溫度梯度下直流GIL三支柱絕緣子電荷積聚對(duì)電場(chǎng)分布的影響分析

胡 琦， 李慶民， 劉智鵬， 劉 衡

(1. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))， 北京 102206；2. 北京市高電壓與電磁兼容重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué))， 北京 102206)

1 引言

隨著非石化能源消費(fèi)比例的快速增加，能源生產(chǎn)和消費(fèi)領(lǐng)域之間的距離不斷增大，直流輸電由于在遠(yuǎn)距離大容量輸電方面具有經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和靈活性等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)得到了迅猛發(fā)展[1]。而氣體絕緣金屬封閉輸電線路(Gas Insulated metal-enclosed transmission Line，GIL) 作為一種新型輸電方式，具有輸送容量大、電能損耗低、電磁輻射小、敷設(shè)靈活性強(qiáng)等天然優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了架空線路和電纜的局限性。因此，直流GIL具有很高的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值[2, 3]。

目前，GIL設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于交流電網(wǎng)中，但在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用卻鮮見報(bào)道，其主要原因在于GIL設(shè)備在直流電壓應(yīng)力下電場(chǎng)會(huì)由初始的電容場(chǎng)分布向穩(wěn)定的電阻場(chǎng)分布過(guò)渡，這種容阻場(chǎng)轉(zhuǎn)變的過(guò)程伴隨著絕緣子表面及內(nèi)部的電荷積聚[4]，引發(fā)局部的電場(chǎng)畸變，造成直流絕緣件閃絡(luò)電壓顯著降低[5]。此外，直流電壓下GIL內(nèi)電阻性分布電場(chǎng)由材料的電導(dǎo)率決定，而材料電導(dǎo)率受溫度的影響極大，當(dāng)考慮GIL載流形成的溫度梯度分布時(shí)，電場(chǎng)畸變愈加嚴(yán)重[6]。因此，掌握溫度梯度下絕緣子電荷積聚對(duì)電場(chǎng)分布的影響對(duì)指導(dǎo)新型直流絕緣子設(shè)計(jì)具有重要意義。

為此，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)溫度梯度下絕緣子表面電荷積聚現(xiàn)象開展了廣泛的研究。張周勝等人通過(guò)仿真對(duì)溫度梯度長(zhǎng)期影響下直流盆式絕緣子表面電荷積聚進(jìn)行觀測(cè)[7, 8]。研究表明：當(dāng)考慮溫度與絕緣子固體電導(dǎo)率的非線性關(guān)系時(shí)，盆式絕緣子表面電荷密度顯著增加，最大表面電荷密度是不考慮溫度影響的5.85倍。馬國(guó)明等人建立了電-熱耦合應(yīng)力下直流盆式絕緣子表面電荷積聚仿真模型與測(cè)試平臺(tái)[9, 10]。其研究成果表明：溫度梯度分布會(huì)導(dǎo)致直流盆式絕緣子內(nèi)部空間電荷和表面電荷積聚加劇，絕緣子表面切向電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增大。Hering等人開展了溫度對(duì)直流GIS支柱絕緣子的沿面電場(chǎng)分布以及閃絡(luò)電壓的影響的實(shí)驗(yàn)研究[11, 12]，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)絕緣子存在溫度梯度時(shí)，其表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度所在位置將向低溫側(cè)移動(dòng)；而且溫度越高，絕緣子閃絡(luò)電壓下降越顯著。李傳揚(yáng)等人采用了“近似失效絕緣區(qū)”的概念解釋了溫度梯度下電荷行為與沿面閃絡(luò)的關(guān)聯(lián)性[13, 14]。

然而，以上研究主要集中于溫度梯度下盆式和單支柱絕緣子電荷積聚特性及其對(duì)電場(chǎng)分布的影響。實(shí)際上，為補(bǔ)償通流導(dǎo)體的熱延伸和機(jī)械應(yīng)變，GIL設(shè)備內(nèi)除盆式絕緣子外，還大量使用了可以滑動(dòng)的三支柱絕緣子[15, 16]。與盆式絕緣子相比，三支柱絕緣子電場(chǎng)分布極不均勻，法向場(chǎng)強(qiáng)集中于腹部，切向場(chǎng)強(qiáng)集中于支腿處，接地嵌件表面電場(chǎng)強(qiáng)度也更大[17, 18]。而絕緣子空間及表面電荷積聚過(guò)程受電場(chǎng)分布影響極大，三支柱絕緣子的不均勻電場(chǎng)分布將導(dǎo)致局部電荷積聚嚴(yán)重。此外，絕緣子的形狀對(duì)直流GIL內(nèi)部熱對(duì)流過(guò)程有很大的影響[10, 19]，三支柱絕緣子的溫度場(chǎng)分布也與盆式絕緣子有較大差異。因此，現(xiàn)有研究無(wú)法分析溫度梯度下直流三支柱絕緣子電荷積聚對(duì)電場(chǎng)分布的影響，難以直接指導(dǎo)直流三支柱絕緣子的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

為解決上述問(wèn)題，本文研究了三支柱絕緣子的熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射過(guò)程，針對(duì)性地建立了直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場(chǎng)電荷積聚仿真模型，研究了溫度梯度下直流三支柱絕緣子表面及空間電荷積聚特性，以及電荷積聚對(duì)三支柱絕緣子電場(chǎng)畸變的規(guī)律；找出了直流三支柱絕緣子的絕緣薄弱環(huán)節(jié)，為直流三支柱絕緣子設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2 直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場(chǎng)電荷積聚模型

本文建立的GIL三支柱絕緣子的幾何模型如圖1所示，由中心導(dǎo)桿、嵌筒、絕緣子腹部、絕緣子支腿、嵌件和接地外殼組成。中心導(dǎo)桿外半徑為30 mm，長(zhǎng)度為400 mm；嵌筒包覆導(dǎo)桿，外半徑為36 mm，長(zhǎng)度為140 mm；環(huán)氧樹脂包覆嵌筒形成三支柱絕緣子，具體可以分為腹部及3個(gè)支腿，由支腿內(nèi)的金屬嵌件固定；嵌件通過(guò)螺栓連接金屬外殼接地；接地外殼內(nèi)半徑為130 mm，厚度為8 mm；導(dǎo)桿與接地外殼之間充有0.4 MPa的SF6絕緣氣體。在仿真研究中，設(shè)定中心導(dǎo)桿、嵌筒、嵌件、外殼材料為鋁合金。出于簡(jiǎn)化計(jì)算考慮，本研究中忽略了對(duì)電場(chǎng)影響很小的微粒收集器和金屬連接件。

1—中心導(dǎo)桿；2—嵌筒；3—絕緣子腹部；4—絕緣子支腿；5—嵌件；6—接地外殼圖1 三支柱絕緣子幾何模型Fig.1 Geometric model of tri-post insulator

基于上述幾何模型，本文構(gòu)建了直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場(chǎng)電荷積聚模型，數(shù)據(jù)傳遞示意圖如圖2所示。首先，自然對(duì)流是GIL內(nèi)重要的傳熱方式，需要考慮氣體流動(dòng)對(duì)溫度分布的影響，而溫度的梯度分布是引發(fā)自然對(duì)流的驅(qū)動(dòng)力，因此需要進(jìn)行熱場(chǎng)-流場(chǎng)雙向耦合數(shù)據(jù)傳遞。其次，中心導(dǎo)桿在電流作用下的焦耳熱損耗是熱場(chǎng)計(jì)算時(shí)的熱源，而溫度升高導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率增大，提升絕緣子的電荷輸運(yùn)能力，從而影響電場(chǎng)分布，GIL電場(chǎng)和熱場(chǎng)計(jì)算也是雙向耦合的過(guò)程。

圖2 電-熱-流多場(chǎng)耦合仿真數(shù)據(jù)傳遞示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrical-thermal-flow multi-field coupled simulation data transmission

2.1 三支柱絕緣子熱傳遞過(guò)程

直流GIL三支柱絕緣子的熱量傳遞包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種傳熱方式，涉及到熱場(chǎng)和流場(chǎng)的雙向耦合計(jì)算。

(1)熱傳導(dǎo)

根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律，GIL固體可直接通過(guò)熱傳導(dǎo)交換熱量。其中，中心導(dǎo)桿因焦耳損耗發(fā)熱，作為熱源項(xiàng)；絕緣子和接地外殼自身?yè)p耗可以忽略不計(jì)，可以視為無(wú)熱源區(qū)域。本文中三支柱絕緣子熱導(dǎo)率設(shè)置為0.25 W/(m·K)，中心導(dǎo)桿的熱導(dǎo)率為209 W/(m·K)，接地外殼的熱導(dǎo)率為167 W/(m·K)。

(2)熱對(duì)流

對(duì)流是GIL內(nèi)最為重要的傳熱方式，不僅包括腔體內(nèi)SF6氣體與中心導(dǎo)體、絕緣子和外殼的對(duì)流傳熱，也包括接地外殼與外界空氣的對(duì)流傳熱；其中，GIL內(nèi)部SF6氣體流動(dòng)是由于導(dǎo)體發(fā)熱引起的，屬于自然對(duì)流。針對(duì)本文模型尺寸和氣體屬性算得雷諾數(shù)Re>2 300，故采用湍流k-ε模型對(duì)三支柱絕緣子附近流場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算[19, 20]。接地外殼外表面與空氣的對(duì)流傳熱可以用對(duì)流熱通量h(T0-T1)表示，其中h為對(duì)流換熱系數(shù)，本文設(shè)置為3 W/(m2·K)，T0為環(huán)境溫度，T1為外殼溫度。

(3)熱輻射

根據(jù)斯特藩-玻爾茲曼定律，GIL中心導(dǎo)桿、三支柱絕緣子、接地外殼的熱輻射過(guò)程可以用如下方程表示：

(1)

式中，Q為輻射熱通量；SB為Stefan-Boltzmann常數(shù)；A為換熱面等效面積；T1和T0分別為換熱面內(nèi)、外溫度；ω為表面發(fā)射率。

本文中三支柱絕緣子的表面輻射率取為0.15，中心導(dǎo)體和外殼的表面輻射率取0.85。

將GIL中心導(dǎo)桿的焦耳熱損耗作為熱-流耦合場(chǎng)的熱源，環(huán)境溫度設(shè)為293.15 K，仿真計(jì)算得到GIL導(dǎo)桿通過(guò)最大允許電流(導(dǎo)桿溫度不超過(guò)363 K[21, 22])時(shí)三支柱絕緣子溫度分布，GIL軸截面溫度分布如圖3所示，三支柱絕緣子溫度分布如圖4所示。三支柱絕緣子溫度從中心導(dǎo)體附近到接地外殼附近呈梯度遞減的趨勢(shì)，導(dǎo)桿溫度為363 K時(shí)，接地外殼溫度為309 K，最大溫差ΔT達(dá)到54 K。

圖3 GIL軸截面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of GIL axis section

圖4 三支柱絕緣子溫度分布Fig.4 Temperature distribution of tri-post insulator

2.2 直流三支柱絕緣子電-熱耦合電荷積聚模型

2.2.1 絕緣子空間電荷

在恒定電場(chǎng)建立過(guò)程中，GIL任一瞬間的電場(chǎng)可以近似看作靜電場(chǎng)，于是電場(chǎng)強(qiáng)度E與電位φ的關(guān)系為：

E=-φ

(2)

根據(jù)高斯定理，電場(chǎng)強(qiáng)度與空間電荷密度ρi的關(guān)系可表示為：

·(ε0εrE)=ρi

(3)

式中，ε0為真空介電常數(shù)；εr為絕緣子相對(duì)介電常數(shù)。由于環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)在GIL運(yùn)行溫度和場(chǎng)強(qiáng)范圍內(nèi)變化較小，故可近似看作常數(shù)。

由電流連續(xù)性方程可知絕緣子內(nèi)空間電荷密度與電流密度Ji關(guān)系如下所示：

(4)

根據(jù)歐姆定律，電流密度Ji和電場(chǎng)強(qiáng)度E之間的關(guān)系如下：

Ji=γiE

(5)

式中，γi為絕緣子體電導(dǎo)率。

結(jié)合式(2)～式(5)可得：

(6)

由式(6)可知，當(dāng)絕緣子溫度相同、電導(dǎo)率保持恒定的條件下，絕緣子內(nèi)部沒有空間電荷積聚；當(dāng)絕緣子存在溫度梯度時(shí)，電導(dǎo)率的梯度分布導(dǎo)致空間電荷積聚，當(dāng)絕緣子空間電荷積聚達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)：

(7)

2.2.2 絕緣子表面電荷

本文建立的絕緣子表面電荷模型包括三種電荷積聚機(jī)制：絕緣子體傳導(dǎo)電流、氣體側(cè)電流和絕緣子沿面?zhèn)鲗?dǎo)電流，表面電荷積聚暫態(tài)方程可表示為：

(8)

式中，σ為表面電荷密度；t為時(shí)間；n為絕緣子表面指向氣體側(cè)的法向矢量；Jg為氣體側(cè)電流密度；Js為絕緣子表面電流密度。

絕緣子表面電流密度Js和氣體側(cè)電流密度可以利用表面電導(dǎo)率和氣體電導(dǎo)率計(jì)算得到：

Js=γsEτ

(9)

Jg=γgEg

(10)

式中，γs為絕緣子表面電導(dǎo)率；Eτ為絕緣子表面切向電場(chǎng)強(qiáng)度；Eg為氣體側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度；γg為氣體電導(dǎo)率，本文設(shè)為定值2×10-18S/m，符合理想清潔條件下SF6氣體電導(dǎo)率分布范圍(10-20～10-18S/m)[23]。

2.2.3 電-熱多物理場(chǎng)耦合

絕緣子電-熱多物理場(chǎng)的耦合主要通過(guò)溫度T和絕緣子材料體積電導(dǎo)率γi和表面電導(dǎo)率γs的關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)成，電導(dǎo)率具體的計(jì)算公式[21]如式(11)和式(12)所示。在絕緣子處于293.15 K的溫度時(shí)，體積電導(dǎo)率γi為4.26×10-15S/m，表面電導(dǎo)率γs為1.17×10-18S，絕緣子體電導(dǎo)率與表面電導(dǎo)率及氣體電導(dǎo)率相差3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，這符合理想潔凈條件下絕緣材料電導(dǎo)率設(shè)置范圍[9, 10, 23, 24]。

(11)

(12)

3 結(jié)果與分析

3.1 三支柱絕緣子表面及空間電荷積聚

基于上述模型，本文研究了在+110 kV直流電壓作用下，高壓導(dǎo)桿空載(絕緣子溫度均勻，等同于環(huán)境溫度293.15 K)和通過(guò)最大允許電流(中心導(dǎo)桿溫度達(dá)363 K)時(shí)三支柱絕緣子穩(wěn)定狀態(tài)下的表面及空間電荷積聚特性。不同負(fù)載條件下三支柱絕緣子表面電荷分布如圖5所示。在直流電壓作用下，三支柱絕緣子表面大部分區(qū)域積聚了同極性的正電荷，只有靠近接地嵌件的區(qū)域積聚有負(fù)電荷，說(shuō)明當(dāng)不考慮氣體側(cè)局部放電等特殊影響時(shí)，三支柱絕緣子體內(nèi)傳導(dǎo)電流比氣體側(cè)電流對(duì)表面電荷積聚的影響更大。此外，由于絕緣子表面飽和電荷密度與沿面法向電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)，同極性正電荷主要集中于直流三支柱絕緣子腹部，受運(yùn)行電流的影響較小，最大電荷密度由空載時(shí)的36.8 μC/m2增加至最大負(fù)載時(shí)的37.3 μC/m2；異極性負(fù)電荷集中于接地嵌件附近，受運(yùn)行電流影響較大，最大電荷密度由空載時(shí)的-19.8 μC/m2增加至最大負(fù)載時(shí)的-32.6 μC/m2，峰值增大了64.6%。

圖5 三支柱絕緣子表面電荷分布Fig.5 Surface charge distribution of tri-post insulator

由于中心導(dǎo)桿通流發(fā)熱，直流GIL三支柱絕緣子存在溫度梯度，如圖4所示。溫度梯度的存在會(huì)引起絕緣子材料電導(dǎo)率空間梯度變化，高溫區(qū)域的電荷傳輸能力顯著大于低溫區(qū)域，當(dāng)高溫區(qū)域的電荷遷移至低溫區(qū)域時(shí)，電導(dǎo)率的非均勻分布將導(dǎo)致空間電荷的積聚。最大負(fù)載條件下三支柱絕緣子空間電荷分布如圖6所示。三支柱絕緣子內(nèi)部積聚有正電荷，電荷密度最大值為8.54 mC/m3。此外，由式(6)可知，空間電荷密度與電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度梯度正相關(guān)，由于接地嵌件-環(huán)氧界面電場(chǎng)強(qiáng)度和溫度梯度都較大，因此接地嵌件附近成為空間電荷積聚集中的區(qū)域。

圖6 三支柱絕緣子空間電荷分布Fig.6 Space charge distribution of tri-post insulator

3.2 直流三支柱絕緣子電場(chǎng)分布

GIL運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，三支柱絕緣子容易出現(xiàn)兩種常見故障：沿面閃絡(luò)和支腿炸裂。其中，三支柱絕緣子沿面閃絡(luò)電壓與沿面切向電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)，三支柱絕緣子支腿炸裂與金屬嵌件表面電場(chǎng)強(qiáng)度密切相關(guān)[25]，因此，仿真分析電荷積聚對(duì)直流三支柱絕緣子電場(chǎng)分布的影響意義重大。本文基于前述直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場(chǎng)模型計(jì)算了電荷積聚對(duì)三支柱絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布的影響，如圖7所示。

圖7 三支柱絕緣子表面電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.7 Electric field intensity distribution of tri-post insulator

由圖7(a)可知，在直流恒定電場(chǎng)建立過(guò)程中，絕緣子支腿處表面電場(chǎng)強(qiáng)度提升明顯，表面最大電場(chǎng)強(qiáng)度值也由初始的2.62 kV/mm增加至穩(wěn)定時(shí)的3.02 kV/mm，當(dāng)考慮最大負(fù)載電流引起的溫度梯度影響時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度峰值進(jìn)一步增加至3.11 kV/mm。由圖7(b)可知，絕緣子表面切向電場(chǎng)強(qiáng)度較大的區(qū)域主要集中在支腿處，最大切向電場(chǎng)強(qiáng)度由初始的1.48 kV/mm增至最大負(fù)載電流時(shí)的2.87 kV/mm，增長(zhǎng)了93.9%。由圖7(c)可知，三支柱絕緣子金屬嵌件-環(huán)氧界面電場(chǎng)強(qiáng)度由初始的2.33 kV/mm增至最大負(fù)載電流時(shí)的5.96 kV/mm，增長(zhǎng)了155.8%。

綜上可見，當(dāng)中心導(dǎo)桿運(yùn)行在空載條件時(shí)，直流三支柱絕緣子表面電荷積聚會(huì)增大支腿處的切向電場(chǎng)強(qiáng)度和接地嵌件表面電場(chǎng)強(qiáng)度，但電場(chǎng)強(qiáng)度最大值仍處于三支柱絕緣子腹部區(qū)域；當(dāng)中心導(dǎo)桿通過(guò)最大負(fù)載電流時(shí)，絕緣子表面及空間電荷的積聚會(huì)顯著增大金屬嵌件表面及附近的電場(chǎng)強(qiáng)度，絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度最大值由三支柱絕緣子腹部轉(zhuǎn)變至金屬嵌件處，如圖8所示。

圖8 三支柱絕緣子軸截面電場(chǎng)強(qiáng)度分布Fig.8 Electric field intensity distribution of tri-post insulator axis section

溫度梯度下直流三支柱絕緣子電荷積聚會(huì)顯著增大絕緣子局部電場(chǎng)強(qiáng)度，增大三支柱絕緣子絕緣故障風(fēng)險(xiǎn)。一方面，電荷積聚使三支柱絕緣子外表面最大切向電場(chǎng)強(qiáng)度位于支腿底部，而該位置更易受到GIL設(shè)備內(nèi)金屬微粒的干擾[2]，最大切向電場(chǎng)強(qiáng)度的增大可能誘導(dǎo)沿面閃絡(luò)的發(fā)生；另一方面，電荷積聚使三支柱絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度最大值集中于金屬嵌件-環(huán)氧界面，而該區(qū)域同樣也是三支柱絕緣子機(jī)械應(yīng)力較為集中的區(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度的增大更易引發(fā)金屬-環(huán)氧交界面的局放，從而導(dǎo)致三支柱絕緣子支腿炸裂[25]。因此，在針對(duì)直流三支柱絕緣子進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮溫度梯度下三支柱絕緣子電荷積聚對(duì)電場(chǎng)分布的影響，可以采用摻雜方法將三支柱絕緣子支腿材料改為非線性電導(dǎo)材料[26]，提高支腿材料電荷消散速率，降低三支柱絕緣子支腿表面及空間電荷密度；此外，在金屬-環(huán)氧界面使用高介電常數(shù)的界面涂覆材料可以釋緩界面處的場(chǎng)強(qiáng)集中效應(yīng)[27]，從而提高直流三支柱絕緣子的運(yùn)行可靠性。

4 結(jié)論

基于建立的直流三支柱絕緣子電-熱-流多物理場(chǎng)電荷積聚模型，研究了溫度梯度下電荷積聚對(duì)直流三支柱絕緣子電場(chǎng)分布的影響，得到如下結(jié)論：

(1)直流正極性電壓(+110 kV)作用下，三支柱絕緣子表面大部分區(qū)域積聚同極性電荷，只有接地嵌件鄰近表面積聚異極性電荷；當(dāng)GIL中心導(dǎo)桿通過(guò)最大長(zhǎng)期允許電流時(shí)，三支柱絕緣子支腿處積聚的同極性電荷密度增大，接地嵌件附近的異極性電荷幅值也由空載時(shí)的-19.8 μC/m2增至最大負(fù)載時(shí)的-32.6 μC/m2，增大了64.6%。與此同時(shí)，溫度梯度分布導(dǎo)致三支柱絕緣子內(nèi)部積聚有正電荷，電荷密度最大值為8.54 mC/m3，主要集中在金屬嵌件-環(huán)氧界面附近。

(2)受表面及空間電荷積聚的影響，直流三支柱絕緣子表面最大切向電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)在靠近接地嵌件的支腿處，最大切向電場(chǎng)強(qiáng)度由初始1.48 kV/mm增至最大負(fù)載電流時(shí)的2.87 kV/mm，增長(zhǎng)了93.9%；金屬嵌件-環(huán)氧界面電場(chǎng)強(qiáng)度由初始的2.33 kV/mm增至最大負(fù)載電流時(shí)的5.96 kV/mm，增長(zhǎng)了155.8%，成為直流三支柱絕緣子電場(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域。

(3)電荷積聚導(dǎo)致直流三支柱絕緣子支腿底部表面切向電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大，使得三支柱絕緣子更易在金屬微粒的影響下觸發(fā)沿面閃絡(luò)；金屬嵌件-環(huán)氧界面電場(chǎng)強(qiáng)度的大幅增大也使得三支柱絕緣子支腿在機(jī)械和電場(chǎng)復(fù)合應(yīng)力下更易發(fā)生炸裂。直流三支柱絕緣子支腿底部特別是與金屬嵌件的交界面是絕緣子的薄弱環(huán)節(jié)，可以通過(guò)對(duì)三支柱絕緣子支腿材料摻雜改性、在金屬-環(huán)氧界面涂覆高介電常數(shù)界面涂層等方法提升直流三支柱絕緣子的運(yùn)行可靠性。