- 頭條抑制盆式絕緣子表面電荷的新思路2021-01-01 作者：羅毅 唐炬 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語武漢大學電氣與自動化學院、平高集團有限公司、國家電網高壓開關絕緣設備材料實驗室（平高集團有限公司）以及國網河南省電力公司的研究人員羅毅、唐炬、潘成、林生軍、王忠強，在2019年第23期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“直流GIS/GIL盆式絕緣子表面電荷主導積聚方式的轉變機理”），氣體中載流子濃度、絕緣子體電導率變化以及表面電導率的變化會導致絕緣子材料主導積聚方式的變化。 構建直流條件下氣體側傳導、絕緣材料體傳導和表面傳導共存條件下盆式絕緣子表面電荷積聚仿真模型，其中氣體側傳導包含了氣體載流子的產生、擴散、漂移、復合等輸運過程，并考慮了表面傳導的非線性。 分別計算了氣體離子對生成率，絕緣子體電導率和表面電導率變化時的絕緣子表面的電荷分布，同時得到了GIS/GIL內部的電場分布，并根據電荷和電場分布對表面電荷積聚的機理進行了深入系統的探討。通過絕緣子表面凈電荷量定義了表面電荷積聚主導方式轉變的定量描述方式。本研究為直流條件下表面電荷的抑制提供了新的研究思路。
由于SF6氣體優異的絕緣性能，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）等氣體絕緣設備在電力系統輸配電領域得到大力發展。GIS將高壓設備密閉組合，充以絕緣性能優異的SF6氣體，能夠顯著地減小設備尺寸并提高運行可靠性。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。
隨著直流技術的發展，利用直流GIS以及GIL進行大功率、遠距離輸電受到廣泛的關注。但是，目前仍需要解決因表面電荷大量積聚造成的設備內部絕緣子周圍電場畸變而導致其沿面耐受能力下降，即固體絕緣的表面電荷積聚問題。
直流條件下絕緣子表面電荷積聚途徑主要有三種：氣體側傳導、絕緣材料體傳導、絕緣材料表面傳導。在電荷積聚達到穩態的過程中，設備內部的電場分布與氣體電導率、體電導率和表面電導率密切相關。
- 有學者建立了離子流物理仿真模型，研究發現在自然電離條件下絕緣子表面電荷積聚的主導途徑是絕緣子體傳導。
- 但當氣體中存在微放電時，氣體中的載流子數量會大幅增加，絕緣子表面出現同極性與異極性電荷共存的實驗現象，且同極性電荷密度要遠高于異極性電荷，說明表面電荷的主導積聚方式轉變為氣體側傳導。
- 在某些特殊裝置中，如國際熱核聚變實驗堆（International ThermonuclearExperimental Reactor, ITER），GIL也被用來進行大容量的電力傳輸。ITER工作時會產生大量的γ、X射線，此時GIL中的氣體會因為受到大量輻射而產生大量載流子，即使氣體中不存在放電時，表面電荷的極性也會發生改變。
- 有學者發現絕緣材料的體積電阻率改變時，表面電荷積聚的主導途徑也會發生改變。
上述研究表明，氣體中載流子濃度、絕緣子體電導率等參數改變時會導致表面電荷積聚的主導方式發生改變，但是目前對積聚方式轉變的條件仍然缺乏深入系統的認識。另外，關于表面電導率對主導積聚方式的影響的研究目前還未見報道。
本文以簡化GIS/GIL 盆式絕緣子為研究對象，建立了直流電壓下表面電荷積聚仿真模型，考慮了氣體側傳導、絕緣材料表面傳導和體傳導三種表面電荷積聚方式，系統研究了離子對生成率、表面電導率以及體電導率變化時，絕緣子表面電荷的積聚特性，并分析了表面電荷主導積聚方式的轉變機理。
為了對表面電荷積聚主導途徑進行描述，定義絕緣子表面凈電荷量為零時所對應的離子對生成率以及上表面及下表面凈電荷相等時的絕緣子體電導率為積聚機理轉變的臨界值。
圖1 不同表面電導率下絕緣子表面電荷分布
結論
本文建立考慮氣體載流子產生、遷移、擴散以及復合過程的表面電荷積聚模型，從表面電荷積聚的三種途徑對表面電荷主導積聚方式的轉變進行了研究，根據數值計算結果得到如下結論：
- 1）在離子對生成率逐漸增大的過程中，絕緣子上表面電荷極性由正極性轉變為負極性，下表面的電荷極性由負極性轉變為正極性。根據GIS/GIL內部電場分布可知，當離子對生成率增大時，表面電荷積聚途徑由絕緣子體傳導轉變為氣體側傳導。由于絕緣子上、下表面的電場分布不均勻，上表面及下表面的積聚機理轉變的臨界值不同。
- 2）隨著表面電導率的增大，絕緣子上表面的正電荷以及下表面的負電荷逐漸減小，并出現正負電荷共存的現象，通過表面傳導積聚的電荷逐漸增多。通過分析可以推測，當表面電導率繼續增大時，表面電荷積聚的主導機理會轉變為絕緣子表面傳導。
- 3）在體電導率由1×10-14S/m減小至1×10-19S/m的過程中，絕緣子上表面積聚電荷極性由正轉變為負，同時下表面積聚電荷極性發生反轉。此時表面電荷積聚的主導機理由絕緣子體傳導轉變為氣體側傳導，轉變的臨界體電導率為5.76×10-18S/m。
