高压直流（High Voltage Direct Current, HVDC）气体绝缘传输线（Gas Insulated transmission Line, GIL）具有运行损耗小、输送容量大等优异特性，在远距离能源输送方面优势明显。然而，气体绝缘设备的频繁故障已经对长期运行的在役设备造成巨大安全隐患。
据国家电网公司运行故障数据统计，由于GIL内部存在金属异物而导致的故障占比近70%。而且在故障气室中通常以μm级（1～100μm）金属粉尘为主，少有大尺寸且形状理想的金属微粒。金属粉尘在电场极化作用下极易吸附在绝缘子表面，引发的放电行为可由不易探测的微弱放电逐步发展，最终形成绝缘子沿面的贯穿性放电，金属粉尘是GIL中绝缘子绝缘失效的元凶。
现有研究指出，金属粉尘吸附于绝缘子表面的动力学过程，与绝缘子表面的电荷分布特性关联紧密，因此调控绝缘子表面电荷分布行为可能有助于粉尘治理，是抑制金属粉尘吸附行为的潜在方法。目前，主要的表面电荷调控方法包括：绝缘子本体材料的纳米掺杂修饰、表面氟化处理或等离子体处理以及绝缘子表面涂覆。
环氧树脂与多数无机纳米粒子具有良好的相容性且环氧基复合材料间易于粘结，因此在表面覆制纳米复合涂层的方法具有天然优势且易于付诸工程应用。其中，碳化硅（SiC）作为一种典型的非线性电导率无机填料，可使环氧树脂复合材料电导率随电场呈现自适应的特点，可同时实现沿面绝缘强度强化与微粒吸附抑制。
此外，由于μm级金属粉尘质量小，通过调控涂层材料与金属粉尘间的微观相互作用力，降低材料间的本征相互作用强度，也可能在抑制μm级粉尘吸附方面起到重要作用。纳米二氧化钛（nano-TiO2）因比表面积高，具有较低的表面能，能够与各种材料可靠配合，并表现出独特的自清洁特性。
虽然，基于表面涂层的电荷调控技术、自清洁材料制备技术已较为成熟，但少有分析其对金属粉尘吸附行为抑制作用的有效性。通过引入纳米复合涂层来抑制金属粉尘吸附，可为减少由金属粉尘引起的绝缘失效提供崭新思路。
新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）、国网江苏省电力有限公司检修分公司常州运维站的科研人员王靖瑞、李庆民、刘衡、王健、倪潇茹，在2022年第12期《电工技术学报》上撰文，选用纳米碳化硅（nano-SiC）和蒙脱土-纳米二氧化钛（MMT-nano-TiO2），分别从调控表面电荷和改善表面粘黏性能的角度，设计了两种纳米复合涂层。
图1 纳米复合涂层材料的制备方法
科研人员搭建了粉尘吸附观测实验平台，研究了不同纳米粒子及其掺杂比例对涂层表面金属粉尘吸附分布的影响。进一步建立金属粉尘受力分析模型，分析了金属粉尘颗粒由启举、飞行到吸附三个阶段的动力学过程，结合涂层表面电荷分布特征、表面粘附特性与纳米粒子浓度的关联规律，揭示了纳米复合涂层对金属粉尘吸附行为的抑制机制。
图2 金属粉尘在不同涂层表面的典型分布
图3 金属粉尘颗粒的运动吸附机理
他们的研究结果表明：
1）金属粉尘在绝缘子表面的吸附分布具有三大共性特征：①金属粉尘在绝缘子表面的累积吸附均呈弧形带状分布；②粉尘主带下侧靠近地电极部分基本不吸附金属粉尘；③在主带上、下两侧的粉尘集中程度逐渐降低并呈扩散状。
2）金属粉尘的运动吸附过程可划分为启举、飞行和吸附三个阶段。电场力是粉尘启举的驱动力；电场力和库仑力主导了粉尘趋向涂层表面飞行运动过程，该过程与涂层表面电荷分布特性联系紧密，并决定了粉尘的带状分布模式；粘附力影响粉尘的碰撞吸附行为，待粉尘中的电荷完成迁移过程，粘附力与摩擦力维持粉尘稳定吸附。
3）粉尘吸附量与分布范围主要取决于区域Ⅱ表面电荷积聚程度，同时受区域Ⅲ表面电荷造成的空间电场畸变影响。因两种涂层中SEP4和MEP6表面电荷分布特性较优且电荷积聚量最少，因此其表面粉尘分布范围较小、吸附量较少。
4）掺入MMT-TiO2有效提升了MEP涂层的抗粘黏特性，而SiC使SEP涂层表面更易粘附粉尘。以环氧基体粘附功为参考，MEP粘附功整体较SEP涂层低10%左右，鉴于相同纳米掺杂比例下两种涂层表面电荷密度相差较小，使得MEP涂层抑制粉尘吸附的效果整体略优于SEP涂层，其中MEP6表现出最优的抑制粉尘吸附性能。
科研人员指出，由于绝缘介质表面不可避免地会积聚电荷，金属粉尘的吸附行为是无法杜绝的。但通过在绝缘子表面引入适当的纳米复合涂层，合理地抑制表面电荷积聚、提升表面抗粘黏特性，可有效抑制金属粉尘的吸附，减小粉尘分布范围及吸附量，进而有效降低金属粉尘造成绝缘子沿面绝缘失效的风险。本研究的相关成果为提升绝缘子表面绝缘强度与绝缘可靠性提供了新的思路。
本文编自2022年第12期《电工技术学报》，论文标题为纳米复合涂层对微米级金属粉尘吸附行为的抑制作用。本课题得到了国家自然科学基金和北京市自然科学基金的支持。
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