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局部放電特征及原理

來源:愛儀器儀表網(wǎng)  發(fā)布時(shí)間:14-08-13 17:35  作者:ai1718  瀏覽次數(shù):1362  分類:技術(shù)文章

一、局部放電的特征

局部放電是指發(fā)生在電極之間但并未貫穿電極的放電,它是由于設(shè)備絕緣內(nèi)部存在弱點(diǎn)或生產(chǎn)過程中造成的缺陷,在高電場強(qiáng)度作用下發(fā)生重復(fù)擊穿和熄滅的現(xiàn)象。它表現(xiàn)為絕緣內(nèi)氣體的擊穿、小范圍內(nèi)固體或液體介質(zhì)的局部擊穿或金屬表面的邊緣及尖角部位場強(qiáng)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(shí)存在并不影響到電氣設(shè)備的絕緣強(qiáng)度。但若電氣設(shè)備絕緣在運(yùn)行電壓下不斷出現(xiàn)局部放電,這些微弱的放電將產(chǎn)生累積效應(yīng)會(huì)使絕緣的介電性能逐漸劣化并使局部缺陷擴(kuò)大,*后導(dǎo)致整個(gè)絕緣擊穿。

局部放電是一種復(fù)雜的物理過程,除了伴隨著電荷的轉(zhuǎn)移和電能的損耗之外,還會(huì)產(chǎn)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(chǎn)生放電時(shí),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(xiàn)。如果絕緣中存在有氣泡,當(dāng)工頻高壓施加于絕緣體的兩端時(shí),如果氣泡上承受的電壓沒有達(dá)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(shí),氣泡發(fā)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(fù)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(nèi)部電壓,這時(shí)氣泡上剩余電壓應(yīng)是兩者疊加的結(jié)果,當(dāng)氣泡上的實(shí)際電壓小于氣泡的擊穿電壓時(shí),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(dá)其擊穿電壓時(shí),又出現(xiàn)第二次放電,如此出現(xiàn)多次放電。當(dāng)試品中的氣隙放電時(shí),相當(dāng)于試品失去電荷q,并使其端電壓突然下降△U,這個(gè)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(shè)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(jī)理

1.局部放電的發(fā)生機(jī)理

局部放電的發(fā)生機(jī)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(shí),在電極之間局部出現(xiàn)的放電現(xiàn)象,可以看成是在導(dǎo)體之間串聯(lián)放置著2個(gè)以上的電容,其中一個(gè)發(fā)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。

電極組合的電氣等值回路

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(lián)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(shè)電極間總的電容為Ca,則

3-1                  (3-1)

在這樣的等值回路中,當(dāng)對電極間施加交流電壓Vt(瞬時(shí)值)時(shí),在Cg上不發(fā)生火花放電的情況下,加在Cg上的電壓vt由下式表示

3-2                     (3-2)

在圖中,隨著外施電壓Vt的升高,vt也隨著增大,vt達(dá)到Cg的火花電壓vp時(shí),在Cg上*產(chǎn)生火花放電。這時(shí),Cg間的電壓和式中的vt逐漸發(fā)生差異,如設(shè)它為vg由于放電的原因,vg迅速地從vp下降到vr(剩余電壓)?,F(xiàn)設(shè)在Cg間,經(jīng)過t秒后放出的電荷為Q(t),則

3-3                (3-3)

式中,Cgr是從Cg兩端看到的電容,它等于

3-4                  (3-4)

所以得到                    

3-5          (3-5)

這里,將vg從vp大致變成vr的時(shí)間稱為局部放電脈沖的形成時(shí)間。當(dāng)將這些量表示成時(shí)間的函數(shù)時(shí),成為圖3-2的曲線。

Cg間的放電電荷和電壓隨時(shí)間變化的曲線

圖3-2 Cg間的放電電荷和電壓隨時(shí)間變化的曲線

局部放電脈沖的形成時(shí)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(rèn)為vr大致是零。在上述前提下,觀察一下各個(gè)電氣量的情況(局部放電幾個(gè)主要參量)。

(1)視在放電電荷q。它是指將該電荷瞬時(shí)注入試品兩端時(shí),引起試品兩端電壓的瞬時(shí)變化量與局部放電本身所引起的電壓瞬時(shí)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(yàn)電壓。它是指在規(guī)定的試驗(yàn)程序中施加的規(guī)定電壓,在此電壓下,試品不呈現(xiàn)超過規(guī)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(dāng)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(shí),直至在試驗(yàn)測試回路中觀察到產(chǎn)生這個(gè)放電值的*低電壓。實(shí)際上,起始電壓ui是局部放電量值等于或超過某一規(guī)定的低值的*低電壓。

(5)局部放電熄滅電壓Ve。當(dāng)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(shí),直至在試驗(yàn)測量回路中觀察不到這個(gè)放電值的*低電壓。實(shí)際上,熄滅電壓ue是局部放電量值等于或小于某一規(guī)定值時(shí)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(jù)式(3-5),各個(gè)局部放電脈沖的放電電荷為

3-6                    (3-6)

設(shè),則可得

3-7                               (3-7)

應(yīng)用式(3-4)及式(3-6),各個(gè)局部放電的能量

3-8        (3-8)

設(shè)(即),,則可得

3-9                             (3-9)

其次,設(shè)由于局部放電引起試品電極間的電壓變化為,則

3-10                      (3-10)

利用式(3-6),消去,可得

3-11                   (3-11)

引入新的參數(shù)q

3-12                            (3-12)

利用式(3-1),經(jīng)過變換后,可寫成下列形式

3-13               (3-13)

從電極間來看,*好像是q的電荷已經(jīng)放掉一樣,發(fā)生了的電壓變化。

q稱為視在的放電電荷。由式可知,。在,或時(shí),q為

3-14                             (3-14)

在實(shí)際測量中,由于測量是可能的,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

3-15        (3-15)

利用式(3-6)和式(3-13),可得

3-16                      (3-16)

現(xiàn)設(shè),Cg放電時(shí)的外施電壓瞬時(shí)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                         (3-17)

當(dāng)時(shí),w近似為

3-18                                  (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(shè)備絕緣內(nèi)部存在的弱點(diǎn),在一定外施電壓下發(fā)生的局部的和重復(fù)的擊穿和熄滅現(xiàn)象。隨著絕緣內(nèi)部局部放電的發(fā)生,將伴隨著如光、熱、噪音、電脈沖、介質(zhì)損耗的增大和電磁波放射等現(xiàn)象的發(fā)生。這種放電可能出現(xiàn)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(nèi)部放電、表面放電及電暈放電。

(1)內(nèi)部放電

在電氣設(shè)備的絕緣系統(tǒng)中,各部位的電場強(qiáng)度往往是不相等的,當(dāng)局部區(qū)域的電場強(qiáng)度達(dá)到電介質(zhì)的擊穿場強(qiáng)時(shí),該區(qū)域*會(huì)出現(xiàn)放電,但這種放電并沒有貫穿施加電壓的兩導(dǎo)體之間,即整個(gè)絕緣系統(tǒng)并沒有擊穿,仍然保持絕緣性能,發(fā)生在絕緣體內(nèi)的稱為內(nèi)部局部放電。

當(dāng)絕緣介質(zhì)內(nèi)出現(xiàn)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(xù)維持。該電壓在理論上可比起始電壓低一半,也即絕緣介質(zhì)兩端的電壓僅為起始電壓的一半,這個(gè)維持到放電消失時(shí)的電壓稱之為局放熄滅電壓。而實(shí)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(shè)備存在局部缺陷而正常運(yùn)行時(shí),局部放電量較小,也*是運(yùn)行電壓尚不足以激發(fā)大放電量的放電。當(dāng)其系統(tǒng)有一過電壓干擾時(shí),則觸發(fā)幅值大的局部放電,并在過電壓消失后如果放電繼續(xù)維持.*后導(dǎo)致絕緣加速劣化及損壞。

(2)表面放電

如在電場中介質(zhì)有一平行于表面的場強(qiáng)分量,當(dāng)其這個(gè)分量達(dá)到擊穿場強(qiáng)時(shí),則可能出現(xiàn)表面放電。這種情況可能出現(xiàn)在套管法蘭處、電纜終端部,也可能出現(xiàn)在導(dǎo)體和介質(zhì)彎角表面處,見圖3-3。內(nèi)介質(zhì)與電極間的邊緣處,在r點(diǎn)的電場有一平行于介質(zhì)表面的分量,當(dāng)電場足夠強(qiáng)時(shí)則產(chǎn)生表面放電。在某些情況下,可以計(jì)算空氣中的起始放電電壓。

介質(zhì)表面出現(xiàn)的局部放電

圖3-3 介質(zhì)表面出現(xiàn)的局部放電

表面局部放電波形

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(guān),如電極為不對稱時(shí),則正負(fù)半周的局部放電幅值是不等的,見圖3-4。當(dāng)產(chǎn)生表面放電的電極處于高電位時(shí),在負(fù)半周出現(xiàn)的放電脈沖較大、較??;正半周出現(xiàn)的放電脈沖較密,但幅值小。此時(shí)若將高壓端與低壓端對調(diào),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(dǎo)體表面附近的電場強(qiáng)度達(dá)到氣體的擊穿場強(qiáng)時(shí)所發(fā)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(fù)極性時(shí)較易發(fā)生,也即在交流時(shí)它們可能僅出現(xiàn)在負(fù)半周。電暈放電是一種自持放電形式,發(fā)生電暈時(shí),電極附近出現(xiàn)大量空間電荷,在電極附近形成流注放電。現(xiàn)以棒—板電極為例來解釋,在負(fù)電暈情況下,如果正離子出現(xiàn)在棒電極附近,則由電場吸引并向負(fù)極運(yùn)動(dòng),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(fù)電子則向正極運(yùn)動(dòng),然后離子區(qū)域擴(kuò)展,棒極附近出現(xiàn)比較集中的正空間電荷而較遠(yuǎn)離電場的負(fù)空間面電荷則較分散,這樣正空間電荷使電場畸變。因此負(fù)棒時(shí),棒極附近的電場增強(qiáng),較易形成。

在交流電壓下,當(dāng)高壓電極存在*,電場強(qiáng)度集中時(shí),電暈一般出現(xiàn)在負(fù)半周,或當(dāng)接地電極也有*點(diǎn)時(shí),則出現(xiàn)負(fù)半周幅值較大,正半周幅值較小的放電。

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