局部放电特征及原理.

一、局部放电的特征

局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电,它是由于设备绝缘内部存在弱 点或生产过程中造成的缺陷, 在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。 它表现为绝 缘内气体的击穿、 小范围内固体或液体介质的局部击穿或金属表面的边缘及尖角部位场强集 中引起局部击穿放电等。 这种放电的能量是很小的, 所以它的短时存在并不影响到电气设备 的绝缘强度。 但若电气设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电, 这些微弱的放电将产生累 积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大,最后导致整个绝缘击穿。

局部放电是一种复杂的物理过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外,还会产生 电磁辐射、超声波、光、热以及新的生成物等。从电性方面分析,产生放电时,在放电处有 电荷交换、 有电磁波辐射、有能量损耗。 最明显的是反映到试品施加电压的两端, 有微弱的 脉冲电压出现。 如果绝缘中存在有气泡, 当工频高压施加于绝缘体的两端时, 如果气泡上承 受的电压没有达到气泡的击穿电压, 则气泡上的电压就随外加电压的变化而变化。 若外加电 压足够高, 即上升到气泡的击穿电压时, 气泡发生放电, 放电过程使大量中性气体分子电离, 变成正离子和电子或负离子, 形成了大量的空间电荷, 这些空间电荷, 在外加电场作用下迁 移到气泡壁上, 形成了与外加电场方向相反的内部电压, 这时气泡上剩余电压应是两者叠加 的结果, 当气泡上的实际电压小于气泡的击穿电压时, 于是气泡的放电暂停, 气泡上的电压 又随外加电压的上升而上升, 直到重新到达其击穿电压时, 又出现第二次放电, 如此出现多 次放电。当试品中的气隙放电时,相当于试品失去电荷 q ,并使其端电压突然下降△ U ,这 个一般只有微伏级的电源脉冲叠加在千伏级的外施电压上。 所有局部放电测试设备的工作原 理,就是将这种电压脉冲检测出来。其中电荷 q 称为视在放电量。

二、局部放电的机理

1.局部放电的发生机理

局部放电的发生机理可以用放电间隙和电容组合的电气的等值回路来代替, 在电极之间 放有绝缘物, 对它施加交流电压时, 在电极之间局部出现的放电现象, 可以看成是在导体之 间串联放置着 2个以上的电容, 其中一个发生了火花放电。 按照这样的考虑方法, 将电极组 合的等值回路如图所示。

图 3-1 电极组合的电气等值回路

在图 3-1中, C g :是串入绝缘物中放电间隙(比如气泡的电容; C b :是和 C g 串联的

绝缘物部分的电容; C m :除了 C b 和 C g 以外的电极之间的电容。

设电极间总的电容为 C a ,则

g b

a m g b C C C C C C =++ (3-1

在这样的等值回路中,当对电极间施加交流电压 V t (瞬时值时,在 C g 上不发生火花 放电的情况下,加在 C g 上的电压 v t 由下式表示

b a t g b

C v V C C =⋅+ (3-2 在图中,随着外施电压 V t 的升高, v t 也随着增大, v t 达到 C g 的火花电压 v p 时,在 C g 上就产生火花放电。这时, C g 间的电压和式中的 v t 逐渐发生差异,如设它为 v g 由于放电的 原因, v g 迅速地从 v p 下降到 v r (剩余电压 。 现设在 C g 间, 经过 t 秒后放出的电荷为 Q (t , 则

1( ( g p gr

v t v Q t C =-

(3-3 式中, C gr 是从 C g 两端看到的电容,它等于 m b gr g m b

C C C C C C =++ (3-4 所以得到 1( ( p r p g gr v v v v Q C -=-∞=

∞ (3-5 这里,将 v g 从 v p 大致变成 v r 的时间称为局部放电脉冲的形成时间。当将这些量表示成 时间的函数时,成为图 3-2的曲线。

图 3-2 Cg 间的放电电荷和电压随时间变化的曲线

局部放电脉冲的形成时间,除了极端不均匀电场和油中放电的情况之外,一般是在

0.01μs 以下,而且认为 v r 大致是零。在上述前提下,观察一下各个电气量的情况(局部放 电几个主要参量 。

(1视在放电电荷 q 。它是指将该电荷瞬时注入试品两端时,引起试品两端电压的瞬时 变化量与局部放电本身所引起的电压瞬时变化量相等的电荷量,视在电荷一般用 pC(皮库 来表示。

(2局部放电的试验电压。它是指在规定的试验程序中施加的规定电压,在此电压下, 试品不呈现超过规定量值的局部放电。

(3局部放电能量 w 。是指因局部放电脉冲所消耗的能量。

(4局部放电起始电压 V i 。当加于试品上的电压从未测量到局部放电的较低值逐渐增加 时,直至在试验测试回路中观察到产生这个放电值的最低电压。实际上,起始电压 u i 是局 部放电量值等于或超过某一规定的低值的最低电压。

(5局部放电熄灭电压 V e 。 当加于试品上的电压从已测到局部放电的较高值逐渐降低时, 直至在试验测量回路中观察不到这个放电值的最低电压。实际上,熄灭电压 u e 是局部放电 量值等于或小于某一规定值时的最低电压。

下面所述的电压,电容,电荷及电能的单位分别采用(V , (F , (C 及(J 表示。 根据式(3-5 ,各个局部放电脉冲的放电电荷为

( ( r gr p r q Q C v v =∞=- (3-6

设 g b C C >>, 0r v ≈,则可得

r g p q C υ≈ (3-7

应用式(3-4及式(3-6 ,各个局部放电的能量 w 为

2220111( 22

r

q g p r r gr p r gr w v dQ v q q C v v C ==-

=-⎰ (3-8 设 g b C C >>(即 gr b C C ≈ , 0r v =,则可得

2

12

g p w C v = (3-9 其次,设由于局部放电引起试品电极间的电压变化为 V ∆,则

( b p r m b

C V v v C C ∆=-+ (3-10 利用式(3-6 ,消去 ( p r v v -,可得

b r g m g b m b

C q V C C C C C C ∆=

++ (3-11 引入新的参数 q b r g b

C q q C C =+ (3-12 利用式(3-1 ,经过变换后, V ∆可写成下列形式

( g b g m g b m b a

C C q

q V C C C C C C C +∆==++ (3-13 从电极间来看,就好像是 q 的电荷已经放掉一样,发生了 V ∆的电压变化。

q 称为视在的放电电荷。由式 可知, r q q <。在 m g C C ,或 m b C C 时, q 为

b p q C v ≈ (3-14

在实际测量中,由于测量 V ∆和 a C 是可能的,所以,能够求出 q ,但是 q r 一般是求不 出的。

由式(3-8 ,放电能量 w 为

221( (( 2g m g b m b gr p r p r p r m b

C C C C C C w C v v v v v v C C ++=-=-++ (3-15 利用式(3-6和式(3-13 ,可得

1( 2g b p r b

C C w q v v C +=+ (3-16 现设, C g 放电时的外施电压瞬时值为 V s (局部放电起始电压的波峰值 ,利用式(3-2 , w 成为下列形式。

1( 2s p r p

V w q v v v =+ (3-17 当 0r v ≈时, w 近似为

12

s w qV ≈ (3-18

即,对于单一气泡放电的情况,若能测量局部放电起始电压 (i V =和 q 的话,就可 求出放电能量。

2、局部放电的分类

局部放电是由于电气设备绝缘内部存在的弱点,在一定外施电压下发生的局部的和重 复的击穿和熄灭现象。随着绝缘内部局部放电的发生,将伴随着如光、热、噪音、电脉冲、 介质损耗的增大和电磁波放射等现象的发生。 这种放电可能出现在固体绝缘的空穴中, 也可 能在液体绝缘的气泡中, 或不同介电特性的绝缘层间, 或金属表面的边缘尖角部位。 所以以 放电类型来分,大致可分为绝缘材料内部放电、表面放电及电晕放电。

(1内部放电

在电气设备的绝缘系统中, 各部位的电场强度往往是不相等的, 当局部区域的电场强度 达到电介质的击穿场强时, 该区域就会出现放电, 但这种放电并没有贯穿施加电压的两导体 之间, 即整个绝缘系统并没有击穿, 仍然保持绝缘性能, 发生在绝缘体内的称为内部局部放 电。

当绝缘介质内出现局部放电后, 外施电压在低于起始电压的情况下, 放电也能继续维持。

该电压在理论上可比起始电压低一半, 也即绝缘介质两端的电压仅为起始电压的一半, 这个 维持到放电消失时的电压称之为局放熄灭电压。 而实际情况与理论分析有差别, 在固体绝缘 中,熄灭电压比起始电压约低 5%-20%。在油浸纸绝缘中,由于局部放电引起气泡迅速形 成, 所以熄灭电压低得多。 这也说明在某种情况下电气设备存在局部缺陷而正常运行时, 局 部放电量较小, 也就是运行电压尚不足以激发大放电量的放电。 当其系统有一过电压干扰时, 则触发幅值大的局部放电, 并在过电压消失后如果放电继续维持. 最后导致绝缘加速劣化及 损坏。

(2表面放电

如在电场中介质有一平行于表面的场强分量,当其这个分量达到击穿场强时,则可能 出现表面放电。 这种情况可能出现在套管法兰处、 电缆终端部, 也可能出现在导体和介质弯 角表面处, 见图 3-3。 内介质与电极间的边缘处, 在 r 点的电场有一平行于介质表面的分量, 当电场足够强时则产生表面放电。在某些情况下,可以计算空气中的起始放电电压。

图 3-3 介质表面出现的局部放电

图 3-4 表面局部放电波形

表面局部放电的波形与电极的形状有关,如电极为不对称时,则正负半周的局部放电 幅值是不等的,见图 3-4。当产生表面放电的电极处于高电位时,在负半周出现的放电脉冲 较大、较稀;正半周出现的放电脉冲较密,但幅值小。此时若将高压端与低压端对调,则放 电图形亦相反。

(3电晕放电

电晕放电是在电场极不均匀的情况下, 导体表面附近的电场强度达到气体的击穿场强时 所发生的放电。 在高压电极边缘, 尖端周围可能由于电场集中造成电晕放电。 电晕放电在负 极性时较易发生,也即在交流时它们可能仅出现在负半周。电晕放电是一种自持放电形式, 发生电晕时, 电极附近出现大量空间电荷, 在电极附近形成流注放电。 现以棒—板电极为例 来解释,在负电晕情况下,如果正离子出现在棒电极附近,则由电场吸引并向负极运动,离 子冲击电极并释放出大量的电子, 在尖端附近形成正离子云。 负电子则向正极运动, 然后离 子区域扩展,棒极附近出现比较集中的正空间电荷而较远离电场的负空间面电荷则较分散, 这样正空间电荷使电场畸变。因此负棒时,棒极附近的电场增强,较易形成。

在交流电压下,当高压电极存在尖端,电场强度集中时,电晕一般出现在负半周,或 当接地电极也有尖端点时,则出现负半周幅值较大,正半周幅值较小的放电。