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摘要 气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路（GIS/GIL）在生产、运行和维护过程中会不可避免地产生微米级粉尘，可能是诱发工程现场不明放电的根本原因。为检测微米级粉尘弥散浓度并研究浓度的时空演化特性，该文分析了10 000目、2 000目和1 000目粉尘的光散射特性，在此基础上设计并搭建了基于平板电极的粉尘浓度探测平台，实现了粉尘弥散浓度的定量探测。通过实验研究，获得了在升压过程和持续加压下，不同粒径、不同初始质量微米级粉尘的弥散浓度演化规律。研究表明，随着电压作用时间的增加，粉尘浓度快速出现最大值，然后逐渐下降。微米级粉尘弥散浓度在升压过程中会出现峰值现象，当粉尘粒径减小或初始质量增大时，均出现更大的浓度峰值。在粉尘运动过程中，存在团聚启举的特殊现象，造成严重的电场畸变，威胁气隙绝缘安全。该文结果阐释了微米级金属粉尘弥散浓度的时空演化规律，可为GIS/GIL等电气设备中微米级金属污染物的监测和危险程度评估提供支撑。
关键词：微米级粉尘 光散射法 浓度检测 弥散特性 时空演化
近年来，新能源发电和特高压直流输电发展迅猛，是新型电力系统的主要组织形态。在江河湖泊、城市电力管廊、海上风电等某些特定场景，需要引入特殊的输电媒介。气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated Switchgear/ Gas Insulated transmission Line, GIS/GIL）具有电压等级高、输送容量大、可靠性强等优势，是解决上述大规模电力输送需求的理想方案[1-3]，也是构建新型电力系统的重要物理载体。
在GIS/GIL生产、运行和维护过程中，由于机械振动、开关触头摩擦和人为污染，会不可避免地产生多尺度粉尘。其中，微米级粉尘是工程现场污染物的重要组成部分。根据国家电网公司近十年的GIS/GIL设备故障统计，金属微粒和粉尘引发了50%左右的放电故障[4]，是导致绝缘子贯穿性烧伤、闪络和腔体气隙放电击穿等故障的重要原因。
对于毫米级和亚毫米级粒径的金属微粒，危害程度大、故障特征明显，现有的相机拍照、特高频、光纤等探测手段容易识别并预警其引发的故障，国内外学者对其探测方法、运动规律和放电特性的研究较多[5-6]。但对于粒径为几十纳米到几十微米的粉尘，其粒径更小，初期放电信号微弱，上述探测方法难以采集微米级粉尘的特征信息。粉尘物化活性高，在设备长期运行下逐渐累积，当累积质量和其在空间中的浓度达到一定数值后，可能会诱发绝缘子严重放电，危害设备的安全运行。由此可见，与大尺度微粒相比，微米级粉尘的特征信号微弱，隐蔽性强，极有可能是诱发工程现场GIS/GIL设备出现不明放电故障的根本原因。因此，有必要对微米级粉尘的探测方法及其浓度时空演化规律开展研究。
目前，光散射法是一种重要的粉尘浓度在线检测方法，广泛应用于环境、安全等学科。G. Mie提出了球体散射的严格解和求解的算法，为光散射法提供了理论基础[7]。张淑玲仿真了不同粒径粉尘的散射光强分布，并根据仿真结果设计了探测系统的光路结构[8]，实现了含尘气体浓度的检测。宋熠金[9]和赵济坤[10]分别针对汽车尾气和工业生产中的粉尘设计了浓度检测系统，实验误差均小于10%，进一步提高了检测精度。但是光散射法在电气学科中应用较少，这是因为在耦合场的作用下，微米级粉尘运动速度快，单个粉尘发出散射光的时间短，在设计探测系统时还需要考虑电气设备的物理结构对其布置方法的影响。因此，在考虑适用性的基础上，可以借鉴和改良安全、环境学科中粉尘浓度探测的光散射法，为电气设备中粉尘探测和规律研究提供新的思路。
对于微米级粉尘的时空运动特性，薛乃凡等[11]综述了研究中亟须攻克的技术问题和有待研究的方向。梁瑞雪等发现了微米级粉尘的吸附行为和“沙尘暴”现象，并提出了粉尘的吸附机制[12]。但是，在微米级粉尘的浓度探测方法和演化规律上的研究有待深入[13]。
综上所述，微米级粉尘的探测手段缺失，在耦合场中的浓度时空演化规律和击穿特性尚不清晰。因此，本文基于光散射原理搭建微米级粉尘弥散浓度探测系统，定量获得了粉尘浓度信息，进而总结了不同影响因素下粉尘浓度的演化规律。在此基础上，研究了粉尘粒径、材质和初始质量对击穿电压的影响，以及浓度与击穿电压的关系，以期为微米级粉尘危险程度评估和电气设备的绝缘设计提供依据。
光散射是指光束在传播过程中，通过不均匀介质时会出现偏离光束原传播方向的现象[14]。对于直径与入射光波长相近的粉尘，其产生的散射现象是Mie散射。G. Mie利用Maxwell方程求解了均匀介质中各向同性的均匀球形粉尘对单色平面波的散射，这种严格的光散射理论称为Mie散射理论[15-16]，是粉尘浓度计算的理论基础。
在PM2.5、矿场粉尘监测等实际工程现场中，散射法是粉尘浓度探测的重要方法。电气设备中产生的微米级粉尘形状各异，但是可以等效成球形从而利用Mie散射理论进行求解分析[17]。根据Mie散射理论，单个直径为d的粉尘散射光强为
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式中，λ为入射光波长；I0为入射光强；r为观测点至粉尘散射中心的距离；θ为散射角；α为粉尘的无因次因子，α=πd/λ；z为光束传播介质的相对折射率；i1、i2为散射光的强度函数，分别表示平行、垂直于散射面的分量，是关于θ、α和z的函数。
根据异轴光通量的计算方法，单个粉尘在散射角
范围内的散射光通量为
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式中，
为方位角，
和
分别为方位角最大值和最小值。
对于微米级粉尘，其粒径较小，当粉尘的三倍粒径小于其相互之间距离时，粉尘发生不相关的单散射[18]。此时，对于同一粒径的微米级粉尘群，总散射光通量是单个粉尘散射光通量的叠加，即
（3）
式中，N为探测区域内微米级粉尘的数量。
在体积为V的探测空间内，定义微米级粉尘的弥散浓度为
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式中，M为探测空间微米级粉尘的总质量。对于单个粒径为d的微米级粉尘，其质量m=πd3/6，此时粉尘的数量可以表示为
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代入式（3）并整理得
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当探测系统完成设计和搭建后，初始光强I0、入射光的波长λ、距离r、探测区域体积V和方位角不再改变。对于某一确定的粉尘群，其质量、粒径和粉尘数量也是定值。因此，式（6）可以表示为
（7）
式中，k为粉尘的弥散系数，即单位光通量下的粉尘弥散浓度。k越大，表示单位光通量下的粉尘弥散浓度值越大。
对于耦合场中运动的微米级粉尘，散射光通量与粉尘的空间弥散浓度呈现一定的数学关系。探测系统决定着散射光通量F与电压U之间的比例关系，因此可以通过探测系统的输出电压值唯一反映微米级粉尘的弥散浓度。
平板电极具有操作简单、便于探测系统布置、有利于开展大量实验等优点[19]，能够验证方法的可行性。现有的研究表明，微米级粉尘在不同气体类型和气压下的运动呈现相同的规律[20]，因此本文采用平板电极在空气中进行实验。
本文设计的平板电极微米级粉尘弥散浓度探测实验平台如图1所示。实验平台包括电路部分和光路部分。其中，电路部分由高压电源、平板电极、金属微米级粉尘和接地装置组成。平板电极由两块直径为15 cm的铝制圆形极板和有机玻璃支撑结构组成，板间距是可调结构，本文设置为3 cm。与上下极板连接的引线分别与高压电源和接地装置相连接，形成完整的电气回路。高压电源输出直流电，在信号发生器驱动高压放大器后，经保护电阻施加在平板电极上。
图1 平板电极微米级粉尘弥散浓度探测实验平台
Fig.1 Plate electrode micron dust dispersion concentration detection experimental platform
探测系统的光路部分由探测光路和散射光路组成。探测光路包括He-Ne激光器和扩束镜。激光器发出的激光直径为0.8 mm，经过8倍扩束镜后，形成一个直径为6.4 mm的圆形光斑。平板电极的极板直径为150 mm，因此探测光的光程为150 mm。形成的检测区域是底面半径为3.2 mm、高为150 mm的圆柱体范围，探测区域的中心位于平板电极上下极板圆心连线的垂直平分线上。搭建的系统本质上检测的是探测区域中粉尘的空间质量浓度。由于粉尘在电气设备中并不是均匀分散的，因此探测区域的扩大能够检测更多平板电极内的粉尘信息，从而获得更准确的弥散浓度信息和变化规律。散射光路由平凸透镜组、平衡探测器和锁相放大器组成。平凸透镜组由两块相同的平凸透镜组成，按照凸平-平凸的顺序放置，通过准直-聚焦的过程将更多的粉尘散射光聚焦到平衡探测器上，增加散射光信号的大小。这里平衡探测器仅使用单孔，以实现光电转换和放大信号。平衡探测器将信号传输到锁相放大器中，经过内置的数据处理后，得到表征粉尘弥散浓度的电压信号波形。
本文在选择探测系统的激光源时，仿真分析了散射光强的分布规律。红光作用下粉尘的散射光强分布较为集中，有利于采集散射光。因此选用输出激光波长为632.8 nm的He-Ne激光器（HNL100RB）作为入射光源。该波长的红光不易受自然光的干扰，消光系数大，输出的光束稳定且功率高，因此探测系统的抗干扰能力较强，同时使用可见光也降低了调试探测系统光路的难度。采用仿真方法研究粒径为10 000目（1.5 μm）、2 000目（7.5 μm）和1 000目（15 μm）粉尘的散射特性，粉尘的散射光强变化如图2所示。图2a中横坐标为散射角度，纵坐标为散射光强，由于球体的对称性，只分析0°～180°的规律。图2b是粉尘散射光强分布的伪彩色图，横坐标为粒径，纵坐标为散射角度，图中颜色表示该粒径和该散射角度下的散射光强大小。仿真结果表明，粉尘的散射光强在60°附近较大。此时，平凸透镜组和平衡探测器组成的散射光路能够避开平板电极上下极板的支撑结构，从而减小电气设备和其他器壁对粉尘散射光的干扰。在布置探测系统时，激光器、检测区域、平凸透镜组和平衡探测器中心位于同一垂直高度上。实验过程中同时布置高速相机，记录粉尘的弥散运动和放电过程等信息。
图2 不同粒径粉尘的散射光强分布
Fig.2 The scattered light intensity distribution of dust with different particle sizes
选用粒径分别为10 000目、2 000目和1 000目的球形度较好、粒径相近的粉尘作为实验对象，所有实验均在大气压下进行。
本文的实验包括探测系统输出与粉尘浓度的关系确定实验和弥散浓度演化实验。在关系确定实验中，将粉尘均匀分散在蒸馏水中，配制一系列已知浓度的溶液，将已知浓度作为探测系统输出的浓度真值。蒸馏水的透光率很高，选用的比色皿尺寸参数为：长15 cm、宽2 cm、高5 cm，在光程为15 cm的情况下开展实验，与平板电极的极板直径相等，模拟粉尘在带电实验时极板间的分布情况。比色皿的透光率大于95%，降低器壁对散射光的影响。实验在粉尘充分分散时进行，避免由于重力使粉尘沉降在比色皿底部带来的误差。实验时连接光路部分、断开电路部分，将已知浓度的粉尘溶液置于检测光敏区，此时探测系统输出与该浓度对应的电信号值。对不同浓度、不同粒径的粉尘溶液实验5次，取平均值作为该浓度对应的电信号大小。
弥散浓度演化实验中，弥散浓度受到施加电压大小、加压时间、粉尘粒径、粉尘初始质量等因素的影响，每组实验只改变一个变量，分析不同因素对浓度变化的影响。每次实验前，使用真空干燥箱将微米级粉尘充分干燥，避免水分对散射光造成影响。打开激光器15 min后再进行实验，保证实验时激光器发出稳定的光束。实验后用带有酒精的丝绸充分擦拭上下极板和平衡探测器的光孔，并待酒精完全挥发后再次进行实验，避免残余电荷和粉尘附着对下一组实验的影响。每次实验时粉尘的初始质量和初始放置位置保持一致。粉尘布置初始位置示意图如图3所示，将粉尘呈条形平整布置在光敏区下方的地电极直径上，减小粉尘布置不均匀对探测结果的影响。这样的布置方法能够使更多的粉尘进入检测光敏区，探测系统可感受到更多的粉尘散射光。
图3 粉尘布置初始位置示意图
Fig.3 Diagram of the initial position of dust arrangement
本文采用两种加压方式开展实验。在升压实验中，为准确地观察升压过程中粉尘浓度的变化情况，升压速度大约为0.5 kV/s，直至出现气隙击穿。在持续加压实验中，为完整地观察某电压作用下的浓度变化过程，采用快速加压的方式，升压速度约为 5 kV/s，升至指定电压后保持加压20 min。
通过实验和理论分析[21-22]发现，光散射法探测粉尘弥散浓度的误差来源包括：①环境噪声。在实验时，由于散射光较弱，易受到外界环境光和偶然杂散光源的干扰，探测系统所在平面的振动也会影响散射光测量结果。②系统仪器导致的误差。虽然设计探测系统时采用了稳定性较高的He-Ne激光器作为入射光源，但发出的激光仍存在波动。③粉尘在气隙中的分布造成的误差。当待测区域中的粉尘发生不相关的单散射时，可以应用光散射原理探测粉尘浓度。但在耦合场作用下，粉尘的荷电运动具有随机性，两颗粉尘可能出现间距过小的情况，不满足发生不相关单散射的条件，转为发生复散射，这会使测量结果偏离理论值，带来误差。④粉尘初始状态造成的误差。每次实验前，尽量保证粉尘的初始质量和布置位置一致，但由于称量、摆放等过程，导致每次实验的粉尘初始状态存在差异。因此，在研究单个参数对弥散特性的影响时，分别做5组重复实验，减小上述因素带来的误差。
根据本文第1节中的理论推导，对于确定的粉尘和探测系统，粉尘的弥散浓度和电压信号为线性关系。在此基础上，通过实验建立探测系统输出与粉尘浓度的关系，即需要确定粉尘的弥散系数k。通过改变粉尘的质量，配制一系列已知浓度的粉尘溶液，逐一放入探测系统的检测区域中，获得粉尘浓度与探测系统输出电压信号一一对应的数据点。2 000目粉尘的实验结果如图4所示。用最小二乘法拟合这些数据点，可得到探测系统的输出电压信号与粉尘浓度之间的关系曲线。
图4 探测系统的粉尘浓度-输出电压信号实验结果
Fig.4 Dust concentration value of the detection system-output electrical signal experimental results
分别对10 000目、2 000目和1 000目的铝粉开展标定实验，拟合后结果如图5所示。得到的标定曲线决定系数R2分别为0.994、0.970和0.987，拟合效果较好，且对应不同粒径粉尘的曲线斜率存在差异，因此探测系统可以用于检测不同粒径的粉尘。10 000目、2 000目和1 000目对应的浓度检测曲线函数分别为
（8）
（9）
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图5 不同粒径粉尘的浓度曲线拟合结果
Fig.5 The concentration curve fitting results of different particle size dust
为进一步检验探测系统的精度，配置与标定实验点不同浓度的粉尘溶液，将探测系统输出的电压信号代入浓度-输出电压信号标定曲线表达式，比较输出值与浓度真值，计算两者的差值。经过多次实验比对，探测系统输出值与浓度真值之间的差值均小于10%，因此，搭建的探测系统能够定量检测粉尘浓度。检测结果出现偏差可能由多种因素导致，包括检测系统器件（如He-Ne激光器的输出功率波动）带来的误差、粉尘间距较小时发生复散射、真值曲线拟合过程中引入的误差、光学器件对散射光的削弱等。
基于光散射原理搭建粉尘的弥散浓度探测平台，当入射光波长选为632.8 nm时，可以实现微米级粒径粉尘的检测，获得不同粒径、不同材质粉尘的光散射特性。因此通过上述探测系统输出与粉尘浓度的关系确定方法，可以确定不同粉尘在交流或直流电压作用下的弥散系数k，从而实现对不同粒径粉尘弥散浓度的定量检测。
当施加电压超过启举电压后，粉尘受到多物理场的作用在空间中运动，并吸附在高压电极等位置。为便于描述，称粉尘在空间中的运动为微米级粉尘的弥散，粉尘的弥散浓度可以描述粉尘在平板电极间弥散运动的特征。
微米级粉尘尺度小，相比毫米级粉尘，当粉尘在平板电极间运动时，直接使用高速相机拍照等方法难以获得粉尘图像。因此，利用设计的探测平台，激光器发出的高功率光束通过扩束镜后形成圆柱体检测区域，当粉尘运动到检测区域中时，会出现散射光，此时使用高速相机拍摄平板电极中粉尘的图片，同时散射光转换的电信号波形也呈现在示波器中。
在没有粉尘时，系统输出仅有底噪信号。当平衡探测器感受到由于粉尘产生的散射光时，会输出幅值较高的信号，幅值反映此时的散射光强大小，即包含着粉尘弥散浓度的信息。
微米级粉尘的弥散浓度时空演化受到多种因素的影响，其中加压方式、加压时间、粉尘的粒径和初始质量是关键因素。将2 000目的铝粉放置在平板电极中，开展升压实验和持续加压实验，并在升压实验中改变粉尘的粒径和初始质量，配合锁相放大器输出的波形与相机拍摄的图像，观察微米级粉尘在均匀场中的弥散浓度时空变化过程和特性。
3.1.1 升压和持续加压对弥散浓度演化的影响
手动调节高速相机与检测光敏区的距离，使检测区在相机的视场中。升压实验中，粉尘浓度在升压瞬间产生较为明显的变化，并且随着施加正极性电压的增大，图像中检测区域亮度呈现先变亮后变暗的过程，表征微米级粉尘弥散浓度的变化，如图6所示。在持续加压实验中，对平板电极施加20 kV电压20 min，粉尘的变化过程如图7所示。比较 20 min内不同时刻的图像差异，发现弥散浓度呈现“快速升高—缓慢下降—稳定”的变化规律。在电压达到20 kV初期，粉尘快速完成弥散运动和吸附过程，弥散浓度达到峰值。金属粉尘吸附在上极板后，部分粉尘经过极板传导充电，荷电粉尘的极性改变，在重力、电场力等作用下，逐渐沉降在下极板上。最后随着加压时间的增加，只有少量粉尘在高压电极和地电极间循环充电、运动，在空间中重复弥散运动，稳定后浓度略高于升压前的数值。
图6 升压实验中粉尘浓度变化过程
Fig.6 Variation process of dust concentration in boost experiment
图7 持续加压实验中粉尘浓度变化过程
Fig.7 Variation process of dust concentration in continuous pressure experiment
实验结果表明，微米级粉尘在平板电极中的运动主要分为三种：①一部分粉尘在达到启举电压后向高压电极运动，在静电或微观力作用下吸附在高压电极上；②另一部分粉尘由于带有同种电荷，会在地电极中均匀分散，形成粉尘层；③最后一部分粉尘在平板电极间做往复的弥散运动[23]，粉尘浓度随着施加电压的增大呈现“稳定—上升—下降”的规律，随加压时间的延长弥散运动粉尘数量逐渐降低。当加压时间超过15 min后，只有少量粉尘弥散运动，粉尘在上下极板的吸附和扩散基本结束，粉尘的分布达到稳定状态。
3.1.2 粉尘粒径对弥散浓度峰值的影响
分别使用10 000目、2 000目和1 000目的铝粉开展升压实验，将弥散浓度随电压的定量变化关系绘制在图8中。不同粒径粉尘的弥散浓度随电压升高的变化规律相似，均经历稳定、上升和下降三个阶段，出现弥散浓度峰值。弥散浓度峰值的大小和其出现的电压与粉尘的粒径有关，10 000目粉尘出现弥散浓度峰值时的电压为16 kV，2 000目和1 000目分别为22 kV和30 kV。粉尘粒径越小，出现弥散浓度峰值的电压越小，且对应的浓度峰值越大。
图8 粒径对粉尘弥散浓度的影响
Fig.8 Effect of particle size on dust dispersion concentration
由于粉尘初始位置不同，粉尘堆顶部受电场畸变产生的电场力更大，更容易启举，因此在较低电压时，弥散浓度出现略微增大的现象。随着电压持续升高，粉尘堆中大量粉尘达到启举条件，弥散浓度逐渐增加到最大值。此时再升高电压，只有少量粉尘在空间中往复运动，粉尘的弥散浓度出现下降的趋势。因此，粉尘的弥散浓度在演化过程中出现了峰值。当平板电极气隙发生击穿时，由于放电产生的能量，粉尘会再次向平板电极空间中运动，此时出现粉尘浓度略微增大的现象。
粉尘在平板电极形成的均匀场中运动时，受到重力、电场力等作用。同种粉尘的粒径越大，质量越大。当外施电压为正极性直流电时，地电极上的粉尘在电场作用下带负极性电荷。当受到的电场力大于重力后，粉尘向高压电极运动。在浓度下降阶段，一部分带负极性电荷的粉尘运动到高压电极后，由于传导带电，粉尘带正电荷，此时电场力方向改变，与重力共同作用下使粉尘向地电极运动。将粉尘等效为球形，1 000目、2 000目、10 000目粉尘受到电场力和重力的数量级[24]见表1。
表1 粉尘所受电场力和重力及其数量级
Tab.1 Electric field force and gravity of dust and their orders of magnitude
受力类型数量级/N 1 000目2 000目10 000目 重力10-1210-1310-15 电场力10-810-910-10
对于10 000～1 000目的粉尘，受到的电场力数量级为10-10～10-8 N，受到的重力数量级为10-15～10-12 N，重力与电场力相比，所占权重较小。随着粒径的增大，虽然重力在浓度下降过程中所占权重增大，但电场力仍是影响粉尘运动的主要因素。
3.1.3 粉尘初始质量对弥散浓度演化的影响
不同初始质量的2 000目粉尘在正极性电压下的弥散浓度变化如图9所示。可见，初始质量不同，不改变粉尘浓度变化的基本趋势，但会影响粉尘浓度的峰值和气隙击穿电压大小。初始质量越大，初始粉尘的数量越多，在达到启举条件后，同时在空间中弥散的粉尘数量越多，因此探测系统接收到的散射光强越大，表征的弥散浓度峰值也越大，对应的气隙击穿电压越小，平板电极更容易发生击穿，反映的危险程度越强。
图9 初始质量对粉尘弥散浓度的影响
Fig.9 Effect of initial mass on dust dispersion concentration
本文设计和搭建的微米级粉尘探测实验平台结合高速相机和示波器信息，能够检测是否有粉尘存在，并在实验研究的基础上分析了金属微米级粉尘的弥散浓度变化过程和弥散特性，定量表征了微米级粉尘弥散浓度的时空演化规律。
应用光散射法检测粉尘的弥散浓度原理简单，测量准确度较高，已经在环境PM2.5的检测、矿场颗粒物监测等领域广泛应用，在检测气体绝缘设备中的粉尘浓度上具有应用潜力。本文针对实验室条件下的平板电极设计了检测光路和检测平台的布置方法，实现了粉尘浓度的在线定量检测。对于气体绝缘设备，在设计光路时需要考虑其复杂的物理结构，保证光路的完整，减少其他器壁对散射光的干扰。因此，探测光路和散射光路需要在开设观察窗的条件下搭建，并进一步研究光在穿过空气、观察窗玻璃等介质时的散射光变化。
粉尘在平板电极间弥散运动时，存在“团聚启举”的特殊现象，如图10所示。地电极粉尘堆中的部分粉尘团聚在一起向高压电极运动，发生团聚启举现象，粉尘团进入检测区后被激光照射发出散射光，如图10a所示。团聚启举的粉尘最终吸附在高压电极上，如图10b所示。平板电极气隙发生击穿时伴随着在两极板间弥散运动的粉尘，放电路径中以及靠近放电路径的位置也存在粉尘。在高压电极上吸附的粉尘团和地电极粉尘堆之间形成放电路径，此时放电路径中和平板电极间仍存在运动的粉尘，如图10c所示。最后，放电使平板电极内粉尘荷电量增大、运动剧烈程度增强，进一步致使空间电场畸变，引发更大范围的放电现象，使荷电粉尘向不同方向飞溅，如图10d所示。
图10 微米级粉尘团聚启举现象引发的气隙击穿
Fig.10 Air gap breakdown caused by micron level dust agglomeration lifting
出现团聚启举现象时，粉尘等效粒径增大、相互间距离减小，导致粉尘浓度探测值出现偏差。粉尘团吸附在高压电极上引发电场畸变，减小了气隙击穿的距离，降低了平板电极气隙的绝缘水平[25-26]。粉尘团聚启举可能是由于微观作用力的存在，但是其出现的具体原因和粉尘团受力情况尚不清晰，该现象发生的临界条件和内在机理仍需深入研究。
从本文的分析可知，应用光散射法原理搭建的浓度探测平台，能够实现粉尘弥散浓度的在线定量检测，可进一步为GIS/GIL运行过程中微米级粉尘的监测提供思路。通过探测平台判断是否有粉尘存在、检测粉尘浓度变化并发现特殊现象，也为微米级粉尘的危险程度评估提供了基础。
1）本文在光散射原理的基础上，搭建了适用于平板电极中金属微米级粉尘的弥散浓度探测系统，提供了弥散系数的确定方法。结合仿真分析粉尘散射特性，探测系统选用输出激光波长为632.8 nm的He-Ne激光器，最优散射光接收角为60°。实验证明，探测系统检测误差小于10%。
2）粉尘粒径和初始质量是影响粉尘弥散浓度变化的重要因素。在升压过程中，粉尘弥散浓度呈现“稳定—上升—下降”的变化规律。弥散浓度存在峰值现象，当粒径减小时，出现峰值所需要的电压更小，浓度峰值越大。随着初始粉尘质量的增加，弥散浓度也呈现峰值对应电压减小、浓度值增大的规律。对于微米级粉尘，粒径越小或初始质量越大，弥散浓度幅值越大，对应的危险程度也越大。
3）粉尘在运动过程中存在“团聚启举”的特殊现象。粉尘团聚启举可能是由于微观作用力的存在。出现团聚启举时，粉尘团最终吸附在高压电极上引发电场畸变，减小了气隙击穿的距离，降低了平板电极气隙的绝缘水平。
4）本文通过实验研究，研制了微米级粉尘浓度探测系统，实现了粉尘的定量检测，验证了方法的可行性，初步厘清了升压过程、加压时间、粉尘粒径、初始质量对弥散浓度演化的影响规律，分析了粉尘弥散浓度的时空演化特性，发现了粉尘团聚启举的特殊现象。为GIL/GIS等电气设备中微米级金属污染物的监测提供了技术思路，也为进一步探究微米级粉尘的运动特性和危险程度评估提供了基础。
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Abstract In the process of GIS/GIL production, operation and maintenance, multi-scale dust is inevitably generated due to mechanical vibration, switch contact friction and man-made pollution. And micron level dust is an important part of pollutants, which may be the root cause of unknown discharge in the engineering site. For metal particles with millimeter and sub-millimeter particle sizes, the degree of harm is large and the fault characteristics are obvious. Faults caused can be identified and warned by existing detection methods such as camera photography and ultra-high frequency method. However, for micron level dust, the particle size is small and the fault characteristics are weak. The above detection method is difficult to collect the characteristic information of micron level dust. However, dust with the high physical and chemical activity gradually accumulates under the long-term operation of the equipment, which may induce serious discharge failure of the insulator and endanger the safe operation of the equipment. Therefore, it is necessary to study the detection method of micron level dust and the temporal-spatial evolution law of concentration.
Firstly, the light scattering characteristics of 10 000, 2 000 and 1 000 mesh dust were analyzed, and the scattered light intensity distribution of dust was obtained. On this basis, a dust concentration detection platform based on plate electrode is designed and built by using the principle of light scattering. Therefore the quantitative detection of dust dispersion concentration is realized. Secondly, this paper carried out an experimental study on the temporal and spatial evolution of dust concentration, and analyzed the variation characteristics of concentration under different pressurization methods, pressurization time, dust particle size and initial dust mass. Finally, during the experiment, it was found that there was a special phenomenon of ‘agglomeration lifting’ when the dust dispersed between the plate electrodes. The feasibility of the light scattering method to detect the concentration was verified by the system based on the plate electrode, which provides a technical idea for the future application in GIS/GIL.
The experimental and simulation results show that when the scattering angle is 60 degrees, the scattering light intensity is large, and the interference of other walls on the scattering light can be avoided. And the sensitivity of dust concentration detection system is high based on this design. Through experiments, the relationship between the optical input signal and the electrical output signal of the detection system is established, and the dust concentration can be quantitatively characterized. When exploring the temporal-spatial evolution characteristics of concentration, it is found that dust particle size and initial mass are important factors affecting the change of dispersion concentration. In the process of pressure rise, the concentration evolution includes three stages: slightly rise stage, rise stage and fall stage. There is a peak phenomenon in the dispersion concentration. When the particle size decreases, the voltage required for the peak is smaller, and the concentration peak is larger. With the increase of initial dust mass, the dispersion concentration also shows the law that the voltage corresponding to the peak value decreases and the concentration value increases. For micron level dust, the smaller the particle size or the greater the initial mass, the greater the dispersion concentration amplitude. During the experiment, there is a special phenomenon of ‘agglomeration lifting’ in the process of dust movement. Dust agglomeration lifting may be due to the existence of microscopic forces. When agglomeration lifting occurs, the dust agglomerates are finally adsorbed on the high-voltage electrode, causing electric field distortion, reducing the distance of air gap breakdown and reducing the insulation level of the air gap of the flat electrode.
keywords：Micron level dust, light scattering method, concentration detection, dispersion characteristics, spatio-temporal evolution
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230667
中图分类号：TM852
国家重点研发计划（2021YFB2601404）和国家自然科学基金（52127812, 51929701）资助项目。
收稿日期 2023-05-15
改稿日期 2023-07-16
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：18612332728@163.com
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、先进输电技术等。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）