交流電壓下氣固界面電荷積聚與放電特性研究進展

張貴新 李大雨,2 王天宇

交流電壓下氣固界面電荷積聚與放電特性研究進展

張貴新1李大雨1,2王天宇1

（1. 清華大學電機工程與應用電子技術系 北京 100084 2. 陸軍炮兵防空兵學院 鄭州 450052）

在高電壓長時間作用下，固體絕緣表面容易積聚電荷，并有可能誘發絕緣子沿面閃絡，進而影響電力系統的安全可靠運行。研究交流電壓下固體絕緣表面的電荷積聚特點及放電特性，對于提高絕緣子的沿面閃絡電壓、改善絕緣子制造水平等都具有重要意義。該文結合目前正在進行的研究工作，針對當前交流電壓作用下電荷積聚和放電特性研究中的關鍵問題，如電荷測量方法、電荷積聚原因、分布特點、影響因素以及表面電荷與沿面閃絡電壓的關系等進行闡述，對近年來相關的電荷積聚與放電特性研究進展進行總結，并對下一步的研究工作進行展望并提出建議，旨在為未來交流電壓作用下絕緣子表面電荷的相關研究提供參考。

交流電壓 氣固界面 表面電荷 閃絡

0 引言

絕緣子在高壓電氣設備中通常起著機械支撐和絕緣隔離的雙重作用，其性能直接影響著電力系統的安全可靠運行[1-2]。研究表明，絕緣子表面電荷積聚有可能造成其絕緣強度的下降，甚至誘發沿面閃絡[3-5]。長期以來，對于直流電壓作用下的電荷積聚機理、電荷積聚對閃絡電壓的影響以及相應的調控及抑制措施等方面，學者開展了較多的研究，并得出了一些具有指導性的結論[6-8]。但是相比較而言，目前對交流電壓作用下絕緣子表面電荷積聚特性的研究還比較少，所得到的研究結論也不完全一致[9]。這是因為和直流靜電場相比，由于交流電壓不斷變化的電場特性，造成表面電荷的不確定性，而且其運動行為也更為復雜，從而影響研究人員對實驗結果的分析[10]。但是在工程實際中，交流電壓下表面電荷對電力系統安全運行帶來的影響也不容忽視。已經有研究指出，交流氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）和氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated Transmission Line, GIL）中的一些異常閃絡事故可能與絕緣子表面積聚電荷有關[11-12]。1996年，遼寧營口華能電廠的交流220kV GIS盆式絕緣子發生沿面閃絡，文獻[13]對其進行分析后認為這是由于表面電荷積聚引起絕緣子沿面閃絡電壓下降所致。2016年，北京東1 000kV特高壓變電站在調試期間也出現過隔離開關合閘時GIL母線上盆式絕緣子和支柱絕緣子沿面閃絡的現象，當時的調查報告也認為該現象可能與絕緣子表面電荷的積聚有關[14]。德黑蘭大學的J. Mahmoodi研究組通過數值計算和實驗的方法研究了交流和直流電壓作用與聚合物絕緣子表面電荷分布之間的關系，明確指出絕緣子沿面閃絡電壓與表面電荷有關[15]。因此，研究交流電壓作用下固體絕緣子表面電荷積聚特性以及表面電荷對閃絡電壓的影響，對工程實際應用具有重要的現實指導意義。

本文作者在閱讀大量相關文獻及進行技術調研的基礎上，結合目前正在開展的工作，對交流電壓下氣固界面電荷積聚與放電特性研究進展情況進行綜述。主要分析了交流電壓下絕緣子表面電荷的常用測量方法，并從絕緣子表面電荷的來源、電荷分布特點、影響因素以及表面電荷存在對沿面閃絡電壓的影響等方面進行了詳細的歸納總結。最后結合當前研究現狀以及存在的問題，對未來的相關研究工作給出展望。

1 交流電壓作用下絕緣子表面電荷測量方法

現有技術條件下，絕緣子表面電荷仍不能被直接觀測，而必須借助其他手段進行表征。目前交流電壓下絕緣子表面電荷的研究方法主要有兩種：一種是以粉塵圖和靜電探頭為代表的離線靜態測量方法；一種是以Pockles電光效應為代表的在線動態測量方法[16]。

粉塵圖法是一種可以將電荷分布進行可視化的方法[17-18]。較早采用該方法對電荷進行顯示的是學者Villarsy，他將紅色的四氧化三鉛和黃白的硫磺粉末混合，用于判斷絕緣材料表面帶電的類型和電荷分布的形狀[19]。1985年，日本學者Y. Yamano用該方法顯示了交流電壓下發生局部放電后圓筒狀PVC材料的絕緣子表面電荷積聚現象[20]。清華大學的徐洋則利用黑色正極性碳粉與紅色負極性碳粉的混合粉末作為帶電粉塵，研究了交流110kV 支柱絕緣子在空氣、N2和SF6氣體中表面的電荷積聚情況，較清晰地顯示了其“簾幕狀”和“紡錘狀”的電荷分布特點[21]，如圖1所示。本課題組在電荷積聚研究中，也曾利用紅色帶正電的粉塵對交流電壓下平板絕緣子表面電荷的測量結果進行了驗證，顯示出絕緣子表面的負極性電荷圓環狀的分布特點[16]。

圖1 粉塵圖顯示的支柱絕緣子表面電荷分布[21]

靜電探頭法是一種離線測量方法，它包括無源靜電探頭法和有源靜電探頭法兩種。其中無源靜電探頭法采用靜電分壓的方法測量絕緣子表面電位分布，然后通過計算獲取表面電荷的密度[22]。華北電力大學的齊波、耿弼博、邢照亮等則利用該方法研究了交流電壓下220kV盆式絕緣子表面的電荷積聚特性[23-25]，獲得了GIS盆式絕緣子表面電荷分布特點，如圖2所示。

有源靜電探頭主要由一個電容探頭和靜電計組成，它通過振動反饋過程獲得探頭與被測表面間電位的平衡，從而實現對絕緣子表面電位的測量[26]。加拿大學者S. M. Elkhodary利用電容探頭和610C Keithley型靜電計測量了交流電壓下丙烯酸玻璃柱狀絕緣子表面的電荷積聚，分別測得SF6、空氣和氟利昂氣體中的絕緣子表面電荷密度[27]。天津大學的杜伯學等利用該方法研究了交流和脈沖聯合作用下環氧樹脂絕緣子表面的電位分布，得到電荷動態特性與交流電壓幅值之間的關系[28-29]。本課題組則利用該方法研究了針-板電極結構下平板絕緣子和同軸電極結構下錐形絕緣子表面的電荷積聚現象，得到兩種情況下絕緣子表面電荷的分布特點[16,30]，如圖3所示。

Pockels效應法主要利用某些透明晶體的折射率隨外加電場線性變化的特性來測量電荷分布。當光線穿過該晶體時，由于材料各處不同折射率的作用，光線穿出后，通過光學手段可以獲取相位差的分布信息，再通過反算相位差信息即可得到電荷分布[31-32]。西安交通大學的穆海寶課題組利用Pockels電光效應原理，通過施加1個周期的交流電壓信號，研究了交流電壓放電過程中，不同材料的薄膜絕緣子在大氣條件下的電荷分布隨時間的變化規律[33]，部分結果如圖4所示。

圖4 一個交流電壓周期內聚偏氟乙烯表面電荷分布[33]

上述三種測量方法利用不同的原理實現了固體絕緣介質表面電荷測量，為交流電壓下電荷積聚研究提供了有力的工具。但同時它們也存在如下不足：粉塵圖法無法對絕緣子表面電荷密度進行定量測量，同時噴灑的粉塵會對原來的電荷造成破壞；Pockels效應法的應用范圍受限，目前只適用于透明的薄膜絕緣材料；靜電探頭法不能實現表面電荷的在線測量，且空間分辨率不高[34-35]。在未來的研究中，設法尋找一種新的電荷測量技術，使其可以將Pockels效應法和靜電探頭法的優點結合起來，將會給交流電壓下電荷積聚特性研究帶來幫助。

2 交流電壓下氣固界面電荷積聚特點及影響因素

2.1 絕緣氣體對電荷積聚的影響

研究指出，氣體的壓力和環境氛圍的差別對絕緣材料的表面放電現象有很大的影響，對應于不同的氣壓階段有著不同的放電機理，如碰撞電離、電子發射和表面電荷積聚等[18]。而在交流GIL和GIS等電力絕緣設備中，不同介質的絕緣氣體會具有不同的放電特性[36-37]，同樣也會對電荷的積聚產生一定的影響。

2.1.1 空氣中電荷積聚特點

T. S. Sudarshan等研究發現，空氣中交流電壓作用下固體絕緣表面既包含正電荷也包含負電荷[38]。T. Jing和S. M. Elkhodary等則認為交流電壓下表面電荷積聚的主要特點是正、負極性電荷并存，且負極性電荷多于正極性電荷[39-40]。此后耿弼博、汪沨、魯楊飛等的研究也都得出了類似的結論[24,41-42]。

S. M. Elkhodary對該現象的解釋是：由于氣體發生微放電時的極性效應，負極性電壓下放電更為容易；另外，基于電子的遷移率比正離子的遷移率高等原因，造成絕緣子表面的電荷分布以負電荷為主[27]。杜伯學研究組對此現象的解釋是：電暈放電產生的負電荷大都為電子，正電荷為離子。電子的質量較小，在電場的作用下更容易獲得加速運動并到達試樣表面。由于交流電壓的每個負半周期內注入試樣的負電荷數量都大于正半周內注入試樣的正電荷數量，因此隨著施加交流電壓的時間增加，試樣表面會積累大量的負電荷[28-29]。

S. M. Elkhodary等研究發現了交流電壓作用下電荷積聚與直流電壓作用下的區別，得出固體絕緣表面正負極性電荷并存的結論。但是，該研究只是對交流電壓下電荷積聚特性的初步探索，進一步研究交流電壓作用下固體絕緣表面電荷的分布特點和變化規律，對于提高沿面閃絡電壓、保護電力系統安全穩定運行具有重要意義。

2.1.2 電負性氣體中電荷積聚特點

電負性氣體是指具有較強捕捉自由電子能力，從而形成負離子并削弱其放電能力的氣體。在高壓電力系統中，作為傳統絕緣氣體較常使用的是SF6，而目前被廣大研究者認為最具有潛力替代SF6的是C4F7N氣體[43]。荷蘭的T. Jing 和P. H. F. Morshuis等較早地研究了SF6氣體中圓柱形絕緣子表面的電荷積聚現象，結果發現，在交流電壓作用下，絕緣子表面的電荷以負極性為主，但電荷積聚量（電荷密度）較直流或沖擊電壓下小得多[39,44]。徐洋的研究指出，在SF6氣體中支柱絕緣子表面更容易積聚負電荷，但和空氣中相比，負電荷的分布范圍要小[21]。華北電力大學的耿弼博、李成榕課題組通過施加5～80kV的交流電壓，研究了0.4MPa SF6氣體中GIS中盆式絕緣子表面電荷積聚現象，得出結論為SF6容易與放電產生的電子結合并沉積在絕緣子表面，所以絕緣子表面電荷的分布以負電荷為主[24]。本課題組則開展了純C4F7N氣體及C4F7N/CO2混合氣體中平板絕緣子表面電荷積聚研究，并和SF6、空氣等進行了對比。結果發現，無論是純C4F7N氣體還是C4F7N/CO2混合氣體中，絕緣子表面大多積聚負極性電荷。在同樣的實驗條件下，純C4F7N氣體中的絕緣子表面電荷分布范圍和電荷密度小于SF6氣體[45]，C4F7N和SF6氣體中固體絕緣表面電荷對比如圖5所示。而在C4F7N/CO2混合氣體中，其電荷分布范圍和電荷密度均比空氣中要小[46-47]，空氣和C4F7N/CO2混合氣體中電荷積聚對比如圖6所示。

圖5 C4F7N和SF6氣體中固體絕緣表面電荷對比[45]

對電負性氣體中電荷分布特點的解釋是：電負性氣體具有較強的吸附特性，能夠將自由電子吸附在其外層電子軌道上形成負離子[48]。因為這些負離子的運動速度遠小于電子，因此減弱了負電荷的擴散作用；另外，由于電負性氣體的分子量和分子直徑一般都比較大，那些未被吸附的電子在和這些電負性氣體的分子相遇時，也會容易引起分子發生極化等過程，增加能量損失[49]。上述原因都會使這些電子或負離子在到達絕緣子表面并被陷阱捕獲之前的移動范圍減小，造成附著在絕緣子表面的電荷分布范圍較小。同時，由于負離子質量大，在電場力作用下移動速度較慢，很容易和正離子發生復合，使氣體中帶電質點減少，因此電荷密度也較低[46]。

圖6 空氣和C4F7N/CO2混合氣體中電荷積聚對比[46]

對交流電壓下電負性氣體中電荷積聚特性以及積聚原因分析的研究，是SF6替代氣體在氣體絕緣設備中應用的可行性研究中的一個重要內容。進一步明確電負性氣體放電機理和電荷變化規律，對于推進新型環保氣體替代SF6在工程實際中的應用具有重要意義[50-51]。

2.2 交流電壓相位對電荷積聚的影響

需要指出的是，之前多數學者在研究交流電壓下固體絕緣表面電荷積聚特性時，只測量了電壓去除以后表面電荷的最終分布，并沒有考慮到交流電壓的相位對電荷積聚的影響，或者由于無法準確控制交流電壓斷電時的相位，導致相關研究結論較少[45]。德國學者S. Tenbohlen的研究結果表明，交流電壓下絕緣子表面的電荷分布和發生局部放電時的電壓相位存在聯系，電極附近的電荷和放電時的電壓同極性[52]。本課題組在研究中提出了一種“相位控制電荷測量法”，通過精確控制交流電壓的截斷相位，并測量與之對應的電荷分布，獲得不同形狀的絕緣子表面電荷分布隨交流電壓截斷相位變化的特點和輸運規律[21]，交流電壓不同截斷相位與對應的平板絕緣子表面電荷分布如圖7所示。該研究證明了交流電壓作用下的電荷積聚是一個動態變化過程，任意時刻的電荷分布和交流電壓的相位密切相關，這和Pockles效應法觀察到的結果是一致的。

圖7 交流電壓不同截斷相位與對應的平板絕緣子表面電荷分布[21]

以上研究表明，把交流電壓的相位與對應的電荷分布聯系起來，可以得到表面電荷分布隨相位發生變化的特點，符合交變的電場特性必然會對電荷分布帶來影響的實際情況。該方法對未來交流電壓下電荷積聚特性研究具有一定的指導作用。

2.3 電壓幅值和作用時間對電荷積聚的影響

由于電荷積聚是電暈放電或局部放電的結果，故電荷特性必然受所施電壓的影響。耿弼博的研究結果認為，交流電壓作用下，隨著電壓幅值的增加，表面電荷分布特點變化不大，但電荷量（電荷密度）隨之增加；隨著電壓作用時間的增加，電荷量整體呈上升趨勢，但分布形狀基本不變[24]。杜伯學課題組的研究結果則表明：交流電壓作用后，絕緣子初始表面電位為負值，且絕對值隨著交流電壓幅值的增加而增加，即交流電壓幅值越高，表面負電荷量越大[28-29]。S. M. Elkhodary等認為絕緣子表面的電荷積聚是交流電壓作用時間的函數，飽和電荷密度與外加交流電壓幅值呈線性關系[40]。齊波課題組的研究結論為：隨著交流電壓幅值的增加，絕緣子表面電荷密度呈現先升高再減小并趨于穩定的趨勢，并且隨著電壓作用時間的增加，表面電荷的積聚更為明顯[23]。本課題組通過將固體絕緣表面電荷分布與交流電壓截斷相位結合起來分析發現，在同樣的實驗條件下，當電壓幅值和截斷相位相同，僅電壓作用時間不同時，絕緣子表面電荷分布特點和分布范圍大致相同；當截斷相位相同時，電荷分布范圍和電荷密度隨電壓幅值增加而增加；而當交流電壓截斷相位隨機時，對實驗結果的統計表明，絕緣子表面正負電荷密度均呈現上下波動的變化特點，不隨電壓幅值和電壓作用時間的增加而增加。故認為交流電壓下絕緣子表面電荷分布受電壓作用時間的影響較小；且由于交流電壓正負半周放電所產生的電荷會發生中和，故表面電荷積聚不會隨電壓作用時間增加出現飽和[30,45]。

可以看出，由于影響表面電荷分布的因素較多，如果在研究過程中只考慮電壓幅值的變化，得到的電荷分布會具有一定的隨機性，這也是不同研究者得到的結論尚不一致的原因。因此，在研究交流電壓下固體絕緣表面電荷積聚特性的時候，應當綜合考慮各種因素，尤其是交流電壓相位的影響。

2.4 固體絕緣材料特性對電荷積聚的影響

絕緣子表面電荷積聚實質上是局部放電或電暈放電時，所產生的大量帶電粒子（包括電子和正離子）在電場力的作用下向絕緣子的表面遷移并被表面陷阱所俘獲，所以電荷積聚特點和絕緣子自身特性密切相關[53]。研究指出，相對于材料本身特性，絕緣材料表面的特性起到更加重要的作用。這些表面特性有表面粗糙度、表面能、表面缺陷和表面殘余應力等[54]。

西安交大穆海寶課題組利用Pockles效應法分析對比了五種不同聚合物材料表面電荷分布的差異后，認為材料表面粗糙度對表面放電和表面電荷的積累影響比較顯著，材料的禁帶寬度、表面層電離能、介電常數和厚度等的差異也都影響著表面電荷的分布[18]。華北電力大學的魯陽飛等利用針-棒電極結構和PI薄膜絕緣材料，探究了交流電壓下材料物化缺陷特性對表面電荷積聚的影響，得出結論為絕緣子表面的物理缺陷和分子降解產生的化學缺陷的變化會改變絕緣材料的表面陷阱特性，為材料表面電荷的持續積聚提供了可能[42]。華北電力大學的王璁研究認為，絕緣材料表面電荷積聚和其介電常數有關，介電常數越大，電荷積聚量越多[55]。本課題組則利用針-板電極和平板型絕緣子研究了硅橡膠（Silicone Rubber, SIR）、純環氧樹脂（Epoxy Resin, EP）和微米氧化鋁摻雜的環氧樹脂（Al2O3-EP）三種材料的絕緣子表面電荷積聚特性。發現在同樣的實驗條件下，無論是正電荷還是負電荷，表面電荷密度大小順序均為Al2O3-EP＞EP＞SIR。利用等溫電流衰減法測量其表面陷阱特性后發現，三種絕緣材料的電子和空穴陷阱密度大小順序與表面電荷密度大小順序正好一致，故得出結論為絕緣子表面電荷積聚與其表面陷阱密度密切相關[16]。

研究指出，由于聚合物材料內部不可避免地存在許多物理缺陷和化學缺陷，形成了電子或空穴陷阱，為電荷積聚提供了條件[54]。以上研究表明固體絕緣表面電荷積聚與絕緣材料的陷阱特性有著一定的聯系，但是它們之間的定量關系以及怎樣利用該特性抑制電荷積聚，仍有待深入研究。

2.5 電荷積聚的其他影響因素

一些研究還發現，交流電壓下影響電荷積聚的因素還包括電壓頻率[49]、電極結構[24]、電極表面粗糙度[44]、氣體氛圍[56]以及絕緣子表面絕緣缺陷程度[20]等。本文作者通過研究C4F7N/CO2混合氣體中的電荷積聚現象，發現隨著混合氣體中C4F7N所占比例的變化或者混合氣體壓強的變化，絕緣子表面電荷分布范圍和電荷密度也會隨之變化[45]。此外，表面電荷的積聚過程和分布特點還可能會受到溫度、濕度等條件的影響[57-59]，這些都是在工程實際應用中需要考慮的問題。

3 交流電壓下電荷積聚原因

關于高電壓作用下絕緣子表面電荷積聚的原因，研究者認為主要包括以下幾個方面：場致發射、局部放電、固體介質夾層極化、電導率分布不均勻或非線性以及絕緣子表面金屬微粒等[60]。但是，由于交流電壓電場特性是周期性不斷變化的，其電荷積聚機理和直流電壓下存在顯著差異。目前比較普遍的觀點是交流電壓下絕緣子表面電荷的主要來源是電極或絕緣子表面局部放電或電暈放電產生的帶電粒子[44,61]。汪沨等對此的解釋是：由于交流電壓沒有穩定持續的電壓作用，再加上固體介質內部帶電粒子缺乏，所以由固體介質內部電導率及介電常數不均勻和場致發射產生的電荷可以忽略不計，因此局部放電或電暈放電成了電荷積聚的主要來源[41]。該觀點也得到了華北電力大學齊波等的支持[23]。

研究還發現，導致局部放電或電暈放電，從而影響交流電壓下電荷積聚的主要因素可以歸納為以下三個方面：①電極表面粗糙度較大或存在金屬突起。T. Jing等的研究結果表明，在SF6氣體中，平行板電極與柱狀絕緣子（直徑80mm，高100mm）結構下，當施加交流電壓為129kV，電極表面粗糙度為15mm時，電極附近的局部電場增強就可以使氣體發生電離，帶電粒子沿電力線到達絕緣子表面，并在那里附著導致電荷積聚，且積聚量隨電極表面粗糙度的增加而增加[44]。②GIL或GIS中存在金屬顆粒。這些金屬顆粒主要來源可能是在生產和組裝過程中的機械磨損，在運輸過程中的機械振動以及在運行過程中的開關動作等。這些金屬顆粒可能會附著在絕緣子上，并對電極產生微放電，從而引發電荷積聚[61]。③高壓電極、絕緣子及氣體的三結合點處由于存在縫隙、氣泡、破損等微觀缺陷，造成局部電場增強。放電所產生的電荷（電子和正離子）在電場力的作用下遷移到絕緣子表面[30,41,59]。

有學者進一步指出，電暈放電或局部放電并不是電荷積聚的唯一條件。氣體放電產生的電荷要在絕緣子表面積聚，還需要滿足電場的電力線和絕緣子表面相交，即電場在絕緣子表面存在法向分量這一前提，并且法向分量越大，電荷密度越大[62]。筆者的研究表明，針-板電極結構下平板形絕緣子表面電荷密度很大，同軸電極結構下錐形絕緣子表面電荷密度較小[16,30]。H. Fujinami研究組的結果表明，在平板形電極和圓柱形絕緣子結構下，由于表面輪廓線與外加電場的電力線基本平行，即絕緣子表面場強法向分量很弱，絕緣子表面基本沒有電荷積聚現象[63]。

可以看出，目前研究者對于交流電壓下固體表面電荷積聚原因基本達成了共識，即電極或絕緣子表面局部放電或電暈放電產生的帶電粒子是電荷的主要來源，這些帶電粒子在電場法向分量的作用下移動到固體絕緣表面而形成電荷積聚。

4 交流電壓下電荷積聚對閃絡電壓的影響

眾多研究均已指出，絕緣子表面的電荷積聚有可能造成絕緣子絕緣強度下降，甚至誘發沿面閃絡[64]。日本的Y. Yamano研究組較早地開展了空氣條件下電荷積聚對交流電壓下沿面閃絡的影響，發現電荷積聚會導致閃絡電壓明顯降低[20]。德國學者A. Winter和J. Kindersberger研究了SF6氣體中平板絕緣子表面電荷積聚對閃絡電壓的影響，結果發現，表面電荷存在對交流電壓的影響要大于直流電壓，使閃絡電壓大約降低了25%（直流電壓下最大下降20%）[65]。華北電力大學的齊波研究組采用真實的GIS盆式絕緣子開展了表面電荷對閃絡電壓的影響實驗，得出結論為：在交流電壓作用下，隨著電荷在絕緣子表面不斷積聚，最多可以使沿面閃絡電壓減小約10.3%[66]。本課題組則采用圓盤形絕緣子進行了沿面閃絡實驗研究，結果表明，由于表面電荷的存在，使交流閃絡電壓最大下降達34%[67]。

4.1 表面電荷對閃絡電壓的影響機理

關于表面電荷積聚對閃絡電壓的影響機理，學術界大致有兩種觀點：一種觀點認為表面電荷積聚會導致電場畸變，這種畸變的電場一方面使氣體電離過程變得劇烈，有助于電子崩的產生，另一方面也會使放電過程向地電極方向發展變得容易，從而降低閃絡電壓[68]。例如日本學者Y. Yamano的研究就發現，靠近電極處的電荷積聚引起的電場增強與無電荷時相比甚至可以增加2～3個數量級[20]。第二種觀點則認為表面電荷的存在一方面可以為沿面放電的發展提供種子電荷，從而有助于初始電子崩的形成，另一方面這些電荷也很容易參與到放電發展過程中，有利于流注的形成，進而造成閃絡電壓的降低[66]。也有的學者認為這兩種影響因素兼而有之，表面電荷對閃絡電壓影響的最終結果取決于兩者之中起主導作用的因素[69]。本研究組的研究結果則表明，電荷對閃絡電壓影響的主導因素隨電荷消散過程而發生變化，在電荷消散初期，淺陷阱中電荷脫陷所提供的種子電荷對閃絡電壓影響起主導作用；電荷消散一段時間后，深陷阱中電荷對電場的畸變起主導作用[67]。

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4.2 表面電荷對閃絡電壓影響的相關因素

進一步的研究發現，表面電荷對閃絡電壓的影響還和以下幾個因素有關。

（1）絕緣材料特性。研究表明，如果絕緣材料的電子或空穴陷阱密度較高，則該材料具有較強的表面電荷積聚能力，這將會造成絕緣子表面電場畸變嚴重，從而引起閃絡電壓下降[14]。另一方面，如果絕緣材料表面陷阱能級較高，則被陷阱束縛的電荷難以脫陷，因此參與到放電發展過程中的電荷數目減少，這有助于閃絡電壓的提高[69]。

（2）電荷量（表面電荷密度）。齊波等的研究發現，隨著交流電壓幅值的增大及作用時間的增加，絕緣子表面積聚電荷量逐漸增多，與之對應的沿面閃絡電壓則呈現明顯減小的趨勢并且逐漸趨向于飽和[66]。

（3）電荷位置。日本的K. Kato研究組采用平板形氧化鋁絕緣子，通過預置電荷的方式，研究了電荷位置與沿面閃絡電壓的關系。結果發現，當電荷位于放電路徑上時，其對閃絡電壓的影響比電荷位于電極附近時要大[70]。

（4）電荷消散過程。本課題組的研究表明，在電荷消散初期，表面電荷對閃絡電壓的影響比較明顯，使閃絡電壓值產生較大幅度的下降。當電荷消散一段時間以后，閃絡電壓值和之前相比有所提高[67]。

綜上可知，就表面電荷對閃絡電壓的影響結果和閃絡機理來看，不同研究者所得到的結論尚不一致，還需要深入探究表面電荷和沿面閃絡電壓的關系，并采用適當方法削弱電荷對閃絡電壓的影響，這對于工程實際具有重要的科學意義和工程價值。

5 結論

1）當前交流電壓下表面電荷的三種測量方法利用不同的原理實現了固體絕緣介質表面電荷測量，但同時還存在一定的不足，需要繼續探索新的測量方法。

2）電極或絕緣子表面局部放電或電暈放電產生的帶電粒子是交流電壓下固體絕緣表面電荷的主要來源，但是影響電荷分布和輸運特性的因素較多，在研究表面電荷積聚特性的時候，應當綜合考慮各種因素，尤其是交流電壓相位的影響。

3）表面電荷對閃絡電壓的影響研究所得到的結論尚不一致，其影響機理和主導因素還不清楚。需要進一步探究表面電荷和沿面閃絡的關系，并采用適當方法削弱電荷對閃絡電壓的影響。

結合本課題組的當前工作以及本文所總結的研究進展，對未來的相關研究給出如下建議：

1）繼續改進表面電荷測量方法，設法將Pockels效應法和靜電探頭法的優點結合起來，使其可以實現固體絕緣表面電荷的高精度、高速動態測量，同時又不受絕緣子形狀、尺寸和材料等因素的限制。

2）結合工程應用的實際，系統研究氣固界面特性對電荷積聚的影響，尤其是目前比較有潛力替代SF6的新型環保氣體中電荷積聚特性，進一步明確其放電機理和電荷輸運規律，推進新型環保氣體在工程實際中的應用。

3）進一步研究提出抑制絕緣子表面電荷積聚及沿面放電的有效方法。比如通過材料改性實現對絕緣子表面陷阱特性的主動調控[71-72]，通過引入淺陷阱促進表面電荷的消散，或引入深陷阱抑制表面電荷的積聚，從而減少電荷存在對閃絡電壓的影響。

4）針對交流電壓下的電荷分布和輸運特性研究，設法建立定量模型和仿真方法，以更加明確其電荷輸運規律以及引發放電的機理。

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Progress in Researching Charge Accumulation and Discharge Characteristics at Gas-Solid Interface under AC Voltage

Zhang Guixin1Li Dayu1,2Wang Tianyu1

（1. Department of Electrical Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China 2. PLA Army Academy of Artillery and Air Defense Zhengzhou 450052 China）

Charges tend to accumulate at the gas-solid interface under the action of high voltage for a long time. It is considered as one of the main factors leading to flashover, which affects the stable operation of power systems. It is of great significance to investigate the characteristics of charge distribution on insulator surface under AC voltage for improving the surface flashover voltage and manufacturing level of insulators. Based on the ongoing research work and the key problems in the study of charge accumulation and discharge characteristics, the related research progress in charge accumulation on solid insulating surface under AC voltage are summarized and reviewed, such as charge measurement methods, the causes of charge accumulation, charge distribution characteristics, influence factors, the relationship between surface charge and flashover voltage, and so on. At last, some suggestions for the ensuing researches are proposed so as to provide some references to related research in the future.

AC voltage, gas-solid interface, surface charge, flashover

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210889

TM85

國家自然科學基金資助項目（52177151）。

2021-06-15

2021-08-22

張貴新 男，1963年生，教授，博士生導師，研究方向為氣體放電、等離子體技術、光電測量以及直流/交流高電壓絕緣等。E-mail：guixin@mail.tsinghua.edu.cn（通信作者）

李大雨 男，1978年生，博士研究生，研究方向為氣體放電、氣固界面放電機理。E-mail：lxy972001@163.com

（編輯 李冰）