张博雅，张贵新∣直流GIL中固-气界面电荷特性研究综述Ⅰ：测量技术及积聚机理
张博雅，张贵新
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180915
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导语
本系列文章分Ⅰ、Ⅱ两篇，综述了多年来国内外有关直流GIL中固-气界面电荷特性的主要研究成果。综述Ⅰ首先总结了目前测量表面电荷的三种主要方法，介绍了基于数字图像处理技术的电荷反演算法；其次，分析了固-气界面电荷的积聚机理和仿真模型，结合本课题组的研究，提出了电荷积聚可能存在的两种模式；最后，对未来该领域的研究提出了相关建议。
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研究背景
气体绝缘管道输电线路（GIL）具有占地面积小、输送容量大、可靠性高、环境兼容性好等优势，可作为架空线、电缆和穿墙套管的有效替代方案，满足特殊环境下大规模电能传输的需求。但是，直流GIL中的绝缘子长期承受单极性电场作用，其表面会积聚大量电荷，导致固-气界面处局部电场畸变，极易引发绝缘子沿面闪络，使得设备的绝缘水平大大降低。
因此，开展直流电压下GIL中固-气界面电荷特性的研究，掌握固-气界面电荷积聚的规律和机理，对直流GIL的设计、研制、运行、维护等环节都具有重要的意义。
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论文要点
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表面电荷的测量技术
目前，观测固体绝缘介质表面电荷的方法主要有粉尘图法、静电探头法和Pockels效应法三种。粉尘图法不能定量表征电荷密度，且会破坏材料表面状态，因而很少单独使用，可作为其它方法测量结果的验证手段。静电探头法虽然不能用来在线测量表面电荷的动态变化，且空间分辨率有限；但它具有较宽的测量范围和较高的灵敏度，可通过机械位移装置实现二维电荷分布测量，是目前最为主流的研究手段。
Pockels效应法能够实现表面电荷的“在线”测量，测量速度快，空间分辨率高。但它对电极的布置和材料的选择十分苛刻，只适用于透明薄膜材料。同时，由于电光晶体的静电弛豫效应，该方法仅限于测量交变电压或冲击电压下的表面电荷分布，在直流电压下进行测量还有诸多问题。
静电探头法和Pockels效应法测得的电位都是绝缘介质表面所有电荷共同作用的叠加。如何由测量到的表面电位计算出表面电荷密度的分布，即表面电荷的反演计算，是研究表面电荷的前提和关键。
2004年，东京大学Kumada等在函数法的基础上提出了基于数字图像处理技术的表面电荷反演算法，分别针对“平移改变”和“平移不变”两类被测对象，实现了表面电荷的快速、准确反算，代表了目前最先进的反演算法。
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表面电荷积聚现象及积聚机理
早在20世纪80年代，国际上就已经发现直流气体绝缘设备中的固-气界面电荷积聚问题。当时的研究主要以瑞士科学院的A. Knecht、美国MIT的Cooke和日本三菱公司的K. Nakanishi为代表。
Knecht等人认为，绝缘子表面的法向电场分量是导致电荷积聚的主要动力，气体侧的带电粒子在电场力作用下不断迁移到绝缘子表面（如图1所示），使得气体侧的法向场强En0逐渐减弱，最终电荷积聚趋于稳态。由于该模型对电荷来源的解释比较清楚，后来一些研究者的实验和数值计算结果与该模型的分析也比较接近，因此最为人们所接受。
Nakanishi则认为，绝缘子表面电荷的积聚过程由其表面电导决定，表面电荷密度与切向电场及切向电场的梯度分布有关。虽然该模型给出的结果与实测结果基本相符，但其物理意义含糊，特别是对电荷的来源没有描述清楚，对该模型的适用性仍存在较大分歧。
Cooke等认为，气体侧的电荷是表面电荷的一个重要来源，但固体介质的体电导也会带来电荷。和Knecht的实验结果不同的是，他发现并不总是电场线穿出绝缘子处积聚负电荷，电场线穿入绝缘子处积聚正电荷，而是恰恰相反。他认为只有局部电场强度超过气体电离阈值时，气体侧才会产生大量正负离子，这些从气体侧“吸附”到绝缘子表面的电荷掩盖了固体电导带来的电荷。
图1 Knecht采用的电极结构和测得的表面电荷分布
进入21世纪以来，随着有源静电探头的采用和数值模拟技术的进步，使人们对对直流GIL中的固-气界面电荷积聚现象有了更加深入的认识。通过对直流GIL中的多物理过程（如图2所示）进行建模，研究者们分析了不同因素对电荷积聚的影响。
慕尼黑工业大学Kindersberger等通过仿真发现，绝缘子表面电荷的分布取决于固体侧电流和气体侧电流的相对大小，而这两者都与固-气界面两侧的法向电场分量密切相关。当气体中离子产生速率较小时，固体中的电流占主导；当其较大时（或者电极表面产生场致发射时），气体中的电流占主导。
苏黎世理联邦理工大学Franck和华北电力大学马国明等通过仿真发现，对于实际GIL中的绝缘子，固体侧电流在表面电荷积聚中起主导作用，而且随着温度升高，绝缘子体积电导率升高，这种主导作用更加显著。可见，随着外界条件和物性参数的变化，表面电荷积聚的主导机理可能会随之改变。
图2 高压直流GIL中的多物理过程
事实上，近期越来越多的研究发现，在洁净且干燥的气体绝缘系统中，固体侧电导是绝缘子表面电荷的主要来源，这与目前大多数仿真模型分析的结果一致。那么，之前的研究为什么会出现和理论仿真结果不符的情况呢？本课题组带着该疑问对固-气界面电荷积聚问题开展了系统的研究。
在图3a所示的缩比GIL结构中，分别施加正极性和负极性直流电压一段时间后，测量圆锥绝缘子斜面的表面电荷，结果如图3b和3c所示。可以看出，电荷分布明显呈现两种模式：一种是圆周对称分布的电荷，这些电荷均匀地覆盖在绝缘子表面，与所加电压极性相同；另一种是位置随机出现的，条纹状或点状电荷，大多与所加电压极性相反。我们将前者称为电荷分布的“基本”模式，后者称为“电荷斑”模式。
图3 电极结构及测量结果
由于“基本模式”的极性总是和所加电压极性相同，根据电场线的分布可以判断，这是由于固体侧电流占主导（即固体侧电流大于气体侧电流）而造成的，反映了理想状态下（无缺陷、无气体放电源）绝缘子表面的本征电荷分布。而“电荷斑”的产生与绝缘子表面的缺陷态以及气体侧的微放电有关，反映的是外界因素或缺陷对绝缘子表面电荷的影响，电荷斑的一些典型形态如图4所示。
图4 电荷斑的一些典型形态
客观上，上述两种模式总是共同存在。当外界因素（主要是气体侧微放电）或绝缘子缺陷的影响比较严重时，“电荷斑”数量较多、密度较大、分布较广，可能会扩散到整个绝缘子表面，掩盖住“基本”模式；反之，固-气界面电荷主要以“基本”模式为主。这就是有些研究者观测到以体电导为主导的电荷分布，而有些研究者在高电场下观察到电荷积聚主要来自气体侧电荷吸附的原因。
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结论
本文针对目前直流GIL中固-气界面积聚问题，对固-气界面电荷的测量技术、积聚机理和仿真模型等方面进行了综述，对未来该领域的研究提出如下建议：
1）测量技术是研究表面电荷积聚现象的基础。从近期来看，要继承有源静电探头的优势，充分利用数字图像处理领域的相关技术，从反演算法上进一步提高表面电荷测量的分辨率和精确度；同时，还要积极探索光电新技术在电荷测量方面的应用，开发出能够应用于未来直流GIL设备状态监测的非接触式、在线电荷测量手段。
2）在仿真模型方面，一方面充分考虑多物理场耦合效应，发挥数值模拟优势，分析多因素作用下电荷积聚的机理，对直流GIL绝缘结构设计和长期运行状态评估等方面的工作提供指导；另一方面将宏观电磁场理论和材料内部微观电荷输运机理相结合，进一步反映材料内在性质对电荷积聚的影响。
3）在电荷积聚机理方面，要将理想状态和缺陷状态下的电荷积聚模式区别对待，考虑不同模式下固-气界面电荷积聚的动力学过程，并根据不同模式的不同特征开展针对性的研究。尤其是针对缺陷状态下的电荷积聚机理，需要进一步通过实验探究缺陷类型与电荷积聚形成过程的关系，并建立相应的物理模型进行描述。
团队介绍
张博雅
分别从清华大学电机系获电气工程专业学士和博士学位，现任西安交通大学电气工程学院讲师。研究方向包括气体放电与等离子体、脉冲功率技术及新型电介质材料等。曾参与国家973计划课题“大容量直流电缆输电和管道输电关键基础研究”，国家重点研发计划课题“±1100 kV直流输电关键技术研究与示范”和“环保型管道输电关键技术实施方案和管理机制”等。担任国际权威期刊《Journal of Applied Physics》、《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》、《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》以及《电工技术学报》、《高电压技术》等期刊审稿人，共发表论文20余篇，2018年入选“博士后创新人才支持计划”。
张贵新
分别从清华大学电机系获工学学士和硕士学位，从南洋理工大学理学院获物理学博士学位，现任清华大学高电压与绝缘技术研究所副所长、教授、博士生导师。主要研究方向为高电压绝缘、微波等离子体、光电测量和电子式互感器技术。先后完成20余项各类科研项目，包括国家自然科学基金、国家863计划、国家973计划、国家重点研发计划、IAEA、EDB、NSTB及校企合作等项目。出版作者专著2部，发表论文150余篇，其中SCI收录40余篇，EI收录80余篇。获省部级、国际设计奖、国家电网和南方电网等各种奖励10余项。目前担任ICDMP科学委员会委员、中国代表。