局部放电基本特性.doc

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1、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U+-dcbbaadCcCbRcRbCaRaUucub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）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

2、。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 （2.1）式中、分别气隙和介质上的电压, 、分别为气隙和介质的等效电导。工频电场中若和均小于1011(Wm)-1，则气隙和b部分绝缘上的电压的数值关系可简化为 （2.2）式中、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 （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倍。通常情况下，而，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

3、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，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

4、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。u+- - -+ + +E内 E外 uC(a)(b)uumu3u2u1qttuc0us-us-urur1 2 3 4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 (2.4)即气隙上的电场强度下降

5、了E内，或者说气隙上的电压降低了DUc。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Duc，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

6、UCB时，气隙又发生放电，在此瞬间气隙上的电压又下降Duc，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-2Duc。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-nDuc。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=nDuc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-nDuc =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

7、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-nDuc 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)Duc =UCB时，气隙又发生放电，放电后气隙上的电压为-u外-(n-2)Duc 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nDuc。随着电压回升，在一段时间内u外+nDuc UCB不会出现放电，直到u外+nDuc =UCB时气隙又发生放电。放电后气隙上的电压为u外+(n-1)Duc Cb，因此上式可写作 (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Uc。但根

8、据图2.1(b)所示的等效电路当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uc时，各电容上的电荷重新分配，因此Ca上的电压也下降了ua，且 (2.7)这时Ca上的电荷

9、变化为 (2.8)将(2.7)代入上式可得 (2.8)将(2.6)代入上式得 (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

10、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 （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 （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uc=UCB。则在这一次放电中消耗的能量为 （2.

11、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 （2.13）将上式代入式（2.12）得 （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。 （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。 （2.16）当qa单位为库仑（C）、T单位为秒（s）时，均方率D的单位

12、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。 （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

13、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。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

14、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 （2.18）式中h=0.10.8，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hA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，h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

15、以油隙的放电量一般比气隙的放电量大12个数量级；4、介质的相对介电系数大，介质的厚度小，气隙的厚度大，都会使qa增大。这时qa就比较接近于实际放电电荷qr ，反之就远小于qr；5、当气隙表面形成半导电层或导电层时，会使放电量显著减小，甚至于停止放电。二、影响放电重复率的因素根据(2.11)式可以进一步推导出放电重复率 （2.19）由此可见：1、增加试验电压的频率和峰值，都会使放电重复率增加；2、气隙的击穿电压低，放电的重复牵就大。从图2.2可以清楚地看到，当外加电压一定时，每周期内放电次数随UCB的减少而增加。因此，在其他条件相同时，油隙的放电重复率要比气隙的小；3、在试验电压峰值不变的条件下

16、，介质的相对介电系数越大，介质厚度与气隙厚度之比越小，则气隙所承受的电压峰值就越高，因此，放电重复率也就增大；4、气隙表面电阻小，放电电荷容易泄漏掉，气隙中由于每次放电所建立的反电场Uc就比较小，因此，在一周期中放电次数增多，即重复率增大。这在交流电压下尤为明显；5、介质中存在许多气隙时，由于各次放电的时间比放电间隔的时间短得多，各气隙的放电正好叠加在一起的几率很小。因此，放电的次数也会增多。三、影响放电能量和放电功率的因素假定在1秒钟内各次放电的能量都一样，则每次发生放电功率为 (2.20)式中N为放电重复率，uim实际上就是用峰值表示的起始放电电压。将式(2.14)与(2.20)比较可以看

17、出放电能量W与放电功率P都与视在放电电荷及起始放电电压有关。因此，所有影响视在放电电荷和放电电压的因素都会影响放电功率或放电能量。此外，放电功率还与放电重复率有关，因此，影响放电重复率的因素也会影响放电功率。四、影响放电平均电流和均方率的因素 根据平均电流和均方率的定义，可以看出每秒钟内放电的次数越多，每次放电的放电量越大，则平均电流或均方率就越大。因此，影响放电次数和放电量的因素也都会影响平均电流和均方率。五、影响放电起始电压和放电熄灭电压的因素凡是对气隙中的电场分布和气隙中气体击穿场强有影响的因素，如介质和气体的相对介电系数、介质和气隙的厚度、气隙的形状、气隙中气体的性质及压力等都会影响放

18、电起始电压和放电熄灭电压。有些绝缘材料中的气隙放电起始电压还与施加电压的时间有关，如环氧纸板在20时，用快速升压测得的放电起始电压比逐级升压测得的高3.5倍。而在温度为60时这种差别就小得多。有的实验指出，当气隙直径小时，这种起始放电的延迟效应更为明显。在有延迟效应的情况下，起始放电电压的测定最好补充规定电压上升到起始放电时所需的时间不少于某一规定值，或者规定采用逐级升压法升压，并规定每级停留的时间。放电熄灭电压一般略低于放电起始电压，在放电过程，气隙状态发生了变化，或由于局部放电产生了新的气隙，则在较低的电压下仍然可以保持放电，这时放电熄灭电压将明显地降低。2.4 各类局部放电的特点根据局部

19、放电发生的位置和机理的不同，电气设备中发生的局部放电大致可分为三种类型：(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。各种局部放电的起始条件、放电波形以及放电随施加电压的变化规律各不相同，以下将分别予以讨论。2.4.1 绝缘介质内部的局部放电在绝缘介质内部或介质与电极之间的气隙放电，都属于内部局部放电，这种放电的特性与介质的特性和气隙的形状、大小、位置以及气隙中气体的性质有关。一、内部局部放电的起始电压对于不同的绝缘结构和不同形状的气隙，内部放电的起始电压估算方法也各不相同。现以平板结构为例讨论其放电起始电压的估算公式。图2.1中，外加电压为u时有

20、(2.21)可以推出 (2.22)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，则 (2.23)式中ECB为气隙的平均击穿场强，通常由巴申定律ECB=f(Pd)曲线查得，其中P为气隙内气压。由于介质内部气隙的放电与金属电极间形成的均匀电场中的气体放电有区别，例如：（1）气隙的上下表面不一定象金属电极间那样完全处于等位面中；（2）气隙中前次放电留下的空间电荷会影响气隙中的电场分布，从而使气隙的实际击穿场强下降；（3）气隙中前次放电在气隙表面形成的半导体层也会使实际击穿场强下降；（4）实际试样中气隙不完全是扁平或不是垂直于电场方向的。所以用巴申曲线查得的ECB来计算

21、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%。二、放电波形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，如图1.8所示。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。这些现象说明介质内部气隙的实际放电过程要比前面理论分析的更复杂。当气隙处于金属（电极）与绝

22、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。更容易发生放电现象图2.5所示的是绝缘介质内部气隙一次放电的波形。这种放电波形与气隙的形状、气隙内表面的状态以及气隙中气体的性质都有关。图2.5(a)是气隙内表面电阻高(1016W)的放电波形；图2.5(b)是气隙内表面电阻低(109W)的放电波形。前者时间较短，后者波尾较长。这种差

23、别反映了两种不同的放电机理。（a） (b)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 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。这种放电是由光子激励发展电子崩而形成通道。电子、离子是均匀产生于通道之中，靠阴极近的正离子很快移向阴极，而靠阴极远的正离子被放电所积聚的负电荷吸引，因此在通道中正离子消失得比较快，即放电波形的波尾比较短，但这种放电的放电量比较大，即放电波形的幅值高。一次流柱放电至少需1

24、06个电子崩，每一电子崩约需104个自由电子组成，一次流柱放电最少需要7.6108个电子，这相当于122pC的放电电荷。 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。2.4.2 表面局部放电 沿介质表面的电场强度达到其击穿场强时产生的局部放电称为表面局部放电。这主要存在于不均匀电场中（电极边缘处），如图2.6(a)，电场可以分解为具有平行于介质表面的电场分量Ea和垂直于介质表面的电场分量Eb；又因介质的沿面击穿电压远

25、低于介质内部的击穿场强，因此，电极边缘具有较高的Ea分量时，沿介质表面就会发生局部放电。图2.6(b)为沿介质表面发生滑闪放电时电极边缘处介质的等值电路。图中各参数分别定义为：（1） C1=e1/d，为介质表面单位长度下，单位面积相对于下部电极的等值电容；（2） C2=ke2，为介质表面相邻单位面积之间的等值电容；（3） R1=rvd，为介质柱体的电阻，rv为介质等值体积电阻率，柱体高度即为d，柱端面积为单位面积；（4） R2=rs，为介质表面相邻单位面积之间的等值电阻，rs为为介质表面电阻率；（5） e1、e2分别为绝缘介质的介电常数及周围物质的介电常数。 以下按图2.6 (b)的链式等值电

26、路来分析介质表面局部放电。一、表面局部放电起始放电电压ui及平均场强Ei 根据图2.6(b)的等值电路，以电极a1的边缘作为坐标原点O，沿电极表面介质的长度为l。a1、a2间施加交流电压，距O点x处的电压为，则 （2.24）式中。沿 介质表面的电场强度为 （2.25）在x=0，即电极a1的边缘处场强最大， （2.26） 当达到介质的表面击穿场强时，电极边缘介质表面发生局部放电，则表面局部放电的起始电压为 （2.27） 对工业电介质而言，工频下，R1可以忽略不计；如果介质周围物质的电阻率很高，其表面电阻率rs 很大（rs 1012m），工频下，R2也可以忽略不计，则 （2.28）通常l足够长，t

27、h(al)1，因而式(2.27)可简化为 （2.29）则 （2.30） 当rs1012m时（用工业液体电介质浸渍的绝缘都是如此），可近似忽略C2，则 （2.31） （2.32）则 （2.33） 由（2.30） 、（2.33）可见，表面局部放电的起始电压ui与介质厚度有关，可用下式表达为 （2.34）式中B为与介质的形状、尺寸、材料性质有关的常数。表面局部放电的平均起始场强为 （2.35） 由（2.35）可见，局部放电的起始电场强度Ei随绝缘厚度d的减小而增大。因此，提高电极边缘处的局部放电平均起始场强，常采用以下措施：在电极边缘介质表面涂以半导电层，以改善表面的电场分布；当介质表面浸在绝缘油中

28、式，起始放电电压比在空气中高，这一方面是因为油的相对介电常数比空气大而改善了电场分布，另一方面油的击穿场强也高于空气；采用n层厚度为d/n的绝缘层代替厚度为d的绝缘层，层间用金属化片隔开，可以提高电极边缘局部放电的起始电压及平均起始场强。二、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。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。 如果放电的电极接低压端，不放电的电

29、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，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。2.4.3 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。这时在距电极间其它地方的电场强度仍然低于击穿场强，因此放电只是发生在局部区域而没有贯穿整个电极之间。由于负尖-正板放电的起始放电电压低于正尖-负板放电的起始放电电压，因此在交流电场中，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，如图2.8(b)所示。 由于气体中的离子在电场作用下迁移较快，各次放电产生的电荷消失很快，不会象内部放电那样累计在介质表面，形成很强的反电场。因此，电晕放电首先出现在负半周的峰值。以后随电压的提高而向峰值两边扩展。放电量主要决定于电极的形状和尺寸，对于针尖电极主要决定于尖端的曲率半径。例如同轴圆柱电极在空气中的起始放电电压为 （2.36）式中为空气的相对密度，r、R分别为圆柱电极的内、外半径。