行业纵横---等离子体及应用专业委员会
 

气-固界面电荷调控技术:研究现状及未来走向
发表时间:2020/12/4 15:57:34  点击:1557

20201123日,上海电力大学张周胜教授、法国LAPLACE中心Gilbert Teyssedre博士、瑞士ABB公司Uwe Riechert博士、太原理工大学雷志鹏副教授和康涅迪格大学曹阳教授、李传扬博士等共同署名在Nanotechonology在线发表了题为“Gas-solid Interface Charge Tailoring Techniques: What We Grasped and Where to Go”的研究论文,报道了气-固界面电荷调控技术方面的研究进展以及未来的走向。

直流电压作用下绝缘子表面电荷积聚导致的局部电场畸变可能诱发局部放电或沿面闪络。了解绝缘表面电荷积聚特征,发展可行的电荷抑制技术至关重要。合理的电荷积聚抑制措施应以明确电荷来源为前提,从而对症下药,对电荷积聚进行有效抑制。

1 HVDC绝缘子凸面侧充电特性随电场变化理论

本文基于气-固界面电荷场效应理论[1](图1),对电荷来源进行分类,并从电荷来源出发,将表面电荷抑制方法类比于洪水的治理措施,提出了“大坝-洪水”模型,如图2所示。在该模型中,平静的水面对应积聚的电荷;洪水的爆发对应电荷积聚诱发的沿面闪络;引发洪水的台风、海啸等因素对应诱发沿面闪络的因素,如:异极性电荷积聚(电荷圈的发展[2])和同极性电荷积聚(“近似失效绝缘区”扩张[3])等;洪水治理措施对应电荷调控方法。

“大坝-洪水”模型示意图

对应于洪水治理理念,可以将电荷抑制措施分别从提高电荷疏散抑制电荷注入优化局部电场主动调控并消散电荷四个理念进行归类,如表1所示。

1 四种电荷抑制理念及其对应的电荷抑制措施和机理

1)泄洪沟-提高表面电荷消散

泄洪沟用于泄放洪水,减轻大坝的阻水压力。提高表面电荷消散是与之相对应的电荷抑制理念。直接氟化、等离子体处理、SiO2/环氧涂层、TiO2/环氧涂层、伽马射线辐射、臭氧处理和自由基清除剂等方法均是从增大材料表面电导率入手,提高电荷消散速率,从而起到抑制表面电荷积聚的效果。

2)加固堤坝-抑制同极性电荷注入

加固堤坝能提升堤坝阻挡洪水入侵的能力。从电荷抑制角度考虑,抑制同极性电荷注入可起到抑制电荷积聚的效果。Cr2O3涂层通过在导体-介质界面引入深陷阱来抑制电荷的注入,而掺杂K2Ti6O13晶须及掺杂C60颗粒则通过降低同极性电荷在绝缘内部的迁移,从而达到抑制近似失效绝缘区扩张的目的。

3)疏浚-非线性材料提升绝缘子局部电场耐受裕度

疏浚用于拓宽运河河道,提高运河的储水量。提升绝缘子局部电场耐受裕度是与此对应的电荷抑制理念。非线性材料的应用可实现电场分布随材料介电属性变化的自适应,进而避免了复杂环境下绝缘子局部电荷积聚导致的局部电场畸变。

4)综合治理-电荷自适应消散盆式绝缘子

综合治理可以首先将洪水分流至特定区域,然后结合泄洪沟以缓解大坝压力。何金良等人提出的自适应消散盆式绝缘子在传统绝缘子基础上对其结构进行优化,以达到控制电荷积聚位置的目的,然后通过在局部区域掺杂非线性材料来进一步针对性的消散电荷,将电荷调控与主动消散相结合,发挥协同作用。

本研究工作获得了国家自然科学基金(51677113)的资助。上海电力大学张周胜为第一作者,美国康涅狄格大学曹阳、李传扬为通讯作者。

 

 

参考文献:

[1] Li C, et al., Field-dependent charging phenomenon of HVDC spacers based on dominant charge behaviors[J]. Applied Physics Letters, 2019, 114(20): 202904.

[2] Li C, et al., Charge cluster triggers unpredictable insulation surface flashover in pressurized SF6[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2020, 54(1): 015308.

[3] Li C, et al., The potentially neglected culprit of DC surface flashover: electron migration under temperature gradients[J]. Scientific Reports, 2017, 7(1): 1-11.

 

论文链接:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6528/abccea/pdf

引用格式:

Zhousheng Zhang et al 2020 Nanotechnology in press https://doi.org/10.1088/1361-6528/abccea