表1 粉尘在工程现场引发的故障案例[8]
Tab.1 Some failure cases caused by metal dust [8]
故障案例故障图片 LQ变电站252kV GIS母线气室异物引发放电故障 YQ变电站126kVGIS隔离开关内异物导致间隙放电 奋进站某220kV GIS断路器上CT气室盆式绝缘子闪络 XTB550kV变电站ZHW-550kV隔离开关故障
摘要 气体绝缘开关/气体绝缘输电线路（GIS/GIL）装备在生产、安装和运行过程中不可避免地会产生微米-纳米尺度的粉尘，这种微尺度粉尘不易被检测到，其荷电运动的物理机制尚不清晰，带来的安全隐患隐蔽性强。该文对国内外相关研究进展进行了梳理，主要包括粉尘的荷电运动行为与表征、粉尘浓度检测、粉尘可视化探测技术、粉尘诱发微弱放电机制等。在此基础上，进一步梳理微纳粉尘研究有待解决的两个关键问题以及需要突破的技术难点。针对微纳粉尘的随机荷电机制与时空动力学行为特性研究，在测量基础上须突破微纳粉尘的快速识别方法和空间浓度的有效检测技术，其中，微纳粉尘运动行为的可视化探测技术是发展方向。针对荷电微纳粉尘诱导微弱放电的物理机制，需利用放电光谱学特征，发展基于飞秒激光和太赫兹波技术的高灵敏度检测方法。上述问题的有效解决，可为处理GIS/GIL内微纳粉尘引发的绝缘缺陷与放电现象提供基础支撑。
关键词：微米-纳米粉尘 随机荷电机制 时空动力学行为 可视化探测 微弱放电
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）设备开始投入使用，在特高压输电及跨江跨河大规模远距离电能输送领域发挥了重要作用。从近四十年的运行经验来看，绝缘故障始终是影响GIS/GIL安全可靠运行的关键因素，而由金属颗粒与粉尘污染引发的绝缘故障是其中最主要的表现形式[1-6]。
GIS/GIL设备在生产制造、运输配送、安装调试、服役运行的各个阶段中，由于受机械振动、物理碰撞、插接式触头摩擦等影响，会产生各种尺度的微粒与粉尘。此外，在安装调试现场的环境清洁度难以保证，非常容易在腔体中由人为因素混入各种异物。在现场发现的污染物中，含有毫米级或较大尺寸的颗粒，如线形、球形、片状的金属微粒和线形的绝缘纤维等，同时也会出现数量较多的微米与纳米级的粉尘。大尺寸金属微粒带来的绝缘危害较大，其诱发的局部放电或击穿现象明显，相关研究较多，而对于尺度较小的微纳粉尘，目前可供借鉴的成果较少，还难以指导工程应用实践。
随着GIS/GIL设备的广泛应用，工程现场的故障统计分析表明，颗粒和粉尘作为主要故障诱因所占的比重越来越大。南方电网2008～2013年的故障统计中，约85%的故障是由绝缘子表面颗粒或粉尘等异物导致的沿面放电或闪络[7]。表1中列举了四起由颗粒和粉尘引发的故障案例，其中故障图片均来源于中国南方电网[8]。
由于粉尘尺寸较小，在耦合场作用下会出现碰撞、吸附等运动形式并沉积在设备内部各处，其引发放电前的故障特征微弱，具有较大的隐蔽性，但可能是目前工程现场发生不明放电的真正原因，有必要对微纳粉尘引发的绝缘问题开展深入研究。
表1 粉尘在工程现场引发的故障案例[8]
Tab.1 Some failure cases caused by metal dust [8]
故障案例故障图片 LQ变电站252kV GIS母线气室异物引发放电故障 YQ变电站126kVGIS隔离开关内异物导致间隙放电 奋进站某220kV GIS断路器上CT气室盆式绝缘子闪络 XTB550kV变电站ZHW-550kV隔离开关故障
近几年来，已有学者开始研究微米级或更小尺寸粉尘带来的绝缘问题，并取得了一些进展。本文从微纳粉尘受力、动力学行为与表征、诱发放电特性、探测技术等方面，总结了微纳粉尘的研究现状，提出了微纳粉尘研究亟须解决的关键问题，并给出了可能的技术途径。
粉尘在电场中会发生荷电运动，这种荷电运动现象已应用于众多工程领域，如静电除尘装置利用电荷感应原理除去空气流中荷电运动的粉尘[9]、差分电迁移率分析仪利用气溶胶在电场中的运动测算粒子尺寸等[10]。其中，微纳粉尘通过空间的正负离子等带电粒子进行充电，其荷电机理通常被认为存在场致荷电和扩散荷电两种方式。场致荷电理论主要针对粒径大于0.5mm的粉尘，而扩散荷电理论则针对粒径小于0.2mm的粉尘[11]。场致荷电是指正负带电粒子在电场中运动被粉尘粒子吸附而导致粉尘带电的过程。扩散荷电是指带电粒子的空间无规则热运动与粉尘碰撞而使粉尘吸附带电的过程。目前的研究工作所涉及的粉尘尺度一般在微米级以上，而对于微纳尺度的粉尘，其随机性非常强的扩散荷电过程不能忽略，还需深入研究其随机荷电机制[12]。
荷电微纳粉尘在多种场力的综合作用下发生运动。相较于大尺寸颗粒而言，微纳粉尘的受力更为复杂，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。当两个微纳粉尘之间的距离较小时，范德华力将起主导作用，同时范德华力也是导致粉尘沉积与吸附的主要影响因素。静电力往往是最大的力，也是控制粉尘从远场吸引到近场的首要因素。惯性力、液桥力、声场力、热泳力与上述几个力相比较小，通常可忽略[13-15]。
梁瑞雪等曾建立了粉尘在耦合场中的受力分析模型[16]，如图1所示。以绝缘子附近粉尘为例，除受到重力G和外电场力Fe外，在粉尘荷电运动过程中，还受到接触和未接触粉尘的范德华力Fc和Fa，以及粉尘之间的碰撞力和库仑力作用。当粉尘的运动区域接近绝缘子表面时，表面电荷会对粉尘产生更大的库仑力F，粉尘与绝缘子表面之间的范德华力Fi-d也将增强。
图1 粉尘在多场耦合下的受力分析模型[16]
Fig.1 The force analysis model of dust particles under multi-physical field[16]
因微纳粉尘尺度较小，微纳粉尘间的微观作用力和碰撞作用不可忽略，其碰撞过程的荷电量变化也具有随机性，如何建立粉尘在多物理场中的准确受力模型也是亟待探索的问题。
目前关于粉尘运动的研究往往借助观测手段来获取其时空动力学行为特征。程涵等研究了毫米级微粒的运动特性，并发现线形微粒运动的极性效应现象[17]。正极性电压下，线形微粒会出现一端抬起、往返碰撞、旋转和直立等特殊现象，如图2所示；在负极性电压下，线形微粒还会出现飞萤等现象，如图3所示。对于尺度更小的微纳粉尘，其一端抬起、旋转和直立等运动行为不可能如线形微粒那样明显，其观测还需要更精密的光学仪器来完成。
图2 正极性下5～10mm线形微粒运动行为[17]
Fig.2 Motion behavior of 5～10mm linear particles under positive polarity[17]
图3 负极性下不同长度线形微粒运动行为[17]
Fig.3 Motion behavior of linear particles with different lengths under negative polarity[17]
李杰等针对毫米级片状微粒在工频电压下的荷电运动特性开展了研究[18]，发现粒径30mm的片状铝微粒会出现一侧倾斜的起跳现象，并在起跳后极短时间内倾斜90°，然后上下剧烈运动；而片状钢微粒则在起跳后出现旋转、滚动，并会产生“小火花”放电现象，且随着电压升高，钢微粒会与电极之间产生放电现象。
针对毫米级大尺寸颗粒的运动观测技术已相对成熟，但这种直观拍摄技术很难直接应用到尺寸较小的微纳粉尘。为观测到微纳粉尘的运动规律，发展更先进的探测技术显得十分必要。
H. Kuwahara等研究了绝缘子不同位置处的铜粉尘吸附运动行为，在交流、冲击、交流叠加冲击三种类型电压下，尺度为30mm的铜粉在图4a、图4c所示位置会被吸附到绝缘子表面，而图4b所示位置的铜粉尘会弥散到绝缘气体中，不会被绝缘子表面所吸附[19]。刘绍峻的研究表明，所施加电压无论是直流还是交流，粒径为30mm的铜粉和铝粉都会从图4b所示位置运动并被吸附到绝缘子表面[20]。季洪鑫的研究表明，100mm粉尘会从绝缘强度高的地方向绝缘强度低的地方运动，即绝缘子附近的粉尘将远离绝缘子，如图5所示[21]。张连根对20mm以下的铝粉尘开展运动行为观测时发现，20mm以下的粉尘首先会在腔体内进行无规律跳动，然后绝大多数粉尘被吸附到绝缘子上，只有少部分弥散在腔体内，最后被吸附在腔壁内侧[22]。
图4 粉尘在绝缘子附近的不同位置[19]
Fig.4 Different positions of dust around the insulator[19]
图5 126 kV交流GIS中粉尘的动力学行为[21]
Fig.5 Dust movement behavior in AC126kV GIS[21]
从上述研究中可以发现，粉尘的运动行为差异较大，研究得到的结论也存在矛盾之处，这可能缘于粉尘的尺度效应，其荷电机制呈现较大的随机性，还有赖于深入研究微纳粉尘的荷电机理。
李庆民等观测总结了粒径为30mm的铝粉尘在直流GIL中的动力学行为和运动机制[23]，认为粉尘存在两种吸附行为：①粉尘在绝缘子表面的积聚式吸附；②在腔体内壁和高压电极表面的扩散式吸附行为。该研究还定量标定了粉尘量与电压大小和加压时间的变化规律，如图6所示。
粉尘的动力学特性与粉尘的材质、初始位置、粒径、所加电压类型及幅值等密切相关，其运动吸附行为有积聚式吸附和扩散式吸附两种形式，两者具有一定相似性。但在粉尘趋向或接触绝缘子表面的运动过程中，范德华力和静电作用呈现变化特性，粉尘的碰撞运动及动态吸附行为与界面积聚电荷的交互作用过程尚不明朗，粉尘的随机荷电运动与诱发放电的交互影响机制也并不清晰。
图6 不同电压幅值、不同时刻下腔体内的粉尘数量[23]
Fig.6 Amount of dust at different voltages and times[23]
为更准确地分析微纳粉尘的特殊运动行为，还需对微纳粉尘的特征信息进行高灵敏度探测，这涉及微纳粉尘浓度和速度的时空分布特性。
GIS/GIL中微纳粉尘的有效检测是当前的技术难题，但可以借鉴或改进现有的安全科学领域的技术手段并加以应用，如米散射法、电荷感应法等。
有学者设计了基于米散射法的光学检测系统，如图7所示，实现了金属粉尘浓度检测误差小于10%的目标[24]。宋琳利用DUST9702型激光式粉尘监测仪分析了100目、200目、300目等不同尺度铝粉的光散射功能[25]，发现铝粉尘浓度与输出电流强度之间呈正相关关系，如图8和图9所示。文献[26]在图10所示传统米散射法检测原理的基础上，增加了无动力机构，减小了粉尘浓度的检测误差。陈锋等进一步融合了图像处理技术[27]，在粉尘浓度大于30mg/m3的情况下，拟合出粉尘图像灰度与粉尘浓度之间的定量关系，如图11所示。
图7 米散射测量粉尘质量浓度简单流程[24]
Fig.7 Flow chart for measuring dust concentration by meter scattering[24]
图8 铝粉浓度与散射光电流信号的关系[25]
Fig.8 Relationship between aluminum powder concentration and scattering light current signal[25]
图9 铝粉浓度与电流信号之间的拟合曲线[25]
Fig.9 Fitting curve between aluminum powder concentration and current signal[25]
图10 米散射测量粉尘质量浓度基本原理图[26]
Fig.10 Basic principle diagram of measuring dust concentration by meter scattering[26]
利用米散射法检测粉尘有无以及粉尘浓度，原理不复杂且易于实现，已在矿山粉尘监测中被大量应用，但在电气领域的应用研究很少。同时，为提高检测灵敏度，还需要引入智能算法到图像处理中，以更好地去噪和获得图像修复效果。
图11 粉尘浓度与灰度均值的线性拟合关系[27]
Fig.11 Linear fitting relationship between dust concentration and gray mean[27]
另一种常用的粉尘浓度检测方法是电荷感应法，是基于测量运动的带电粉尘在探测电极上产生的感应电流，其基本原理如图12所示。赵政利用环状电极和交流耦合方式[28]，将得到的毫伏级微弱电信号通过图13所示的信号提取电路，可实现在线持续的金属粉尘浓度检测。文献[29]将环状电极改造成螺旋绕线式探测电极，可提高检测电极的环境适应性。文献[30]利用图14的对比系统指出光散射法和电荷感应法的测量误差均低于10%，但随测试时间增长，光散射法的光学测试窗口易被被测金属粉尘污染，测量误差迅速增大。相对而言，电荷感应法具有精度高、安装便捷等优点。为改善低浓度小尺度金属粉尘浓度的测量精度，刘丹丹等利用卡门涡街原理优化了环状电极[31]，可将探测装置的感应电荷量提高40%，得到粉尘不同尺度与感应电荷量的关系，如图15所示。可以发现，当粉尘尺度小于100nm时，探测电极的感应电荷量显著提升。
图12 电荷感应法基本原理示意图[28]
Fig.12 Basic principle diagram of charge induction method[28]
图13 环状电极检测法信号提取电路框图[28]
Fig.13 Signal extraction circuit diagram of ring electrode detection method[28]
图14 光散射法和电荷感应法检测误差对比试验系统[30]
Fig.14 Comparison test system of light scattering and charge induction detection error[30]
图15 不同粒径粉尘的感应电荷量[31]
Fig.15 Induced charge quantity of dust at different scales[31]
当测试环境为GIS/GIL这种管道型结构时，还可使用图16所示的棒状电极代替环形电极进行检测[25]。目前电荷感应法的工程应用尚少，主要缘于感应电极易受复杂环境的噪声影响，稳定性和有效性仍需提升。如何利用电荷感应法在复杂带电环境中实现微纳粉尘可靠检测是有待攻克的技术难题。
图16 棒状电极测量粉尘浓度基本原理图[32]
Fig.16 Basic principle diagram of measuring dust concentration by rod electrode[32]
由此可见，电气领域中对微纳粉尘的探测研究较少，但可借鉴安全科学领域发展较成熟的米散射法和电荷感应法，改进应用于GIS/GIL管道型设备中。
浓度检测并不能对微纳粉尘的运动行为做出直观观测，而通过成像技术可获得微纳粉尘的时空动力学行为，为揭示其荷电运动机理提供支撑。
电荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）相机本身具有电荷耦合器件，为实现微纳粉尘的时空分布检测提供了可能。
王丽鹏研究了火电厂烟囱排放粉尘的粒径时空分布问题，提出一种基于CCD相机成像的非接触式PM2.5和PM10粒径检测系统[32]，如图17所示。该系统由CCD相机、放大镜头和照明装置组成，据此得到了10μm粉尘可视化检测结果，如图18所示。李立奇等选用线阵CCD相机代替面阵CCD相机进行图像采集，解决了粉尘图像采集分辨率低的问题[33]，获得的粉尘图像如图19所示，检测精度达到20μm。
图17 工业微纳粉尘监测实验系统示意图[32]
Fig.17 Schematic diagram of industrial micro-nano dust monitoring experimental system[32]
图18 成像法获得的粉尘原始与二值图像[32]
Fig.18 Original and binary images of dust obtained by visual imaging[32]
图19 线阵CCD相机成像法获得的粉尘图像[33]
Fig.19 Dust image obtained by linear CCD camera imaging[33]
张琮昌等提出了在线检测粉尘粒径和速度的轨迹图像法，其基本计算方法示意图如图20所示[34]。CCD芯片分辨率和成像放大倍率直接决定了粉尘粒径测量的准确度。实验结果表明，当成像倍率使粉尘占像素比N大于6且CCD曝光时间使粉尘轨迹图像长宽比R介于3～8之间时，煤粉轨迹成像法可准确测量粉尘粒径和速度分布。
图20 轨迹图像法测量粒径和速度的方法示意图[34]
Fig.20 Diagram of measuring particle size and velocity by trajectory image method[34]
利用CCD相机可实现微纳粉尘的粒径与速度测量，粒径测量精度可达10μm，但速度精度欠缺，三维拍摄为此提供了可用技术。
数字全息技术在测量微纳粉尘浓度以及速度分布方面具有较好的应用潜力。文献[35]研究了数字全息术在流动或自由碰撞环境中成像气溶胶粒子的设计应用，其原理如图21和图22所示。气溶胶中的粒子被触发的脉冲激光照亮，由全息相机记录与粒子散射光干涉所产生的数字全息图像，粒子图像通过快速傅里叶变换进行重构，可实现最小粒径15μm的成像。文献[36]研制出一种三维成像的全息装置，对大气流设施内体积非常小的微纳粉尘进行成像探测，成功检测到直径1μm的粉尘。数字全息技术的检测精度一般高于CCD相机直接成像法。
图21 全息记录过程示意图
Fig.21 Holographic recording process diagram
图22 全息摄影的波前再现过程
Fig.22 Wavefront reconstruction process of holographic photography
文献[37]采用椭圆高斯波束作为入射光的数字粉尘全息系统，测量自由空间和圆柱形管道的微纳粉尘流。针对圆形透明玻璃管内的玻璃粉尘应用ABCD矩阵光学分析，获得了图23所示的微纳粉尘全息图像，进一步提取了圆柱管道内微纳粉尘的位置、微纳粉尘粒径分布，如图24所示。这表明数字粉尘全息技术可直接测量具有象散特性的曲面容器内微纳粉尘时空分布。
图23 管道内粉尘全息图像[37]
Fig.23 Holographic image of dust in pipeline[37]
图24 粉尘位置及粒径分布[37]
Fig.24 The velocity and size distribution of dust[37]
文献[38]设计了以Mckenna平面火焰燃烧器为基础的平台，建成高速数字同轴全息燃烧煤粉粉尘测试系统。该系统不仅可追踪单个煤粉尘的燃烧变化过程，还能追踪粉尘团的燃烧进程，继而获得煤粉尘在xOz平面的等浓度曲线和煤粉时空速度特征，实现对燃烧过程中三维煤粉的时空分布分析。
除CCD相机直接检测法和数字全息检测法以外，有学者还利用马赫曾德（Mach-Zhender）激光干涉法，在适合纳米粉体制备的环境压力范围内，获得了空气中钛丝电爆炸演化过程的探测成像，钛丝电爆炸演化过程如图25所示[39]。金属丝爆是制备金属微纳粉体的成熟方法，该手段也可用作微纳粉尘的成像技术。
图25 钛丝电爆炸演化过程[39]
Fig.25 Evolution process of titanium wire electrical explosion[39]
综上所述，对微纳粉尘进行成像观测的主要手段包括CCD相机拍摄、数字全息拍摄和激光干涉法等，可为GIS/GIL中微纳粉尘浓度、速度的时空分布检测提供技术支撑。但需指出的是，复现运行GIS/GIL中粉尘的随机荷电运动，对揭示微纳粉尘受力本质乃至诱发微弱放电的机制，以及掌握实际工况下微纳粉尘的危害程度具有重要意义。因此，通过搭建可等效模拟运行工况的真型试验平台，复现微纳粉尘的荷电运动，并引入全息拍摄等先进的成像手段是本研究方向亟需突破的关键技术。
微纳粉尘诱发的微弱放电具有隐蔽性强、探测难度大等特点，目前国内外针对微纳粉尘微弱放电的研究工作开展较少，可借鉴的往往是大尺度微粒的放电检测手段，但并不是太有效。可参照的技术手段包括等离子体放电的微观探测以及微弱局放信号的宏观检测技术。
放电等离子体探测主要涉及电子温度与电子密度等。目前光谱技术是探测电子温度和电子密度的常用方法。孙成琪利用发射光谱测量了氩原子在763.51nm和772.42nm处谱线辐射强度的信息，用双谱线法计算低压热喷涂等离子体射流的电子温度，并使用Hβ谱线的Stark展宽计算热喷涂等离子体射流的电子密度[40]。胡振华利用激光诱导击穿光谱手段研究液体射流Ca的双脉冲光谱，发现双脉冲激光作用的发射光谱强度有数倍增大，可提升探测灵敏度[41]。利用光谱测量等离子体温度的方法还有多谱线斜率法、等电子谱线法和Saha-Boltzmann法等。这些方法在等离子体探测领域相对成熟，但能否用于微纳粉尘的快速微弱放电特性探测，仍待深入研究。
微纳粉尘的放电研究集中在粉尘诱发局部放电的信号检测上，且主要针对大尺寸颗粒的局部放电检测[42-43]。目前较成熟的局放检测方法包括脉冲电流法、特高频法、超声波法和化学法等，也有学者研究了亚毫米级或微米级尺度粉尘诱发的局部放电的特征。华北电力大学季洪鑫博士指出荷电运动的0.1mm粉尘在跳跃过程可检测到放电信号；但对已吸附在绝缘子表面的静止粉尘，其诱发的微弱放电量还无法检测[21-22]。清华大学刘卫东教授团队设计了理论灵敏度达0.02pC的局放测量系统，获得了GIS绝缘子表面单个及多个亚毫米级金属微粒的局放信号，如图26和图27所示[44]。亚毫米级微粒放电为偶发性信号，其释放的特高频电磁波持续时间极短，每125个工频周期才出现1次信号。研究表明，传统的特高频检测法基本不适用这种偶发微弱放电。许渊等进一步分析指出[45]，检测中出现偶发现象的实质，不是放电不存在，而是缘于脉冲电流法或特高频法的局放识别灵敏度不足，目前的检测技术还无法有效检测亚毫米级颗粒的放电特征。无论是工程应用还是科学探索，都亟须发展高灵敏度的微弱放电探测技术。
图26 5mm金属微粒的特高频局放信号[44]
Fig.26 Ultra high frequency partial discharge signal of 5mm micro metal particles[44]
图27 90kV下100个颗粒特高频信号频次谱图[44]
Fig.27 Frequency spectrum of 100 particle UHF signals at 90kV[44]
周宏扬基于图28的Michelson 干涉原理搭建了光纤超声传感系统，用于图29所示的GIS局放信号检测，平均灵敏度为82.5dB。该光纤传感器最大响应幅值比锆钛酸铅（PZT）高552%。
图28 Michelson干涉光纤超声传感系统[46]
Fig.28 Michelson interference fiber ultrasonic sensing system[46]
图29 126kV GIS局部放电检测实验平台示意图[47]
Fig.29 Schematic diagram of 126kV GIS partial discharge detection experimental platform[47]
由上述分析可知，随机运动粉尘的放电特性与粉尘尺寸、形状、材料属性和所处位置密切相关，微弱放电所引发的电荷转移、电磁辐射、声波辐射，以及光辐射的统计学特性也会发生明显变化，而电磁脉冲、超声脉冲及光脉冲并非存在一致的时序关系，各物理量的强度比例与放电能量呈非线性关系。因此，通过提取粉尘微弱放电与不同信号图谱之间的关联规律，进而探究微弱放电的物理机制，是后续研发检测新技术的重要目标。
另外，为实现微弱放电目标的定位，有学者提出了两种检测微弱局放信号的方法[48-49]。一种方法利用自适应随机共振技术来提取微弱放电信号；另一种方法利用双通道测试和互相关信息积累，将非周期微弱局放信号检测转化为周期性的时延参数估计检测。
需要指出的是，针对GIS/GIL内微纳粉尘诱发的微弱放电检测研究，目前很少见诸报道。为厘清微纳粉尘的荷电运动与放电物理机制，发展新的微弱放电检测方法至关重要。微纳粉尘带来的振动和放电信号都十分微弱，传统检测方法在工程现场往往失效或不具有时效性。为此，可探索引入全新的探测技术途径，例如基于飞秒瞬态光谱特征的检测技术和太赫兹波作为入射光源的光学探测手段等。
发展微纳粉尘的探测技术，与亟待解决的关键问题紧密关联。本文基于前述梳理，认为该领域有两个关键机制问题尚须深入阐释，一个是微纳粉尘的随机荷电与运动特性，另一个是微纳粉尘诱发微弱放电的物理机制，相应的探测技术难点与实施途径也围绕这两个问题展开。
微纳粉尘体积小、荷电量少，受到的微观作用力与大尺度颗粒存在很大差别，其碰撞、吸附过程呈现突出的随机性。
首先，需要发展微纳粉尘的快速实时探测技术，获得其空间密度、浓度、速度与荷电量的时空分布特征。重点考虑融合米散射法和电荷感应法的粉尘浓度检测法，以期实现有无微纳粉尘的快速甄别。在这基础上，在信号处理中引入智能算法，以获得更好的去噪效果和更高的检测灵敏度。
同时，需要引入可视化的探测方法，进一步获得微纳粉尘的时空动力学行为特性。重点考虑CCD相机拍摄、数字全息拍摄和激光干涉法等成像手段，为GIS/GIL中微纳粉尘浓度、速度的时空分布检测提供技术支撑。同时，需要引入可视化的探测方法，进一步获得微纳粉尘的时空动力学行为特性。
荷电运动的微纳粉尘会诱发气隙的微弱放电现象，而微弱放电的发生反过来也会影响微纳粉尘的荷电与运动行为。
为研究这种交互影响机制，可在微纳粉尘随机荷电与运动特性的基础上，通过建立微纳粉尘的多场耦合动力学模型来初步揭示其作用机制。目前尚不清晰的机制问题较多，主要包括：微纳粉尘趋向绝缘子运动过程中范德华力的变化特性、微纳粉尘碰撞运动及动态吸附行为与界面积聚电荷的交互作用、粉尘的随机荷电运动与诱发放电的交互影响机制等。
更重要的是，可利用微弱放电的光谱学特征，引入全新的探测技术手段，例如基于飞秒瞬态光谱特征的微弱放电探测方法、利用太赫兹波作为入射光源的微弱放电形态成像技术等。
综上所述，图30给出了围绕两个关键机制问题的主要实施技术途径。
图30 待解决的关键问题与技术难点
Fig.30 Key problems to be solved and technical difficulties
GIS/GIL设备存在的微纳粉尘会带来绝缘缺陷和放电风险，但目前对其荷电动力学行为以及诱发微弱放电的物理机制研究较少。本文综述了以往的主要研究进展，在此技术上梳理了有待解决的两个关键问题，并据此给出了须重点攻克的探测技术，包括微纳粉尘的快速实时检测、可视化探测、基于光谱学特征的微弱放电高灵敏度检测方法等，为后续深化研究给出了方向。
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Research Advances of the Detection Technology for Kinetic Behavior and Weak Discharge of the Micro-Nano Dust
Abstract 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.
keywords：Micron-nano dust, random charge mechanism, spatial-temporal dynamics, visualized detection, weak discharge
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210862
中图分类号：TM852
薛乃凡 男，1994年生，博士研究生，研究方向为金属微粒和粉尘防护等。E-mail：nev777@ncepu.edu.cn
李庆民 男，1968年生，教授，博士生导师，研究方向为高电压与绝缘技术、放电物理等。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）
收稿日期 2021-06-14
改稿日期 2021-12-17
国家自然科学基金（51737005，51929701和52081330507）和北京市自然科学基金（3202031）资助项目。
（编辑 赫蕾）