直流輸電是將交流電通過轉(zhuǎn)換裝置變成直流電，然后通過直流輸電線路送至受端，再通過轉(zhuǎn)換裝置變換成交流電，最終注入交流電網(wǎng)。百余年來，交流電被人們可靠地使用，時(shí)至今日，世界大多數(shù)地方還是采用交流輸電。交流輸電網(wǎng)絡(luò)更容易織成“電力公路網(wǎng)絡(luò)”。而特高壓直流輸電線路猶如八車道高速電力輸送專線，相比普通公路運(yùn)量大，運(yùn)輸中損失少，尤其適合遠(yuǎn)距離大容量點(diǎn)對點(diǎn)電力輸送。電力設(shè)備則是輸電網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的安全。絕緣對于電力設(shè)備來說是關(guān)鍵問題，一旦出現(xiàn)絕緣故障，將帶來嚴(yán)重后果，因此，絕緣問題是發(fā)展特高壓直流輸電必須解決的基礎(chǔ)性問題。

所謂絕緣，就是用不導(dǎo)電的物質(zhì)將帶電體隔離或包裹起來，以防止觸電的一種安全措施。在絕緣體中電荷不能自由移動(dòng)，因此不能夠傳導(dǎo)電流。為了避免絕緣性能被破壞，導(dǎo)致設(shè)備損壞，必須保證電力設(shè)備具備規(guī)定的絕緣強(qiáng)度。

直流輸電設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)要如何保證其絕緣強(qiáng)度呢?首先，我們需要知道設(shè)備長期運(yùn)行時(shí)允許使用的場強(qiáng)(許用場強(qiáng))，許用場強(qiáng)可以通過模擬實(shí)際運(yùn)行條件的加速老化試驗(yàn)來確定，但前提是需要明確直流電場下的絕緣是如何被破壞的，在此基礎(chǔ)上，才可有針對性地優(yōu)化絕緣設(shè)計(jì)。

目前，我國在引進(jìn)國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過消化吸收，已掌握了自主設(shè)計(jì)、制造500千伏及以下等級(jí)直流核心設(shè)備的能力，然而特高壓直流設(shè)備耐壓水平高，外形尺寸受到運(yùn)輸條件的限制，這就要求在有限的尺寸內(nèi)保證絕緣強(qiáng)度達(dá)到要求。

直流電場下絕緣材料的破壞和交流電場下最大的不同在于所謂“空間電荷”效應(yīng)。為此，我們需要深入了解特高壓直流設(shè)備絕緣的空間電荷特性，以探明其絕緣破壞機(jī)理。這一問題是困擾我國特高壓直流輸電設(shè)備制造國產(chǎn)化的關(guān)鍵問題。

什么是空間電荷

理想情況下，直流絕緣材料內(nèi)部不同位置處的電場分布應(yīng)該是均勻的。所謂“空間電荷”效應(yīng)，是指當(dāng)存在空間電荷時(shí)，材料內(nèi)部的空間電荷導(dǎo)致不同位置的電場產(chǎn)生畸變，因而出現(xiàn)局部電場的加強(qiáng)或者削弱，畸變的電場最終會(huì)影響材料的擊穿特性。同時(shí)，材料內(nèi)部積聚的空間電荷會(huì)加速絕緣材料的老化，降低絕緣材料的壽命。

傳統(tǒng)經(jīng)典觀念認(rèn)為，和金屬接觸的材料在外部電壓作用下，電荷都集中于金屬電極和材料表面區(qū)域，在材料內(nèi)部并不會(huì)出現(xiàn)多余的電荷。而實(shí)際上，常常出現(xiàn)材料中某一區(qū)域流入電荷和流出電荷不一致，有剩余電荷殘余在該區(qū)域，并隨著位置的不同呈現(xiàn)連續(xù)分布，這些連續(xù)分布的凈電荷就是空間電荷。那么空間電荷來自哪兒呢?簡單而言，就是外部貢獻(xiàn)、內(nèi)部產(chǎn)生。外部貢獻(xiàn)即來自電極的注入，金屬電極在熱的狀態(tài)下，電子獲得足夠能量從金屬表面“逃竄”出來，進(jìn)入材料內(nèi)部;內(nèi)部產(chǎn)生即材料自身的分子、雜質(zhì)、缺陷等所產(chǎn)生的正負(fù)電荷在材料中堆積起來。

捕獲空間電荷的蹤跡

材料內(nèi)空間電荷看不見摸不著，那要如何捕獲它的蹤跡呢?這需要借助“第三只眼”——空間電荷測量系統(tǒng)。測量空間電荷的方法有破壞性方法和非破壞性方法，前者以熱刺激電流法為代表，后者主要有電聲脈沖法、壓力波法、激光光強(qiáng)調(diào)制法。目前應(yīng)用最為廣泛的當(dāng)屬電聲脈沖法，它是利用一電脈沖來刺激介質(zhì)內(nèi)部的電荷，使得電荷抖動(dòng)起來，電荷越多抖動(dòng)幅度越大，這就發(fā)出了聲波，我們只需要把這些聲波收集起來。通過聲波信號(hào)就可以知道介質(zhì)內(nèi)部的電荷如何分布的。

近年來，開始出現(xiàn)將這一方法用于多層介質(zhì)的空間電荷測量。但是，當(dāng)前具有的空間電荷測量系統(tǒng)和方法不能直接獲得多層樣品中的空間電荷分布，這是由于接受到的聲波信號(hào)不僅取決于電荷量，還取決于介質(zhì)的介電常數(shù)，此外在不同介質(zhì)界面，聲波會(huì)像光一樣發(fā)生反射、透射，不同介質(zhì)的反射和投射系數(shù)也不相同。對于換流變壓器，其內(nèi)部絕緣主要依靠變壓器油和絕緣紙，往往以多層形式存在，油和紙以夾心餅干的形式一層層地疊加起來，從而形成油紙和油紙的界面及油紙和油的界面。這些界面的存在，為空間電荷的準(zhǔn)確測量帶來非常大的難度。為此，課題組發(fā)明了存在界面時(shí)空間電荷測量方法，建立了能夠測量界面和材料內(nèi)部的空間電荷測量系統(tǒng)，其測量精度可達(dá)0.5庫倫/立方米，空間分辨率可達(dá)12微米。

掌握空間電荷的“脾氣”

有了空間電荷測量系統(tǒng)，我們得以一窺空間電荷的真面目。100多年前,麥克斯韋提出并經(jīng)瓦格納發(fā)展的理論認(rèn)為，兩種導(dǎo)電能力和容納電荷能力不同的材料，在外部電場作用下界面處會(huì)積聚電荷，該電荷也通常被稱為麥克斯韋—瓦格納極化電荷。這些電荷在外電場撤去后一般不會(huì)馬上消失，而是“凍結(jié)”在介質(zhì)表面，與介質(zhì)內(nèi)部的空間電荷共同作用畸變電場，影響介質(zhì)的絕緣性能。相較介質(zhì)內(nèi)部的空間電荷，介質(zhì)界面處的空間電荷可謂影響絕緣的“一號(hào)嫌犯”，為了解它是如何破壞絕緣的，需要對其驗(yàn)明正身。

為掌握空間電荷“作案罪證”，需要了解它的“脾氣”。為此，利用課題組研制的先進(jìn)測量系統(tǒng)，我國率先實(shí)現(xiàn)油紙—油中的空間電荷測量。通過比較實(shí)際測量到的界面處空間電荷和麥克斯韋—瓦格納極化電荷，發(fā)現(xiàn)真實(shí)油紙—油界面的電荷并不同于麥克斯韋—瓦格納極化電荷：首先，比較聚集和逃竄速度，麥克斯韋—瓦格納極化電荷建立和消散速度約為2～3秒，而實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)界面電荷加壓聚集至穩(wěn)定狀態(tài)和去壓消散殆盡均需約10分鐘;其次，比較不同狀態(tài)樣貌，正負(fù)極性的界面電荷量相差巨大，而麥克斯韋—瓦格納極化電荷量與極性無關(guān);最后，比較“身形特征”，也就是電荷量，實(shí)際測量界面電荷量遠(yuǎn)大于麥克斯韋—瓦格納極化電荷量。

這是由于界面處材料結(jié)構(gòu)的變化，可導(dǎo)致界面態(tài)及界面陷阱的產(chǎn)生。所謂界面陷阱，猶如獵人捕獵時(shí)在獵物行走途徑中設(shè)下的一個(gè)個(gè)坑，能夠捕獲從界面兩端運(yùn)動(dòng)過來的正負(fù)電荷，阻礙電荷的運(yùn)動(dòng)。而這些陷阱捕獲獵物能力的強(qiáng)弱，可用陷阱深度表征。課題組首次測得這種陷阱的深度為0.88～0.95電子伏特。以往，按照傳統(tǒng)的麥克斯韋—瓦格納模型，直流下多層油紙—油結(jié)構(gòu)中電場依電導(dǎo)率(即導(dǎo)電能力)分布，油紙和油的電導(dǎo)率相差1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，認(rèn)為油中電場極低。而課題組通過實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，界面電荷的存在大大影響了油中電場分布。

以上這些發(fā)現(xiàn)對換流變壓器的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。對于換流變壓器絕緣設(shè)計(jì)中多層油紙材料電場計(jì)算問題，可采用實(shí)際的界面處的空間電荷的方法來計(jì)算電場分布，使計(jì)算值更貼近實(shí)際運(yùn)行中多層油紙中電場分布。

空間電荷研究展望

掌握界面處空間電荷的“脾氣”，可推動(dòng)直流絕緣設(shè)計(jì)從半經(jīng)驗(yàn)走向科學(xué)計(jì)算。例如在今后直流絕緣設(shè)計(jì)中，可通過測量界面處的空間電荷考慮薄弱點(diǎn)出現(xiàn)在何處，而不僅僅采用經(jīng)驗(yàn)公式。在選擇用于直流設(shè)備的絕緣材料時(shí)，同樣應(yīng)考慮界面處的空間電荷，盡可能選擇界面處空間電荷少的材料。

當(dāng)前在國際上，直流絕緣的設(shè)計(jì)方法也并未成熟，諸如大尺度下電場計(jì)算、長期運(yùn)行中絕緣性能預(yù)測等遺留問題，有待科研工作者進(jìn)一步的研究。相信經(jīng)過我國科研工作者的不懈努力，將能最終掌握直流絕緣設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)及整套方法，從而提升我國特高壓直流輸電設(shè)備的自主研發(fā)能力。