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氣體絕緣輸電線路（Gas Insulated transmission Lines, GIL）具有輸電容量大、安裝和運(yùn)維方便、不受惡劣氣候影響等特點(diǎn)，在快速發(fā)展的高壓直流輸電系統(tǒng)中得到了大量的應(yīng)用。氧化鋁/環(huán)氧樹脂（Al2O3-ER）復(fù)合材料因機(jī)械強(qiáng)度高、電氣性能優(yōu)良、制備簡(jiǎn)單而作為GIL內(nèi)盆式絕緣子的常用材料。然而盆式絕緣子在直流高壓下會(huì)積聚大量表面電荷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行有可能造成局部放電甚至發(fā)生沿面閃絡(luò)，成為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。

對(duì)于絕緣材料的沿面閃絡(luò)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)表面處理和填料摻雜等方法來(lái)優(yōu)化電場(chǎng)分布、加快表面電荷消散，進(jìn)而提升材料的沿面閃絡(luò)性能。然而，這些方法雖然效果顯著，但是設(shè)備造價(jià)昂貴并且改性時(shí)間較長(zhǎng)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用。

大氣壓等離子體射流（Atmospheric-Pressure Plasma Jet, APPJ）技術(shù)因設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、反應(yīng)效率高、環(huán)境友好、僅作用于材料表面而不影響材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，成為近幾年來(lái)絕緣材料表面改性的研究熱點(diǎn)。目前的APPJ方法主要從構(gòu)造射流陣列、控制射流管運(yùn)動(dòng)等角度來(lái)擴(kuò)大處理面積，使樣片整體得到均勻的改性。但實(shí)際工況下的電場(chǎng)為非均勻分布，對(duì)絕緣材料的均勻改性難以達(dá)到最佳的提升效果。

有研究表明，通過(guò)摻雜ZnO、SiC等非線性電導(dǎo)填料可以實(shí)現(xiàn)絕緣材料對(duì)非均勻電場(chǎng)的自適應(yīng)調(diào)控，并且填充位置和填充含量影響著盆式絕緣子的電場(chǎng)分布和功率損耗。杜伯學(xué)等通過(guò)構(gòu)造表層功能梯度材料來(lái)主動(dòng)調(diào)控材料的表面介電參數(shù)，進(jìn)而減少電場(chǎng)畸變。李進(jìn)等通過(guò)仿真手段研究材料表層介電參數(shù)的最優(yōu)梯度分布，通過(guò)磁控濺射、表層氟化等方式實(shí)現(xiàn)材料的表面梯度改性，并提升材料的沿面閃絡(luò)性能。

華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、華北電力大學(xué)電力與電子工程系的研究人員結(jié)合APPJ硅沉積技術(shù)與表層功能梯度改性思路，實(shí)現(xiàn)Al2O3-ER的表面階躍型梯度改性。通過(guò)測(cè)量未處理、均勻處理、梯度處理樣片的理化特性與電氣參數(shù)，分析了表面階躍型梯度改性對(duì)沿面閃絡(luò)性能的提升機(jī)理，給出了極不均勻電場(chǎng)下材料表面參數(shù)調(diào)控策略。

圖1 等離子體表面硅沉積平面

華電科研人員指出，他們的研究表明，減小外部電場(chǎng)的畸變可以有效提升材料表面的絕緣性能。從電場(chǎng)仿真結(jié)果來(lái)看，樣片表面電導(dǎo)率呈階躍型梯度分布可以有效降低最大場(chǎng)強(qiáng)，減小電場(chǎng)的畸變率。然而，提高樣片整體的表面電導(dǎo)率對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的均化效果更好，從仿真的角度來(lái)講均勻改性似乎更能提高樣片的閃絡(luò)性能。

但從沿面閃絡(luò)的測(cè)試結(jié)果看來(lái)，科研人員認(rèn)為，提升效果最好的改性方法仍然是階躍型梯度硅沉積，并且表面電導(dǎo)率過(guò)大反而會(huì)降低閃絡(luò)電壓的增長(zhǎng)率。這是因?yàn)橛绊懡^緣材料沿面閃絡(luò)性能的因素不僅包括外部電場(chǎng)和表面電導(dǎo)率，還有表面粗糙度、表面化學(xué)成分、表面電荷的積聚與消散等。所有采用等離子體硅沉積處理的樣片，其閃絡(luò)電壓均高于未處理樣片。

另外，除了表面電導(dǎo)率提升這一因素外，等離子體硅沉積方法會(huì)在Al2O3-ER表面生成均勻致密的薄膜，一方面會(huì)覆蓋材料表面原有的毛刺、凸起等表面缺陷，降低表面粗糙度進(jìn)而削弱表面缺陷對(duì)電場(chǎng)的畸變作用。另一方面，未改性材料表面存在大量的深陷阱，表面電荷被深陷阱捕獲后難以脫陷，導(dǎo)致宏觀上的表面電荷積聚現(xiàn)象。

圖2 沿面閃絡(luò)測(cè)試平臺(tái)

而表面沉積硅氧類薄膜會(huì)改變材料表面陷阱分布，使原有的深陷阱中心能級(jí)逐漸變淺，并且接枝在材料表面的SiOx基團(tuán)會(huì)引入能級(jí)更低的淺陷阱，表面電荷被淺陷阱捕獲后所需的逸出功更低，因此更容易脫陷并躍遷至其他區(qū)域，從宏觀上看即為表面電荷積聚量減少并且消散速率加快，進(jìn)而抑制了表面電荷對(duì)外部電場(chǎng)的畸變作用。抑制表面缺陷和表面電荷對(duì)電場(chǎng)的畸變可顯著提升材料的沿面閃絡(luò)性能。

他們進(jìn)一步研究閃絡(luò)電壓測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對(duì)低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)使用長(zhǎng)時(shí)間的等離子體硅沉積會(huì)顯著抑制閃絡(luò)電壓的提升（Si5和Si3-5-3），只有高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)長(zhǎng)時(shí)間硅沉積、低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)短時(shí)間硅沉積才能最大程度地提升閃絡(luò)電壓（Si5-3-5）。

由針-針電極的電場(chǎng)分布可知，三結(jié)合點(diǎn)處附近為高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，大量的空間電荷受電場(chǎng)力和氣體電離等作用而積聚在該區(qū)域，使高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的表面電荷量要遠(yuǎn)大于低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，從而進(jìn)一步畸變高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的電場(chǎng)，加劇氣體電離甚至產(chǎn)生局部放電。因此高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)對(duì)表面電荷快速消散的需求更加迫切。

與之相對(duì)的是，低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的表面電荷積聚量相對(duì)較低，適當(dāng)加快該區(qū)域的電荷消散有利于提高閃絡(luò)電壓，但低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的表面電荷消散過(guò)快反而為樣片整體的放電發(fā)展提供了種子電荷，促進(jìn)了貫穿性導(dǎo)電通道的形成，不利于樣片的表面絕緣性能。

因此，他們表示，加快高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)表面電荷的消散并適當(dāng)控制低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的消散速率可以最大限度地提升樣片整體的沿面閃絡(luò)性能。由于等離子體硅沉積與表面電荷消散速率正相關(guān)，所以對(duì)高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)使用長(zhǎng)時(shí)間硅沉積、低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)短時(shí)間硅沉積的（Si5-3-5）樣片閃絡(luò)電壓最高。

圖3 表面電位測(cè)量平臺(tái)

華電科研人員通過(guò)研究分析，最后得出主要結(jié)論如下：

1）等離子體硅沉積技術(shù)可以在改性區(qū)域表面沉積硅氧類薄膜，從而降低該區(qū)域的表面粗糙度、提高硅元素含量、引入淺陷阱并加快表面電荷消散速率，并且改性效果與處理時(shí)間呈正相關(guān)。

2）等離子體硅沉積可以提高樣片的閃絡(luò)電壓，其中高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)長(zhǎng)時(shí)間硅沉積、低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)短時(shí)間硅沉積的樣片閃絡(luò)電壓最高。相反，對(duì)低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)采用長(zhǎng)時(shí)間硅沉積會(huì)明顯抑制閃絡(luò)電壓的提升。

3）樣片的不同區(qū)域?qū)Ρ砻骐姾上⑺俾实男枨笥兴鶇^(qū)別。加快高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的表面電荷消散并適當(dāng)調(diào)控低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)的消散速率，可以顯著提升樣片整體的閃絡(luò)性能。反之，高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)則會(huì)因?yàn)楸砻骐姾煞e聚過(guò)多而畸變外部電場(chǎng)，同時(shí)低場(chǎng)強(qiáng)區(qū)表面電荷過(guò)快的消散會(huì)為放電發(fā)展提供種子電荷，為貫穿性導(dǎo)電通道的形成提供有利條件。

4）采用等離子體表面階躍型梯度硅沉積方法，一方面使樣片的表面電導(dǎo)率呈階躍型梯度分布，可以有效減小針-針電極的最大場(chǎng)強(qiáng)；另一方面，相比于均勻處理，該方法可以針對(duì)性地調(diào)控樣片表面不同區(qū)域的電荷消散速率，充分發(fā)揮等離子體硅沉積對(duì)提高閃絡(luò)性能的優(yōu)勢(shì)并減少不利影響，進(jìn)而最大程度地提升沿面閃絡(luò)電壓。

本文編自2022年第9期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“等離子體表面階躍型梯度硅沉積對(duì)環(huán)氧樹脂閃絡(luò)性能的影響”。本課題得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)目的支持。