基于改进饱和电流密度法的气–固界面电荷分布特性仿真研究

摘要

直流电压下气–固界面存在自由电荷积聚现象，对沿面闪络等放电行为具有重要影响，与绝缘子的安全可靠性密切相关。国内外学者对此开展了大量实验和仿真研究，已有研究表明，气–固绝缘表面电荷的来源主要有3种：固体侧的体电流、气体侧的离子电流以及气–固表面的面电流。在气体绝缘开关设备（GIS）、气体绝缘金属封闭输电管廊（GIL）等电力设备中，各关键部件的控制场强较低，正常运行时不会发生局部放电，故气体侧电荷来源主要为气体分子的弱电离，但是气体场域的对流扩散方程离散形式会出现振荡解，直接求解易导致迭代不收敛。为了解决此难题，本文提出绝缘子气–固界面电荷积聚的改进饱和电流密度计算方法，并搭建柱式绝缘子表面电荷测量实验系统，测量了常温常压下空气中柱式绝缘子在直流电压下的表面电荷积聚特性，通过对比分析，验证了仿真计算方法的合理性和准确性。结果表明：支柱式绝缘子表面在直流电压下存在两个异极性电位峰、1个同极性电位峰，且随加压时间增大，电位峰位置不变。在试样下部，气体侧电流小于固体侧电流密度，表面积聚负电荷，在试样上部气体侧电流大于固体侧电流密度，表面同样积聚负电荷；在试样中部，绝缘子表面积聚正电荷，固体侧电荷占主导因素。研究结果可为直流输电设备的设计提供理论支持。

关键词

表面电荷 / 饱和电流 / HVDC系统 / 柱式绝缘子 / 优化计算