局部放電特征及原理

局部放電特征及原理一、局部放電的特征局部放電是指發(fā)生在電極之間但并未貫穿電極的放電，它是由于設(shè)備絕緣內(nèi)部存在弱點(diǎn)或生產(chǎn)過程中造成的缺陷，在高電場強(qiáng)度作用下發(fā)生重復(fù)擊穿和熄滅的現(xiàn)象。它表現(xiàn)為絕緣內(nèi)氣體的擊穿、小范圍內(nèi)固體或液體介質(zhì)的局部擊穿或金屬外表的邊緣及尖角部位場強(qiáng)集中引起局部擊穿放電等。這種放電的能量是很小的，所以它的短時存在并不影響到電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度。但假設(shè)電氣設(shè)備絕緣在運(yùn)行電壓下不斷出現(xiàn)局部放電，這些微弱的放電將產(chǎn)生累積效應(yīng)會使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴(kuò)大，最后導(dǎo)致整個絕緣擊穿。局部放電是一種復(fù)雜的物理過程除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外，還會產(chǎn)生電磁輻射、超聲波、光、熱以及新的生成物等。從電性方面分析，產(chǎn)生放電時，在放電處有電荷交換、有電磁波輻射、有能量損耗。最明顯的是反映到試品施加電壓的兩端，有微弱的脈沖電壓出現(xiàn)。如果絕緣中存在有氣泡，當(dāng)工頻高壓施加于絕緣體的兩端時，如果氣泡上承受的電壓沒有到達(dá)氣泡的擊穿電壓，那么氣泡上的電壓就隨外加電壓的變化而變化。假設(shè)外加電壓足夠高，即上升到氣泡的擊穿電壓時，氣泡發(fā)生放電，放電過程使大量中性氣體分子電離，變成正離子和電子或負(fù)離子，形成了大量的空間電荷，這些空間電荷，在外加電場作用下遷移到氣泡壁上，形成了與外加電場方向相反的內(nèi)部電壓，這時氣泡上剩余電壓應(yīng)是兩者疊加的結(jié)果，當(dāng)氣泡上的實(shí)際電壓小于氣泡的擊穿電壓時，于是氣泡的放電暫停，氣泡上的電壓又隨外加電壓的上升而上升，直到重新到達(dá)其擊穿電壓時，又出現(xiàn)第二次放電，如此出現(xiàn)屢次放電。當(dāng)試品中的氣隙放電時，相當(dāng)于試品失去電荷q，并使其端電壓突然下降△U，這個一般只有微伏級的電源脈沖疊加在千伏級的外施電壓上。所有局部放電測試設(shè)備的工作原理，就是將這種電壓脈沖檢測出來。其中電荷q稱為視在放電量。二、局部放電的機(jī)理1．局部放電的發(fā)生機(jī)理局部放電的發(fā)生機(jī)理可以用放電間隙和電容組合的電氣的等值回路來代替，在電極之間放有絕緣物，對它施加交流電壓時，在電極之間局部出現(xiàn)的放電現(xiàn)象，可以看成是在導(dǎo)體之間串聯(lián)放置著2個以上的電容，其中一個發(fā)生了火花放電。按照這樣的考慮方法，將電極組合的等值回路如下圖。圖3-1電極組合的電氣等值回路在圖3-1中，Cg：是串入絕緣物中放電間隙〔比方氣泡〕的電容；Cb：是和Cg串聯(lián)的絕緣物局部的電容；Cm：除了Cb和Cg以外的電極之間的電容。設(shè)電極間總的電容為Ca，那么〔3-1〕在這樣的等值回路中，當(dāng)對電極間施加交流電壓Vt〔瞬時值〕時，在Cg上不發(fā)生火花放電的情況下，加在Cg上的電壓vt由下式表示〔3-2〕在圖中，隨著外施電壓Vt的升高，vt也隨著增大，vt到達(dá)Cg的火花電壓vp時，在Cg上就產(chǎn)生火花放電。這時，Cg間的電壓和式中的vt逐漸發(fā)生差異，如設(shè)它為vg由于放電的原因，vg迅速地從vp下降到vr〔剩余電壓〕?，F(xiàn)設(shè)在Cg間，經(jīng)過t秒后放出的電荷為Q〔t〕，那么〔3-3〕式中，Cgr是從Cg兩端看到的電容，它等于〔3-4〕所以得到〔3-5〕這里，將vg從vp大致變成vr的時間稱為局部放電脈沖的形成時間。當(dāng)將這些量表示成時間的函數(shù)時，成為圖3-2的曲線。圖3-2Cg間的放電電荷和電壓隨時間變化的曲線局部放電脈沖的形成時間，除了極端不均勻電場和油中放電的情況之外，一般是在0.01s以下，而且認(rèn)為vr大致是零。在上述前提下，觀察一下各個電氣量的情況〔局部放電幾個主要參量〕。(1)視在放電電荷q。它是指將該電荷瞬時注入試品兩端時，引起試品兩端電壓的瞬時變化量與局部放電本身所引起的電壓瞬時變化量相等的電荷量，視在電荷一般用pC(皮庫)來表示。(2)局部放電的試驗(yàn)電壓。它是指在規(guī)定的試驗(yàn)程序中施加的規(guī)定電壓，在此電壓下，試品不呈現(xiàn)超過規(guī)定量值的局部放電。(3)局部放電能量。是指因局部放電脈沖所消耗的能量。(4)局部放電起始電壓Vi。當(dāng)加于試品上的電壓從未測量到局部放電的較低值逐漸增加時，直至在試驗(yàn)測試回路中觀察到產(chǎn)生這個放電值的最低電壓。實(shí)際上，起始電壓ui是局部放電量值等于或超過某一規(guī)定的低值的最低電壓。(5)局部放電熄滅電壓Ve。當(dāng)加于試品上的電壓從已測到局部放電的較高值逐漸降低時，直至在試驗(yàn)測量回路中觀察不到這個放電值的最低電壓。實(shí)際上，熄滅電壓ue是局部放電量值等于或小于某一規(guī)定值時的最低電壓。下面所述的電壓，電容，電荷及電能的單位分別采用〔V〕，〔F〕，〔C〕及〔J〕表示。根據(jù)式〔3-5〕，各個局部放電脈沖的放電電荷為〔3-6〕設(shè)，，那么可得〔3-7〕應(yīng)用式〔3-4〕及式〔3-6〕，各個局部放電的能量為〔3-8〕設(shè)〔即〕，，那么可得〔3-9〕其次，設(shè)由于局部放電引起試品電極間的電壓變化為，那么〔3-10〕利用式〔3-6〕，消去，可得〔3-11〕引入新的參數(shù)q〔3-12〕利用式〔3-1〕，經(jīng)過變換后，可寫成以下形式〔3-13〕從電極間來看，就好似是q的電荷已經(jīng)放掉一樣，發(fā)生了的電壓變化。q稱為視在的放電電荷。由式可知，。在，或時，q為〔3-14〕在實(shí)際測量中，由于測量和是可能的，所以，能夠求出q，但是qr一般是求不出的。由式〔3-8〕，放電能量為〔3-15〕利用式〔3-6〕和式〔3-13〕，可得〔3-16〕現(xiàn)設(shè)，Cg放電時的外施電壓瞬時值為Vs(局部放電起始電壓的波峰值)，利用式〔3-2〕，w成為以下形式?！?-17〕當(dāng)時，w近似為〔3-18〕即，對于單一氣泡放電的情況，假設(shè)能測量局部放電起始電壓和q的話，就可求出放電能量。2、局部放電的分類局部放電是由于電氣設(shè)備絕緣內(nèi)部存在的弱點(diǎn)，在一定外施電壓下發(fā)生的局部的和重復(fù)的擊穿和熄滅現(xiàn)象。隨著絕緣內(nèi)部局部放電的發(fā)生，將伴隨著如光、熱、噪音、電脈沖、介質(zhì)損耗的增大和電磁波放射等現(xiàn)象的發(fā)生。這種放電可能出現(xiàn)在固體絕緣的空穴中，也可能在液體絕緣的氣泡中，或不同介電特性的絕緣層間，或金屬外表的邊緣尖角部位。所以以放電類型來分，大致可分為絕緣材料內(nèi)部放電、外表放電及電暈放電?！?〕內(nèi)部放電在電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)中，各部位的電場強(qiáng)度往往是不相等的，當(dāng)局部區(qū)域的電場強(qiáng)度到達(dá)電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)時，該區(qū)域就會出現(xiàn)放電，但這種放電并沒有貫穿施加電壓的兩導(dǎo)體之間，即整個絕緣系統(tǒng)并沒有擊穿，仍然保持絕緣性能，發(fā)生在絕緣體內(nèi)的稱為內(nèi)部局部放電。當(dāng)絕緣介質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)局部放電后，外施電壓在低于起始電壓的情況下，放電也能繼續(xù)維持。該電壓在理論上可比起始電壓低一半，也即絕緣介質(zhì)兩端的電壓僅為起始電壓的一半，這個維持到放電消失時的電壓稱之為局放熄滅電壓。而實(shí)際情況與理論分析有差異，在固體絕緣中，熄滅電壓比起始電壓約低5％-20％。在油浸紙絕緣中，由于局部放電引起氣泡迅速形成，所以熄滅電壓低得多。這也說明在某種情況下電氣設(shè)備存在局部缺陷而正常運(yùn)行時，局部放電量較小，也就是運(yùn)行電壓尚缺乏以激發(fā)大放電量的放電。當(dāng)其系統(tǒng)有一過電壓干擾時，那么觸發(fā)幅值大的局部放電，并在過電壓消失后如果放電繼續(xù)維持．最后導(dǎo)致絕緣加速劣化及損壞?！?〕外表放電如在電場中介質(zhì)有一平行于外表的場強(qiáng)分量，當(dāng)其這個分量到達(dá)擊穿場強(qiáng)時，那么可能出現(xiàn)外表放電。這種情況可能出現(xiàn)在套管法蘭處、電纜終端部，也可能出現(xiàn)在導(dǎo)體和介質(zhì)彎角外表處，見圖3-3。內(nèi)介質(zhì)與電極間的邊緣處，在r點(diǎn)的電場有一平行于介質(zhì)外表的分量，當(dāng)電場足夠強(qiáng)時那么產(chǎn)生外表放電。在某些情況下，可以計(jì)算空氣中的起始放電電壓。圖3-3介質(zhì)外表出現(xiàn)的局部放電圖3-4外表局部放電波形外表局部放電的波形與電極的形狀有關(guān)，如電極為不對稱時，那么正負(fù)半周的局部放電幅值是不等的，見圖3-4。當(dāng)產(chǎn)生外表放電的電極處于高電位時，在負(fù)半周出現(xiàn)的放電脈沖較大、較??；正半周出現(xiàn)的放電脈沖較密，但幅值小。此時假設(shè)將高壓端與低壓端對調(diào)，那么放電圖形亦相反。〔3〕電暈放電電暈放電是在電場極不均勻的情況下，導(dǎo)體外表附近的電場強(qiáng)度到達(dá)氣體的擊穿場強(qiáng)時所發(fā)生的放電。在高壓電極邊緣，尖端周圍可能由于電場集中造成電暈放電。電暈放電在負(fù)極性時較易發(fā)生，也即在交流時它們可能僅出現(xiàn)在負(fù)半周。電暈放電是一種自持放電形式，發(fā)生電暈時，電極附近出現(xiàn)大量空間電荷，在電極附近形成流注放電?，F(xiàn)以棒—板電極為例來解釋，在負(fù)電暈情況下，如果正離子出現(xiàn)在棒電極附近，那么由