学术简报｜SF6/N2混合气体中金属微粒对GIL盆式绝缘子表面电荷积聚特性的影响
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西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室、中国电力科学研究院有限公司电网环境保护国家重点实验室的研究人员王涵、薛建议等，在2018年第20期《电工技术学报》上撰文，在0.5MPa 20%SF6/N2混合气体中，利用静电探头和电荷反演算法测量并计算了金属微粒附着时盆式绝缘子的表面电荷分布，并研究电压类型和金属微粒长度对表面电荷分布影响。
结果表明，金属微粒将加剧绝缘子表面电荷积聚并严重畸变金属微粒处电场。在直流电压下绝缘子表面电荷存在三种积聚形态，即同极性电极注入电荷、金属微粒附近双极性电荷及随机分布电荷，而在雷电冲击电压下绝缘子表面仅存在金属微粒附近双极性电荷及随机分布电荷。当金属微粒超过5mm时，直流电压下注入电荷区的存在将导致金属微粒附近积聚电荷量减少，雷电冲击电压下随机分布电荷的存在也将导致金属微粒附近积聚电荷量减少。
以SF6和SF6/N2混合气体为主要绝缘介质的气体绝缘输电线路（Gas Insulated transmission Line, GIL）因绝缘性能好、可靠性高、结构紧凑、输送容量大等优点，在大容量远距离输电领域得到越来越多的应用。但与此同时，直流GIL中绝缘子表面电荷积聚现象和金属微粒污染问题也得到越来越广泛的关注。
国内外学者针对绝缘子表面电荷积聚现象及金属微粒对绝缘性能的影响机制进行了大量研究。清华大学张贵新等研究了氟化处理对环氧树脂绝缘子表面电荷积聚特性的影响。天津大学杜伯学等研究了交流和冲击电压作用下环氧树脂绝缘子表面电荷的积聚与衰减特性，并利用陷阱能级对实验结果进行了解释。华北电力大学李成榕等在实际绝缘子表面附着导电微粒的情况下，对绝缘子沿面闪络的检测及其发展规律进行了探索。
对于金属微粒与绝缘子表面电荷积聚相互作用的情况，埃及开罗大学Radwan 等从理论上分析了导电微粒与表面电荷之间的作用关系。日本东京大学Kumada等研究了SF6气体中金属微粒对表面电荷积聚的影响，研究表明金属微粒存在会导致绝缘子表面产生径向电荷积聚，且以负极性电荷为主。华北电力大学李庆民等对柱式绝缘子上导电微粒对表面电荷积聚的影响进行了相关实验和仿真研究，研究表明与电极接触的微粒对电荷积聚的影响最大，微粒长度的增长将导致表面电荷积聚的增加。
但是目前针对金属微粒与绝缘子表面电荷之间相互作用规律的研究仍有局限性。目前的研究主要集中于SF6气体中，对于SF6/N2混合气体中的研究较少。同时，大量学者主要针对柱式绝缘子进行研究，而对于同轴圆柱电极结构下盆式绝缘子表面金属微粒附着的影响研究相对较少，许多研究关注由金属微粒引发的电荷积聚特性，而忽略了由其他因素导致的电荷积聚与金属微粒附近电荷积聚的交互影响。一些研究采用的反演算法的分辨率较低，得到的电荷分布形态较为模糊，表面电荷的来源往往被认为仅有单一机理占主导，忽略了多种机理共同作用的情况。
本文仿照实际GIL的结构，采用同轴圆柱电极布置方式，搭建了一套高气压环境中的绝缘子表面电荷测量系统。将不同长度的铜丝附着于圆台形绝缘子表面，在0.5MPa 20%SF6/N2混合气体中，测量得到了直流电压和雷电冲击电压作用下绝缘子表面电位分布，进而采用高分辨率的电荷反演算法计算得到了绝缘子表面电荷密度分布。深入研究了金属微粒长度、电压类型对绝缘子表面电荷积聚特性的影响规律，研究发现绝缘子表面电荷在不同机理作用下呈现多种分布特征，且不同分布的电荷对金属微粒附近的电荷积聚存在不同的影响。
图1 实验测量系统
本文利用静电探头及表面电荷反演算法，测量并计算了0.5MPa 20%SF6/N2混合气体中金属微粒附着状况下直流GIL盆式绝缘子的表面电荷分布，实验中考虑了金属微粒长度、电压类型及电压幅值对绝缘子表面电荷积聚特性的影响。结论如下：
1）直流电压作用下绝缘子表面电荷积聚呈现三种分布：高压电极附近对称分布的同极性电荷、金属微粒附近的双极性电荷、随机分布电荷。其中第一类分布电荷来源于高压电极的肖特基注入；第二类分布电荷来源于金属微粒处电场集中引发的气体电离，并在法向电场作用下积聚在绝缘子表面；第三类电荷来源于微小的金属粉尘或绝缘子内部缺陷等引起的局部气体电离。
2）雷电冲击电压作用下绝缘子表面不存在高压电极附近的电极注入电荷，仅存在金属微粒附近的双极性电荷及随机分布电荷。
3）两种电压形式下，当金属微粒长度超过5mm时，金属微粒附近积聚的电荷量均急剧减少，但产生原因不尽相同。注入电荷区是导致直流电压下金属微粒超过5mm时表面电荷急剧减少的原因，随机性电荷是导致雷电冲击电压下金属微粒超过5mm时表面电荷急剧减少的原因。
4）两种电压形式下，金属微粒附近积聚的双极性电荷量随外施电压幅值的增加而增加，且金属微粒端部积聚的同极性电荷的积聚范围随外施电压幅值的增加而增加。