图1 粉尘图显示的支柱绝缘子表面电荷分布[21]
Fig.1 Charge distribution on the surface of the post insulator shown by dust figure[21]
摘要 在高电压长时间作用下，固体绝缘表面容易积聚电荷，并有可能诱发绝缘子沿面闪络，进而影响电力系统的安全可靠运行。研究交流电压下固体绝缘表面的电荷积聚特点及放电特性，对于提高绝缘子的沿面闪络电压、改善绝缘子制造水平等都具有重要意义。该文结合目前正在进行的研究工作，针对当前交流电压作用下电荷积聚和放电特性研究中的关键问题，如电荷测量方法、电荷积聚原因、分布特点、影响因素以及表面电荷与沿面闪络电压的关系等进行阐述，对近年来相关的电荷积聚与放电特性研究进展进行总结，并对下一步的研究工作进行展望并提出建议，旨在为未来交流电压作用下绝缘子表面电荷的相关研究提供参考。
关键词：交流电压 气固界面 表面电荷 闪络
绝缘子在高压电气设备中通常起着机械支撑和绝缘隔离的双重作用，其性能直接影响着电力系统的安全可靠运行[1-2]。研究表明，绝缘子表面电荷积聚有可能造成其绝缘强度的下降，甚至诱发沿面闪络[3-5]。长期以来，对于直流电压作用下的电荷积聚机理、电荷积聚对闪络电压的影响以及相应的调控及抑制措施等方面，学者开展了较多的研究，并得出了一些具有指导性的结论[6-8]。但是相比较而言，目前对交流电压作用下绝缘子表面电荷积聚特性的研究还比较少，所得到的研究结论也不完全一致[9]。这是因为和直流静电场相比，由于交流电压不断变化的电场特性，造成表面电荷的不确定性，而且其运动行为也更为复杂，从而影响研究人员对实验结果的分析[10]。但是在工程实际中，交流电压下表面电荷对电力系统安全运行带来的影响也不容忽视。已经有研究指出，交流气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）和气体绝缘输电线路（Gas Insulated Transmission Line, GIL）中的一些异常闪络事故可能与绝缘子表面积聚电荷有关[11-12]。1996年，辽宁营口华能电厂的交流220kV GIS盆式绝缘子发生沿面闪络，文献[13]对其进行分析后认为这是由于表面电荷积聚引起绝缘子沿面闪络电压下降所致。2016年，北京东1 000kV特高压变电站在调试期间也出现过隔离开关合闸时GIL母线上盆式绝缘子和支柱绝缘子沿面闪络的现象，当时的调查报告也认为该现象可能与绝缘子表面电荷的积聚有关[14]。德黑兰大学的J. Mahmoodi研究组通过数值计算和实验的方法研究了交流和直流电压作用与聚合物绝缘子表面电荷分布之间的关系，明确指出绝缘子沿面闪络电压与表面电荷有关[15]。因此，研究交流电压作用下固体绝缘子表面电荷积聚特性以及表面电荷对闪络电压的影响，对工程实际应用具有重要的现实指导意义。
本文作者在阅读大量相关文献及进行技术调研的基础上，结合目前正在开展的工作，对交流电压下气固界面电荷积聚与放电特性研究进展情况进行综述。主要分析了交流电压下绝缘子表面电荷的常用测量方法，并从绝缘子表面电荷的来源、电荷分布特点、影响因素以及表面电荷存在对沿面闪络电压的影响等方面进行了详细的归纳总结。最后结合当前研究现状以及存在的问题，对未来的相关研究工作给出展望。
现有技术条件下，绝缘子表面电荷仍不能被直接观测，而必须借助其他手段进行表征。目前交流电压下绝缘子表面电荷的研究方法主要有两种：一种是以粉尘图和静电探头为代表的离线静态测量方法；一种是以Pockles电光效应为代表的在线动态测量方法[16]。
粉尘图法是一种可以将电荷分布进行可视化的方法[17-18]。较早采用该方法对电荷进行显示的是学者Villarsy，他将红色的四氧化三铅和黄白的硫磺粉末混合，用于判断绝缘材料表面带电的类型和电荷分布的形状[19]。1985年，日本学者Y. Yamano用该方法显示了交流电压下发生局部放电后圆筒状PVC材料的绝缘子表面电荷积聚现象[20]。清华大学的徐洋则利用黑色正极性碳粉与红色负极性碳粉的混合粉末作为带电粉尘，研究了交流110kV 支柱绝缘子在空气、N2和SF6气体中表面的电荷积聚情况，较清晰地显示了其“帘幕状”和“纺锤状”的电荷分布特点[21]，如图1所示。本课题组在电荷积聚研究中，也曾利用红色带正电的粉尘对交流电压下平板绝缘子表面电荷的测量结果进行了验证，显示出绝缘子表面的负极性电荷圆环状的分布特点[16]。
图1 粉尘图显示的支柱绝缘子表面电荷分布[21]
Fig.1 Charge distribution on the surface of the post insulator shown by dust figure[21]
静电探头法是一种离线测量方法，它包括无源静电探头法和有源静电探头法两种。其中无源静电探头法采用静电分压的方法测量绝缘子表面电位分布，然后通过计算获取表面电荷的密度[22]。华北电力大学的齐波、耿弼博、邢照亮等则利用该方法研究了交流电压下220kV盆式绝缘子表面的电荷积聚特性[23-25]，获得了GIS盆式绝缘子表面电荷分布特点，如图2所示。
图2 无源静电探头法测量得到的GIS盆式绝缘子表面电荷分布[23]
Fig.2 Surface charge distribution of GIS basin insulator measured by passive electrostatic probe[23]
有源静电探头主要由一个电容探头和静电计组成，它通过振动反馈过程获得探头与被测表面间电位的平衡，从而实现对绝缘子表面电位的测量[26]。加拿大学者S. M. Elkhodary利用电容探头和610C Keithley型静电计测量了交流电压下丙烯酸玻璃柱状绝缘子表面的电荷积聚，分别测得SF6、空气和氟利昂气体中的绝缘子表面电荷密度[27]。天津大学的杜伯学等利用该方法研究了交流和脉冲联合作用下环氧树脂绝缘子表面的电位分布，得到电荷动态特性与交流电压幅值之间的关系[28-29]。本课题组则利用该方法研究了针-板电极结构下平板绝缘子和同轴电极结构下锥形绝缘子表面的电荷积聚现象，得到两种情况下绝缘子表面电荷的分布特点[16,30]，如图3所示。
Pockels效应法主要利用某些透明晶体的折射率随外加电场线性变化的特性来测量电荷分布。当光线穿过该晶体时，由于材料各处不同折射率的作用，光线穿出后，通过光学手段可以获取相位差的分布信息，再通过反算相位差信息即可得到电荷分布[31-32]。西安交通大学的穆海宝课题组利用Pockels电光效应原理，通过施加1个周期的交流电压信号，研究了交流电压放电过程中，不同材料的薄膜绝缘子在大气条件下的电荷分布随时间的变化规律[33]，部分结果如图4所示。
图3 有源静电探头法测得的平板绝缘子和锥形绝缘子表面电荷分布特点[16,30]
Fig.3 Surface charge distribution of disc-shaped and cone-shaped insulators measured by active electrostatic probe[16,30]
图4 一个交流电压周期内聚偏氟乙烯表面电荷分布[33]
Fig.4 Surface charge distribution on pdyvinylidene fluoride surface within one AC voltage cycle[33]
上述三种测量方法利用不同的原理实现了固体绝缘介质表面电荷测量，为交流电压下电荷积聚研究提供了有力的工具。但同时它们也存在如下不足：粉尘图法无法对绝缘子表面电荷密度进行定量测量，同时喷洒的粉尘会对原来的电荷造成破坏；Pockels效应法的应用范围受限，目前只适用于透明的薄膜绝缘材料；静电探头法不能实现表面电荷的在线测量，且空间分辨率不高[34-35]。在未来的研究中，设法寻找一种新的电荷测量技术，使其可以将Pockels效应法和静电探头法的优点结合起来，将会给交流电压下电荷积聚特性研究带来帮助。
研究指出，气体的压力和环境氛围的差别对绝缘材料的表面放电现象有很大的影响，对应于不同的气压阶段有着不同的放电机理，如碰撞电离、电子发射和表面电荷积聚等[18]。而在交流GIL和GIS等电力绝缘设备中，不同介质的绝缘气体会具有不同的放电特性[36-37]，同样也会对电荷的积聚产生一定的影响。
2.1.1 空气中电荷积聚特点
T. S. Sudarshan等研究发现，空气中交流电压作用下固体绝缘表面既包含正电荷也包含负电荷[38]。T. Jing和S. M. Elkhodary等则认为交流电压下表面电荷积聚的主要特点是正、负极性电荷并存，且负极性电荷多于正极性电荷[39-40]。此后耿弼博、汪沨、鲁杨飞等的研究也都得出了类似的结论[24,41-42]。
S. M. Elkhodary对该现象的解释是：由于气体发生微放电时的极性效应，负极性电压下放电更为容易；另外，基于电子的迁移率比正离子的迁移率高等原因，造成绝缘子表面的电荷分布以负电荷为主[27]。杜伯学研究组对此现象的解释是：电晕放电产生的负电荷大都为电子，正电荷为离子。电子的质量较小，在电场的作用下更容易获得加速运动并到达试样表面。由于交流电压的每个负半周期内注入试样的负电荷数量都大于正半周内注入试样的正电荷数量，因此随着施加交流电压的时间增加，试样表面会积累大量的负电荷[28-29]。
S. M. Elkhodary等研究发现了交流电压作用下电荷积聚与直流电压作用下的区别，得出固体绝缘表面正负极性电荷并存的结论。但是，该研究只是对交流电压下电荷积聚特性的初步探索，进一步研究交流电压作用下固体绝缘表面电荷的分布特点和变化规律，对于提高沿面闪络电压、保护电力系统安全稳定运行具有重要意义。
2.1.2 电负性气体中电荷积聚特点
电负性气体是指具有较强捕捉自由电子能力，从而形成负离子并削弱其放电能力的气体。在高压电力系统中，作为传统绝缘气体较常使用的是SF6，而目前被广大研究者认为最具有潜力替代SF6的是C4F7N气体[43]。荷兰的T. Jing 和P. H. F. Morshuis等较早地研究了SF6气体中圆柱形绝缘子表面的电荷积聚现象，结果发现，在交流电压作用下，绝缘子表面的电荷以负极性为主，但电荷积聚量（电荷密度）较直流或冲击电压下小得多[39,44]。徐洋的研究指出，在SF6气体中支柱绝缘子表面更容易积聚负电荷，但和空气中相比，负电荷的分布范围要小[21]。华北电力大学的耿弼博、李成榕课题组通过施加5～80kV的交流电压，研究了0.4MPa SF6气体中GIS中盆式绝缘子表面电荷积聚现象，得出结论为SF6容易与放电产生的电子结合并沉积在绝缘子表面，所以绝缘子表面电荷的分布以负电荷为主[24]。本课题组则开展了纯C4F7N气体及C4F7N/CO2混合气体中平板绝缘子表面电荷积聚研究，并和SF6、空气等进行了对比。结果发现，无论是纯C4F7N气体还是C4F7N/CO2混合气体中，绝缘子表面大多积聚负极性电荷。在同样的实验条件下，纯C4F7N气体中的绝缘子表面电荷分布范围和电荷密度小于SF6气体[45]，C4F7N和SF6气体中固体绝缘表面电荷对比如图5所示。而在C4F7N/CO2混合气体中，其电荷分布范围和电荷密度均比空气中要小[46-47]，空气和C4F7N/CO2混合气体中电荷积聚对比如图6所示。
图5 C4F7N和SF6气体中固体绝缘表面电荷对比[45]
Fig.5 Comparison of charge distribution in pure C4F7N and SF6 gases[45]
对电负性气体中电荷分布特点的解释是：电负性气体具有较强的吸附特性，能够将自由电子吸附在其外层电子轨道上形成负离子[48]。因为这些负离子的运动速度远小于电子，因此减弱了负电荷的扩散作用；另外，由于电负性气体的分子量和分子直径一般都比较大，那些未被吸附的电子在和这些电负性气体的分子相遇时，也会容易引起分子发生极化等过程，增加能量损失[49]。上述原因都会使这些电子或负离子在到达绝缘子表面并被陷阱捕获之前的移动范围减小，造成附着在绝缘子表面的电荷分布范围较小。同时，由于负离子质量大，在电场力作用下移动速度较慢，很容易和正离子发生复合，使气体中带电质点减少，因此电荷密度也较低[46]。
图6 空气和C4F7N/CO2混合气体中电荷积聚对比[46]
Fig.6 Comparison of charge distribution in air and C4F7N/CO2 mixtures[46]
对交流电压下电负性气体中电荷积聚特性以及积聚原因分析的研究，是SF6替代气体在气体绝缘设备中应用的可行性研究中的一个重要内容。进一步明确电负性气体放电机理和电荷变化规律，对于推进新型环保气体替代SF6在工程实际中的应用具有重要意义[50-51]。
需要指出的是，之前多数学者在研究交流电压下固体绝缘表面电荷积聚特性时，只测量了电压去除以后表面电荷的最终分布，并没有考虑到交流电压的相位对电荷积聚的影响，或者由于无法准确控制交流电压断电时的相位，导致相关研究结论较少[45]。德国学者S. Tenbohlen的研究结果表明，交流电压下绝缘子表面的电荷分布和发生局部放电时的电压相位存在联系，电极附近的电荷和放电时的电压同极性[52]。本课题组在研究中提出了一种“相位控制电荷测量法”，通过精确控制交流电压的截断相位，并测量与之对应的电荷分布，获得不同形状的绝缘子表面电荷分布随交流电压截断相位变化的特点和输运规律[21]，交流电压不同截断相位与对应的平板绝缘子表面电荷分布如图7所示。该研究证明了交流电压作用下的电荷积聚是一个动态变化过程，任意时刻的电荷分布和交流电压的相位密切相关，这和Pockles效应法观察到的结果是一致的。
图7 交流电压不同截断相位与对应的平板绝缘子表面电荷分布[21]
Fig.7 Charge distribution on disc-shape insulator and the corresponding truncated phase of AC voltage[21]
以上研究表明，把交流电压的相位与对应的电荷分布联系起来，可以得到表面电荷分布随相位发生变化的特点，符合交变的电场特性必然会对电荷分布带来影响的实际情况。该方法对未来交流电压下电荷积聚特性研究具有一定的指导作用。
由于电荷积聚是电晕放电或局部放电的结果，故电荷特性必然受所施电压的影响。耿弼博的研究结果认为，交流电压作用下，随着电压幅值的增加，表面电荷分布特点变化不大，但电荷量（电荷密度）随之增加；随着电压作用时间的增加，电荷量整体呈上升趋势，但分布形状基本不变[24]。杜伯学课题组的研究结果则表明：交流电压作用后，绝缘子初始表面电位为负值，且绝对值随着交流电压幅值的增加而增加，即交流电压幅值越高，表面负电荷量越大[28-29]。S. M. Elkhodary等认为绝缘子表面的电荷积聚是交流电压作用时间的函数，饱和电荷密度与外加交流电压幅值呈线性关系[40]。齐波课题组的研究结论为：随着交流电压幅值的增加，绝缘子表面电荷密度呈现先升高再减小并趋于稳定的趋势，并且随着电压作用时间的增加，表面电荷的积聚更为明显[23]。本课题组通过将固体绝缘表面电荷分布与交流电压截断相位结合起来分析发现，在同样的实验条件下，当电压幅值和截断相位相同，仅电压作用时间不同时，绝缘子表面电荷分布特点和分布范围大致相同；当截断相位相同时，电荷分布范围和电荷密度随电压幅值增加而增加；而当交流电压截断相位随机时，对实验结果的统计表明，绝缘子表面正负电荷密度均呈现上下波动的变化特点，不随电压幅值和电压作用时间的增加而增加。故认为交流电压下绝缘子表面电荷分布受电压作用时间的影响较小；且由于交流电压正负半周放电所产生的电荷会发生中和，故表面电荷积聚不会随电压作用时间增加出现饱和[30,45]。
可以看出，由于影响表面电荷分布的因素较多，如果在研究过程中只考虑电压幅值的变化，得到的电荷分布会具有一定的随机性，这也是不同研究者得到的结论尚不一致的原因。因此，在研究交流电压下固体绝缘表面电荷积聚特性的时候，应当综合考虑各种因素，尤其是交流电压相位的影响。
绝缘子表面电荷积聚实质上是局部放电或电晕放电时，所产生的大量带电粒子（包括电子和正离子）在电场力的作用下向绝缘子的表面迁移并被表面陷阱所俘获，所以电荷积聚特点和绝缘子自身特性密切相关[53]。研究指出，相对于材料本身特性，绝缘材料表面的特性起到更加重要的作用。这些表面特性有表面粗糙度、表面能、表面缺陷和表面残余应力等[54]。
西安交大穆海宝课题组利用Pockles效应法分析对比了五种不同聚合物材料表面电荷分布的差异后，认为材料表面粗糙度对表面放电和表面电荷的积累影响比较显著，材料的禁带宽度、表面层电离能、介电常数和厚度等的差异也都影响着表面电荷的分布[18]。华北电力大学的鲁阳飞等利用针-棒电极结构和PI薄膜绝缘材料，探究了交流电压下材料物化缺陷特性对表面电荷积聚的影响，得出结论为绝缘子表面的物理缺陷和分子降解产生的化学缺陷的变化会改变绝缘材料的表面陷阱特性，为材料表面电荷的持续积聚提供了可能[42]。华北电力大学的王璁研究认为，绝缘材料表面电荷积聚和其介电常数有关，介电常数越大，电荷积聚量越多[55]。本课题组则利用针-板电极和平板型绝缘子研究了硅橡胶（Silicone Rubber, SIR）、纯环氧树脂（Epoxy Resin, EP）和微米氧化铝掺杂的环氧树脂（Al2O3-EP）三种材料的绝缘子表面电荷积聚特性。发现在同样的实验条件下，无论是正电荷还是负电荷，表面电荷密度大小顺序均为Al2O3-EP＞EP＞SIR。利用等温电流衰减法测量其表面陷阱特性后发现，三种绝缘材料的电子和空穴陷阱密度大小顺序与表面电荷密度大小顺序正好一致，故得出结论为绝缘子表面电荷积聚与其表面陷阱密度密切相关[16]。
研究指出，由于聚合物材料内部不可避免地存在许多物理缺陷和化学缺陷，形成了电子或空穴陷阱，为电荷积聚提供了条件[54]。以上研究表明固体绝缘表面电荷积聚与绝缘材料的陷阱特性有着一定的联系，但是它们之间的定量关系以及怎样利用该特性抑制电荷积聚，仍有待深入研究。
一些研究还发现，交流电压下影响电荷积聚的因素还包括电压频率[49]、电极结构[24]、电极表面粗糙度[44]、气体氛围[56]以及绝缘子表面绝缘缺陷程度[20]等。本文作者通过研究C4F7N/CO2混合气体中的电荷积聚现象，发现随着混合气体中C4F7N所占比例的变化或者混合气体压强的变化，绝缘子表面电荷分布范围和电荷密度也会随之变化[45]。此外，表面电荷的积聚过程和分布特点还可能会受到温度、湿度等条件的影响[57-59]，这些都是在工程实际应用中需要考虑的问题。
关于高电压作用下绝缘子表面电荷积聚的原因，研究者认为主要包括以下几个方面：场致发射、局部放电、固体介质夹层极化、电导率分布不均匀或非线性以及绝缘子表面金属微粒等[60]。但是，由于交流电压电场特性是周期性不断变化的，其电荷积聚机理和直流电压下存在显著差异。目前比较普遍的观点是交流电压下绝缘子表面电荷的主要来源是电极或绝缘子表面局部放电或电晕放电产生的带电粒子[44,61]。汪沨等对此的解释是：由于交流电压没有稳定持续的电压作用，再加上固体介质内部带电粒子缺乏，所以由固体介质内部电导率及介电常数不均匀和场致发射产生的电荷可以忽略不计，因此局部放电或电晕放电成了电荷积聚的主要来源[41]。该观点也得到了华北电力大学齐波等的支持[23]。
研究还发现，导致局部放电或电晕放电，从而影响交流电压下电荷积聚的主要因素可以归纳为以下三个方面：①电极表面粗糙度较大或存在金属突起。T. Jing等的研究结果表明，在SF6气体中，平行板电极与柱状绝缘子（直径80mm，高100mm）结构下，当施加交流电压为129kV，电极表面粗糙度为15mm时，电极附近的局部电场增强就可以使气体发生电离，带电粒子沿电力线到达绝缘子表面，并在那里附着导致电荷积聚，且积聚量随电极表面粗糙度的增加而增加[44]。②GIL或GIS中存在金属颗粒。这些金属颗粒主要来源可能是在生产和组装过程中的机械磨损，在运输过程中的机械振动以及在运行过程中的开关动作等。这些金属颗粒可能会附着在绝缘子上，并对电极产生微放电，从而引发电荷积聚[61]。③高压电极、绝缘子及气体的三结合点处由于存在缝隙、气泡、破损等微观缺陷，造成局部电场增强。放电所产生的电荷（电子和正离子）在电场力的作用下迁移到绝缘子表面[30,41,59]。
有学者进一步指出，电晕放电或局部放电并不是电荷积聚的唯一条件。气体放电产生的电荷要在绝缘子表面积聚，还需要满足电场的电力线和绝缘子表面相交，即电场在绝缘子表面存在法向分量这一前提，并且法向分量越大，电荷密度越大[62]。笔者的研究表明，针-板电极结构下平板形绝缘子表面电荷密度很大，同轴电极结构下锥形绝缘子表面电荷密度较小[16,30]。H. Fujinami研究组的结果表明，在平板形电极和圆柱形绝缘子结构下，由于表面轮廓线与外加电场的电力线基本平行，即绝缘子表面场强法向分量很弱，绝缘子表面基本没有电荷积聚现象[63]。
可以看出，目前研究者对于交流电压下固体表面电荷积聚原因基本达成了共识，即电极或绝缘子表面局部放电或电晕放电产生的带电粒子是电荷的主要来源，这些带电粒子在电场法向分量的作用下移动到固体绝缘表面而形成电荷积聚。
众多研究均已指出，绝缘子表面的电荷积聚有可能造成绝缘子绝缘强度下降，甚至诱发沿面闪络[64]。日本的Y. Yamano研究组较早地开展了空气条件下电荷积聚对交流电压下沿面闪络的影响，发现电荷积聚会导致闪络电压明显降低[20]。德国学者A. Winter和J. Kindersberger研究了SF6气体中平板绝缘子表面电荷积聚对闪络电压的影响，结果发现，表面电荷存在对交流电压的影响要大于直流电压，使闪络电压大约降低了25%（直流电压下最大下降20%）[65]。华北电力大学的齐波研究组采用真实的GIS盆式绝缘子开展了表面电荷对闪络电压的影响实验，得出结论为：在交流电压作用下，随着电荷在绝缘子表面不断积聚，最多可以使沿面闪络电压减小约10.3%[66]。本课题组则采用圆盘形绝缘子进行了沿面闪络实验研究，结果表明，由于表面电荷的存在，使交流闪络电压最大下降达34%[67]。
关于表面电荷积聚对闪络电压的影响机理，学术界大致有两种观点：一种观点认为表面电荷积聚会导致电场畸变，这种畸变的电场一方面使气体电离过程变得剧烈，有助于电子崩的产生，另一方面也会使放电过程向地电极方向发展变得容易，从而降低闪络电压[68]。例如日本学者Y. Yamano的研究就发现，靠近电极处的电荷积聚引起的电场增强与无电荷时相比甚至可以增加2～3个数量级[20]。第二种观点则认为表面电荷的存在一方面可以为沿面放电的发展提供种子电荷，从而有助于初始电子崩的形成，另一方面这些电荷也很容易参与到放电发展过程中，有利于流注的形成，进而造成闪络电压的降低[66]。也有的学者认为这两种影响因素兼而有之，表面电荷对闪络电压影响的最终结果取决于两者之中起主导作用的因素[69]。本研究组的研究结果则表明，电荷对闪络电压影响的主导因素随电荷消散过程而发生变化，在电荷消散初期，浅陷阱中电荷脱陷所提供的种子电荷对闪络电压影响起主导作用；电荷消散一段时间后，深陷阱中电荷对电场的畸变起主导作用[67]。
进一步的研究发现，表面电荷对闪络电压的影响还和以下几个因素有关。
（1）绝缘材料特性。研究表明，如果绝缘材料的电子或空穴陷阱密度较高，则该材料具有较强的表面电荷积聚能力，这将会造成绝缘子表面电场畸变严重，从而引起闪络电压下降[14]。另一方面，如果绝缘材料表面陷阱能级较高，则被陷阱束缚的电荷难以脱陷，因此参与到放电发展过程中的电荷数目减少，这有助于闪络电压的提高[69]。
（2）电荷量（表面电荷密度）。齐波等的研究发现，随着交流电压幅值的增大及作用时间的增加，绝缘子表面积聚电荷量逐渐增多，与之对应的沿面闪络电压则呈现明显减小的趋势并且逐渐趋向于饱和[66]。
（3）电荷位置。日本的K. Kato研究组采用平板形氧化铝绝缘子，通过预置电荷的方式，研究了电荷位置与沿面闪络电压的关系。结果发现，当电荷位于放电路径上时，其对闪络电压的影响比电荷位于电极附近时要大[70]。
（4）电荷消散过程。本课题组的研究表明，在电荷消散初期，表面电荷对闪络电压的影响比较明显，使闪络电压值产生较大幅度的下降。当电荷消散一段时间以后，闪络电压值和之前相比有所提高[67]。
综上可知，就表面电荷对闪络电压的影响结果和闪络机理来看，不同研究者所得到的结论尚不一致，还需要深入探究表面电荷和沿面闪络电压的关系，并采用适当方法削弱电荷对闪络电压的影响，这对于工程实际具有重要的科学意义和工程价值。
本文参考国内外近年来的相关研究成果，综述了交流电压作用下的绝缘子表面电荷积聚现象，归纳了表面电荷的积聚原因、影响因素和对闪络电压的影响等工程实际较为关心的问题。得到的主要结论如下：
1）当前交流电压下表面电荷的三种测量方法利用不同的原理实现了固体绝缘介质表面电荷测量，但同时还存在一定的不足，需要继续探索新的测量方法。
2）电极或绝缘子表面局部放电或电晕放电产生的带电粒子是交流电压下固体绝缘表面电荷的主要来源，但是影响电荷分布和输运特性的因素较多，在研究表面电荷积聚特性的时候，应当综合考虑各种因素，尤其是交流电压相位的影响。
3）表面电荷对闪络电压的影响研究所得到的结论尚不一致，其影响机理和主导因素还不清楚。需要进一步探究表面电荷和沿面闪络的关系，并采用适当方法削弱电荷对闪络电压的影响。
结合本课题组的当前工作以及本文所总结的研究进展，对未来的相关研究给出如下建议：
1）继续改进表面电荷测量方法，设法将Pockels效应法和静电探头法的优点结合起来，使其可以实现固体绝缘表面电荷的高精度、高速动态测量，同时又不受绝缘子形状、尺寸和材料等因素的限制。
2）结合工程应用的实际，系统研究气固界面特性对电荷积聚的影响，尤其是目前比较有潜力替代SF6的新型环保气体中电荷积聚特性，进一步明确其放电机理和电荷输运规律，推进新型环保气体在工程实际中的应用。
3）进一步研究提出抑制绝缘子表面电荷积聚及沿面放电的有效方法。比如通过材料改性实现对绝缘子表面陷阱特性的主动调控[71-72]，通过引入浅陷阱促进表面电荷的消散，或引入深陷阱抑制表面电荷的积聚，从而减少电荷存在对闪络电压的影响。
4）针对交流电压下的电荷分布和输运特性研究，设法建立定量模型和仿真方法，以更加明确其电荷输运规律以及引发放电的机理。
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Progress in Researching Charge Accumulation and Discharge Characteristics at Gas-Solid Interface under AC Voltage
Abstract 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.
Keywords: AC voltage, gas-solid interface, surface charge, flashover
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210889
中图分类号：TM85
国家自然科学基金资助项目（52177151）。
收稿日期 2021-06-15
改稿日期 2021-08-22
张贵新 男，1963年生，教授，博士生导师，研究方向为气体放电、等离子体技术、光电测量以及直流/交流高电压绝缘等。E-mail：guixin@mail.tsinghua.edu.cn（通信作者）
李大雨 男，1978年生，博士研究生，研究方向为气体放电、气固界面放电机理。E-mail：lxy972001@163.com
（编辑 李冰）