、波长为λ、沿z轴正方向传播的平行单色光，相对折射率为
、粒径为d的粉尘位于坐标系原点O处，激光照射下的粉尘向任意方向发出散射光。r为散射光接收点P与原点的距离；θ为散射角，是入射光传播方向与散射光传播方向之间的夹角，散射平面为散射光方向与入射光方向所在平面；方位角φ为入射光振动面与散射面的夹角。当入射光的波长与粉尘粒径近似时，在散射角θ处的光强值
为[19]摘要 在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）的制造、运输、服役过程中，会不可避免地产生并积聚微米级及更小尺寸的金属粉尘，这种微小尺度的粉尘难以检测且其弥散运动特性呈现随机特征，是诱发气隙击穿的主要原因之一。该文在分析粉尘光散射特性的基础上，设计了微纳粉尘弥散浓度的光探测系统，获得了不同粒径粉尘弥散浓度与仪器输出电压之间的定量关系与特征函数。实验研究表明，粉尘的弥散浓度随电压升高呈现先上升后下降的变化趋势，存在极值效应；当光探测区内粉尘浓度达到峰值浓度的80%左右时，发生气隙击穿的概率显著提高。进一步研究了影响粉尘弥散运动的关键因素，获得了粉尘粒径、初始质量、材质等初始条件与粉尘弥散运动特性的关联规律，粒径越小、初始质量越大，粉尘弥散运动越剧烈、击穿电压越低，击穿电压较无粉尘时下降可达36.7%，且不同材质、不同初始位置的粉尘表现出不同的弥散运动特性。该文可为实现GIS/GIL内微纳粉尘弥散浓度的有效探测与危险程度评估提供方法基础和科学依据。
关键词：GIS/GIL 微纳粉尘 光散射法 弥散浓度 气隙击穿
近年来，中国超/特高压输电技术发展迅猛，是新型电力系统的关键组成部分。当输电线路穿越某些特定区域时，需要引入特殊的输电媒介[1-2]。在藏西南地区，由于其地形多样、气候多变且远离主要能源中心，采用直流气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated metal-enclosed transmission Line, GIL）可以实现远距离稳定传输电能[3-5]。在海上风电系统中，利用直流气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）可更好地实现电力的高效输送和分配[6]。GIS/GIL以其走廊选择灵活、运行损耗低、传输容量大等优势著称，弥补了超/特高压输电中架空线路和电缆的不足，被认为是构建新型电力系统的重要载体，是解决大规模、长距离输电需求的理想方案[7]。
尽管GIS/GIL已在电力系统中获得了广泛应用，但是其存在的绝缘故障仍是造成供电可靠性变低的主要原因。在GIS/GIL的制造、运输、服役过程中，由于触头碰撞、机械振动等原因，会不可避免地产生并积聚金属异物，由金属微粒和粉尘污染引发的绝缘故障是导致其绝缘失效的最主要因素。大尺寸微粒容易引发设备故障，基于现有特高频、超声传感等监测手段可以较好地检出GIS/GIL内的毫米级以上颗粒[8-9]，但工程现场仍存在大量不明原因的GIS/GIL绝缘放电故障，且对实际服役的腔体解体检查后发现，存在大量微米级甚至以下级别的粉尘，绝缘件放电烧蚀处存在金属异物附着[10]。经分析，随机性高、隐蔽性强、且必然存在的微纳粉尘极有可能是潜在的故障因素。
由于微纳粉尘粒径小，微纳尺度的粉尘还会受到范德华力、电场梯度力等微/介观力的作用，导致微纳粉尘弥散运动行为更加复杂，利用现有的监测手段难以探测，同时微纳粉尘弥散运动又与GIS/GIL内包括开关操作振动、残余电荷等复杂工况因素密切相关。微纳粉尘物化活性高，积累到一定空间浓度时可能会引发严重的绝缘故障，因此，有必要对直流GIS/GIL内微纳粉尘的空间弥散特性进行研究，同时研究对空间弥散浓度的高精密度可视化探测方法。
光散射法是通过接收粉尘散射出的光强，建立散射光与粉尘质量浓度之间的定量关系，是一项在粉尘浓度在线监测领域具有重要意义的探测方法，在环境、安全等多个学科领域取得了广泛应用[11-12]。张荣瑞等通过光散射仿真分析得出了不同探测角的优缺点，并基于此搭建了微粒质量浓度测量范围为0～200 mg/m3的多角度光散射平台，获得了1、2.5、4、10 μm四种单分散微粒的电压值[13]。韩金克等搭建了时间分辨率为1 s的颗粒物浓度测量平台，并进一步建立了耦合光散射法和β射线法的颗粒物质量浓度测量模型，将平均测量误差降低到10%以下，但未分析颗粒物自身特性对颗粒物浓度产生的影响[14]。宋琳通过实验研究了金属铝粉尘浓度与光散射之间的关系，建立了不同粒径的粉尘浓度与散射光强度之间的数学关系表达式，但研究的铝粉粒径尺度为微米级，没有对粒径尺度更小的如纳米级粉尘展开研究[15]。李庆民等梳理得出了交直流GIS/GIL内微米-纳米级金属粉尘浓度探测技术的研究现状及技术难题，为后续开展可视化探测方法研究提供了方向[16]。梁瑞雪对微米级金属粉尘的吸附特性进行了实验研究与总结，发现金属粉尘在绝缘子附近存在积聚式、扩散式等三种运行形式，为后续微米级粉尘弥散运动特性研究奠定了基础[17]。薛乃凡等研究了平板电极下微米级金属粉尘弥散浓度的时空演化特性，但对于粉尘弥散运动时空分布规律及危险程度尚未有明确的解释[18]。
综上所述，利用光散射法探测粉尘浓度变化规律在电气学科中应用较少，且对于微纳粉尘在电场中的弥散运动规律难以表征，亟须探索基于光学散射方法的弥散特性研究。因此，本文基于光散射原理搭建了适用于GIS/GIL的微纳粉尘弥散浓度探测系统，定量得到了微纳粉尘的弥散浓度-电压值关系函数，并在此基础上研究了加压方式、加压持续时间、粒径、微粒初始质量和材质等关键因素对粉尘弥散浓度以及击穿电压的影响，为后续开展微纳粉尘危险程度评估以及电气设备绝缘提升提供了理论依据。
当激光照射金属微纳粉尘时，一部分光被粉尘散射，一部分被介质吸收，而余下的光则会按照原来的方向继续传播，且散射出的光强值、介质吸收量以及不同角度的散射强度取决于粉尘自身的性质、形状、粒径等。在实际情况中GIS/GIL产生的粉尘形状各异，但从服役腔体解体后拍摄的粉尘的电镜图可知，大部分粉尘呈球体独立分布，即可以近似等效为各向同性的均匀球形粉尘，运用Mie散射公式进行计算。
粉尘的光散射原理示意图如图1所示。激光器发出光强为、波长为λ、沿z轴正方向传播的平行单色光，相对折射率为、粒径为d的粉尘位于坐标系原点O处，激光照射下的粉尘向任意方向发出散射光。r为散射光接收点P与原点的距离；θ为散射角，是入射光传播方向与散射光传播方向之间的夹角，散射平面为散射光方向与入射光方向所在平面；方位角φ为入射光振动面与散射面的夹角。当入射光的波长与粉尘粒径近似时，在散射角θ处的光强值为[19]
（1）
其中
式中，α为无因次参量，表征粉尘的大小；
、
为散射光的强度函数，分别表示平行、垂直于散射面的分量，与散射角θ、粉尘的无因次参量α以及粉尘与光束传播介质的相对折射率有关。
图1 粉尘的光散射原理示意图
Fig.1 Schematic diagram of dust light scattering
当光接收器与入射光位于不同轴线上时，单个粉尘在散射角
范围内散射出的光通量为[20]
（2）
式中，
和
分别为散射角范围内方位角的最小值和最大值。
当被测区域内粉尘之间的间距都为粉尘半径的3倍及以上时，可认为此时粉尘为独立散射，与其他粉尘互不影响，因此光接收器接收到的光通量值为各粉尘光通量的叠加。当光探测区内粉尘个数为N时，得到的散射光通量总和为
（3）
由于对系统进行标定时粉尘数密度不易直接得到，故将其换算为可以通过物理称重法得到的质量浓度。在体积为V的光探测区域内，总质量为M的粉尘的质量浓度为
；对于粒径为d、密度为
的粉尘来说，单颗粉尘质量为
，可得到粉尘的数密度
和质量浓度W关系为
（4）
进而得到质量浓度为W的粉尘理论上可以接收到的散射光通量值为
（5）
当探测系统参数确定后，入射光光强
、入射光波长λ、散射角θ、粉尘的无因次参量α、方位角φ和粉尘与光束传播介质的相对折射率
均为定值，故公式可简写为
（6）
式中，k为粉尘散射系数。由式（6）可知，对于耦合场中的微纳粉尘，其质量浓度与散射光通量值存在线性关系；利用信号接收器接收散射光信号，光信号值与输出的电压值为一一对应关系，故系统中读取到的电压值可以唯一地反映此时GIS/GIL内微纳粉尘的弥散浓度，后续将根据式（6）对探测系统进行标定。
为厘清GIS/GIL中微纳粉尘弥散浓度分布特性，设计基于同轴圆柱电极的GIS/GIL微纳粉尘弥散浓度探测系统如图2所示。探测系统包括电路部分和光路部分。电路部分由同轴圆柱电极实验平台和高压电源组成。同轴圆柱电极实验平台由高压导体、地电极、绝缘子及透明亚克力支撑结构构成。高压导体为直径为40 mm的铝制圆柱体；地电极为内径为120 mm、外径为140 mm的铝制壳体，其轴线与高压电极轴线重合；绝缘子分为凸式、凹式，均由环氧树脂制成，内直径为40 mm，外直径为120 mm，厚度为40 mm。同轴圆柱电极的高压电极经导线与高压电源连接、地电极与地线连接，形成完整的电气回路。
图2 基于GIS/GIL的微纳粉尘弥散浓度探测系统
Fig.2 GIS/GIL based micro-nano dust dispersion concentration detection system
本文基于GIS/GIL结构设计了如图3所示的半封闭式同轴圆柱电极实验平台，利用COMSOL仿真验证其与真型GIS/GIL平台的等价性。当外施电压等级为+30 kV时，全封闭式和半封闭式两种模型的电场分布情况如图4所示。由于开展实验时粉尘放置在高压电极下方45°范围的地电极上，由图4a可知真型平台最大电场强度为3.74 kV/mm，图4b中半封闭式平台最大电场强度为3.75 kV/mm，电场分布大致相同，进而证明了本文设计的半封闭式同轴圆柱电极的可行性。
图3 带有凸式绝缘子的同轴圆柱模型
Fig.3 Coaxial cylindrical model with convex insulator
图4 同轴圆柱电极电场分布
Fig.4 Coaxial cylindrical electrode electric field distribution
探测系统的光路部分由激光照射部分和光信号接收部分组成。激光照射部分包括氦氖激光器和扩束镜。氦氖激光器发出直径为0.8 mm的圆柱形红光束；光束经过8倍扩束镜放大后，形成一个直径为6.4 mm的圆柱形红光束。探测光路中的光敏区为高压电极与地电极之间、靠近盆式绝缘子倾斜面中心的位置，如图5所示，旨在探测微纳粉尘起举、吸附至盆式绝缘子上的空间弥散浓度变化过程。
图5 粉尘浓度探测光敏区的斜二测视图
Fig.5 Demonstration of oblique dichroic view of dust concentration detection photosensitive area
已有研究表明[21]，散射光通量的大小与粉尘的粒径、相对折射率、散射角密切相关。当散射角较小时，前向散射光会对平衡探测器产生影响，且角度越小产生的影响越大。由于微纳粉尘存在球体对称性，且考虑接收散射光时避开同轴圆柱电极的透明亚克力支撑结构，本探测系统将平衡探测器布置在与激光成90°夹角、与同轴圆柱腔体在同一水平线上的位置。
散射光接收部分由平凸透镜组、信号接收器以及计算机数据处理模块组成。平凸透镜组由两块相同的平凸透镜按照凸平-平凸的方式放置，将微纳粉尘散射出来的光聚焦，然后由信号接收器接收，将信号接收器放置在与同轴圆柱电极探测区域成90°夹角的位置。激光器选用型号为HNL100RB、输出波长为632.8 nm的氦氖激光器，其光束单色性、准直性好，可以发出高稳定性的红色激光，且可以通过扩束镜将光束扩大以减弱其光束直径较小的缺点。微纳粉尘在红光照射下散射出的光信号分布较为集中，对单一光源吸收少，便于信号接收器对光信号的收集。同时红光属于可见光区域，便于对光路进行调整。信号接收器与高压电极间距2 cm，以减少散射光信号的损失。在实验过程中，确保氦氖激光器、光敏区、平凸透镜组和信号接收器位于同一垂直高度，接收光散射信号输入计算机数据处理模块，输出不同时刻的电压信号分布。
实验选取粒径分别为1.5 μm、7.5 μm、15 μm、500 nm和50 nm的铝粉为实验对象，绝缘子顶点放置在距离亚克力板5 cm的位置，粉尘初始位置为与绝缘子凸侧/凹侧顶点对齐的地极板处，并将该位置规定为零位置。
本文实验包括两部分：①微纳粉尘弥散浓度与输出信号关系确定实验；②加压条件下微纳粉尘的弥散演化过程探测实验。在弥散浓度与输出信号关系确定实验中，由于微纳粉尘难以形成均匀分布的气溶胶，故采用液溶胶的方法，通过物理称重法配置一系列已知浓度的微纳粉尘溶液。选用8 cm长、2 cm宽、5 cm高的比色皿开展实验，模拟同轴圆柱电极在加压条件下微纳粉尘弥散分布的情况。实验前使粉尘均匀分布，减少重力作用下粉尘沉积对实验结果的影响，极大程度地满足粉尘之间的不相关散射关系。比色皿具有良好的透光性，对微纳粉尘的散射光不会造成太大影响且对激光光强影响较小；同时为了减少介质自身对关系确定实验造成的误差，选用透光率高的纯净水。
实验在微纳粉尘溶液均匀分布的情况下进行，连接光路和电路部分，通过探测平台进行测量，获得已知微纳粉尘弥散浓度下对应的输出电压值。每种情况下进行设置完全相同的5组实验，取平均值作为该情况下对应的输出电压值，数据处理后得到不同粒径微纳粉尘的弥散浓度-电压值关系曲线。
在微纳粉尘的弥散演化过程探测实验中，每组实验仅改变一组变量，分析微纳粉尘粒径、初始质量等因素对粉尘弥散浓度的影响。每次实验保证在室温为25℃、相对湿度为20%～30%的环境下开展。实验前将铝粉静置在干燥箱中，同时每次实验前都用酒精擦拭同轴圆柱电极以消除前一次实验遗留的粉尘和残余电荷影响，待表面恢复干燥后开展新实验。打开氦氖激光器，待输出激光稳定后再开展实验。粉尘的初始放置位置示意图如图6所示。粉尘初始放置于光敏区下方地电极上，距离地电极边缘5 cm，呈切向条形放置，且绝缘子凸面顶侧与粉尘位置放置于水平同一刻度，以便于粉尘更好地受力起举、进行弥散运动。此放置位置可以使更多的粉尘进入光敏区，利于信号接收器接收粉尘散射光。将粉尘呈条状均匀地铺设在光敏区下方地电极上，是为了尽可能地保证粉尘的起举过程都位于光敏区内，使探测区域接收到更多的粉尘散射光。每次实验保证粉尘放置的初始位置一致，以降低不同初始位置对实验结果产生的影响。重复实验取平均值，以减少由于背景光、系统本身带来的误差对实验结果产生的影响。
图6 粉尘初始放置位置示意图
Fig.6 Schematic diagram of zero position for dust placement
实验分别在持续升压法和恒压法两种加压方式下开展。持续升压法是指以2 kV/s的速率持续升压，观察不同电压等级下粉尘弥散浓度的变化情况；恒压法是指以5 kV/s的速率快速升压至某一指定电压值，然后在该电压值下持续加压20 min。
对探测系统中微纳粉尘弥散浓度与电压信号之间的关系进行确定，根据式（6）可知，对于确定的探测平台和微纳粉尘，粉尘的弥散浓度和电压信号呈线性关系。通过微纳粉尘弥散浓度与输出信号之间关系确定实验确定粉尘散射系数k。分别配置粒径为50 nm、500 nm、1.5 μm、7.5 μm、15 μm给定浓度的微纳粉尘溶液，通过探测系统得到输出电压值，进而利用最小二乘法计算得到粉尘弥散浓度-电压值关系曲线，拟合之后得到不同粒径粉尘的标定曲线如图7所示。50 nm、500 nm、1.5 μm、7.5 μm、15 μm粒径对应的弥散浓度-电压值关系函数分别为
（7）
（8）
（9）
（10）
（11）
图7 不同粒径粉尘的标定曲线
Fig.7 Calibration curves for dust of different particle sizes
对粉尘散射系数k的准确性进行验证，配置不同于标定实验时的粉尘溶液浓度，探测此时系统输出的电信号数值，得到50 nm铝粉验证结果如图8所示。与拟合公式得到的电信号数值相比，发现误差在5%以内，因此所搭建的系统可以定量探测同轴圆柱电极中不同电压等级下粉尘的弥散浓度。
图8 50 nm铝粉验证结果
Fig.8 50 nm aluminum dust validation results
金属微纳粉尘受力起举在腔体中做弥散运动，且极易吸附在绝缘子或高压电极表面，本节对加压方式、微粒粒径及材质等初始条件对微纳粉尘弥散演化情况的影响进行分析。
微纳粉尘的空间弥散演化特性与加压方式、加压持续时间、粒径、微粒初始质量及材质等关键因素密切相关。当同轴圆柱电极中无粉尘存在时，输出的电信号值为背景光噪声信号。将粉尘在零位置切向条形放置，开展持续升压实验和恒压实验，改变粉尘粒径、初始放置质量、初始放置位置、材质以及电场极性，通过计算机数据处理模块读出电压值-时间关系曲线，得到不同因素影响下粉尘的空间弥散演化特性。
需要注意的是，本文开展的研究实验是同时进行的，涵盖了粉尘的起举、弥散运动，以及最终的气隙击穿过程。本节主要对粉尘弥散运动阶段的数据进行定量分析；第4节则着重探究了粉尘弥散浓度与气隙击穿电压之间的关系。
将15 μm铝粉切向条形均匀放置在无绝缘子同轴圆柱实验平台的地电极上，分别进行持续升压实验和恒压实验，初始质量为500 mg时的输出电信号如图9、图10所示。对实验结果分析可得，持续升压下，当电压超过粉尘起举电压值时，粉尘起举；随着电压增大，粉尘浓度整体呈现稳定-上升-下降-稳定的趋势。当处于恒定电压（-30 kV）时，粉尘在电场力作用下大量起举，部分粉尘吸附在高压电极上，还有部分粉尘短暂悬浮在高压电极与地电极的气隙之间，一段时间后粉尘弥散运动趋于稳定状态。
图9 持续升压实验中的输出电信号
Fig.9 Output electrical signal during continuous rising voltage experiment
图10 恒定电压（-30 kV）下的输出电信号
Fig.10 Output electrical signal at constant voltage (-30 kV)
在持续升压实验中，经过折算后的-30 kV电压等级下粉尘弥散浓度值为26.31 mg/m3，粉尘弥散浓度在-32 kV时达到最大。而在恒压实验中，粉尘弥散浓度在加压至-30 kV的瞬间为33.45 mg/m3，快速升压破坏了系统中的稳定状态，更多粉尘受力起举、进行弥散运动，弥散浓度比相同电压等级的持续升压下更高。粉尘在同轴圆柱电极的弥散运动规律如图11所示，大致分为三个过程：首先粉尘受力起举，向高压电极方向运动；然后，粉尘与高压电极接触后，电荷量重新分配，粉尘荷电量改变，在重力、电场力等多物理场力的作用下，部分粉尘在高压电极与地电极之间进行弥散往复运动、部分粉尘吸附在高压电极；10 min后，粉尘弥散运动趋于稳定，系统中的粉尘浓度相较升压前略高。
图11 粉尘弥散运动过程
Fig.11 Dust dispersion motion process
分析实验结果可知，持续升压实验中粉尘弥散浓度存在明显的极值效应。弥散浓度达到峰值时同轴圆柱电极气隙并未发生击穿，而当光探测区内粉尘弥散浓度下降至峰值浓度的80%左右时，同轴圆柱电极气隙发生击穿的概率显著提高。这是因为随着电压等级的升高，粉尘弥散运动加剧，浓度呈现持续增加的趋势；高压电极与地电极之间的粉尘均匀分布在气隙中，诱发气隙击穿。但同时部分粉尘随着电场的作用，会从光探测区域内向外部做弥散运动，当向外部做弥散运动的粉尘的数量高于从外部进入光敏区的粉尘数量时，光敏区内的粉尘浓度下降，从而未在探测区域检测到的浓度峰值点发生击穿。
开展粒径分别为15 μm、7.5 μm、1.5 μm、500 nm、50 nm铝粉的持续升压实验，可得初始质量为400 mg时，粉尘弥散浓度与电压之间的关系曲线如图12所示。不同粒径的粉尘随电压等级的变化规律近乎相同，均呈现先上升后下降的趋势，在到达击穿电压值之前会出现峰值。由实验结果可以推断，粉尘弥散浓度峰值大小及出现峰值的电压等级与粒径密切相关：粒径减小时，出现峰值的电压值依次减小，且峰值浓度呈现递增趋势。由于粉尘处于高电压等级下，此时电场力为主导，是影响粉尘弥散运动的主要原因。随着电压等级不断增加，粉尘所受电场力逐渐增强，弥散运动更加剧烈，探测区域中弥散的粉尘浓度更高；当粉尘弥散浓度达到光探测区域内峰值时，不会立刻诱发放电，待电场进一步变化后诱发放电。
图12 不同粒径铝粉在不同电压等级下的弥散浓度（负极性）
Fig.12 Dispersion concentration values of aluminum dust of different particle sizes at different voltage levels (negative polarity)
对粒径为15 μm和50 nm的铝粉开展不同初始质量的持续升压实验，实验结果如图13、图14所示。由实验结果可以看出，不同初始质量对粉尘弥散浓度变化趋势的影响不大。切向条形放置粉尘时，粉尘初始质量越大，同一时刻受力起举的粉尘数量越多，探测区域中弥散的粉尘浓度越高，达到的峰值越高，越易诱发放电，危险程度越高。随着初始质量的减小，出现峰值的时间依次增大，且峰值浓度呈现递减趋势。μm级与nm级粉尘弥散变化趋势相同，但nm级粉尘起举电压值更低，达到峰值时的电压值更小，峰值浓度更大。15 μm铝粉在初始质量为500 mg时，在-34 kV时达到最大浓度值34.04 mg/m3，50 nm铝粉在相同初始质量条件下在-28 kV时达到最大浓度值35.12 mg/m3。
图13 15 μm铝粉在不同初始质量条件下的弥散浓度（负极性）
Fig.13 Dispersive concentration of 15 μm aluminum dust under different initial mass conditions (negative polarity)
图14 50 nm铝粉在不同初始质量条件下的弥散浓度（负极性）
Fig.14 Dispersion concentration of 50 nm aluminum dust under different initial mass conditions (negative polarity)
分别取粒径为15 μm的铜粉和铝粉，在远离绝缘子侧开展持续升压实验。由于铜的密度高于铝的密度，故初始质量相同时，铜粉的数密度小于铝粉的数密度。并且单个铜粉颗粒所受重力大，其物理性质以及化学性质较铝粉更稳定，故铜粉的起举电压高于铝粉的起举电压，铜粉的弥散运动程度与铝粉相比也较小。如图15所示为15 μm铜粉和铝粉在初始质量为500 mg时，粉尘弥散浓度与电压的关系，可以看出铜粉与铝粉之间有相同的弥散演化规律，且铜粉峰值浓度对应电压值、诱发放电电压值均高于铝粉，因此铜粉的危险程度较铝粉更低。其中15 μm铜粉对应的弥散浓度-电压值关系函数为
（12）
图15 15 μm不同材质粉尘弥散浓度-电压值关系（负极性）
Fig.15 Dispersion concentration of 15 μm dust of different materials at different voltage levels (negative polarity)
综上可知，铜粉击穿电压值高于铝粉，且铝粉达到的峰值浓度约为铜粉峰值浓度的1.1倍；铜粉峰值浓度是击穿电压对应粉尘浓度的1.05倍，铝粉为1.25倍。
靠近绝缘子处的金属粉尘的运动行为会受到绝缘子表面电荷干扰，表现出不同于远离绝缘子侧的弥散运动特性。当粉尘和绝缘子处于一定距离内时，粉尘在电场作用下做弥散运动的同时，会沿着绝缘子表面做吸附运动。设计粉尘弥散浓度探测平台与高清摄像机联合系统，在探测系统粉尘弥散浓度的同时使用高清摄像机实时拍摄粉尘运动状态。在零位置切向条形放置500 mg的15 μm铝粉，分别在远离绝缘子侧、近凸绝缘子侧、近凹绝缘子侧、近绝缘子垂直侧开展持续升压实验，粉尘初始摆放位置如图16中黑色方框所示，图中，绝缘子均采用俯视图表示方法（见图6）；实验结果如图17所示。在同电压等级下，远离绝缘子侧的粉尘弥散浓度高于其余三种情况，近凹绝缘子侧的吸附量是四种情况中最多的。粉尘放置在远离绝缘子侧时，在-34 kV下出现峰值浓度34.04 mg/m3，粉尘弥散运动极值效应在靠近绝缘子侧不明显。观察粉尘弥散运动过程可知，粉尘主要的弥散运动模式有三种：向绝缘子表面做弥散运动、向高压电极做弥散运动以及沿地电极向远离绝缘子侧做扩散运动。相同条件下相较于凹式绝缘子，在凸式绝缘子附近的微纳粉尘做弥散运动的数量较多。
图16 粉尘的不同初始摆放位置
Fig.16 Different initial placements of dust
图17 15 μm铝粉在不同位置时的弥散浓度-电压值关系曲线（负极性）
Fig.17 Dispersive concentration of 15 μm aluminum dust at different positions (negative polarity)
开展15 μm铝粉在正/负极性直流电压下远离绝缘子侧的持续升压实验以及恒压实验，正极性下粉尘弥散浓度与电压关系如图18所示。实验结果表明，在正负极性的外施电场作用下，粉尘弥散运动特性随电压等级变化、恒定加压的时间变化的规律近乎相同，但在正极性直流电压下，粉尘的弥散运动滞后于负极性直流电压下的情况。正极性环境下峰值浓度对应的电压值比负极性环境下滞后约10%，但峰值浓度相差不大。15 μm铝粉在初始质量为500 mg时，在-34 kV时达到最大浓度值34.04 mg/m3，在37 kV时达到最大浓度值33.23 mg/m3，即正极性下粉尘弥散运动较慢；在-30 kV电压等级下粉尘弥散运动于10 min内趋于稳定，而在30 kV电压等级下约于15 min趋于稳定，弥散过程较长，存在明显的极性效应。
图18 15 μm铝粉在不同初始质量条件下弥散浓度-电压值关系曲线（正极性）
Fig.18 Dispersive concentration of 15 μm aluminum dust under different initial mass conditions (positive polarity)
微小电场强度的差异是粉尘容易诱发放电的原因；而滞后效应产生的直接原因为阶梯升压时电压幅值的增长，根本原因为正极性下电子崩诱发的空间电荷减弱了棒极附近电场，电离过程被削弱难以形成流注，使得电晕放电难以形成。故在外施电场幅值相同的情况下，正极性高压电极附近的电场强度较负极性的电场强度更低，即粉尘在正极性电场下的弥散运动更慢。
现有研究多聚焦于电场中荷电金属微粒引发局部放电以及诱导气隙击穿的过程，着重分析外施电场极性、电压幅值、微粒个数、微粒长度、微粒半径等关键因素对金属微粒放电特性的影响[22]。本文针对微纳粉尘弥散运动特性研究了上述因素对同轴圆柱电极气隙绝缘强度的影响，开展粒径为50 nm、500 nm、1.5 μm、7.5 μm和15 μm的铝粉及铜粉的气隙击穿实验，改变粒径、初始质量、材质等初始条件，记录击穿电压与粉尘弥散浓度之间的关联规律。在无粉尘、远离绝缘子侧的情况下开展多组预实验，得到同轴圆柱电极的击穿电压平均值为 45 kV，并以45 kV电压作为后续分析的基准值。对同轴圆柱电极施加负极性电压，由预实验结果分析可得，粉尘从10 kV开始弥散运动加剧，故进行持续升压实验时，从10 kV开始每次升压2 kV，直至气隙被击穿，记录此时的击穿电压与弥散浓度，并在与高压电极成45°处架设高清摄像机，记录气隙击穿的放电过程，如图19所示。在外施电场作用下，粉尘受力起举，随电压等级升高粉尘弥散运动加剧，在重力、电场力等多物理场力的作用下，部分粉尘在高压电极与地电极之间进行往复运动，待粉尘弥散浓度超过绝缘阈值，同轴圆柱电极气隙被击穿。
图19 粉尘弥散运动与气隙击穿过程
Fig.19 Dust dispersion motion and air gap breakdown process
五种粒径的铜粉和铝粉在初始质量为500 mg时所对应的击穿电压如图20所示。加入铜粉和铝粉后，击穿电压较初始状态降低，粉尘粒径越小，击穿电压下降程度越大。与铜粉相比，铝粉对击穿电压的影响更大，与无粉尘时相比，相同初始质量的50 nm、500 nm、15 μm、7.5 μm和1.5 μm铜粉条件下，击穿电压分别降低约26.2%、19.1%、16.9%、15.1%和10.7%，而铝粉情况下击穿电压分别降低约29.6%、21.3%、18%、17.1%和16%。在相同初始质量时，粒径越大，单颗粉尘的质量越大，即粉尘的数密度越小，故击穿电压随着粒径的增大而降低，粒径越小对气隙绝缘安全威胁越大。
图20 不同粒径的铝粉、铜粉的击穿电压
Fig.20 Breakdown voltage values of aluminum and copper dust with different particle sizes
为分析粉尘的初始质量对击穿电压的影响，分别对五种粒径的铜粉和铝粉开展持续升压实验，记录每次实验发生气隙击穿时的电压与浓度。随着初始质量的增大，粉尘在空间中的弥散浓度越大，击穿电压呈现降低的趋势。50 nm和15 μm粉尘在不同初始质量下的击穿电压如图21所示。对于μm级粉尘来说，其对击穿电压的影响程度远小于nm级粉尘，15 μm初始质量为700 mg的铝粉和铜粉对应的击穿电压分别为35.6 kV和36.4 kV，与无粉尘情况相比，下降幅度在20%以内，而50 nm相同条件的铝粉和铜粉对应的击穿电压分别为28.5 kV和29.3 kV，下降幅度为36.7%和34.8%。相较于铜粉，铝粉对击穿电压影响更大，加入铝粉后击穿电压的下降程度要高于铜粉，危险程度更大。同时对击穿电压的下降程度进行分析可知，粉尘初始质量小于300 mg时，铜、铝两种材质对击穿电压的降低程度相似；超过300 mg后，随着初始质量增加，粉尘质量对击穿电压影响变大。
图21 不同初始质量的铝粉、铜粉的击穿电压
Fig.21 Breakdown voltage values of aluminum and copper dusts with different initial qualities
与mm级金属颗粒相比，微纳粉尘的粒径对击穿电压的影响较小。通过实验结果可以得出，同轴圆柱电极的气隙击穿一般发生在浓度峰值后的下降阶段，即当光探测区内粉尘弥散浓度下降至峰值浓度的80%左右时，发生气隙击穿的概率明显增大。本文称此时的粉尘浓度为危险弥散浓度。初始质量为400 mg时铝粉的粒径、浓度和击穿电压的关系如图22所示。
图22 粉尘粒径、浓度和击穿电压的关系
Fig.22 Relationship between dust particle size, concentration and breakdown voltage
1）基于光散射法原理，设计了适用于GIS/ GIL内的粉尘弥散浓度探测系统，实现了对微纳粉尘的定量探测。探测系统采用632.8 nm的氦氖激光器且散射光接收角根据实验平台选定为90°，最终实现了误差不高于5%的粉尘弥散浓度探测。
2）微纳粉尘的弥散浓度整体呈现先增后减的规律，并分析了加压方式、粉尘粒径、粉尘质量及材质、粉尘初始位置与电场极性对同轴圆柱电极中粉尘弥散的影响。分析实验结果可知，持续升压时粉尘浓度整体呈现稳定-上升-下降-稳定趋势，存在“极值效应”；恒压下部分粉尘起举吸附，另一部分在气隙间上下浮动，一段时间后趋于稳定。铜、铝粉具有相似的弥散规律，且铜粉峰值浓度对应电压值、诱发击穿电压值均高于铝粉，因此铜粉的危险程度较铝粉更低。并且绝缘子对粉尘弥散运动有一定的抑制作用，粉尘粒径越大、初始质量越大，出现浓度峰值的电压等级越低，达到的峰值浓度越大，危险程度越高。
3）研究了粉尘弥散浓度与击穿电压之间的关系，当光探测区内粉尘浓度达到峰值浓度的80%左右时，气隙被击穿的概率显著提高。并发现随着粉尘粒径减小、初始质量增大，粉尘弥散运动剧烈程度增加，同轴圆柱电极的击穿电压减小，绝缘阈值降低，危险程度显著升高。
4）本文通过搭建基于光散射法的微纳粉尘探测系统，实现了GIS/GIL内μm级和nm级粉尘的弥散浓度特性的定量监测。初步厘清了加压方式、粒径、粉尘初始质量及材质、粉尘初始位置及电场极性对粉尘弥散浓度的影响，得到了击穿电压和弥散浓度值之间的关联规律，为进一步评估微纳粉尘弥散运动对GIS/GIL安全运行的危险程度提供理论依据。
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Abstract In the process of gas insulated switchger/gas insulated metal-enclosed transmission line (GIS/GIL) manufacturing, transportation, and servicing, the unavoidable generation and accumulation of metal dust at the micrometer level and below occur due to reasons such as switch contact collisions and mechanical vibrations. This minute-scale dust is challenging to detect, and its dispersion characteristics are not yet clear, potentially being the fundamental cause of air gap breakdown issues.
The paper begins by investigating the light scattering characteristics of metal dust with particle sizes of 1 000 mesh, 2 000 mesh, 10 000 mesh, 500 nm, and 50 nm. Based on this analysis, a micron-nano dust dispersion concentration detection system suitable for GIS/GIL is designed and built. The obtained dispersion concentration-voltage relationship functions for five particle sizes enable quantitative detection of micron-nano dust within coaxial cylindrical electrodes. This contributes theoretical guidance and technical insights for achieving detection of micron-nano dust dispersion concentration within GIS/GIL.
Experimental results reveal a trend in the dispersion concentration of dust, showing an initial increase followed by a decrease with the rise in voltage level, indicating clear extremum and polarity effects. The dispersion motion of micron-nano dust between coaxial cylindrical electrodes is summarized into three processes: firstly, dust is lifted by forces towards the high-voltage electrode; upon contact with the high-voltage electrode, dust undergoes dispersion back-and-forth motion and some dust adheres to the high-voltage electrode due to various physical forces; after 10 minutes, dust dispersion motion stabilizes, resulting in slightly higher dust concentration compared to before pressurization. The probability of air gap breakdown increases significantly when the dust concentration in the light detection zone reaches about 80% of the peak concentration. The study also explores the impact of particle size, initial mass, material, initial position of dust, and electric field polarity on dust dispersion motion. Smaller particle size and larger initial mass lead to lower voltage levels at which peaks occur, resulting in higher peak concentration values and increased danger, the breakdown voltage can be reduced by up to 36.7% compared to the dust-free condition. Copper dust, with lower physicochemical activity, exhibits less dispersion motion at the same voltage level compared to aluminum dust, and its impact on the breakdown voltage of coaxial cylindrical electrodes is smaller. When the insulator and dust are at a certain distance, dust is likely to undergo dispersion motion and simultaneous adhesion along the insulator under the influence of the electric field, with less obvious extremum effects in dust dispersion motion.
The study also analyzes the influence of researching the dispersion motion of micron-nano dust on the air gap insulation strength of coaxial cylindrical electrodes. Breakdown experiments are conducted with aluminum and copper dust of five different particle sizes, varying initial conditions such as particle size, initial mass, and material. When the dust concentration within the light detection area reaches 80% or less of the peak concentration, the probability of air gap breakdown significantly increases. Moreover, the decrease in breakdown voltage can reach a maximum of 36.7% when there is no dust. This provides a theoretical foundation and practical basis for further assessing the level of danger and achieving the detection of micron-nano dust dispersion concentration within GIS/GIL.
keywords：GIS/GIL, micron-nano dust, light scattering method, dispersive concentration, air gap breakdown
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240191
中图分类号：TM852
国家重点研发计划项目（2021YFB2601404）、国家自然科学基金（52127812）和中央高校基本科研业务费专项资金（2023JC005）资助。
收稿日期 2024-01-29
改稿日期 2024-03-05
王 媛 女，2000年生，硕士研究生，研究方向为金属微粒和粉尘防护等。E-mail：wy_vera0209@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）