薛乃凡 魏 來 李慶民 王 媛 楊睿成

平板電極下微米級粉塵彌散濃度探測方法與時空演化特性分析

薛乃凡1魏 來2李慶民2王 媛2楊睿成1

（1. 北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 2. 新能源電力系統(tǒng)全國重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206）

氣體絕緣全封閉組合電器/氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIS/GIL）在生產(chǎn)、運行和維護過程中會不可避免地產(chǎn)生微米級粉塵，可能是誘發(fā)工程現(xiàn)場不明放電的根本原因。為檢測微米級粉塵彌散濃度并研究濃度的時空演化特性，該文分析了10 000目、2 000目和1 000目粉塵的光散射特性，在此基礎上設計并搭建了基于平板電極的粉塵濃度探測平臺，實現(xiàn)了粉塵彌散濃度的定量探測。通過實驗研究，獲得了在升壓過程和持續(xù)加壓下，不同粒徑、不同初始質(zhì)量微米級粉塵的彌散濃度演化規(guī)律。研究表明，隨著電壓作用時間的增加，粉塵濃度快速出現(xiàn)最大值，然后逐漸下降。微米級粉塵彌散濃度在升壓過程中會出現(xiàn)峰值現(xiàn)象，當粉塵粒徑減小或初始質(zhì)量增大時，均出現(xiàn)更大的濃度峰值。在粉塵運動過程中，存在團聚啟舉的特殊現(xiàn)象，造成嚴重的電場畸變，威脅氣隙絕緣安全。該文結(jié)果闡釋了微米級金屬粉塵彌散濃度的時空演化規(guī)律，可為GIS/GIL等電氣設備中微米級金屬污染物的監(jiān)測和危險程度評估提供支撐。

微米級粉塵 光散射法 濃度檢測 彌散特性 時空演化

0 引言

近年來，新能源發(fā)電和特高壓直流輸電發(fā)展迅猛，是新型電力系統(tǒng)的主要組織形態(tài)。在江河湖泊、城市電力管廊、海上風電等某些特定場景，需要引入特殊的輸電媒介。氣體絕緣全封閉組合電器/氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated Switchgear/ Gas Insulated transmission Line, GIS/GIL）具有電壓等級高、輸送容量大、可靠性強等優(yōu)勢，是解決上述大規(guī)模電力輸送需求的理想方案[1-3]，也是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要物理載體。

在GIS/GIL生產(chǎn)、運行和維護過程中，由于機械振動、開關觸頭摩擦和人為污染，會不可避免地產(chǎn)生多尺度粉塵。其中，微米級粉塵是工程現(xiàn)場污染物的重要組成部分。根據(jù)國家電網(wǎng)公司近十年的GIS/GIL設備故障統(tǒng)計，金屬微粒和粉塵引發(fā)了50%左右的放電故障[4]，是導致絕緣子貫穿性燒傷、閃絡和腔體氣隙放電擊穿等故障的重要原因。

對于毫米級和亞毫米級粒徑的金屬微粒，危害程度大、故障特征明顯，現(xiàn)有的相機拍照、特高頻、光纖等探測手段容易識別并預警其引發(fā)的故障，國內(nèi)外學者對其探測方法、運動規(guī)律和放電特性的研究較多[5-6]。但對于粒徑為幾十納米到幾十微米的粉塵，其粒徑更小，初期放電信號微弱，上述探測方法難以采集微米級粉塵的特征信息。粉塵物化活性高，在設備長期運行下逐漸累積，當累積質(zhì)量和其在空間中的濃度達到一定數(shù)值后，可能會誘發(fā)絕緣子嚴重放電，危害設備的安全運行。由此可見，與大尺度微粒相比，微米級粉塵的特征信號微弱，隱蔽性強，極有可能是誘發(fā)工程現(xiàn)場GIS/GIL設備出現(xiàn)不明放電故障的根本原因。因此，有必要對微米級粉塵的探測方法及其濃度時空演化規(guī)律開展研究。

目前，光散射法是一種重要的粉塵濃度在線檢測方法，廣泛應用于環(huán)境、安全等學科。G. Mie提出了球體散射的嚴格解和求解的算法，為光散射法提供了理論基礎[7]。張淑玲仿真了不同粒徑粉塵的散射光強分布，并根據(jù)仿真結(jié)果設計了探測系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)[8]，實現(xiàn)了含塵氣體濃度的檢測。宋熠金[9]和趙濟坤[10]分別針對汽車尾氣和工業(yè)生產(chǎn)中的粉塵設計了濃度檢測系統(tǒng)，實驗誤差均小于10%，進一步提高了檢測精度。但是光散射法在電氣學科中應用較少，這是因為在耦合場的作用下，微米級粉塵運動速度快，單個粉塵發(fā)出散射光的時間短，在設計探測系統(tǒng)時還需要考慮電氣設備的物理結(jié)構(gòu)對其布置方法的影響。因此，在考慮適用性的基礎上，可以借鑒和改良安全、環(huán)境學科中粉塵濃度探測的光散射法，為電氣設備中粉塵探測和規(guī)律研究提供新的思路。

對于微米級粉塵的時空運動特性，薛乃凡等[11]綜述了研究中亟須攻克的技術(shù)問題和有待研究的方向。梁瑞雪等發(fā)現(xiàn)了微米級粉塵的吸附行為和“沙塵暴”現(xiàn)象，并提出了粉塵的吸附機制[12]。但是，在微米級粉塵的濃度探測方法和演化規(guī)律上的研究有待深入[13]。

綜上所述，微米級粉塵的探測手段缺失，在耦合場中的濃度時空演化規(guī)律和擊穿特性尚不清晰。因此，本文基于光散射原理搭建微米級粉塵彌散濃度探測系統(tǒng)，定量獲得了粉塵濃度信息，進而總結(jié)了不同影響因素下粉塵濃度的演化規(guī)律。在此基礎上，研究了粉塵粒徑、材質(zhì)和初始質(zhì)量對擊穿電壓的影響，以及濃度與擊穿電壓的關系，以期為微米級粉塵危險程度評估和電氣設備的絕緣設計提供依據(jù)。

1 探測微米級粉塵彌散濃度的光散射原理

光散射是指光束在傳播過程中，通過不均勻介質(zhì)時會出現(xiàn)偏離光束原傳播方向的現(xiàn)象[14]。對于直徑與入射光波長相近的粉塵，其產(chǎn)生的散射現(xiàn)象是Mie散射。G. Mie利用Maxwell方程求解了均勻介質(zhì)中各向同性的均勻球形粉塵對單色平面波的散射，這種嚴格的光散射理論稱為Mie散射理論[15-16]，是粉塵濃度計算的理論基礎。

在PM2.5、礦場粉塵監(jiān)測等實際工程現(xiàn)場中，散射法是粉塵濃度探測的重要方法。電氣設備中產(chǎn)生的微米級粉塵形狀各異，但是可以等效成球形從而利用Mie散射理論進行求解分析[17]。根據(jù)Mie散射理論，單個直徑為的粉塵散射光強為

式中，為入射光波長；0為入射光強；為觀測點至粉塵散射中心的距離；為散射角；為粉塵的無因次因子，=π/；為光束傳播介質(zhì)的相對折射率；1、2為散射光的強度函數(shù)，分別表示平行、垂直于散射面的分量，是關于、和的函數(shù)。

對于微米級粉塵，其粒徑較小，當粉塵的三倍粒徑小于其相互之間距離時，粉塵發(fā)生不相關的單散射[18]。此時，對于同一粒徑的微米級粉塵群，總散射光通量是單個粉塵散射光通量的疊加，即

式中，為探測區(qū)域內(nèi)微米級粉塵的數(shù)量。

在體積為的探測空間內(nèi)，定義微米級粉塵的彌散濃度為

式中，為探測空間微米級粉塵的總質(zhì)量。對于單個粒徑為的微米級粉塵，其質(zhì)量=π3/6，此時粉塵的數(shù)量可以表示為

代入式（3）并整理得

式中，為粉塵的彌散系數(shù)，即單位光通量下的粉塵彌散濃度。越大，表示單位光通量下的粉塵彌散濃度值越大。

對于耦合場中運動的微米級粉塵，散射光通量與粉塵的空間彌散濃度呈現(xiàn)一定的數(shù)學關系。探測系統(tǒng)決定著散射光通量與電壓之間的比例關系，因此可以通過探測系統(tǒng)的輸出電壓值唯一反映微米級粉塵的彌散濃度。

2 粉塵彌散濃度探測系統(tǒng)設計

2.1 探測系統(tǒng)設計方案

平板電極具有操作簡單、便于探測系統(tǒng)布置、有利于開展大量實驗等優(yōu)點[19]，能夠驗證方法的可行性?，F(xiàn)有的研究表明，微米級粉塵在不同氣體類型和氣壓下的運動呈現(xiàn)相同的規(guī)律[20]，因此本文采用平板電極在空氣中進行實驗。

本文設計的平板電極微米級粉塵彌散濃度探測實驗平臺如圖1所示。實驗平臺包括電路部分和光路部分。其中，電路部分由高壓電源、平板電極、金屬微米級粉塵和接地裝置組成。平板電極由兩塊直徑為15 cm的鋁制圓形極板和有機玻璃支撐結(jié)構(gòu)組成，板間距是可調(diào)結(jié)構(gòu)，本文設置為3 cm。與上下極板連接的引線分別與高壓電源和接地裝置相連接，形成完整的電氣回路。高壓電源輸出直流電，在信號發(fā)生器驅(qū)動高壓放大器后，經(jīng)保護電阻施加在平板電極上。

圖1 平板電極微米級粉塵彌散濃度探測實驗平臺

探測系統(tǒng)的光路部分由探測光路和散射光路組成。探測光路包括He-Ne激光器和擴束鏡。激光器發(fā)出的激光直徑為0.8 mm，經(jīng)過8倍擴束鏡后，形成一個直徑為6.4 mm的圓形光斑。平板電極的極板直徑為150 mm，因此探測光的光程為150 mm。形成的檢測區(qū)域是底面半徑為3.2 mm、高為150 mm的圓柱體范圍，探測區(qū)域的中心位于平板電極上下極板圓心連線的垂直平分線上。搭建的系統(tǒng)本質(zhì)上檢測的是探測區(qū)域中粉塵的空間質(zhì)量濃度。由于粉塵在電氣設備中并不是均勻分散的，因此探測區(qū)域的擴大能夠檢測更多平板電極內(nèi)的粉塵信息，從而獲得更準確的彌散濃度信息和變化規(guī)律。散射光路由平凸透鏡組、平衡探測器和鎖相放大器組成。平凸透鏡組由兩塊相同的平凸透鏡組成，按照凸平-平凸的順序放置，通過準直-聚焦的過程將更多的粉塵散射光聚焦到平衡探測器上，增加散射光信號的大小。這里平衡探測器僅使用單孔，以實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換和放大信號。平衡探測器將信號傳輸?shù)芥i相放大器中，經(jīng)過內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理后，得到表征粉塵彌散濃度的電壓信號波形。

本文在選擇探測系統(tǒng)的激光源時，仿真分析了散射光強的分布規(guī)律。紅光作用下粉塵的散射光強分布較為集中，有利于采集散射光。因此選用輸出激光波長為632.8 nm的He-Ne激光器（HNL100RB）作為入射光源。該波長的紅光不易受自然光的干擾，消光系數(shù)大，輸出的光束穩(wěn)定且功率高，因此探測系統(tǒng)的抗干擾能力較強，同時使用可見光也降低了調(diào)試探測系統(tǒng)光路的難度。采用仿真方法研究粒徑為10 000目（1.5 μm）、2 000目（7.5 μm）和1 000目（15 μm）粉塵的散射特性，粉塵的散射光強變化如圖2所示。圖2a中橫坐標為散射角度，縱坐標為散射光強，由于球體的對稱性，只分析0°～180°的規(guī)律。圖2b是粉塵散射光強分布的偽彩色圖，橫坐標為粒徑，縱坐標為散射角度，圖中顏色表示該粒徑和該散射角度下的散射光強大小。仿真結(jié)果表明，粉塵的散射光強在60°附近較大。此時，平凸透鏡組和平衡探測器組成的散射光路能夠避開平板電極上下極板的支撐結(jié)構(gòu)，從而減小電氣設備和其他器壁對粉塵散射光的干擾。在布置探測系統(tǒng)時，激光器、檢測區(qū)域、平凸透鏡組和平衡探測器中心位于同一垂直高度上。實驗過程中同時布置高速相機，記錄粉塵的彌散運動和放電過程等信息。

圖2 不同粒徑粉塵的散射光強分布

2.2 實驗方法與條件

選用粒徑分別為10 000目、2 000目和1 000目的球形度較好、粒徑相近的粉塵作為實驗對象，所有實驗均在大氣壓下進行。

本文的實驗包括探測系統(tǒng)輸出與粉塵濃度的關系確定實驗和彌散濃度演化實驗。在關系確定實驗中，將粉塵均勻分散在蒸餾水中，配制一系列已知濃度的溶液，將已知濃度作為探測系統(tǒng)輸出的濃度真值。蒸餾水的透光率很高，選用的比色皿尺寸參數(shù)為：長15 cm、寬2 cm、高5 cm，在光程為15 cm的情況下開展實驗，與平板電極的極板直徑相等，模擬粉塵在帶電實驗時極板間的分布情況。比色皿的透光率大于95%，降低器壁對散射光的影響。實驗在粉塵充分分散時進行，避免由于重力使粉塵沉降在比色皿底部帶來的誤差。實驗時連接光路部分、斷開電路部分，將已知濃度的粉塵溶液置于檢測光敏區(qū)，此時探測系統(tǒng)輸出與該濃度對應的電信號值。對不同濃度、不同粒徑的粉塵溶液實驗5次，取平均值作為該濃度對應的電信號大小。

彌散濃度演化實驗中，彌散濃度受到施加電壓大小、加壓時間、粉塵粒徑、粉塵初始質(zhì)量等因素的影響，每組實驗只改變一個變量，分析不同因素對濃度變化的影響。每次實驗前，使用真空干燥箱將微米級粉塵充分干燥，避免水分對散射光造成影響。打開激光器15 min后再進行實驗，保證實驗時激光器發(fā)出穩(wěn)定的光束。實驗后用帶有酒精的絲綢充分擦拭上下極板和平衡探測器的光孔，并待酒精完全揮發(fā)后再次進行實驗，避免殘余電荷和粉塵附著對下一組實驗的影響。每次實驗時粉塵的初始質(zhì)量和初始放置位置保持一致。粉塵布置初始位置示意圖如圖3所示，將粉塵呈條形平整布置在光敏區(qū)下方的地電極直徑上，減小粉塵布置不均勻?qū)μ綔y結(jié)果的影響。這樣的布置方法能夠使更多的粉塵進入檢測光敏區(qū)，探測系統(tǒng)可感受到更多的粉塵散射光。

本文采用兩種加壓方式開展實驗。在升壓實驗中，為準確地觀察升壓過程中粉塵濃度的變化情況，升壓速度大約為0.5 kV/s，直至出現(xiàn)氣隙擊穿。在持續(xù)加壓實驗中，為完整地觀察某電壓作用下的濃度變化過程，采用快速加壓的方式，升壓速度約為 5 kV/s，升至指定電壓后保持加壓20 min。

通過實驗和理論分析[21-22]發(fā)現(xiàn)，光散射法探測粉塵彌散濃度的誤差來源包括：①環(huán)境噪聲。在實驗時，由于散射光較弱，易受到外界環(huán)境光和偶然雜散光源的干擾，探測系統(tǒng)所在平面的振動也會影響散射光測量結(jié)果。②系統(tǒng)儀器導致的誤差。雖然設計探測系統(tǒng)時采用了穩(wěn)定性較高的He-Ne激光器作為入射光源，但發(fā)出的激光仍存在波動。③粉塵在氣隙中的分布造成的誤差。當待測區(qū)域中的粉塵發(fā)生不相關的單散射時，可以應用光散射原理探測粉塵濃度。但在耦合場作用下，粉塵的荷電運動具有隨機性，兩顆粉塵可能出現(xiàn)間距過小的情況，不滿足發(fā)生不相關單散射的條件，轉(zhuǎn)為發(fā)生復散射，這會使測量結(jié)果偏離理論值，帶來誤差。④粉塵初始狀態(tài)造成的誤差。每次實驗前，盡量保證粉塵的初始質(zhì)量和布置位置一致，但由于稱量、擺放等過程，導致每次實驗的粉塵初始狀態(tài)存在差異。因此，在研究單個參數(shù)對彌散特性的影響時，分別做5組重復實驗，減小上述因素帶來的誤差。

2.3 探測系統(tǒng)輸出與粉塵濃度的關系

根據(jù)本文第1節(jié)中的理論推導，對于確定的粉塵和探測系統(tǒng)，粉塵的彌散濃度和電壓信號為線性關系。在此基礎上，通過實驗建立探測系統(tǒng)輸出與粉塵濃度的關系，即需要確定粉塵的彌散系數(shù)。通過改變粉塵的質(zhì)量，配制一系列已知濃度的粉塵溶液，逐一放入探測系統(tǒng)的檢測區(qū)域中，獲得粉塵濃度與探測系統(tǒng)輸出電壓信號一一對應的數(shù)據(jù)點。2 000目粉塵的實驗結(jié)果如圖4所示。用最小二乘法擬合這些數(shù)據(jù)點，可得到探測系統(tǒng)的輸出電壓信號與粉塵濃度之間的關系曲線。

圖4 探測系統(tǒng)的粉塵濃度-輸出電壓信號實驗結(jié)果

分別對10 000目、2 000目和1 000目的鋁粉開展標定實驗，擬合后結(jié)果如圖5所示。得到的標定曲線決定系數(shù)2分別為0.994、0.970和0.987，擬合效果較好，且對應不同粒徑粉塵的曲線斜率存在差異，因此探測系統(tǒng)可以用于檢測不同粒徑的粉塵。10 000目、2 000目和1 000目對應的濃度檢測曲線函數(shù)分別為

圖5 不同粒徑粉塵的濃度曲線擬合結(jié)果

為進一步檢驗探測系統(tǒng)的精度，配置與標定實驗點不同濃度的粉塵溶液，將探測系統(tǒng)輸出的電壓信號代入濃度-輸出電壓信號標定曲線表達式，比較輸出值與濃度真值，計算兩者的差值。經(jīng)過多次實驗比對，探測系統(tǒng)輸出值與濃度真值之間的差值均小于10%，因此，搭建的探測系統(tǒng)能夠定量檢測粉塵濃度。檢測結(jié)果出現(xiàn)偏差可能由多種因素導致，包括檢測系統(tǒng)器件（如He-Ne激光器的輸出功率波動）帶來的誤差、粉塵間距較小時發(fā)生復散射、真值曲線擬合過程中引入的誤差、光學器件對散射光的削弱等。

基于光散射原理搭建粉塵的彌散濃度探測平臺，當入射光波長選為632.8 nm時，可以實現(xiàn)微米級粒徑粉塵的檢測，獲得不同粒徑、不同材質(zhì)粉塵的光散射特性。因此通過上述探測系統(tǒng)輸出與粉塵濃度的關系確定方法，可以確定不同粉塵在交流或直流電壓作用下的彌散系數(shù)，從而實現(xiàn)對不同粒徑粉塵彌散濃度的定量檢測。

3 微米級粉塵彌散濃度的時空演化特性

當施加電壓超過啟舉電壓后，粉塵受到多物理場的作用在空間中運動，并吸附在高壓電極等位置。為便于描述，稱粉塵在空間中的運動為微米級粉塵的彌散，粉塵的彌散濃度可以描述粉塵在平板電極間彌散運動的特征。

3.1 影響微米級粉塵彌散濃度時空演化的關鍵因素

微米級粉塵尺度小，相比毫米級粉塵，當粉塵在平板電極間運動時，直接使用高速相機拍照等方法難以獲得粉塵圖像。因此，利用設計的探測平臺，激光器發(fā)出的高功率光束通過擴束鏡后形成圓柱體檢測區(qū)域，當粉塵運動到檢測區(qū)域中時，會出現(xiàn)散射光，此時使用高速相機拍攝平板電極中粉塵的圖片，同時散射光轉(zhuǎn)換的電信號波形也呈現(xiàn)在示波器中。

在沒有粉塵時，系統(tǒng)輸出僅有底噪信號。當平衡探測器感受到由于粉塵產(chǎn)生的散射光時，會輸出幅值較高的信號，幅值反映此時的散射光強大小，即包含著粉塵彌散濃度的信息。

微米級粉塵的彌散濃度時空演化受到多種因素的影響，其中加壓方式、加壓時間、粉塵的粒徑和初始質(zhì)量是關鍵因素。將2 000目的鋁粉放置在平板電極中，開展升壓實驗和持續(xù)加壓實驗，并在升壓實驗中改變粉塵的粒徑和初始質(zhì)量，配合鎖相放大器輸出的波形與相機拍攝的圖像，觀察微米級粉塵在均勻場中的彌散濃度時空變化過程和特性。

3.1.1 升壓和持續(xù)加壓對彌散濃度演化的影響

手動調(diào)節(jié)高速相機與檢測光敏區(qū)的距離，使檢測區(qū)在相機的視場中。升壓實驗中，粉塵濃度在升壓瞬間產(chǎn)生較為明顯的變化，并且隨著施加正極性電壓的增大，圖像中檢測區(qū)域亮度呈現(xiàn)先變亮后變暗的過程，表征微米級粉塵彌散濃度的變化，如圖6所示。在持續(xù)加壓實驗中，對平板電極施加20 kV電壓20 min，粉塵的變化過程如圖7所示。比較 20 min內(nèi)不同時刻的圖像差異，發(fā)現(xiàn)彌散濃度呈現(xiàn)“快速升高—緩慢下降—穩(wěn)定”的變化規(guī)律。在電壓達到20 kV初期，粉塵快速完成彌散運動和吸附過程，彌散濃度達到峰值。金屬粉塵吸附在上極板后，部分粉塵經(jīng)過極板傳導充電，荷電粉塵的極性改變，在重力、電場力等作用下，逐漸沉降在下極板上。最后隨著加壓時間的增加，只有少量粉塵在高壓電極和地電極間循環(huán)充電、運動，在空間中重復彌散運動，穩(wěn)定后濃度略高于升壓前的數(shù)值。

圖6 升壓實驗中粉塵濃度變化過程

圖7 持續(xù)加壓實驗中粉塵濃度變化過程

實驗結(jié)果表明，微米級粉塵在平板電極中的運動主要分為三種：①一部分粉塵在達到啟舉電壓后向高壓電極運動，在靜電或微觀力作用下吸附在高壓電極上；②另一部分粉塵由于帶有同種電荷，會在地電極中均勻分散，形成粉塵層；③最后一部分粉塵在平板電極間做往復的彌散運動[23]，粉塵濃度隨著施加電壓的增大呈現(xiàn)“穩(wěn)定—上升—下降”的規(guī)律，隨加壓時間的延長彌散運動粉塵數(shù)量逐漸降低。當加壓時間超過15 min后，只有少量粉塵彌散運動，粉塵在上下極板的吸附和擴散基本結(jié)束，粉塵的分布達到穩(wěn)定狀態(tài)。

3.1.2 粉塵粒徑對彌散濃度峰值的影響

分別使用10 000目、2 000目和1 000目的鋁粉開展升壓實驗，將彌散濃度隨電壓的定量變化關系繪制在圖8中。不同粒徑粉塵的彌散濃度隨電壓升高的變化規(guī)律相似，均經(jīng)歷穩(wěn)定、上升和下降三個階段，出現(xiàn)彌散濃度峰值。彌散濃度峰值的大小和其出現(xiàn)的電壓與粉塵的粒徑有關，10 000目粉塵出現(xiàn)彌散濃度峰值時的電壓為16 kV，2 000目和1 000目分別為22 kV和30 kV。粉塵粒徑越小，出現(xiàn)彌散濃度峰值的電壓越小，且對應的濃度峰值越大。

圖8 粒徑對粉塵彌散濃度的影響

由于粉塵初始位置不同，粉塵堆頂部受電場畸變產(chǎn)生的電場力更大，更容易啟舉，因此在較低電壓時，彌散濃度出現(xiàn)略微增大的現(xiàn)象。隨著電壓持續(xù)升高，粉塵堆中大量粉塵達到啟舉條件，彌散濃度逐漸增加到最大值。此時再升高電壓，只有少量粉塵在空間中往復運動，粉塵的彌散濃度出現(xiàn)下降的趨勢。因此，粉塵的彌散濃度在演化過程中出現(xiàn)了峰值。當平板電極氣隙發(fā)生擊穿時，由于放電產(chǎn)生的能量，粉塵會再次向平板電極空間中運動，此時出現(xiàn)粉塵濃度略微增大的現(xiàn)象。

粉塵在平板電極形成的均勻場中運動時，受到重力、電場力等作用。同種粉塵的粒徑越大，質(zhì)量越大。當外施電壓為正極性直流電時，地電極上的粉塵在電場作用下帶負極性電荷。當受到的電場力大于重力后，粉塵向高壓電極運動。在濃度下降階段，一部分帶負極性電荷的粉塵運動到高壓電極后，由于傳導帶電，粉塵帶正電荷，此時電場力方向改變，與重力共同作用下使粉塵向地電極運動。將粉塵等效為球形，1 000目、2 000目、10 000目粉塵受到電場力和重力的數(shù)量級[24]見表1。

表1 粉塵所受電場力和重力及其數(shù)量級

Tab.1 Electric field force and gravity of dust and their orders of magnitude

對于10 000～1 000目的粉塵，受到的電場力數(shù)量級為10-10～10-8N，受到的重力數(shù)量級為10-15～10-12N，重力與電場力相比，所占權(quán)重較小。隨著粒徑的增大，雖然重力在濃度下降過程中所占權(quán)重增大，但電場力仍是影響粉塵運動的主要因素。

3.1.3 粉塵初始質(zhì)量對彌散濃度演化的影響

不同初始質(zhì)量的2 000目粉塵在正極性電壓下的彌散濃度變化如圖9所示?？梢姡跏假|(zhì)量不同，不改變粉塵濃度變化的基本趨勢，但會影響粉塵濃度的峰值和氣隙擊穿電壓大小。初始質(zhì)量越大，初始粉塵的數(shù)量越多，在達到啟舉條件后，同時在空間中彌散的粉塵數(shù)量越多，因此探測系統(tǒng)接收到的散射光強越大，表征的彌散濃度峰值也越大，對應的氣隙擊穿電壓越小，平板電極更容易發(fā)生擊穿，反映的危險程度越強。

圖9 初始質(zhì)量對粉塵彌散濃度的影響

本文設計和搭建的微米級粉塵探測實驗平臺結(jié)合高速相機和示波器信息，能夠檢測是否有粉塵存在，并在實驗研究的基礎上分析了金屬微米級粉塵的彌散濃度變化過程和彌散特性，定量表征了微米級粉塵彌散濃度的時空演化規(guī)律。

應用光散射法檢測粉塵的彌散濃度原理簡單，測量準確度較高，已經(jīng)在環(huán)境PM2.5的檢測、礦場顆粒物監(jiān)測等領域廣泛應用，在檢測氣體絕緣設備中的粉塵濃度上具有應用潛力。本文針對實驗室條件下的平板電極設計了檢測光路和檢測平臺的布置方法，實現(xiàn)了粉塵濃度的在線定量檢測。對于氣體絕緣設備，在設計光路時需要考慮其復雜的物理結(jié)構(gòu)，保證光路的完整，減少其他器壁對散射光的干擾。因此，探測光路和散射光路需要在開設觀察窗的條件下搭建，并進一步研究光在穿過空氣、觀察窗玻璃等介質(zhì)時的散射光變化。

3.2 微米級粉塵彌散運動的特殊現(xiàn)象

粉塵在平板電極間彌散運動時，存在“團聚啟舉”的特殊現(xiàn)象，如圖10所示。地電極粉塵堆中的部分粉塵團聚在一起向高壓電極運動，發(fā)生團聚啟舉現(xiàn)象，粉塵團進入檢測區(qū)后被激光照射發(fā)出散射光，如圖10a所示。團聚啟舉的粉塵最終吸附在高壓電極上，如圖10b所示。平板電極氣隙發(fā)生擊穿時伴隨著在兩極板間彌散運動的粉塵，放電路徑中以及靠近放電路徑的位置也存在粉塵。在高壓電極上吸附的粉塵團和地電極粉塵堆之間形成放電路徑，此時放電路徑中和平板電極間仍存在運動的粉塵，如圖10c所示。最后，放電使平板電極內(nèi)粉塵荷電量增大、運動劇烈程度增強，進一步致使空間電場畸變，引發(fā)更大范圍的放電現(xiàn)象，使荷電粉塵向不同方向飛濺，如圖10d所示。

出現(xiàn)團聚啟舉現(xiàn)象時，粉塵等效粒徑增大、相互間距離減小，導致粉塵濃度探測值出現(xiàn)偏差。粉塵團吸附在高壓電極上引發(fā)電場畸變，減小了氣隙擊穿的距離，降低了平板電極氣隙的絕緣水平[25-26]。粉塵團聚啟舉可能是由于微觀作用力的存在，但是其出現(xiàn)的具體原因和粉塵團受力情況尚不清晰，該現(xiàn)象發(fā)生的臨界條件和內(nèi)在機理仍需深入研究。

從本文的分析可知，應用光散射法原理搭建的濃度探測平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)粉塵彌散濃度的在線定量檢測，可進一步為GIS/GIL運行過程中微米級粉塵的監(jiān)測提供思路。通過探測平臺判斷是否有粉塵存在、檢測粉塵濃度變化并發(fā)現(xiàn)特殊現(xiàn)象，也為微米級粉塵的危險程度評估提供了基礎。

4 結(jié)論

1）本文在光散射原理的基礎上，搭建了適用于平板電極中金屬微米級粉塵的彌散濃度探測系統(tǒng)，提供了彌散系數(shù)的確定方法。結(jié)合仿真分析粉塵散射特性，探測系統(tǒng)選用輸出激光波長為632.8 nm的He-Ne激光器，最優(yōu)散射光接收角為60°。實驗證明，探測系統(tǒng)檢測誤差小于10%。

2）粉塵粒徑和初始質(zhì)量是影響粉塵彌散濃度變化的重要因素。在升壓過程中，粉塵彌散濃度呈現(xiàn)“穩(wěn)定—上升—下降”的變化規(guī)律。彌散濃度存在峰值現(xiàn)象，當粒徑減小時，出現(xiàn)峰值所需要的電壓更小，濃度峰值越大。隨著初始粉塵質(zhì)量的增加，彌散濃度也呈現(xiàn)峰值對應電壓減小、濃度值增大的規(guī)律。對于微米級粉塵，粒徑越小或初始質(zhì)量越大，彌散濃度幅值越大，對應的危險程度也越大。

3）粉塵在運動過程中存在“團聚啟舉”的特殊現(xiàn)象。粉塵團聚啟舉可能是由于微觀作用力的存在。出現(xiàn)團聚啟舉時，粉塵團最終吸附在高壓電極上引發(fā)電場畸變，減小了氣隙擊穿的距離，降低了平板電極氣隙的絕緣水平。

4）本文通過實驗研究，研制了微米級粉塵濃度探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了粉塵的定量檢測，驗證了方法的可行性，初步厘清了升壓過程、加壓時間、粉塵粒徑、初始質(zhì)量對彌散濃度演化的影響規(guī)律，分析了粉塵彌散濃度的時空演化特性，發(fā)現(xiàn)了粉塵團聚啟舉的特殊現(xiàn)象。為GIL/GIS等電氣設備中微米級金屬污染物的監(jiān)測提供了技術(shù)思路，也為進一步探究微米級粉塵的運動特性和危險程度評估提供了基礎。

[1] 常亞楠, 耿秋鈺, 胡智瑩, 等. 直流電應力下線形微粒飛螢運動物理機制與臨界起始判據(jù)[J]. 電工技術(shù)學報, 2023, 38(3): 648-658. Chang Yanan, Geng Qiuyu, Hu Zhiying, et al. Physical mechanism and critical starting criterion of wire particle firefly movement under DC electric stress[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(3): 648-658.

[2] 趙軍, 陳維江, 邊凱, 等. 特高壓GIL管廊短路故障條件空間磁場分布特性[J]. 高電壓技術(shù), 2021, 47(5): 1866-1871. Zhao Jun, Chen Weijiang, Bian Kai, et al. Distribution characteristics of spatial magnetic field in UHV GIL gallery in short-circuit fault condition[J]. High Voltage Engineering, 2021, 47(5): 1866-1871.

[3] Ren Hanwen, Li Qingmin, Wang Zhongdong. An improved calibration method for the measurement of space charge inside insulating materials[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2020, 69(4): 1652-1663.

[4] 梁瑞雪, 劉衡, 胡琦, 等. GIS/GIL內(nèi)微米級金屬粉塵動力學行為與誘發(fā)放電特性研究進展[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(22): 7153-7166. Liang Ruixue, Liu Heng, Hu Qi, et al. Research advances in the kinetic behavior and induced discharge characteristics of micron metal dust within GIS/GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(22): 7153-7166.

[5] 韓智云, 鄒亮, 辛喆, 等. 直流GIL絕緣子環(huán)氧樹脂/碳納米管復合涂層關鍵物理性能的分子動力學模擬[J]. 電工技術(shù)學報, 2018, 33(20): 4692-4703, 4721. Han Zhiyun, Zou Liang, Xin Zhe, et al. Molecular dynamics simulation of vital physical properties of epoxy/carbon nanotube composite coatings on DC GIL insulators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(20): 4692-4703, 4721.

[6] 張興輝, 常文治, 杜非, 等. GIS局部放電多特征量傳感研究進展[J]. 高壓電器, 2022, 58(4): 8-16. Zhang Xinghui, Chang Wenzhi, Du Fei, et al. Research progress of multi-physics sensing in partial discharge of GIS[J]. High Voltage Apparatus, 2022, 58(4): 8-16.

[7] Mie G. Grundlagen einer theorie der materie[J]. Annalen Der Physik, 1912, 342(3): 511-534.

[8] 張淑玲. 基于光散射法的粉塵濃度監(jiān)測儀的研究[D]. 沈陽: 東北大學, 2018. Zhang Shuling. Research on dust concentration monitor based on light scattering method[D]. Shenyang: Northeastern University, 2018.

[9] 宋熠金. 基于光散射法柴油車尾氣顆粒物質(zhì)量濃度傳感器的研制[D]. 杭州: 中國計量學院, 2014. Song Yijin. Development of exhaust mass concentration sensor of diesel engine based on light scattering[D]. Hangzhou: China Jiliang University, 2014.

[10] 趙濟坤. 基于光散射法的煙塵發(fā)生及濃度測量裝置[D]. 太原: 太原理工大學, 2017. Zhao Jikun. Design of dust generation and concentration measurement device based on light scattering method[D]. Taiyuan: Taiyuan University of Technology, 2017.

[11] 薛乃凡, 李慶民, 劉智鵬, 等. 微納粉塵運動行為與微弱放電探測技術(shù)研究進展[J]. 電工技術(shù)學報, 2022, 37(13): 3380-3392. Xue Naifan, Li Qingmin, Liu Zhipeng, et al. Research advances of the detection technology for kinetic behavior and weak discharge of the micro-nano dust[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(13): 3380-3392.

[12] 梁瑞雪, 王健, 胡琦, 等. 直流GIL盆式絕緣子附近微米級金屬粉塵的動力學行為與吸附機制研究[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(4): 1387-1396, 1429. Liang Ruixue, Wang Jian, Hu Qi, et al. Study on kinetic behavior and adsorption mechanism of the micron metal dust near the basin-type insulator in DC GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(4): 1387-1396, 1429.

[13] Kuwahara H, Inamura S, Watanabe T, et al. Effect of solid impurities on breakdown in compressed SF6gas[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1974, PAS-93(5): 1546-1555.

[14] 左晨澤. 基于單顆粒光散射法的氣溶膠顆粒粒徑測量的理論與實驗研究[D]. 天津: 天津大學, 2018. Zuo Chenze. The study on the theory and experiment of aerosol particle size measurement based on light scattering method by single particle[D]. Tianjin: Tianjin University, 2018.

[15] 陳思睿. 懸浮體系偏振散射表征的理論和實用性研究[D]. 北京: 清華大學, 2018. Chen Sirui. Research on polarization and scattering identification theory and practical application of suspended particles[D]. Beijing: Tsinghua University, 2018.

[16] Wiscombe W J. Improved Mie scattering algorithms[J]. Applied Optics, 1980, 19(9): 1505.

[17] 劉邦宇, 張秀再, 徐茜. 煤煙凝聚粒子對量子衛(wèi)星通信性能的影響[J]. 光學學報, 2020, 40(3): 175-182. Liu Bangyu, Zhang Xiuzai, Xu Xi. Influence of soot agglomerated particles on quantum satellite communication performance[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(3): 175-182.

[18] Tamborini E, Cipelletti L. Multiangle static and dynamic light scattering in the intermediate scattering angle range[J]. Review of Scientific Instruments, 2012, 83(9): 093106.

[19] 王健, 平安, 常亞楠, 等. 直流應力下主動式微粒抑制方法的動態(tài)配合研究[J]. 電工技術(shù)學報, 2023, 38(10): 2794-2805, 2831. Wang Jian, Ping An, Chang Yanan, et al. Research on dynamic coordination of active particles suppression methods under DC stress[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(10): 2794-2805, 2831.

[20] 律方成, 劉宏宇, 陰凱, 等. 直流GIL不均勻場中金屬微粒運動的數(shù)值模擬及放電特性分析[J]. 中國電機工程學報, 2017, 37(10): 2798-2806. Lü Fangcheng, Liu Hongyu, Yin Kai, et al. Numerical simulation and discharge characteristic analysis of metallic particle motion in non-uniform electric field of DC GIL[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(10): 2798-2806.

[21] 陳棟. 顆粒特性對光散射法在線測量顆粒物質(zhì)量濃度的影響研究[D]. 武漢: 華中科技大學, 2019. Chen Dong. Investigation of the effect of particle characteristics on real-time measurement of particulatemass concentration with the light scattering method[D].Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2019.

[22] Chen Dong, Liu Xiaowei, Han Jinke, et al. Measurements of particulate matter concentration by the light scattering method: optimization of the detection angle[J]. Fuel Processing Technology, 2018, 179: 124-134.

[23] 季洪鑫. 交流運行電壓下GIS中金屬顆粒運動行為及放電特征[D]. 北京: 華北電力大學, 2017. Ji Hongxin. Study on movement behavior and discharge characterisitic of metal particle in GIS under AC operating voltage[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2017.

[24] 柳冠青. 范德華力和靜電力下的細顆粒離散動力學研究[D]. 北京: 清華大學, 2011. Liu Guanqing. Discrete element methods of fine particle dynamics in presence of van der Waals and electrostatic forces[D]. Beijing: Tsinghua University, 2011.

[25] 王健. 直流GIL金屬微粒的荷電運動機制與治理方法研究[D]. 北京: 華北電力大學, 2017. Wang Jian. Research on the moving mechanisms of charged metal particles in DC GIL and suppressing methods[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2017.

[26] 胡智瑩, 耿秋鈺, 魏來, 等. 直流GIS/GIL中驅(qū)趕電極與微粒陷阱的協(xié)同抑制作用及優(yōu)化設計方法[J]. 電工技術(shù)學報, 2023, 38(12): 3338-3349. Hu Zhiying, Geng Qiuyu, Wei Lai, et al. Synergistic inhibitory effect and optimal design method of driving electrode and particle trap in DC GIS/GIL[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2023, 38(12): 3338-3349.

Detection Method and Spatial-Temporal Evolution Characteristics Analysis of Micron Dust Dispersion Concentration under Flat Electrodes

Xue Naifan1Wei Lai2Li Qingmin2Wang Yuan2Yang Ruicheng1

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

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 ‘a(chǎn)gglomeration 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 ‘a(chǎn)gglomeration 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.

Micron level dust, light scattering method, concentration detection, dispersion characteristics, spatio-temporal evolution

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230667

TM852

國家重點研發(fā)計劃（2021YFB2601404）和國家自然科學基金（52127812, 51929701）資助項目。

2023-05-15

2023-07-16

薛乃凡 男，1994年生，博士研究生，研究方向為金屬微粒和粉塵防護等。E-mail：18612332728@163.com

李慶民 男，1968年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓與絕緣技術(shù)、先進輸電技術(shù)等。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）

（編輯 李 冰）