基于表層梯度電導調控的直流三支柱絕緣子界面電場優化方法

胡 琦 李慶民 劉智鵬 劉 衡 A. Manu Haddad

基于表層梯度電導調控的直流三支柱絕緣子界面電場優化方法

胡 琦1李慶民1劉智鵬2劉 衡2A. Manu Haddad3

（1. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 2. 北京市高電壓與電磁兼容重點實驗室（華北電力大學） 北京 102206 3. 先進高壓工程研究中心（卡迪夫大學） 卡迪夫 CF24 3AA）

氣-固界面和嵌件-環氧界面的電場強度集中效應被認為是導致直流三支柱絕緣子發生沿面閃絡和支腿炸裂的重要原因，傳統的結構優化難以同時有效調控兩個界面的電場分布，迫切需要更合理的調控手段。通過電-熱-流多物理場仿真，研究直流三支柱絕緣子界面電場分布特性，指出電荷積聚是造成界面處場強集中的主要原因。據此提出基于“類U型”梯度電導的絕緣子雙界面電場聯合調控策略，通過嵌件-環氧界面高電導涂層和氣-固界面非線性電導涂層的協同使用，使得三支柱絕緣子體電導和表面電導呈“類U型”梯度分布，可降低絕緣子內部及表面電荷積聚程度，從而優化界面電場分布。進一步研究雙界面涂層對直流三支柱絕緣子界面電場的調控作用，并針對電場調節與損耗控制目標，實現對涂層電導參數的優化。研究結果表明：當嵌件-環氧界面涂覆材料電導率不小于10-12S/m、氣-固界面非線性電導材料參數處于“臨界飽和線”上時，支柱絕緣子嵌件-環氧界面最大電場強度可從4.48kV/mm降至0.04kV/mm，氣-固界面最大切向電場強度從2.47kV/mm降至1.73kV/mm。參數優化后的雙界面梯度電導涂層，可使界面電場集中效應得到有效抑制，同時將絕緣子最大電場與功率損耗控制在允許范圍內，為高壓直流三支柱絕緣子的優化設計提供了基礎依據。

直流氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL） 三支柱絕緣子 界面涂層 梯度電導 界面電場優化

0 引言

三支柱絕緣子廣泛應用于氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated Metal-Enclosed Transmission Line, GIL)中，起到支撐導體和電氣絕緣的作用，具有保證外殼和導體同心度、提供熱膨脹或機械應變補償等方面的優勢，是GIL基礎單元常用的關鍵部件。此外，在GIL的斜井、拐角、高落差線段，三支柱絕緣子安裝更簡便，可以延長設備直線段長度、大幅度降低工程安裝工作量和成本，滿足GIL特殊線段的安裝需求[1-3]。然而，三支柱絕緣子界面放電故障頻發，包括氣-固界面的沿面閃絡[2]，以及金屬嵌件-環氧界面放電引發的擊穿炸裂[3]，嚴重危害GIL設備的安全運行。目前普遍認為，造成上述現象的主要原因是絕緣子與金屬電極、絕緣氣體的電學性能差異顯著，界面電場分布不均，特別是接地嵌件與環氧樹脂的交界面，呈現“低電位高場強”的特征[4]；而且，在直流電壓應力下，GIL電場會由初始的電容場分布向穩定的電阻場分布過渡，這種容阻場轉變的過程會造成三支柱絕緣子界面積聚大量電荷，使界面電場分布發生畸變，進一步降低絕緣子界面放電起始電壓[5-8]。

然而，國內外目前針對GIL用三支柱絕緣子的研究主要集中于加工工藝改進[9]、力學性能提升[10]及電氣性能優化[11]。其中，對于電氣性能優化的研究集中于結構優化對交流三支柱絕緣子電場分布的調控作用[11-12]，但對直流電壓下三支柱絕緣子的界面電場分布特性及調控措施卻鮮有研究。因此，研究電荷積聚對直流三支柱絕緣子界面電場分布的影響，提出調控界面電場分布的有效策略，對減少三支柱絕緣子界面放電故障、提高直流GIL絕緣性能具有重要意義。

針對直流絕緣子界面處的場強集中效應，可以采用結構優化、本體材料改性、界面梯度電導涂層等方法進行優化。其中，結構優化容易受到溫度梯度、沖擊電壓等外界條件的影響，是被動調控界面電場的策略，對界面電場的優化效果有限[13]；本體材料改性雖然可優化界面電場分布，但也同時改變了絕緣子原有的力學性能，絕緣子的力學性能無法保證[14]；界面梯度電導涂層不改變絕緣子的體性能，通過控制界面處的電導梯度分布來調控絕緣子電荷分布，進而達到優化界面電場分布的目的，常被用于直流盆式絕緣子氣-固電場調控中[15]。杜伯學等學者指出可以通過磁控濺射條件或梯度氟化的方法實現界面高電導的梯度分布，調控直流盆式絕緣子氣-固

界面電場分布，最大可提升37%的閃絡電壓[15-16]。然而，絕緣材料電導率對溫度存在很強的依賴關系，固定的電導梯度分布難以滿足絕緣子不同溫度梯度的運行條件。非線性電導絕緣材料因其電導率隨電場變化呈現自適應梯度分布，也可以看作是一種梯度電導調控方法[14]。李進等學者發現非線性電導環氧復合涂層不僅可以使空載條件下最大電場強度降低40%，而且可以有效改善高溫度梯度下氣-固電場分布[17]；將SiC質量分數為25%的環氧復合材料涂覆于直流盆式絕緣子氣-固界面，可以提升60%的閃絡電壓[18]。但該研究中僅考慮了非線性電導涂層對直流盆式絕緣子氣-固界面電場的調控作用，并未考慮對直流三支柱絕緣子的適用性。實際上，絕緣子形狀對界面電場分布、界面電荷積聚過程有很大的影響。與盆式絕緣子相比，三支柱絕緣子電場分布極不均勻，法向場強集中于腹部，切向場強集中于支腿處，嵌件-環氧交界面電場強度也更大[12]；而且，三支柱絕緣子的不均勻電場分布將導致局部電荷積聚更加嚴重。因此，現有的盆式絕緣子的非線性電導涂層不能適用于直流三支柱絕緣子兩個界面的電場調控中，難以有效指導直流三支柱絕緣子界面絕緣優化設計。

因此，本文通過電-熱-流多物理場仿真計算，研究了電荷積聚和溫度梯度對直流三支柱絕緣子氣-固界面和嵌件-環氧界面電場分布的影響。據此，針對直流三支柱絕緣子的兩個關鍵界面，提出基于“類U型”梯度電導的雙界面電場聯合優化策略，降低絕緣子內部及表面電荷積聚程度，優化界面電場分布。進一步研究了雙界面涂層對直流三支柱絕緣子界面電場的調控作用，并針對電場調節與損耗控制目標，實現對涂層電導參數的優化，為直流GIL三支柱絕緣子的優化設計提供了基礎依據。

1 直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場仿真模型

本文建立的直流GIL三支柱絕緣子的幾何模型如圖1所示，由中心導桿、嵌筒、絕緣子腹部、絕緣子支腿、嵌件和接地外殼組成。圖中，絕緣子材料為環氧樹脂，環氧樹脂與絕緣氣體之間存在氣-固界面，環氧樹脂與嵌筒、嵌件之間存在金屬-環氧界面。

直流電壓下，三支柱絕緣子界面電荷積聚過程與絕緣材料電導率密切相關，而電導率與溫度存在強依賴關系。為研究直流三支柱絕緣子界面電場分

圖1 三支柱絕緣子幾何模型

布特性，計算了直流GIL內的熱傳導、熱對流和熱輻射過程[10]。

式中，為溫度；為導熱系數；c為表面傳熱熱通量；為Nusselt數；i、o分別為換熱面內、外溫度；i、o分別為管道內、外徑；為等效表面傳熱系數；rc為輻射傳熱熱通量；為氣-固傳熱面等效面積；B為Stefan-Boltzmann常數；為固體表面發射率。

基于絕緣子體內傳導、絕緣子表面傳導和氣體側傳導這三種電荷積聚物理過程，構建了直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場電荷積聚模型。表面電荷積聚暫態方程可表示為

2 界面電場集中的關鍵因素及應對方法

2.1 絕緣子界面電場集中的關鍵因素分析

基于上述模型，仿真計算的直流三支柱絕緣子徑向截面溫度分布如圖2a所示。三支柱絕緣子溫度從中心導桿附近到接地外殼附近呈梯度遞減的趨勢。導桿溫度為333K時，接地外殼溫度為302K，最大溫差可達31K。溫度的梯度分布會導致絕緣子電導率隨導桿距離的增大呈梯度遞減，如圖2b所示。

圖2 三支柱絕緣子徑向溫度及電導率分布

在直流電壓和溫度梯度的作用下，三支柱絕緣子氣-固界面電荷密度分布如圖3a所示。同極性正電荷主要集中在直流三支柱絕緣子腹部，最大電荷密度為+31.9μC/m2；異極性負電荷集中于絕緣子支腿底部，最大電荷密度為-20.3μC/m2。說明當GIL設備處于潔凈狀態時，三支柱絕緣子內部及表面傳導的電流比氣體側電流對界面電荷積聚的影響更大，絕緣子電導分布是氣-固界面電荷積聚及電場分布的關鍵因素。氣-固界面電荷的不均勻分布導致直流三支柱絕緣子支腿處沿面切向電場強度顯著增大，最大切向電場強度由交流電壓下的1.48kV/mm增大至2.47kV/mm，增長了66.9 %，如圖4a所示。

圖3 三支柱絕緣子積聚電荷分布

圖4 三支柱絕緣子界面電場分布

此外，溫度梯度導致絕緣材料電導率呈梯度變化，直流三支柱絕緣子內積聚同極性空間電荷，具體分布如圖3b所示。由于嵌件-環氧界面電場強度高、溫度梯度大，附近空間電荷積聚最為嚴重，電荷密度最大值可達3.8mC/m3。空間電荷的積聚導致嵌件-環氧界面成為直流三支柱絕緣子電場最為集中的區域，最大電場強度高達4.48 kV/mm，如圖4b所示。

綜上所述，直流三支柱絕緣子電荷積聚是造成界面處電場強度集中的關鍵因素，必須采取合理措施調控絕緣子電荷分布，抑制直流三支柱絕緣子界面電場集中效應。

2.2 基于“類U型”梯度電導的絕緣子雙界面電場聯合調控方法

由2.1節可知，溫度梯度會引起三支柱絕緣子材料電導率空間梯度變化，越靠近接地側的材料電導率越低、電荷輸運能力越弱，導致絕緣子接地側附近積聚大量空間及界面電荷，界面電場畸變。因此，本文提出采用嵌件-環氧界面涂層和氣-固界面涂層協同的方法，在不改變絕緣子本體性能的基礎上，增大絕緣子接地側材料的體電導率和表面電導率，降低空間及界面電荷積聚程度，同時優化嵌件-環氧界面和氣-固界面電場分布。圖5為涂覆雙界面涂層的直流三支柱絕緣子示意圖，絕緣子體傳導電流和表面傳導電流可以等效為兩個電阻支路的并聯電路模型。

圖5 涂覆界面涂層的三支柱絕緣子模型

針對嵌件-環氧界面，可以在絕緣子澆注前對接地嵌件表面進行處理，涂覆一層高電導率的材料。嵌件-環氧界面高電導涂層的引入加大了該區域的體電導率，使三支柱絕緣子體電導率整體呈現兩端高、中間低的“類U型”梯度分布，如圖6a所示。絕緣子接地側附近積聚的正極性空間電荷通過涂層傳輸至地電極，積聚的電荷密度降低，甚至出現負極性空間電荷的累積，降低嵌件-環氧界面電場強度。

針對氣-固界面，界面涂層主要通過調控絕緣子表面電流對氣-固界面電荷進行抑制，從而達到優化界面電場分布的目的。絕緣子氣-固界面閃絡電壓與沿面切向電場強度密切相關，而三支柱絕緣子腹部區域切向電場強度極小，電場優化的必要性不大；此外，由于表面傳導電流與切向電場強度密切相關，腹部區域的表面傳導電流可忽略不計，難以通過界面涂層的方法改變該區域的電場分布。因此，只需要在三支柱絕緣子支腿區域氣-固界面涂覆界面涂層。已有研究表明，非線性電導涂層對氣-固界面電場的調控作用要優于均勻電導涂層[13]。因此，在三支柱絕緣子支腿區域氣-固界面引入非線性電導涂層，可以加大該區域材料的表面電導率，使三支柱絕緣子表面電導率呈“類U型”梯度分布，如圖6b所示，降低了氣-固界面電荷積聚程度，自適應地優化界面電場分布。

圖6 三支柱絕緣子的“類U型”梯度電導分布

3 雙界面涂層的電場調控效果與參數優化

3.1 雙界面涂層對界面電場的調控作用

式中，為電場強度（kV/mm）；參數為歐姆電導率（S/m）；參數為非線性系數（mm/kV）。

圖7 涂覆雙界面涂層后絕緣子電荷分布

圖8 涂覆雙界面涂層后絕緣子界面電場分布

直流三支柱絕緣子涂覆雙界面涂層后，電導呈“類U型”梯度分布，降低了電荷積聚程度，有效地抑制了絕緣子界面的電場集中效應。但該方法的應用也存在一定弊端，當三支柱絕緣子整體承受電壓恒定時，嵌件-環氧界面高電導涂層的引入雖然降低了界面處的電場強度，但同時伴隨著絕緣子本體部分承受電壓的增大，絕緣子本體內的電場強度會有所提升。此外，氣-固界面非線性電導涂層的使用加大了絕緣子表面電導率，泄露電流增大，損耗功率增大了兩個數量級，涂覆涂層后絕緣子本體最大電場強度與損耗功率如圖9所示。

因此，在使用雙界面涂層對直流三支柱絕緣子界面電場進行調控時，兩個涂層的電導參數的選擇非常重要。涂層電導率過低，則界面電場調控效果不佳；涂層電導率過高，則可能引起絕緣子本體電場強度過高、泄露電流過大等問題。以下通過仿真研究涂層材料電導參數對界面電場分布的影響，為直流三支柱絕緣子雙界面涂層電導參數設計提供依據。

圖9 涂覆涂層后絕緣子本體最大場強與損耗功率

3.2 雙界面涂層電導參數優化

在嵌件-環氧界面已經涂覆電導率為10-12S/m的界面涂層的基礎上，進一步研究氣-固界面涂層材料非線性電導參數和對氣-固界面電場分布與損耗功率的影響。本文依據經驗設置參數的取值范圍為1×10-14~1×10-11S/m，參數的取值范圍為0.2~2 mm/kV[22]。

圖11a給出了直流三支柱絕緣子氣-固界面最大切向電場強度隨非線性電導涂層材料參數的變化規律。未涂覆涂層時，直流三支柱絕緣子最大切向場強為2.47kV/mm；涂覆涂層后，絕緣子最大切向場強明顯下降。隨著參數和的增大，直流三支柱絕緣子最大切向電場強度先快速下降，最后趨于平穩。對此，可做如下解釋：當氣-固界面涂層電導參數和較小時，表面電荷積聚的主要途徑是絕緣子體傳導和氣體側傳導，此時涂層電導參數的增大提高了絕緣子表面電導率，有助于表面電荷沿材料表層疏散，因此絕緣子最大切向電場強度快速下降；但隨著涂層電導參數的繼續增大，通過表面傳導積聚的電荷逐漸增多[23]，此時絕緣子表面電導率的增大不再抑制表面電荷積聚，非線性電導涂層對氣-固界面最大切向電場強度的調控效果達到飽和。

為便于定量表征，本文定義最大切向電場強度下降至初始值的70%即1.73 kV/mm時的涂層參數集合，作為直流三支柱絕緣子氣-固界面電場調節作用的“臨界飽和線”。當涂層參數處于飽和區時，歐姆電導率和非線性系數的增加對絕緣子氣-固界面的電場調控效果影響不大，反而會因為過高的電導率引起功率損耗的快速增長，如圖11b所示。因此，針對直流三支柱絕緣子氣-固界面非線性電導涂層而言，應使涂層電導參數和控制在“臨界飽和線”上。考慮到直流三支柱絕緣子結構形式、電壓等級、負載電流等參數對該臨界線的影響，可對臨界線做出相應的修正。

圖11 涂層材料參數對直流三支柱絕緣子氣-固界面電場分布及功率損耗的影響

3.3 雙界面涂層的應用實例分析

圖12 直流三支柱絕緣子電場分布和損耗功率

針對三支柱絕緣子嵌件-環氧界面，目前已經應用的界面涂覆材料主要包括以橡膠為基體的導電材料和以環氧樹脂為基體的不導電材料[24]，主要目的是提升界面力學性能。相關的涂覆工藝較為成熟，首先是對嵌件進行噴砂或滾花處理，然后在嵌件表面涂覆界面材料，隨后將嵌件裝入模具中，進行澆注、固化等工藝。從本文計算結果來看，為抑制界面處的電場集中效應，直流三支柱絕緣子嵌件-環氧界面涂層更適合采用導電橡膠材料；如果采用環氧界面劑時，可以添加適量導電顆粒使復合材料電導率不小于10-12S/m。

針對三支柱絕緣子氣-固界面，非線性電導涂層材料一般是通過在環氧樹脂基體中添加非線性電導填料（ZnO、SiC等）的方式制備。合理控制填料的粒徑、形貌、摻雜量等方式，可以使涂層電導參數和控制在“臨界飽和線”上，優化直流三支柱絕緣子氣-固界面電場分布。相關的涂覆方法包括浸漬法、刷涂法、磁控濺射等，但是這些方法目前大多局限于實驗室范圍內的應用，絕緣子本體與氣-固界面涂層的交界面的長期穩定性是制約氣-固界面涂層大規模工業應用的瓶頸，提升界面涂層的長期穩定性、開發工業化涂覆技術仍需進一步研究。

4 結論

1）提出基于“類U型”梯度電導的三支柱絕緣子雙界面電場協同調控策略。通過嵌件-環氧界面高電導涂層和氣-固界面非線性電導涂層的協同使用，使得三支柱絕緣子體電導和表面電導呈“類U型”梯度分布，可降低絕緣子內部及表面電荷積聚程度，從而優化界面電場分布。

2）為定量表征涂層參數的影響，以電場強度與電導損耗為調控目標，給出了直流三支柱絕緣子氣-固界面電場調節作用的“臨界飽和線”。具體算例表明，當嵌件-環氧界面涂覆材料電導率不小于10-12S/m、氣-固界面非線性電導材料參數處于“臨界飽和線”上時，直流三支柱絕緣子嵌件-環氧界面最大場強可降至0.04kV/mm，同時氣-固界面最大切向場強降至1.73kV/mm。

3）參數優化后的雙界面梯度電導涂層，使界面電場集中效應得到了有效抑制，同時將絕緣子最大電場與功率損耗控制在允許范圍內，為高壓直流三支柱絕緣子的優化設計提供了依據。

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Interfacial Electric Field Optimization of DC Tri-Post Insulator Based on Gradient Surface Conductance Regulation

Hu Qi1Li Qingmin1Liu Zhipeng2Liu Heng2A. Manu Haddad3

（1. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Beijing Key Lab of HV and EMC North China Electric Power University Beijing 102206 China 3. Advanced High Voltage Engineering Research Centre Cardiff University Cardiff CF24 3AA UK）

Electric field concentration at the gas-solid interface and the insert-epoxy interface is considered to be the principal culprit that leads to surface flashover and outrigger burst of the DC tri-post insulator. Previously available structure optimization encounters difficulty in effectively addressing the electric field distribution of the two interfaces simultaneously, which poses imperative challenge for practical solutions. In the proposed research of this paper, the electric field distribution characteristics of the DC tri-post insulator interfaces were studied by electric-thermal-fluid multi-physics simulations, which indicated interfacial charge accumulation contributed most of the electric field concentration. A joint control strategy of electric field for dual-interfaces of the tri-post insulators based on "U-shaped" gradient conductance was proposed. Through synergistic utilization of high-conductivity coating for the insert-epoxy interface and non-linear conductivity coating for the gas-solid interface, the bulk conductance and surface conductance of the tri-post insulator present a "U-shaped" gradient distribution, which will reduce the internal and surface charge accumulation of the insulator, thereby optimizing the interfacial electric field distribution. The regulation effect of the dual interfacial coatings on electric field concentration was then studied, and the conductivity parameters of the coatings were optimized based on hybrid regulation targets for both electric field and power loss control. The presented research showed that, if the insert-epoxy interface coating conductivity was controlled less than 10-12S/m and the nonlinear gas-solid interface coating conductivity was well above the "saturation critical line", the maximum e-field strength of the insert-epoxy interface decreased from 4.48kV/mm to 0.04kV/mm, while the maximum tangential field strength of the gas-solid interface decreased from 2.47kV/mm to 1.73kV/mm. Parameter-optimized dual interfacial gradient conductance coatings can effectively suppress the interfacial electric field concentration, and the maximum electric field strength as well as the power loss can also be controlled within an allowable range, which provides fundamental reference for optimal design of high-voltage DC tri-post insulators.

DC gas insulated metal-enclosed transmission line（GIL）, tri-post insulator, interfacial coating, gradient conductance, interfacial electric field optimization

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210505

TM216

胡 琦 男，1996年生，博士研究生，研究方向為直流GIL氣固界面電荷積聚特性。E-mail：15650758736@163.com

李慶民 男，1968年生，教授，博士生導師，研究方向為高電壓與絕緣技術、放電物理。E-mail：lqmeee@ncepu.edu.cn（通信作者）

2021-04-13

2021-06-16

國家自然科學基金（51737005, 51807060）和北京市自然科學基金（3202031）資助項目。

（編輯 郭麗軍）