学术简报｜直流电压下绝缘子表面电荷分布中“电荷斑”模式的分析与研究
清华大学电机工程与应用电子技术系、西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室的研究人员李大雨、张博雅等，在2018年第22期《电工技术学报》上撰文指出，在对直流电压下缩比气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）绝缘子表面电荷进行测量时发现，绝缘子表面通常呈现两种不同的电荷分布，可分别称为电荷分布的“基本模式”和“电荷斑”模式。
研究表明，“电荷斑”模式的电荷积聚机理和“基本模式”的不同，无法反映绝缘材料本体特征对电荷积聚的影响规律。为了准确地对电荷积聚特性进行量化表征，需要对“电荷斑”加以分离处理，本文对“电荷斑”形成原因进行分析，利用最大类间方差法对“电荷斑”进行分离，并对分离“电荷斑”以后的基本模式下材料本体的径向电位分布进行量化表征。
结果表明，分离电荷斑以后的表征结果和实验结果以及仿真结果具有较好的一致性。
气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated metal enclosed Transmission Line, GIL）是高电压传输中较常采用的一种输电方式，它具有电磁干扰小、传输能力强、电能损耗小和环境适用性强等优点，可以解决我国电力能源由西、北向东、南地区远距离大规模输运的困难，从而缓解我国能源供应和能源消耗的之间地域分布不均衡的矛盾。
在GIL高压输电系统中，绝缘子作为电气隔离或者支撑不同电位导体的部件，在线路中有着广泛的应用。也正是缘于此，使绝缘子长期工作于高电压和高电场强度环境下，绝缘子表面不可避免地存在电荷积聚现象，而电荷积聚又会引起绝缘子表面电场发生畸变，有可能造成沿面闪络电压的降低。因此，为了提高GIL输电系统工作的稳定性与可靠性，对绝缘子电荷积聚现象进行研究分析，探究其积聚机理，可以对实际工程设计提供参考。
自20世纪70年代以来，国外一些学者就开始对绝缘子表面电荷积聚现象进行了研究，比如瑞士科学院的Knecht、日本三菱公司的Nakanishi以及美国麻省理工的Cooke等，他们分别从体电导模型、切向电场强度模型和法向电场强度模型对表面电荷的积聚原因进行了分析。
进入21世纪后，国内的西安交通大学、华北电力大学、天津大学、重庆大学等科研人员也陆续开展了这方面的研究，对影响电荷积聚的因素，电荷积聚对闪络电压的影响等方面提出了自己的观点，并通过相关实验进行了验证。
本实验室在前期的研究工作中，从材料本征角度和三电流模型出发，研究了电荷积聚的规律，得出了在中心电极结构下，绝缘子表面电荷积聚主要是由固体侧电流所主导的结论。但同时在实验中也发现，由于受到局部微放电等因素的影响，有时在绝缘子表面会产生随机分布的“电荷斑”，并且这些“电荷斑”的积聚机理与上述规律有所不同，无法反映绝缘材料本体特征对电荷积聚的影响规律。本文针对这种“电荷斑”现象开展了研究。
为了测量的方便，实验中对GIL中实际应用的盆式绝缘子按照一定的比例进行了缩小，形成了一种锥形绝缘子，外形如图1所示。其尺寸为外径100mm，内径12mm，边缘厚度为5mm，中心厚度为17.5mm。
为了对其进行直流电压下电荷积聚的实验和测量，设计了一套集加压与测量为一体的实验系统，其结构示意图如图2所示。高压电极通过锥形绝缘子中心，经过保护电阻连接直流高电压；绝缘子的周围为一圈铝制法兰，通过法兰和接地的金属圆筒相连，构成地电极。
待加压达到一定时间后，断掉高电压，将有源电容探头移动至绝缘子表面，一台电机控制探头沿锥形绝缘子的锥面径向移动，同时另一台电机控制绝缘子沿中心轴线旋转，从而使探头以螺旋线的方式扫描完整个绝缘子的表面。
实验中，通过电机控制软件使探头沿绝缘子表面扫描44周，其中每个圆周上扫描360个点，如此便可总共获得表面360×44=15840个电位信息。通过有限元软件仿真可得到由电位向电荷密度转换的传递函数矩阵H，然后经过进一步的反演算法，最终可得到绝缘子表面的电荷密度。
图1 缩比GIL绝缘子
图2 表面电荷实验与测量系统
图3 电荷分布的基本模式和“电荷斑”模式
本文主要研究了直流电压下缩比GIL绝缘子表面电荷积聚中的“电荷斑”模式，分析了其特点和形成原因，并用“最大类间方差法”对其进行了分离处理及分离后的量化表征，可得出以下结论：
1）直流电压下缩比GIL绝缘子表面电荷积聚可分为“基本模式”和“电荷斑”模式两种主要模式。
2）类比灰度图像中区分“目标”与“背景”的方法，利用最大类间方差法可以对“电荷斑”模式进行有效地分离。
3）对分离“电荷斑”以后“基本模式”下的电荷积聚进行了量化表征，得到了“基本模式”下的环氧树脂绝缘材料在不同电压作用时间后的电位分布特征，得出了其表面电荷积聚的特点。
4）对分离“电荷斑”以后的径向电位分布与不含“电荷斑”的径向电位分布进行了对比，两者吻合较好，证明了“电荷斑”分离的可行性及对分离以后电荷积聚机理表征的正确性。