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局部放电测量技术资料汇编杭州西湖电子研究所1一、局部放电测量基础第一节局部放电的特性1.1.基本概念1.1.1.局部放电的定义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该区域介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但这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，这种现象称为局部放电。发生在绝缘体内的称为内部局部放电；发生在绝缘体表面的称为表面局部放电；发生在导体边缘而周围都是气体的，可称为之为电晕。1.1.2.产生局部放电的原因造成电场不均匀的因素很多。①电气设备的电极系统不对称，如针对板、圆柱体等。在电机线棒离开铁心的部位、变压器的高压出线端，电缆的末端等部位电场比较集中，不采取特殊的措施就容易在这些部位首先产生放电；②介质不均匀，如各种复合介质；气体—固体组合、不同固体组合等。在交变电场下，介质中的电场强度是反比于介电常数的，因此介电常数小的介质中电场强度就高于介电常数大的；绝缘体中含有气泡或其他杂质。气体的相对介电常数接近于1，各种固体、③液体介质的相对介电常数都要比它大1倍以上，而固体、液体介质的击穿场强一般要比气体介质的大几倍到几十倍，因此绝缘体中有气泡存在是产生局部放电的最普遍原因。绝缘体内的气泡可能是产品制造过程残留下的，也可能是在产品运行中由于热胀冷缩在不同材料的界面上出现了裂缝，或则因绝缘材料老化而分解出气体。此外，在高场强中若有电位悬浮的金属存在，也会在其边缘感应出很高的场强。在电气设备的各连接处，如果接触不好，也会在距离很微小的两个接点间产生高场强；这些都可能造成局部放电。局部放电会逐渐腐蚀、损坏绝缘材料，使放电区域不断扩大，最终导致整个绝缘体击穿。因此，必需把局部放电限制在一定水平之下。高电压电工设备都把局部放电的测量列为检查产品质量的重要指标，产品不但出厂时要做局部放电试验，而且在投入运行之后还要经常进行测量。1.2.局部放电的类型局部放电是一种复杂的物理过程，有电、声、光、热等效应，还会产生各种生成物。从电学特性方面分析，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。最引人注目的是反映到试品施加电压的两端，有微弱的脉冲电压出现。这个脉冲信号可以通过一个简单的模型和等效电路来说明，如图1-1所示。图1-1a是模拟一个含有一个小气泡的绝局部放电测量技术资料汇编杭州西湖电子研究所2缘体，图中c是绝缘体中的小气泡；b是与气泡串联的部分介质；a是其他部分介质。从电路的观点来分析，可以用图1-1b所示等效电路来表示；图中Cc、Rc并联代表气泡c的阻抗；Cb、Rb并联代表部分的阻抗；Ca、Ra并联代表a部分的阻抗。由于一次放电时间很短（10-9—10-7s），在分析放电过程中这种高频信号的传递时，可以把电阻都忽略，只考虑Cc、Cb、Ca组成的等效回路。图1-1局部放电的等效分析图a)简单模型b)等效电路1.2.1.内部局部放电如图1-1a所示，当工频高压施加与这个绝缘体的两端时，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cu就随外加电压的变化而变化。若外加电压足够高，则当cu上升到气泡的击穿电压CBu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电压cu-D，如图1-2所示，这时气泡上的剩余电压ru应是两者的叠加结果rCBcCBuuuu=-D(1-1)即气泡上的实际电压小于气泡的击穿电压，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CBu时，又出现第二次放电。第二次放电过程产生的空间电荷，同样又建立起反向电压cuD，假定第一次的放电累积的电荷都没有泄漏掉，这时气泡中反向电压为2cu-D；又使气泡上实际的电压下降到ru，于是放电又暂停。之后气泡上的电压又随外加电压上升而上升，当它达到CBu时又产生放电。这样在外加电压达到峰值前，若放电n次，则放电产生的空间电荷所建立的内部电压为cnu-D。在外加电压过峰值后，cu开局部放电测量技术资料汇编杭州西湖电子研究所3始下降，当气泡上的电压达到CBu-时，即ccCBnuuu-D+=-(1-2)时，气泡又发生放电，但这时放电产生的空间电荷的移动方向，决定于内部空间电荷所建立的电场方向，于是中和掉一部分原来累积的电荷，使内部电压减少了一个cuD。气隙上的电压降达到ru-时，放电又暂停。之后气隙上的电压又随外加电压下降向负值升高，直到重新达到CBu-时，放电又重新发生。假定每次放电产生的cuD都一样，并且CBCBuu=-，则当外加电压（瞬时值）过零时放电产生的电荷都消失，于是在外加电压的下半周期，重新开始一个新的放电周期。通常介质内部气泡的放电，在正负两个半周内基本上是相同的，在示波屏上可以看到正负半周放电脉冲基本上是对称的图形，如图1-3所示。图1-2放电过程示意图uc－气泡上的电压，us－放电产生的反向电压，up－放电产生的脉冲信号图1-3介质内部气泡的放电图形从实际测得的放电图可以看出，放电没有出现在试验电压的过峰值的一段相位上，这与上述放电过程的解释是相符的，但每次放电的大小，即脉冲的高度并不相等，而且放电多是局部放电测量技术资料汇编杭州西湖电子研究所4出现在试验电压副值绝对值的上升部分的相位上，只有在放电很剧烈时，才会扩展到电压绝对值下降部分的相位上，这可能是由于实际试品中往往存在多个气泡同时放电，或者是只有一个大气泡，但每次放电不是整个气泡表面上都放电，而只有其中的一部分，显然每次放电的电荷不一定相同，何况还可能在反向放电时，不一定会中和掉原来累积的电荷，而是正负电荷都累积在气泡壁的附近，由此产生沿气泡壁的表面放电。另外气泡壁的表面电阻也不是无限大，放电时气泡中又会产生窄小的导电通道，这都使得一部分放电产生的空间电荷泄漏掉，累积的反向电压要比n△u小得多，如果||||CBnuu-D-，则在电压的下降部分的相位上就不会出现放电。这些实际情况就使得实际的放电图形与理论上分析的不完全一样。1.2.2.表面局部放电绝缘体表面的局部放电过程与内部放电过程是基本相似的，如图1-4所示。只要把电极与介质表面之间发生放电的区域所构成的电容记为Cc，与此放电区域串联部分介质的电容记为Cb，其他部分介质的电容记为Ca，则上述的等效电路及放电过程同样适用于表面局部放电。不同的是现在的气隙只有一边是介质，而另一边是导体，放电产生的电荷只能累积在介质的一边，因此累积的电荷少了，更不容易在外加电压绝对值的下降相位上出现放电。另外，如果电极系统是不对称的，放电只发生在其中的一个电极的边缘，则出现在放电图形是不对称的.当放电的电极是接高压、不放电的电极是接地时，在施加电压的负半周是放电量少，放电次数多；而正半周是放电量大，而次数少，如图1-4b所示。这是因为导体在负极性时容易发射电子，同时正离子撞击阴极产生二次电子发射，使得电极周围气体的起始放电电压低，因而放电次数多而放电量小。如果将放电的电极接地，不放电的电极接高压，则放电的图形也反过来，即正半周放电脉冲是小而多，负半周放电脉冲是大而少。若电极是对称的，即两个电极边缘场强是一样的，那么放电的图形也是对称的，即正负两半周的放电基本上相同。图4-4表面局部放电图a)放电模型b)放电图形1.2.3.电晕放电电晕放电是发生在导体周围全是气体的情况下，气体中的分子是自由移动的，放电产生局部放电测量技术资料汇编杭州西湖电子研究所5的带电质点也不会固定在空间的某一位置上，因此放电过程与上述固体或液体绝缘中含有气泡的放电过程不同。以针对板的电极系统为例，如图1-5a所示，在针尖附近就发生放电，由于在负极性时容易发射电子，同时正离子撞击阴极发生二次电子发射，使得放电总是在针尖为负极性时先出现，这时正离子很快移向针尖电极而复合，电子在移向平板电极过程中，附着于中性分子而成为负离子，负离子迁移的速度较慢，众多的负离子移向平板电极，或外加电压上升，针尖附近的电场又升高到气体的击穿场强，于是又出现第二次放电。这样，电晕的放电脉冲就出现在外加电压负半周的90°相位的附近，几乎是对称于90°，出现的放电脉冲几乎是等幅值、等间隔的，如图1-5b所示。随着电压的提高，放电的大小几乎不变，而次数增加。当电压足够高时，在正半周也会出现少量幅值大的放电。正负半周波形是极不对称的，如图1-5c所示。图4-5电晕放电图a)放电模型b)起始放电时c)电压很高时1.2.4.放电树放电树也是由于绝缘介质中的缺陷而产生的。当放电树产生了一段时间后，它的“茎”和大的枝杆就会变成中空，在这些中空的区域里会产生大量的局部放电进而形成内部放电并会在相当短的时间里就造成绝缘击穿。以上几种放电是电工和电子设备中最基本的放电。实际的局部放电过程要复杂得多，往往是上述几种典型放电的综合表现。例如油纸绝缘结构中，气泡放电和油隙放电的内部放电可能同时存在；即使是单纯的气泡放电，气泡的大小、数量和位置也是经常变化的。试品的表面放电及导体尖端的电晕放电也可能同时出现。此外，在电工设备中有可能出现导体联接不好而产生的接触不良的放电，以及金属体没有点的联接，成为一个浮动电位体而产生的感应放电等。1.3.表征局部放电的参数1.3.1.视在放电电荷（q）在绝缘体中发生局部放电时，绝缘体上施加电压的两端出现的脉动电荷称为视在放电电局部放电测量技术资料汇编杭州西湖电子研究所6荷。视在放电电荷的大小是这样测定的：将模拟实际放电的已知瞬变电荷注入试品的两端（施加电压的两端），在此两端出现的脉冲电压与局部放电时产生的脉冲电压相同，则注入的电荷量即为视在放电电荷量。单位用皮库（pC）表示，在一个试品中可能出现大小不同的视在放电电荷，通常以稳定出现的最大的视在放电电荷作为该试品的放电量。视在放电电荷q与放电处（如气泡内）实际放电电荷qc之间的关系，可以通过等效电路图1-1b推出。当气泡中产生放电时，气泡上的电压变化为ucD，这时气泡两端电荷的变化即实际放电电荷abcccabCCqUCCC骣琪=D+琪+桫式中各符号见图1-1b，通常abCC所以()ccbqcuCC=D+（1-3）由于一次放电过程时间很短，远小于电源回路的时间常数，即电源来不及补充电荷，因而Ca、Cb上的电荷要重新分配，使Ca两端电压变化为,abUCD上的电压变化为△Ub，显然abacabaabbCCCUUUUUCC+D=D+D=D籇试品两端瞬变的电荷即视在放电电荷()cbaaaaacbcbCCqUCUCUCCC=D+籇籇+（1-4）代入式（1-3）得CbqaqcCbCc=+（1-5）由此可见，视在放电电荷总比实际放电电荷小。在实际产品测量中，有时放电电荷只有实际放电电荷的几分之一甚至几十分之一。1.3.2.放电重复率（放电次数）在测量时间内，每秒钟出现放电次数的平均值称为放电重复率，单位为次/s，实际上受到测试系统灵敏度和分辨能力的限制，测得的放电次数只能是视在放电电荷大于一定值、放电间隔足够大时的放电脉冲。局部放电测量技术资料汇编杭州西湖电子研究所7从图1-2可以看出，放电重复率可以大致估算如下：4mrCBruuNfuu骣-琪=琪-桫（1-6）式中f----外加电压的频率（Hz）。其他符号如图1-2所示。1.3.3.放电能量（w）气泡中每一次放电发生的电荷交换所消耗的能量称为放电能量，通常以微焦耳（12Jm）为单位。气泡放电时，气泡上的电压由CB下降到ur，相应的能量变化()()221212CBrcbCBcCaCaWCcuuCaCbCCuu骣琪=+-琪+桫?D（1-7）设外加电压上升到幅值为uim时，出现放电，将imbCBbcuCuCC=+代入上式，可得1()2210.722iimiquimWCcCbCbucCbCcUuqqU=+D+?=(1-8)式中Ui---------外加电压的有效值。在起始放电电压下，每次放电所消耗的能量，可用外加电压的幅值或有效值与视在放电电荷的乘积来表示。当施加电压高于起始放电