局部放电基本特性

第2章局部放电基本特性11第2章局部放电基本特性2.1局部放电的机理2.1.1气隙放电等值电路绝缘介质内部含有一个气隙时的放电情况是最简单的，如图1.1(a)所示。图中c代表气隙，b是与气隙串联部分的介质，a是除了b之外其他部分的介质。假定这一介质是处在平行板电极之中，在交流电场作用下气隙和介质中的放电过程可以用图l.1(b)所示的等效电路来分析。假定在介质中的气隙是扁平状而且是与电场方向相垂直，则按电流连续性原理可得bbccYUYU（2.1）式中cU、bU分别气隙和介质上的电压,Yc、Yb分别为气隙和介质的等效电导。工频电场中若c和b均小于10－11(·m)-1，则气隙和b部分绝缘上的电压的数值关系可简化为)()()(2222dCCCCUUuucbcbccbbbcbc（2.2）式中c、b分别为气隙和绝缘介质的相对介电常数，气隙和介质中的电场强度Ec、Eb的关系为cbbCbcduuEE)(（2.3）由式（2.3）可见：(1)气隙放电在工频电场中气隙中的电场强度是介质中电场强度的cb倍。通常情况下1c，而1b，即气隙中的场强要比介质中的高，而另一方面气体的击穿场强一般都比介质的击穿场强低，因此，在外加电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道。(2)油隙放电在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电缆、油纸电容器、油纸套管等，U+cbbaadCcCbRcRbCaRaUucubδ－气隙厚度d－整个介质的厚度Rc、Cc－气泡的电阻和电容Rb、Cb－与气泡串联部分介质的电阻和电容Ra、Ca一其余部分介质的电阻和电容图2.1含有单气隙的绝缘介质，（a）绝缘介质中的气隙，（b）放电等效电路（a）（b）局部放电及其测量12由于在制造中采取了真空干燥浸渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙，但却不可避免地存在着充满绝缘油的间隙，这些油的介电常数通常也比固体介质为小，而击穿场强又比固体介质为低，因此，在油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高得多的电场强度下才会发生。(3)在介质中极不均匀电场分布的情况下，即使在介质中不含有气隙或油隙，只要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。例如埋在介质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其它金属屑等异物附近的电场强度要比介质中其他部位的电场强度高得多。当此处局部电场强度达到介质本征击穿场强时，则介质局部击穿而形成了局部放电。2.1.2放电过程在气隙发生放电时，气隙中的气体产生游离，使中性分子分离为带电的质点，在外加电场作用下，正离子沿电场方向移动，电子(或负离子)沿相反方向移动，于是这些空间电荷建立了与外施电场方向相反的电场(如图2.2（a）所示)，这时气隙内的实际场强为u++++E内E外uC(a)(b)uumu3u2u1qttuc0us-us-urur1234图2.2放电过程示意图（a）绝缘介质内气隙放电空间电荷分布（b）外部电压u、空间电荷q、气隙电压uc的时间变化图第2章局部放电基本特性13内外EEEc(2.4)即气隙上的电场强度下降了E内，或者说气隙上的电压降低了Uc。于是气隙中的实际场强低于气体击穿场强ECB，气隙中放电暂停。在气隙中发生这样一次放电过程的时间很短，约为10-8数量级，在油隙中发生这样一次放电过程的时间比较长，可达10-6数量级。如果对照图2.2（b）分析放电过程，外施电压是正弦交流电压，当电压瞬时值上升使得气隙上的电压uc达到气隙的击穿电压UCB时，气隙发生放电。由于放电的时间极短，可以看作气隙上的电压由于放电而在瞬间下降了uc，于是气隙上的实际电压低于气隙的击穿电压，放电暂停（这相应于图2.2(b)中的点1）。此后气隙上的电压随外加电压瞬时值的上升而上升，直到气隙上的电压又回升到气隙的击穿电压UCB时，气隙又发生放电，在此瞬间气隙上的电压又下降uc，于是放电又暂停。假定气隙表面电阻很高，前一次放电产生的空间电荷没有泄漏掉，则这时气隙中放电电荷建立的反向电压为-2uc。依此类推如果在外加电压的瞬时值达到峰值之前发生了n次放电，每次放电产生的电荷都是相等的，则在气隙中放电电荷建立的电压为-nuc。在外加电压过峰值后，气隙上的外加电压分量u外逐渐减小，当u外=nuc时，气隙上的实际电压为零(图2.2(b)中点2)。外施电压的瞬时值继续下降，当u外-nuc=UCB时，即气隙上实际的电压达到击穿电压时，气隙又发生放电，不过放电电荷移动的方向决定于此前放电电荷所建立的电场E内，于是减少了原来放电所积累的电荷，使气隙上的实际电压为u外-nucUCB时，于是放电暂停(相应图2.2(b)中的点3)。此后随外施电压继续下降到负半周，当重新达到-u外-(n-1)uc=UCB时，气隙又发生放电，放电后气隙上的电压为-u外-(n-2)ucUCB，放电又停止。依此类推直到外加电压达到负峰值，这时气隙中放电电荷建立的电压为nuc。随着电压回升，在一段时间内u外+nucUCB不会出现放电，直到u外+nuc=UCB时气隙又发生放电。放电后气隙上的电压为u外+(n-1)ucUCB，于是放电又暂停(相应图2.2(b)中点4)。此后随着外加电压升高放电又继续出现。由此可见，在正弦交流电压下，局部放电是出现在外加电压的一定相位上，当外加电压足够高时在一个周期内可能出现多次放电，每次放电有一定间隔时间。2.2表征局部放电的参数局部放电是比较复杂的物理现象，必须通过多种表征参数才能全面地描绘其状态。在气隙中产生局部放电时，气隙中的气体分子被游离而形成正负带电质点，在一次放电中这些质点所带的正或负电荷总和称为实际放电量qr。根据图2.1(b)所示的等效电路可以推算出，由于Cc上电荷改变了qr所引起的Cc上的电压变化Δuc。)/(babacrcCCCCCqu（2.5）通常气隙总是很小的，且CaCb，因此上式可写作bcrcCCqu(2.6)由于气隙经常是处于介质内部，因而无法直接测得qr或ΔUc。但根据图2.1(b)所示的等效局部放电及其测量14电路当Cc上有电荷变化时，必然会反映到Ca上电荷和电压的变化，即试样两端出现电荷和电压的变化，因此可以根据这种变化来表征局部放电。通常有以下表征局部放电的参数。一、视在放电电荷视在放电电荷是指产生局部放电时，一次放电在试样两端出现的瞬变电荷。根据图2.1(b)所示的等效电路，并考虑到介质电阻Ra、Rb以及气隙电阻Rc都很大，而局部放电的放电时间又极短，可以假定在放电过程中，一方面电源来不及供给补充电荷，另一方面各个电容上的电荷也没有泄漏掉。因此当气隙放电而造成Cc上电压下降Δuc时，各电容上的电荷重新分配，因此Ca上的电压也下降了Δua，且abcabbcaCCuCCCuu(2.7)这时Ca上的电荷变化为aabcbcaaaCuCCCCCuq)]/([(2.8)将(2.7)代入上式可得cbaUCq(2.8)将(2.6)代入上式得bcbraCCCqq(2.9)其中qa就是视在放电电荷，(2.9)表明了视在放电电荷与实际放电电荷的关系，可以看到：（1）通常气隙是很薄的，即CcCb，因此qa往往比qr小得多；（2）应当注意，真正代表放电大小的是qr，只有在Cb/(Cb+CC)相同时才能通过qa的大小来比较实际放电的大小；（3）两个视在放电量qa相同的产品，如果Cb/(Cb+CC)差别很大，则qa的差别也很大，因此，对材料的破坏作用也就可能大不相同。这点在局部放电的实际测试中要做具体分析。二、放电重复率放电重复率是指单位时间内局部放电的平均脉冲个数。通常以每秒放电次数来表示。从图2.2可以看出，假定气隙中每次放电后残留的电压ur可以忽略，则在外施电压的1/4周期内放电的次数约为cbbBmBcmCCCcUucUun（2.10）式中ucm为气隙中不放电时电压的峰值。如果外施电压的频率为f，则一秒钟内放电次数为cbbBmCCCcUuffnN44（2.11）在气隙中的放电次数与反映到试样两端电压脉冲的次数是完全相等的，但要注意的是实际测量中脉冲计数器需要大于一定电平的信号才能触发计数，因此，测得的放电次数只是放电量大于一定值或在一定范围的放电次数。三、放电的能量放电能量是指在一次放电中所消耗的能量。单位用焦耳表示(J)。假定在气隙中发生放电时，气隙上的电压从UCB下降到零，即Δuc=UCB。则在这一次放电中消耗的能量为第2章局部放电基本特性1522)(21)]/([2121cbccbabaccruCCuCCCCCuqW（2.12）设当气隙上的电压达到UCB时，施加在试样两端的电压峰值为uim（即起始放电电压的峰值），则bcbimCBcCCCuUu（2.13）将上式代入式（2.12）得aimcbimquuCuW2121（2.14）上式表明放电能量为视在放电电荷与起始放电电压（峰值)乘积的一半。同时也是实际放电电荷和气隙的击穿电压乘积的一半。四、放电的平均电流平均电流是指在一定时间间隔T内视在放电电荷绝对值的总和除以时间间隔T。][121amaaqqqTI（2.15）当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，放电的平均电流I为安培（A）。五、放电的均方率均方率是指在一定时间间隔T内视在放电电荷的平方之和除以时间间隔T。][122221amaaqqqTD（2.16）当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，均方率D的单位为C2/s。六、放电功率放电功率是指局部放电时，从试样两端输入的功率，也就是在一定时间内视在放电电荷与相应的试样两端电压的瞬时值之乘积除以时间间隔T。][12211mamaauququqTP（2.17）当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，放电功率P的单位为W。七、局部放电起始电压Ui局部放电起始电压是指试样产生局部放电时，在试样两端施加的电压值。在交流电压下用有效值表示。在实际测量中，施加电压必须从低于起始放电的电压开始，按一定速度上升。同时，为了能在灵敏度不同的测试装置上所测的起始电压进行比较，一般是以视在放电电荷超过某一规定值时的最小电压值为起始放电电压。八、放电的熄灭电压Ue放电熄灭电压是指试样中局部放电消失时试样两端的电压值。在交流电压下是以有效值来表示。在实际测量中电压应从稍高于起始放电电压值开始下降。为了能在不同灵敏度的测试装置上测得的放电熄灭电压进行比较，一般是以视在放电电荷低于某一规定值时的最高电压为放电熄灭电压。局部放电及其测量16上述八个表征局部放电的参数中，视在放电电荷、放电重复率和放电能量是基本的表征参数。平均电流、均方率和放电功率是表征放电量和放电次数的综合效应，并且是在一定时间内局部放电累积的平均效应。放电起始电压和熄灭电压则是以施加在试样两端的电压特征值来表示局部放电起始和熄灭的。2.3影响局部放电的因素局部放电的特性与很多因素有关。如介质和气隙（油隙）的特性、形状、尺寸，电场的均匀程度，外施电压的波形以及环境条件等。它们都是影响局部放电特性各参数的因素。一、影响视在放电电荷的因素由前述可知CBcbcbaUdAUCq)(（2.18）式中=0.1~0.8，表示当气隙比较大时，每次放电只是发生在一部分气隙面积当中。因此实际放电的面积应以·A来表示，其中A为气隙的面积。从(2.18)可以看出：1、气隙面积增大时，qa也增大；2、当外加电压升高时，值增大，即实际放电面积增大，qa也增大。如果介质中存在多个气隙，则电压升高时就会有更多的气隙同时放电，这时qa增加更为明显；3、气隙的击穿电压增高，qa也增大。在气隙中气体的性质和气体的压力都会影响气隙的击穿电压。在同样尺寸的间隙中，油的击穿电压比气体高一到二个数量级。所以油隙的放电量一般比气隙的放电量大1~2个数