由于SF6氣體優(yōu)異的絕緣性能，氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）及氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated Transmission Line,GIL）等氣體絕緣設(shè)備在電力系統(tǒng)輸配電領(lǐng)域得到大力發(fā)展。GIS將高壓設(shè)備密閉組合，充以絕緣性能優(yōu)異的SF6氣體，能夠顯著地減小設(shè)備尺寸并提高運(yùn)行可靠性。GIL作為架空線路的替代裝置，能夠在提供相同功率的情況下，占用更少的空間。

隨著直流技術(shù)的發(fā)展，利用直流GIS以及GIL進(jìn)行大功率、遠(yuǎn)距離輸電受到廣泛的關(guān)注。但是，目前仍需要解決因表面電荷大量積聚造成的設(shè)備內(nèi)部絕緣子周圍電場(chǎng)畸變而導(dǎo)致其沿面耐受能力下降，即固體絕緣的表面電荷積聚問(wèn)題。

直流條件下絕緣子表面電荷積聚途徑主要有三種：氣體側(cè)傳導(dǎo)、絕緣材料體傳導(dǎo)、絕緣材料表面?zhèn)鲗?dǎo)。在電荷積聚達(dá)到穩(wěn)態(tài)的過(guò)程中，設(shè)備內(nèi)部的電場(chǎng)分布與氣體電導(dǎo)率、體電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率密切相關(guān)。

• 有學(xué)者建立了離子流物理仿真模型，研究發(fā)現(xiàn)在自然電離條件下絕緣子表面電荷積聚的主導(dǎo)途徑是絕緣子體傳導(dǎo)。
• 但當(dāng)氣體中存在微放電時(shí)，氣體中的載流子數(shù)量會(huì)大幅增加，絕緣子表面出現(xiàn)同極性與異極性電荷共存的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，且同極性電荷密度要遠(yuǎn)高于異極性電荷，說(shuō)明表面電荷的主導(dǎo)積聚方式轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w側(cè)傳導(dǎo)。
• 在某些特殊裝置中，如國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（International ThermonuclearExperimental Reactor, ITER），GIL也被用來(lái)進(jìn)行大容量的電力傳輸。ITER工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的γ、X射線，此時(shí)GIL中的氣體會(huì)因?yàn)槭艿酱罅枯椛涠a(chǎn)生大量載流子，即使氣體中不存在放電時(shí)，表面電荷的極性也會(huì)發(fā)生改變。
• 有學(xué)者發(fā)現(xiàn)絕緣材料的體積電阻率改變時(shí)，表面電荷積聚的主導(dǎo)途徑也會(huì)發(fā)生改變。

上述研究表明，氣體中載流子濃度、絕緣子體電導(dǎo)率等參數(shù)改變時(shí)會(huì)導(dǎo)致表面電荷積聚的主導(dǎo)方式發(fā)生改變，但是目前對(duì)積聚方式轉(zhuǎn)變的條件仍然缺乏深入系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。另外，關(guān)于表面電導(dǎo)率對(duì)主導(dǎo)積聚方式的影響的研究目前還未見(jiàn)報(bào)道。

本文以簡(jiǎn)化GIS/GIL 盆式絕緣子為研究對(duì)象，建立了直流電壓下表面電荷積聚仿真模型，考慮了氣體側(cè)傳導(dǎo)、絕緣材料表面?zhèn)鲗?dǎo)和體傳導(dǎo)三種表面電荷積聚方式，系統(tǒng)研究了離子對(duì)生成率、表面電導(dǎo)率以及體電導(dǎo)率變化時(shí)，絕緣子表面電荷的積聚特性，并分析了表面電荷主導(dǎo)積聚方式的轉(zhuǎn)變機(jī)理。

為了對(duì)表面電荷積聚主導(dǎo)途徑進(jìn)行描述，定義絕緣子表面凈電荷量為零時(shí)所對(duì)應(yīng)的離子對(duì)生成率以及上表面及下表面凈電荷相等時(shí)的絕緣子體電導(dǎo)率為積聚機(jī)理轉(zhuǎn)變的臨界值。

圖1 不同表面電導(dǎo)率下絕緣子表面電荷分布

結(jié)論

本文建立考慮氣體載流子產(chǎn)生、遷移、擴(kuò)散以及復(fù)合過(guò)程的表面電荷積聚模型，從表面電荷積聚的三種途徑對(duì)表面電荷主導(dǎo)積聚方式的轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到如下結(jié)論：

• 1）在離子對(duì)生成率逐漸增大的過(guò)程中，絕緣子上表面電荷極性由正極性轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)極性，下表面的電荷極性由負(fù)極性轉(zhuǎn)變?yōu)檎龢O性。根據(jù)GIS/GIL內(nèi)部電場(chǎng)分布可知，當(dāng)離子對(duì)生成率增大時(shí)，表面電荷積聚途徑由絕緣子體傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w側(cè)傳導(dǎo)。由于絕緣子上、下表面的電場(chǎng)分布不均勻，上表面及下表面的積聚機(jī)理轉(zhuǎn)變的臨界值不同。
• 2）隨著表面電導(dǎo)率的增大，絕緣子上表面的正電荷以及下表面的負(fù)電荷逐漸減小，并出現(xiàn)正負(fù)電荷共存的現(xiàn)象，通過(guò)表面?zhèn)鲗?dǎo)積聚的電荷逐漸增多。通過(guò)分析可以推測(cè)，當(dāng)表面電導(dǎo)率繼續(xù)增大時(shí)，表面電荷積聚的主導(dǎo)機(jī)理會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣子表面?zhèn)鲗?dǎo)。
• 3）在體電導(dǎo)率由1×10-14S/m減小至1×10-19S/m的過(guò)程中，絕緣子上表面積聚電荷極性由正轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)，同時(shí)下表面積聚電荷極性發(fā)生反轉(zhuǎn)。此時(shí)表面電荷積聚的主導(dǎo)機(jī)理由絕緣子體傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w側(cè)傳導(dǎo)，轉(zhuǎn)變的臨界體電導(dǎo)率為5.76×10-18S/m。