0 引言

自20世纪60年代起,气体绝缘开关/气体绝缘输电线路(gas insulated switchgear/gas insulated transmission lines,GIS/GIL)设备开始应用,并在特高压输电及离岸大规模风电输送领域具有广泛的应用前景。从近40年的运行经验来看,绝缘故障始终是影响GIS可靠性的重要因素之一,而微粒污染是引发绝缘故障的最主要的原因^[1-2]。

GIS/GIL在生产、装配、运输、运行的各阶段,由于机械碰撞、振动、插接式触头摩擦等情况,会产生各类异物。此外,由于安装现场环境不清洁,也非常容易在腔体中混入异物。在现场所发现的污染微粒中,有毫米级或更大的大尺寸颗粒,如线形、球形、片状的金属微粒和线形的绝缘纤维等,但往往也会出现数量较多的微米级甚至更小的金属粉尘。由于大尺寸金属微粒带来的绝缘危害非常大,因此长期以来都是学者们的研究重点,且其运动及放电行为的研究较为系统,相关理论较为成熟。而对于微米级或更小的金属粉尘,仅在20世纪60至70年代期间,有学者进行了少量的研究,且研究关注点侧重于粉尘对气隙击穿电压的影响。20世纪80年代后,对粉尘开展的直接研究则很少。

然而,随着GIS/GIL的技术发展和广泛应用,在故障现场的统计分析中,金属粉尘在故障因素中占有的比重越来越大。南方电网2008—2012 年所有故障中,85%左右的故障均为绝缘子表面存在粉尘异物导致的沿面击穿^[3]。表1总结了部分粉尘引发的故障案例,所有数据均来源于中国南方电网^[4]。由于粉尘体积较小,在电场作用下会不断运动并沉积在腔体内各处,且在现场往往检测到粉尘放电时已经引发了严重的闪络、击穿等故障。因此,GIS/GIL中微米级或更小的金属粉尘对绝缘的危害不亚于大尺寸金属微粒,有必要对其带来的绝缘问题进行深入研究。

近两年来,少数学者逐渐将研究方向转向微米级金属粉尘,并取得一些研究成果。通过梳理国内外的相关研究成果,本文从以下方面对粉尘引发的绝缘问题进行总结：首先,金属粉尘劣化绝缘的根源在于粉尘在电场中荷电并运动,因而分析粉尘在电场中的荷电量及受力是了解粉尘影响绝缘强度

表1 金属粉尘引发的部分故障案例(源于中国南方电网)^[4] Tab. 1 Some failure cases caused by metal dust (from China Southern Power Grid)

的基础;其次,金属粉尘的动力学行为是影响绝缘强度的主要方式,而粉尘的动力学特性与多种因素有关,因此研究不同条件下粉尘的动力学特性成为研究的重要内容;再次,粉尘还会引发气隙击穿、沿面闪络以及爆炸等放电现象,对绝缘造成更直接和严重的损坏,因而必须对其相关机理进行深入研究;最后,探索高效的粉尘抑制策略对提高 GIS/ GIL绝缘强度非常有参考价值。

综上,本文总结金属粉尘污染的现状,归纳学者们对GIS/GIL中金属粉尘动力学行为、诱发放电现象及粉尘抑制策略等方面的研究。同时,分析GIS/GIL中金属粉尘研究需要解决的关键问题,并提出解决上述问题可能的途径。

1 金属粉尘的动力学特性与表征

1.1 粉尘的荷电及受力模型

电场中粉尘粒子的带电运动现象,已被应用于多个领域,如用静电除尘器(electrostatic precipitator,ESP)除去空气流中的粉尘粒子^[5],用差分迁移率分析仪测量粒子尺寸^[6],利用传输线改变周围的电气环境及气溶胶充电等^[7]。其中,粉尘粒子通过周围存在的离子等带电粒子充电,荷电机理通常被认为有2种,即场致荷电和扩散荷电。其中,场致荷电主要影响粒径大于0.5 mm的粉尘粒子,扩散荷电主要影响粒径小于0.2 mm的粒子^[8]。

场致充电是由于离子等带电粒子在电场作用下运动,被粉尘粒子所吸附的过程,在Pauthenier场充电模型(该模型将粉尘粒子近似视为半径为r的球体)中,粒子的最大带电量q_s用式(1)计算^[9]。

\({{q}_{\text{s}}}=\frac{{{\varepsilon }_{2}}}{{{\varepsilon }_{2}}+2{{\varepsilon }_{1}}}12\pi {{r}^{2}}{{\varepsilon }_{1}}{{E}_{0}}\) (1)

式中：E₀为粒子所处位置本身的、不受粒子影响的场强大小;e₁、e₂分别为粒子所处的气体介质及粒子本身的介电常数。

由于介损材料对外电场存在实时动态响应,也有部分学者推导出考虑麦克斯韦驰豫效应的方程,但对于纯电介质和纯导电颗粒来说,两种理论最终计算结果相同^[10]。

扩散荷电是由于带电粒子做无规则热运动时与颗粒碰撞并吸附而产生的荷电过程,由于无规则热运动并不存在上限,故而扩散荷电过程并不存在所谓的最大荷电量,且当前实验所用粉尘粒子往往大于0.2 mm,扩散荷电作用可忽略不计^[7-8]。

带电的粉尘粒子将在多种受力的综合作用下发生运动。对于微米级的粉尘粒子而言,在多物理场中的受力主要包括流体力、范德华力、静电力、惯性力、液桥力、声场力、热泳力等。其中,流体力在除了真空以外的环境中总是存在的;而当两个粉尘粒子之间的距离较小时,范德华力将占主导作用,也是粒子沉积和吸附的主要影响因素之一;静电力则往往是最大的力,也是决定粉尘粒子从远场吸引到近场作用的主要因素;惯性力、液桥力、声场力、热泳力较小,通常被忽略不计。以直径30 mm的粉尘粒子为研究对象,计算出粒子的典型受力,如表2所示^[11-13]。

表2 粉尘粒子所受典型力及其数量级^[13] Tab. 2 Typical forces and its magnitudes of dust particles

据此,可建立粉尘在多物理场中的受力分析模型,如图1所示。以绝缘子附近粉尘为例,粒子主要受力为重力G和外电场作用力F_e。由于绝缘子表面会积聚电荷,因此随着粉尘和绝缘子表面距离的减小,粒子所受到的绝缘子表面电荷对粉尘粒子的库仑力F、绝缘子表面和粉尘粒子间的范德华力F_i-d将增强。除此之外,在运动过程中,粉尘粒子始终受到周围接触和非接触粒子的范德华力F_c、F_a及粒子间的碰撞力和库仑力的作用。

图1 粉尘粒子在多物理场中的受力分析模型 Fig. 1 Force analysis model of dust particles under multi-physical field

然而,GIS/GIL内充满着惰性气体,空间带电粒子较少,粉尘在其中的荷电机制仍需进一步探索。此外,大量粉尘粒子之间.的微观作用力和碰撞作用不可忽略,这对于建立粉尘在多物理场中的受力分析模型也是一大难题。

1.2 粉尘的动力学行为特征

对初始静止的粉尘粒子而言,外界条件变化导致的各项静电力的改变是粉尘粒子运动的根本原因。由式(1)可知,粉尘粒子的饱和荷电量除了与自身性质有关以外,还与周围的电场强度密切相关。

Kuwahara对绝缘子上不同位置处的粉尘吸附特性进行了研究。结果表明,在交流电压、冲击电压、交流叠加冲击3种类型的电压下,30 mm左右的铜粉在图2(a)、(c)所示情况下会吸附在绝缘子表面,而在图2(b)所示情况下不仅不会吸附在绝缘子表面,还会扩散到介质气体中^[14]。刘绍峻在其基础上的研究结果表明,不论施加交流电压还是直流电压,粒径为30 mm的铜粉和铝粉在图2(b)所示的情况下都会吸附在绝缘子表面^[15]。季洪鑫对交流GIS内100 mm粉尘的研究认为,粉尘会远离绝缘子向绝缘强度减弱的方向运动,如图3所示^[16]。而张连根在图3所示的腔体内采用20 mm以下的铝粉进行研究,结果表明粉尘在腔体内经过数分钟不规则跳动后,绝大多数吸附在绝缘子表面,或扩散吸附在腔壁内侧^[17]。

图2 粉尘在绝缘子周围的不同位置^[14] Fig. 2 Different positions of dust around the insulator

图3 126 kV交流GIS中粉尘的运动行为^[16] Fig. 3 Dust movement behavior in 126 kV AC GIS

李庆民等对直流电压下GIL内30 mm铝粉的动力学行为进行了观测和总结^[18],得出盆式绝缘子附近金属粉尘的运动模式主要表现为：在绝缘子表面的积聚式吸附,以及在腔体内壁和电极表面吸附的扩散式吸附,如图4所示。通过对腔体内各部分粉尘的定量称量,给出腔体内各部分粉尘量随电压大小和加压时间变化的规律,如图5所示。

笔者所在研究团队在文献[18]的基础上进一步实验发现,在施加直流电压的情况下,远离绝缘子处的铝粉运动将不受绝缘子的干扰。当电压升高,

图4 直流GIL盆式绝缘子附近金属粉尘的运动形式^[18] Fig. 4 Movement mode of metal dust near basin insulator in DC GIL

图5 不同电压、不同时刻腔体内各部分粉尘量^[18] Fig. 5 Amount of dust at different voltages and times

粉尘启举后,粉尘粒子向高压电极运动;随着电压的增加,粉尘会在高低压电极间来回运动,且电压越大,运动越激烈,呈现“沙尘暴”运动状态,同时部分粉尘粒子吸附在上下电极表面;持续升高电压,所有粉尘粒子将扩散吸附在上下电极表面,无外界干扰将不再变化,如图6所示。

图6 远离绝缘子处粉尘的运动行为 Fig. 6 Movement behavior of dust away from the insulator

综上,综上,不同情况下的粉尘吸附具有共性,即粉尘的运动模式可归结为积聚式吸附和扩散式吸附。但粉尘最终呈现何种状态则与粉尘的材质、位置、粒径、所受电压类型等密切相关,其相互联系的关联规律不清,后续仍需大量的实验探索,并在完善粉尘荷电及受力分析的基础上,明确其吸附机理。

2 金属粉尘诱发的放电行为特征

已有研究表明,不同材料、粒度的粉尘在放电过程中的存在形式主要有链式、均匀分布及团状3种,而Al、Al₂O₃更倾向于以团状形式存在^[19-21]。如图7(a)所示为理想六角紧密排列的粉尘粒子,可用来

图7 粉尘理想团状存在及电场畸变情况^[23] Fig. 7 Ideal cluster dust model and electric field distortion

模拟团状粉尘,其对电场畸变的理论计算情况如 图7(b)所示,中心球体处对电场的畸变程度最大,可达原场强的4.5倍^[22-23]。然而,GIS/GIL腔体内的粉尘通常不是规则几何体,粉尘本身会带有尖刺,且数量众多,造成的局部电场畸变将更为严重^[24-26]。电场畸变会导致周围气体电离产生电子和正离子,进而造成电子崩,是导致严重放电的重要原因之一。

2.1 粉尘积聚式吸附引发的绝缘子沿面闪络

对大尺寸金属微粒的研究表明,吸附在绝缘子表面的微粒,其两端与绝缘子接触的位置电场畸变程度较高,且电荷积聚严重,非常容易引发绝缘子的沿面闪络现象^[27-28],但对于粉尘引发的绝缘沿面闪络研究较少。华北电力大学律方成团队对微米级粉尘(150 mesh)附着下环氧树脂薄片的闪络特性进行了研究,结果如图8所示,不同类型的附灰降低闪络电压的能力不同,其中金属类灰尘降低闪络电压最为明显,可达50%左右^[29]。

然而,不论是大尺寸金属微粒的附着,还是文献[29]中的附灰方法,均采用胶水粘附等物理方式,这会对实验结果造成较大的误差。笔者所在的研究团队则通过金属粉尘在电场中的主动吸附运动,观测到积聚式吸附粉尘引发的沿面闪络现象,如图9所示。研究结果还表明,粉尘粒径越小,越容易引发沿面闪络^[18]。

对此,学者们也从不同的角度进行了分析,认

图8 不同类型附着灰尘对沿面闪络电压的影响^[29] Fig. 8 Influence of different types of attached dust on the surface flashover voltage

图9 粉尘积聚式吸附引发的绝缘子沿面闪络 Fig. 9 Flashover caused by accumulative dust

为宏观上,吸附的粉尘构成了局部短路区域,缩短了中心导体和外壳之间的绝缘距离,使得闪络更容易发生^[15]。微观上,积聚吸附的粉尘严重畸变了周围的电场,如图7所示,加剧了绝缘子表面电荷的积累^[30],而绝缘子表面电荷又会反过来加剧周围电场的畸变。当两个粒子间电场畸变足够强烈,超过气体的局部击穿场强时,间隙气体将发生局部放电,如图10所示^[31],局部放电进一步演变发展为绝缘沿面闪络。律方成等则从能带结构和电荷消散的角度给出了解释^[29],认为由于电场畸变等外部激发原因,价带中的部分电子脱离价键束缚,阶跃到导带中,在外加场强的作用下,初始电子撞击其表面,产生新电子,来回往复形成流注。而金属没有带隙,电子跃迁所需要的能量越少,闪络通道更容易形成。

图10 粉尘粒子间的局部放电的产生^[31] Fig. 10 Partial discharge between dust particles

可见,在实际腔体中,粉尘的动态吸附运动是诱发沿面闪络的主要原因,因此研究粉尘动态吸附过程与绝缘表面电荷的交互作用是从本质上认识闪络现象的重要因素,应纳入后续的研究当中。

2.2 粉尘运动引发的气隙击穿

2.2.1 粉尘剧烈运动引发的气隙击穿

Kuwahara等人在SF₆条件下,分别对粉尘施加冲击电压、交流电压、交流电压叠加冲击电压,结果表明少量直径小于30 mm的铝粉对击穿电压无影响;粉尘数量达到一定值时,对交流电压下的闪络电压明显,且对于负极性及正极性下的冲击电压,击穿电压分别下降22%与8%^[14]。季洪鑫对100 mm铝粉的研究表明,当电压升高到使粉尘呈现剧烈的“沙尘暴”运动时,运动区域内的带电粉尘粒子会发生剧烈碰撞,电场畸变强烈,极易产生局部放电,进而引发腔体的击穿^[16],如图11所示。而本文图6所示实验也表明,少量30 mm的铝粉对气隙击穿几乎没有影响。可见,粉尘是否引发气隙击穿与粉尘的尺寸、数量等因素密切相关。

图11 粉尘“沙尘暴”运动引发的气隙击穿^[16] Fig. 11 Air gap breakdown caused by “sand storm” movement of dust

2.2.2 粉尘与纤维交互吸附引发的气隙击穿

当前研究普遍认为绝缘异物对气隙绝缘强度影响很小或几乎没有影响^[32-39]。然而,文献[32]研究表明少量粉尘和玻璃纤维共同作用会使得气隙击穿电压降低50%左右。本文采用粉尘和尼龙纤维进行实验,发现纤维单独存在对气隙击穿几乎没有影响,气隙击穿往往由电极尖刺等引发,因此放电通常由电极一端先开始,逐渐发展为整个气隙的击穿。而当粉尘和绝缘纤维共同存在时,纤维会呈现与金属微粒相似的放电现象,均为微粒一端首先发生局部放电,接着在微粒另一端引发放电,导致放电贯穿整个通道,引发气隙击穿,如图12所示。

图12 粉尘和纤维交互吸附引发的气隙击穿 Fig. 12 Air gap breakdown caused by interactive adsorption of dust and fibers

根据细颗粒(100 mm以下)沉积领域的研究,颗粒间及颗粒-壁面间的远场静电与近场粘附接触作用,使得细颗粒能被纤维捕获。Wu 等计算了均匀外加电场中单纤维上的带电颗粒沉积效率,考查了静电沉积的影响^[40];Nielsen研究了外加电场和重力环境下荷电颗粒的运动轨迹和捕获效率,其中颗粒所受静电作用包括外电场作用力及与荷电纤维之间的库仑力^[41];文献[13]对静电场作用下粉尘在纤维上的沉积进行了数值模拟,如图13所示。

图13 静电作用下粉尘在纤维表面的沉积 Fig. 13 Dust deposition on the fiber surface under the action of static electricity

对图12所示实验产物进行收集,笔者发现纤维表面附有少量粉尘。因此,本文初步认为,金属粉尘和纤维在电场作用下发生了交互吸附^[42-43],附着的粉尘如同一层金属外壳,使纤维呈现出与金属微粒相似的放电特性^[32],并导致气隙击穿电压降低20%~40%左右。考虑图13所示的仿真手段,从微观角度探索粉尘的吸附动力学行为,对研究粉尘和其他异物交互吸附引发放电具有重要意义。

2.3 粉尘能量沉积导致的爆炸现象

GIS/GIL腔体内已多次观测到金属粉尘的爆炸现象,但其机理尚不清晰。就已有文献的研究结果而言,GIS/GIL内粉尘爆炸主要有2种形式：第一种为粉尘还未启举时,在某种特殊条件如快速升压时发生的爆炸现象;第二种为粉尘在运动过程中,特别是处于“沙尘暴”状态时,若此时腔体内存在大尺寸微粒引发放电行为,将引发粉尘的爆炸,如图14所示。在整个粉尘爆炸过程中,发出极强烈的光,粉尘粒子向外高速飞溅。

图14 粉尘和大尺寸微粒引发的爆炸现象 Fig. 14 Explosion caused by dust and large particles

传统意义上的粉尘爆炸指在一定范围内,粉尘遇到热源发生剧烈的化学反应而形成的爆炸^[44-45],该过程中的一个重要条件是具有可燃气体。然而,GIS/GIL腔体充满着惰性气体,不满足上述爆炸的“可燃性”条件。因此,需要从另外的角度进行分析。从1774年开始,金属丝爆现象被发现并快速应用于各个领域^[46-48],该现象是指金属丝在快脉冲电流作用下发生剧烈相变的爆炸现象,瞬间经历固态、液态、气态及等离子体态,并伴随强烈的力、光、热、电效应的复杂物理过程^[49-50],在惰性气体中仍可进行。

由于GIS/GIL内粉尘也会在SF₆惰性气体中发生爆炸,因此本文认为该爆炸行为更可能是一种物理爆炸现象,并对粉尘爆炸机理进行初步解释。对于初始静止的粉尘堆,加压过程中,粉尘粒子间隙的电场严重畸变,引发局部放电,使得松散的粉尘堆内部温度迅速升高,粉尘粒子在短时间内获得大量能量。而处于剧烈运动期间的粉尘粒子,由于其仍处在一定的空间范围内,当内部发生放电时,温度急速升高,运动粉尘内部的粒子瞬间获得大量能量。且不论何种情况,高温均会使得间隙气体急速热膨胀,粉尘堆内应力过大,急速向外飞溅,呈现宏观的爆炸现象。

受限于当前GIS/GIL内粉尘爆炸的观测手段,我们无法获取爆炸过程中更为详细的参数。根据爆轰测试领域常用的测试手法如电测技术^[51]、高速光测技术^[52]及闪光X射线光测技术^[53]的应用,脉冲全息干涉光测技术已广泛用于金属丝爆过程的检测。如图15所示,丝爆后的光干涉条纹,不仅直观地反映了气体或等离子体鞘层的位形和速度,而且根据条纹的移动定量,能方便地计算等离子体电子密度^[54]。考虑将其运用于粉尘爆炸的观测,并对粉尘爆炸产物进行分析,或将有效推进GIS/GIL内

图15 金属丝爆前后条纹的对比图^[54] Fig. 15 Comparison of stripes before and after metal wire burst

粉尘爆炸的相关研究。在研究过程中,及时探索更高效的探测手段,对于推动GIS/GIL内粉尘爆炸的机理研究十分必要。

3 金属粉尘的探测技术与放电诊断

金属粉尘的存在会对绝缘造成巨大危害,有效地检测和预警GIS/GIL内存在的金属粉尘,对提高其运行可靠性非常有帮助。目前,针对GIS内大尺寸颗粒,出现了一些基于光学的探测方法。光学法主要基于颗粒局部放电发出的光,具有高灵敏度和抗电磁干扰的优势^[55-56]。文献[57]采用X射线成像有效地检测了GIS中铜金属颗粒的缺陷,但文献[58]指出铝粉由于与GIS材料相同,将其浸没在GIS的灰度级中不能实现有效地检测。根据Depoken的研究,堆积的粉尘表面往往会产生电晕现象^[33],因此一些电晕检测的方法或许可以用于粉尘探测^[59],但也只适用于粉尘数量较多的情况。

除了对腔体内的粉尘进行直接定位探测,对粉尘的放电信号进行监测也是预警粉尘放电的重要手段。长期以来,学者们对大尺寸金属颗粒的局部放电检测方法开展了大量的研究^[60-61],包括脉冲电流法、特高频法、超声波法等。近年来,少数学者的研究转向了亚毫米级或微米级的粉尘,在其研究过程中也采用了相关的检测手法。华北电力大学季洪鑫和张连根采用超声波法、脉冲电流法对交流电压下粉尘的放电特性进行了研究,发现跳动的粉尘可以检测到放电信号,其放电量微弱,基本在50pC 以下;而静止吸附在绝缘子表面的粉尘,则很难检测到放电信号^[16-17]。清华大学刘卫东教授建立了灵敏度达0.02pC的综合局部放电测量系统,获得了交流GIS绝缘子表面单个至多个亚毫米级金属微粒局放特高频信号,如图16所示^[62-63]。研究表明,微粒的局部放电特性为偶发性局部放电,特高频信号持续时间短,且每 125个工频周期才出现 1 次信号。此外,研究还指出,现场特高频法对偶发信号很难适用,且往往干扰较大,无法用于现场粉尘放电检测。

除此之外,对GIS/GIL内粉尘的检测研究鲜见报道。但不能忽视的是,由于金属粉尘尺寸较小,粉尘运动带来的振动信号和放电信号十分微弱,非常容易与干扰信号混合。现场一旦检测到大量信号就表明已经发生了击穿、闪络等严重故障,因此传统的检测方法在现场中往往失效。为了能有效预警粉尘的危害,在明晰粉尘动力学及放电特性的基础

图16 90 kV下500个亚毫米级微粒的局放特高频信号^[62] Fig. 16 Partial discharge UHF signal of 500 sub-millimeter particles under 90 kV voltage

上,探究相关的检测方法将至关重要。

4 金属粉尘的吸附抑制策略

对粉尘吸附进行抑制是降低其对绝缘危害的有效手段。在实际工程中,对大尺寸金属微粒的抑制已有很多措施,但针对金属粉尘的抑制方法尚未被广泛提出并应用,相关研究仍处于实验阶段。本节总结现有实验成果,以期提出对粉尘吸附抑制效果更好的措施。

4.1 绝缘子表面纳米涂覆

绝缘子表面积聚电荷是金属粉尘积聚吸附的关键因素之一,因此抑制粉尘积聚吸附的主要方法之一在于抑制绝缘子表面电荷积聚。在此方面,国内外学者进行了大量卓有成效的研究^[64-68],其中纳米粒子由于具有小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、量子尺寸效应等优异的物理特性,在改善空间电荷分布、局部放电、介电强度、介质损耗、电导率等方面呈现出良好的性能^[69],纳米调节也已成为促进绝缘子气-固界面电荷消散的有效方法。笔者所在实验室以环氧树脂绝缘子为基体,采用不同纳米掺杂材料进行绝缘子表面涂覆,研究了涂覆对粉尘吸附的抑制效果,如图17、18所示。

从图17、18 可以看出,绝缘子表面涂覆纳米复合涂层后,加快了气-固界面电荷消散速度,绝缘表面电荷密度降低,因此对粉尘的库仑吸附作用减弱,使粉尘积聚吸附量显著降低。但不同参数纳米复合涂层涂覆对绝缘子表面电荷消散的影响存在差异,粉尘的抑制效果将随着纳米涂层技术的发展而得到显著提升。

4.2 新型粉尘诱导捕获技术

对于扩散吸附粉尘的抑制,主要方法在于降低粉尘所在处的电场强度,抑制粉尘带电,削弱粉尘

图17 纳米SiC/环氧树脂涂层 Fig. 17 Nano SiC/epoxy coating

图18 蒙脱土+纳米TiO₂/环氧树脂涂层 Fig. 18 Montmorillonite + nano-TiO₂/epoxy coating

所受的外电场作用力,而针对大尺寸金属微粒设计的微粒陷阱即可满足这样的条件。典型的大尺寸微粒陷阱包括壁面卡槽式陷阱^[70-72]和内置可拆卸式微粒陷阱^[73-74],此外还有一些特殊的陷阱,如利用GIS外壳波纹凹处形成陷阱等^[75]。但上述陷阱是否可以有效捕获微米级的金属粉尘尚未可知。

常亚楠等在现有微粒陷阱设计技术的基础上,提出了一种楔形微粒陷阱^[76],如图19(a)所示,通过实验验证了其对大尺寸金属微粒捕获的有效性。此外,还研究了该陷阱对粉尘的抑制作用,如

图19(b)所示,可见该陷阱对于扩散吸附的粉尘具有一定的捕获效果。

图19 楔形微粒陷阱及其对粉尘的捕获效果^[76] Fig. 19 Wedge-shaped particle trap and its effect on dust capture

由于初始粉尘所受的电场力也是粉尘发生积聚吸附的驱动因素,因此理论上该陷阱对积聚吸附亦有一定的抑制作用。根据2.2节的研究,荷电的粉尘粒子被荷电纤维捕获的概率很大,如果能在绝缘表面电荷积聚起主导作用之前,通过纤维带电诱导吸附粉尘并使其入陷,将对粉尘的积聚、扩散吸附均起到较好的抑制效果。这需要我们对传统金属微粒陷阱的结构和材料进行改进设计,并进行大量仿真模拟及实验验证,形成一种可以同时抑制积聚吸附和扩散吸附的新型粉尘诱导捕获装置。

5 待解决的关键问题及可能的技术途径

通过对当前国内外GIS/GIL内粉尘研究现状的梳理,本文对GIS/GIL内粉尘研究需要解决的关键问题和可能的技术途径进行了总结,如下：

1）粉尘粒子的荷电机制及多物理场中的受力分析。粉尘粒子的荷电量是分析其受力及运动的基础,而微米级粉尘在GIS/GIL中的荷电机制尚不清晰,通过实验测量其带电量有助于对其荷电机制的了解;粉尘运动过程中,微观作用力、粒子之间的碰撞及电荷交换作用显著,是建立粉尘粒子的受力分析模型必须考虑的因素。

2）粉尘动态吸附与气-固绝缘表面电荷积聚的交互作用。粉尘积聚吸附过程中,其动态行为会加剧绝缘表面电荷积聚,而电荷积聚反过来影响粉尘运动。通过研制相关实验装置,实现粉尘动态行为和绝缘表面电荷的同时测量,是研究二者交互作用,并进一步了解沿面闪络放电的基础。

3）粉尘与纤维交互吸附引发的气隙击穿机理。粉尘和纤维在电场中会交互吸附,使纤维呈现金属微粒的放电特性,严重降低气隙击穿电压。从微观仿真角度探究粉尘和纤维的交互吸附机理,是研究其引发气隙击穿机理的重要前提。

4）粉尘物理爆炸特性。粉尘爆炸后粒子飞溅,易对绝缘造成严重损伤,但爆炸发生条件及发展过程尚不清晰。借鉴爆轰领域的实验测试手段,多方面表征爆炸过程,有助于我们从本质上了解粉尘爆炸机理。

5）粉尘吸附抑制措施。目前,粉尘吸附抑制仍处于实验阶段,仅依靠绝缘表明涂覆和传统微粒陷阱并不能有效抑制或捕获两类粉尘粒子,应在了解粉尘吸附机理的基础上,多种抑制技术配合应用,同时对积聚吸附和扩散吸附进行高效抑制。

6 结论

GIS/GIL内会不可避免地产生微米级金属粉尘,且危害巨大,目前对其动力学及诱发放电行为特性开展的研究较少,通过对现有成果的总结,希望为后续相关人员的深入研究提供基础依据。

首先,金属粉尘在电场作用的运动模式可归纳为积聚式吸附和扩散式吸附两种类型,其最终吸附模式与粉尘自身性质及外施条件有关,但其间关联规律尚不清晰,应在研究粉尘荷电机制及受力分析的基础上做进一步探索。

其次,粉尘在电场中会引发绝缘子沿面闪络、气隙击穿及爆炸3类放电现象,但其诱发放电的条件及放电发展机理尚不清晰,亟需探索新的测试手段。值得注意的是,粉尘和纤维在电场中会发生交互吸附,使纤维呈现出与金属微粒相似的放电特性,并使气隙击穿电压降低20%~40%左右,危害巨大。而从微观仿真角度认识其交互吸附机理,是进一步研究其导致气隙击穿放电的前提。

最后,对粉尘吸附进行抑制是降低粉尘危害的重要措施,其中绝缘子表面纳米涂覆通过降低表面电荷积聚,有效抑制粉尘的积聚吸附;传统微粒陷阱对扩散吸附的粉尘有一定捕获效果;基于传统微粒陷阱开展的粉尘诱导捕获技术有望同时抑制粉尘的积聚吸附和扩散吸附。

参考文献

[1] 李志敏. 特高频检测GIS局部放电的研究[D].西安:西安交通大学,1999. Li Zhimin.Research on UHF detection of GIS partial discharge[D].Xi’an:Xi’an Jiaotong University,1999(in Chinese).

[2] Dai Dangdang,Wang Xianpei,Long Jiachuan,et al.Feature extraction of GIS partial discharge signal based on S-transform and singular value decomposition[J].IET Science,Measurement & Technology,2017,11(2):186-193.

[3] 吕鸿. 2013年南方电网和广东电网高压开关运行情况及典型故障分析[EB/OL].2014.https://wenku.baidu. com/view/d7a8b3450722192e4436f627.html.

[4] 广东电网公司电力科学研究院.GIS设备典型缺陷及故障分析专题汇报[EB/OL].2011.https://www.doc88. com/p-047673875110.html.

[5] Molchanov O,Krpec K,Horák J,et al.Comparison of methods for evaluating particle charges in the electrostatic precipitation of fly-ash from small-scale solid fuel combustion[J].Separation and Purification Technology,2020,248:117057.

[6] Vaddi R S,Guan Yifei,Novosselov I.Behavior of ultrafine particles in electro-hydrodynamic flow induced by corona discharge[J].Journal of Aerosol Science,2020,148:105587.

[7] Chen Longwen,Gonze E,Ondarts M,et al.Electrostatic precipitator for fine and ultrafine particle removal from indoor air environments[J].Separation and Purification Technology,2020,247:116964.

[8] 李国辉. 静电除尘用直流叠加脉冲电源相关技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2019. Li Guohui.Research on related technology of DC superimposed pulse power supply for electrostatic precipitator[D].Harbin:Harbin University of Science and Technology,2019(in Chinese).

[9] Oglesby Jr S,Nichols G B.Electrostatic precipitation[M].New York:Marcel Dekker,1978.

[10] He Kun,Lu Jiayu,Ma Xiaoqian,et al.Effect of maxwell-wagner relaxation on field charging of particles[J].Aerosol Science and Technology,2015,49(12):1210-1221.

[11] 王云萍. 微尺度颗粒与平板碰撞的模拟研究[D].大连:大连理工大学,2019. Wang Yunping.Simulation study for micro-particle impact on flat surface[D].Dalian:Dalian University of Technology,2019(in Chinese).

[12] 刘文巍. 范德华力作用下细颗粒随机堆积过程的动力学研究[D].北京:清华大学,2017. Liu Wenwei.Dynamics of random packings of micro- particles in presence of Van Der Waals force[D].Beijing:Tsinghua University,2017(in Chinese).

[13] 柳冠青. 范德华力和静电力下的细颗粒离散动力学研究[D].北京:清华大学,2011. Liu Guanqing.Discrete element methods of fine particle dynamics in presence of Van Der Waals and electrostatic Forces[D].Beijing:Tsinghua University,2011(in Chinese).

[14] Kuwahara H,Inamura S,Watanabe T,et al.Effect of solid impurities on breakdown in compressed SF₆ gas[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1974,PAS-93(5):1546-1555.

[15] 刘绍峻. SF₆电器中绝缘气体内的金属微屑[D].武汉:华中理工大学,2013. Liu Shaojun.Metal micro-particles in insulating gas in SF₆ electrical appliances[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2013(in Chinese).

[16] 季洪鑫. 交流运行电压下GIS中金属颗粒运动行为及放电特征[D].北京:华北电力大学(北京),2017. Ji Hongxin.Study on movement behavior and discharge characterisitic of metal particle in GIS under AC operating voltage[D].Beijing:North China Electric and Power University(Beijing),2017(in Chinese).

[17] 张连根,路士杰,李成榕,等.气体绝缘组合电器中微米量级金属粉尘运动和放电特征[J].电工技术学报,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(in Chinese).

[18] 梁瑞雪,王健,胡琦,等.直流GIL盆式绝缘子附近微米级金属粉尘的动力学行为与吸附机制研究[J].中国电机工程学报,2020,40(4):1387-1396. Liang Ruixue,Wang Jian,Hu Qi,et al.Study on kinetic behavior and adsorption mechanism of the micron metal dust near the basin-type insulator in DC GIL[J].Proceedings of the CSEE,2020,40(4):1387-1396(in Chinese).

[19] 黄博. 添加粉末对混粉电火花加工作用机制的研究[D].大连:大连理工大学,2009. Huang Bo.Study on the effects of powders on powder mixed EDM[D].Dalian:Dalian University of Technology,2019(in Chinese).

[20] Rehbein W,Schulze H P,Mecke K,et al.Influence of selected groups of additives on breakdown in EDM sinking[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1-3):58-64.

[21] 王元刚. 混粉电火花加工机理及关键技术研究[D].大连:大连理工大学,2008. Wang Yuangang.Study on machining mechanism and key technology of powder mixed EDM[D].Dalian:Dalian University of Technology,2008(in Chinese).

[22] 王元刚,赵福令,刘宇.粉末微粒间的互相作用对局部电场的影响[C]//2007年中国机械工程学会年会论文汇编.长沙:中国机械工程学会,2008:70-74. Wang Yuangang,Zhao Fuling,Liu Yu.The influence of the interaction between powder particles on the local electric field[C]//Proceedings of the 12th National Special Processing Academic Conference.Changsha:China Society of Mechanical Engineering,2008:70-74(in Chinese).

[23] 李胜利,龚建英,李劲.填充床反应器中多介质球表面电场分析[J].高电压技术,2002,28(11):41-42,55. Li Shengli,Gong Jianying,Li Jin.Analysis of electric field of the surfaces on pellets in packed bed reactor under discharge plasma[J].High Voltage Engineering,2002,28(11):41-42,55(in Chinese).

[24] Zhao W S,Meng Q G,Wang Z L.The application of research on powder mixed EDM in rough machining[J].Journal of Materials Processing Technology,2002,129(1-3):30-33.

[25] Tzeng Y F,Lee C Y.Effects of powder characteristics on electrodischarge machining efficiency[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2001,17(7):586-592.

[26] Klocke F,Lung D,Antonoglou G,et al.The effects of powder suspended dielectrics on the thermal influenced zone by electrodischarge machining with small discharge energies[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1-3):191-197.

[27] 张璐,王森,孙蕾,等.金属微粒对GIS中绝缘子冲击闪络特性的影响[J].高电压技术,2018,44(9):2807-2814. Zhang Lu,Wang Sen,Sun Lei,et al.Influence of metal particle on impulse flashover characteristics of insulator in GIS[J].High Voltage Engineering,2018,44(9):2807-2814(in Chinese).

[28] 秦逸帆,张乔根,郭璨,等.负极性直流下金属微粒对 SF₆中支柱绝缘子闪络特性的影响[J].电网技术,2016,40(9):2904-2909. Qin Yifan,Zhang Qiaogen,Guo Can,et al.Influence of metallic particle on flashover characteristics of post insulator in SF₆ under negative DC voltage[J].Power System Technology,2016,40(9):2904-2909(in Chinese).

[29] 律方成,边亚琳,詹振宇,等.环保气体下灰尘对环氧树脂闪络特性的影响[J].高电压技术,2020,46(4):1319-1327. Lü Fangcheng,Bian Yalin,Zhan Zhenyu,et al.Effect of dust in environment-friendly gas on flashover characteristics of epoxy resin[J].High Voltage Engineering,2020,46(4):1319-1327(in Chinese).

[30] Iwabuchi H,Matsuoka S,Kumada A,et al.Influence of tiny metal particles on charge accumulation phenomena of GIS model spacer in high-pressure SF₆ gas[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2013,20(5):1895-1901.

[31] 许渊,刘卫东,陈维江,等.交流GIS绝缘子表面亚毫米级金属颗粒的运动和局部放电特性[J].中国电机工程学报,2019,39(14):4315-4324. Xu Yuan,Liu Weidong,Chen Weijiang,et al.Motion characteristics and partial discharge characteristics of submillimeter metal particles on the surface of AC GIS spacer[J].Proceedings of the CSEE,2019,39(14):4315-4324(in Chinese).

[32] Philp S F,Trump J G.Compressed gas insulation for electric power transmission[C]//Proceedings of the Conference on Electrical Insulation & Dielectric Phenomena.Pocono Manor:IEEE,1966:100-104.

[33] Doepken H C.Compressed-gas insulation in large coaxial systems[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1969,PAS-88(4):364-369.

[34] Laghari J R,Qureshi A H.A review of particle- contaminated gas breakdown[J].IEEE Transactions on Electrical Insulation,1981,EI-16(5):388-398.

[35] Nitta T,Shibuya Y,Fujiwara Y,et al.Factors controlling surface flashover in SF6 GAS insulated systems[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1978,PAS-97(3):959-968.

[36] Ziornek W,Kuffel E.Activity of moving metallic particles in prebreakdown state in GIS[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,1997,4(1):39-43.

[37] Johnson B L,Doepken H C,Trump J G.Operating parameters of compressed-Gas-insulated transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1969,PAS-88(4):369-375.

[38] Diessner A,Trump J G.Free conducting particles in a coaxial compressed-gas-insulated system[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1970,PAS-89(8):1970-1978.

[39] Banford H M.Particles and breakdown in SF₆-insulated apparatus[J].Proceedings of the Institution of Electrical Engineers,1976,123(9):877-881.

[40] Wu Zhangfa.The deposition of particles from an air flow on a single cylindrical fiber in a uniform electrical field[J].Aerosol Science and Technology,1999,30(1):62-70.

[41] Nielsen K A.Collection of inertialess particles on circular cylinders with electrical forces and gravitation[J].Journal of Colloid and Interface Science,1978,64(1):131-142.

[42] 朱辉,付海明,亢燕铭.粉尘颗粒在单纤维表面沉积的计算机模拟[J].环境污染与防治,2009,31(3):10-15. Zhu Hui,Fu Haiming,Kang Yanming.Simulation of deposition of aerosol particles on a single fiber surface[J].Environmental Pollution & Control,2009,31(3):10-15(in Chinese).

[43] 王浩明,赵海波,郑楚光.格子波尔兹曼两相流模型模拟椭圆纤维捕集颗粒物过程[J].中国电机工程学报,2013,33(8):50-57. Wang Haoming,Zhao Haibo,Zheng Chuguang.Simulation of particle capture process for elliptical fibers by lattice-Boltzmann two-phase flow model[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(8):50-57(in Chinese).

[44] 高燚. 粉尘爆炸原理及防范处置措施[J].生命与灾害,2020(6):22-23. Gao Yi.Principle of dust explosion and its prevention and disposal measures[J].Life & Disaster,2020(6):22-23(in Chinese).

[45] 李安. 论粉尘爆炸预防与电气防爆的措施[J].化工管理,2020(15):63-64. Li An.Discussion on the measures of dust explosion prevention and electrical explosion protection[J].Chemical Enterprise Management,2020(15):63-64(in Chinese).

[46] 朱亮,朱锦,毕学松.电爆过程中能量密度与爆炸产物变化的关系[J].中国表面工程,2010,23(4):65-69. Zhu Liang,Zhu Jin,Bi Xuesong.Correlation between energy density and variation of products in wire explosion[J].China Surface Engineering,2010,23(4):65-69(in Chinese).

[47] Han Ruoyu,Zhu Wanying,Wu Jiawei,et al.Spatial-temporal evolution of plasma radiation in electrical wire explosion:a morphological observation[J].Journal of Physics D:Applied Physics,2020,53(34):345201.

[48] Peng Jianyu,Zhang Fengpeng,Yang Xiaohui.Dynamic fracture and fragmentation of rock-like materials under column charge blasting using electrical explosion of wires[J].Powder Technology,2020,367:517-526.

[49] Chace W G.A brief survey of exploding wire research [M]//Chace W G,Moore H K.Exploding Wires.New York,USA:Plenum Press,1959:7-16.

[50] Nairne E.Wire explosion by a Fe material[J].Philosophical Transactions of the Royal Society,1774,64:79-89.

[51] 唐阳纯. 爆轰测试方法基础(一)电测技术[J].爆炸与冲击,1984,4(4):78-85. Tang Yangchun.Elementary diagenostic method for detonation [1] electric technique[J].Explosion and Shock Waves,1984,4(4):78-85(in Chinese).

[52] 吴世法. 爆轰测试方法基础(二)高速光测技术[J].爆炸与冲击,1985,5(2):87-97. Wu Shifa.Elementary diagnostic method for detonation(2) high speed opical technique[J].Explosion and Shock Waves,1985,5(2):87-97(in Chinese).

[53] 张寿云. 爆轰测试方法基础(三)闪光X射线照相技术[J].爆炸与冲击,1985,5(3):89-96. Zhang Shouyun.Elementary diagnostic method for detonation[3] flash X-ray radiographic techniques[J].Explosion and Shock Waves,1985,5(3):89-96(in Chinese).

[54] 刘浩宇,赵军平,裴哲浩,等.氩气环境中铝单丝电爆炸空间形态演化特性[J].中国电机工程学报,2020,40(10):3377-3385. Liu Haoyu,Zhao Junping,Pei Zhehao,et al.Structural characteristics of electrical explosion of single aluminum wire in argon gas[J].Proceedings of the CSEE,2020,40(10):3377-3385(in Chinese).

[55] Ren Ming,Song Bo,Zhuang Tianxin,et al.Optical partial discharge diagnostic in SF6 gas insulated system via multi-spectral detection[J].ISA Transactions,2018,75:247-257.

[56] Zhou Jierui,Ren Ming,Dong Ming,et al.Multispectral light pulse detection on partial discharges initiated by metal particle on insulator in SF₆ Gas[C]//Proceedings of 2017 1st International Conference on Electrical Materials and Power Equipment.Xi’an:IEEE,2017:639-642.

[57] Cai Xiaolan,Wang Dada,Yu Hong,et al.The application of X-ray digital real-time imaging technology in GIS defect diagnosis[J].Procedia Engineering,2011(23):137-143.

[58] Wang Jian,Hu Qi,Chang Yanan,et al.Research progress on metal particle contamination in GIS/GIL[J].CSEE Journal of Power and Energy Systems,2019,1-15.

[59] 王胜辉,律方成,刘云鹏.复合绝缘子电晕放电紫外图像参数的变化特性及放电量估计[J].中国电机工程学报,2013,33(34):233-240. Wang Shenghui,Lü Fangcheng,Liu Yunpeng.Variation characteristic of composite insulator corona discharge ultraviolet image parameter and estimation of discharge magnitude[J].Proceedings of the CSEE,2013,33(34):233-240(in Chinese).

[60] 周宏扬,马国明,张猛,等.基于Michelson光纤干涉的GIS局部放电超声信号检测技术[J].中国电机工程学报,2019,39(21):6452-6459. Zhou Hongyang,Ma Guoming,Zhang Meng,et al.Partial discharge ultrasonic signal detection technology in GIS based on the Michelson fiber optic interferometer[J].Proceedings of the CSEE,2019,39(21):6452-6459(in Chinese).

[61] 成永红,谢小军,陈玉,等.气体绝缘系统中典型缺陷的超宽频带放电信号的分形分析[J].中国电机工程学报,2004,24(8):99-102. Cheng Yonghong,Xie Xiaojun,Chen Yu,et al.Study on the fractal characteristics of ultra-wideband partial discharge in gas-insulated system (GIS) with typical defects[J].Proceedings of the CSEE,2004,24(8):99-102(in Chinese).

[62] 许渊,刘卫东,陈维江,等.基于高灵敏测量的GIS绝缘子表面微金属颗粒局部放电特性[J].高电压技术,2019,45(9):2707-2714. Xu Yuan,Liu Weidong,Chen Weijiang,et al.Partial discharge characteristics of metal particles on spacer surface in GIS based on high sensitivity measurement[J].High Voltage Engineering,2019,45(9):2707-2714(in Chinese).

[63] Li Xing,Liu Weidong,Xu Yuan,et al.Surface charge accumulation and pre-flashover characteristics induced by metal particles on the insulator surfaces of 1100 kV GILs under AC voltage[J].High Voltage,2020,5(2):134-142.

[64] 杜伯学,杜强,李进,等.气体绝缘输电管道用环氧树脂/氮化硼高导热复合材料表面电荷动态特性[J].高电压技术,2018,44(8):2646-2653. Du Boxue,Du Qiang,Li Jin,et al.Surface charge dynamic behaviors of epoxy/BN composite with high thermal conductivity for gas insulated transmission pipeline[J].High Voltage Engineering,2018,44(8):2646-2653(in Chinese).

[65] Smith Jr J G,Delozier D M,Connell J W,et al.Carbon nanotube-conductive additive-space durable polymer nanocomposite films for electrostatic charge dissipation[J].Polymer,2004,45(18):6133-6142.

[66] Tu Youping,Zhou Fuwen,Cheng Yi,et al.The control mechanism of micron and Nano SiO₂/epoxy composite coating on surface charge in epoxy resin[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2018,25(4):1275-1284.

[67] Fothergill J C,Nelson J K,Fu M.Dielectric properties of epoxy nanocomposites containing TiO₂,Al₂O₃ and ZnO fillers[C]//Proceedings of the 17th Annual Meeting of the IEEE Lasers and Electro-Optics Society.Boulder,CO,USA:IEEE,2004:406-409.

[68] Nelson J K,Fothergill J C.Internal charge behaviour of nanocomposites[J].Nanotechnology,2004,15(5):586-595.

[69] 罗杨,吴广宁,彭佳,等.聚合物纳米复合电介质的界面性能研究进展[J].高电压技术,2012,38(9):2455-2464. Luo Yang,Wu Guangning,Peng Jia,et al.Research progress on interface properties of polymer nanodielectrics[J].High Voltage Engineering,2012,38(9):2455-2464(in Chinese).

[70] 刘绍峻. SF₆气体绝缘电器中金属屑的控制[J].高压电器,1989(1):35-43. Liu Shaojun.The methods for controlling particles of SF₆ gas insulated apparatus[J].High Voltage Apparatus,1989(1):35-43(in Chinese).

[71] Nakata R.Particle trapping elbow joint for enclosed high voltage electric bus apparatus:US,4029890 [P].1977-06-14.

[72] Kemeny G A.Vertically aligned gas insulated transmission line:US,4096345[P].1978-06-20.

[73] Dale S J,Hopkins M D.Methods of particle control in SF6 insulated CGIT systems[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems,1982,PAS-101(6):1654-1663.

[74] Bowman G K.Particle trap contact for gas insulated transmission lines:US,4084064[P].1978-04-11.

[75] Khan Y,Okabe S,Suehiro J,et al.Proposal for new particle deactivation methods in GIS[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,2005,12(1):147-157.

[76] 李庆民,常亚楠,王健,等.气体绝缘输电管道微粒陷阱设计技术研究进展[J/OL].高电压技术:1-12[2020-08- 07].https://www.cnki.net/KCMS/detail/42.1239.TM.2020 0508.1358.018.html. Li Qingmin,Chang Yanan,Wang Jian,et al.Methodological advances of metal particle traps design in Gas insulated transmission lines[J/OL].High Voltage Engineering:1-12[2020-08-10].https://www.cnki.net/ KCMS/detail/42.1239.TM.20200508.1358.018.html(in Chinese).