西安交通大学李军浩教授团队：工频叠加操作冲击电压下金属微粒运动与局放关联特性研究

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导语

GIS设备在运行过程中频繁遭受工频与操作冲击电压叠加作用，该特殊工况兼具稳态持续加载与瞬态高幅值冲击的双重特征，是诱发内部金属微粒运动并进一步引发局部放电的重要因素之一。然而，在该复杂叠加电压作用下，放电过程与运动行为在毫秒尺度内高度耦合，二者同步演化机理尚不清晰。针对这一问题，本文研究了工频叠加操作冲击电压下GIS内部自由金属微粒的放电激发过程及其与运动行为的关联特性，为实际设备运行中操作引发的故障机理分析与预防提供重要理论支撑。

研究背景

现场运行表明，近年来GIS设备中因金属微粒引发的绝缘故障频发，其中超过60%的故障与设备操作过程密切相关。在操作过程中，设备同时承受工频电压与操作冲击电压叠加作用，使得内部电场环境呈现复杂瞬态变化，显著增强了微粒运动与局部放电的激发条件。因此，研究金属微粒在该类叠加电压作用下的运动行为及放电特性，是揭示故障形成机理并开展有效预防的重要基础。

现有研究多集中于单一交/直流或冲击电压工况，对叠加冲击条件下微粒运动与局部放电的耦合机制仍缺乏系统性认识。基于此，本文构建放电检测与运动捕捉同步分析方法，揭示金属微粒在叠加冲击电压下的运动-放电关联机制。

论文所解决的问题及意义

本文针对工频叠加操作冲击这一工况，构建局部放电检测与运动捕捉的关联分析系统，研究经典线形金属微粒的局部放电激发过程，并同步捕捉局部放电中金属微粒的运动行为，针对叠加冲击电压下线形金属微粒局部放电特性和运动特性开展关联分析。

论文方法及创新点

1、局部放电检测与运动捕捉关联分析系统

对于工频叠加操作冲击电压这一特殊工况，搭建交流与操作冲击叠加试验平台，并设计了局部放电检测与运动捕捉关联分析系统，实现放电信号与微粒运动状态的毫秒级同步采集，对自由金属微粒在工频叠加操作冲击电压下的局部放电特性与运动特性进行关联分析。

图1 交流与操作冲击叠加试验平台

图2 局部放电检测与运动捕捉关联分析系统

2、工频叠加操作冲击电压下GIS内部自由金属微粒的放电激发过程

操作冲击电压可显著激发工频下的线形金属微粒产生局部放电，随着微粒直径增大，放电幅值逐渐增大。通过高速相机捕捉发现，单个线形微粒的激发运动可分为两个阶段，如图4所示，第一阶段为“跷板运动”，微粒两端交替抬起和落下形似跷板，对应小幅值、高频次放电；第二阶段为竖直贯穿运动，微粒呈竖直状态上下跳跃并伴随自旋。对微粒受力分析，操作冲击注入的电荷量大幅增强了库仑力，是微粒起跳的初始驱动力。

多个微粒的激发呈现“木桶效应”，少数微粒优先起跳，通过碰撞间接激发其余微粒，最终全部进入运动状态，如图5所示。随着微粒数量的增多，其放电重复频率显著升高。

图3 工频叠加操作冲击电压下单个线形微粒局部放电信号

（a）第一阶段

（b）第二阶段

图4 单个线形金属微粒运动特性

（a）5个金属微粒

（b）3个金属微粒

图5 不同数量线形金属微粒叠加电压下运动过程

3、工频叠加操作冲击电压下GIS内部自由金属微粒运动-放电关联机制

在线形金属微粒被激发产生局部放电的过程中，运动状态与放电特性相互紧密关联，运动状态决定了放电特性，而放电特性揭示了运动状态。在单个线形微粒时第一阶段“跷板运动”对应小幅值高频放电；第二阶段竖直自旋运动对应大幅值放电。关联其运动放电状态存在两种模式，即贯穿接触电极放电和起举失败接触地电极放电。

在多个金属微粒存在时，自微粒激发少数起跳到全部起跳这一过程中，运动状态的进程同步驱动微粒放电重复率从低到高并趋于稳定，同时不同运动行为分别对应不同的放电脉冲模式。

图6 单个线形金属微粒运动放电关联性示意图

图7 单个线形微粒的两种放电模式

图8 多个线形金属微粒运动放电关联性示意图

结论

1）操作冲击电压可以激发工频交流电压下单个或多个线形金属微粒运动，并在后续工频电压作用下持续产生局部放电，放电量随微粒直径增大而增大，放电重复率随数量增大升高。

2）操作冲击电压使微粒瞬时开始运动，后续工频周期运动幅度持续增大。单个微粒经历“跷板运动”后转为竖直跳跃；多个微粒呈“木桶效应”，少数先起跳并碰撞激发其他微粒最终全部放电。

3）运动状态直接决定局部放电特征，单个微粒跷板阶段对应小幅高频放电，竖直阶段对应大幅值放电并存在两种放电模式；多个微粒从部分激发到全部运动，运动状态与放电重复率对应由低升高并稳定。

团队介绍

王宇昂

硕士研究生，主要研究方向为叠加电压试验技术。

韩旭涛

博士，副教授（特聘研究员），博导，西安交通大学青年拔尖人才。主要从事极端条件下能源系统绝缘演化机理及感知技术。

李军浩

通讯作者，西安交通大学电气工程学院教授，博士生导师，英国工程技术学会会士（IET Fellow）/会士评选委员会委员、CIGRE D1.66/B3.50、IEC TC10 专家，IEEE TDEI 副主编，陕西青年科技奖获得者。长期从事输变电装备现场试验现场技术、能源电力系统装备智能感知与先进测量、新型电力系统背景下的设备电磁效应与状态评估方面的研究。主持国家重点研发计划项目/课题、国家自然科学基金青年/面上/联合重点、陕西省工业攻关/重点研发/杰出青年科学基金项目，发表论文200余篇，授权发明专利30余项，第一完成人获得省部级奖励一等奖2项，二等奖5项。

本工作成果发表在2026年第11期《电工技术学报》，论文标题为"工频叠加操作冲击电压下金属微粒运动与局部放电关联特性"。本课题为国家自然科学基金青年科学基金资助项目。

引用本文

王宇昂, 颜林, 王昊天, 韩旭涛, 李军浩. 工频叠加操作冲击电压下金属微粒运动与局部放电关联特性[J]. 电工技术学报, 2026, 41(11): 3817-3828. Wang Yuang, Yan Lin, Wang Haotian, Han Xutao, Li Junhao. Correlation Characteristics of Metal Particle Movement and Partial Discharge under the AC Voltage Superimposed with Switching Impulse Voltage. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(11): 3817-3828.