如何让电气设备运行得更安全？一种新的绝缘介质方案

图片来源：参考文献[2]

导读

人类文明近一百多年的高速发展离不开电能的大规模应用，而电能的大规模传输则离不开高电压输电技术。在高电压输电中，绝缘问题是最为突出的问题之一。在电气设备绝缘失效导致的事故中，绝缘介质的沿面闪络问题是制约电力设备发展的关键问题之一（绝缘子沿面闪络瞬间见图1）。尤其对于大型直流电气设备（如直流气体绝缘输电线路（GIL）来说，绝缘子长期处于单极性电场且处于干燥洁净状态，因此绝缘子表面容易积聚电荷且不易消散。当积聚的电荷量到一定程度后，会造成气-固界面局部电场的畸变，可能会导致沿面闪络电压的降低，威胁电力系统的安全稳定运行。因此需要对绝缘子表面电荷进行调控以起到提升闪络电压，降低绝缘失效的目的。

主要学术贡献

随着当今社会用电需求的不断增加及电气设备集成化的发展趋势，对绝缘材料的绝缘性能发提出了越来越高的要求。但是在大型直流电气设备（如直流气体绝缘输电线路（GIL））中，绝缘子在长期运行中表面会大量的积聚电荷，导致局部场强畸变、闪络电压降低等问题，严重威胁电气设备的安全稳定运行并可能会造成停电事故。因此就需要通过一定的手段来减少绝缘子表面电荷积聚。我们主要通过对绝缘子进行表面改性促进电荷消散及体改性抑制电荷积聚两种路径，来减少绝缘子表面电荷的积聚。

我们研究的主要贡献在于，研究了多种有效的绝缘子改性方案，这些改性方案能很好的抑制绝缘子表面电荷的积聚并提升了闪络电压。并且深入的研究了这些改性方案的微观机理，为相关领域的进一步研究提供了理论和实验方面的指导。

图1 绝缘子沿面闪络瞬间。图片来源：文献[1]

01 绝缘子表面改性

对绝缘子表面进行处理，在表面适当的引入浅陷阱从而促进表面电荷的消散，是一种调控电荷的思路。通过在绝缘子表面涂覆一层电导非线性的ZnO/环氧树脂涂层，可以起到智能的促进表面电荷消散的效果[2]。这个智能可类比变色龙，变色龙会根据周围环境的变化改变自身的颜色从而起到保护自己的目的，而这种电导非线性的涂层也会根据周围环境（电场强度）的变化来变化自身的某些物理参数（电导率），从而起到促进电荷消散，保护绝缘材料，提升绝缘性能的效果。在场强较强的地方，该涂层的电导率会上升，从而促进了电荷的消散，具体的效果如图2所示。可以看到涂覆该涂层后，电荷积聚的现象得到了显著的抑制。并且涂覆涂层后即便积聚了电荷，电荷也很快能消散。此外，近年来一些学者的研究表明，在绝缘子表面涂覆高度取向性的二维纳米涂层、表面等离子体处理、表面氟化处理等，也能有效的促进表面电荷的消散。

图2环氧树脂绝缘子和表面涂覆掺杂不同浓度的ZnO/环氧树脂涂层的绝缘子的表面电荷分布情况。图片来源：文献[2]

02 绝缘子体改性

对绝缘子进行体改性，既通过在绝缘子中掺杂一些纳米颗粒或功能性材料，在绝缘子内部适当的引入一些深陷阱从而降低绝缘子侧的体电导，抑制表面电荷积聚，是另一种调控电荷的思路。研究发现通过掺杂不同浓度、不同粒径、不同种类的金属纳米颗粒，在满足一定条件下可以起到抑制表面电荷积聚的效果[1]。

该研究在环氧树脂中掺杂粒径为10 nm的铜纳米颗粒，掺杂浓度分别为60 ppm，120 ppm，200 ppm和300 ppm，还掺杂了浓度为120 ppm，粒径分别为10 nm 和50 nm的银纳米颗粒。由图3可知，适量的掺杂金属纳米颗粒（如120 ppm）可以有效的抑制绝缘子表面电荷积聚。对表面电荷积聚的抑制效果，随着掺杂量的增加，呈现出先上升后下降的趋势。这是因为通过扫描电子显微镜可以看到，金属纳米颗粒在掺杂量较少时分布比较均匀，但当掺杂量到一定程度后会开始出现团聚。例如当掺杂量到200 ppm时，就已经开始有几十纳米级的团聚颗粒，当掺杂量到300 ppm时，开始有微米级别的团聚颗粒。出现团聚后，对表面电荷的抑制效果会迅速下降。因此可以得出，在没有团聚的前提下，金属纳米颗粒的掺杂量越高越好。从图3可以看出，掺杂粒径为10 nm 的金属纳米颗粒后可以有效的抑制表面电荷积聚，但当粒径达到50 nm时就基本没有抑制效果了，说明掺杂的金属纳米颗粒粒径不宜过大。从图三还能看出，在掺杂浓度和掺杂粒径都一样时不同种类的金属纳米颗粒掺杂（铜和银）表面电荷的积聚情况基本相同，说明掺杂的金属纳米颗粒的种类对表面电荷积聚的影响不大。对于上述现象的微观机理，作者通过严格的理论分析和数值计算建立了单电子隧穿模型进行了较好的解释[3]。

这种改性方案，仅需极少的掺杂量（ppm量级），就可在环氧树脂中引入大量的深陷阱，有效的抑制绝缘子表面电荷的积聚。而传统的纳米颗粒（如氧化铝、二氧化硅等）往往需要0.5 wt%-5 wt%的掺杂量。由于纳米颗粒具有很高的比表面积和表面能，这种浓度的掺杂会大大增加环氧树脂制备过程中的流动性，使得浇筑过程比较困难。根据这种方案，对于需要抑制表面电荷积聚的地方，只需要掺杂极微量的的金属纳米颗粒即可抑制表面电荷的积聚，因而为调控表面电荷的研究和实际工程运用提供了参考。此外，研究表明掺杂MXene[4]、表面接枝处理的SiO2纳米颗粒[5]等方案也能抑制绝缘子表面电荷的积聚。

图3 不同种类绝缘子表面电位、电荷分布及闪络电压的变化。（a）表面电位分布（b）径向表面电位均值（c）表面电荷分布（d）径向表面电荷均值（e）沿面闪络电压。图片来源：文献[1]

03 总结与展望

综上所述，在大型直流电气设备（如直流GIL中），绝缘子表面电荷积聚会造成沿面闪络电压降低的问题，威胁电力设备的安全稳定运行。通过材料改性的方式来抑制绝缘子表面电荷积聚是解决这一问题的有效方法。但目前的改性方案在通往实际工程应用的道路上仍存在一些问题，对未来通过材料改性抑制绝缘子表面电荷积聚进行如下展望：

（1）在绝缘子表面改性方面，通过各种手段来适当提高绝缘子表面电导率来促进表面电荷消散依然是未来抑制表面电荷积聚的主要策略。但是在未来实际工程运用中，表面改性后绝缘子长期运行的可靠性问题仍要继续进行研究，比如表面涂层在长期运行过程中的附着性问题等。

（2）在掺杂改性方面，通过掺杂纳米颗粒适当降低绝缘子体积电导率，从而减少固体测体电流进而抑制表面电荷积聚也是一种可行的思路。但掺杂后对绝缘子整体热学和机械学性能的影响，以及掺杂纳米颗粒后的微观机理，仍需要进行研究。并且这种改性方式在实际工程中如何让纳米颗粒分散的更加均匀，也需要进一步探索。

参考文献

1. Tian-Yu Wang, Bo-Ya Zhang, Da-Yu Li, Yi-Cen Hou and Gui-Xin Zhang, Metal nanoparticle-doped epoxy resin to suppress surface charge accumulation on insulators under DC voltage. Nanotechnology, 31, 324001 (2020).

2. T. Y. Wang, C. Liu, D. Y. Li, Y. C. Hou, G. X. Zhang, and B. Y. Zhang, Nano ZnO/Epoxy Coating to Promote Surface Charge Dissipation on Insulators in DC Gas-Insulated Systems. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 27, 1322 (2020).

3. Tian-Yu Wang, Bo-Ya Zhang, Da-Yu Li, Yi-Cen Hou and Gui-Xin Zhang, A single-electron tunneling model: a theoretical analysis of a metal nanoparticle-doped epoxy resin to suppress surface charge accumulation on insulators subjected to DC voltages. Nanotechnology, 31, 475707 (2020).

4. T. Y. Wang, G. X. Zhang, D. Y. Li, Y. C. Hou, and B. Y. Zhang, MXene-doped Epoxy Resin to Suppress Surface Charge Accumulation on Insulators in a DC gas-insulated system. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., 27, 939 (2020).

5. 王天宇,李大雨，侯易岑，张贵新. SiO2纳米颗粒表面接枝对环氧树脂纳米复合电介质表面电荷积聚的抑制 [J]. 高电压技术, 2020，46（12）。

作者简介：王天宇，2020年清华大学研究生特等奖学金候选人，清华大学电机系2018级硕士生，师从张贵新教授，研究方向为纳米电介质、气-固界面电荷特性等。本文将介绍他关于绝缘子表面电荷调控方面的研究成果，相关成果发表在Nanotechnology，IEEE Transactions on dielectrics and Electrical Insulation等期刊上。