摘要 绝缘子表面吸附的金属粉尘可能引起放电甚至诱发闪络，抑制粉尘在绝缘子表面的吸附对提高气固绝缘系统的可靠性具有重要意义。该文选用纳米碳化硅（nano-SiC）和蒙脱土-纳米二氧化钛（MMT-nano-TiO2），分别从调控表面电荷和改善表面粘黏性能的角度，设计了两种纳米复合涂层。实验表明，蒙脱土-二氧化钛纳米复合涂层（MEP）抑制粉尘吸附的效果整体优于碳化硅纳米复合涂层（SEP），与无涂层绝缘子模型相比，MEP6涂层表面吸附的粉尘分布范围大幅减小，吸附质量降低54%，抑制金属粉尘吸附的效果最优。进一步建立粉尘受力分析模型，将其运动吸附过程划分为启举、飞行和吸附三个阶段，阐释了粉尘吸附的动力学过程。最后，结合表面电荷分布特征、材料间本征粘附特性分析，指出MEP6涂层抑制粉尘吸附效果明显是缘于同时实现了电荷调控与抗粘黏性能的提升。该研究通过引入纳米复合涂层有效抑制了金属粉尘吸附，可为提升绝缘子表面绝缘强度提供新思路。
关键词：金属粉尘 直流气体绝缘输电线路 吸附过程 抑制作用 纳米复合涂层
高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）气体绝缘传输线（Gas Insulated transmission Line, GIL）具有运行损耗小、输送容量大等优异特性，在远距离能源输送方面优势明显[1-2]。然而，气体绝缘设备的频繁故障已经对长期运行的在役设备造成巨大安全隐患。据国家电网公司运行故障数据统计，由于GIL内部存在金属异物而导致的故障占比近70%[3-5]。而且在故障气室中通常以mm级（1～100mm）金属粉尘为主，少有大尺寸且形状理想的金属微粒[6-12]。金属粉尘在电场极化作用下极易吸附在绝缘子表面，引发的放电行为可由不易探测的微弱放电逐步发展，最终形成绝缘子沿面的贯穿 性放电，金属粉尘是GIL中绝缘子绝缘失效的“元 凶”[13-14]。
现有研究指出，金属粉尘吸附于绝缘子表面的动力学过程，与绝缘子表面的电荷分布特性关联紧密[15-17]，因此调控绝缘子表面电荷分布行为可能有助于粉尘治理，是抑制金属粉尘吸附行为的潜在方法。目前，主要的表面电荷调控方法包括：绝缘子本体材料的纳米掺杂修饰[18]、表面氟化处理[19]或等离子体处理[20]以及绝缘子表面涂覆[21]。环氧树脂与多数无机纳米粒子具有良好的相容性且环氧基复合材料间易于粘结[22-23]，因此在表面覆制纳米复合涂层的方法具有天然优势且易于付诸工程应用。其中，碳化硅（SiC）作为一种典型的非线性电导率无机填料，可使环氧树脂复合材料电导率随电场呈现自适应的特点。Xue Jianyi等[22]设计的SiC/环氧树脂功能梯度涂层以及Du Boxue等[23]设计的SiC/环氧树脂非线性电导复合涂层，均能有效调控绝缘子沿面电荷的分布模式，从而实现空间电场的调节和沿面闪络电压的提升。由此，可同时实现沿面绝缘强度强化与微粒吸附抑制。
此外，由于mm级金属粉尘质量小，通过调控涂层材料与金属粉尘间的微观相互作用力，降低材料间的本征相互作用强度，也可能在抑制mm级粉尘吸附方面起到重要作用。纳米二氧化钛（nano-TiO2）因比表面积高，具有较低的表面能，能够与各种材料可靠配合，并表现出独特的自清洁特性[24]。A. Farman等[25]发现直接掺杂TiO2即可明显改善环氧树脂材料的表面能等特征参数，降低异物附着率。李曦 等[26-28]借助二维材料蒙脱土（Montmorillonite, MMT）荷载nano-TiO2的颗粒，较好地发挥了nano-TiO2的优异特性，并指出该方法不仅能提升绝缘强度，还能使材料表面具有较高的耐沾污特性。
虽然，基于表面涂层的电荷调控技术、自清洁材料制备技术已较为成熟，但少有分析其对金属粉尘吸附行为抑制作用的有效性。通过引入纳米复合涂层来抑制金属粉尘吸附，可为减少由金属粉尘引起的绝缘失效提供崭新思路。本研究选择纳米碳化硅（nano-SiC）、nano-TiO2和MMT，分别制备了SiC/环氧树脂纳米复合涂层材料和MMT-TiO2/环氧树脂纳米复合涂层材料，利用自动涂膜机于环氧树脂基体表面覆制纳米复合涂层。搭建了粉尘吸附观测实验平台，研究了不同纳米粒子及其掺杂比例对涂层表面金属粉尘吸附分布的影响。进一步建立金属粉尘受力分析模型，分析了金属粉尘颗粒由启举、飞行到吸附三个阶段的动力学过程，结合涂层表面电荷分布特征、表面粘附特性与纳米粒子浓度的关联规律，揭示了纳米复合涂层对金属粉尘吸附行为的抑制机制。
本文选用双酚A环氧树脂（DGEBA，E51）作为基体材料，甲基环己烯-1, 2-二羧酸酐（MTHPA，504）作为固化剂，2, 4, 6-二甲基氨基甲基苯酚（DMP-30）作为促进剂。本研究所使用的nano-SiC纯度为99.9%，粒径为35～45nm；选用的MMT比表面积为240m2/g，分子式为Al2O9Si3，与之配合使用的nano-TiO2粒径为5～10nm，MMT与TiO2的比例为1
1[27]。以上试剂均购自上海麦克林生化科技有限公司，其中nano-TiO2和nano-SiC的微观形貌如图1所示。制备了纳米碳化硅环氧树脂涂层材料（SiC doped Epoxy nanocoating, SEP）和蒙脱土/纳米二氧化钛环氧树脂涂层材料（MMT-TiO2 doped Epoxy nanocoating, MEP），均包含五种不同比例的填料，质量分数分别为2%、4%、6%、8%和10%，以质量分数2%的纳米碳化硅环氧树脂涂层材料（简写为SEP2）为例；进一步地，用无水乙醇擦拭绝缘子表面，去除表面杂质；待无水乙醇完全蒸发后，用自动涂膜机（BGD-218）分别将不同的纳米涂层材料涂覆于绝缘子模型表面，本研究在绝缘子表面引入的涂层厚度约为150mm。环氧树脂纳米复合涂层的整体制备过程如图2所示，同时展示了SEP和MEP涂层样品截面在扫描电镜下的微观形貌。在室温下从扫描电镜（JSM-6700F）观察到的纳米涂层横截面可以看出，SiC和MMT-TiO2纳米颗粒均匀地分布在环氧树脂聚合物中，并且纳米颗粒与环氧树脂分子紧密结合。
图1 纳米颗粒的微观形貌
Fig.1 Microscopic morphology of nanoparticles
图2 纳米复合涂层材料的制备方法
Fig.2 Synthesis pathways of nanocomposite films and nanocomposite-coating insulator
为评估不同纳米涂层对金属粉尘吸附行为的抑制效果，建立了如图3所示的半封闭式粉尘吸附实验平台，将梯形柱式绝缘子模型置于平行板电极间，并保证绝缘子模型上下平面分别紧密贴合高压电极和地电极，模拟GIL中盆式绝缘子的空间电场。前期研究[14]已指出，施加电压过高会导致金属粉尘在半封闭区域迅速扩散且不易吸附在绝缘子的表面，为使绝缘子的表面附着更多的金属粉尘，以有效评估涂层对金属粉尘吸附于绝缘子表面这一危险行为的抑制效果，将外施电压设置为+20kV。由于室温空气环境下，样品表面的金属粉尘积累会趋于饱和，因此每次实验，使用直流电压发生器持续施加电压30min。实验前，采用精密天平ME104/02称量粒径为500目（25mm）的铝粉100mg，将其置于恒温干燥箱以60℃干燥处理24h。开展吸附实验时，确保环境温度保持在23～27℃，空气湿度保持在20%左右。鉴于存在环境因素影响，对每个参数的纳米复合涂层进行10次重复实验，控制每次实验中的其他变量保持一致，并将多次实验的平均值作为铝质粉尘吸附的测试结果。
图3 平行板电极粉尘吸附实验平台
Fig.3 Parallel plate electrode dust adsorption experimental platform
将覆有不同纳米涂层的绝缘子分别置于图3所示的平行板电极下外施电压30min，保持外界温湿度与开展粉尘实验的条件一致。加压完成后，将绝缘子快速转移至如图4所示的二轴表面电荷测试系统。在整个测量过程中，双轴驱动系统带动静电探头（Trek 6000B）以垂直于绝缘子表面的姿态进行扫描测试，并且与涂层表面的距离保持在2mm，由静电计（Model TREK-347）获取表面电位数据，并以高速数据采集卡实时记录。
图4 二轴涂层表面电荷测试系统
Fig.4 Parallel plate electrode dust adsorption experimental platform
进一步对测量的电位数据进行处理，获得无涂层绝缘子及各纳米涂层的表面电荷分布情况。静电计获取的表面电位矩阵
与表面电荷密度矩阵
之间的关系可以表示为
（1）
式中，矩阵
为传递函数矩阵，是矩阵中系数单位电荷密度引起的探测响应。
结合Tikhonov正则化方法[29]对矩阵进行修正，可以降低测量中的干扰对计算结果的影响，提高表面电荷分布的准确性以及表面电荷分布示意图的分辨率，进而获得绝缘子表面电荷矩阵
为
（2）
式中，I为单位矩阵；
为最优Tikhonov正则参数，是测试噪声与有效信号方差之比；H即为上述传递函数矩阵；U即为上述表面电位矩阵。
粘附功的大小可用以表征两物质界面间的本征相互作用特征，粘附功越大两物质间的粘附力越大、相互作用力越明显。本研究采用测量接触角的方法，推算不同纳米复合涂层于金属粉尘间的表面张力及粘附功，以评价两者之间的粘附作用。
开展测试时，在每个表面上滴加5mL去离子水滴后，使用接触角测量仪OCA-20测量静态水接触角。同时测量包括铝合金材料、纯环氧树脂材料、不同纳米涂层材料的去离子水接触角q，采用Chibowski法[30]求取材料表面能为
（3）
式中，
为固体材料表面张量；
为液体材料表面张量，20℃时去离子水的表面张量为72.8mN/m。以
、
表示两种固体材料表面张量，则可以获得两种材料间的粘附功w[31]的表征方法为
（4）
对无涂层绝缘子、涂覆SEP复合涂层的绝缘子和涂覆MEP复合涂层的绝缘子分别开展金属粉尘吸附行为实验，记录铝粉在不同条件下的分布特征。图5为金属粉尘在不同纳米掺杂比例的SEP和MEP涂层表面的典型吸附分布形式，是重复实验中的其中一次实验现象。以无涂层绝缘子样片为例，上侧为高压电极侧、下侧为地电极侧，加压实验时的电场方向沿箭头方向。
随着涂层中纳米颗粒的质量分数从2%增加到6%，SEP涂层表面上金属粉尘的“主带”高度逐渐降低、扩散分布带的宽度逐渐变窄，总体分布范围逐渐缩小；当纳米填料的质量分数继续增加到8%和10%时，涂层表面金属粉尘的分布范围将转而扩大，并且会在涂层表面向高压电极侧延伸，到达与SEP2涂层和无涂层绝缘子相当的位置。MEP涂层表面的粉尘分布模式与SEP涂层相似，均呈带状分布。随着涂层中纳米颗粒掺杂比例的增加，表面金属粉尘的分布范围先减小然后增大，填料质量分数为4%和6%时，MEP涂层表面的金属粉尘吸附情况明显少于其他情况。
图5 金属粉尘在不同纳米掺杂比例的SEP和MEP涂层表面的典型吸附分布
Fig.5 Typical adsorption distribution of metal dust on surface of SEP and MEP coatings with different nano-doping ratios
通过比较，可以获得不同涂层所具有的共性特征：①表面金属粉尘主要分布于20～50mm区域；②金属粉尘在不同涂层表面的累积吸附均呈弧形带状分布；③靠近地电极的涂层表面，即粉尘“主带”下侧，存在基本不吸附金属粉尘的区域；④在“主带”上、下两侧的粉尘集中程度逐渐降低，呈扩散分布。具体地，将涂层表面20～50mm划分为如图6所示的三个区域，区域Ⅰ（45～50mm部分）、区域Ⅱ（30～45mm部分）和区域Ⅲ（20～30mm部分）。区域Ⅰ靠近地电极侧常出现无粉尘区或仅吸附极少粉尘的情况，涂层中纳米粒子质量分数较少（2%）或较多（8%或10%）时粉尘吸附区会扩展至区域Ⅱ，仅无涂层条件下粉尘明显延伸至区域Ⅲ。
图6 金属粉尘分布特征示意图
Fig.6 Schematic diagram of metal dust distribution characteristics
通过重复实验发现，尽管粉尘在涂层表面分布特征明显，但局部粉尘吸附量的随机性仍然较强，不易通过粉尘的分布行为来量化其吸附规律。因此，考虑使用精密天平精确称量吸附在涂层表面的金属铝粉，将吸附粉尘的质量视为定量评价指标。
图7展示了金属粉尘在纳米涂层表面吸附质量的统计数据，两种纳米复合涂层表面的粉尘吸附量均随纳米掺杂比例的升高呈“V形”曲线，MEP表面粉尘吸附量整体少于SEP涂层。在无涂层绝缘子表面吸附的粉尘均值为28mg；当绝缘子表面覆有MEP纳米复合涂层时，随着MMT-TiO2质量分数的增加，铝粉的吸附量呈现先降后升的趋势，但均低于无涂层绝缘子表面上金属铝粉的吸附质量。MEP6涂层表面金属铝粉的吸附质量最少，均值为13mg，比无涂层情况的吸附量低约54%。当纳米MMT- TiO2的质量分数继续增加，粉尘吸附量则大幅增加，在复合涂层MEP10表面金属粉尘的吸附量最高，接近无涂层绝缘子表面的金属粉尘的吸附量。粉尘在SEP复合涂层表面的吸附量也呈现先下降后上升的趋势，当SiC的质量分数为4%时，绝缘子表面铝粉的吸附量最低，均值为17mg，比未覆涂层的少39%。当SiC的质量分数为10%时，粉尘的吸附质量均值为29mg，与无涂层相比增加了4%。结合金属粉尘吸附的分布特征和吸附质规律可以发现：金属粉尘分布的主带越高、分布区域越宽，则金属粉尘在涂层表面的吸附量越高；由表面电荷分布与运动随机性引起的粉尘集中分布，可能使金属粉尘出现分布面积较小而吸附量较大的情况。
通过在环氧树脂中适当添加SiC或MMT-TiO2二元填料，可以不同程度地抑制金属粉尘在表面的分布范围和金属粉尘的吸附量。值得注意的是，纳米填料对金属粉尘吸附的抑制作用不随其质量分数增高而线性增强，特别是当纳米填料质量分数为4%～6%时，表现出较好的抑制效果。考虑到金属粉尘的分布范围和金属粉尘的吸附能力两个因素，MEP4、MEP6复合涂层和SEP4复合涂层抑制粉尘吸附的效果较佳，且MEP6优于MEP4和SEP4。
图7 金属粉尘在不同纳米涂层表面的吸附质量
Fig.7 Adsorption quality of metal dust on different nanoparticle loading coating surface
采用简化的二维有限元方法模拟外施电压+20kV时绝缘子-粉尘堆区域的电场分布情况，并分析了金属粉尘从粉尘堆转移到涂层并吸附于其表面的三个阶段，如图8所示，其中图8a、图8c和图8e中箭头指向为该区域的电场方向，图8b、图8d和图8f中箭头指向为微粒受力方向。
图8 绝缘子表面金属粉尘颗粒的运动吸附机理分析
Fig.8 Adsorption mechanism of metal dust particles on insulator surface
粉尘颗粒主要受力情况见表1[32]，表中，rAl为铝质金属粉尘密度；rgas为空气密度；a为铝粉的半径；r为球形颗粒球心间距；w为粘附功；h为颗粒间的间隙距离；z0为范德华力平衡距离；Q为颗粒带电量，取最大可能值
的1/3，根据Pauthenier场充电模型，金属粉尘最大带电量为
；Re为雷诺数，本研究涉及的情况Re均值约为1.5，属低雷诺数（0＜Re＜5
范围；g为重力加速度常数；ktension为环氧树脂复合材料的弹性模量，主要受分子内苯环结构影响，因而在本文中，不同涂层弹性系数可近似认为相同，其中，与重力G相比，粉尘所受浮力数量级较小，可忽略不计；Fq为库仑力，存在于粉尘颗粒与绝缘子表面电荷之间的吸引力；Fc为范德华力，适用于相互接触的粉尘颗粒；Fa为范德华力，适用于未接触的粉尘，当两粉尘颗粒间距大于1mm，范德华力Fa降低两个数量级以上，本研究不涉及多粉尘粒子间的相互作用，因此忽略该类型作用力的影响。特别地，运动过程中粉尘所受气体阻力Fv要比重力大一个数量级，其影响不可忽略。
表1 金属粉尘颗粒主要受力情况
Tab.1 Typical forces of dust particles
受力类型公式数量级 重力/N10-11 浮力/N10-14 电场力/N10-7 库仑力/N10-9 范德华力/N10-8 范德华力/N低于10-8 空气阻力/N10-10 粘附力/N10-8
当金属粉尘颗粒处于静止状态时，绝缘子表面主要聚集正极性电荷，而粉尘堆表面主要分布负极性电荷，绝缘子表面将具有水平向左的电场分量，在金属粉尘堆靠近绝缘子一侧的表面区域将具有水平向右的电场分量。金属粉尘表面与绝缘子表面积聚的异极性电荷存在相互作用，粉尘将受库仑力Fq1的作用，此时由于微粒与绝缘子距离较远，Fq1较小。当金属粉尘颗粒所受电场力Fe与库仑力Fq1合力足够大，能够克服重力G和粉尘堆颗粒间的范德华力Fc时，金属粉尘颗粒即开始从粉尘堆表面启举。此时金属颗粒将以初始速度vL朝着覆有涂层的绝缘子运动，如图8a和图8b所示。
金属粉尘颗粒启举后将在纳米复合涂层和粉尘堆之间的区域发生飞行运动。图8c和图8d展示了飞行运动状态下绝缘子-粉尘颗粒-粉尘堆区域的空间电场分布和粉尘颗粒的受力情况，该状态下金属粉尘颗粒所受电场力Fe仍存在朝向绝缘子表面的水平分量。随着粉尘趋向绝缘子运动，金属粉尘与涂层间的库仑力Fq1逐渐增大，并且其对粉尘飞行路径的影响愈加明显，主导着粉尘向绝缘子表面运动过程。当启举的粉尘颗粒从粉尘堆表面移开后，粉尘堆表面上电荷分布也将发生变化，新暴露于表面的粉尘将补充负电荷，飞行过程中的粉尘颗粒靠近粉尘堆一侧的表面主要分布正极性电荷，因此运动中的金属粉尘颗粒受朝向粉尘堆的库仑力Fq2作用。由于当mm级粉尘飞行运动时将较大程度地受到空气流动的干扰，因此空气流体阻力Fv影响明显，金属粉尘颗粒的飞行运动速度vF的方向将随着合力方向的改变不断调整。
图8e和图8f给出了金属粉尘颗粒吸附于绝缘子表面时的空间电场分布和受力情况。粉尘刚刚接触涂层表面时，粉尘将受到碰撞引起的反作用力，当异极性电荷作用形成的库仑力Fq1、材料本征相互作用形成的粘附力Fadhe足够大时，将使金属粉尘直接停留于涂层表面。进一步地，电荷发生缓慢的迁移过程，粉尘所带负电荷将与涂层表面正极性电荷中和，此过程将影响涂层表面上的电荷分布。金属粉尘颗粒的接触点附近正电荷密度将会降低，其他区域的电荷（包括涂层的表面电荷和体电荷）将缓慢转移到该区域，以补偿不均匀的电荷分布。因此，在刚刚吸附了粉尘的区域周围，正电荷相对较少，后续尚处于飞行状态的粉尘不易运动到已吸附粉尘的区域，将继续以扩散分布的形式附着在涂层表面，进而在“主带”两侧形成弥散分布区域。随着电荷不断迁移，库仑力Fq1将逐渐变小，其最终影响可忽略不计，粘附力Fadhe及其主导的摩擦力Ff将是维持微粒稳定吸附状态的主要因素。
无涂层绝缘子表面电荷分布如图9所示，表面主要聚集与外施电压同极性的正电荷，电荷密度沿电场E方向（y轴方向）梯度减小，并在靠近地电极附近的区域出现部分负极性电荷区域，不同纳米复合涂层表面电荷分布同样遵循此规律。虽然，表面电荷分布存在一定的随机性，但重复实验表明，局部区域电荷分布的畸变不改变表面电荷沿外施电场方向减小的总体趋势。
图9 无涂层绝缘子表面电荷分布情况
Fig.9 Surface charge distribution of pure epoxy sample
分别对无涂层绝缘子及各种参数纳米复合涂层表面电荷沿电场E方向取均值，获得如图10所示的表面电荷沿电场方向分布曲线。
图10 表面电荷沿电场方向分布曲线
Fig.10 Surface charge distribution along the E-field
由于区域Ⅰ毗邻地电极，无涂层绝缘子和不同涂层表面均存在负极性电荷积聚区或接近零电荷的区域，金属粉尘难以趋向这些区域运动；同时，区域Ⅰ正极性电荷积聚区的电荷密度较小，库仑力比较微弱，金属粉尘也难以聚集吸附。由此，出现图6中区域Ⅰ地电极侧的无粉尘区。
区域Ⅱ和区域Ⅲ表面电荷密度明显高于区域Ⅰ，这将对粉尘运动产生明显影响。结合第3.1节粉尘飞行运动分析，对于涂层表面积聚电荷较多的情况，粉尘所受电场力Fe较大且与水平面所形成角度更大，同时库仑力Fc1也较大，因此金属粉尘更有可能沿涂层斜面向上运动，进而落于涂层表面较高的区域；反之，电场力Fe与库仑力Fq1较小，电场力方向Fe与水平面所形成角度也较小，金属粉尘将更容易附着于涂层表面较低的区域；一般而言，飞行状态中金属微粒所受电场力Fe方向受绝缘子表面电荷影响，其方向处于有限区间内。在多种应力因素综合影响下，金属粉尘颗粒容易附着在特定区域，形成金属粉尘集中分布“主带”区域。在SEP涂层中，SEP10、EP和SEP8的区域Ⅱ表面电荷密度比较接近，且明显高于其他组分涂层，由于电荷密度越高引起的空间电场畸变越强烈，微粒所受库仑力也越强。在电场力和库仑力驱动下，微粒更易向水平位置较高的区域运动，这三种情况的粉尘“主带”和吸附量明显高于其他组分SEP涂层。同样地，在MEP涂层中，MEP10、EP和MEP8区域Ⅱ表面电荷密度较高，其表面粉尘也较多。
虽然，SEP4和SEP6在区域Ⅱ中电荷密度相当，但受区域Ⅲ电荷密度影响，SEP6表面电荷密度要高于SEP4，这会引起绝缘子附近区域电场畸变更严重，较大的电场力和库仑力作用下会促使更多粉尘颗粒启举并趋向绝缘子运动，因此在SEP6表面吸附的粉尘量会多于SEP4。同样地，MEP4表面吸附的粉尘量也会略多于MEP6。
铝合金粉尘材料、环氧基体材料、SEP4以及MEP6涂层材料与去离子水的接触角如图11所示，四种材料接触角差异明显，粉尘材料和SEP4的去离子水接触角小于90°，而EP和MEP6的去离子水接触角均大于90°。
图11 铝合金、EP及SEP4、MEP6涂层材料接触角
Fig.11 Contact angles of aluminum alloy, EP, SEP4 and MEP6
表2展示了各涂层与粉尘材料的接触角、表面张量及粘附功，不同MEP涂层与粉尘材料的粘附功较为接近，整体比EP低1%～5%；不同SEP涂层的粘附功也较为接近，但整体要比EP高7%～10%。由表1中粘附力计算公式可知，弹性模量ktension影响较小，不同涂层近似相同，粘附力与粘附功正相关，不同材料粘附力与粘附功有相同的变化趋势。
结合第3.1中粉尘吸附状态的相关分析，粉尘碰撞涂层表面时所受反作用力与弹性碰撞系数关联紧密，存在较大的随机性，而粘附力Fadhe和库仑力Fq1较大是粉尘吸附的主导应力，由图10中可以看到，相同掺杂比例下SEP涂层和MEP涂层表面电荷密度较为接近，但由于MEP涂层与粉尘的粘附力整体要低于SEP涂层，MEP涂层表现出更好的抗粘黏作用，粉尘经碰撞吸附于MEP表面的概率更低，因此出现图7中MEP涂层表面金属粉尘吸附量整体低于SEP的情况。
表2 纳米涂层与粉尘材料的表面粘附参数
Tab.2 Interfacial adhesion property of nano-coatings and aluminum alloy
试样接触角q/(°)表面张量g/(mN/m)纳米涂层与粉尘材料间粘附功Wa/(mN/m)与EP粘附功差值百分比(%) 铝合金72.9147.10—— EP92.0735.0980.430 SEP285.3839.3385.737 SEP482.6141.0887.779 SEP683.0040.8487.499 SEP884.8039.7086.177 SEP1081.241.9788.7710 MEP293.2634.3379.43-1 MEP494.8733.3178.04-3 MEP696.8432.0676.30-5 MEP894.4533.5878.41-3 MEP1093.7734.0179.00-2
本文从调控电荷角度设计制备了碳化硅纳米复合涂层，从提升表面抗粘黏作用设计制备了蒙脱 土-二氧化钛纳米复合涂层。借助粉尘吸附观测实验平台，研究了不同纳米粒子及不同掺杂比例对涂层表面金属粉尘吸附行为的影响。进一步构建粉尘颗粒受力分析模型，厘清了金属粉尘吸附的动力学行为特征，结合表面电荷测试、表面粘附特性测试，揭示了纳米复合涂层对金属粉尘吸附行为的抑制机制。结果表明：
1）金属粉尘在绝缘子表面的吸附分布具有三大共性特征：①金属粉尘在绝缘子表面的累积吸附均呈弧形带状分布；②粉尘“主带”下侧靠近地电极部分基本不吸附金属粉尘；③在“主带”上、下两侧的粉尘集中程度逐渐降低并呈扩散状。
2）金属粉尘的运动吸附过程可划分为启举、飞行和吸附三个阶段。电场力是粉尘启举的驱动力；电场力和库仑力主导了粉尘趋向涂层表面飞行运动过程，该过程与涂层表面电荷分布特性联系紧密，并决定了粉尘的带状分布模式；粘附力影响粉尘的碰撞吸附行为，待粉尘中的电荷完成迁移过程，粘附力与摩擦力维持粉尘稳定吸附。
3）粉尘吸附量与分布范围主要取决于区域Ⅱ表面电荷积聚程度，同时受区域Ⅲ表面电荷造成的空间电场畸变影响。因两种涂层中SEP4和MEP6表面电荷分布特性较优且电荷积聚量最少，因此其表面粉尘分布范围较小、吸附量较少。
4）掺入MMT-TiO2有效提升了MEP涂层的抗粘黏特性，而SiC使SEP涂层表面更易粘附粉尘。以环氧基体粘附功为参考，MEP粘附功整体较SEP涂层低10%左右，鉴于相同纳米掺杂比例下两种涂层表面电荷密度相差较小，使得MEP涂层抑制粉尘吸附的效果整体略优于SEP涂层，其中MEP6表现出最优的抑制粉尘吸附性能。
由于绝缘介质表面不可避免地会积聚电荷，金属粉尘的吸附行为是无法杜绝的。但通过在绝缘子表面引入适当的纳米复合涂层，合理地抑制表面电荷积聚、提升表面抗粘黏特性，可有效抑制金属粉尘的吸附，减小粉尘分布范围及吸附量，进而有效降低金属粉尘造成绝缘子沿面绝缘失效的风险。本研究的相关成果可为提升绝缘子表面绝缘强度与绝缘可靠性提供新的思路。
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Suppression Effect of Nanocomposite Coating on the Adsorption Behavior of Micron-Scale Metal Dust
Abstract Aluminum dust adsorbed on insulator surface may induce discharge or even flashover in DC GIL. So, suppressing dust’s adsorption is of great significance to improve the reliability of the gas-solid insulation system. In this study, two kinds of nanocomposite coatings doped with different fillers, nano-SiC and montmorillonite (MMT) with nano-TiO2, were designed from the perspective of regulating charge and improving surface adhesion properties. The results show that the effect of MMT-TiO2 nanocomposite coating (MEP) in inhibiting dust adsorption is better than that of SiC nanocomposite coating (SEP). Compared with the uncoated insulator model, the dust distribution range on the surface of MEP6 coating is greatly reduced, and the dust adsorption quality is reduced by 54%. Therefore, MEP6 has the best suppression effect of adsorption. A force analysis model of metal dust is further established to explain the kinetic process of movement and adsorption, and the adsorption process is divided into three stages: lifting, flying and adsorption. Finally, combined with the analysis of surface charge distribution characteristics and intrinsic adhesion characteristics between materials, it is shown that the reason for the prominent effect of MEP6 coating in inhibiting dust adsorption is that it improves charge regulation and anti-adhesion performance at the same time. This work provides a novel idea for improving the insulation strength of the spacer surface by nanocomposite coating to suppress dust adsorption.
keywords：Aluminum dust, DC gas insulated transmission line (GIL), adsorption process, suppression effect, nanocomposite coating
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201636
中图分类号：TM85
国家自然科学基金（51737005, 51929701, 52081330507）和北京市自然科学基金（3202031）资助项目。
收稿日期 2020-12-14
改稿日期 2021-02-21
王靖瑞 男，1996年生，博士研究生，研究方向为气固界面绝缘优化与环保型绝缘气体放电理论。E-mail: wang_jingrui@ncepu.edu.cn
王 健 男，1985年生，讲师，硕士生导师，研究方向为GIL绝缘优化与微粒抑制理论。E-mail: wangjian31791@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 崔文静）