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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(shì)明顯。然而，氣體絕緣設(shè)備的頻繁故障已經(jīng)對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行的在役設(shè)備造成巨大安全隱患。

據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司運(yùn)行故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jí)（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(chǎng)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(cè)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(dòng)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(shì)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(chǎng)呈現(xiàn)自適應(yīng)的特點(diǎn)，可同時(shí)實(shí)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(jí)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(jí)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(dú)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(duì)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)）、國(guó)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(bào)》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(jì)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(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究了不同納米粒子及其摻雜比例對(duì)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(gè)階段的動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)吸附過程可劃分為啟舉、飛行和吸附三個(gè)階段。電場(chǎng)力是粉塵啟舉的驅(qū)動(dòng)力；電場(chǎng)力和庫(kù)侖力主導(dǎo)了粉塵趨向涂層表面飛行運(yùn)動(dòng)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(shí)受區(qū)域Ⅲ表面電荷造成的空間電場(chǎng)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(huì)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(xiǎn)。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(bào)》，論文標(biāo)題為“納米復(fù)合涂層對(duì)微米級(jí)金屬粉塵吸附行為的抑制作用”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和北京市自然科學(xué)基金的支持。