华北电力大学王媛、杨睿成 等：直流GIS/GIL内微纳粉尘弥散浓度分布特性及对气隙击穿强度的影响

阅读提示：本文约 2300 字

在气体绝缘全封闭组合电器/气体绝缘金属封闭输电线路（GIS/GIL）的制造、运输、服役过程中，会不可避免地产生并积聚微米级及更小尺寸的金属粉尘，这种微小尺度的粉尘难以检测且其弥散运动特性呈现随机特征，是诱发气隙击穿的潜在威胁原因之一。 华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室李庆民教授团队在微米级与纳米级粉尘光散射特性的基础上，设计了粉尘弥散浓度的光探测系统，实现了误差小于5%的定量探测。同时厘清了多因素对粉尘弥散浓度的影响，得到了击穿电压和弥散浓度值之间的关联规律，为进一步评估微纳粉尘弥散运动对GIS/GIL安全运行的危险程度提供理论依据。

研究背景

中国超/特高压输电技术发展迅猛，GIS/GIL以其走廊选择灵活、传输容量大等优势被认为是构建新型电力系统的重要载体。但随机性强、隐蔽性高的微纳粉尘诱发的绝缘故障是导致GIS/GIL运行失效的主要原因。

现有的研究多聚焦于金属微粒运动，缺乏适用于微米级与纳米级粉尘的可视化探测技术；且相较于成熟的毫米级微粒诱发绝缘击穿的研究，目前关于微纳级别粉尘诱发绝缘击穿的关联规律探索尚属起步阶段。故亟须探索基于微纳粉尘弥散特性的新型探测平台，并对其空间弥散浓度时空演化规律与击穿电压之间的关系开展进一步研究。

论文所解决的问题及意义

本文聚焦于直流GIS/GIL内微纳粉尘弥散运动特性，设计了微纳粉尘光学弥散浓度探测系统，实现对微纳粉尘时空浓度分布的定量探测。并研究了加压方式、粉尘粒径等多种因素对微纳粉尘弥散浓度分布特性的影响规律，探究了粉尘弥散浓度与气隙击穿强度之间的关联规律。该研究成果可为实现直流开关设备/输电管道内微纳粉尘弥散浓度的有效探测与危险程度评估提供方法基础和科学依据，从而采取针对性措施提升电气设备的绝缘性能，保障GIS/GIL在电力系统中的安全稳定运行。

论文方法及创新点

本文针对直流GIS/GIL中微纳粉尘难以检测且易诱发绝缘故障的问题，提出了基于光散射原理的粉尘弥散浓度定量探测方法，通过搭建同轴圆柱电极实验平台，结合632.8 nm氦氖激光器和90°散射角光路设计，实现了50 nm~15 μm微纳粉尘误差小于5%的在线监测。

图1 基于GIS/GIL的微纳粉尘弥散浓度探测系统

图2 粉尘浓度探测光敏区的斜二测视图

研究发现粉尘弥散浓度存在“先升后降”的极值效应，并明确击穿易发生于浓度峰值80%时的临界条件，为绝缘故障预警提供了新依据。系统阐明了粉尘粒径、材质、初始质量及电场极性对弥散运动的影响，证实纳米级粉尘及铝粉对绝缘威胁更大，为设备安全设计提供了理论支撑。

结论

本文基于米散射法原理，设计了粉尘弥散浓度探测系统，实现了对微纳粉尘的定量探测。并利用探测系统开展了标定实验与粉尘弥散演化特性研究实验，并揭示了粉尘运动特性与气隙击穿强度的内在关联规律。

实验结果表明，微纳粉尘在电场作用下呈现独特的"先升后降"弥散规律，当浓度降至峰值80%时击穿风险显著增加；同时发现粉尘粒径越小、初始质量越大，对绝缘强度的削弱效应越显著，其中最大可使击穿电压值降低36.7%。

研究还系统阐明了粉尘材质、初始位置及电场极性等因素的影响规律，证实铜粉的危险性低于铝粉，而正极性电场下的粉尘运动存在明显滞后效应。该研究成果为GIS/GIL设备的绝缘状态监测、故障预警及防护设计提供了重要的理论依据和实践指导，对提升电力设备运行可靠性具有重要工程应用价值。

图3 粉尘弥散运动与气隙击穿过程

团队介绍

面向国家未来电网发展的重大技术需求，先进输电装备与智能化研究团队依托华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室、高电压与电磁兼容北京市重点实验室等科研平台，先后主持国家重点研发计划1项、国家自然科学基金19项（其中重大和重点4项、原创探索项目1项）、国家重大专项课题1项、973计划和863计划子课题4项以及各类科研课题80余项，重点针对高压交直流GIS/GIL、高性能绝缘与电接触材料、光电子学微纳传感与测量、量子物理传感设计、新能源系统雷击物理及防护等方向开展创新研究。团队现有专职教师4人，其中教授1人，副教授2人，讲师1人；研究生90余人，其中博士研究生12人，硕士研究生80余人。

本工作成果发表在2025年第5期《电工技术学报》，论文标题为“直流GIS/GIL内微纳粉尘弥散浓度分布特性及对气隙击穿强度的影响“。本课题得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金和中央高校基本科研业务费专项资金的支持。

引用本文

王媛, 杨睿成, 苏宝亮, 李玄, 薛乃凡, 李庆民. 直流GIS/GIL内微纳粉尘弥散浓度分布特性及对气隙击穿强度的影响[J]. 电工技术学报, 2025, 40(5): 1601-1613. Wang Yuan, Yang Ruicheng, Su Baoliang, Li Xuan, Xue Naifan, Li Qingmin. Characterization of Diffuse Concentration Distribution of Micron-Nano Dust in DC GIS/GIL and the Effect on Air Gap Breakdown Strength. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(5): 1601-1613.

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