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(guò)程中造成的缺陷，在高電場(chǎng)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(chǎng)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(guò)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(méi)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(guò)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(chǎng)作用下遷移到氣泡壁上，形成了與外加電場(chǎng)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(jí)的電源脈沖疊加在千伏級(jí)的外施電壓上。所有局部放電測(cè)試設(shè)備的工作原理，*是將這種電壓脈沖檢測(cè)出來(lái)。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(lái)代替，在電極之間放有絕緣物，對(duì)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。

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）

在這樣的等值回路中，當(dāng)對(duì)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）

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(guò)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(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。

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(chǎng)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(kù))來(lái)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(guò)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(cè)量到局部放電的較低值逐漸增加時(shí)，直至在試驗(yàn)測(cè)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(guò)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(cè)到局部放電的較高值逐漸降低時(shí)，直至在試驗(yàn)測(cè)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）

設(shè)，，則可得

                               （3-7）

應(yīng)用式（3-4）及式（3-6），各個(gè)局部放電的能量為

        （3-8）

設(shè)（即），，則可得

                             （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）

利用式（3-6），消去，可得

                   （3-11）

引入新的參數(shù)q

                            （3-12）

利用式（3-1），經(jīng)過(guò)變換后，可寫成下列形式

               （3-13）

從電極間來(lái)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）

在實(shí)際測(cè)量中，由于測(cè)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(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）

當(dāng)時(shí)，w近似為

                                  （3-18）

即，對(duì)于單一氣泡放電的情況，若能測(cè)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(lái)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(chǎng)強(qiáng)度往往是不相等的，當(dāng)局部區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到電介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，該區(qū)域*會(huì)出現(xiàn)放電，但這種放電并沒(méi)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(méi)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(shuō)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(guò)電壓干擾時(shí)，則觸發(fā)幅值大的局部放電，并在過(guò)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(chǎng)中介質(zhì)有一平行于表面的場(chǎng)強(qiáng)分量，當(dāng)其這個(gè)分量達(dá)到擊穿場(chǎng)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(chǎng)有一平行于介質(zhì)表面的分量，當(dāng)電場(chǎng)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。

圖3-3 介質(zhì)表面出現(xiàn)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(guān)，如電極為不對(duì)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(duì)調(diào)，則放電圖形亦相反。

（3）電暈放電

   電暈放電是在電場(chǎng)極不均勻的情況下，導(dǎo)體表面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到氣體的擊穿場(chǎng)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(chǎng)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?，F(xiàn)以棒—板電極為例來(lái)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(chǎng)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(chǎng)的負(fù)空間面電荷則較分散，這樣正空間電荷使電場(chǎng)畸變。因此負(fù)棒時(shí)，棒極附近的電場(chǎng)增強(qiáng)，較易形成。

在交流電壓下，當(dāng)高壓電極存在*，電場(chǎng)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。