微納粉塵運動行為與微弱放電探測技術研究進展

薛乃凡 李慶民 劉智鵬 常亞楠 梁瑞雪

微納粉塵運動行為與微弱放電探測技術研究進展

薛乃凡1李慶民1劉智鵬2常亞楠1梁瑞雪2

（1. 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 2. 北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206）

氣體絕緣開關/氣體絕緣輸電線路（GIS/GIL）裝備在生產(chǎn)、安裝和運行過程中不可避免地會產(chǎn)生微米-納米尺度的粉塵，這種微尺度粉塵不易被檢測到，其荷電運動的物理機制尚不清晰，帶來的安全隱患隱蔽性強。該文對國內(nèi)外相關研究進展進行了梳理，主要包括粉塵的荷電運動行為與表征、粉塵濃度檢測、粉塵可視化探測技術、粉塵誘發(fā)微弱放電機制等。在此基礎上，進一步梳理微納粉塵研究有待解決的兩個關鍵問題以及需要突破的技術難點。針對微納粉塵的隨機荷電機制與時空動力學行為特性研究，在測量基礎上須突破微納粉塵的快速識別方法和空間濃度的有效檢測技術，其中，微納粉塵運動行為的可視化探測技術是發(fā)展方向。針對荷電微納粉塵誘導微弱放電的物理機制，需利用放電光譜學特征，發(fā)展基于飛秒激光和太赫茲波技術的高靈敏度檢測方法。上述問題的有效解決，可為處理GIS/GIL內(nèi)微納粉塵引發(fā)的絕緣缺陷與放電現(xiàn)象提供基礎支撐。

微米-納米粉塵 隨機荷電機制 時空動力學行為 可視化探測 微弱放電

0 引言

自20世紀60年代起，氣體絕緣開關/氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated Switchgear / Gas Insulated Transmission Lines, GIS/GIL）設備開始投入使用，在特高壓輸電及跨江跨河大規(guī)模遠距離電能輸送領域發(fā)揮了重要作用。從近四十年的運行經(jīng)驗來看，絕緣故障始終是影響GIS/GIL安全可靠運行的關鍵因素，而由金屬顆粒與粉塵污染引發(fā)的絕緣故障是其中最主要的表現(xiàn)形式[1-6]。

GIS/GIL設備在生產(chǎn)制造、運輸配送、安裝調(diào)試、服役運行的各個階段中，由于受機械振動、物理碰撞、插接式觸頭摩擦等影響，會產(chǎn)生各種尺度的微粒與粉塵。此外，在安裝調(diào)試現(xiàn)場的環(huán)境清潔度難以保證，非常容易在腔體中由人為因素混入各種異物。在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的污染物中，含有毫米級或較大尺寸的顆粒，如線形、球形、片狀的金屬微粒和線形的絕緣纖維等，同時也會出現(xiàn)數(shù)量較多的微米與納米級的粉塵。大尺寸金屬微粒帶來的絕緣危害較大，其誘發(fā)的局部放電或擊穿現(xiàn)象明顯，相關研究較多，而對于尺度較小的微納粉塵，目前可供借鑒的成果較少，還難以指導工程應用實踐。

隨著GIS/GIL設備的廣泛應用，工程現(xiàn)場的故障統(tǒng)計分析表明，顆粒和粉塵作為主要故障誘因所占的比重越來越大。南方電網(wǎng)2008～2013年的故障統(tǒng)計中，約85%的故障是由絕緣子表面顆?；蚍蹓m等異物導致的沿面放電或閃絡[7]。表1中列舉了四起由顆粒和粉塵引發(fā)的故障案例，其中故障圖片均來源于中國南方電網(wǎng)[8]。

由于粉塵尺寸較小，在耦合場作用下會出現(xiàn)碰撞、吸附等運動形式并沉積在設備內(nèi)部各處，其引發(fā)放電前的故障特征微弱，具有較大的隱蔽性，但可能是目前工程現(xiàn)場發(fā)生不明放電的真正原因，有必要對微納粉塵引發(fā)的絕緣問題開展深入研究。

表1 粉塵在工程現(xiàn)場引發(fā)的故障案例[8]

近幾年來，已有學者開始研究微米級或更小尺寸粉塵帶來的絕緣問題，并取得了一些進展。本文從微納粉塵受力、動力學行為與表征、誘發(fā)放電特性、探測技術等方面，總結了微納粉塵的研究現(xiàn)狀，提出了微納粉塵研究亟須解決的關鍵問題，并給出了可能的技術途徑。

1 金屬粉塵的受力模型與荷電動力學特性

1.1 粉塵的荷電及受力模型

粉塵在電場中會發(fā)生荷電運動，這種荷電運動現(xiàn)象已應用于眾多工程領域，如靜電除塵裝置利用電荷感應原理除去空氣流中荷電運動的粉塵[9]、差分電遷移率分析儀利用氣溶膠在電場中的運動測算粒子尺寸等[10]。其中，微納粉塵通過空間的正負離子等帶電粒子進行充電，其荷電機理通常被認為存在場致荷電和擴散荷電兩種方式。場致荷電理論主要針對粒徑大于0.5mm的粉塵，而擴散荷電理論則針對粒徑小于0.2mm的粉塵[11]。場致荷電是指正負帶電粒子在電場中運動被粉塵粒子吸附而導致粉塵帶電的過程。擴散荷電是指帶電粒子的空間無規(guī)則熱運動與粉塵碰撞而使粉塵吸附帶電的過程。目前的研究工作所涉及的粉塵尺度一般在微米級以上，而對于微納尺度的粉塵，其隨機性非常強的擴散荷電過程不能忽略，還需深入研究其隨機荷電機制[12]。

荷電微納粉塵在多種場力的綜合作用下發(fā)生運動。相較于大尺寸顆粒而言，微納粉塵的受力更為復雜，主要包括流體力、范德華力、靜電力、慣性力、液橋力、聲場力、熱泳力等。當兩個微納粉塵之間的距離較小時，范德華力將起主導作用，同時范德華力也是導致粉塵沉積與吸附的主要影響因素。靜電力往往是最大的力，也是控制粉塵從遠場吸引到近場的首要因素。慣性力、液橋力、聲場力、熱泳力與上述幾個力相比較小，通?？珊雎訹13-15]。

梁瑞雪等曾建立了粉塵在耦合場中的受力分析模型[16]，如圖1所示。以絕緣子附近粉塵為例，除受到重力和外電場力e外，在粉塵荷電運動過程中，還受到接觸和未接觸粉塵的范德華力c和a，以及粉塵之間的碰撞力和庫侖力作用。當粉塵的運動區(qū)域接近絕緣子表面時，表面電荷會對粉塵產(chǎn)生更大的庫侖力，粉塵與絕緣子表面之間的范德華力i-d也將增強。

圖1 粉塵在多場耦合下的受力分析模型[16]

因微納粉塵尺度較小，微納粉塵間的微觀作用力和碰撞作用不可忽略，其碰撞過程的荷電量變化也具有隨機性，如何建立粉塵在多物理場中的準確受力模型也是亟待探索的問題。

1.2 粉塵的動力學行為特征

目前關于粉塵運動的研究往往借助觀測手段來獲取其時空動力學行為特征。程涵等研究了毫米級微粒的運動特性，并發(fā)現(xiàn)線形微粒運動的極性效應現(xiàn)象[17]。正極性電壓下，線形微粒會出現(xiàn)一端抬起、往返碰撞、旋轉(zhuǎn)和直立等特殊現(xiàn)象，如圖2所示；在負極性電壓下，線形微粒還會出現(xiàn)飛螢等現(xiàn)象，如圖3所示。對于尺度更小的微納粉塵，其一端抬起、旋轉(zhuǎn)和直立等運動行為不可能如線形微粒那樣明顯，其觀測還需要更精密的光學儀器來完成。

圖2 正極性下5～10mm線形微粒運動行為[17]

圖3 負極性下不同長度線形微粒運動行為[17]

李杰等針對毫米級片狀微粒在工頻電壓下的荷電運動特性開展了研究[18]，發(fā)現(xiàn)粒徑30mm的片狀鋁微粒會出現(xiàn)一側(cè)傾斜的起跳現(xiàn)象，并在起跳后極短時間內(nèi)傾斜90°，然后上下劇烈運動；而片狀鋼微粒則在起跳后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、滾動，并會產(chǎn)生“小火花”放電現(xiàn)象，且隨著電壓升高，鋼微粒會與電極之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

針對毫米級大尺寸顆粒的運動觀測技術已相對成熟，但這種直觀拍攝技術很難直接應用到尺寸較小的微納粉塵。為觀測到微納粉塵的運動規(guī)律，發(fā)展更先進的探測技術顯得十分必要。

H. Kuwahara等研究了絕緣子不同位置處的銅粉塵吸附運動行為，在交流、沖擊、交流疊加沖擊三種類型電壓下，尺度為30mm的銅粉在圖4a、圖4c所示位置會被吸附到絕緣子表面，而圖4b所示位置的銅粉塵會彌散到絕緣氣體中，不會被絕緣子表面所吸附[19]。劉紹峻的研究表明，所施加電壓無論是直流還是交流，粒徑為30mm的銅粉和鋁粉都會從圖4b所示位置運動并被吸附到絕緣子表面[20]。季洪鑫的研究表明，100mm粉塵會從絕緣強度高的地方向絕緣強度低的地方運動，即絕緣子附近的粉塵將遠離絕緣子，如圖5所示[21]。張連根對20mm以下的鋁粉塵開展運動行為觀測時發(fā)現(xiàn)，20mm以下的粉塵首先會在腔體內(nèi)進行無規(guī)律跳動，然后絕大多數(shù)粉塵被吸附到絕緣子上，只有少部分彌散在腔體內(nèi)，最后被吸附在腔壁內(nèi)側(cè)[22]。

圖4 粉塵在絕緣子附近的不同位置[19]

圖5 126 kV交流GIS中粉塵的動力學行為[21]

從上述研究中可以發(fā)現(xiàn)，粉塵的運動行為差異較大，研究得到的結論也存在矛盾之處，這可能緣于粉塵的尺度效應，其荷電機制呈現(xiàn)較大的隨機性，還有賴于深入研究微納粉塵的荷電機理。

李慶民等觀測總結了粒徑為30mm的鋁粉塵在直流GIL中的動力學行為和運動機制[23]，認為粉塵存在兩種吸附行為：①粉塵在絕緣子表面的積聚式吸附；②在腔體內(nèi)壁和高壓電極表面的擴散式吸附行為。該研究還定量標定了粉塵量與電壓大小和加壓時間的變化規(guī)律，如圖6所示。

粉塵的動力學特性與粉塵的材質(zhì)、初始位置、粒徑、所加電壓類型及幅值等密切相關，其運動吸附行為有積聚式吸附和擴散式吸附兩種形式，兩者具有一定相似性。但在粉塵趨向或接觸絕緣子表面的運動過程中，范德華力和靜電作用呈現(xiàn)變化特性，粉塵的碰撞運動及動態(tài)吸附行為與界面積聚電荷的交互作用過程尚不明朗，粉塵的隨機荷電運動與誘發(fā)放電的交互影響機制也并不清晰。

為更準確地分析微納粉塵的特殊運動行為，還需對微納粉塵的特征信息進行高靈敏度探測，這涉及微納粉塵濃度和速度的時空分布特性。

2 微納粉塵濃度檢測

GIS/GIL中微納粉塵的有效檢測是當前的技術難題，但可以借鑒或改進現(xiàn)有的安全科學領域的技術手段并加以應用，如米散射法、電荷感應法等。

2.1 米散射法檢測粉塵濃度

有學者設計了基于米散射法的光學檢測系統(tǒng)，如圖7所示，實現(xiàn)了金屬粉塵濃度檢測誤差小于10%的目標[24]。宋琳利用DUST9702型激光式粉塵監(jiān)測儀分析了100目、200目、300目等不同尺度鋁粉的光散射功能[25]，發(fā)現(xiàn)鋁粉塵濃度與輸出電流強度之間呈正相關關系，如圖8和圖9所示。文獻[26]在圖10所示傳統(tǒng)米散射法檢測原理的基礎上，增加了無動力機構，減小了粉塵濃度的檢測誤差。陳鋒等進一步融合了圖像處理技術[27]，在粉塵濃度大于30mg/m3的情況下，擬合出粉塵圖像灰度與粉塵濃度之間的定量關系，如圖11所示。

圖7 米散射測量粉塵質(zhì)量濃度簡單流程[24]

圖8 鋁粉濃度與散射光電流信號的關系[25]

圖9 鋁粉濃度與電流信號之間的擬合曲線[25]

圖10 米散射測量粉塵質(zhì)量濃度基本原理圖[26]

利用米散射法檢測粉塵有無以及粉塵濃度，原理不復雜且易于實現(xiàn)，已在礦山粉塵監(jiān)測中被大量應用，但在電氣領域的應用研究很少。同時，為提高檢測靈敏度，還需要引入智能算法到圖像處理中，以更好地去噪和獲得圖像修復效果。

圖11 粉塵濃度與灰度均值的線性擬合關系[27]

2.2 電荷感應法檢測粉塵濃度

另一種常用的粉塵濃度檢測方法是電荷感應法，是基于測量運動的帶電粉塵在探測電極上產(chǎn)生的感應電流，其基本原理如圖12所示。趙政利用環(huán)狀電極和交流耦合方式[28]，將得到的毫伏級微弱電信號通過圖13所示的信號提取電路，可實現(xiàn)在線持續(xù)的金屬粉塵濃度檢測。文獻[29]將環(huán)狀電極改造成螺旋繞線式探測電極，可提高檢測電極的環(huán)境適應性。文獻[30]利用圖14的對比系統(tǒng)指出光散射法和電荷感應法的測量誤差均低于10%，但隨測試時間增長，光散射法的光學測試窗口易被被測金屬粉塵污染，測量誤差迅速增大。相對而言，電荷感應法具有精度高、安裝便捷等優(yōu)點。為改善低濃度小尺度金屬粉塵濃度的測量精度，劉丹丹等利用卡門渦街原理優(yōu)化了環(huán)狀電極[31]，可將探測裝置的感應電荷量提高40%，得到粉塵不同尺度與感應電荷量的關系，如圖15所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當粉塵尺度小于100nm時，探測電極的感應電荷量顯著提升。

圖12 電荷感應法基本原理示意圖[28]

圖13 環(huán)狀電極檢測法信號提取電路框圖[28]

圖14 光散射法和電荷感應法檢測誤差對比試驗系統(tǒng)[30]

圖15 不同粒徑粉塵的感應電荷量[31]

當測試環(huán)境為GIS/GIL這種管道型結構時，還可使用圖16所示的棒狀電極代替環(huán)形電極進行檢測[25]。目前電荷感應法的工程應用尚少，主要緣于感應電極易受復雜環(huán)境的噪聲影響，穩(wěn)定性和有效性仍需提升。如何利用電荷感應法在復雜帶電環(huán)境中實現(xiàn)微納粉塵可靠檢測是有待攻克的技術難題。

圖16 棒狀電極測量粉塵濃度基本原理圖[32]

由此可見，電氣領域中對微納粉塵的探測研究較少，但可借鑒安全科學領域發(fā)展較成熟的米散射法和電荷感應法，改進應用于GIS/GIL管道型設備中。

3 微納粉塵時空分布的成像檢測

濃度檢測并不能對微納粉塵的運動行為做出直觀觀測，而通過成像技術可獲得微納粉塵的時空動力學行為，為揭示其荷電運動機理提供支撐。

3.1 CCD相機直接檢測法

電荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）相機本身具有電荷耦合器件，為實現(xiàn)微納粉塵的時空分布檢測提供了可能。

王麗鵬研究了火電廠煙囪排放粉塵的粒徑時空分布問題，提出一種基于CCD相機成像的非接觸式PM2.5和PM10粒徑檢測系統(tǒng)[32]，如圖17所示。該系統(tǒng)由CCD相機、放大鏡頭和照明裝置組成，據(jù)此得到了10μm粉塵可視化檢測結果，如圖18所示。李立奇等選用線陣CCD相機代替面陣CCD相機進行圖像采集，解決了粉塵圖像采集分辨率低的問題[33]，獲得的粉塵圖像如圖19所示，檢測精度達到20μm。

圖17 工業(yè)微納粉塵監(jiān)測實驗系統(tǒng)示意圖[32]

圖18 成像法獲得的粉塵原始與二值圖像[32]

圖19 線陣CCD相機成像法獲得的粉塵圖像[33]

張琮昌等提出了在線檢測粉塵粒徑和速度的軌跡圖像法，其基本計算方法示意圖如圖20所示[34]。CCD芯片分辨率和成像放大倍率直接決定了粉塵粒徑測量的準確度。實驗結果表明，當成像倍率使粉塵占像素比大于6且CCD曝光時間使粉塵軌跡圖像長寬比介于3～8之間時，煤粉軌跡成像法可準確測量粉塵粒徑和速度分布。

圖20 軌跡圖像法測量粒徑和速度的方法示意圖[34]

利用CCD相機可實現(xiàn)微納粉塵的粒徑與速度測量，粒徑測量精度可達10μm，但速度精度欠缺，三維拍攝為此提供了可用技術。

3.2 數(shù)字全息攝影檢測法

數(shù)字全息技術在測量微納粉塵濃度以及速度分布方面具有較好的應用潛力。文獻[35]研究了數(shù)字全息術在流動或自由碰撞環(huán)境中成像氣溶膠粒子的設計應用，其原理如圖21和圖22所示。氣溶膠中的粒子被觸發(fā)的脈沖激光照亮，由全息相機記錄與粒子散射光干涉所產(chǎn)生的數(shù)字全息圖像，粒子圖像通過快速傅里葉變換進行重構，可實現(xiàn)最小粒徑15μm的成像。文獻[36]研制出一種三維成像的全息裝置，對大氣流設施內(nèi)體積非常小的微納粉塵進行成像探測，成功檢測到直徑1μm的粉塵。數(shù)字全息技術的檢測精度一般高于CCD相機直接成像法。

圖21 全息記錄過程示意圖

圖22 全息攝影的波前再現(xiàn)過程

文獻[37]采用橢圓高斯波束作為入射光的數(shù)字粉塵全息系統(tǒng)，測量自由空間和圓柱形管道的微納粉塵流。針對圓形透明玻璃管內(nèi)的玻璃粉塵應用ABCD矩陣光學分析，獲得了圖23所示的微納粉塵全息圖像，進一步提取了圓柱管道內(nèi)微納粉塵的位置、微納粉塵粒徑分布，如圖24所示。這表明數(shù)字粉塵全息技術可直接測量具有象散特性的曲面容器內(nèi)微納粉塵時空分布。

圖23 管道內(nèi)粉塵全息圖像[37]

圖24 粉塵位置及粒徑分布[37]

文獻[38]設計了以Mckenna平面火焰燃燒器為基礎的平臺，建成高速數(shù)字同軸全息燃燒煤粉粉塵測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可追蹤單個煤粉塵的燃燒變化過程，還能追蹤粉塵團的燃燒進程，繼而獲得煤粉塵在平面的等濃度曲線和煤粉時空速度特征，實現(xiàn)對燃燒過程中三維煤粉的時空分布分析。

除CCD相機直接檢測法和數(shù)字全息檢測法以外，有學者還利用馬赫曾德（Mach-Zhender）激光干涉法，在適合納米粉體制備的環(huán)境壓力范圍內(nèi)，獲得了空氣中鈦絲電爆炸演化過程的探測成像，鈦絲電爆炸演化過程如圖25所示[39]。金屬絲爆是制備金屬微納粉體的成熟方法，該手段也可用作微納粉塵的成像技術。

圖25 鈦絲電爆炸演化過程[39]

綜上所述，對微納粉塵進行成像觀測的主要手段包括CCD相機拍攝、數(shù)字全息拍攝和激光干涉法等，可為GIS/GIL中微納粉塵濃度、速度的時空分布檢測提供技術支撐。但需指出的是，復現(xiàn)運行GIS/GIL中粉塵的隨機荷電運動，對揭示微納粉塵受力本質(zhì)乃至誘發(fā)微弱放電的機制，以及掌握實際工況下微納粉塵的危害程度具有重要意義。因此，通過搭建可等效模擬運行工況的真型試驗平臺，復現(xiàn)微納粉塵的荷電運動，并引入全息拍攝等先進的成像手段是本研究方向亟需突破的關鍵技術。

4 微納粉塵微弱放電檢測

微納粉塵誘發(fā)的微弱放電具有隱蔽性強、探測難度大等特點，目前國內(nèi)外針對微納粉塵微弱放電的研究工作開展較少，可借鑒的往往是大尺度微粒的放電檢測手段，但并不是太有效?？蓞⒄盏募夹g手段包括等離子體放電的微觀探測以及微弱局放信號的宏觀檢測技術。

4.1 等離子體電子特性檢測

放電等離子體探測主要涉及電子溫度與電子密度等。目前光譜技術是探測電子溫度和電子密度的常用方法。孫成琪利用發(fā)射光譜測量了氬原子在763.51nm和772.42nm處譜線輻射強度的信息，用雙譜線法計算低壓熱噴涂等離子體射流的電子溫度，并使用Hβ譜線的Stark展寬計算熱噴涂等離子體射流的電子密度[40]。胡振華利用激光誘導擊穿光譜手段研究液體射流Ca的雙脈沖光譜，發(fā)現(xiàn)雙脈沖激光作用的發(fā)射光譜強度有數(shù)倍增大，可提升探測靈敏度[41]。利用光譜測量等離子體溫度的方法還有多譜線斜率法、等電子譜線法和Saha-Boltzmann法等。這些方法在等離子體探測領域相對成熟，但能否用于微納粉塵的快速微弱放電特性探測，仍待深入研究。

4.2 粉塵微弱放電檢測

微納粉塵的放電研究集中在粉塵誘發(fā)局部放電的信號檢測上，且主要針對大尺寸顆粒的局部放電檢測[42-43]。目前較成熟的局放檢測方法包括脈沖電流法、特高頻法、超聲波法和化學法等，也有學者研究了亞毫米級或微米級尺度粉塵誘發(fā)的局部放電的特征。華北電力大學季洪鑫博士指出荷電運動的0.1mm粉塵在跳躍過程可檢測到放電信號；但對已吸附在絕緣子表面的靜止粉塵，其誘發(fā)的微弱放電量還無法檢測[21-22]。清華大學劉衛(wèi)東教授團隊設計了理論靈敏度達0.02pC的局放測量系統(tǒng)，獲得了GIS絕緣子表面單個及多個亞毫米級金屬微粒的局放信號，如圖26和圖27所示[44]。亞毫米級微粒放電為偶發(fā)性信號，其釋放的特高頻電磁波持續(xù)時間極短，每125個工頻周期才出現(xiàn)1次信號。研究表明，傳統(tǒng)的特高頻檢測法基本不適用這種偶發(fā)微弱放電。許淵等進一步分析指出[45]，檢測中出現(xiàn)偶發(fā)現(xiàn)象的實質(zhì)，不是放電不存在，而是緣于脈沖電流法或特高頻法的局放識別靈敏度不足，目前的檢測技術還無法有效檢測亞毫米級顆粒的放電特征。無論是工程應用還是科學探索，都亟須發(fā)展高靈敏度的微弱放電探測技術。

圖26 5mm金屬微粒的特高頻局放信號[44]

圖27 90kV下100個顆粒特高頻信號頻次譜圖[44]

周宏揚基于圖28的Michelson 干涉原理搭建了光纖超聲傳感系統(tǒng)，用于圖29所示的GIS局放信號檢測，平均靈敏度為82.5dB。該光纖傳感器最大響應幅值比鋯鈦酸鉛（PZT）高552%。

圖28 Michelson干涉光纖超聲傳感系統(tǒng)[46]

圖29 126kV GIS局部放電檢測實驗平臺示意圖[47]

由上述分析可知，隨機運動粉塵的放電特性與粉塵尺寸、形狀、材料屬性和所處位置密切相關，微弱放電所引發(fā)的電荷轉(zhuǎn)移、電磁輻射、聲波輻射，以及光輻射的統(tǒng)計學特性也會發(fā)生明顯變化，而電磁脈沖、超聲脈沖及光脈沖并非存在一致的時序關系，各物理量的強度比例與放電能量呈非線性關系。因此，通過提取粉塵微弱放電與不同信號圖譜之間的關聯(lián)規(guī)律，進而探究微弱放電的物理機制，是后續(xù)研發(fā)檢測新技術的重要目標。

另外，為實現(xiàn)微弱放電目標的定位，有學者提出了兩種檢測微弱局放信號的方法[48-49]。一種方法利用自適應隨機共振技術來提取微弱放電信號；另一種方法利用雙通道測試和互相關信息積累，將非周期微弱局放信號檢測轉(zhuǎn)化為周期性的時延參數(shù)估計檢測。

需要指出的是，針對GIS/GIL內(nèi)微納粉塵誘發(fā)的微弱放電檢測研究，目前很少見諸報道。為厘清微納粉塵的荷電運動與放電物理機制，發(fā)展新的微弱放電檢測方法至關重要。微納粉塵帶來的振動和放電信號都十分微弱，傳統(tǒng)檢測方法在工程現(xiàn)場往往失效或不具有時效性。為此，可探索引入全新的探測技術途徑，例如基于飛秒瞬態(tài)光譜特征的檢測技術和太赫茲波作為入射光源的光學探測手段等。

5 有待解決的問題及可能的技術途徑

發(fā)展微納粉塵的探測技術，與亟待解決的關鍵問題緊密關聯(lián)。本文基于前述梳理，認為該領域有兩個關鍵機制問題尚須深入闡釋，一個是微納粉塵的隨機荷電與運動特性，另一個是微納粉塵誘發(fā)微弱放電的物理機制，相應的探測技術難點與實施途徑也圍繞這兩個問題展開。

5.1 微納粉塵隨機荷電機制與時空動力學行為

微納粉塵體積小、荷電量少，受到的微觀作用力與大尺度顆粒存在很大差別，其碰撞、吸附過程呈現(xiàn)突出的隨機性。

首先，需要發(fā)展微納粉塵的快速實時探測技術，獲得其空間密度、濃度、速度與荷電量的時空分布特征。重點考慮融合米散射法和電荷感應法的粉塵濃度檢測法，以期實現(xiàn)有無微納粉塵的快速甄別。在這基礎上，在信號處理中引入智能算法，以獲得更好的去噪效果和更高的檢測靈敏度。

同時，需要引入可視化的探測方法，進一步獲得微納粉塵的時空動力學行為特性。重點考慮CCD相機拍攝、數(shù)字全息拍攝和激光干涉法等成像手段，為GIS/GIL中微納粉塵濃度、速度的時空分布檢測提供技術支撐。同時，需要引入可視化的探測方法，進一步獲得微納粉塵的時空動力學行為特性。

5.2 荷電微納粉塵誘導微弱放電的物理機制

荷電運動的微納粉塵會誘發(fā)氣隙的微弱放電現(xiàn)象，而微弱放電的發(fā)生反過來也會影響微納粉塵的荷電與運動行為。

為研究這種交互影響機制，可在微納粉塵隨機荷電與運動特性的基礎上，通過建立微納粉塵的多場耦合動力學模型來初步揭示其作用機制。目前尚不清晰的機制問題較多，主要包括：微納粉塵趨向絕緣子運動過程中范德華力的變化特性、微納粉塵碰撞運動及動態(tài)吸附行為與界面積聚電荷的交互作用、粉塵的隨機荷電運動與誘發(fā)放電的交互影響機制等。

更重要的是，可利用微弱放電的光譜學特征，引入全新的探測技術手段，例如基于飛秒瞬態(tài)光譜特征的微弱放電探測方法、利用太赫茲波作為入射光源的微弱放電形態(tài)成像技術等。

綜上所述，圖30給出了圍繞兩個關鍵機制問題的主要實施技術途徑。

圖30 待解決的關鍵問題與技術難點

6 結論

GIS/GIL設備存在的微納粉塵會帶來絕緣缺陷和放電風險，但目前對其荷電動力學行為以及誘發(fā)微弱放電的物理機制研究較少。本文綜述了以往的主要研究進展，在此技術上梳理了有待解決的兩個關鍵問題，并據(jù)此給出了須重點攻克的探測技術，包括微納粉塵的快速實時檢測、可視化探測、基于光譜學特征的微弱放電高靈敏度檢測方法等，為后續(xù)深化研究給出了方向。

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Research Advances of the Detection Technology for Kinetic Behavior and Weak Discharge of the Micro-Nano Dust

Xue Naifan1Li Qingmin1Liu Zhipeng2Chang Yanan1Liang Ruixue2

（1. State Key Lab of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Beijing Key Lab of HV and EMC North China Electric Power University Beijing 102206 China）

In the process of production, installation and operation of gas insulated switchgear/gas insulated transmission lines(GIS/GIL)equipment, it is inevitable to produce micron-nano scale dust. This kind of micro-scale dust is not easy to be detected, and the physical mechanism of its charge movement is not clear, leading to strong security risks. In this paper, the research progress at home and abroad was reviewed, including the charge movement behavior and characterization of dust, dust concentration detection, dust visualization detection technology and the dust induced weak discharge mechanism. On this basis, two key problems and technical difficulties in the study of micro-nano dust were further sorted out. For the study of random charge mechanism and spatial-temporal dynamic behavior characteristics of micro-nano dust, it is necessary to break through the rapid identification method of micro-nano dust and the effective detection technology of spatial concentration based on measurement. Among them, the visual detection technology of micro-nano dust motion behavior is the development direction. Aiming at the physical mechanism of weak discharge induced by charged micro-nano dust, it is necessary to develop a high sensitivity detection method based on femtosecond laser and terahertz wave technology by using the characteristics of discharge spectroscopy. The effective solution of the above problems can provide basic support for the treatment of insulation defects and discharge phenomena caused by micro-nano dust in GIS/GIL.

Micron-nano dust, random charge mechanism, spatial-temporal dynamics, visualized detection, weak discharge

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210862

TM852

薛乃凡 男，1994年生，博士研究生，研究方向為金屬微粒和粉塵防護等。E-mail：nev777@ncepu.edu.cn

李慶民 男，1968年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓與絕緣技術、放電物理等。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）

2021-06-14

2021-12-17

國家自然科學基金（51737005，51929701和52081330507）和北京市自然科學基金（3202031）資助項目。

（編輯 赫蕾）