交流電壓下氣固界面電荷積聚與放電特性研究進(jìn)展

張貴新 李大雨,2 王天宇

交流電壓下氣固界面電荷積聚與放電特性研究進(jìn)展

張貴新1李大雨1,2王天宇1

（1. 清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系 北京 100084 2. 陸軍炮兵防空兵學(xué)院 鄭州 450052）

在高電壓長時(shí)間作用下，固體絕緣表面容易積聚電荷，并有可能誘發(fā)絕緣子沿面閃絡(luò)，進(jìn)而影響電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。研究交流電壓下固體絕緣表面的電荷積聚特點(diǎn)及放電特性，對于提高絕緣子的沿面閃絡(luò)電壓、改善絕緣子制造水平等都具有重要意義。該文結(jié)合目前正在進(jìn)行的研究工作，針對當(dāng)前交流電壓作用下電荷積聚和放電特性研究中的關(guān)鍵問題，如電荷測量方法、電荷積聚原因、分布特點(diǎn)、影響因素以及表面電荷與沿面閃絡(luò)電壓的關(guān)系等進(jìn)行闡述，對近年來相關(guān)的電荷積聚與放電特性研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，并對下一步的研究工作進(jìn)行展望并提出建議，旨在為未來交流電壓作用下絕緣子表面電荷的相關(guān)研究提供參考。

交流電壓 氣固界面 表面電荷 閃絡(luò)

0 引言

絕緣子在高壓電氣設(shè)備中通常起著機(jī)械支撐和絕緣隔離的雙重作用，其性能直接影響著電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行[1-2]。研究表明，絕緣子表面電荷積聚有可能造成其絕緣強(qiáng)度的下降，甚至誘發(fā)沿面閃絡(luò)[3-5]。長期以來，對于直流電壓作用下的電荷積聚機(jī)理、電荷積聚對閃絡(luò)電壓的影響以及相應(yīng)的調(diào)控及抑制措施等方面，學(xué)者開展了較多的研究，并得出了一些具有指導(dǎo)性的結(jié)論[6-8]。但是相比較而言，目前對交流電壓作用下絕緣子表面電荷積聚特性的研究還比較少，所得到的研究結(jié)論也不完全一致[9]。這是因?yàn)楹椭绷黛o電場相比，由于交流電壓不斷變化的電場特性，造成表面電荷的不確定性，而且其運(yùn)動(dòng)行為也更為復(fù)雜，從而影響研究人員對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析[10]。但是在工程實(shí)際中，交流電壓下表面電荷對電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來的影響也不容忽視。已經(jīng)有研究指出，交流氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）和氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated Transmission Line, GIL）中的一些異常閃絡(luò)事故可能與絕緣子表面積聚電荷有關(guān)[11-12]。1996年，遼寧營口華能電廠的交流220kV GIS盆式絕緣子發(fā)生沿面閃絡(luò)，文獻(xiàn)[13]對其進(jìn)行分析后認(rèn)為這是由于表面電荷積聚引起絕緣子沿面閃絡(luò)電壓下降所致。2016年，北京東1 000kV特高壓變電站在調(diào)試期間也出現(xiàn)過隔離開關(guān)合閘時(shí)GIL母線上盆式絕緣子和支柱絕緣子沿面閃絡(luò)的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)的調(diào)查報(bào)告也認(rèn)為該現(xiàn)象可能與絕緣子表面電荷的積聚有關(guān)[14]。德黑蘭大學(xué)的J. Mahmoodi研究組通過數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法研究了交流和直流電壓作用與聚合物絕緣子表面電荷分布之間的關(guān)系，明確指出絕緣子沿面閃絡(luò)電壓與表面電荷有關(guān)[15]。因此，研究交流電壓作用下固體絕緣子表面電荷積聚特性以及表面電荷對閃絡(luò)電壓的影響，對工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

本文作者在閱讀大量相關(guān)文獻(xiàn)及進(jìn)行技術(shù)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合目前正在開展的工作，對交流電壓下氣固界面電荷積聚與放電特性研究進(jìn)展情況進(jìn)行綜述。主要分析了交流電壓下絕緣子表面電荷的常用測量方法，并從絕緣子表面電荷的來源、電荷分布特點(diǎn)、影響因素以及表面電荷存在對沿面閃絡(luò)電壓的影響等方面進(jìn)行了詳細(xì)的歸納總結(jié)。最后結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀以及存在的問題，對未來的相關(guān)研究工作給出展望。

1 交流電壓作用下絕緣子表面電荷測量方法

現(xiàn)有技術(shù)條件下，絕緣子表面電荷仍不能被直接觀測，而必須借助其他手段進(jìn)行表征。目前交流電壓下絕緣子表面電荷的研究方法主要有兩種：一種是以粉塵圖和靜電探頭為代表的離線靜態(tài)測量方法；一種是以Pockles電光效應(yīng)為代表的在線動(dòng)態(tài)測量方法[16]。

粉塵圖法是一種可以將電荷分布進(jìn)行可視化的方法[17-18]。較早采用該方法對電荷進(jìn)行顯示的是學(xué)者Villarsy，他將紅色的四氧化三鉛和黃白的硫磺粉末混合，用于判斷絕緣材料表面帶電的類型和電荷分布的形狀[19]。1985年，日本學(xué)者Y. Yamano用該方法顯示了交流電壓下發(fā)生局部放電后圓筒狀PVC材料的絕緣子表面電荷積聚現(xiàn)象[20]。清華大學(xué)的徐洋則利用黑色正極性碳粉與紅色負(fù)極性碳粉的混合粉末作為帶電粉塵，研究了交流110kV 支柱絕緣子在空氣、N2和SF6氣體中表面的電荷積聚情況，較清晰地顯示了其“簾幕狀”和“紡錘狀”的電荷分布特點(diǎn)[21]，如圖1所示。本課題組在電荷積聚研究中，也曾利用紅色帶正電的粉塵對交流電壓下平板絕緣子表面電荷的測量結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，顯示出絕緣子表面的負(fù)極性電荷圓環(huán)狀的分布特點(diǎn)[16]。

圖1 粉塵圖顯示的支柱絕緣子表面電荷分布[21]

靜電探頭法是一種離線測量方法，它包括無源靜電探頭法和有源靜電探頭法兩種。其中無源靜電探頭法采用靜電分壓的方法測量絕緣子表面電位分布，然后通過計(jì)算獲取表面電荷的密度[22]。華北電力大學(xué)的齊波、耿弼博、邢照亮等則利用該方法研究了交流電壓下220kV盆式絕緣子表面的電荷積聚特性[23-25]，獲得了GIS盆式絕緣子表面電荷分布特點(diǎn)，如圖2所示。

有源靜電探頭主要由一個(gè)電容探頭和靜電計(jì)組成，它通過振動(dòng)反饋過程獲得探頭與被測表面間電位的平衡，從而實(shí)現(xiàn)對絕緣子表面電位的測量[26]。加拿大學(xué)者S. M. Elkhodary利用電容探頭和610C Keithley型靜電計(jì)測量了交流電壓下丙烯酸玻璃柱狀絕緣子表面的電荷積聚，分別測得SF6、空氣和氟利昂氣體中的絕緣子表面電荷密度[27]。天津大學(xué)的杜伯學(xué)等利用該方法研究了交流和脈沖聯(lián)合作用下環(huán)氧樹脂絕緣子表面的電位分布，得到電荷動(dòng)態(tài)特性與交流電壓幅值之間的關(guān)系[28-29]。本課題組則利用該方法研究了針-板電極結(jié)構(gòu)下平板絕緣子和同軸電極結(jié)構(gòu)下錐形絕緣子表面的電荷積聚現(xiàn)象，得到兩種情況下絕緣子表面電荷的分布特點(diǎn)[16,30]，如圖3所示。

Pockels效應(yīng)法主要利用某些透明晶體的折射率隨外加電場線性變化的特性來測量電荷分布。當(dāng)光線穿過該晶體時(shí)，由于材料各處不同折射率的作用，光線穿出后，通過光學(xué)手段可以獲取相位差的分布信息，再通過反算相位差信息即可得到電荷分布[31-32]。西安交通大學(xué)的穆海寶課題組利用Pockels電光效應(yīng)原理，通過施加1個(gè)周期的交流電壓信號，研究了交流電壓放電過程中，不同材料的薄膜絕緣子在大氣條件下的電荷分布隨時(shí)間的變化規(guī)律[33]，部分結(jié)果如圖4所示。

圖4 一個(gè)交流電壓周期內(nèi)聚偏氟乙烯表面電荷分布[33]

上述三種測量方法利用不同的原理實(shí)現(xiàn)了固體絕緣介質(zhì)表面電荷測量，為交流電壓下電荷積聚研究提供了有力的工具。但同時(shí)它們也存在如下不足：粉塵圖法無法對絕緣子表面電荷密度進(jìn)行定量測量，同時(shí)噴灑的粉塵會對原來的電荷造成破壞；Pockels效應(yīng)法的應(yīng)用范圍受限，目前只適用于透明的薄膜絕緣材料；靜電探頭法不能實(shí)現(xiàn)表面電荷的在線測量，且空間分辨率不高[34-35]。在未來的研究中，設(shè)法尋找一種新的電荷測量技術(shù)，使其可以將Pockels效應(yīng)法和靜電探頭法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，將會給交流電壓下電荷積聚特性研究帶來幫助。

2 交流電壓下氣固界面電荷積聚特點(diǎn)及影響因素

2.1 絕緣氣體對電荷積聚的影響

研究指出，氣體的壓力和環(huán)境氛圍的差別對絕緣材料的表面放電現(xiàn)象有很大的影響，對應(yīng)于不同的氣壓階段有著不同的放電機(jī)理，如碰撞電離、電子發(fā)射和表面電荷積聚等[18]。而在交流GIL和GIS等電力絕緣設(shè)備中，不同介質(zhì)的絕緣氣體會具有不同的放電特性[36-37]，同樣也會對電荷的積聚產(chǎn)生一定的影響。

2.1.1 空氣中電荷積聚特點(diǎn)

T. S. Sudarshan等研究發(fā)現(xiàn)，空氣中交流電壓作用下固體絕緣表面既包含正電荷也包含負(fù)電荷[38]。T. Jing和S. M. Elkhodary等則認(rèn)為交流電壓下表面電荷積聚的主要特點(diǎn)是正、負(fù)極性電荷并存，且負(fù)極性電荷多于正極性電荷[39-40]。此后耿弼博、汪沨、魯楊飛等的研究也都得出了類似的結(jié)論[24,41-42]。

S. M. Elkhodary對該現(xiàn)象的解釋是：由于氣體發(fā)生微放電時(shí)的極性效應(yīng)，負(fù)極性電壓下放電更為容易；另外，基于電子的遷移率比正離子的遷移率高等原因，造成絕緣子表面的電荷分布以負(fù)電荷為主[27]。杜伯學(xué)研究組對此現(xiàn)象的解釋是：電暈放電產(chǎn)生的負(fù)電荷大都為電子，正電荷為離子。電子的質(zhì)量較小，在電場的作用下更容易獲得加速運(yùn)動(dòng)并到達(dá)試樣表面。由于交流電壓的每個(gè)負(fù)半周期內(nèi)注入試樣的負(fù)電荷數(shù)量都大于正半周內(nèi)注入試樣的正電荷數(shù)量，因此隨著施加交流電壓的時(shí)間增加，試樣表面會積累大量的負(fù)電荷[28-29]。

S. M. Elkhodary等研究發(fā)現(xiàn)了交流電壓作用下電荷積聚與直流電壓作用下的區(qū)別，得出固體絕緣表面正負(fù)極性電荷并存的結(jié)論。但是，該研究只是對交流電壓下電荷積聚特性的初步探索，進(jìn)一步研究交流電壓作用下固體絕緣表面電荷的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律，對于提高沿面閃絡(luò)電壓、保護(hù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2.1.2 電負(fù)性氣體中電荷積聚特點(diǎn)

電負(fù)性氣體是指具有較強(qiáng)捕捉自由電子能力，從而形成負(fù)離子并削弱其放電能力的氣體。在高壓電力系統(tǒng)中，作為傳統(tǒng)絕緣氣體較常使用的是SF6，而目前被廣大研究者認(rèn)為最具有潛力替代SF6的是C4F7N氣體[43]。荷蘭的T. Jing 和P. H. F. Morshuis等較早地研究了SF6氣體中圓柱形絕緣子表面的電荷積聚現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在交流電壓作用下，絕緣子表面的電荷以負(fù)極性為主，但電荷積聚量（電荷密度）較直流或沖擊電壓下小得多[39,44]。徐洋的研究指出，在SF6氣體中支柱絕緣子表面更容易積聚負(fù)電荷，但和空氣中相比，負(fù)電荷的分布范圍要小[21]。華北電力大學(xué)的耿弼博、李成榕課題組通過施加5～80kV的交流電壓，研究了0.4MPa SF6氣體中GIS中盆式絕緣子表面電荷積聚現(xiàn)象，得出結(jié)論為SF6容易與放電產(chǎn)生的電子結(jié)合并沉積在絕緣子表面，所以絕緣子表面電荷的分布以負(fù)電荷為主[24]。本課題組則開展了純C4F7N氣體及C4F7N/CO2混合氣體中平板絕緣子表面電荷積聚研究，并和SF6、空氣等進(jìn)行了對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是純C4F7N氣體還是C4F7N/CO2混合氣體中，絕緣子表面大多積聚負(fù)極性電荷。在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，純C4F7N氣體中的絕緣子表面電荷分布范圍和電荷密度小于SF6氣體[45]，C4F7N和SF6氣體中固體絕緣表面電荷對比如圖5所示。而在C4F7N/CO2混合氣體中，其電荷分布范圍和電荷密度均比空氣中要小[46-47]，空氣和C4F7N/CO2混合氣體中電荷積聚對比如圖6所示。

圖5 C4F7N和SF6氣體中固體絕緣表面電荷對比[45]

對電負(fù)性氣體中電荷分布特點(diǎn)的解釋是：電負(fù)性氣體具有較強(qiáng)的吸附特性，能夠?qū)⒆杂呻娮游皆谄渫鈱与娮榆壍郎闲纬韶?fù)離子[48]。因?yàn)檫@些負(fù)離子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于電子，因此減弱了負(fù)電荷的擴(kuò)散作用；另外，由于電負(fù)性氣體的分子量和分子直徑一般都比較大，那些未被吸附的電子在和這些電負(fù)性氣體的分子相遇時(shí)，也會容易引起分子發(fā)生極化等過程，增加能量損失[49]。上述原因都會使這些電子或負(fù)離子在到達(dá)絕緣子表面并被陷阱捕獲之前的移動(dòng)范圍減小，造成附著在絕緣子表面的電荷分布范圍較小。同時(shí)，由于負(fù)離子質(zhì)量大，在電場力作用下移動(dòng)速度較慢，很容易和正離子發(fā)生復(fù)合，使氣體中帶電質(zhì)點(diǎn)減少，因此電荷密度也較低[46]。

圖6 空氣和C4F7N/CO2混合氣體中電荷積聚對比[46]

對交流電壓下電負(fù)性氣體中電荷積聚特性以及積聚原因分析的研究，是SF6替代氣體在氣體絕緣設(shè)備中應(yīng)用的可行性研究中的一個(gè)重要內(nèi)容。進(jìn)一步明確電負(fù)性氣體放電機(jī)理和電荷變化規(guī)律，對于推進(jìn)新型環(huán)保氣體替代SF6在工程實(shí)際中的應(yīng)用具有重要意義[50-51]。

2.2 交流電壓相位對電荷積聚的影響

需要指出的是，之前多數(shù)學(xué)者在研究交流電壓下固體絕緣表面電荷積聚特性時(shí)，只測量了電壓去除以后表面電荷的最終分布，并沒有考慮到交流電壓的相位對電荷積聚的影響，或者由于無法準(zhǔn)確控制交流電壓斷電時(shí)的相位，導(dǎo)致相關(guān)研究結(jié)論較少[45]。德國學(xué)者S. Tenbohlen的研究結(jié)果表明，交流電壓下絕緣子表面的電荷分布和發(fā)生局部放電時(shí)的電壓相位存在聯(lián)系，電極附近的電荷和放電時(shí)的電壓同極性[52]。本課題組在研究中提出了一種“相位控制電荷測量法”，通過精確控制交流電壓的截?cái)嘞辔?，并測量與之對應(yīng)的電荷分布，獲得不同形狀的絕緣子表面電荷分布隨交流電壓截?cái)嘞辔蛔兓奶攸c(diǎn)和輸運(yùn)規(guī)律[21]，交流電壓不同截?cái)嘞辔慌c對應(yīng)的平板絕緣子表面電荷分布如圖7所示。該研究證明了交流電壓作用下的電荷積聚是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過程，任意時(shí)刻的電荷分布和交流電壓的相位密切相關(guān)，這和Pockles效應(yīng)法觀察到的結(jié)果是一致的。

圖7 交流電壓不同截?cái)嘞辔慌c對應(yīng)的平板絕緣子表面電荷分布[21]

以上研究表明，把交流電壓的相位與對應(yīng)的電荷分布聯(lián)系起來，可以得到表面電荷分布隨相位發(fā)生變化的特點(diǎn)，符合交變的電場特性必然會對電荷分布帶來影響的實(shí)際情況。該方法對未來交流電壓下電荷積聚特性研究具有一定的指導(dǎo)作用。

2.3 電壓幅值和作用時(shí)間對電荷積聚的影響

由于電荷積聚是電暈放電或局部放電的結(jié)果，故電荷特性必然受所施電壓的影響。耿弼博的研究結(jié)果認(rèn)為，交流電壓作用下，隨著電壓幅值的增加，表面電荷分布特點(diǎn)變化不大，但電荷量（電荷密度）隨之增加；隨著電壓作用時(shí)間的增加，電荷量整體呈上升趨勢，但分布形狀基本不變[24]。杜伯學(xué)課題組的研究結(jié)果則表明：交流電壓作用后，絕緣子初始表面電位為負(fù)值，且絕對值隨著交流電壓幅值的增加而增加，即交流電壓幅值越高，表面負(fù)電荷量越大[28-29]。S. M. Elkhodary等認(rèn)為絕緣子表面的電荷積聚是交流電壓作用時(shí)間的函數(shù)，飽和電荷密度與外加交流電壓幅值呈線性關(guān)系[40]。齊波課題組的研究結(jié)論為：隨著交流電壓幅值的增加，絕緣子表面電荷密度呈現(xiàn)先升高再減小并趨于穩(wěn)定的趨勢，并且隨著電壓作用時(shí)間的增加，表面電荷的積聚更為明顯[23]。本課題組通過將固體絕緣表面電荷分布與交流電壓截?cái)嘞辔唤Y(jié)合起來分析發(fā)現(xiàn)，在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)電壓幅值和截?cái)嘞辔幌嗤?，僅電壓作用時(shí)間不同時(shí)，絕緣子表面電荷分布特點(diǎn)和分布范圍大致相同；當(dāng)截?cái)嘞辔幌嗤瑫r(shí)，電荷分布范圍和電荷密度隨電壓幅值增加而增加；而當(dāng)交流電壓截?cái)嘞辔浑S機(jī)時(shí)，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)表明，絕緣子表面正負(fù)電荷密度均呈現(xiàn)上下波動(dòng)的變化特點(diǎn)，不隨電壓幅值和電壓作用時(shí)間的增加而增加。故認(rèn)為交流電壓下絕緣子表面電荷分布受電壓作用時(shí)間的影響較?。磺矣捎诮涣麟妷赫?fù)半周放電所產(chǎn)生的電荷會發(fā)生中和，故表面電荷積聚不會隨電壓作用時(shí)間增加出現(xiàn)飽和[30,45]。

可以看出，由于影響表面電荷分布的因素較多，如果在研究過程中只考慮電壓幅值的變化，得到的電荷分布會具有一定的隨機(jī)性，這也是不同研究者得到的結(jié)論尚不一致的原因。因此，在研究交流電壓下固體絕緣表面電荷積聚特性的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種因素，尤其是交流電壓相位的影響。

2.4 固體絕緣材料特性對電荷積聚的影響

絕緣子表面電荷積聚實(shí)質(zhì)上是局部放電或電暈放電時(shí)，所產(chǎn)生的大量帶電粒子（包括電子和正離子）在電場力的作用下向絕緣子的表面遷移并被表面陷阱所俘獲，所以電荷積聚特點(diǎn)和絕緣子自身特性密切相關(guān)[53]。研究指出，相對于材料本身特性，絕緣材料表面的特性起到更加重要的作用。這些表面特性有表面粗糙度、表面能、表面缺陷和表面殘余應(yīng)力等[54]。

西安交大穆海寶課題組利用Pockles效應(yīng)法分析對比了五種不同聚合物材料表面電荷分布的差異后，認(rèn)為材料表面粗糙度對表面放電和表面電荷的積累影響比較顯著，材料的禁帶寬度、表面層電離能、介電常數(shù)和厚度等的差異也都影響著表面電荷的分布[18]。華北電力大學(xué)的魯陽飛等利用針-棒電極結(jié)構(gòu)和PI薄膜絕緣材料，探究了交流電壓下材料物化缺陷特性對表面電荷積聚的影響，得出結(jié)論為絕緣子表面的物理缺陷和分子降解產(chǎn)生的化學(xué)缺陷的變化會改變絕緣材料的表面陷阱特性，為材料表面電荷的持續(xù)積聚提供了可能[42]。華北電力大學(xué)的王璁研究認(rèn)為，絕緣材料表面電荷積聚和其介電常數(shù)有關(guān)，介電常數(shù)越大，電荷積聚量越多[55]。本課題組則利用針-板電極和平板型絕緣子研究了硅橡膠（Silicone Rubber, SIR）、純環(huán)氧樹脂（Epoxy Resin, EP）和微米氧化鋁摻雜的環(huán)氧樹脂（Al2O3-EP）三種材料的絕緣子表面電荷積聚特性。發(fā)現(xiàn)在同樣的實(shí)驗(yàn)條件下，無論是正電荷還是負(fù)電荷，表面電荷密度大小順序均為Al2O3-EP＞EP＞SIR。利用等溫電流衰減法測量其表面陷阱特性后發(fā)現(xiàn)，三種絕緣材料的電子和空穴陷阱密度大小順序與表面電荷密度大小順序正好一致，故得出結(jié)論為絕緣子表面電荷積聚與其表面陷阱密度密切相關(guān)[16]。

研究指出，由于聚合物材料內(nèi)部不可避免地存在許多物理缺陷和化學(xué)缺陷，形成了電子或空穴陷阱，為電荷積聚提供了條件[54]。以上研究表明固體絕緣表面電荷積聚與絕緣材料的陷阱特性有著一定的聯(lián)系，但是它們之間的定量關(guān)系以及怎樣利用該特性抑制電荷積聚，仍有待深入研究。

2.5 電荷積聚的其他影響因素

一些研究還發(fā)現(xiàn)，交流電壓下影響電荷積聚的因素還包括電壓頻率[49]、電極結(jié)構(gòu)[24]、電極表面粗糙度[44]、氣體氛圍[56]以及絕緣子表面絕緣缺陷程度[20]等。本文作者通過研究C4F7N/CO2混合氣體中的電荷積聚現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隨著混合氣體中C4F7N所占比例的變化或者混合氣體壓強(qiáng)的變化，絕緣子表面電荷分布范圍和電荷密度也會隨之變化[45]。此外，表面電荷的積聚過程和分布特點(diǎn)還可能會受到溫度、濕度等條件的影響[57-59]，這些都是在工程實(shí)際應(yīng)用中需要考慮的問題。

3 交流電壓下電荷積聚原因

關(guān)于高電壓作用下絕緣子表面電荷積聚的原因，研究者認(rèn)為主要包括以下幾個(gè)方面：場致發(fā)射、局部放電、固體介質(zhì)夾層極化、電導(dǎo)率分布不均勻或非線性以及絕緣子表面金屬微粒等[60]。但是，由于交流電壓電場特性是周期性不斷變化的，其電荷積聚機(jī)理和直流電壓下存在顯著差異。目前比較普遍的觀點(diǎn)是交流電壓下絕緣子表面電荷的主要來源是電極或絕緣子表面局部放電或電暈放電產(chǎn)生的帶電粒子[44,61]。汪沨等對此的解釋是：由于交流電壓沒有穩(wěn)定持續(xù)的電壓作用，再加上固體介質(zhì)內(nèi)部帶電粒子缺乏，所以由固體介質(zhì)內(nèi)部電導(dǎo)率及介電常數(shù)不均勻和場致發(fā)射產(chǎn)生的電荷可以忽略不計(jì)，因此局部放電或電暈放電成了電荷積聚的主要來源[41]。該觀點(diǎn)也得到了華北電力大學(xué)齊波等的支持[23]。

研究還發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致局部放電或電暈放電，從而影響交流電壓下電荷積聚的主要因素可以歸納為以下三個(gè)方面：①電極表面粗糙度較大或存在金屬突起。T. Jing等的研究結(jié)果表明，在SF6氣體中，平行板電極與柱狀絕緣子（直徑80mm，高100mm）結(jié)構(gòu)下，當(dāng)施加交流電壓為129kV，電極表面粗糙度為15mm時(shí)，電極附近的局部電場增強(qiáng)就可以使氣體發(fā)生電離，帶電粒子沿電力線到達(dá)絕緣子表面，并在那里附著導(dǎo)致電荷積聚，且積聚量隨電極表面粗糙度的增加而增加[44]。②GIL或GIS中存在金屬顆粒。這些金屬顆粒主要來源可能是在生產(chǎn)和組裝過程中的機(jī)械磨損，在運(yùn)輸過程中的機(jī)械振動(dòng)以及在運(yùn)行過程中的開關(guān)動(dòng)作等。這些金屬顆?？赡軙街诮^緣子上，并對電極產(chǎn)生微放電，從而引發(fā)電荷積聚[61]。③高壓電極、絕緣子及氣體的三結(jié)合點(diǎn)處由于存在縫隙、氣泡、破損等微觀缺陷，造成局部電場增強(qiáng)。放電所產(chǎn)生的電荷（電子和正離子）在電場力的作用下遷移到絕緣子表面[30,41,59]。

有學(xué)者進(jìn)一步指出，電暈放電或局部放電并不是電荷積聚的唯一條件。氣體放電產(chǎn)生的電荷要在絕緣子表面積聚，還需要滿足電場的電力線和絕緣子表面相交，即電場在絕緣子表面存在法向分量這一前提，并且法向分量越大，電荷密度越大[62]。筆者的研究表明，針-板電極結(jié)構(gòu)下平板形絕緣子表面電荷密度很大，同軸電極結(jié)構(gòu)下錐形絕緣子表面電荷密度較小[16,30]。H. Fujinami研究組的結(jié)果表明，在平板形電極和圓柱形絕緣子結(jié)構(gòu)下，由于表面輪廓線與外加電場的電力線基本平行，即絕緣子表面場強(qiáng)法向分量很弱，絕緣子表面基本沒有電荷積聚現(xiàn)象[63]。

可以看出，目前研究者對于交流電壓下固體表面電荷積聚原因基本達(dá)成了共識，即電極或絕緣子表面局部放電或電暈放電產(chǎn)生的帶電粒子是電荷的主要來源，這些帶電粒子在電場法向分量的作用下移動(dòng)到固體絕緣表面而形成電荷積聚。

4 交流電壓下電荷積聚對閃絡(luò)電壓的影響

眾多研究均已指出，絕緣子表面的電荷積聚有可能造成絕緣子絕緣強(qiáng)度下降，甚至誘發(fā)沿面閃絡(luò)[64]。日本的Y. Yamano研究組較早地開展了空氣條件下電荷積聚對交流電壓下沿面閃絡(luò)的影響，發(fā)現(xiàn)電荷積聚會導(dǎo)致閃絡(luò)電壓明顯降低[20]。德國學(xué)者A. Winter和J. Kindersberger研究了SF6氣體中平板絕緣子表面電荷積聚對閃絡(luò)電壓的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表面電荷存在對交流電壓的影響要大于直流電壓，使閃絡(luò)電壓大約降低了25%（直流電壓下最大下降20%）[65]。華北電力大學(xué)的齊波研究組采用真實(shí)的GIS盆式絕緣子開展了表面電荷對閃絡(luò)電壓的影響實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論為：在交流電壓作用下，隨著電荷在絕緣子表面不斷積聚，最多可以使沿面閃絡(luò)電壓減小約10.3%[66]。本課題組則采用圓盤形絕緣子進(jìn)行了沿面閃絡(luò)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，由于表面電荷的存在，使交流閃絡(luò)電壓最大下降達(dá)34%[67]。

4.1 表面電荷對閃絡(luò)電壓的影響機(jī)理

關(guān)于表面電荷積聚對閃絡(luò)電壓的影響機(jī)理，學(xué)術(shù)界大致有兩種觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為表面電荷積聚會導(dǎo)致電場畸變，這種畸變的電場一方面使氣體電離過程變得劇烈，有助于電子崩的產(chǎn)生，另一方面也會使放電過程向地電極方向發(fā)展變得容易，從而降低閃絡(luò)電壓[68]。例如日本學(xué)者Y. Yamano的研究就發(fā)現(xiàn)，靠近電極處的電荷積聚引起的電場增強(qiáng)與無電荷時(shí)相比甚至可以增加2～3個(gè)數(shù)量級[20]。第二種觀點(diǎn)則認(rèn)為表面電荷的存在一方面可以為沿面放電的發(fā)展提供種子電荷，從而有助于初始電子崩的形成，另一方面這些電荷也很容易參與到放電發(fā)展過程中，有利于流注的形成，進(jìn)而造成閃絡(luò)電壓的降低[66]。也有的學(xué)者認(rèn)為這兩種影響因素兼而有之，表面電荷對閃絡(luò)電壓影響的最終結(jié)果取決于兩者之中起主導(dǎo)作用的因素[69]。本研究組的研究結(jié)果則表明，電荷對閃絡(luò)電壓影響的主導(dǎo)因素隨電荷消散過程而發(fā)生變化，在電荷消散初期，淺陷阱中電荷脫陷所提供的種子電荷對閃絡(luò)電壓影響起主導(dǎo)作用；電荷消散一段時(shí)間后，深陷阱中電荷對電場的畸變起主導(dǎo)作用[67]。

高校學(xué)風(fēng)建設(shè)具有實(shí)施難、見效慢、難持久的特點(diǎn)。針對這一特點(diǎn)，高校學(xué)生學(xué)風(fēng)建設(shè)需要構(gòu)建的模式應(yīng)該具有長效性、循環(huán)性、可改進(jìn)性、持續(xù)性等特點(diǎn)，而將管理學(xué)中PDCA循環(huán)模式應(yīng)用于高校學(xué)風(fēng)建設(shè)，同時(shí)充分發(fā)揮班主任在這一模式中的主導(dǎo)作用，恰好可以彌補(bǔ)高校學(xué)風(fēng)建設(shè)的不足，有利于創(chuàng)建形成優(yōu)良學(xué)風(fēng)的長效機(jī)制。

4.2 表面電荷對閃絡(luò)電壓影響的相關(guān)因素

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，表面電荷對閃絡(luò)電壓的影響還和以下幾個(gè)因素有關(guān)。

（1）絕緣材料特性。研究表明，如果絕緣材料的電子或空穴陷阱密度較高，則該材料具有較強(qiáng)的表面電荷積聚能力，這將會造成絕緣子表面電場畸變嚴(yán)重，從而引起閃絡(luò)電壓下降[14]。另一方面，如果絕緣材料表面陷阱能級較高，則被陷阱束縛的電荷難以脫陷，因此參與到放電發(fā)展過程中的電荷數(shù)目減少，這有助于閃絡(luò)電壓的提高[69]。

（2）電荷量（表面電荷密度）。齊波等的研究發(fā)現(xiàn)，隨著交流電壓幅值的增大及作用時(shí)間的增加，絕緣子表面積聚電荷量逐漸增多，與之對應(yīng)的沿面閃絡(luò)電壓則呈現(xiàn)明顯減小的趨勢并且逐漸趨向于飽和[66]。

（3）電荷位置。日本的K. Kato研究組采用平板形氧化鋁絕緣子，通過預(yù)置電荷的方式，研究了電荷位置與沿面閃絡(luò)電壓的關(guān)系。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電荷位于放電路徑上時(shí)，其對閃絡(luò)電壓的影響比電荷位于電極附近時(shí)要大[70]。

（4）電荷消散過程。本課題組的研究表明，在電荷消散初期，表面電荷對閃絡(luò)電壓的影響比較明顯，使閃絡(luò)電壓值產(chǎn)生較大幅度的下降。當(dāng)電荷消散一段時(shí)間以后，閃絡(luò)電壓值和之前相比有所提高[67]。

綜上可知，就表面電荷對閃絡(luò)電壓的影響結(jié)果和閃絡(luò)機(jī)理來看，不同研究者所得到的結(jié)論尚不一致，還需要深入探究表面電荷和沿面閃絡(luò)電壓的關(guān)系，并采用適當(dāng)方法削弱電荷對閃絡(luò)電壓的影響，這對于工程實(shí)際具有重要的科學(xué)意義和工程價(jià)值。

5 結(jié)論

1）當(dāng)前交流電壓下表面電荷的三種測量方法利用不同的原理實(shí)現(xiàn)了固體絕緣介質(zhì)表面電荷測量，但同時(shí)還存在一定的不足，需要繼續(xù)探索新的測量方法。

2）電極或絕緣子表面局部放電或電暈放電產(chǎn)生的帶電粒子是交流電壓下固體絕緣表面電荷的主要來源，但是影響電荷分布和輸運(yùn)特性的因素較多，在研究表面電荷積聚特性的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)綜合考慮各種因素，尤其是交流電壓相位的影響。

3）表面電荷對閃絡(luò)電壓的影響研究所得到的結(jié)論尚不一致，其影響機(jī)理和主導(dǎo)因素還不清楚。需要進(jìn)一步探究表面電荷和沿面閃絡(luò)的關(guān)系，并采用適當(dāng)方法削弱電荷對閃絡(luò)電壓的影響。

結(jié)合本課題組的當(dāng)前工作以及本文所總結(jié)的研究進(jìn)展，對未來的相關(guān)研究給出如下建議：

1）繼續(xù)改進(jìn)表面電荷測量方法，設(shè)法將Pockels效應(yīng)法和靜電探頭法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，使其可以實(shí)現(xiàn)固體絕緣表面電荷的高精度、高速動(dòng)態(tài)測量，同時(shí)又不受絕緣子形狀、尺寸和材料等因素的限制。

2）結(jié)合工程應(yīng)用的實(shí)際，系統(tǒng)研究氣固界面特性對電荷積聚的影響，尤其是目前比較有潛力替代SF6的新型環(huán)保氣體中電荷積聚特性，進(jìn)一步明確其放電機(jī)理和電荷輸運(yùn)規(guī)律，推進(jìn)新型環(huán)保氣體在工程實(shí)際中的應(yīng)用。

3）進(jìn)一步研究提出抑制絕緣子表面電荷積聚及沿面放電的有效方法。比如通過材料改性實(shí)現(xiàn)對絕緣子表面陷阱特性的主動(dòng)調(diào)控[71-72]，通過引入淺陷阱促進(jìn)表面電荷的消散，或引入深陷阱抑制表面電荷的積聚，從而減少電荷存在對閃絡(luò)電壓的影響。

4）針對交流電壓下的電荷分布和輸運(yùn)特性研究，設(shè)法建立定量模型和仿真方法，以更加明確其電荷輸運(yùn)規(guī)律以及引發(fā)放電的機(jī)理。

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Progress in Researching Charge Accumulation and Discharge Characteristics at Gas-Solid Interface under AC Voltage

Zhang Guixin1Li Dayu1,2Wang Tianyu1

（1. Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 2. PLA Army Academy of Artillery and Air Defense Zhengzhou 450052 China）

Charges tend to accumulate at the gas-solid interface under the action of high voltage for a long time. It is considered as one of the main factors leading to flashover, which affects the stable operation of power systems. It is of great significance to investigate the characteristics of charge distribution on insulator surface under AC voltage for improving the surface flashover voltage and manufacturing level of insulators. Based on the ongoing research work and the key problems in the study of charge accumulation and discharge characteristics, the related research progress in charge accumulation on solid insulating surface under AC voltage are summarized and reviewed, such as charge measurement methods, the causes of charge accumulation, charge distribution characteristics, influence factors, the relationship between surface charge and flashover voltage, and so on. At last, some suggestions for the ensuing researches are proposed so as to provide some references to related research in the future.

AC voltage, gas-solid interface, surface charge, flashover

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210889

TM85

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（52177151）。

2021-06-15

2021-08-22

張貴新 男，1963年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闅怏w放電、等離子體技術(shù)、光電測量以及直流/交流高電壓絕緣等。E-mail：guixin@mail.tsinghua.edu.cn（通信作者）

李大雨 男，1978年生，博士研究生，研究方向?yàn)闅怏w放電、氣固界面放電機(jī)理。E-mail：lxy972001@163.com

（編輯 李冰）