图1 实验系统图
Fig.1 Experimental system setup
摘要 直流气体绝缘开关装置及气体绝缘输电管道（GIS/GIL）绝缘子长期运行过程中会积聚大量表面电荷，易引起绝缘子异常闪络。近年来国内外学者开展了大量卓有成效的工作，深刻揭示了绝缘子表面电荷的积聚和消散机理，但GIS/GIL不打开罐体条件下，绝缘子表面电荷的快速消散问题一直没有解决。该文首次提出基于X射线短时照射的绝缘子表面电荷主动消散新方法，试验研究发现X射线照射30s即能使空气中绝缘子表面电荷几乎完全消散。对基于X射线照射的绝缘子表面电荷消散机理进行了探讨，认为X射线可能通过促进气体侧电荷沿传导及绝缘子表面电荷脱陷而实现其快速消散。由于X射线能够穿透GIS/GIL金属罐体，相关实验结果为GIS/GIL不打开罐体条件下实现绝缘子表面电荷快速消散提供了可能途径，对进一步推进直流GIS/GIL工程化具有重要意义。
关键词：直流GIS/GIL 绝缘子 表面电荷 X射线 主动消散
气体绝缘开关装置（Gas Insulated Switchgear, GIS）及气体绝缘输电管道（Gas Insulated Trans- mission Line, GIL）因占地面积小、输送容量大、环境友好、可靠性高，在电力系统输变电领域得到广泛应用。其中GIL是远距离、大容量输电中一些特殊输电条件下的首选替代方案[1-2]。我国是直流输电大国，相对于交流GIS/GIL，直流GIS/GIL绝缘子长期承受单极性直流高压，在外施电压作用下其表面容易积聚电荷，且在没有外界干预情况下很难消散[3-4]。有研究表明表面电荷可使直流GIS/GIL绝缘子沿面闪络电压降低22.8%，会大大降低设备绝缘水平，因此直流GIS/GIL的绝缘设计和运维必须考虑表面电荷的影响[5]。
自20世纪80年代以来，国内外学者开展了大量卓有成效的工作，深刻揭示了绝缘子表面电荷的积聚和消散特性及机理[6-10]。在本文所讨论的表面电荷消散方面，德国学者Kindersberger通过仿真提出表面电荷可能的三种消散方式：绝缘体传导、材料表面传导、气体侧离子中和。其中前两种方式主要与绝缘的体积电导和表面电导相关，第三种方式主要与气体中因为自然辐射形成的电荷载体数量相关[11-12]。另外有研究学者提出利用氟化处理、等离子改性、溅射薄膜等方法改变材料表面电荷的积聚和消散特性[13-14]。但由于工程实际的复杂性，上述改性方法都无法保证高压直流条件下绝缘子表面在长期运行过程中始终不出现表面电荷积聚。因此要实现直流GIS/GIL工程化，必须解决不打开罐体情况下表面电荷快速消散的难题。
针对上述难题，本文首次提出了基于X射线短时照射的表面电荷主动消散新方法，并用实验证明了方法的有效性。
绝缘子表面电荷测试系统如图1所示。电极材料为铝合金，为了避免电场集中，高压电极和地电极都进行了倒角处理。绝缘子形状为圆柱形，外径84mm，高度50mm，上、下两端经加工后与高压电极和地电极紧密贴合。绝缘子材料为聚四氟乙烯，其相对介电常数为2.1、体电导率小于10-18S/m、表面电导率为10-15～10-16S/m。
通过三个步进电机实现绝缘子和静电探头的空间位置控制。1号步进电机控制探头水平移动，控制精度小于0.1mm。2号和3号电机用于控制地电极带动绝缘子移动和旋转，实现对绝缘子表面不同区域电荷的测量，完成一次绝缘子表面电荷的测量时间小于3min。测量过程中，静电探头与绝缘子表面始终保持垂直，距离固定为3mm。利用Monroe ME-244A静电计联合泰克示波器记录整个测试周期内所有测点的数值。为了简单起见，本文采用实际测得的电势分布近似反映绝缘子表面的电荷分布情况，这种近似不会影响最后的结果分析。
图1 实验系统图
Fig.1 Experimental system setup
X射线由ERESCO-65-MF4便携式X光机产生，采用定向发射方式发出射线束，管电压范围为5～300kV，管电流范围为0.5～6mA，目标角为20°。该X射线机为湖南省电力有限公司电力科学研究院用于GIS带电检测机型，所产生射线能够穿透GIS设备的铝合金外壁，已用于GIS现场检测多年。
实验前，用酒精清洗绝缘子和电极表面，擦试后放于干燥箱内8h，检测显示绝缘子表面无残余电荷。试验时的相对湿度为56%，温度为25°。
首先对绝缘子施加-20kV电压1h，随后测量其表面电势。为了加速表面电荷积聚过程，在绝缘子表面粘贴一颗金属颗粒。撤除电压后，探头测得的绝缘子表面电势分布如图2所示。可以发现加压后，在3～4rad的60°扇形区域内积聚了大量正极性表面电荷。这是由于金属微粒布置于该区域中，施加电压后，金属微粒畸变了周围的电场从而引起气体电离产生电子和正离子。空气的电负性相对较弱，同时电场比较高的区域，电子动能较大，不易于形成负离子，而正离子则因运动速度较慢形成电荷积聚，因此在金属微粒附近区域最终主要积聚大量正电荷。
图2 绝缘子表面存在金属微粒时加压后的电势分布
Fig.2 Surface potential distribution of insulator with a metallic particle
在获得图2所示表面电势分布图后，立即用X射线发射器在绝缘子上方50cm处进行垂直照射，X射线发生器管电压值设置为150kV，管电流值为3mA，曝光时间30s。随后对绝缘子表面电势进行测量，得到X射线短时照射后的绝缘子表面电势分布结果，如图3所示。可以发现，X射线照射30s后绝缘子表面电势从最高861V降至最高-25V左右，表面电荷基本已经消散殆尽，说明X射线对表面电荷的消散具有非常显著的促进作用。
为了进一步验证效果，本文在同样材料和尺寸的绝缘子的高压端又粘贴一段4cm长的铜丝后施加-10kV电压，加压时间30min。撤除电压后，绝缘子表面电势的分布如图4所示。因为外施电压幅值和加压时间都比前一次试验小，因此虽然本次实验绝缘子表面的电场更为集中，撤除电压后的最大电荷密度却比前一次的实验结果小。表面电荷引起的最大电势值约为650V，高密度正电荷区域主要集中在铜丝附近的锥形区域内，区域旋转角度范围为5.2～5.6rad，高度范围为30～46mm。
图3 X射线照射后绝缘子的表面电势分布
Fig.3 Surface potential distribution after X-ray irradiation
图4 高压端存在尖端时加压后的表面电势分布
Fig.4 Surface potential distribution of insulator with a metallic tip near the high voltage electrode
撤除电压后，立即用X射线发射器在绝缘子上方50cm处进行垂直照射，X射线发射器管电压值设置为150kV，管电流值为3mA，曝光时间30s。从图5所示表面电势分布图可以发现，X射线短时照射后，材料表面电荷迅速消散。结果再次证实了X射线照射可以极大地促进表面电荷的消散。
本文试验X射线照射时间为30s，由于聚四氟乙烯非常稳定，X射线照射基本不会造成材料固有电气参数的改变。因此X射线导致表面电荷快速消散应该主要从绝缘子气固交界面处的相关物理机制来探讨。
图5 X射线照射后绝缘件表面电势分布
Fig.5 Surface potential distribution after X-ray irradiation
绝缘子表面电荷消散与气体侧微电离及材料表面陷阱效应密切相关。当气体侧发生微电离，表面电荷可以通过气体传导消散[1, 11]。另外PTFE表面陷阱能级分布显示，其表面陷阱能级分布主要集中在0.79～0.92eV范围内，以深陷阱为主[15]。因此自然条件下，材料表面电荷需要经过很长时间才能消散。而X射线照射能量远大于带电粒子脱陷所需能力，使得表面电荷非常容易从陷阱中脱陷形成自由电荷，并在空间中发生转移，最终实现表面电荷的快速消散。
本文研究了X射线短时照射对绝缘子表面电荷消散的影响，得到主要结论如下：管电压150kV、管电流3mA条件下定向发射的X射线对绝缘子进行30s照射后，空气中聚四氟乙烯材料表面积聚的电荷快速消散，效果显著；X射线照射下表面电荷的快速消散可能是由于X射线使得气体侧传导加强，同时也使得陷阱中的带电粒子获得足够能量后快速脱陷形成自由电荷，在空间上实现转移。
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Active Charge Dissipation Method for Surface Charge on the Surface of DC GIS/GIL Insulator Based on Short-Time X-Ray Irradiation
Abstract DC gas insulated switchgear/gas insulated transmission line (GIS/GIL) insulator will accumulate a large amount of charge on its surface during long-term operation, which can easily cause abnormal surface flashover. In recent years, many researchers have carried out a lot of fruitful work. The mechanisms of charge accumulation and dissipation on insulator surface have been deeply revealed. However, the challenge to efficiently dissipate surface charges in GIS/GIL when keep the tank closed is still unsolved. An active surface charge dissipation method based on short-time X-rays irradiation has been proposed in this paper. It has found by experiment that 30s X-ray irradiation can dissipate nearly all surface charges when the gas medium is air. The dissipation mechanism of surface charges on insulator has been studied. Conduction of charges through gas channel and escape of trapped surface charges can be promoted by X-ray irradiation, so that the dissipation rate will be greatly increased. The results provide a new idea for realizing rapid surface charge dissipation on the surface of insulator in GIS/GIL without opening the tanks, which has great significance for the engineering application of DC GIS/GIL.
keywords：DC gas insulated switchgear/gas insulated transmission line (GIS/GIL), insulator, surface charge, X-ray, active dissipation
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.200455
中图分类号：TM85
汪 沨 男，1972年生，教授，博士生导师，研究方向为表面电荷积聚与消散机理、气体放电理论及应用、电力设备在线监测与故障诊断。E-mail: wangfeng55@263.net
钟理鹏 男，1990年生，讲师，硕士生导师，研究方向为电力设备在线监测与故障诊断、气体绝缘介质。E-mail: zhonglipeng@hnu.edu.cn（通信作者）
国家自然科学基金资助项目（51677061）。
收稿日期 2020-04-06
改稿日期 2020-05-28
（编辑 郭丽军）