局部放电原理

局部放电的产生机理高压电力设备绝缘内部由于各种原因,存在一些气泡、杂质等。这些气泡、杂质、导体的毛刺等，就是发生局部放电的根源。一、绝缘内部含有气泡、杂质的等值电路一个平行板电容器含有一个气泡，如图1-1（a）所示，而对应的等值电路图如图1-1（b）所示。abbcatcCbCcRbRaCaR（a）（b）图1-1局部放电的等效电路（a）含有一个气泡的试样（b）等效电路图1-1（b）中cC、cR代表气泡的电容、电阻；bC、bR代表与气泡串联介质的电容、电阻；aC、aR代表其他介质的电容电阻。由于每次放电时间大约为10-8-10-7s，是频率很高的脉冲信号，所以，这个信号在上述等值电路中的响应，不需要考虑电阻bcaRRR、、的作用，在等值电路中将其省去，等值电路将由abcCCC、、所组成。下面局部放电分析将以纯电容组成的等值电路为例。二、局部放电分析当平行板电容器电极加上交流工频电压时，气泡上的电容cC、bC分压，并随外施电压变化而变化，如图1-2（a）中虚线'cu所示。当'cu的值足够大时，气泡上的瞬时电压cu达到击穿电压cBu，气泡发生放电，并使气泡中气体电离，产生正负离子或电子。这些带电的质点在电场的作用下，迁移到气泡壁上，形成与外加电压相反的内部电压cu，如图1-2（b）所示。这时气泡上的总电压是两者叠加的结果，即气泡上的总电压ru=cBu-cucBu。图1-2局部放电过程的示意图（a）气泡上的电压；（b）气泡中放电产生的反向电压；（c）放电的脉冲信号当rucBu时，气泡放电就停止。由于一次放电时间很短，在图1-2（c）中可以看作cBu突然降到ru。以后气泡上电压又随外加电压升高而增大，直到重新达到cBu，出现第二次放电。这样在1/4周期内可能出现多次放电。假定每次放电建立的cu都相等，而且这些积累的电荷都不会泄露掉，则n次放电建立的反向电压为-ncu。当反向电压超过峰值后下降到'1cu，并满足'1cccBnuuucBu是气泡的反向击穿电压。通常气泡是对称的，cBu=cBu时，气泡又重新击穿放电。这次放电所产生的带电离子或电子迁移方向和前面放电时迁移方向相反，于是带电质点到达气泡壁时，中和掉原来的积累电荷，使内部建立的电压减少了cu。这时'1(1)cccBnuuu，气泡放电又停止。直到气泡上的外加电压下降到'2cu，满足下列条件时，气泡又发生放电'2(1)cccBnuuu当外加电压过零时，气泡上所积累的电荷全部被中和掉。下半周又开始和上半周一样的放电过程，1/4周期出现n次放电脉冲。上面分析放电过程是在理想的情况下，局部放电产生的脉冲，但实际情况和理想情况有很大的区别。首先，实际情况放电脉冲不会那样对称、整齐，而是大小不同；正负半周也不会完全相同。因为实际放电不只是一个气泡放电，可能多个气泡放电；实际情况放电不止一处，可能多处；实际情况每次放电也不会都一样，而且多处放电更不会一样。但是放电在正负半周内基本上是一样的、对称的，如图1-3所示。其次，实际上在外加电压刚达到起始放电时，放电脉冲只出现在瞬时电压绝对值上升靠近峰值附近，大约4590和225270间，而在第二和第四象限几乎看不到放电脉冲。随着电压升高，放电变得很剧烈，放电脉冲才向过零点扩展。这是因为气泡壁的电阻不是无限大，在放电气体电离时，气泡壁电阻将明显下降，使积累电荷泄露，由它建立的反向电压就达到气泡的击穿。所以，在外加电压瞬时下降，即二、四象限内，就不一定出现放电脉冲。只有放电很剧烈时，产生大量的放电电荷，且每次放电时间很短，放电才有可能扩展到二、四象限内。图1-3内部气泡放电图形三、局部放电的参数及其关系（一）放电起始电压及熄灭电压试品上外加电压从零升起，开始时看不到局部放电，在升压过程中从实验装置上观察到局部放电量超过某一规定值的最低电压，称为局部放电起始电压u𝑖。当试品上的外加电压从超过局部放电起始电压的较高值逐渐下降时，局部放电量小于某一规定值的最高电压称为局部放电熄灭电压u𝑒。（二）局部放电量和视在放电量的关系在局部放电时，介质内部移动的电荷，称为实际放电量。因为实际放电是在介质内部进行，其放电量是无法测量的。但每局部放电一次，气泡上电压下降一个∆u𝑐，也就是电容C𝑏上电压增加一个∆u𝑐，随着电压增加，必须供给一个电荷增量q，称q为介质视在放电量，它可由专门仪器测量。测量时模拟实际放电的瞬变电荷注入试样施加外加电压的两端，在此两端出现的脉冲电压与局部放电时相同，则注入的电荷即为视在放电电荷量，也称为视在放电量q，单位为PC。在一个试样中可能同时出现大小不同的视在放电量，但把稳定出现的最大视在放电量称为局部放电的放电量。实际放电量与视在放电量存在一定的关系。气泡放电时实际放电量为𝑞𝑐。由于𝑞𝑐的存在，气泡上的电压变化为∆u𝑐，则uabcccabCCqCCC（）上式中abCC，()cccbqUCC（1-1）局部放电一次时间很短，远小于电源回路的时间常数，及电源来不及补充电荷，而使𝐶𝑎上电荷进行补充。𝐶𝑎两端出现电压变化∆u𝑎，𝐶𝑏上也有电压变化∆u𝑏，abacabaabbCCCuuuuuCC这时试样两端电荷变化量即为视在放电量()abaaacbbcCCquCuCCC（1-2）将公式（6-1）代入（6-2）得bacbcCqqCC（1-3）由公式（1-3）说明，视在放电量q𝑎总小于实际放电量q𝑐。（三）放电能量局部放电消耗能量可能是介质老化的原因之一，常把放电能量作为衡量局部放电的一个参数。一次局部放电能量为W0.7iWqu（1-4）式中q—视在放电量iu—放电起始电压（有效值）由式（1-4）说明，一次放电能量与视在放电能量q有简单的关系式，测出起始放电电压iu就可以计算出放电所产生的能量W，也可表明放电强度。（四）放电重复率放电时，每秒放电脉冲次数，称为放电重复率。当外施电压升高时，局部放电次数也增加，放电重复率也随之增加。（五）平均放电电流I局部放电的时间间隔T内，通过视品二端的电荷绝对值的和除以T，称为局部放电电流I，即1()InqT（六）放电功率P在一段时间内由于局部放电在视品二端测出的平均功率P，称为放电功率，用W表示。