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1、局部放电（一）局部放电指纹固体绝缘、空气中局部放电油中局部放电GIS局部放电（二）放电信号的传播特性（三）放电信号的数学模型（一）局部放电指纹(1)固体绝缘、空气中局部放电由第二章局部放电的基本特性可知：分类标准：局部放电发生的位置和机理具体分类：(1)绝缘介质内部的局部放电；(2)绝缘介质表面的局部放电；(3)高压电极尖端的电晕放电。讨论主要内容：起始电压和放电波形（一）绝缘介质内部的局部放电起始放电电压：当气隙上电压升到气隙击穿电压UCB时，施加于试样两端的电压ui为起始放电电压。按照电路图计算的起始电压值与实际测得值往往不完全相符，但差别一般不超过 士15%。放电波形第一组：外加电压高低
2、的对比通常绝缘介质内部的气泡放电，在椭圆示波器上可以看到正负半周放电脉冲的图形基本上是对称的。在放电初始（外加电压较低时），局部放电总是出现在试验电压瞬时值上升接近90或270的相位上；随着外加电压的增高，出现放电脉冲的相位范围逐渐扩展，甚至可以超过0和180，但在90和270之后的一段相位内不会出现放电脉冲。另外，各次放电大小不等、疏密度不均匀，放电量小的间隔时间短、放电次数多；放电量大的间隔时间长、放电次数较少。如下图所示： 第二组：靠气隙一边的导体是高压端和接地的对比当气隙处于金属（电极）与绝缘介质之间时，椭圆示波图上的工频正负半周放电波形是不对称的。如果靠气隙一边的导体是高压端，则放电
3、的波形是正半周放电大而稀，负半周放电小而密。如图2.4所示，如果靠气隙一边的导体是接地的，则放电波形也反过来，即负半周是大而稀正半周是小而密。这是由于导体为负极性时发射电子容易，气隙的击穿电压UCB降低，因此出现小而密。此处表明：内部局部放电的波形脉冲与气隙在绝缘内部的位置有关第三组：气隙内表面电阻高低时对比当气隙内表面电阻高时，由于放电而产生的电荷只是集中在放电通道所对应的气隙表面上，而不会均匀分布在气隙的上下底的整个表面上。因此，在电荷聚集的地方产生很强的电场，使整个气隙中的电场畸变而产生流柱型放电。当气隙表面电阻较小时，放电产生的电荷能较快地分散到整个气隙表面，使气隙中的电场比较均匀。这
4、时气隙中的放电属于碰撞电离（汤姆逊放电）。由于大部分正离子要向负电极移动，运动时间较长（只有少数被负离子中和而消失），故放电波尾较长。图2.5 绝缘介质内部气隙放电脉冲波形，（a）气隙内表面电阻高，（b）气隙内表面电阻低此处表明：内部气泡局部放电的波形脉冲受气隙表面的电阻影响。（二）表面局部放电（实验室）放电波形在不对称电极系统中，表面局部放电只发生在一个电极的边缘，放电波形是不对称的，如图2.7所示。当产生边缘放电的电极是处于高压时，在正半周出现的脉冲是大而稀，在负半周出现的脉冲是小而密。如果放电的电极接低压端，不放电的电极接高压端，则放电图形的极性也随之反过来，即负半周出现的脉冲是大而稀，
5、在正半周出现的脉冲是小而密。 如果电极是对称的，即两个电极边缘场强是一样的，产生放电的概率也基本相同，那么放电的图形也是对称的，即正负两半波的放电基本相同。（与绝缘介质内部放电区别）（三）电晕放电在气体中，高电压导体周围所产生的局部放电称为电晕。如高压传输线、高压变压器等电气设备的高压接线暴露在空气中，都有可能产生电晕放电。电晕放电是在电场极不均匀的情况下，导体附近的电场强度达到气体的击穿场强时发生的。在负尖-正板放电系统中交流电场中，电晕放电是不对称的，电晕放电总是首先出现在负半周，如图2.8(a)所示；当电压更高时放电才出现在正半周补充： 负电晕常见，即汤姆孙放电，频谱低。 正电晕很少，只
6、发生在500KV、220 KV系统中，如变压器出口隔离开关打开时，会发生这类型的放电，与危险的局部放电很相似，很难区分。（重点学习）资料8给出了空气中局部放电的脉冲波形及其分析：（1）电晕放电其中（d）为小板换大板后的波形，由此可知： 火花放电脉冲幅值十分大； 这些放电都大约从200ns开始的； 电极极板变大放电明显加强。尖-尖放电与尖板放电负脉冲波形十分接近当电压升高到一定程度，也会出现火花放电，此时脉冲上升沿变缓。（2）带屏障的电晕放电（极板与电极间悬纸）波形特点：升压过程中负脉冲先出现，正脉冲大而负脉冲小，正脉冲少而负脉冲多。随着电压的升高，正脉冲放电次数增加不多，放电量大；负脉冲次数增
7、多，放电量不大。有无纸板对比：1.起始放电不强烈时有无纸板波形相差不大。2.放电强度增加时，有纸板波形会变化，出现多个脉冲且脉冲有很尖的峰如下图所示，（3）空气中悬浮放电悬浮放电近似于一种电晕放电，波形和上面相似。（4）空气中沿面放电1.电极间夹绝缘纸典型放电脉冲波形：正负脉冲同时存在，且波形基本相同；外加电压升高时，脉冲波形变化不大，幅值变化大，放电次数增加，脉冲间隔变小。当电压升高到一定值时，一次可以采到2个脉冲。2.电极间夹纸板进行沿面试验时，其放电波形明显不同，振荡幅度变大，典型波形如下：资料9中固体环氧试样中的局部放电时频域波形特征：（包含一些重要数据，但其配图不清楚此处没附）以上各
8、种不同类型的人工模拟试样在超宽带范围内的共性： 主放电脉冲宽度为纳秒级，依此放电持续几百纳秒； 依此放电波形包含多个放电脉冲，脉冲整体呈现衰减趋势； 局部放电的频谱广泛分布在整个测量频域内，但是特征峰出席的频率没有预期那么高，一般均在100MHz以下。 在较低频率（0-10MHz）和（40-75MHz）范围内均有特征峰；此样品在老化与未老化试样在频谱上的最大区别是：过热老化试样在200MHz左右出席特征峰；在其老化过程中，随老化时间的增加，主放电脉冲宽度明显减小，在频域上，0-15MHz和40-60MHz的特征峰依旧保持，同时在150-200MHz和300-350MHz等频段内逐渐出现特征峰。
9、资料20给出了空气中不同试样的局部放电特征及其与纯净变压器油中局部放电的对比：（一）空气中不同试样的局部放电特征本文采用了4种试样进行局部放电的试验研究，包括:(1)人工制备的含助个气泡的LDPE试样;(2)人工制备的含多个小气泡的LDPE试样;(3)无气泡的LDPE试样;(4)经历了水树引发试验后的XLPE试样(水树引发条件为5kV, 150小时)。结论：1.完好试样出现稳定局部放电时，其试验电压在约5.4kV,要高于单气泡试样和多气泡试样的放电电压2.边缘放电的特点就表现为局放谱图具有不对称性3. 从图 5-3 中可以观察到:单气泡试样的放电谱图比较接近绝缘内部放电的脉冲分布特点，即:放电
10、脉冲分布图形基本是对称的，而且主要集中在I、III象限且其放电量是3种试样中最大的4.从放电谱图中可以观察到:含有多个小气隙的试样出现稳定局部放电量所对应的放电电压低于无气隙试样而高于含单个大气泡试样的放电电压；，放电脉冲的分布谱图也不完全对称，不仅分布在I、III象限，而且还扩展到II, N象限（二）试样在空气中与在纯净变压器油中局部放电的对比：1.出现的局部放电的放电电压明显的高于空气中的放电电压，且同样的放电电压下，油中的放电脉冲明显的少于空气中的；（LPDE试样）2.（水树引发试验的XLPE)在空气与油中的局部放电图谱区别：.从图5-10和图5-11中可以看出在空气中和在变压器油中两者
11、的谱图有很大的区别。 产生明显局部放电的电压，油中(8kV)要远高于空气中(4.1kV)； 空气中的放电量明显高于油中的。 是油中测得的局部放电明显向、象限扩展。这种现象在低压测量(空气中，4.1kV)时不十分明显，而在试验电压较高时(油中，8kV)表现的比较明显；这些都证实了在空气中存在边缘效应等因素，使局部放电的放电电压降低，而且也使最大放电量增大，放电脉冲数明显增多。(2)油中局部放电资料4中给出了浸油变压器中各种局部放电的特征：1.内部放电（圆柱-板电极，各介质电极间的气隙） 其正负半周比较对称，正半周起始放电强度（0度附近）较大，负半周230度附近放电强度较大； 正半周虽然起始放电强
12、度较大，但实际上，放电次数随相位推移而增加，在45度左右放电次数最多。 负半周中峰值出现的相位比正半周要早；2.沿面放电（板-板电极） 正负半周对称性较好，其放电图成典型的矩形分布。 正负半周放电都出现在峰值附近，在30-120和210-300之间。 放电幅值远远大于其他放电。（此类放电强度大）3.油中气泡放电（油中的大多数放电是从气泡开始的） 正负半周放电不对称，负半周放电次数多。4.悬浮电位体放电指纹 放电正半周集中在0-60、120-180，负半周集中在180-240、300-360。（由此可知，其放电集中在过零点的60） 对称性较好，相位分布较宽，其放电图成典型的矩形分布。资料8中给出
13、了油中各种局部放电的脉冲波形：（1）油隙放电相对于空气而言，油隙放电不稳定，（补：脏污电极放电也很不稳定）它与空气中的尖板放电不同之处在于：油隙中正负脉冲几乎同时出现，波形基本一致，而且电压升高，脉冲幅值变化不大。但当升高到一定程度时，脉冲幅值突然增大，正负脉冲波形不再接近，负脉冲频率变大，而正脉冲波形变得很不规则，持续时间变大。如下图：（2）油中悬浮放电在电压升高的过程中，刚开始仅有正脉冲如下图（a），当电压继续升高，幅值变化不大，脉冲出现的频率会逐渐变大，电压再升高，幅值会突然增强，并带有振荡如下图（b）：（3）油浸纸板内的气泡放电波形特点：正负脉冲比较接近，一定电压范围内，随电压的升高；
14、放电量增大，次数增多，波形变化不大，当电压达到一定值时，波形会畸变。（4）沿面放电本文提出：对于同一种固体材料，在空气和油中沿面放电脉冲波形比较接近。资料34给出了油纸绝缘在不同电极下的不同类型的局部放电图及其特征：注：Tests were performed to investigate PD activity in objects having the following configurations:1. Needle-plane electrodes2. Pseudo-rogowski electrodes (quasi-uniform field):2a on pressboard2
15、b on paper3. Cylindrical electrode (with orthogonal and tangential field components):3a on pressboard3b on paper4. Air/oil interfacesFig. 1. PD patterns recorded from an electrode configuration consisting of a pseudo-Rogowski electrode placed on a pressboard sheet. The ellipse in Fig. 1a bounds a cl
16、uster of discharges of surface nature. Test voltages: 11 kV, =1.1(left), 18 kV, =1.8 (right). ( is the ratio between applied voltage and PD inception voltage)The figure indicates clearly that PD activity shows a behavior which is typical of PD developing in a short gap bounded by two insulation surf
17、aces 6. Some scattered discharges (see ellipse in Fig. 1, left), display a nature that is typical of surface discharges (i.e., discharges moved by a tangential field in a practically non-bounded region). These discharges are likely generated at the electrode borders. By increasing the overvoltage, i
18、nternal PD becomes predominant, masking this secondary phenomenon.(a) (b) (d)(c)Fig. 2. PD pattern recorded from an electrode configuration consisting of a cylindrical electrode placed on a pressboard sheet. Test voltages: (a) 9 kV, v=1, (b) 11 kV, v=1.22 (c) 13 kV, v=1.44 (d) 16.7 kV, v=1.85, immed
19、iately before breakdown.The effect of surface PD was raised by using objects of type 3, i.e., realized using pressboard or paper layers sandwiched between a couple of cylindrical electrodes. Results relevant to an electrode of type 3a (realized using pressboard) are reported in Fig. 2. Indeed, betwe
20、en 13 and 16 kV, surface PD incepted （开始）with significant magnitude and became, in terms of PD amplitude, the dominant phenomenon (the full scales are 4 mV, 10 mV, 20 mV and 5 V for Figs 2a, 2b, 2c and 2d, respectively). This phenomenon led, eventually, to puncture the pressboard layer; Fig. 4d show
21、s the PD pattern immediately prior breakdown. In fact, visual inspection pinpointed surface burning and a hole in the pressboard outside the area covered by the cylindrical electrode, supporting the speculation（推测） that surface discharges were the cause of breakdown.（a） (b)(c) (d)Fig. 3. PD pattern
22、recorded from an electrode configuration consisting of a cylindrical electrode placed on a 6 kraft paper sheets. Test voltages: (a) 3 kV, =1, (b) 3.6 kV, =1.2, (c) 6 kV, =2, (d) 14 kV, =4.6 , immediately before breakdown.Test object 3b, realized in the same way as test object 3a, but using several p
23、aper layers instead of thick pressboard, did show similar behavior. Indeed, close to PDIV, mainly internal PD were observed, while at the largest overvoltage, surface PD were predominant in terms of PD amplitude, see Fig. 3. Also in this case, pre-breakdown was characterized by a PD amplitude signif
24、icantly larger than the previous recording (10, 15 mV versus 3 V). Indeed, Fig. 3 reveals a feature of PD internal to paperlayers, i.e., an almost vertical bar at the starting phase of each polarity (see ellipses in Fig. 3c). This feature can be helpful in determining whether PD is occurring close t
25、o pressboard or paper layers, thus evaluating their harmfulness.资料47给出了在实验室内测试了油中纸板内部放电、油中纸板沿面放电、油中悬浮放电、油中气泡放电和油中尖板放电5 种模型的对应的频谱图和放电图谱。1.放电对应的频谱图：2.各个放电对应的放电图谱：(1) 内部放电选取测试的中心频率为620MHz 时可得最佳信噪比。试品在较低电压下就放电, 正负半周的放电几乎同时产生, 谱图形状也十分相似。放电起始时局放脉冲总是先出现在电压幅值绝对值上升部位的相位上(约90及270处) ; 电压升高后放电脉冲的相位范围逐渐扩展, 甚至超过0
26、和180, 但90和270之后的一段相位内没有放电产生, 电压升高导致放电幅值增大及放电重复率增加。10 kV 下内部放电对应的二维和三维谱图见图4、5。(2) 沿面放电取测试中心频率580MHz。正负半周的放电电压几乎相同, 放电起始时的局放脉冲幅值相差不大。20 kV 下沿面放电对应的二维和三维谱图见图6、7。可见正负半周的放电都出现在电压峰值周围, 相位在30 120和210 300的区间内, 谱图形状呈典型的矩形分布。电压升高导致局放脉冲幅值增大及放电重复率增加, 而谱图形状变化不大。 (3) 悬浮放电选取测试的中心频率为510MHz, 14 kV 下悬浮放电的谱图见图8、9。可见其相
27、位分布很宽, 集中出现0 90、150 270和330 360相位范围内, 谱图形状呈典型的矩形分布。电压升高导致放电脉冲幅值增大及放电重复率增加, 而谱图形状变化不大。(4) 油中气泡放电将干燥的绝缘纸板(厚1 mm ) 夹在圆柱电极与板电极之间, 浸入变压器油中。因纸板事先并未浸油, 纸板表面和纸板内部附有较多气泡, 电极加压时易发生油中气泡放电。选取测试的中心频率为520MHz。其正负半周的放电几乎在相同电压下产生,起始放电幅值也相差不大。9 kV 下油中气泡放电谱图见图10、11。可见正负半周的放电都出现在电压峰值周围, 在30 140和220 320的区间内, 谱图形状呈锥形对称分布
28、。(5) 油中尖板放电采用尖板电极结构, 将厚1 mm 的油浸纸或纸板紧贴电极, 尖电极与纸板间距为1 mm , 将整个电极系统浸入变压器油中。选取测试的中心频率为620MHz, 加压至10 kV 时出现放电, 16 kV 时针电极尖端出现火花, 32 kV 时纸板击穿。针尖端出现火花时, 在纸板上留有树枝状的炭化痕迹, 这将导致纸板的击穿电压降低。连续记录了从开始放电到纸板被击穿为止的超高频放电特性。15 kV 下的放电谱图见图12、13。正负半周的放电都出现在电压峰值周围, 在60 120和230 300的区间内谱图形状呈锥形不对称分布, 正半周的放电次数和放电幅值比负半周要少得多。电压升
29、高导致放电量增大及放电重复率增加, 而谱图形状变化不大。（3）GIS局部放电资料2中给出了GIS设备内部缺陷产生局部放电的特征a. GIS设备中的导体表面存在突出物，如毛刺、尖角等这种缺陷易发生电晕放电，在稳定的运行电压下一般不会引发绝缘击穿，但在冲击电压下可能导致绝缘击穿。发生在导体周围的电晕放电，由于气体中的分子是自由移动的，因此GIs设备中的电晕放电过程与空气中的电晕放电相似，在施加电压的正负峰值附近发生局放脉冲，随电压增加，局放脉冲加大，频度增加。b. GIS设备中固体绝缘材料内部的缺陷GIS设备中绝缘子内部的气隙放电在工频正负两个半周内基本相同，即正负半周放电指纹基本对称。放电脉冲一
30、般出现在试验电压幅值绝对值的上升部分，放电频率依赖于所加电压大小，只有在放电强烈时，才会扩展到电压绝对值下降部分的相位上，且每次放电的大小不相等。（与上面重复）c. 绝缘子表面的缺陷(如污秽等)有助于表面电荷的增加，可能会形成表面放电，导致绝缘子表面的绝缘劣化，甚至击穿。其放电特征是:在电流最大相位过零时发生小电荷的局放脉冲，随电压上升有不规则的脉冲出现。（实际设备）d. 自由导电微粒和固体导体上金属突起放电的相位分布有着明显不同。这个特征通常可以用来区分缺陷的类型。1.固体导体上金属突起放电由于导电粒子不浮动，其放电特征是:在施加电压峰值附近发生大局放脉冲，随电压上升局放电平不变，频度增加。
31、2.GIS设备中自由导电微粒有积累电荷能力，在交流电压作用卜，静电力可使导电微粒在GIS筒内跳动，如直立旋转、舞动运动等。这种运动与放电的出现在很人程度上是随机的，这一过程与所加电压人小以及微粒的特性有关。如果一个跳动的微粒接近或运动至GIS设备中的高场强区时，伴随产生的局部放电有可能形成导电通道，造成绝缘击穿。 其放电特征:在施加电压峰值附近较大局放脉冲，并发生散开，随电压上升，频度增加，电平无较大变化。相对而言. GIS内残留的金属碎屑或金属颗粒产生的各种效应是最为严重的，因此，金属颗粒的放电对GIS设各的危害相对较大。（二）放电信号的传播特性资料9主要从以下三方面介绍了局部放电的传播特性
32、：（1）在单一绝缘介质中的传播特性 电磁能量沿电磁波传播方向流动，能量流动的速度为波速，在传播过程中，能量密度保持不变，是等振幅传播的波。（2）复合介质中的传播特性1.单界面的反射与透射 当两种绝缘介质和接近时，电磁波几乎无反射全透射到下一层；但当两种介质的和相差较大时，局部放电电磁波将在界面产生反射，电磁信号无法全部透射到下一层。2.多界面的反射与透射经多层绝缘介质传输后，透射的电磁波振幅将产生衰减。（3）在导体中的传播特性1.对于弱导体电磁波的传播速度只比理想介质中的传输速度稍有下降。2.对于良导体，电磁波经过良导体后衰减很多，单位长度相移也很大，相速与声速有相同数量级，此时特性阻抗小，且
33、包含感性成分。波的电场和磁场集中在导体表面。资料10介绍的局部放电传播特性是：局部放电所辐射电磁波的频谱特性与放电源的几何形状，放电间隙的绝缘强度有关。当放电间隙较小，绝缘强度较高时，放电过程快，此时电流脉冲的陡度较大辐射高频电磁波的能力强。在气隙油纸板中，电磁波经过多次折反射后，局部放电信号衰减的大小变得很复杂，故传感元件接受到的信号是多次折反射叠加的结果。由此可知：1.窄脉冲包络变化会很大，宽脉冲包络影响不大；2.实测的窄脉冲少；3.包络波形不十分靠得住；4.频谱特性受折反射影响不大，应该为重点指纹变量。资料14介绍了各频段信号的电机三相绕组的传播特征：试验首先观察到脉冲在三相绕组间的耦合
34、现象。1) 2MHz以下：信号幅值随传播距离的增加为按指数规律衰减，由于信号衰减快该频段信号无法沿绕组端部圆周传播，只能沿定子线棒以传输线方式传播。2) 频率较高时：从理论上响应信号幅值随传播距离按照余弦规律变化3) 2-6MHz：传播过程不发生衰减。4) 7-12MHz：脉冲信号幅值随传播距离的变大按指数规律衰减，且频率越高，衰减越快，但有一定的限度。由（3）知：2-6MHz中的低频特性应为监测重点，可选1-10MHz的档位范围。由资料16可知： 超高频信号能沿着地线传播1m左右，但在空气中衰减很大。（三）放电信号的数学模型资料3中给出了以下数学模型：局部放电信号属于一种频带很宽的瞬变信号，放电脉冲上升沿通常为数十纳秒，下降沿为数十千纳秒。当采样频率为10MHz时上升沿一般只有一个采样点。通常用指数衰减振荡脉冲来模拟局部放电信号。数学表达式为： 其时频波形：
