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氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated transmission Lines, GIL）具有輸電容量大、安裝和運維方便、不受惡劣氣候影響等特點，在快速發(fā)展的高壓直流輸電系統(tǒng)中得到了大量的應用。氧化鋁/環(huán)氧樹脂（Al2O3-ER）復合材料因機械強度高、電氣性能優(yōu)良、制備簡單而作為GIL內盆式絕緣子的常用材料。然而盆式絕緣子在直流高壓下會積聚大量表面電荷，長時間運行有可能造成局部放電甚至發(fā)生沿面閃絡，成為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的隱患。

對于絕緣材料的沿面閃絡研究，國內外學者通過表面處理和填料摻雜等方法來優(yōu)化電場分布、加快表面電荷消散，進而提升材料的沿面閃絡性能。然而，這些方法雖然效果顯著，但是設備造價昂貴并且改性時間較長，難以實現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應用。

大氣壓等離子體射流（Atmospheric-Pressure Plasma Jet, APPJ）技術因設備簡單、操作方便、反應效率高、環(huán)境友好、僅作用于材料表面而不影響材料內部結構等特點，成為近幾年來絕緣材料表面改性的研究熱點。目前的APPJ方法主要從構造射流陣列、控制射流管運動等角度來擴大處理面積，使樣片整體得到均勻的改性。但實際工況下的電場為非均勻分布，對絕緣材料的均勻改性難以達到最佳的提升效果。

有研究表明，通過摻雜ZnO、SiC等非線性電導填料可以實現(xiàn)絕緣材料對非均勻電場的自適應調控，并且填充位置和填充含量影響著盆式絕緣子的電場分布和功率損耗。杜伯學等通過構造表層功能梯度材料來主動調控材料的表面介電參數，進而減少電場畸變。李進等通過仿真手段研究材料表層介電參數的最優(yōu)梯度分布，通過磁控濺射、表層氟化等方式實現(xiàn)材料的表面梯度改性，并提升材料的沿面閃絡性能。

華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室、華北電力大學電力與電子工程系的研究人員結合APPJ硅沉積技術與表層功能梯度改性思路，實現(xiàn)Al2O3-ER的表面階躍型梯度改性。通過測量未處理、均勻處理、梯度處理樣片的理化特性與電氣參數，分析了表面階躍型梯度改性對沿面閃絡性能的提升機理，給出了極不均勻電場下材料表面參數調控策略。

圖1 等離子體表面硅沉積平面

華電科研人員指出，他們的研究表明，減小外部電場的畸變可以有效提升材料表面的絕緣性能。從電場仿真結果來看，樣片表面電導率呈階躍型梯度分布可以有效降低最大場強，減小電場的畸變率。然而，提高樣片整體的表面電導率對場強的均化效果更好，從仿真的角度來講均勻改性似乎更能提高樣片的閃絡性能。

但從沿面閃絡的測試結果看來，科研人員認為，提升效果最好的改性方法仍然是階躍型梯度硅沉積，并且表面電導率過大反而會降低閃絡電壓的增長率。這是因為影響絕緣材料沿面閃絡性能的因素不僅包括外部電場和表面電導率，還有表面粗糙度、表面化學成分、表面電荷的積聚與消散等。所有采用等離子體硅沉積處理的樣片，其閃絡電壓均高于未處理樣片。

另外，除了表面電導率提升這一因素外，等離子體硅沉積方法會在Al2O3-ER表面生成均勻致密的薄膜，一方面會覆蓋材料表面原有的毛刺、凸起等表面缺陷，降低表面粗糙度進而削弱表面缺陷對電場的畸變作用。另一方面，未改性材料表面存在大量的深陷阱，表面電荷被深陷阱捕獲后難以脫陷，導致宏觀上的表面電荷積聚現(xiàn)象。

圖2 沿面閃絡測試平臺

而表面沉積硅氧類薄膜會改變材料表面陷阱分布，使原有的深陷阱中心能級逐漸變淺，并且接枝在材料表面的SiOx基團會引入能級更低的淺陷阱，表面電荷被淺陷阱捕獲后所需的逸出功更低，因此更容易脫陷并躍遷至其他區(qū)域，從宏觀上看即為表面電荷積聚量減少并且消散速率加快，進而抑制了表面電荷對外部電場的畸變作用。抑制表面缺陷和表面電荷對電場的畸變可顯著提升材料的沿面閃絡性能。

他們進一步研究閃絡電壓測試結果，發(fā)現(xiàn)對低場強區(qū)使用長時間的等離子體硅沉積會顯著抑制閃絡電壓的提升（Si5和Si3-5-3），只有高場強區(qū)長時間硅沉積、低場強區(qū)短時間硅沉積才能最大程度地提升閃絡電壓（Si5-3-5）。

由針-針電極的電場分布可知，三結合點處附近為高場強區(qū)，大量的空間電荷受電場力和氣體電離等作用而積聚在該區(qū)域，使高場強區(qū)的表面電荷量要遠大于低場強區(qū)，從而進一步畸變高場強區(qū)的電場，加劇氣體電離甚至產生局部放電。因此高場強區(qū)對表面電荷快速消散的需求更加迫切。

與之相對的是，低場強區(qū)的表面電荷積聚量相對較低，適當加快該區(qū)域的電荷消散有利于提高閃絡電壓，但低場強區(qū)的表面電荷消散過快反而為樣片整體的放電發(fā)展提供了種子電荷，促進了貫穿性導電通道的形成，不利于樣片的表面絕緣性能。

因此，他們表示，加快高場強區(qū)表面電荷的消散并適當控制低場強區(qū)的消散速率可以最大限度地提升樣片整體的沿面閃絡性能。由于等離子體硅沉積與表面電荷消散速率正相關，所以對高場強區(qū)使用長時間硅沉積、低場強區(qū)短時間硅沉積的（Si5-3-5）樣片閃絡電壓最高。

圖3 表面電位測量平臺

華電科研人員通過研究分析，最后得出主要結論如下：

1）等離子體硅沉積技術可以在改性區(qū)域表面沉積硅氧類薄膜，從而降低該區(qū)域的表面粗糙度、提高硅元素含量、引入淺陷阱并加快表面電荷消散速率，并且改性效果與處理時間呈正相關。

2）等離子體硅沉積可以提高樣片的閃絡電壓，其中高場強區(qū)長時間硅沉積、低場強區(qū)短時間硅沉積的樣片閃絡電壓最高。相反，對低場強區(qū)采用長時間硅沉積會明顯抑制閃絡電壓的提升。

3）樣片的不同區(qū)域對表面電荷消散速率的需求有所區(qū)別。加快高場強區(qū)的表面電荷消散并適當調控低場強區(qū)的消散速率，可以顯著提升樣片整體的閃絡性能。反之，高場強區(qū)則會因為表面電荷積聚過多而畸變外部電場，同時低場強區(qū)表面電荷過快的消散會為放電發(fā)展提供種子電荷，為貫穿性導電通道的形成提供有利條件。

4）采用等離子體表面階躍型梯度硅沉積方法，一方面使樣片的表面電導率呈階躍型梯度分布，可以有效減小針-針電極的最大場強；另一方面，相比于均勻處理，該方法可以針對性地調控樣片表面不同區(qū)域的電荷消散速率，充分發(fā)揮等離子體硅沉積對提高閃絡性能的優(yōu)勢并減少不利影響，進而最大程度地提升沿面閃絡電壓。

本文編自2022年第9期《電工技術學報》，論文標題為“等離子體表面階躍型梯度硅沉積對環(huán)氧樹脂閃絡性能的影響”。本課題得到了國家自然科學基金和新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室自主研究課題資助項目的支持。