微納粉塵運(yùn)動(dòng)行為與微弱放電探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

薛乃凡 李慶民 劉智鵬 常亞楠 梁瑞雪

微納粉塵運(yùn)動(dòng)行為與微弱放電探測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

薛乃凡1李慶民1劉智鵬2常亞楠1梁瑞雪2

（1. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102206 2. 北京市高電壓與電磁兼容重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)） 北京 102206）

氣體絕緣開(kāi)關(guān)/氣體絕緣輸電線(xiàn)路（GIS/GIL）裝備在生產(chǎn)、安裝和運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生微米-納米尺度的粉塵，這種微尺度粉塵不易被檢測(cè)到，其荷電運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制尚不清晰，帶來(lái)的安全隱患隱蔽性強(qiáng)。該文對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行了梳理，主要包括粉塵的荷電運(yùn)動(dòng)行為與表征、粉塵濃度檢測(cè)、粉塵可視化探測(cè)技術(shù)、粉塵誘發(fā)微弱放電機(jī)制等。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步梳理微納粉塵研究有待解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題以及需要突破的技術(shù)難點(diǎn)。針對(duì)微納粉塵的隨機(jī)荷電機(jī)制與時(shí)空動(dòng)力學(xué)行為特性研究，在測(cè)量基礎(chǔ)上須突破微納粉塵的快速識(shí)別方法和空間濃度的有效檢測(cè)技術(shù)，其中，微納粉塵運(yùn)動(dòng)行為的可視化探測(cè)技術(shù)是發(fā)展方向。針對(duì)荷電微納粉塵誘導(dǎo)微弱放電的物理機(jī)制，需利用放電光譜學(xué)特征，發(fā)展基于飛秒激光和太赫茲波技術(shù)的高靈敏度檢測(cè)方法。上述問(wèn)題的有效解決，可為處理GIS/GIL內(nèi)微納粉塵引發(fā)的絕緣缺陷與放電現(xiàn)象提供基礎(chǔ)支撐。

微米-納米粉塵 隨機(jī)荷電機(jī)制 時(shí)空動(dòng)力學(xué)行為 可視化探測(cè) 微弱放電

0 引言

自20世紀(jì)60年代起，氣體絕緣開(kāi)關(guān)/氣體絕緣輸電線(xiàn)路（Gas Insulated Switchgear / Gas Insulated Transmission Lines, GIS/GIL）設(shè)備開(kāi)始投入使用，在特高壓輸電及跨江跨河大規(guī)模遠(yuǎn)距離電能輸送領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。從近四十年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，絕緣故障始終是影響GIS/GIL安全可靠運(yùn)行的關(guān)鍵因素，而由金屬顆粒與粉塵污染引發(fā)的絕緣故障是其中最主要的表現(xiàn)形式[1-6]。

GIS/GIL設(shè)備在生產(chǎn)制造、運(yùn)輸配送、安裝調(diào)試、服役運(yùn)行的各個(gè)階段中，由于受機(jī)械振動(dòng)、物理碰撞、插接式觸頭摩擦等影響，會(huì)產(chǎn)生各種尺度的微粒與粉塵。此外，在安裝調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境清潔度難以保證，非常容易在腔體中由人為因素混入各種異物。在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的污染物中，含有毫米級(jí)或較大尺寸的顆粒，如線(xiàn)形、球形、片狀的金屬微粒和線(xiàn)形的絕緣纖維等，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)數(shù)量較多的微米與納米級(jí)的粉塵。大尺寸金屬微粒帶來(lái)的絕緣危害較大，其誘發(fā)的局部放電或擊穿現(xiàn)象明顯，相關(guān)研究較多，而對(duì)于尺度較小的微納粉塵，目前可供借鑒的成果較少，還難以指導(dǎo)工程應(yīng)用實(shí)踐。

隨著GIS/GIL設(shè)備的廣泛應(yīng)用，工程現(xiàn)場(chǎng)的故障統(tǒng)計(jì)分析表明，顆粒和粉塵作為主要故障誘因所占的比重越來(lái)越大。南方電網(wǎng)2008～2013年的故障統(tǒng)計(jì)中，約85%的故障是由絕緣子表面顆粒或粉塵等異物導(dǎo)致的沿面放電或閃絡(luò)[7]。表1中列舉了四起由顆粒和粉塵引發(fā)的故障案例，其中故障圖片均來(lái)源于中國(guó)南方電網(wǎng)[8]。

由于粉塵尺寸較小，在耦合場(chǎng)作用下會(huì)出現(xiàn)碰撞、吸附等運(yùn)動(dòng)形式并沉積在設(shè)備內(nèi)部各處，其引發(fā)放電前的故障特征微弱，具有較大的隱蔽性，但可能是目前工程現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生不明放電的真正原因，有必要對(duì)微納粉塵引發(fā)的絕緣問(wèn)題開(kāi)展深入研究。

表1 粉塵在工程現(xiàn)場(chǎng)引發(fā)的故障案例[8]

近幾年來(lái)，已有學(xué)者開(kāi)始研究微米級(jí)或更小尺寸粉塵帶來(lái)的絕緣問(wèn)題，并取得了一些進(jìn)展。本文從微納粉塵受力、動(dòng)力學(xué)行為與表征、誘發(fā)放電特性、探測(cè)技術(shù)等方面，總結(jié)了微納粉塵的研究現(xiàn)狀，提出了微納粉塵研究亟須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，并給出了可能的技術(shù)途徑。

1 金屬粉塵的受力模型與荷電動(dòng)力學(xué)特性

1.1 粉塵的荷電及受力模型

粉塵在電場(chǎng)中會(huì)發(fā)生荷電運(yùn)動(dòng)，這種荷電運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象已應(yīng)用于眾多工程領(lǐng)域，如靜電除塵裝置利用電荷感應(yīng)原理除去空氣流中荷電運(yùn)動(dòng)的粉塵[9]、差分電遷移率分析儀利用氣溶膠在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)測(cè)算粒子尺寸等[10]。其中，微納粉塵通過(guò)空間的正負(fù)離子等帶電粒子進(jìn)行充電，其荷電機(jī)理通常被認(rèn)為存在場(chǎng)致荷電和擴(kuò)散荷電兩種方式。場(chǎng)致荷電理論主要針對(duì)粒徑大于0.5mm的粉塵，而擴(kuò)散荷電理論則針對(duì)粒徑小于0.2mm的粉塵[11]。場(chǎng)致荷電是指正負(fù)帶電粒子在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)被粉塵粒子吸附而導(dǎo)致粉塵帶電的過(guò)程。擴(kuò)散荷電是指帶電粒子的空間無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)與粉塵碰撞而使粉塵吸附帶電的過(guò)程。目前的研究工作所涉及的粉塵尺度一般在微米級(jí)以上，而對(duì)于微納尺度的粉塵，其隨機(jī)性非常強(qiáng)的擴(kuò)散荷電過(guò)程不能忽略，還需深入研究其隨機(jī)荷電機(jī)制[12]。

荷電微納粉塵在多種場(chǎng)力的綜合作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)。相較于大尺寸顆粒而言，微納粉塵的受力更為復(fù)雜，主要包括流體力、范德華力、靜電力、慣性力、液橋力、聲場(chǎng)力、熱泳力等。當(dāng)兩個(gè)微納粉塵之間的距離較小時(shí)，范德華力將起主導(dǎo)作用，同時(shí)范德華力也是導(dǎo)致粉塵沉積與吸附的主要影響因素。靜電力往往是最大的力，也是控制粉塵從遠(yuǎn)場(chǎng)吸引到近場(chǎng)的首要因素。慣性力、液橋力、聲場(chǎng)力、熱泳力與上述幾個(gè)力相比較小，通常可忽略[13-15]。

梁瑞雪等曾建立了粉塵在耦合場(chǎng)中的受力分析模型[16]，如圖1所示。以絕緣子附近粉塵為例，除受到重力和外電場(chǎng)力e外，在粉塵荷電運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，還受到接觸和未接觸粉塵的范德華力c和a，以及粉塵之間的碰撞力和庫(kù)侖力作用。當(dāng)粉塵的運(yùn)動(dòng)區(qū)域接近絕緣子表面時(shí)，表面電荷會(huì)對(duì)粉塵產(chǎn)生更大的庫(kù)侖力，粉塵與絕緣子表面之間的范德華力i-d也將增強(qiáng)。

圖1 粉塵在多場(chǎng)耦合下的受力分析模型[16]

因微納粉塵尺度較小，微納粉塵間的微觀(guān)作用力和碰撞作用不可忽略，其碰撞過(guò)程的荷電量變化也具有隨機(jī)性，如何建立粉塵在多物理場(chǎng)中的準(zhǔn)確受力模型也是亟待探索的問(wèn)題。

1.2 粉塵的動(dòng)力學(xué)行為特征

目前關(guān)于粉塵運(yùn)動(dòng)的研究往往借助觀(guān)測(cè)手段來(lái)獲取其時(shí)空動(dòng)力學(xué)行為特征。程涵等研究了毫米級(jí)微粒的運(yùn)動(dòng)特性，并發(fā)現(xiàn)線(xiàn)形微粒運(yùn)動(dòng)的極性效應(yīng)現(xiàn)象[17]。正極性電壓下，線(xiàn)形微粒會(huì)出現(xiàn)一端抬起、往返碰撞、旋轉(zhuǎn)和直立等特殊現(xiàn)象，如圖2所示；在負(fù)極性電壓下，線(xiàn)形微粒還會(huì)出現(xiàn)飛螢等現(xiàn)象，如圖3所示。對(duì)于尺度更小的微納粉塵，其一端抬起、旋轉(zhuǎn)和直立等運(yùn)動(dòng)行為不可能如線(xiàn)形微粒那樣明顯，其觀(guān)測(cè)還需要更精密的光學(xué)儀器來(lái)完成。

圖2 正極性下5～10mm線(xiàn)形微粒運(yùn)動(dòng)行為[17]

圖3 負(fù)極性下不同長(zhǎng)度線(xiàn)形微粒運(yùn)動(dòng)行為[17]

李杰等針對(duì)毫米級(jí)片狀微粒在工頻電壓下的荷電運(yùn)動(dòng)特性開(kāi)展了研究[18]，發(fā)現(xiàn)粒徑30mm的片狀鋁微粒會(huì)出現(xiàn)一側(cè)傾斜的起跳現(xiàn)象，并在起跳后極短時(shí)間內(nèi)傾斜90°，然后上下劇烈運(yùn)動(dòng)；而片狀鋼微粒則在起跳后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、滾動(dòng)，并會(huì)產(chǎn)生“小火花”放電現(xiàn)象，且隨著電壓升高，鋼微粒會(huì)與電極之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

針對(duì)毫米級(jí)大尺寸顆粒的運(yùn)動(dòng)觀(guān)測(cè)技術(shù)已相對(duì)成熟，但這種直觀(guān)拍攝技術(shù)很難直接應(yīng)用到尺寸較小的微納粉塵。為觀(guān)測(cè)到微納粉塵的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)展更先進(jìn)的探測(cè)技術(shù)顯得十分必要。

H. Kuwahara等研究了絕緣子不同位置處的銅粉塵吸附運(yùn)動(dòng)行為，在交流、沖擊、交流疊加沖擊三種類(lèi)型電壓下，尺度為30mm的銅粉在圖4a、圖4c所示位置會(huì)被吸附到絕緣子表面，而圖4b所示位置的銅粉塵會(huì)彌散到絕緣氣體中，不會(huì)被絕緣子表面所吸附[19]。劉紹峻的研究表明，所施加電壓無(wú)論是直流還是交流，粒徑為30mm的銅粉和鋁粉都會(huì)從圖4b所示位置運(yùn)動(dòng)并被吸附到絕緣子表面[20]。季洪鑫的研究表明，100mm粉塵會(huì)從絕緣強(qiáng)度高的地方向絕緣強(qiáng)度低的地方運(yùn)動(dòng)，即絕緣子附近的粉塵將遠(yuǎn)離絕緣子，如圖5所示[21]。張連根對(duì)20mm以下的鋁粉塵開(kāi)展運(yùn)動(dòng)行為觀(guān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，20mm以下的粉塵首先會(huì)在腔體內(nèi)進(jìn)行無(wú)規(guī)律跳動(dòng)，然后絕大多數(shù)粉塵被吸附到絕緣子上，只有少部分彌散在腔體內(nèi)，最后被吸附在腔壁內(nèi)側(cè)[22]。

圖4 粉塵在絕緣子附近的不同位置[19]

圖5 126 kV交流GIS中粉塵的動(dòng)力學(xué)行為[21]

從上述研究中可以發(fā)現(xiàn)，粉塵的運(yùn)動(dòng)行為差異較大，研究得到的結(jié)論也存在矛盾之處，這可能緣于粉塵的尺度效應(yīng)，其荷電機(jī)制呈現(xiàn)較大的隨機(jī)性，還有賴(lài)于深入研究微納粉塵的荷電機(jī)理。

李慶民等觀(guān)測(cè)總結(jié)了粒徑為30mm的鋁粉塵在直流GIL中的動(dòng)力學(xué)行為和運(yùn)動(dòng)機(jī)制[23]，認(rèn)為粉塵存在兩種吸附行為：①粉塵在絕緣子表面的積聚式吸附；②在腔體內(nèi)壁和高壓電極表面的擴(kuò)散式吸附行為。該研究還定量標(biāo)定了粉塵量與電壓大小和加壓時(shí)間的變化規(guī)律，如圖6所示。

粉塵的動(dòng)力學(xué)特性與粉塵的材質(zhì)、初始位置、粒徑、所加電壓類(lèi)型及幅值等密切相關(guān)，其運(yùn)動(dòng)吸附行為有積聚式吸附和擴(kuò)散式吸附兩種形式，兩者具有一定相似性。但在粉塵趨向或接觸絕緣子表面的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，范德華力和靜電作用呈現(xiàn)變化特性，粉塵的碰撞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)態(tài)吸附行為與界面積聚電荷的交互作用過(guò)程尚不明朗，粉塵的隨機(jī)荷電運(yùn)動(dòng)與誘發(fā)放電的交互影響機(jī)制也并不清晰。

為更準(zhǔn)確地分析微納粉塵的特殊運(yùn)動(dòng)行為，還需對(duì)微納粉塵的特征信息進(jìn)行高靈敏度探測(cè)，這涉及微納粉塵濃度和速度的時(shí)空分布特性。

2 微納粉塵濃度檢測(cè)

GIS/GIL中微納粉塵的有效檢測(cè)是當(dāng)前的技術(shù)難題，但可以借鑒或改進(jìn)現(xiàn)有的安全科學(xué)領(lǐng)域的技術(shù)手段并加以應(yīng)用，如米散射法、電荷感應(yīng)法等。

2.1 米散射法檢測(cè)粉塵濃度

有學(xué)者設(shè)計(jì)了基于米散射法的光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，如圖7所示，實(shí)現(xiàn)了金屬粉塵濃度檢測(cè)誤差小于10%的目標(biāo)[24]。宋琳利用DUST9702型激光式粉塵監(jiān)測(cè)儀分析了100目、200目、300目等不同尺度鋁粉的光散射功能[25]，發(fā)現(xiàn)鋁粉塵濃度與輸出電流強(qiáng)度之間呈正相關(guān)關(guān)系，如圖8和圖9所示。文獻(xiàn)[26]在圖10所示傳統(tǒng)米散射法檢測(cè)原理的基礎(chǔ)上，增加了無(wú)動(dòng)力機(jī)構(gòu)，減小了粉塵濃度的檢測(cè)誤差。陳鋒等進(jìn)一步融合了圖像處理技術(shù)[27]，在粉塵濃度大于30mg/m3的情況下，擬合出粉塵圖像灰度與粉塵濃度之間的定量關(guān)系，如圖11所示。

圖7 米散射測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度簡(jiǎn)單流程[24]

圖8 鋁粉濃度與散射光電流信號(hào)的關(guān)系[25]

圖9 鋁粉濃度與電流信號(hào)之間的擬合曲線(xiàn)[25]

圖10 米散射測(cè)量粉塵質(zhì)量濃度基本原理圖[26]

利用米散射法檢測(cè)粉塵有無(wú)以及粉塵濃度，原理不復(fù)雜且易于實(shí)現(xiàn)，已在礦山粉塵監(jiān)測(cè)中被大量應(yīng)用，但在電氣領(lǐng)域的應(yīng)用研究很少。同時(shí)，為提高檢測(cè)靈敏度，還需要引入智能算法到圖像處理中，以更好地去噪和獲得圖像修復(fù)效果。

圖11 粉塵濃度與灰度均值的線(xiàn)性擬合關(guān)系[27]

2.2 電荷感應(yīng)法檢測(cè)粉塵濃度

另一種常用的粉塵濃度檢測(cè)方法是電荷感應(yīng)法，是基于測(cè)量運(yùn)動(dòng)的帶電粉塵在探測(cè)電極上產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其基本原理如圖12所示。趙政利用環(huán)狀電極和交流耦合方式[28]，將得到的毫伏級(jí)微弱電信號(hào)通過(guò)圖13所示的信號(hào)提取電路，可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)持續(xù)的金屬粉塵濃度檢測(cè)。文獻(xiàn)[29]將環(huán)狀電極改造成螺旋繞線(xiàn)式探測(cè)電極，可提高檢測(cè)電極的環(huán)境適應(yīng)性。文獻(xiàn)[30]利用圖14的對(duì)比系統(tǒng)指出光散射法和電荷感應(yīng)法的測(cè)量誤差均低于10%，但隨測(cè)試時(shí)間增長(zhǎng)，光散射法的光學(xué)測(cè)試窗口易被被測(cè)金屬粉塵污染，測(cè)量誤差迅速增大。相對(duì)而言，電荷感應(yīng)法具有精度高、安裝便捷等優(yōu)點(diǎn)。為改善低濃度小尺度金屬粉塵濃度的測(cè)量精度，劉丹丹等利用卡門(mén)渦街原理優(yōu)化了環(huán)狀電極[31]，可將探測(cè)裝置的感應(yīng)電荷量提高40%，得到粉塵不同尺度與感應(yīng)電荷量的關(guān)系，如圖15所示。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉塵尺度小于100nm時(shí)，探測(cè)電極的感應(yīng)電荷量顯著提升。

圖12 電荷感應(yīng)法基本原理示意圖[28]

圖13 環(huán)狀電極檢測(cè)法信號(hào)提取電路框圖[28]

圖14 光散射法和電荷感應(yīng)法檢測(cè)誤差對(duì)比試驗(yàn)系統(tǒng)[30]

圖15 不同粒徑粉塵的感應(yīng)電荷量[31]

當(dāng)測(cè)試環(huán)境為GIS/GIL這種管道型結(jié)構(gòu)時(shí)，還可使用圖16所示的棒狀電極代替環(huán)形電極進(jìn)行檢測(cè)[25]。目前電荷感應(yīng)法的工程應(yīng)用尚少，主要緣于感應(yīng)電極易受復(fù)雜環(huán)境的噪聲影響，穩(wěn)定性和有效性仍需提升。如何利用電荷感應(yīng)法在復(fù)雜帶電環(huán)境中實(shí)現(xiàn)微納粉塵可靠檢測(cè)是有待攻克的技術(shù)難題。

圖16 棒狀電極測(cè)量粉塵濃度基本原理圖[32]

由此可見(jiàn)，電氣領(lǐng)域中對(duì)微納粉塵的探測(cè)研究較少，但可借鑒安全科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展較成熟的米散射法和電荷感應(yīng)法，改進(jìn)應(yīng)用于GIS/GIL管道型設(shè)備中。

3 微納粉塵時(shí)空分布的成像檢測(cè)

濃度檢測(cè)并不能對(duì)微納粉塵的運(yùn)動(dòng)行為做出直觀(guān)觀(guān)測(cè)，而通過(guò)成像技術(shù)可獲得微納粉塵的時(shí)空動(dòng)力學(xué)行為，為揭示其荷電運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供支撐。

3.1 CCD相機(jī)直接檢測(cè)法

電荷耦合器件（Charge Coupled Device, CCD）相機(jī)本身具有電荷耦合器件，為實(shí)現(xiàn)微納粉塵的時(shí)空分布檢測(cè)提供了可能。

王麗鵬研究了火電廠(chǎng)煙囪排放粉塵的粒徑時(shí)空分布問(wèn)題，提出一種基于CCD相機(jī)成像的非接觸式PM2.5和PM10粒徑檢測(cè)系統(tǒng)[32]，如圖17所示。該系統(tǒng)由CCD相機(jī)、放大鏡頭和照明裝置組成，據(jù)此得到了10μm粉塵可視化檢測(cè)結(jié)果，如圖18所示。李立奇等選用線(xiàn)陣CCD相機(jī)代替面陣CCD相機(jī)進(jìn)行圖像采集，解決了粉塵圖像采集分辨率低的問(wèn)題[33]，獲得的粉塵圖像如圖19所示，檢測(cè)精度達(dá)到20μm。

圖17 工業(yè)微納粉塵監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖[32]

圖18 成像法獲得的粉塵原始與二值圖像[32]

圖19 線(xiàn)陣CCD相機(jī)成像法獲得的粉塵圖像[33]

張琮昌等提出了在線(xiàn)檢測(cè)粉塵粒徑和速度的軌跡圖像法，其基本計(jì)算方法示意圖如圖20所示[34]。CCD芯片分辨率和成像放大倍率直接決定了粉塵粒徑測(cè)量的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)成像倍率使粉塵占像素比大于6且CCD曝光時(shí)間使粉塵軌跡圖像長(zhǎng)寬比介于3～8之間時(shí)，煤粉軌跡成像法可準(zhǔn)確測(cè)量粉塵粒徑和速度分布。

圖20 軌跡圖像法測(cè)量粒徑和速度的方法示意圖[34]

利用CCD相機(jī)可實(shí)現(xiàn)微納粉塵的粒徑與速度測(cè)量，粒徑測(cè)量精度可達(dá)10μm，但速度精度欠缺，三維拍攝為此提供了可用技術(shù)。

3.2 數(shù)字全息攝影檢測(cè)法

數(shù)字全息技術(shù)在測(cè)量微納粉塵濃度以及速度分布方面具有較好的應(yīng)用潛力。文獻(xiàn)[35]研究了數(shù)字全息術(shù)在流動(dòng)或自由碰撞環(huán)境中成像氣溶膠粒子的設(shè)計(jì)應(yīng)用，其原理如圖21和圖22所示。氣溶膠中的粒子被觸發(fā)的脈沖激光照亮，由全息相機(jī)記錄與粒子散射光干涉所產(chǎn)生的數(shù)字全息圖像，粒子圖像通過(guò)快速傅里葉變換進(jìn)行重構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)最小粒徑15μm的成像。文獻(xiàn)[36]研制出一種三維成像的全息裝置，對(duì)大氣流設(shè)施內(nèi)體積非常小的微納粉塵進(jìn)行成像探測(cè)，成功檢測(cè)到直徑1μm的粉塵。數(shù)字全息技術(shù)的檢測(cè)精度一般高于CCD相機(jī)直接成像法。

圖21 全息記錄過(guò)程示意圖

圖22 全息攝影的波前再現(xiàn)過(guò)程

文獻(xiàn)[37]采用橢圓高斯波束作為入射光的數(shù)字粉塵全息系統(tǒng)，測(cè)量自由空間和圓柱形管道的微納粉塵流。針對(duì)圓形透明玻璃管內(nèi)的玻璃粉塵應(yīng)用ABCD矩陣光學(xué)分析，獲得了圖23所示的微納粉塵全息圖像，進(jìn)一步提取了圓柱管道內(nèi)微納粉塵的位置、微納粉塵粒徑分布，如圖24所示。這表明數(shù)字粉塵全息技術(shù)可直接測(cè)量具有象散特性的曲面容器內(nèi)微納粉塵時(shí)空分布。

圖23 管道內(nèi)粉塵全息圖像[37]

圖24 粉塵位置及粒徑分布[37]

文獻(xiàn)[38]設(shè)計(jì)了以Mckenna平面火焰燃燒器為基礎(chǔ)的平臺(tái)，建成高速數(shù)字同軸全息燃燒煤粉粉塵測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可追蹤單個(gè)煤粉塵的燃燒變化過(guò)程，還能追蹤粉塵團(tuán)的燃燒進(jìn)程，繼而獲得煤粉塵在平面的等濃度曲線(xiàn)和煤粉時(shí)空速度特征，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒過(guò)程中三維煤粉的時(shí)空分布分析。

除CCD相機(jī)直接檢測(cè)法和數(shù)字全息檢測(cè)法以外，有學(xué)者還利用馬赫曾德（Mach-Zhender）激光干涉法，在適合納米粉體制備的環(huán)境壓力范圍內(nèi)，獲得了空氣中鈦絲電爆炸演化過(guò)程的探測(cè)成像，鈦絲電爆炸演化過(guò)程如圖25所示[39]。金屬絲爆是制備金屬微納粉體的成熟方法，該手段也可用作微納粉塵的成像技術(shù)。

圖25 鈦絲電爆炸演化過(guò)程[39]

綜上所述，對(duì)微納粉塵進(jìn)行成像觀(guān)測(cè)的主要手段包括CCD相機(jī)拍攝、數(shù)字全息拍攝和激光干涉法等，可為GIS/GIL中微納粉塵濃度、速度的時(shí)空分布檢測(cè)提供技術(shù)支撐。但需指出的是，復(fù)現(xiàn)運(yùn)行GIS/GIL中粉塵的隨機(jī)荷電運(yùn)動(dòng)，對(duì)揭示微納粉塵受力本質(zhì)乃至誘發(fā)微弱放電的機(jī)制，以及掌握實(shí)際工況下微納粉塵的危害程度具有重要意義。因此，通過(guò)搭建可等效模擬運(yùn)行工況的真型試驗(yàn)平臺(tái)，復(fù)現(xiàn)微納粉塵的荷電運(yùn)動(dòng)，并引入全息拍攝等先進(jìn)的成像手段是本研究方向亟需突破的關(guān)鍵技術(shù)。

4 微納粉塵微弱放電檢測(cè)

微納粉塵誘發(fā)的微弱放電具有隱蔽性強(qiáng)、探測(cè)難度大等特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)微納粉塵微弱放電的研究工作開(kāi)展較少，可借鑒的往往是大尺度微粒的放電檢測(cè)手段，但并不是太有效。可參照的技術(shù)手段包括等離子體放電的微觀(guān)探測(cè)以及微弱局放信號(hào)的宏觀(guān)檢測(cè)技術(shù)。

4.1 等離子體電子特性檢測(cè)

放電等離子體探測(cè)主要涉及電子溫度與電子密度等。目前光譜技術(shù)是探測(cè)電子溫度和電子密度的常用方法。孫成琪利用發(fā)射光譜測(cè)量了氬原子在763.51nm和772.42nm處譜線(xiàn)輻射強(qiáng)度的信息，用雙譜線(xiàn)法計(jì)算低壓熱噴涂等離子體射流的電子溫度，并使用Hβ譜線(xiàn)的Stark展寬計(jì)算熱噴涂等離子體射流的電子密度[40]。胡振華利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜手段研究液體射流Ca的雙脈沖光譜，發(fā)現(xiàn)雙脈沖激光作用的發(fā)射光譜強(qiáng)度有數(shù)倍增大，可提升探測(cè)靈敏度[41]。利用光譜測(cè)量等離子體溫度的方法還有多譜線(xiàn)斜率法、等電子譜線(xiàn)法和Saha-Boltzmann法等。這些方法在等離子體探測(cè)領(lǐng)域相對(duì)成熟，但能否用于微納粉塵的快速微弱放電特性探測(cè)，仍待深入研究。

4.2 粉塵微弱放電檢測(cè)

微納粉塵的放電研究集中在粉塵誘發(fā)局部放電的信號(hào)檢測(cè)上，且主要針對(duì)大尺寸顆粒的局部放電檢測(cè)[42-43]。目前較成熟的局放檢測(cè)方法包括脈沖電流法、特高頻法、超聲波法和化學(xué)法等，也有學(xué)者研究了亞毫米級(jí)或微米級(jí)尺度粉塵誘發(fā)的局部放電的特征。華北電力大學(xué)季洪鑫博士指出荷電運(yùn)動(dòng)的0.1mm粉塵在跳躍過(guò)程可檢測(cè)到放電信號(hào)；但對(duì)已吸附在絕緣子表面的靜止粉塵，其誘發(fā)的微弱放電量還無(wú)法檢測(cè)[21-22]。清華大學(xué)劉衛(wèi)東教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了理論靈敏度達(dá)0.02pC的局放測(cè)量系統(tǒng)，獲得了GIS絕緣子表面單個(gè)及多個(gè)亞毫米級(jí)金屬微粒的局放信號(hào)，如圖26和圖27所示[44]。亞毫米級(jí)微粒放電為偶發(fā)性信號(hào)，其釋放的特高頻電磁波持續(xù)時(shí)間極短，每125個(gè)工頻周期才出現(xiàn)1次信號(hào)。研究表明，傳統(tǒng)的特高頻檢測(cè)法基本不適用這種偶發(fā)微弱放電。許淵等進(jìn)一步分析指出[45]，檢測(cè)中出現(xiàn)偶發(fā)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)，不是放電不存在，而是緣于脈沖電流法或特高頻法的局放識(shí)別靈敏度不足，目前的檢測(cè)技術(shù)還無(wú)法有效檢測(cè)亞毫米級(jí)顆粒的放電特征。無(wú)論是工程應(yīng)用還是科學(xué)探索，都亟須發(fā)展高靈敏度的微弱放電探測(cè)技術(shù)。

圖26 5mm金屬微粒的特高頻局放信號(hào)[44]

圖27 90kV下100個(gè)顆粒特高頻信號(hào)頻次譜圖[44]

周宏揚(yáng)基于圖28的Michelson 干涉原理搭建了光纖超聲傳感系統(tǒng)，用于圖29所示的GIS局放信號(hào)檢測(cè)，平均靈敏度為82.5dB。該光纖傳感器最大響應(yīng)幅值比鋯鈦酸鉛（PZT）高552%。

圖28 Michelson干涉光纖超聲傳感系統(tǒng)[46]

圖29 126kV GIS局部放電檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖[47]

由上述分析可知，隨機(jī)運(yùn)動(dòng)粉塵的放電特性與粉塵尺寸、形狀、材料屬性和所處位置密切相關(guān)，微弱放電所引發(fā)的電荷轉(zhuǎn)移、電磁輻射、聲波輻射，以及光輻射的統(tǒng)計(jì)學(xué)特性也會(huì)發(fā)生明顯變化，而電磁脈沖、超聲脈沖及光脈沖并非存在一致的時(shí)序關(guān)系，各物理量的強(qiáng)度比例與放電能量呈非線(xiàn)性關(guān)系。因此，通過(guò)提取粉塵微弱放電與不同信號(hào)圖譜之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律，進(jìn)而探究微弱放電的物理機(jī)制，是后續(xù)研發(fā)檢測(cè)新技術(shù)的重要目標(biāo)。

另外，為實(shí)現(xiàn)微弱放電目標(biāo)的定位，有學(xué)者提出了兩種檢測(cè)微弱局放信號(hào)的方法[48-49]。一種方法利用自適應(yīng)隨機(jī)共振技術(shù)來(lái)提取微弱放電信號(hào)；另一種方法利用雙通道測(cè)試和互相關(guān)信息積累，將非周期微弱局放信號(hào)檢測(cè)轉(zhuǎn)化為周期性的時(shí)延參數(shù)估計(jì)檢測(cè)。

需要指出的是，針對(duì)GIS/GIL內(nèi)微納粉塵誘發(fā)的微弱放電檢測(cè)研究，目前很少見(jiàn)諸報(bào)道。為厘清微納粉塵的荷電運(yùn)動(dòng)與放電物理機(jī)制，發(fā)展新的微弱放電檢測(cè)方法至關(guān)重要。微納粉塵帶來(lái)的振動(dòng)和放電信號(hào)都十分微弱，傳統(tǒng)檢測(cè)方法在工程現(xiàn)場(chǎng)往往失效或不具有時(shí)效性。為此，可探索引入全新的探測(cè)技術(shù)途徑，例如基于飛秒瞬態(tài)光譜特征的檢測(cè)技術(shù)和太赫茲波作為入射光源的光學(xué)探測(cè)手段等。

5 有待解決的問(wèn)題及可能的技術(shù)途徑

發(fā)展微納粉塵的探測(cè)技術(shù)，與亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題緊密關(guān)聯(lián)。本文基于前述梳理，認(rèn)為該領(lǐng)域有兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制問(wèn)題尚須深入闡釋?zhuān)粋€(gè)是微納粉塵的隨機(jī)荷電與運(yùn)動(dòng)特性，另一個(gè)是微納粉塵誘發(fā)微弱放電的物理機(jī)制，相應(yīng)的探測(cè)技術(shù)難點(diǎn)與實(shí)施途徑也圍繞這兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)。

5.1 微納粉塵隨機(jī)荷電機(jī)制與時(shí)空動(dòng)力學(xué)行為

微納粉塵體積小、荷電量少，受到的微觀(guān)作用力與大尺度顆粒存在很大差別，其碰撞、吸附過(guò)程呈現(xiàn)突出的隨機(jī)性。

首先，需要發(fā)展微納粉塵的快速實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)，獲得其空間密度、濃度、速度與荷電量的時(shí)空分布特征。重點(diǎn)考慮融合米散射法和電荷感應(yīng)法的粉塵濃度檢測(cè)法，以期實(shí)現(xiàn)有無(wú)微納粉塵的快速甄別。在這基礎(chǔ)上，在信號(hào)處理中引入智能算法，以獲得更好的去噪效果和更高的檢測(cè)靈敏度。

同時(shí)，需要引入可視化的探測(cè)方法，進(jìn)一步獲得微納粉塵的時(shí)空動(dòng)力學(xué)行為特性。重點(diǎn)考慮CCD相機(jī)拍攝、數(shù)字全息拍攝和激光干涉法等成像手段，為GIS/GIL中微納粉塵濃度、速度的時(shí)空分布檢測(cè)提供技術(shù)支撐。同時(shí)，需要引入可視化的探測(cè)方法，進(jìn)一步獲得微納粉塵的時(shí)空動(dòng)力學(xué)行為特性。

5.2 荷電微納粉塵誘導(dǎo)微弱放電的物理機(jī)制

荷電運(yùn)動(dòng)的微納粉塵會(huì)誘發(fā)氣隙的微弱放電現(xiàn)象，而微弱放電的發(fā)生反過(guò)來(lái)也會(huì)影響微納粉塵的荷電與運(yùn)動(dòng)行為。

為研究這種交互影響機(jī)制，可在微納粉塵隨機(jī)荷電與運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立微納粉塵的多場(chǎng)耦合動(dòng)力學(xué)模型來(lái)初步揭示其作用機(jī)制。目前尚不清晰的機(jī)制問(wèn)題較多，主要包括：微納粉塵趨向絕緣子運(yùn)動(dòng)過(guò)程中范德華力的變化特性、微納粉塵碰撞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)態(tài)吸附行為與界面積聚電荷的交互作用、粉塵的隨機(jī)荷電運(yùn)動(dòng)與誘發(fā)放電的交互影響機(jī)制等。

更重要的是，可利用微弱放電的光譜學(xué)特征，引入全新的探測(cè)技術(shù)手段，例如基于飛秒瞬態(tài)光譜特征的微弱放電探測(cè)方法、利用太赫茲波作為入射光源的微弱放電形態(tài)成像技術(shù)等。

綜上所述，圖30給出了圍繞兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制問(wèn)題的主要實(shí)施技術(shù)途徑。

圖30 待解決的關(guān)鍵問(wèn)題與技術(shù)難點(diǎn)

6 結(jié)論

GIS/GIL設(shè)備存在的微納粉塵會(huì)帶來(lái)絕緣缺陷和放電風(fēng)險(xiǎn)，但目前對(duì)其荷電動(dòng)力學(xué)行為以及誘發(fā)微弱放電的物理機(jī)制研究較少。本文綜述了以往的主要研究進(jìn)展，在此技術(shù)上梳理了有待解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，并據(jù)此給出了須重點(diǎn)攻克的探測(cè)技術(shù)，包括微納粉塵的快速實(shí)時(shí)檢測(cè)、可視化探測(cè)、基于光譜學(xué)特征的微弱放電高靈敏度檢測(cè)方法等，為后續(xù)深化研究給出了方向。

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Research Advances of the Detection Technology for Kinetic Behavior and Weak Discharge of the Micro-Nano Dust

Xue Naifan1Li Qingmin1Liu Zhipeng2Chang Yanan1Liang Ruixue2

（1. State Key Lab of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Beijing Key Lab of HV and EMC North China Electric Power University Beijing 102206 China）

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.

Micron-nano dust, random charge mechanism, spatial-temporal dynamics, visualized detection, weak discharge

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210862

TM852

薛乃凡 男，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)榻饘傥⒘：头蹓m防護(hù)等。E-mail：nev777@ncepu.edu.cn

李慶民 男，1968年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦唠妷号c絕緣技術(shù)、放電物理等。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）

2021-06-14

2021-12-17

國(guó)家自然科學(xué)基金（51737005，51929701和52081330507）和北京市自然科學(xué)基金（3202031）資助項(xiàng)目。

（編輯 赫蕾）