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user: 2. 固–气界面电场、电荷与闪络之间的关联 电场分布是影响表面电荷积聚以及闪络发生的重要因素。绝缘子表面电场的法向分量(电场分量方向垂直于固–气界面)会使固体侧或气体侧的电荷沿法向迁移到固–气界面并发生积聚 [ 28 ]，法向分量越大，电子崩过程更容易发展成流注过程 [ 31 ]。切向分量(电场分量方向平行于固–气界面)则影响固体绝缘介质的表面电导过程，能使表面电荷产生一定的消散。在研究过程中，将实际电极结构归入切向分量主导型电场(切向分量含量高)和混合型电场(切向和法向分量的影响都不可忽略)两种电场分布类型。分别考察绝缘子表面电场切向分量和法向分量的占比及分布，可以更深刻地认识电场分布对电荷–闪络过程的影响。 目前，学者们针对固–气界面电场、电荷与闪络之间的关联开展了大量的研究，图1总结了现有的对直流下电荷–闪络关系的代表性研究。下面从切向分量主导型和混合型两类电场形式下的电荷积聚特征出发，对近期研究进展进行梳理和总结。 图1. 不同电场分布类型下电荷–闪络关系研究 2.1. 切向分量主导型电场下的电荷积聚特征与沿面闪络 切向分量主导型电场对应的电极系统为指状电极和平板电极，主要利用电晕充电的方式在绝缘子表面预置电荷，可以通过控制栅极电压在一定程度上定量控制表面电位，电荷在试样表面呈现相对平均的分布状态。 确定固–气界面闪络电压在表面电荷影响下产生的直接变化量是深入分析电荷对闪络影响机制的前提。指状电极系统下，相关学者通过电晕充电的方式为PTFE试样表面预置负电荷，并利用一对棒状电极测量正极性的沿面闪络电压，结果沿面闪络电压下降了20%，负极性的沿面闪络电压则分别增加了15%和11% [ 32 ]。当向试样表面预置0到1.4 nC/mm 2 不等的正极性电荷，并利用指状电极测量负极性闪络电压时，闪络电压从−37.5 kV降低到了−35 kV左右 [ 33 ]。当利用脉冲电压为试样表面充电时，脉冲幅值为5 kV，正、负极性的直流闪络电压分别下降了1.9%和3.9%，脉冲幅值为10 kV时，直流闪络电压分别下降了6.5%和4.7% [ 34 ]。这些结果表明无论试样表面积聚的电荷极性与闪络电压相同或相反，表面电荷的存在都会导致沿面闪络电压的下降。 电荷诱发的固–气界面闪络与气固绝缘系统界面结构、状态等密切相关，固体对闪络过程的影响，是电荷与闪络之间作用机制的重要内容。目前在理论上常通过对表面陷阱和表面电导率的讨论来分析表面电荷对闪络的影响。调控固-气界面电导率和陷阱分布情况的手段主要包括对固体绝缘材料的表面处理、表面涂覆、掺杂等。 大气压等离子体射流(APPJ)的技术常被用于对环氧试样进行预处理，可以控制试样的表面陷阱分布、表面电导率等参数 [ 35 ] [ 36 ]。在利用APPJ技术处理试样表面的研究中，使用了电晕充电的方法为试样进行充电，并分别测试了不同极性、不同充电电压幅值、不同衰减时间下试样沿面闪络电压的变化。结果显示，两种极性的表面电荷都会使沿面闪络电压下降，并且同极性电荷对闪络电压的影响更大。若控制电荷进行衰减，则闪络电压将产生一定恢复，衰减时间越长，闪络电压恢复的越多。 表面涂覆可以一定程度上抑制绝缘介质的表面电荷积聚，相关试验研究了表面涂覆环氧/SiC涂层对试样闪络电压的影响。实验在指状电极系统中进行，制备了涂有不同SiC含量涂层的材料并进行沿面闪络电压的测试。当SiC填充量分别为1%、3%和5%时，闪络电压分别提高到26 (25.8~26.1) kV、26.5 (26.4~26.6) kV和27 (26.9~27.2) kV，而无涂层的闪络电压仅为23.5 (23.3~23.7) kV。闪络电压的提高通常与抑制表面电荷积累有关 [ 37 ]。研究认为，闪络电压随着最大表面电荷密度的减小而增大，原因是表面电荷的积累得到抑制，从而减轻了表面的场畸变。 氟化处理在工程中有着广泛的应用，也可以用于提升绝缘材料的介电性能。相关学者对掺杂氧化铝的环氧样品进行了不同时间的氟化处理，在分别进行8 kV和−8 kV的直流电晕预处理后，测试了试样的负极性直流闪络电压 [ 38 ]。实验结果显示，在无处理和氟化处理60分钟的实验组中，负极性的表面电荷对闪络电压影响不明显，正极性的表面电荷会使闪络电压出现明显下降；而在氟化处理15分钟的实验组中，两种极性的表面电荷对闪络电压的影响都不明显。分析认为，一方面氟化处理减小了绝缘材料表面的电阻率，使表面电荷消散过程加速，进而削弱了对闪络过程的影响，另一方面氟化处理使试样的表面粗糙度更小，减小了三结合处的局部放电，使闪络电压提高 [ 39 ]。 以上介绍的工作研究了表面电荷存在的情况下，试样闪络电压的变化情况。表面电荷的极性、电荷量能够直接影响沿面闪络电压的大小，材料的表面状态则往往通过影响表面电荷的积聚量而间接对沿面闪络电压产生影响。 2.2. 混合型电场下的电荷积聚特征与沿面闪络 混合型电场对应的电极系统为同轴电极。为绝缘子表面预置电荷的方式主要是接触充电，在试样表面生成的电荷分布与电极结构紧密相关，能够模拟不同固–气界面切、法向场强。 混合型电场分布下的真型盆式绝缘子实验可以研究实际工况下沿面闪络电压的变化量，并为小模型模拟提供参考。在0.5 MPa的SF 6 气体环境下进行的220 kV盆式绝缘子闪络实验中，通过接触充电的方法，利用导杆产生的外加电场对绝缘子表面进行充电。在电荷测试实验中，正极性直流电压作用下，绝缘子表面主要分布负极性的电荷。在随后的闪络电压测试中，绝缘子的直流耐压水平约为765 kV，下降到了交流耐压的64% [ 39 ]。 通过对电荷积聚量和闪络电压的实验分析，可以得到闪络电压与表面电荷量的经验公式 [ 40 ]，用以评估表面电荷对闪络的影响： U f = a × Q b (1) 其中，a和b是电荷系数和特征指数，取决于电荷量、材料、绝缘体几何形状等参数。 具有不同能量和密度的表面陷阱会促进或阻碍表面电荷的积聚，固体绝缘材料电导率的大小和分布也对表面电荷积聚有复杂的作用，二者共同影响着表面电荷的迁移率以及消散速率。从相关学者对固体绝缘材料表面不同粗糙度和不同种类涂层的研究中，可以探究绝缘介质表面陷阱与材料电导率参数对电荷–闪络的影响。在实验中常通过掺杂特定填料的方式改变固体绝缘介质的表面或体电导率。 李传扬等在掺杂非线性材料的自适应电荷调节绝缘子研制中，通过对绝缘子连续多次的直流闪络电压实验 [ 28 ]，发现大部分的闪络痕迹都产生在绝缘子的凸面，说明凸面的电荷积聚更多，电场畸变更为严重。同时，在前一次闪络引入的电荷影响下，后一次闪络电压降低了12.4%。 借助填料粒径对闪络电压影响的研究 [ 40 ]，薛建议等认为在靠近固–气界面的固体侧存在着界面电荷迁移层，在这一层中，电子几乎被填充在价带中，导带则几乎没有电子。由于表面陷阱的相互作用，电子将被分布在禁带内的浅陷阱或深陷阱捕获。电荷很容易被浅陷阱从束缚中分离出来，然后向相反的电极转移。而受深陷阱限制的电荷仅在获得足够大的能量时方能逃逸。填料的加入使电荷更多的存在于浅陷阱中，并易于脱陷并迁移到电极，大量种子电子的损失会导致沿面闪络较难发生。 在对功能梯度材料绝缘子的研究中，杜伯学等比较了−20 kV下无涂层和有涂层绝缘子的表面电荷分布与闪络之间的关系 [ 41 ]。表面电荷主要来自空气电离，在电场作用下，正离子移动到高压电极，电子漂移到地电极并在绝缘体表面聚集，因此表面电荷主要为负。环氧/GR涂层作为纳米复合材料，具有较低的载流子迁移率和较高的表面电荷储存能力，因此很容易积累较高的电荷密度，且由于电荷在电场作用下很难沿绝缘子表面迁移，表面电荷分布比较均匀。具有电场梯度作用，提高了涂层绝缘子的闪络电压。 混合型电场作用下的研究以真型绝缘子的结构为多，在这种电场结构下，绝缘子的体参数和表面参数会同时作用于表面电荷，影响其积聚。但是表面电荷影响闪络电压变化的机理与切向分量主导型电场基本一致。