学术研究报告：不均匀直流电场下绝缘材料表面电荷积聚与消散特性

一、研究团队与发表信息
本研究由华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室的谢庆、张采芹、闫纪源、任洁、律方成合作完成，发表于《电工技术学报》（Transactions of China Electrotechnical Society）2019年2月第34卷第4期，DOI编号为10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180914。研究得到国家自然科学基金（51777076）、中央高校基本科研业务费（2016zzd07）和国家电网公司科技项目（PGKJ2018-151）资助。

二、学术背景与研究目标
高压直流输电（HVDC）技术因生态与经济优势迅速发展，但绝缘材料表面电荷积聚问题导致电场畸变，可能引发闪络（flashover），制约设备可靠性。气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）的复合绝缘系统中，直流电场的单向稳定性使气固界面电荷积聚现象尤为突出。尽管国内外学者对表面电荷特性（积聚与消散）已有研究，但多聚焦单一特性，缺乏对两者关联性的系统分析。本研究旨在探究四种常见聚合物绝缘材料（环氧树脂EP、硅橡胶SIR、有机玻璃PMMA、聚四氟乙烯PTFE）在不均匀直流电场下的电荷动态特性，揭示电荷消散速率与积聚能力的关联，为绝缘优化设计提供依据。

三、研究流程与方法
1. 实验材料与参数测定
- 试样制备：选取EP、SIR、PMMA、PTFE四种材料，加工为130mm×50mm长方形薄板，经酒精和去离子水超声清洗后80℃干燥12小时。
- 介电常数测量：使用YG9100介质损耗测试仪测得相对介电常数分别为EP 6.12、SIR 4.50、PMMA 2.73、PTFE 1.86。

1. 实验装置设计

   • 平面指型电极：用于模拟不均匀电场，电极间距11mm，前端曲率半径10mm，通过Ansoft软件验证电场分布（高压侧场强显著高于接地侧）。
     
   • 针-板电极：用于电晕充电（corona charging），针尖曲率半径25μm，距样品表面7mm，板电极接地。
     
   • 表面电位测试平台：基于有源静电探头法（active electrostatic probe method），扫描步长1mm，测量144个点的二维电位分布，通过改进的“表面视在电荷法”反演电荷密度（式1-7）。
     

2. 实验步骤

   • 电荷积聚实验：
     
     • 施加±10kV电压，研究材料类型、电压作用时间（10-100分钟）和幅值（+6kV至+13kV）对电荷分布的影响。
       
     • 撤压后测量电极间11mm×11mm区域的电荷密度，分析高压侧与接地侧的极性差异。
       
   • 电荷消散实验：
     
     • 针-板电极施加+5kV电晕充电1分钟，撤压后连续监测60分钟内单点电位衰减，并每隔20分钟扫描20mm×20mm区域电位分布。
       
     • 通过归一化处理对比四种材料的消散速率。
       

四、主要研究结果
1. 电荷积聚特性
- 双极性积聚现象：平面指型电极下，阳极侧积聚正电荷，阴极侧积聚负电荷（图5-6）。EP和PMMA在高压侧电荷密度更高（EP达10⁻⁵ C/m²量级），而SIR因材质柔软，正负电荷分布更均衡。
- 时间依赖性：EP在加压60分钟后电荷饱和，接地侧负电荷积聚速度慢于高压侧（图10-11），可能与局部放电（partial discharge）和切向场强差异有关。
- 电压阈值效应：+7kV时电荷密度突增（图12-14），推测因电场强度触发气体侧放电。

1. 电荷消散特性
   
   • 材料差异显著：SIR消散最快（60分钟消散率66%），PMMA次之（18%），PTFE最慢（1.2%）。SIR以沿面消散（surface conduction）为主，电位分布趋于平坦（图16-17）；EP和PTFE则以体内衰减（bulk decay）为主导。
     
   • 极性关联性：接地侧电荷积聚能力（PMMA＞SIR＞EP＞PTFE）与消散速率正相关，表明表面电导率（surface conductivity）可能同时影响两者。
     

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 揭示了不均匀电场下绝缘材料电荷积聚的双极性规律及时间-电压依赖性，明确了局部放电和切向场强的主导作用。
- 首次建立电荷消散速率与接地侧积聚能力的关联性，为理解电荷动态机制提供了新视角。

1. 应用价值：
   
   • 工程设计中可通过优选材料（如SIR）或调控表面电导率抑制电荷积聚，提升GIL等设备的绝缘可靠性。
     
   • 提出的改进电荷反演算法（式3-7）为表面电位测量提供了高效计算工具。
     

六、研究亮点
1. 创新方法：结合平面指型电极与针-板电极，分别模拟复杂电场和快速充电场景，覆盖电荷全生命周期特性。
2. 多参数分析：同步考察材料属性、时间、电压幅值的影响，数据支撑充分（如+7kV阈值效应）。
3. 跨学科意义：成果可延伸至高压设备绝缘设计、等离子体改性（如文献30-31的低温等离子体处理）等领域。

七、其他发现
- 表面粗糙度与电极接触紧密性对电荷分布有显著影响（如SIR的柔软性导致电荷对称分布）。
- 消散途径的差异性（气体中和、沿面传导、体内衰减）为后续改性研究提供了方向（如文献33的纳米填料改性）。

本研究通过系统实验与理论分析，为高压直流绝缘问题的解决提供了重要科学依据，后续可进一步探索环境因素（湿度、温度）及复合材料的影响。