本文档是一篇关于直流GIS/GIL（气体绝缘开关设备/气体绝缘输电线路）绝缘子沿面绝缘性能提升方法的综述论文。由李庆民等来自华北电力大学和中国电力科学研究院的研究团队撰写，收录于《High Voltage Engineering》（高电压技术）2025年第51卷第3期。
论文主题
全面梳理直流GIS/GIL绝缘子沿面绝缘性能的研究进展，聚焦表面电荷积聚、金属微粒吸附两大核心问题，系统总结界面电荷输运理论、结构优化、材料改性等技术创新，并提出未来亟待突破的技术瓶颈。
主要观点
1. 直流GIS/GIL绝缘故障的物理机制
- 问题背景：直流GIS/GIL因体积小、通流容量高等优势成为新型电力系统的关键装备，但绝缘子沿面闪络仍是主要故障来源。
- 两大诱因：
- 表面电荷积聚：直流稳态下气-固界面电导率与介电常数差异导致电荷累积，引发电场畸变。作者团队修正了绝缘气体离子密度连续性方程（式3-6），指出气体电离、电极注入及微粒放电是电荷主要来源。
- 金属微粒/粉尘吸附：微纳尺度粉尘受电场作用吸附于绝缘子表面，局部缩短爬电距离并加剧电荷聚集（图1）。
- 理论突破：提出界面电荷输运的“基本模式”与“电荷斑”分类（张博雅等[24]），并量化了电场过渡时间常数（式17），揭示电荷消散速率对闪络电压的影响。
2. 绝缘子结构优化方法
- 优化准则争议：
- 传统目标函数（如最小化法向电场）可能导致爬电距离不足（如90°垂直结构）。Volpov等提出兼顾切/法向电场限制（式9-10），但张乔根等[37]发现闪络电压与总场强相关性更高（相关系数-0.90）。
- 王靖瑞[36]引入权重因子（式12），优化后±100 kV绝缘子闪络电压提升16%（图3-4）。
- 算法创新：
- NSGA-Ⅱ算法（高文胜等[47]）同时优化电场与机械性能，凹/凸侧最大场强降低12%以上（图6）。
- 神经网络（如PSO-RBF[50]）通过数据驱动实现参数非线性优化，避免传统有限元计算负担。
3. 绝缘子本体材料改性策略
- 电荷调控：通过纳米掺杂调控陷阱能级。例如：
- C60掺杂（200×10⁻⁶质量分数）使环氧电导率降至纯树脂的20%[60]；
- 10 nm铜颗粒（120×10⁻⁶）提升体电阻率3.6倍，闪络电压增加12.8%[62-63]。
- 电场调控：
- 非线性电导材料：如SiC掺杂（体积分数14%）在20℃时闪络电压最高，但70℃下性能退化[68-69]。
- 梯度材料设计：ε/σ-FGM（功能梯度材料）使凸/凹侧场强降低30%以上[71]，且适用于极性反转工况。
4. 表面改性技术进展
- 粗糙度影响：
- 垂直电极方向打磨（Ra=1.3 μm）可使闪络电压提升50%[84-85]，因深陷阱密度增加抑制电荷迁移（图8-9）。
- 化学处理：
- 氟化改性：F₂处理环氧表面可提升电导率4个数量级[90]，但长时存放后因—COF水解导致性能下降[102]。
- 分区域氟化EP/Al₂O₃（15-60 min）显著降低电荷密度[100]。
5. 技术瓶颈与未来方向
- 结构优化：需建立闪络电压与电场矢量、放电路径的泛函关系。
- 材料改性：开发规模化制备工艺，解决纳米填料团聚问题；需评估改性材料长时服役下的热-电稳定性。
- 粉尘抑制：设计高粘度、低表面能涂层，平衡粘附力与防尘性能。
论文价值与意义
- 学术价值：首次系统整合电荷-电场-粉尘多物理场耦合理论，修正离子输运方程，为直流绝缘设计提供新范式。
- 工程意义：提出的结构优化算法（如NSGA-Ⅱ）和改性技术（如梯度材料）已应用于±750 kV GIS设计[34]，支撑特高压装备国产化。
- 领域突破：指出“电场调控与电荷抑制同等重要”，纠正了单一电荷控制的传统思路，推动绝缘子设计从经验向模型驱动转型。
亮点总结
- 理论创新：建立气-固界面电荷输运修正模型，量化时间常数对稳态电场的影响。
- 方法交叉：融合拓扑优化、机器学习与传统多物理场仿真。
- 应用导向：提出的梯度材料（ε/σ-FGM）和垂直打磨工艺可直接转化至工程。