直流输电是将交流电通过转换装置变成直流电，然后通过直流输电线路送至受端，再通过转换装置变换成交流电，最终注入交流电网。百余年来，交流电被人们可靠地使用，时至今日，世界大多数地方还是采用交流输电。交流输电网络更容易织成“电力公路网络”。而特高压直流输电线路犹如八车道高速电力输送专线，相比普通公路运量大，运输中损失少，尤其适合远距离大容量点对点电力输送。电力设备则是输电网络中的一个个节点，每个节点都关系着整个系统的安全。绝缘对于电力设备来说是关键问题，一旦出现绝缘故障，将带来严重后果，因此，绝缘问题是发展特高压直流输电必须解决的基础性问题。
所谓绝缘，就是用不导电的物质将带电体隔离或包裹起来，以防止触电的一种安全措施。在绝缘体中电荷不能自由移动，因此不能够传导电流。为了避免绝缘性能被破坏，导致设备损坏，必须保证电力设备具备规定的绝缘强度。
直流输电设备绝缘设计要如何保证其绝缘强度呢?首先，我们需要知道设备长期运行时允许使用的场强(许用场强)，许用场强可以通过模拟实际运行条件的加速老化试验来确定，但前提是需要明确直流电场下的绝缘是如何被破坏的，在此基础上，才可有针对性地优化绝缘设计。
目前，我国在引进国外技术的基础上，经过消化吸收，已掌握了自主设计、制造500千伏及以下等级直流核心设备的能力，然而特高压直流设备耐压水平高，外形尺寸受到运输条件的限制，这就要求在有限的尺寸内保证绝缘强度达到要求。
直流电场下绝缘材料的破坏和交流电场下最大的不同在于所谓“空间电荷”效应。为此，我们需要深入了解特高压直流设备绝缘的空间电荷特性，以探明其绝缘破坏机理。这一问题是困扰我国特高压直流输电设备制造国产化的关键问题。
什么是空间电荷
理想情况下，直流绝缘材料内部不同位置处的电场分布应该是均匀的。所谓“空间电荷”效应，是指当存在空间电荷时，材料内部的空间电荷导致不同位置的电场产生畸变，因而出现局部电场的加强或者削弱，畸变的电场最终会影响材料的击穿特性。同时，材料内部积聚的空间电荷会加速绝缘材料的老化，降低绝缘材料的寿命。
传统经典观念认为，和金属接触的材料在外部电压作用下，电荷都集中于金属电极和材料表面区域，在材料内部并不会出现多余的电荷。而实际上，常常出现材料中某一区域流入电荷和流出电荷不一致，有剩余电荷残余在该区域，并随着位置的不同呈现连续分布，这些连续分布的净电荷就是空间电荷。那么空间电荷来自哪儿呢?简单而言，就是外部贡献、内部产生。外部贡献即来自电极的注入，金属电极在热的状态下，电子获得足够能量从金属表面“逃窜”出来，进入材料内部;内部产生即材料自身的分子、杂质、缺陷等所产生的正负电荷在材料中堆积起来。
捕获空间电荷的踪迹
材料内空间电荷看不见摸不着，那要如何捕获它的踪迹呢?这需要借助“第三只眼”——空间电荷测量系统。测量空间电荷的方法有破坏性方法和非破坏性方法，前者以热刺激电流法为代表，后者主要有电声脉冲法、压力波法、激光光强调制法。目前应用最为广泛的当属电声脉冲法，它是利用一电脉冲来刺激介质内部的电荷，使得电荷抖动起来，电荷越多抖动幅度越大，这就发出了声波，我们只需要把这些声波收集起来。通过声波信号就可以知道介质内部的电荷如何分布的。
近年来，开始出现将这一方法用于多层介质的空间电荷测量。但是，当前具有的空间电荷测量系统和方法不能直接获得多层样品中的空间电荷分布，这是由于接受到的声波信号不仅取决于电荷量，还取决于介质的介电常数，此外在不同介质界面，声波会像光一样发生反射、透射，不同介质的反射和投射系数也不相同。对于换流变压器，其内部绝缘主要依靠变压器油和绝缘纸，往往以多层形式存在，油和纸以夹心饼干的形式一层层地叠加起来，从而形成油纸和油纸的界面及油纸和油的界面。这些界面的存在，为空间电荷的准确测量带来非常大的难度。为此，课题组发明了存在界面时空间电荷测量方法，建立了能够测量界面和材料内部的空间电荷测量系统，其测量精度可达0.5库伦/立方米，空间分辨率可达12微米。
掌握空间电荷的“脾气”
有了空间电荷测量系统，我们得以一窥空间电荷的真面目。100多年前,麦克斯韦提出并经瓦格纳发展的理论认为，两种导电能力和容纳电荷能力不同的材料，在外部电场作用下界面处会积聚电荷，该电荷也通常被称为麦克斯韦—瓦格纳极化电荷。这些电荷在外电场撤去后一般不会马上消失，而是“冻结”在介质表面，与介质内部的空间电荷共同作用畸变电场，影响介质的绝缘性能。相较介质内部的空间电荷，介质界面处的空间电荷可谓影响绝缘的“一号嫌犯”，为了解它是如何破坏绝缘的，需要对其验明正身。
为掌握空间电荷“作案罪证”，需要了解它的“脾气”。为此，利用课题组研制的先进测量系统，我国率先实现油纸—油中的空间电荷测量。通过比较实际测量到的界面处空间电荷和麦克斯韦—瓦格纳极化电荷，发现真实油纸—油界面的电荷并不同于麦克斯韦—瓦格纳极化电荷：首先，比较聚集和逃窜速度，麦克斯韦—瓦格纳极化电荷建立和消散速度约为2～3秒，而实际测量发现界面电荷加压聚集至稳定状态和去压消散殆尽均需约10分钟;其次，比较不同状态样貌，正负极性的界面电荷量相差巨大，而麦克斯韦—瓦格纳极化电荷量与极性无关;最后，比较“身形特征”，也就是电荷量，实际测量界面电荷量远大于麦克斯韦—瓦格纳极化电荷量。
这是由于界面处材料结构的变化，可导致界面态及界面陷阱的产生。所谓界面陷阱，犹如猎人捕猎时在猎物行走途径中设下的一个个坑，能够捕获从界面两端运动过来的正负电荷，阻碍电荷的运动。而这些陷阱捕获猎物能力的强弱，可用陷阱深度表征。课题组首次测得这种陷阱的深度为0.88～0.95电子伏特。以往，按照传统的麦克斯韦—瓦格纳模型，直流下多层油纸—油结构中电场依电导率(即导电能力)分布，油纸和油的电导率相差1～2个数量级，认为油中电场极低。而课题组通过实验测量发现，界面电荷的存在大大影响了油中电场分布。
以上这些发现对换流变压器的绝缘结构设计具有重要的参考价值。对于换流变压器绝缘设计中多层油纸材料电场计算问题，可采用实际的界面处的空间电荷的方法来计算电场分布，使计算值更贴近实际运行中多层油纸中电场分布。
空间电荷研究展望
掌握界面处空间电荷的“脾气”，可推动直流绝缘设计从半经验走向科学计算。例如在今后直流绝缘设计中，可通过测量界面处的空间电荷考虑薄弱点出现在何处，而不仅仅采用经验公式。在选择用于直流设备的绝缘材料时，同样应考虑界面处的空间电荷，尽可能选择界面处空间电荷少的材料。
当前在国际上，直流绝缘的设计方法也并未成熟，诸如大尺度下电场计算、长期运行中绝缘性能预测等遗留问题，有待科研工作者进一步的研究。相信经过我国科研工作者的不懈努力，将能最终掌握直流绝缘设计关键参数及整套方法，从而提升我国特高压直流输电设备的自主研发能力。
