趙慧存，高宇，王文渠，王歡，苑曉晨

（天津大學(xué) 電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072）

0 引言

氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（gas insulated switchgear，GIS）及氣體絕緣輸電線路（gas insulated transmission line，GIL）具有占地面積小、布置靈活、可靠性高、受環(huán)境影響小、傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。目前，GIS和GIL在交流輸變電系統(tǒng)中的應(yīng)用已有大量的實(shí)例，但在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用相對(duì)匱乏。環(huán)氧絕緣子是GIS和GIL中的重要組成部分，起到機(jī)械固定母線導(dǎo)體和電氣絕緣等作用[2]。在直流電場(chǎng)下，自由電荷會(huì)積聚在絕緣子表面，形成表面電荷。這些表面電荷一方面會(huì)畸變表面電場(chǎng)，另一方面也為沿面放電的過(guò)程提供種子電荷，從而促進(jìn)沿面閃絡(luò)。目前，表面電荷被視作導(dǎo)致環(huán)氧絕緣子氣-固界面絕緣性能下降的重要原因之一[3-5]。此外，在GIS和GIL設(shè)備的生產(chǎn)、運(yùn)輸和安裝過(guò)程中，不可避免地會(huì)引入一些金屬微粒[6]，這些金屬微粒在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，將在重力、電場(chǎng)力等作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到絕緣子附近的金屬微粒一方面會(huì)直接畸變絕緣子表面電場(chǎng)，另一方面會(huì)引起絕緣子表面電荷的積聚，對(duì)絕緣子的絕緣性能產(chǎn)生嚴(yán)重的危害[7-8]。

在GIL和GIS中，金屬微粒有線形、球形、片形、螺旋形等各種形狀，其中線形和球形金屬微粒最為典型。由于線形金屬微粒的端部電場(chǎng)很高，容易發(fā)生微放電，產(chǎn)生的大量電荷能為閃絡(luò)提供種子電荷，最終降低擊穿電壓，因此線形金屬微粒對(duì)設(shè)備的絕緣性能影響最大[9-10]。近年來(lái)，已有學(xué)者研究了線形和球形金屬微粒在直流電場(chǎng)下的受力以及運(yùn)動(dòng)情況。JIA J等[11]發(fā)現(xiàn)在絕緣子附近的金屬微粒會(huì)向絕緣子方向移動(dòng)，根據(jù)初始位置的不同，金屬微粒的運(yùn)動(dòng)情況分為3種：①微粒直接浮起；②先水平移動(dòng)然后浮起；③水平移動(dòng)，直至附著于絕緣子表面。張連根等[12]對(duì)比了線形和球形金屬微粒的運(yùn)動(dòng)行為區(qū)別，發(fā)現(xiàn)由于二者的受力不同，線形金屬微粒容易吸附在絕緣子表面，并明顯降低沿面閃絡(luò)電壓。

此外，當(dāng)金屬微粒在絕緣子附近時(shí)，會(huì)畸變周圍的電場(chǎng)誘發(fā)氣體電離，并引起絕緣子表面電荷的積聚[13]。針對(duì)這一問(wèn)題，研究人員也開(kāi)展了相關(guān)研究。鄒鈺潔等[14]研究了附著在柱式絕緣子上的線形金屬微粒對(duì)電荷積聚的影響，結(jié)果表明，線形金屬微粒影響電荷積聚的方式和微粒位置有關(guān)。在正直流電壓下，當(dāng)金屬微粒直接與地電極接觸時(shí)，金屬微粒的尖端附近會(huì)積聚負(fù)極性電荷；當(dāng)微粒直接與高壓電極接觸時(shí)，金屬微粒的尖端附近會(huì)積聚正極性電荷，并且電荷密度最大。王涵等[15]在0.5 MPa 20% SF6/N2混合氣體中，探究了電壓類型和微粒長(zhǎng)度對(duì)盆式絕緣子表面電荷積聚的影響，發(fā)現(xiàn)根據(jù)電荷來(lái)源的不同，可將絕緣子表面電荷分布分為：①高壓電極周圍的同極性電荷，其電荷來(lái)源于高壓電極的注入；②分布在金屬微粒周圍的雙極性電荷，來(lái)源于金屬微粒引起的氣體電離，且隨著金屬微粒長(zhǎng)度的增加，微粒誘發(fā)的氣體電離程度加劇。LI B T等[16]研究了金屬微粒長(zhǎng)度對(duì)絕緣子表面電荷分布情況的影響，結(jié)果表明，微粒長(zhǎng)度越大，電荷積聚程度越嚴(yán)重。

在金屬微粒對(duì)絕緣子表面電荷積聚的影響研究中，靜止微粒對(duì)表面電荷的影響廣受關(guān)注。而當(dāng)金屬微粒在絕緣子周圍運(yùn)動(dòng)時(shí)，其對(duì)表面電荷積聚特性的影響還鮮有報(bào)道。GIS和GIL設(shè)備在載流運(yùn)行時(shí)，腔體內(nèi)的環(huán)氧絕緣子將工作在高于環(huán)境溫度的條件下。考慮到運(yùn)動(dòng)金屬微粒的存在，有必要探究不同溫度條件下動(dòng)態(tài)金屬微粒對(duì)表面電荷積聚的影響機(jī)理。

本文選取126 kV圓盤絕緣子為試樣，搭建同軸電極系統(tǒng)，設(shè)計(jì)彈跳金屬微粒發(fā)生裝置和加熱系統(tǒng)，研究不同溫度下彈跳微粒對(duì)絕緣子表面電荷分布的作用機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 圓盤絕緣子與電極結(jié)構(gòu)

本文采用的126 kV圓盤絕緣子試樣由山東泰開(kāi)開(kāi)關(guān)有限公司提供，其實(shí)物如圖1所示。

圖1 圓盤絕緣子試樣實(shí)物Fig.1 Picture of the test insulator

為模擬GIS/GIL中的電場(chǎng)分布，設(shè)計(jì)了一套同軸電極系統(tǒng)。該電極系統(tǒng)包括高壓電極和接地電極。高壓電極由兩部分組成，上部用于連接高壓電源，其下表面與絕緣子的中心電極接觸，絕緣子的中心電極即為高壓電極的下部。地電極基于GIS/GIL外殼形狀設(shè)計(jì)，在此同軸電極系統(tǒng)間產(chǎn)生的電場(chǎng)與真實(shí)設(shè)備中的電場(chǎng)一致[17-18]。圓盤絕緣子和電極的剖面圖與詳細(xì)尺寸如圖2所示。文中將圓弧1、2和直線2內(nèi)的區(qū)域稱作絕緣子表面的非平面區(qū)，而將直線1內(nèi)的區(qū)域稱作平面區(qū)。

圖2 絕緣子輪廓與電極尺寸Fig.2 Schematic diagram of insulator and electrode

1.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中，將絕緣子及電極系統(tǒng)、表面電位掃描系統(tǒng)、金屬微粒噴射系統(tǒng)和加熱裝置等主要設(shè)備均放置于金屬全封閉實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)。微粒噴射及電位測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。該噴射系統(tǒng)主要由聚丙烯直角彎管、微粒噴射頭以及微型氣泵構(gòu)成，噴射頭通過(guò)硅膠氣管連接氣泵，氣泵以1.25 Hz的頻率向氣管泵出壓縮氣體并作用于金屬微粒，使其發(fā)生運(yùn)動(dòng)，被噴射出的微粒速度為1.1～1.4 m/s，噴射角度與水平面呈（90±10）°。紅外輻射加熱燈的原理為電熱絲電阻發(fā)熱，以輻射的方式加熱腔體，配合智能數(shù)顯溫控器和溫度傳感器，可升高腔體的溫度并穩(wěn)定在60℃。高速攝像機(jī)放置于絕緣子附近，拍攝速度最高可達(dá)330幀/秒，用以捕獲金屬微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖3 金屬微粒噴濺和表面電荷掃描系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of metal particle splashing and surface charge scanning system

在實(shí)際的GIS和GIL中，金屬微粒的動(dòng)態(tài)行為與微粒的初始位置、荷電特性和局部電場(chǎng)等因素密切相關(guān)，完全重復(fù)GIS和GIL中金屬微粒復(fù)雜、隨機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程不僅在實(shí)驗(yàn)上難以實(shí)現(xiàn)，也不利于剖析其動(dòng)態(tài)過(guò)程中究竟哪些行為影響了表面電荷的積聚特征。因此，本文采用微粒噴射的方式引入動(dòng)態(tài)微粒，在其運(yùn)動(dòng)過(guò)程中包含了與高壓電極、地電極及絕緣子表面的碰撞過(guò)程，這些過(guò)程與實(shí)際GIS和GIL中微粒運(yùn)動(dòng)時(shí)的碰撞要素一致。換言之，本文將工程上的復(fù)雜現(xiàn)象進(jìn)行了簡(jiǎn)化等效，便于分析微粒動(dòng)態(tài)行為對(duì)電荷積聚機(jī)理的影響。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分別在23、40、60℃的空氣氛圍中進(jìn)行，相對(duì)濕度控制在20%。相比于SF6氣體，空氣的密度更低，金屬微粒與電極間的碰撞過(guò)程更充分和快捷。同時(shí)，空氣比SF6氣體更容易電離，在不同金屬微粒彈跳模式下，產(chǎn)生的表面電荷分布特征差異的區(qū)分度更高。以上兩點(diǎn)均有助于分析微粒運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的表面電荷積聚特征差異背后的內(nèi)在機(jī)理。采用空氣分析金屬微粒的彈跳行為和表面電荷積聚特征的理念，已被研究人員采用，研究結(jié)果對(duì)于SF6氣體絕緣設(shè)備內(nèi)相關(guān)現(xiàn)象的參考意義也被認(rèn)可[18-19]，因此，本文選擇空氣為介質(zhì)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)前，采用無(wú)水乙醇擦拭絕緣子表面，消除殘余電荷。實(shí)驗(yàn)分為A和B兩組，均在同軸電極間施加-40 kV的直流電壓，但加壓步驟不同。開(kāi)始加壓后，在A組中，通過(guò)噴頭將長(zhǎng)度為5 mm、直徑為0.5 mm的鋁制線性金屬微粒（如圖4所示）噴出，控制噴頭的噴射位置，使金屬微粒的第1次碰撞位置在地電極或者高壓電極表面，并采用高速攝像機(jī)記錄金屬微粒的彈跳過(guò)程。加壓60 min后，停止加壓并進(jìn)行表面電位測(cè)量。在B組中，加壓之前將微粒放置于A組中微粒最終停止的位置，再加壓60 min，隨后撤去外施電壓并進(jìn)行表面電位測(cè)量。表面電荷密度可通過(guò)反演計(jì)算獲得[18]。

圖4 線形金屬微粒實(shí)物及尺寸Fig.4 The picture and the size of linear metal particle

2 結(jié)果及分析

2.1 金屬微粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

在本文中，將金屬微粒的運(yùn)動(dòng)模式歸納為兩類。運(yùn)動(dòng)模式1指微粒的首次碰撞在高壓電極表面，運(yùn)動(dòng)模式2指微粒的首次碰撞在地電極表面。運(yùn)動(dòng)模式1中，金屬微粒碰撞到高壓電極后，以不同的速度反彈，向各個(gè)方向隨機(jī)跳躍，并最終停止在不同位置。通過(guò)100次實(shí)驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)7種典型的運(yùn)動(dòng)模式，其軌跡如圖5所示。

圖5 運(yùn)動(dòng)模式1中金屬微粒的典型運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.5 Typical trajectories of metal particles in motion mode 1

圖5 中，黑色圓球表示線形金屬微粒，實(shí)線和箭頭表示微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和方向。運(yùn)動(dòng)模式1a中，金屬微粒從高壓電極出發(fā)，向地電極運(yùn)動(dòng)，途中運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，轉(zhuǎn)而向高壓電極運(yùn)動(dòng)，最終停在平面區(qū)和非平面區(qū)的交界處；運(yùn)動(dòng)模式1b中，金屬微粒直接運(yùn)動(dòng)到地電極；運(yùn)動(dòng)模式1c中，金屬微粒途經(jīng)絕緣子表面，碰撞到地電極邊緣后又反彈至絕緣子表面；運(yùn)動(dòng)模式1d中，金屬微粒從高壓電極出發(fā)，依次撞擊地電極的垂直面和水平面、絕緣子非平面區(qū)和地電極邊緣，最終停在絕緣子表面。運(yùn)動(dòng)模式1e中，金屬微粒先從絕緣子表面反彈，之后再運(yùn)動(dòng)到地電極。運(yùn)動(dòng)模式1f中，金屬微粒彈跳至地電極后，反彈回絕緣子表面。運(yùn)動(dòng)模式1g中，金屬微粒從高壓電極出發(fā)，向非平面區(qū)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生反彈并靜止在平面區(qū)。運(yùn)動(dòng)模式1a～1g發(fā)生的比例分別為14%、17%、14%、17%、5%、8%、11%。除上述7種典型運(yùn)動(dòng)模式以外，實(shí)驗(yàn)中還出現(xiàn)了其他運(yùn)動(dòng)軌跡，但分散性較大，不作具體分析。

運(yùn)動(dòng)模式2中金屬微粒的典型運(yùn)動(dòng)軌跡如圖6所示。運(yùn)動(dòng)模式2a中，金屬微粒從地電極出發(fā)后，向非平面區(qū)運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)反彈后停在絕緣子表面；運(yùn)動(dòng)模式2b中，微粒出發(fā)后碰撞到非平面區(qū)，反彈至地電極邊緣，最終停留在絕緣子表面；運(yùn)動(dòng)模式2c中，金屬微粒停在地電極表面；運(yùn)動(dòng)模式2d中，金屬微粒從地電極出發(fā)，經(jīng)過(guò)非平面區(qū)反彈后撞到了高壓電極。運(yùn)動(dòng)模式2a～2d發(fā)生的比例分別為43%、20%、6%、10%。除上述4種典型運(yùn)動(dòng)模式以外，實(shí)驗(yàn)中還出現(xiàn)了其他運(yùn)動(dòng)軌跡，但分散性較大，不作具體分析。

圖6 運(yùn)動(dòng)模式2中金屬微粒的典型運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.6 Typical trajectories of metal particles in motion mode 2

2.2 彈跳金屬微粒對(duì)表面電荷積聚的影響

環(huán)境溫度為23℃時(shí)，運(yùn)動(dòng)模式1a下的彈跳金屬微粒對(duì)表面電荷積聚分布的影響如圖7所示。從圖7可以看出，金屬微粒從高壓電極跳落到絕緣子表面后，在平面區(qū)和非平面區(qū)的交界處沿著圓周方向逆時(shí)針滾動(dòng)了大約270°，最終絕緣子表面形成雙極性電荷帶，電荷帶中最大電荷密度為4.8 pC/mm2。雙極性電荷帶緊鄰金屬微粒的軌跡，其中正電荷帶分布在軌跡內(nèi)側(cè)的非平面區(qū)，負(fù)電荷帶分布在軌跡外側(cè)的平面區(qū)。

圖7 運(yùn)動(dòng)模式1a滾動(dòng)的表面電荷分布Fig.7 Surface charge distribution of motion mode 1a

對(duì)于運(yùn)動(dòng)模式1b中的金屬微粒，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其對(duì)電荷積聚沒(méi)有明顯影響。

運(yùn)動(dòng)模式1c下，金屬微粒對(duì)表面電荷分布的影響如圖8所示。從圖8可以看出，在絕緣子非平面區(qū)形成了明顯的正電荷斑，電荷斑與金屬微粒最終靜止位置和撞擊地電極的位置在同一個(gè)半徑方向上，最大電荷密度為37.2 pC/mm2，電荷密度遠(yuǎn)大于運(yùn)動(dòng)模式1a，這可能由多次碰撞電極而導(dǎo)致。

圖8 運(yùn)動(dòng)模式1c下的表面電荷分布Fig.8 Surface charge distribution in of motion mode 1c

運(yùn)動(dòng)模式1d下，彈跳金屬微粒對(duì)表面電荷分布的影響如圖9所示。從圖9可以看出，金屬微粒從地電極反彈后，沿著絕緣子移動(dòng)至非平面區(qū)，再沿著表面滑向交界處，最終在交界處順時(shí)針滾動(dòng)了一段距離。在絕緣子表面形成雙極性電荷帶，最大表面電荷密度為13.7 pC/mm2，但是正電荷帶分布的面積比負(fù)電荷帶大。由圖9可見(jiàn)，正電荷帶分布在微粒滾動(dòng)軌跡的內(nèi)側(cè)，而雙極性電荷帶只分布于交界區(qū)滾動(dòng)軌跡的兩側(cè)，說(shuō)明微粒在非平面區(qū)滾動(dòng)會(huì)引起正電荷斑積聚，但不會(huì)積聚雙極性電荷帶。

圖9 運(yùn)動(dòng)模式1d下的表面電荷分布Fig.9 Surface charge distribution of motion mode 1d

對(duì)于運(yùn)動(dòng)模式1e、1f的金屬微粒，實(shí)驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)表面形成明顯電荷斑。

運(yùn)動(dòng)模式1g下的電荷分布如圖10所示。從圖10可以看出，非平面區(qū)有正電荷斑積聚，最大電荷密度為11.3 pC/mm2，電荷斑分布的位置與微粒在非平面區(qū)旋轉(zhuǎn)彈跳的位置相同。

圖10 運(yùn)動(dòng)模式1g下的表面電荷分布Fig.10 Surface charge distribution of motion mode 1g

金屬微粒在運(yùn)動(dòng)模式2a下導(dǎo)致的表面電荷積聚特征如圖11所示。

圖11 運(yùn)動(dòng)模式2a下的表面電荷分布Fig.11 Surface charge distribution of motion mode 2a

從圖11可以看出，金屬微粒沿著交界處滾動(dòng)一段距離之后，向地電極的方向在平面區(qū)斜向滾動(dòng)了一段距離，最終停在平面區(qū)中央。在交界處滾動(dòng)的軌跡兩側(cè)形成雙極性電荷帶，最大電荷密度為2.1 pC/mm2，但在平面區(qū)滾動(dòng)的軌跡周圍無(wú)明顯電荷帶積聚。結(jié)合圖9中的結(jié)果，可推斷金屬微粒只有在交界處滾動(dòng)時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生雙極性電荷帶，而在平面區(qū)或者非平面區(qū)滾動(dòng)時(shí)，不易產(chǎn)生電荷帶。在運(yùn)動(dòng)模式2b下，則發(fā)現(xiàn)金屬微粒與地電極多次碰撞后能夠引起表面電荷積聚，并產(chǎn)生異極性電荷斑。而對(duì)于運(yùn)動(dòng)模式2c、2d的金屬微粒，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)絕緣子表面無(wú)明顯電荷斑形成。

作為比對(duì)，在實(shí)驗(yàn)B組中，分別將兩個(gè)金屬微粒放置在絕緣子的交界處和平面區(qū)中央，加壓后測(cè)量表面電荷的分布情況，其電荷分布結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，絕緣子表面除了在非平面區(qū)有負(fù)電荷積聚之外，金屬微粒附近以及與之相對(duì)的非平面區(qū)無(wú)明顯正電荷積聚，這表明靜止的金屬微粒對(duì)表面電荷積聚的影響較小。

圖12 實(shí)驗(yàn)組B中的表面電荷分布Fig.12 Surface charge distribution in experimental group B

綜合分析實(shí)驗(yàn)A和B組中的結(jié)果，可知：①在交界處滾動(dòng)的金屬微粒易產(chǎn)生雙極性電荷帶，而在其他區(qū)域滾動(dòng)則不易產(chǎn)生電荷帶；②微粒運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在非平面出現(xiàn)翻滾彈跳時(shí)，容易在非平面區(qū)積聚正電荷斑；③在相同區(qū)域撞擊電極邊緣次數(shù)越多，在非平面區(qū)積聚的電荷斑電荷密度越大。

當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時(shí)，金屬微粒的運(yùn)動(dòng)模式與常溫時(shí)無(wú)明顯區(qū)別，但表面電荷的積聚模式則差異較大。對(duì)于最終靜止位置在地電極上的運(yùn)動(dòng)模式，如模式1b，金屬微粒對(duì)表面電荷積聚無(wú)明顯影響；對(duì)于金屬微粒最終靜止在絕緣子表面，但沒(méi)有碰撞到電極邊緣的運(yùn)動(dòng)模式，如模式1a與2a，金屬微粒將促進(jìn)表面電荷的積聚，導(dǎo)致絕緣子表面形成“電荷缺口”，如圖13所示。圖13中所示為運(yùn)動(dòng)模式1a下的表面電荷分布，非平面區(qū)除了負(fù)電荷之外，還有正電荷積聚，其位置與金屬微粒最終靜止位置在同一半徑方向上，最大電荷密度為0.95 pC/mm2。此“電荷缺口”是因?yàn)檎姾稍诜瞧矫鎱^(qū)小面積的積聚，導(dǎo)致原來(lái)負(fù)電荷積聚的區(qū)域面積“缺少”了一部分。而在圖7中，此運(yùn)動(dòng)模式在室溫下并不會(huì)產(chǎn)生“電荷缺口”。

圖13 40℃運(yùn)動(dòng)模式1a下的表面電荷分布Fig.13 Surface charge distribution of motion mode 1a at 40℃

圖14 為運(yùn)動(dòng)模式2a下的表面電荷分布，在絕緣子非平面區(qū)同樣可以發(fā)現(xiàn)“電荷缺口”現(xiàn)象，其最大電荷密度為1.9 pC/mm2，電荷缺口與金屬微粒位置在同一半徑方向上。但在室溫下，此運(yùn)動(dòng)模式下的微粒對(duì)電荷積聚無(wú)促進(jìn)作用。對(duì)于在非平面區(qū)與平面區(qū)交界處滾動(dòng)的金屬微粒，其引起的電荷分布如圖15所示，運(yùn)動(dòng)模式為2a。在微粒滾動(dòng)軌跡的兩側(cè)形成雙極性電荷帶，正電荷最大電荷密度為3.21 pC/mm2。與圖11相比，盡管金屬微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡相似，但40℃時(shí)正電荷密度峰值更高。綜上分析可知，溫度升高對(duì)表面電荷的積聚有促進(jìn)作用。

圖14 40℃運(yùn)動(dòng)模式2a下的表面電荷分布Fig.14 Surface charge distribution of motion mode 2a at 40℃

圖15 40℃運(yùn)動(dòng)模式2a(交界處滾動(dòng)的金屬微粒)下的表面電荷分布Fig.15 Surface charge distribution of motion mode 2a(metal particle rolling at the junction)at 40℃

當(dāng)環(huán)境溫度升高至60℃時(shí)，彈跳金屬微粒不僅促進(jìn)了表面電荷積聚，還誘發(fā)了閃絡(luò)現(xiàn)象。圖16展示了金屬微粒在運(yùn)動(dòng)模式2b下的表面電荷分布特征，可以看出，當(dāng)金屬微粒在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與地電極垂直面發(fā)生碰撞時(shí)，引發(fā)了地電極與高壓電極之間的閃絡(luò)，閃絡(luò)路徑用紅線標(biāo)注。在閃絡(luò)路徑的同一半徑方向上，絕緣子非平面區(qū)形成了一個(gè)明顯的正電荷斑，最大電荷密度高達(dá)53.6 pC/mm2。與其他溫度條件下的電荷積聚相比，電荷密度顯著提高。

圖16 60℃運(yùn)動(dòng)模式2b的電荷分布Fig.16 Surface charge distribution of motion mode 2b at 60℃

圖17展示了沿面閃絡(luò)發(fā)生前后金屬微粒的位置。從圖17可以看出，閃絡(luò)發(fā)生之前金屬微粒向地電極邊緣運(yùn)動(dòng)，金屬微粒的長(zhǎng)度方向平行于絕緣子的半徑方向。隨著金屬微粒與地電極的距離逐漸縮短，沿面閃絡(luò)發(fā)生且金屬微粒處于閃絡(luò)路徑中。閃絡(luò)持續(xù)的時(shí)間很短，隨著金屬微粒遠(yuǎn)離地電極，閃絡(luò)結(jié)束。以上結(jié)果表明，高溫下電荷積聚更為顯著，且能夠誘發(fā)閃絡(luò)；電荷積聚的位置與閃絡(luò)路徑有關(guān)。

圖17 閃絡(luò)前后的畫(huà)面Fig.17 Screen before and after flashover

3 不同溫度下金屬微粒對(duì)表面電荷積聚的影響機(jī)理

無(wú)金屬微粒時(shí)，不同溫度下絕緣子表面電荷平均密度的徑向分布如圖18所示。從圖18可以看出，溫度為23、40、60℃下的平均電荷密度分布規(guī)律相似，峰值分別為-6.93、-13.69、-19.93 pC/mm2，即隨著溫度升高，電荷積聚量增大。本文采用的圓盤絕緣子，其表面電荷的積聚特征受氣體側(cè)傳導(dǎo)、表面電導(dǎo)和體電導(dǎo)綜合作用，當(dāng)絕緣子體傳導(dǎo)占主導(dǎo)因素時(shí)，在非平面區(qū)形成負(fù)極性的表面電荷[17-18]。隨著溫度的升高，環(huán)氧絕緣子的體電導(dǎo)率增大[17,20-21]，自由電荷在電場(chǎng)的作用下從絕緣子體內(nèi)向表面遷移，使負(fù)極性電荷密度增大。因此，電荷積聚現(xiàn)象隨溫度升高而愈發(fā)顯著。

圖18 不同溫度下絕緣子徑向平均表面電荷分布Fig.18 Radial average surface charge distribution of insulator at different temperatures

當(dāng)存在彈跳金屬微粒時(shí)，由圖13～15的結(jié)果可知，在40℃下金屬微粒對(duì)表面電荷積聚的影響比在室溫下大。這是由于溫度升高后，氣體中的正、負(fù)帶電粒子的擴(kuò)散系數(shù)增大[22]，帶電粒子的熱運(yùn)動(dòng)更加劇烈。此外，溫度升高有利于電子崩的發(fā)展，促進(jìn)氣體電離，產(chǎn)生更多帶電粒子[23-25]。因此，溫度升高既使氣體中電荷數(shù)量增多，又加快帶電粒子的遷移，使得因金屬微粒誘發(fā)氣體電離而導(dǎo)致的絕緣子表面電荷積聚更為顯著。

當(dāng)溫度進(jìn)一步升高至60℃時(shí)，金屬微粒靠近地電極時(shí)引起了正電荷積聚，并誘發(fā)沿面閃絡(luò)。這是由于當(dāng)金屬微粒與地電極的距離縮短時(shí)，微粒靠近地電極的一端感應(yīng)帶負(fù)電，微粒和地電極之間的電場(chǎng)被加強(qiáng)，導(dǎo)致二者之間的氣隙發(fā)生擊穿。若假設(shè)擊穿通道的電導(dǎo)率足夠高，可認(rèn)為金屬微粒與地電極等電位，金屬微?？杀灰曌鞯仉姌O側(cè)面的凸起尖刺。于是，在金屬微粒尖端附近由于放電產(chǎn)生的大量正、負(fù)電荷中，電子經(jīng)金屬微粒流入地電極，殘留的正電荷則增強(qiáng)了外部空間的電場(chǎng)，有助于流注的發(fā)展。又因?yàn)楦邷叵職怏w電離增強(qiáng)，故閃絡(luò)快速形成。在閃絡(luò)路徑所對(duì)的非平面區(qū)，形成了正極性電荷斑。

綜上所述，彈跳金屬微粒對(duì)絕緣子表面電荷積聚的影響隨溫度升高而更加明顯。當(dāng)溫度達(dá)到60℃時(shí)，彈跳微粒一方面通過(guò)誘發(fā)強(qiáng)烈氣體電離的方式直接影響表面電荷積聚，另一方面通過(guò)引起絕緣子沿面閃絡(luò)間接促進(jìn)表面電荷積聚。

4 結(jié)論

（1）在室溫（23℃）條件下，絕緣子非平面區(qū)電荷的積聚模式與金屬微粒的運(yùn)動(dòng)方式有著密切關(guān)系。在非平面區(qū)滾動(dòng)的微粒引起表面正電荷積聚；在交界處滾動(dòng)時(shí)，滾動(dòng)軌跡兩側(cè)將形成雙極性電荷帶；在平面區(qū)滾動(dòng)時(shí)，金屬微粒對(duì)電荷積聚無(wú)影響。當(dāng)微粒碰撞地電極垂直邊緣或高壓電極時(shí)，會(huì)導(dǎo)致非平面區(qū)積聚高密度正電荷。

（2）隨著溫度的升高，絕緣子表面積聚的負(fù)極性電荷量增多。此外，彈跳金屬微粒引起的正極性電荷積聚也增強(qiáng)。當(dāng)溫度升高至60℃時(shí)，彈跳金屬微粒在向地電極垂直面運(yùn)動(dòng)時(shí)誘發(fā)了沿面閃絡(luò)，并進(jìn)一步促進(jìn)了正極性電荷的積聚。