气体绝缘输电线路（Gas Insulated transmission Lines, GIL）具有输电容量大、安装和运维方便、不受恶劣气候影响等特点，在快速发展的高压直流输电系统中得到了大量的应用。氧化铝/环氧树脂（Al2O3-ER）复合材料因机械强度高、电气性能优良、制备简单而作为GIL内盆式绝缘子的常用材料。然而盆式绝缘子在直流高压下会积聚大量表面电荷，长时间运行有可能造成局部放电甚至发生沿面闪络，成为电力系统安全稳定运行的隐患。

对于绝缘材料的沿面闪络研究，国内外学者通过表面处理和填料掺杂等方法来优化电场分布、加快表面电荷消散，进而提升材料的沿面闪络性能。然而，这些方法虽然效果显著，但是设备造价昂贵并且改性时间较长，难以实现大规模的工业应用。

大气压等离子体射流（Atmospheric-Pressure Plasma Jet, APPJ）技术因设备简单、操作方便、反应效率高、环境友好、仅作用于材料表面而不影响材料内部结构等特点，成为近几年来绝缘材料表面改性的研究热点。目前的APPJ方法主要从构造射流阵列、控制射流管运动等角度来扩大处理面积，使样片整体得到均匀的改性。但实际工况下的电场为非均匀分布，对绝缘材料的均匀改性难以达到最佳的提升效果。

有研究表明，通过掺杂ZnO、SiC等非线性电导填料可以实现绝缘材料对非均匀电场的自适应调控，并且填充位置和填充含量影响着盆式绝缘子的电场分布和功率损耗。杜伯学等通过构造表层功能梯度材料来主动调控材料的表面介电参数，进而减少电场畸变。李进等通过仿真手段研究材料表层介电参数的最优梯度分布，通过磁控溅射、表层氟化等方式实现材料的表面梯度改性，并提升材料的沿面闪络性能。

华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室、华北电力大学电力与电子工程系的研究人员结合APPJ硅沉积技术与表层功能梯度改性思路，实现Al2O3-ER的表面阶跃型梯度改性。通过测量未处理、均匀处理、梯度处理样片的理化特性与电气参数，分析了表面阶跃型梯度改性对沿面闪络性能的提升机理，给出了极不均匀电场下材料表面参数调控策略。

图1 等离子体表面硅沉积平面

华电科研人员指出，他们的研究表明，减小外部电场的畸变可以有效提升材料表面的绝缘性能。从电场仿真结果来看，样片表面电导率呈阶跃型梯度分布可以有效降低最大场强，减小电场的畸变率。然而，提高样片整体的表面电导率对场强的均化效果更好，从仿真的角度来讲均匀改性似乎更能提高样片的闪络性能。

但从沿面闪络的测试结果看来，科研人员认为，提升效果最好的改性方法仍然是阶跃型梯度硅沉积，并且表面电导率过大反而会降低闪络电压的增长率。这是因为影响绝缘材料沿面闪络性能的因素不仅包括外部电场和表面电导率，还有表面粗糙度、表面化学成分、表面电荷的积聚与消散等。所有采用等离子体硅沉积处理的样片，其闪络电压均高于未处理样片。

另外，除了表面电导率提升这一因素外，等离子体硅沉积方法会在Al2O3-ER表面生成均匀致密的薄膜，一方面会覆盖材料表面原有的毛刺、凸起等表面缺陷，降低表面粗糙度进而削弱表面缺陷对电场的畸变作用。另一方面，未改性材料表面存在大量的深陷阱，表面电荷被深陷阱捕获后难以脱陷，导致宏观上的表面电荷积聚现象。

图2 沿面闪络测试平台

而表面沉积硅氧类薄膜会改变材料表面陷阱分布，使原有的深陷阱中心能级逐渐变浅，并且接枝在材料表面的SiOx基团会引入能级更低的浅陷阱，表面电荷被浅陷阱捕获后所需的逸出功更低，因此更容易脱陷并跃迁至其他区域，从宏观上看即为表面电荷积聚量减少并且消散速率加快，进而抑制了表面电荷对外部电场的畸变作用。抑制表面缺陷和表面电荷对电场的畸变可显著提升材料的沿面闪络性能。

他们进一步研究闪络电压测试结果，发现对低场强区使用长时间的等离子体硅沉积会显著抑制闪络电压的提升（Si5和Si3-5-3），只有高场强区长时间硅沉积、低场强区短时间硅沉积才能最大程度地提升闪络电压（Si5-3-5）。

由针-针电极的电场分布可知，三结合点处附近为高场强区，大量的空间电荷受电场力和气体电离等作用而积聚在该区域，使高场强区的表面电荷量要远大于低场强区，从而进一步畸变高场强区的电场，加剧气体电离甚至产生局部放电。因此高场强区对表面电荷快速消散的需求更加迫切。

与之相对的是，低场强区的表面电荷积聚量相对较低，适当加快该区域的电荷消散有利于提高闪络电压，但低场强区的表面电荷消散过快反而为样片整体的放电发展提供了种子电荷，促进了贯穿性导电通道的形成，不利于样片的表面绝缘性能。

因此，他们表示，加快高场强区表面电荷的消散并适当控制低场强区的消散速率可以最大限度地提升样片整体的沿面闪络性能。由于等离子体硅沉积与表面电荷消散速率正相关，所以对高场强区使用长时间硅沉积、低场强区短时间硅沉积的（Si5-3-5）样片闪络电压最高。

图3 表面电位测量平台

华电科研人员通过研究分析，最后得出主要结论如下：

1）等离子体硅沉积技术可以在改性区域表面沉积硅氧类薄膜，从而降低该区域的表面粗糙度、提高硅元素含量、引入浅陷阱并加快表面电荷消散速率，并且改性效果与处理时间呈正相关。

2）等离子体硅沉积可以提高样片的闪络电压，其中高场强区长时间硅沉积、低场强区短时间硅沉积的样片闪络电压最高。相反，对低场强区采用长时间硅沉积会明显抑制闪络电压的提升。

3）样片的不同区域对表面电荷消散速率的需求有所区别。加快高场强区的表面电荷消散并适当调控低场强区的消散速率，可以显著提升样片整体的闪络性能。反之，高场强区则会因为表面电荷积聚过多而畸变外部电场，同时低场强区表面电荷过快的消散会为放电发展提供种子电荷，为贯穿性导电通道的形成提供有利条件。

4）采用等离子体表面阶跃型梯度硅沉积方法，一方面使样片的表面电导率呈阶跃型梯度分布，可以有效减小针-针电极的最大场强；另一方面，相比于均匀处理，该方法可以针对性地调控样片表面不同区域的电荷消散速率，充分发挥等离子体硅沉积对提高闪络性能的优势并减少不利影响，进而最大程度地提升沿面闪络电压。

本文编自2022年第9期《电工技术学报》，论文标题为“等离子体表面阶跃型梯度硅沉积对环氧树脂闪络性能的影响”。本课题得到了国家自然科学基金和新能源电力系统国家重点实验室自主研究课题资助项目的支持。