局部放電特征及原理

一、局部放電的特征

局部放電是指發生在電極之間但并未貫穿電極的放電，它是由于設備絕緣內部存在弱點或生產過程中造成的缺陷，在高電場強度作用下發生重復擊穿和熄滅的現象。它表現為絕緣內氣體的擊穿、小范圍內固體或液體介質的局部擊穿或金屬表面的邊緣及尖角部位場強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備的絕緣強度。但若電氣設備絕緣在運行電壓下不斷出現局部放電，這些微弱的放電將產生累積效應會使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴大，*后導致整個絕緣擊穿。

局部放電是一種復雜的物理過程，除了伴隨著電荷的轉移和電能的損耗之外，還會產生電磁輻射、超聲波、光、熱以及新的生成物等。從電性方面分析，產生放電時，在放電處有電荷交換、有電磁波輻射、有能量損耗。*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。如果絕緣中存在有氣泡，當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達到氣泡的擊穿電壓，則氣泡上的電壓*隨外加電壓的變化而變化。若外加電壓足夠高，即上升到氣泡的擊穿電壓時，氣泡發生放電，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部電壓，這時氣泡上剩余電壓應是兩者疊加的結果，當氣泡上的實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，直到重新到達其擊穿電壓時，又出現第二次放電，如此出現多次放電。當試品中的氣隙放電時，相當于試品失去電荷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備的工作原理，*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、局部放電的機理

1．局部放電的發生機理

局部放電的發生機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的放電現象，可以看成是在導體之間串聯放置著2個以上的電容，其中一個發生了火花放電。按照這樣的考慮方法，將電極組合的等值回路如圖所示。

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（比如氣泡）的電容；Cb：是和Cg串聯的絕緣物部分的電容；Cm：除了Cb和Cg以外的電極之間的電容。

設電極間總的電容為Ca，則

                  （3-1）

在這樣的等值回路中，當對電極間施加交流電壓Vt（瞬時值）時，在Cg上不發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達到Cg的火花電壓vp時，在Cg上*產生火花放電。這時，Cg間的電壓和式中的vt逐漸發生差異，如設它為vg由于放電的原因，vg迅速地從vp下降到vr（剩余電壓）。現設在Cg間，經過t秒后放出的電荷為Q（t），則

                （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。當將這些量表示成時間的函數時，成為圖3-2的曲線。

圖3-2 Cg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)局部放電的試驗電壓。它是指在規定的試驗程序中施加的規定電壓，在此電壓下，試品不呈現超過規定量值的局部放電。

(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，直至在試驗測試回路中觀察到產生這個放電值的*低電壓。實際上，起始電壓ui是局部放電量值等于或超過某一規定的低值的*低電壓。

(5)局部放電熄滅電壓Ve。當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，直至在試驗測量回路中觀察不到這個放電值的*低電壓。實際上，熄滅電壓ue是局部放電量值等于或小于某一規定值時的*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。

根據式（3-5），各個局部放電脈沖的放電電荷為

                    （3-6）

設，，則可得

                               （3-7）

應用式（3-4）及式（3-6），各個局部放電的能量為

        （3-8）

設（即），，則可得

                             （3-9）

其次，設由于局部放電引起試品電極間的電壓變化為，則

                      （3-10）

利用式（3-6），消去，可得

                   （3-11）

引入新的參數q

                            （3-12）

利用式（3-1），經過變換后，可寫成下列形式

               （3-13）

從電極間來看，*好像是q的電荷已經放掉一樣，發生了的電壓變化。

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）

現設，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成為下列形式。

                         （3-17）

當時，w近似為

                                  （3-18）

即，對于單一氣泡放電的情況，若能測量局部放電起始電壓和q的話，*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備絕緣內部存在的弱點，在一定外施電壓下發生的局部的和重復的擊穿和熄滅現象。隨著絕緣內部局部放電的發生，將伴隨著如光、熱、噪音、電脈沖、介質損耗的增大和電磁波放射等現象的發生。這種放電可能出現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，或金屬表面的邊緣尖角部位。所以以放電類型來分，大致可分為絕緣材料內部放電、表面放電及電暈放電。

（1）內部放電

在電氣設備的絕緣系統中，各部位的電場強度往往是不相等的，當局部區域的電場強度達到電介質的擊穿場強時，該區域*會出現放電，但這種放電并沒有貫穿施加電壓的兩導體之間，即整個絕緣系統并沒有擊穿，仍然保持絕緣性能，發生在絕緣體內的稱為內部局部放電。

當絕緣介質內出現局部放電后，外施電壓在低于起始電壓的情況下，放電也能繼續維持。該電壓在理論上可比起始電壓低一半，也即絕緣介質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。而實際情況與理論分析有差別，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備存在局部缺陷而正常運行時，局部放電量較小，也*是運行電壓尚不足以激發大放電量的放電。當其系統有一過電壓干擾時，則觸發幅值大的局部放電，并在過電壓消失后如果放電繼續維持．*后導致絕緣加速劣化及損壞。

（2）表面放電

如在電場中介質有一平行于表面的場強分量，當其這個分量達到擊穿場強時，則可能出現表面放電。這種情況可能出現在套管法蘭處、電纜終端部，也可能出現在導體和介質彎角表面處，見圖3-3。內介質與電極間的邊緣處，在r點的電場有一平行于介質表面的分量，當電場足夠強時則產生表面放電。在某些情況下，可以計算空氣中的起始放電電壓。

圖3-3 介質表面出現的局部放電

圖3-4表面局部放電波形

表面局部放電的波形與電極的形狀有關，如電極為不對稱時，則正負半周的局部放電幅值是不等的，見圖3-4。當產生表面放電的電極處于高電位時，在負半周出現的放電脈沖較大、較稀；正半周出現的放電脈沖較密，但幅值小。此時若將高壓端與低壓端對調，則放電圖形亦相反。

（3）電暈放電

   電暈放電是在電場極不均勻的情況下，導體表面附近的電場強度達到氣體的擊穿場強時所發生的放電。在高壓電極邊緣，*周圍可能由于電場集中造成電暈放電。電暈放電在負極性時較易發生，也即在交流時它們可能僅出現在負半周。電暈放電是一種自持放電形式，發生電暈時，電極附近出現大量空間電荷，在電極附近形成流注放電。現以棒—板電極為例來解釋，在負電暈情況下，如果正離子出現在棒電極附近，則由電場吸引并向負極運動，離子沖擊電極并釋放出大量的電子，在*附近形成正離子云。負電子則向正極運動，然后離子區域擴展，棒極附近出現比較集中的正空間電荷而較遠離電場的負空間面電荷則較分散，這樣正空間電荷使電場畸變。因此負棒時，棒極附近的電場增強，較易形成。

在交流電壓下，當高壓電極存在*，電場強度集中時，電暈一般出現在負半周，或當接地電極也有*點時，則出現負半周幅值較大，正半周幅值較小的放電。