng)的角度。

圖2 不同施加電壓下金屬顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖2可以看出，金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)主要分為3個(gè)階段：1)沿GIL外殼“打水漂”式跳動(dòng)：此時(shí)外加電壓較低，金屬顆粒累積的電荷能量無法支持其克服摩擦力、粘滯力等外界阻力發(fā)生大幅度起跳動(dòng)作，金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)角范圍較大；2)啟舉：隨著外加電壓升高，金屬顆粒受電場梯度力增大，在低幅度的跳躍過程中不斷進(jìn)行電荷累積，最終發(fā)生啟舉與高壓導(dǎo)電桿發(fā)生撞擊，此時(shí)金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)角范圍開始減小；3)高頻“諧振”：在外加電壓30 kV和35 kV時(shí)，金屬顆粒已經(jīng)完全克服了環(huán)境阻力，開始與高壓導(dǎo)電桿和GIL殼體之間發(fā)生高頻撞擊，類似于“諧振”現(xiàn)象。隨著外加電壓幅值的增大，金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)角范圍越小，與高壓導(dǎo)電桿和殼體的碰撞頻率越高。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 金屬顆粒實(shí)驗(yàn)平臺

為驗(yàn)證文中建模結(jié)論的準(zhǔn)確性并對金屬顆粒帶電運(yùn)動(dòng)進(jìn)行觀測和定量分析，文中以100 kV GIL實(shí)驗(yàn)腔體為實(shí)驗(yàn)平臺，高壓導(dǎo)電桿外半徑為20 mm，外殼內(nèi)半徑為240 mm，殼體厚度10 mm，腔體端部及左右設(shè)有石英玻璃窗便于觀測，實(shí)驗(yàn)平臺如圖3所示，文中選取鋁制1.5、1.0和0.5 mm直徑金屬顆粒分別進(jìn)行試驗(yàn)，如圖4所示。在每次實(shí)驗(yàn)前均用乙醇對顆粒和GIL實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行擦拭，等乙醇揮發(fā)完畢后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，避免污物影響實(shí)驗(yàn)效果。

圖3 金屬顆粒運(yùn)動(dòng)與放電實(shí)驗(yàn)平臺

圖4 金屬顆粒實(shí)物圖

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)分為供變電單元、GIL金屬顆粒實(shí)驗(yàn)單元和信號檢測單元三部分，如圖5所示：

圖5 檢測系統(tǒng)示意圖

1)供變電單元：MLZC-100kV調(diào)壓器、GDLB-5KVA隔離濾波裝置、YDJ-5/100無局放變壓器，額定電壓110 kV，額定功率5 kVA，110 kV下局部放電量小于10 pC，在變壓器與GIL實(shí)驗(yàn)腔體之間串聯(lián)阻值為5 000 Ω的保護(hù)電阻，耦合電容500 pF，檢測阻抗70 Ω。

2)信號檢測單元：HCPD-9104局放綜合分析儀，檢測頻帶10 kHz～1 MHz(±3 dB)，測量范圍0.1 pC～100 000 pC(靈敏度0.1 pC)，記錄放電PRPD譜圖，配套HCCS-2A超聲傳感器對金屬顆粒撞擊產(chǎn)生的超聲信號進(jìn)行采集；Fastec-HiSpec5高速相機(jī)對顆粒運(yùn)行進(jìn)行觀測。

3 金屬顆粒運(yùn)動(dòng)行為與放電特性分析

3.1 單個(gè)顆粒運(yùn)動(dòng)行為與放電特性分析

文中對3種直徑的金屬顆粒污染物進(jìn)行了加壓放電試驗(yàn)，得到的PRPD放電譜圖趨勢一致，故采用趨勢最明顯的直徑1.5 mm金屬顆粒污染物放電譜圖進(jìn)行分析，起始放電電壓為22.5 kV，升壓步長0.5 kV，PRPD譜圖隨外加電壓變化情況如圖6所示。

圖6(a)為金屬顆粒起始放電電壓下的PRPD圖譜，雖然并未形成完整的正弦包絡(luò)帶，但此時(shí)放電相位已經(jīng)遍布整個(gè)正弦周期，放電現(xiàn)象多集中于工頻周期的過零點(diǎn)處，在工頻周期正負(fù)半周峰值的放電現(xiàn)象也存在，但幅值較低，故在正弦峰值包絡(luò)帶處多有空白。在此電壓下的金屬顆粒運(yùn)動(dòng)多為在GIL殼體上“打水漂”式的左右移動(dòng)，極少出現(xiàn)大幅度跳躍，與圖2(a)相似。

圖6 單個(gè)金屬顆粒放電PRPD譜圖

圖6(b)為加壓至26.5 kV時(shí)的PRPD放電譜圖，此時(shí)已經(jīng)有形成完整包絡(luò)帶的趨勢，但放電現(xiàn)象集中的位置仍清晰可見，整體分布趨勢與圖6(a)相近，但最大放電幅值增加了50 mV。相比于22.5 kV下的運(yùn)動(dòng)情況，此電壓下的金屬顆粒運(yùn)動(dòng)高度有所增加，偶有高度跳躍與碰撞現(xiàn)象，與圖2(b)相似。

圖6(c)與圖6(d)為金屬顆粒在30.5 kV與34.5 kV下的PRPD放電譜圖，兩者整體的放電趨勢分布相似，均已形成較為完整的包絡(luò)帶，且隨著外加電壓的增大，放電幅值也有所增加。在30.5 kV下，金屬顆粒左右移動(dòng)的范圍明顯減少，運(yùn)動(dòng)的高度與頻率大幅增加，已經(jīng)出現(xiàn)撞擊導(dǎo)電桿的情況；在34.5 kV下，金屬顆粒快速發(fā)生啟舉現(xiàn)象，與導(dǎo)電桿的撞擊更為劇烈，甚至出現(xiàn)超越導(dǎo)電桿的跳躍高度，與圖2(c)和圖2(d)相似。

通過外加電壓與放電相位和幅值的變化關(guān)系可以看出，隨著外加電壓的增加，金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)頻率與放電程度均有所增加。通過高速相機(jī)觀測到的單個(gè)金屬顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡如圖7所示。

圖7 金屬顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡

3.2 顆粒尺寸對放電的影響

為研究金屬顆粒尺寸對其放電的影響，文中統(tǒng)計(jì)了3種不同直徑的顆粒在不同電壓等級下的放電平均值與放電最大值，如圖8所示。

由圖8可以看出，隨著顆粒半徑的增大，其放電的平均值與最大放電幅值均有所增加，所以在GIL內(nèi)部大顆粒的金屬污染物的運(yùn)動(dòng)與放電行為會對其絕緣性能造成更大的影響。

圖8 各尺寸顆粒放電幅值對比

3.3 極-地距離影響因素分析

為研究高壓電極與GIL接地殼體對金屬顆粒污染物運(yùn)動(dòng)與放電的影響，設(shè)計(jì)了U型接地殼來控制極-地距離。U型接地殼長20 cm，寬10 cm，以導(dǎo)電桿中心為圓心，弧度140°，伸縮距離可在0～8 cm調(diào)節(jié)，如圖9所示，其中調(diào)節(jié)部位已用框線標(biāo)出，通過對于螺絲的松旋操作可以實(shí)現(xiàn) 對U型接地殼高度的調(diào)節(jié)，U型接地殼與GIL外殼共地。圖10為安裝示意圖，為方便讀者理解在拍攝時(shí)將導(dǎo)電桿末端球頭拆下。

圖9 U型接地殼實(shí)物圖

圖10 安裝示意圖

文獻(xiàn)[18-20]表明利用超聲波信號可以有效實(shí)現(xiàn)對金屬顆粒運(yùn)動(dòng)及放電信號進(jìn)行監(jiān)測。為研究金屬顆粒運(yùn)動(dòng)頻率與極-地距離變化之間的關(guān)系，文中提出一種新的微觀角度統(tǒng)計(jì)方法：超聲間隔頻率(ultrasonic interval frequency, UIF)，定義若待測超聲信號數(shù)量大于2，則相鄰兩次超聲信號的時(shí)間間隔倒數(shù)則為超聲間隔頻率

(1)

式中p為相鄰兩次超聲信號的時(shí)間間隔數(shù)。

基于UIF，文中定義平均超聲間隔頻率(average ultrasonic interval frequency, AUIF)，即兩個(gè)UIF之間的平均值

(2)

式中n為沖擊信號個(gè)數(shù)。

在32kV電壓等級下，文中分別設(shè)置了不同的極-地距離，并對3種不同直徑的金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)分布圖如圖11所示。

圖11 金屬顆粒運(yùn)動(dòng)頻率統(tǒng)計(jì)圖

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，在顆粒半徑相同的情況下，隨著極-地距離的減小，金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)頻率越大，這是由于當(dāng)極-地距離件減小時(shí)，高壓導(dǎo)電桿與顆粒之間的徑向絕緣距離變得更短，金屬顆粒越易感應(yīng)電荷，進(jìn)而在電荷累積的情況下發(fā)生運(yùn)動(dòng)行為；在極-地距離相同的情況下，顆粒半徑越大其運(yùn)動(dòng)頻率越大，這是由于大直徑的金屬顆粒其累積的電荷更高，同時(shí)其能量密度更大，在與高壓導(dǎo)電桿與殼體碰撞時(shí)，非彈性碰撞造成的能量損失比較小，在高壓導(dǎo)電桿的高電壓加持下，大直徑的金屬顆粒運(yùn)動(dòng)的頻率更快。為研究極-地距離變化對金屬顆粒放電行為的影響，在32kV電壓等級，不同極-地距離情況下，對1.5 mm直徑的金屬顆粒進(jìn)行了放電試驗(yàn)?zāi)M，并統(tǒng)計(jì)了其放電次數(shù)與相位分布情況，如圖12所示。

圖12 放電次數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

從圖12的整體趨勢來看，由于極-地距離的減小，金屬顆粒的放電次數(shù)均有所增加。其次，在極-地距離逐漸減小的過程中，金屬顆粒的放電相位也發(fā)生了變化，在極-地距離18 cm時(shí)，金屬顆粒放電次數(shù)出現(xiàn)峰值，放電相位集中在0°、180°以及360°這些過零點(diǎn)處；在極-地距離14 cm時(shí)，金屬顆粒的放電相位集中位置雖與18 cm保持一致，但在90°和270°相位的放電次數(shù)也有所增加；極-地距離10 cm時(shí)，金屬顆粒在5種放電相位處的放電次數(shù)已經(jīng)近乎一致；在極-地距離6 cm時(shí)，金屬顆粒在90°和270°相位的放電次數(shù)已經(jīng)超越在0°、180°以及360°處的放電次數(shù)。當(dāng)極-地距離減小時(shí)，金屬顆粒的放電次數(shù)集中位置從正弦過零點(diǎn)處逐漸向正弦峰值處轉(zhuǎn)移，放電次數(shù)特征變化可概括為“W”型向“M”型的轉(zhuǎn)化。

此種特征的形成與極-地距離密切相關(guān)，原因在于當(dāng)極-地距離較大時(shí)，金屬顆粒運(yùn)動(dòng)時(shí)常處于懸浮電位，此時(shí)金屬顆粒發(fā)生的放電多為在不均勻電場下的電暈放電，放電相位發(fā)生在外加電壓過零點(diǎn)處；而當(dāng)極-地距離減小時(shí)，金屬顆粒徑向運(yùn)動(dòng)距離減小，常與高壓導(dǎo)電桿或GIL殼體發(fā)生碰撞，并伴隨荷轉(zhuǎn)現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)多發(fā)生極端放電現(xiàn)象，放電相位發(fā)生在外加電壓正負(fù)半周的峰值處。

3.4 多個(gè)金屬顆粒放電特征

在實(shí)際工程中，GIL內(nèi)部出現(xiàn)單個(gè)金屬顆粒污染物的現(xiàn)象十分少見，金屬顆粒污染物常多個(gè)出現(xiàn)，且在GIL設(shè)備運(yùn)行過程中振動(dòng)影響以及在電荷相互吸引的作用下，金屬顆粒污染物甚至?xí)纬伞邦w粒群”。為研究GIL內(nèi)部多個(gè)金屬顆粒污染物的放電特征，文中在32 kV電壓等級下，在GIL設(shè)備內(nèi)部放置了單個(gè)金屬顆粒(直徑為1.0 mm)、3個(gè)金屬顆粒(直徑為0.5、1.0、1.5 mm各一個(gè))、6個(gè)金屬(直徑=0.5、1.0、1.5 mm各兩個(gè))、12個(gè)金屬(直徑=0.5、1.0、1.5 mm各4個(gè))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究隨著金屬顆粒的增加其放電特征的變化，放電PRPD譜圖如圖13所示。

從圖13可以發(fā)現(xiàn)，多個(gè)金屬顆粒的放電趨勢與單個(gè)顆粒的放電趨勢基本相似，但隨著顆粒數(shù)量的增加，多個(gè)金屬顆粒的放電情況出現(xiàn)了新特征：單個(gè)金屬顆粒的PRPD放電譜圖包絡(luò)帶明顯，在圖像中沒有額外的放電點(diǎn)，但隨著金屬顆粒的增加，PRPD放電譜圖逐漸出現(xiàn)正弦包絡(luò)帶外的放電散點(diǎn)；通過PRPD放電譜圖也可以發(fā)現(xiàn)隨著金屬顆粒數(shù)量的增加其整體的放電幅值也有所增加。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，隨著金屬顆粒數(shù)量的增加，其起始放電電壓也發(fā)生了變化：單個(gè)金屬顆粒放電起始電壓22.7 kV，3個(gè)金屬顆粒放電起始電壓20.3 kV，6個(gè)金屬顆粒放電起始電壓18.8 kV，6個(gè)金屬顆粒放電起始電壓18.6 kV，產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是在同一電場下，金屬顆粒會感應(yīng)帶電，當(dāng)金屬顆粒數(shù)量增多時(shí)，金屬顆粒會相互吸引，這會使局部電荷密度增加，更易發(fā)生放電現(xiàn)象。為進(jìn)一步研究多顆粒的放電幅值與散點(diǎn)特征，文中利用放電幅值置信區(qū)間對單個(gè)與多個(gè)金屬顆粒的PRPD放電譜圖包絡(luò)帶信號幅值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其變化趨勢如圖14所示。其中：Vmax為最大幅值，Vmax90%為放電幅值置信區(qū)間90%內(nèi)最大幅值，Vmax為最小幅值。

圖13 不同數(shù)量顆粒放電PRPD譜圖

圖14 放電幅值隨顆粒個(gè)數(shù)變化的趨勢

從圖中折現(xiàn)變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)：1)隨著金屬顆粒數(shù)量的增加Vmax數(shù)值不斷增大，這也對應(yīng)了在多個(gè)金屬顆粒PRPD放電圖譜中放電散點(diǎn)隨金屬顆粒數(shù)量增加而增多的趨勢；2)單個(gè)金屬顆粒的Vmax90%與Vmin均大于多個(gè)金屬顆粒的Vmax90%與Vmin，這是由于在多個(gè)金屬顆粒之間存在微觀放電現(xiàn)象，但此種放電要比高壓導(dǎo)電桿與金屬顆粒之間的局部放電小很多。

3.5 多個(gè)金屬顆粒運(yùn)動(dòng)行為分析

多個(gè)顆粒放電幅值的增加的原因除上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果之外，還與金屬顆粒之間的電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)而形成“極化”現(xiàn)象有關(guān)，由于多個(gè)金屬顆粒之間的“極化”現(xiàn)象屬于微觀現(xiàn)象，通過高速相機(jī)難以直觀觀察，故文中從微觀機(jī)理角度分兩種情況行分析：

1)帶電金屬顆粒感應(yīng)非帶電金屬顆粒。

在多金屬顆粒污染物的情況下，由于位置與尺寸的不同，其運(yùn)動(dòng)過程也不是同一時(shí)間的，所以會發(fā)生帶電金屬顆粒運(yùn)動(dòng)撞擊非帶電金屬顆粒的現(xiàn)象，在此過程中，帶電金屬顆粒上的電荷發(fā)生荷轉(zhuǎn)現(xiàn)象，吸附非帶電金屬顆粒并使非帶電金屬顆粒帶電，如圖15所示，兩個(gè)金屬顆粒吸附在一起形成一個(gè)小“尖端”體，相較于單個(gè)金屬顆粒其電荷集聚面積更大，帶電量更多，更易造成放電現(xiàn)象。

圖15 金屬顆粒感應(yīng)帶電

2)帶電金屬顆粒在運(yùn)動(dòng)過程中碰撞。

如圖16所示，帶電金屬顆粒撞擊在運(yùn)動(dòng)過程主要分成3個(gè)階段。在階段1，顆粒A與顆粒B表面受電場效應(yīng)感應(yīng)出不同種電荷；在階段2，兩帶電顆粒發(fā)生碰撞，致使帶異種電荷的交界面發(fā)生中和；在階段3，由于碰撞過程中電荷的中和與轉(zhuǎn)移，致使同種電荷量增加，故而兩個(gè)顆粒帶電量增大。

圖16 金屬顆粒撞擊帶電

總體來看，由于單個(gè)金屬顆粒的帶電量有限，且數(shù)量較少不會發(fā)生同質(zhì)化的荷轉(zhuǎn)與極化現(xiàn)象，所以其運(yùn)動(dòng)與放電現(xiàn)象都具有一定的局限性與規(guī)律性，在實(shí)際工程中較容易判別與診斷；而由于電荷的荷轉(zhuǎn)與中和，多個(gè)金屬顆粒更易發(fā)生感應(yīng)帶電造成無規(guī)則、高頻率的碰撞與運(yùn)動(dòng)，在GIL內(nèi)部造成的危害性更大。

4 結(jié) 論

1)隨著電壓等級的增加，金屬顆粒運(yùn)動(dòng)先是呈“打水漂”式在GIL殼體上小幅度跳躍，后變?yōu)椤爸C振”式與導(dǎo)電桿和殼體發(fā)生高頻撞擊；電壓等級越高金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)與放電行為越劇烈，金屬顆粒的尺寸越大其放電均值與最大值越大，更易對GIL內(nèi)部絕緣造成破壞。

2)極-地距離的變化對金屬顆粒的運(yùn)動(dòng)與放電行為有顯著影響，隨著極-地距離的減小，金屬顆粒運(yùn)動(dòng)的頻率越高，同時(shí)由于運(yùn)動(dòng)距離的減小與放電模式的變化，其放電從電暈放電模式逐漸過渡為尖端放電模式，放電次數(shù)與相位呈現(xiàn)“W-M”特征變化。

3)由于多個(gè)金屬顆粒在電場中的運(yùn)動(dòng)無序性明顯且電荷交換頻繁，故隨著顆粒數(shù)目的增加，其放電PRPD譜圖出現(xiàn)了越多的離散放電點(diǎn)，單個(gè)金屬顆粒的放電則呈現(xiàn)明顯的包絡(luò)，二者放電特征區(qū)別明顯。

4)相較于單個(gè)金屬顆粒，多個(gè)金屬顆粒的放電起始電壓更低，放電幅值更大，故多個(gè)顆粒引起的聚集性放電將對GIL內(nèi)部絕緣系統(tǒng)造成更大的破壞。

5)實(shí)際工程建議：由于極-地效應(yīng)的影響，在GIL內(nèi)部三支柱絕緣子、盆式絕緣子以及末端球頭的位置應(yīng)格外注意金屬陷阱的設(shè)置與優(yōu)化，避免金屬顆粒在絕緣子和導(dǎo)電桿末端附近聚集形成聚集性放電；由于單個(gè)金屬顆粒與顆粒群的PRPD放電譜圖區(qū)別明顯，故在實(shí)際工程中可以通過PRPD放電譜圖的變化特征(起始電壓、放電幅值、放電散點(diǎn)分布)結(jié)合其他實(shí)地監(jiān)測數(shù)據(jù)對單個(gè)金屬顆粒放電與多個(gè)金屬顆粒聚集性放電情況進(jìn)行判別。