学术简报｜直流GIL柱式绝缘子表面电荷积聚特性
西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室、国网浙江省电力公司电力科学研究院的研究人员田汇冬、李乃一等，在2018年第22期《电工技术学报》上撰文指出，直流气体绝缘输电线路（GIL）在长时间电压作用下，内部柱式支撑绝缘子表面易积聚电荷，容易导致绝缘子沿面闪络。因此，研究直流电压下绝缘子表面电荷的积聚特性，对提高直流GIL的绝缘性能和运行可靠性具有重要意义。
本文以直流GIL柱式支撑绝缘子为研究对象，设计并搭建表面电荷测量实验平台，引入弱电离气体的迁移扩散方程，利用多物理场有限元分析软件，建立绝缘子-气体复合绝缘结构的表面电荷积聚模型，测量并仿真简化的柱式绝缘子的表面电荷积聚情况，并结合实验和仿真计算结果分析表面电荷积聚成因。
同时，建立±800kV直流GIL模型，分析绝缘子的表面电导率、体积电导率和气体的气体电离率对气固界面电场强度和表面电荷积聚的影响。研究深化了直流电压作用下对气-固绝缘界面电荷积聚机理的认识，为直流GIL设备中固体绝缘件的结构设计提供了方法和依据。
气体绝缘金属封闭输电线路（Gas-Insulated metal-enclosed transmission Line, GIL）具有输电容量大、占地面积少、环境兼容性好等优点，现已广泛应用于交流输电系统中。直流GIL在长时间电压作用下，内部柱式支撑绝缘子表面易积聚电荷，进而导致绝缘子沿面闪络。因此，研究直流电压下绝缘子表面电荷的积聚特性，对提高直流GIL的绝缘性能和运行可靠性具有重要意义。
交流GIL经过多年的发展，已经积累了大量的设计和工程经验，由于直流输电技术较交流输电技术整体发展相对缓慢，直流输电市场相对低迷，国内外少有开展直流GIL输电技术的研究工作，与交流GIL产品的成功开发和推广相比，直流GIL还没有形成成熟的工程应用产品。
直流GIL和交流GIL在生产、安装和运行维护等环节上差别不大，最大的区别体现在绝缘特性上。因此，研究直流电压下GIL等气体绝缘设备中绝缘子表面电荷积聚特性及积聚电荷后的电场分布规律，有助于完善气-固绝缘交界面闪络机理研究，提高直流GIL绝缘性能。典型GIL柱式绝缘子如图1所示。
图1 典型GIL柱式绝缘子横截面示意图
图2 柱式绝缘子模型
图3 表面电荷测量实验平台结构示意图
近些年来，国内外学者开展了大量直流电压作用下绝缘子表面电荷积聚现象的试验研究，试验对象从聚合物绝缘介质到简化绝缘子模型直至真实GIS/GIL绝缘子，获得了丰硕的成果。
唐炬等对近年来高压直流绝缘材料表面电荷积聚研究进展进行了系统性的综述。汪沨等利用平板电极结构的圆柱型绝缘子，研究了稍不均匀场下直流电压幅值和作用时间对表面电荷积聚的影响，绝缘子一端装设内嵌电极而另一端没有，研究发现随着外施电压幅值的增大，绝缘子表面电荷积聚量明显增大，随着加压时间的增加，绝缘子表面电荷密度逐渐增加并趋于饱和。实验结果还表明，表面电荷积聚具有极性效应，正极性电压作用下绝缘子表面主要积聚正电荷，负极性电压作用下主要积聚负电荷，并且电荷积聚量比正极性电压下要多。
刘熊等研究了空气中微秒脉冲沿面放电对环氧树脂表面特性的影响，为环氧树脂的沿面耐压性能提供了一定依据。华北电力大学王健等研究了直流GIL中线形金属微粒对柱式绝缘子表面电荷积聚的影响，研究表明绝缘子表面的导电微粒可以引起表面电荷积聚激增，且微粒两端积聚电荷电性相反。
在表面电荷反演算法方面，日本学者H. Ootera等从静电场基本公式出发，提出了表面视在电荷法，用于表面电荷反演计算。该理论运用有限元方法，建立从电荷到电位（从源量到场量）的关联矩阵，对关联矩阵求逆（从场量到源量），通过反演计算获得被测介质的表面电荷分布。林川杰等综述了近年来国内外关于盆式绝缘子表面电荷反演算法。邓军波等对反演算法进行了改进，并通过实验验证了计算方法的准确性。
尽管目前国内外对绝缘子表面电荷积聚有一定研究，但绝大部分以实验手段为主，并且由于实验条件不同，所得研究结论常不统一甚至矛盾，而且表面电荷积聚的机理仍不够明确。
本文以直流GIL内柱式支撑绝缘子为研究对象，设计并搭建了表面电荷测量实验平台；引入气体的离子迁移模型，利用多物理场有限元分析软件COMSOL，建立了绝缘子-气体复合绝缘结构的表面电荷积聚模型，在恒温环境下测量了简化柱式绝缘子模型的表面积聚电荷，实验结果验证了仿真模型的正确性，并结合实验和仿真计算对比分析了表面电荷积聚成因；同时，建立了±800kV直流GIL模型，分析了绝缘子的表面电导率、体积电导率和SF6气体的气体电离率对气固界面电场强度和界面电荷积聚的影响，得到了非线性电导模型与线性电导模型的匹配依据。
本文研究了直流GIL柱式绝缘子表面电荷积聚特性，结论如下：
1）在考虑气体介质中正、负离子的产生、复合、迁移和扩散作用的情况下，建立了绝缘子-气体复合绝缘结构表面电荷积聚的仿真模型；在40℃恒温、40℃～50℃、40℃～60℃、60℃～80℃这4种温度环境下，测量了绝缘子表面电荷积聚情况；对比分析了仿真结果与实验结果，发现绝缘子试品表面电位的变化趋势及各电位峰位置吻合得较好，验证了仿真模型的正确性。
2）40℃恒温环境下，绝缘子下部始终积聚异极性电荷，并且随电压幅值增大电荷积聚增多；在绝缘子中上部（高度大于45mm处），积聚双极性电荷。并且电压幅值越大，同极性电荷峰越大，异极性电荷峰越小。电压从1kV升高到20kV时，同极性电荷峰从11.9nC/m2增加到103.2nC/m2，但异极性电荷峰从221.4nC/m2降低到99.3nC/m2。分析认为电荷聚积过程是气固界面两侧电流密度平衡的过程，即在电压较低、固体侧电流密度较小时主要积聚异号电荷以增强固体侧电场强度；而当固体侧电流密度随电压的升高逐渐接近并超过气体侧电流密度后，异号电荷减少，随后同号电荷开始出现并逐渐增多。
3）仿真分析表明，绝缘子表面电导率s越大，电荷积聚量越大。随着表面电导率的增大，沿着绝缘子表面气体侧的切向电场强度趋于更加均匀的分布。绝缘子表面电导率比其体积电导率小3个数量级以上时，可忽略表面电导率对电荷积聚的影响。以体积电导率i=1016S/m为基准，绝缘子体积电导率过大或过小时都会增大表面电荷的积聚量，但随着体积电导率的增大，沿着绝缘子表面气体侧的切向电场强度峰值随之减小。随着气体离子对生成速率G的减小，绝缘子表面逐渐由主要积聚负电荷向主要积聚正电荷转变，当气体离子对生成速率G＜5IP/(cm3·s)时，可忽略气体侧电流影响，电荷积聚完全由固体侧电导机制支配。气体离子对生成速率越大，采用恒定气体电导率的线性模型误差越大，该结论还需要在后续的实验研究中加以验证。