学术简报︱直流GIS/GIL盆式绝缘子表面电荷主导积聚方式的转变机理
武汉大学电气与自动化学院、平高集团有限公司、国家电网高压开关绝缘设备材料实验室（平高集团有限公司）以及国网河南省电力公司的研究人员罗毅、唐炬、潘成、林生军、王忠强，在2019年第23期《电工技术学报》上撰文指出，气体中载流子浓度、绝缘子体电导率变化以及表面电导率的变化会导致绝缘子材料主导积聚方式的变化。
构建直流条件下气体侧传导、绝缘材料体传导和表面传导共存条件下盆式绝缘子表面电荷积聚仿真模型，其中气体侧传导包含了气体载流子的产生、扩散、漂移、复合等输运过程，并考虑了表面传导的非线性。
分别计算了气体离子对生成率，绝缘子体电导率和表面电导率变化时的绝缘子表面的电荷分布，同时得到了GIS/GIL内部的电场分布，并根据电荷和电场分布对表面电荷积聚的机理进行了深入系统的探讨。通过绝缘子表面净电荷量定义了表面电荷积聚主导方式转变的定量描述方式。
本研究为直流条件下表面电荷的抑制提供了新的研究思路。
由于SF6气体优异的绝缘性能，气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）及气体绝缘金属封闭输电线路（Gas Insulated Transmission Line,GIL）等气体绝缘设备在电力系统输配电领域得到大力发展。GIS将高压设备密闭组合，充以绝缘性能优异的SF6气体，能够显著地减小设备尺寸并提高运行可靠性。GIL作为架空线路的替代装置，能够在提供相同功率的情况下，占用更少的空间。
随着直流技术的发展，利用直流GIS以及GIL进行大功率、远距离输电受到广泛的关注。但是，目前仍需要解决因表面电荷大量积聚造成的设备内部绝缘子周围电场畸变而导致其沿面耐受能力下降，即固体绝缘的表面电荷积聚问题。
直流条件下绝缘子表面电荷积聚途径主要有三种：气体侧传导、绝缘材料体传导、绝缘材料表面传导。在电荷积聚达到稳态的过程中，设备内部的电场分布与气体电导率、体电导率和表面电导率密切相关。
有学者建立了离子流物理仿真模型，研究发现在自然电离条件下绝缘子表面电荷积聚的主导途径是绝缘子体传导。
但当气体中存在微放电时，气体中的载流子数量会大幅增加，绝缘子表面出现同极性与异极性电荷共存的实验现象，且同极性电荷密度要远高于异极性电荷，说明表面电荷的主导积聚方式转变为气体侧传导。
在某些特殊装置中，如国际热核聚变实验堆（International ThermonuclearExperimental Reactor, ITER），GIL也被用来进行大容量的电力传输。ITER工作时会产生大量的γ、X射线，此时GIL中的气体会因为受到大量辐射而产生大量载流子，即使气体中不存在放电时，表面电荷的极性也会发生改变。
有学者发现绝缘材料的体积电阻率改变时，表面电荷积聚的主导途径也会发生改变。
上述研究表明，气体中载流子浓度、绝缘子体电导率等参数改变时会导致表面电荷积聚的主导方式发生改变，但是目前对积聚方式转变的条件仍然缺乏深入系统的认识。另外，关于表面电导率对主导积聚方式的影响的研究目前还未见报道。
本文以简化GIS/GIL 盆式绝缘子为研究对象，建立了直流电压下表面电荷积聚仿真模型，考虑了气体侧传导、绝缘材料表面传导和体传导三种表面电荷积聚方式，系统研究了离子对生成率、表面电导率以及体电导率变化时，绝缘子表面电荷的积聚特性，并分析了表面电荷主导积聚方式的转变机理。
为了对表面电荷积聚主导途径进行描述，定义绝缘子表面净电荷量为零时所对应的离子对生成率以及上表面及下表面净电荷相等时的绝缘子体电导率为积聚机理转变的临界值。
图1 不同表面电导率下绝缘子表面电荷分布
本文建立考虑气体载流子产生、迁移、扩散以及复合过程的表面电荷积聚模型，从表面电荷积聚的三种途径对表面电荷主导积聚方式的转变进行了研究，根据数值计算结果得到如下结论：
1）在离子对生成率逐渐增大的过程中，绝缘子上表面电荷极性由正极性转变为负极性，下表面的电荷极性由负极性转变为正极性。根据GIS/GIL内部电场分布可知，当离子对生成率增大时，表面电荷积聚途径由绝缘子体传导转变为气体侧传导。由于绝缘子上、下表面的电场分布不均匀，上表面及下表面的积聚机理转变的临界值不同。
2）随着表面电导率的增大，绝缘子上表面的正电荷以及下表面的负电荷逐渐减小，并出现正负电荷共存的现象，通过表面传导积聚的电荷逐渐增多。通过分析可以推测，当表面电导率继续增大时，表面电荷积聚的主导机理会转变为绝缘子表面传导。
3）在体电导率由1×10-14S/m减小至1×10-19S/m的过程中，绝缘子上表面积聚电荷极性由正转变为负，同时下表面积聚电荷极性发生反转。此时表面电荷积聚的主导机理由绝缘子体传导转变为气体侧传导，转变的临界体电导率为5.76×10-18S/m。