由于SF6氣體優(yōu)異的絕緣性能，氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）及氣體絕緣金屬封閉輸電線路（Gas Insulated Transmission Line,GIL）等氣體絕緣設(shè)備在電力系統(tǒng)輸配電領(lǐng)域得到大力發(fā)展。GIS將高壓設(shè)備密閉組合，充以絕緣性能優(yōu)異的SF6氣體，能夠顯著地減小設(shè)備尺寸并提高運行可靠性。GIL作為架空線路的替代裝置，能夠在提供相同功率的情況下，占用更少的空間。

隨著直流技術(shù)的發(fā)展，利用直流GIS以及GIL進行大功率、遠距離輸電受到廣泛的關(guān)注。但是，目前仍需要解決因表面電荷大量積聚造成的設(shè)備內(nèi)部絕緣子周圍電場畸變而導(dǎo)致其沿面耐受能力下降，即固體絕緣的表面電荷積聚問題。

直流條件下絕緣子表面電荷積聚途徑主要有三種：氣體側(cè)傳導(dǎo)、絕緣材料體傳導(dǎo)、絕緣材料表面?zhèn)鲗?dǎo)。在電荷積聚達到穩(wěn)態(tài)的過程中，設(shè)備內(nèi)部的電場分布與氣體電導(dǎo)率、體電導(dǎo)率和表面電導(dǎo)率密切相關(guān)。

• 有學(xué)者建立了離子流物理仿真模型，研究發(fā)現(xiàn)在自然電離條件下絕緣子表面電荷積聚的主導(dǎo)途徑是絕緣子體傳導(dǎo)。
• 但當(dāng)氣體中存在微放電時，氣體中的載流子數(shù)量會大幅增加，絕緣子表面出現(xiàn)同極性與異極性電荷共存的實驗現(xiàn)象，且同極性電荷密度要遠高于異極性電荷，說明表面電荷的主導(dǎo)積聚方式轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w側(cè)傳導(dǎo)。
• 在某些特殊裝置中，如國際熱核聚變實驗堆（International ThermonuclearExperimental Reactor, ITER），GIL也被用來進行大容量的電力傳輸。ITER工作時會產(chǎn)生大量的γ、X射線，此時GIL中的氣體會因為受到大量輻射而產(chǎn)生大量載流子，即使氣體中不存在放電時，表面電荷的極性也會發(fā)生改變。
• 有學(xué)者發(fā)現(xiàn)絕緣材料的體積電阻率改變時，表面電荷積聚的主導(dǎo)途徑也會發(fā)生改變。

上述研究表明，氣體中載流子濃度、絕緣子體電導(dǎo)率等參數(shù)改變時會導(dǎo)致表面電荷積聚的主導(dǎo)方式發(fā)生改變，但是目前對積聚方式轉(zhuǎn)變的條件仍然缺乏深入系統(tǒng)的認識。另外，關(guān)于表面電導(dǎo)率對主導(dǎo)積聚方式的影響的研究目前還未見報道。

本文以簡化GIS/GIL 盆式絕緣子為研究對象，建立了直流電壓下表面電荷積聚仿真模型，考慮了氣體側(cè)傳導(dǎo)、絕緣材料表面?zhèn)鲗?dǎo)和體傳導(dǎo)三種表面電荷積聚方式，系統(tǒng)研究了離子對生成率、表面電導(dǎo)率以及體電導(dǎo)率變化時，絕緣子表面電荷的積聚特性，并分析了表面電荷主導(dǎo)積聚方式的轉(zhuǎn)變機理。

為了對表面電荷積聚主導(dǎo)途徑進行描述，定義絕緣子表面凈電荷量為零時所對應(yīng)的離子對生成率以及上表面及下表面凈電荷相等時的絕緣子體電導(dǎo)率為積聚機理轉(zhuǎn)變的臨界值。

圖1 不同表面電導(dǎo)率下絕緣子表面電荷分布

結(jié)論

本文建立考慮氣體載流子產(chǎn)生、遷移、擴散以及復(fù)合過程的表面電荷積聚模型，從表面電荷積聚的三種途徑對表面電荷主導(dǎo)積聚方式的轉(zhuǎn)變進行了研究，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果得到如下結(jié)論：

• 1）在離子對生成率逐漸增大的過程中，絕緣子上表面電荷極性由正極性轉(zhuǎn)變?yōu)樨摌O性，下表面的電荷極性由負極性轉(zhuǎn)變?yōu)檎龢O性。根據(jù)GIS/GIL內(nèi)部電場分布可知，當(dāng)離子對生成率增大時，表面電荷積聚途徑由絕緣子體傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w側(cè)傳導(dǎo)。由于絕緣子上、下表面的電場分布不均勻，上表面及下表面的積聚機理轉(zhuǎn)變的臨界值不同。
• 2）隨著表面電導(dǎo)率的增大，絕緣子上表面的正電荷以及下表面的負電荷逐漸減小，并出現(xiàn)正負電荷共存的現(xiàn)象，通過表面?zhèn)鲗?dǎo)積聚的電荷逐漸增多。通過分析可以推測，當(dāng)表面電導(dǎo)率繼續(xù)增大時，表面電荷積聚的主導(dǎo)機理會轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣子表面?zhèn)鲗?dǎo)。
• 3）在體電導(dǎo)率由1×10-14S/m減小至1×10-19S/m的過程中，絕緣子上表面積聚電荷極性由正轉(zhuǎn)變?yōu)樨摚瑫r下表面積聚電荷極性發(fā)生反轉(zhuǎn)。此時表面電荷積聚的主導(dǎo)機理由絕緣子體傳導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w側(cè)傳導(dǎo)，轉(zhuǎn)變的臨界體電導(dǎo)率為5.76×10-18S/m。