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高壓直流（High Voltage Direct Current, HVDC）氣體絕緣傳輸線（Gas Insulated transmission Line, GIL）具有運(yùn)行損耗小、輸送容量大等優(yōu)異特性，在遠(yuǎn)距離能源輸送方面優(yōu)勢明顯。然而，氣體絕緣設(shè)備的頻繁故障已經(jīng)對長期運(yùn)行的在役設(shè)備造成巨大安全隱患。

據(jù)國家電網(wǎng)公司運(yùn)行故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計，由于GIL內(nèi)部存在金屬異物而導(dǎo)致的故障占比近70%。而且在故障氣室中通常以μm級（1～100μm）金屬粉塵為主，少有大尺寸且形狀理想的金屬微粒。金屬粉塵在電場極化作用下極易吸附在絕緣子表面，引發(fā)的放電行為可由不易探測的微弱放電逐步發(fā)展，最終形成絕緣子沿面的貫穿性放電，金屬粉塵是GIL中絕緣子絕緣失效的“元兇”。

現(xiàn)有研究指出，金屬粉塵吸附于絕緣子表面的動力學(xué)過程，與絕緣子表面的電荷分布特性關(guān)聯(lián)緊密，因此調(diào)控絕緣子表面電荷分布行為可能有助于粉塵治理，是抑制金屬粉塵吸附行為的潛在方法。目前，主要的表面電荷調(diào)控方法包括：絕緣子本體材料的納米摻雜修飾、表面氟化處理或等離子體處理以及絕緣子表面涂覆。

環(huán)氧樹脂與多數(shù)無機(jī)納米粒子具有良好的相容性且環(huán)氧基復(fù)合材料間易于粘結(jié)，因此在表面覆制納米復(fù)合涂層的方法具有天然優(yōu)勢且易于付諸工程應(yīng)用。其中，碳化硅（SiC）作為一種典型的非線性電導(dǎo)率無機(jī)填料，可使環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電導(dǎo)率隨電場呈現(xiàn)自適應(yīng)的特點，可同時實現(xiàn)沿面絕緣強(qiáng)度強(qiáng)化與微粒吸附抑制。

此外，由于μm級金屬粉塵質(zhì)量小，通過調(diào)控涂層材料與金屬粉塵間的微觀相互作用力，降低材料間的本征相互作用強(qiáng)度，也可能在抑制μm級粉塵吸附方面起到重要作用。納米二氧化鈦（nano-TiO2）因比表面積高，具有較低的表面能，能夠與各種材料可靠配合，并表現(xiàn)出獨特的自清潔特性。

雖然，基于表面涂層的電荷調(diào)控技術(shù)、自清潔材料制備技術(shù)已較為成熟，但少有分析其對金屬粉塵吸附行為抑制作用的有效性。通過引入納米復(fù)合涂層來抑制金屬粉塵吸附，可為減少由金屬粉塵引起的絕緣失效提供嶄新思路。

新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室（華北電力大學(xué)）、國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司常州運(yùn)維站的科研人員王靖瑞、李慶民、劉衡、王健、倪瀟茹，在2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文，選用納米碳化硅（nano-SiC）和蒙脫土-納米二氧化鈦（MMT-nano-TiO2），分別從調(diào)控表面電荷和改善表面粘黏性能的角度，設(shè)計了兩種納米復(fù)合涂層。

圖1 納米復(fù)合涂層材料的制備方法

科研人員搭建了粉塵吸附觀測實驗平臺，研究了不同納米粒子及其摻雜比例對涂層表面金屬粉塵吸附分布的影響。進(jìn)一步建立金屬粉塵受力分析模型，分析了金屬粉塵顆粒由啟舉、飛行到吸附三個階段的動力學(xué)過程，結(jié)合涂層表面電荷分布特征、表面粘附特性與納米粒子濃度的關(guān)聯(lián)規(guī)律，揭示了納米復(fù)合涂層對金屬粉塵吸附行為的抑制機(jī)制。

圖2 金屬粉塵在不同涂層表面的典型分布

圖3 金屬粉塵顆粒的運(yùn)動吸附機(jī)理

他們的研究結(jié)果表明：

1）金屬粉塵在絕緣子表面的吸附分布具有三大共性特征：①金屬粉塵在絕緣子表面的累積吸附均呈弧形帶狀分布；②粉塵“主帶”下側(cè)靠近地電極部分基本不吸附金屬粉塵；③在“主帶”上、下兩側(cè)的粉塵集中程度逐漸降低并呈擴(kuò)散狀。

2）金屬粉塵的運(yùn)動吸附過程可劃分為啟舉、飛行和吸附三個階段。電場力是粉塵啟舉的驅(qū)動力；電場力和庫侖力主導(dǎo)了粉塵趨向涂層表面飛行運(yùn)動過程，該過程與涂層表面電荷分布特性聯(lián)系緊密，并決定了粉塵的帶狀分布模式；粘附力影響粉塵的碰撞吸附行為，待粉塵中的電荷完成遷移過程，粘附力與摩擦力維持粉塵穩(wěn)定吸附。

3）粉塵吸附量與分布范圍主要取決于區(qū)域Ⅱ表面電荷積聚程度，同時受區(qū)域Ⅲ表面電荷造成的空間電場畸變影響。因兩種涂層中SEP4和MEP6表面電荷分布特性較優(yōu)且電荷積聚量最少，因此其表面粉塵分布范圍較小、吸附量較少。

4）摻入MMT-TiO2有效提升了MEP涂層的抗粘黏特性，而SiC使SEP涂層表面更易粘附粉塵。以環(huán)氧基體粘附功為參考，MEP粘附功整體較SEP涂層低10%左右，鑒于相同納米摻雜比例下兩種涂層表面電荷密度相差較小，使得MEP涂層抑制粉塵吸附的效果整體略優(yōu)于SEP涂層，其中MEP6表現(xiàn)出最優(yōu)的抑制粉塵吸附性能。

科研人員指出，由于絕緣介質(zhì)表面不可避免地會積聚電荷，金屬粉塵的吸附行為是無法杜絕的。但通過在絕緣子表面引入適當(dāng)?shù)募{米復(fù)合涂層，合理地抑制表面電荷積聚、提升表面抗粘黏特性，可有效抑制金屬粉塵的吸附，減小粉塵分布范圍及吸附量，進(jìn)而有效降低金屬粉塵造成絕緣子沿面絕緣失效的風(fēng)險。本研究的相關(guān)成果為提升絕緣子表面絕緣強(qiáng)度與絕緣可靠性提供了新的思路。

本文編自2022年第12期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“納米復(fù)合涂層對微米級金屬粉塵吸附行為的抑制作用”。本課題得到了國家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的支持。