局部放電基本特性

1、第2章局部放電根本特性2.1 局部放電的機(jī)理2.1.1 氣隙放電等值電路絕緣介質(zhì)內(nèi)部含有一個(gè)氣隙時(shí)的放電情況是最簡(jiǎn)單的,如圖1.1(a)所示.圖中c代表氣隙,b是與氣隙串聯(lián)局部的介質(zhì),a是除了b之外其他局部的介質(zhì).假定這一介質(zhì)是處在平行板電極之中,在交流電場(chǎng)作用下氣隙和介質(zhì)中的放電過(guò)程可以用圖1.1(b)所示的等效電路來(lái)分析.(a)(b)8氣隙厚度d整個(gè)介質(zhì)的厚度Rc、Cc氣泡的電阻和電容Rb、Cb與氣泡串聯(lián)局部介質(zhì)的電阻和電容Ra、Ca一其余局部介質(zhì)的電阻和電容圖2.1含有單氣隙的絕緣介質(zhì),(a)絕緣介質(zhì)中的氣隙,(b)放電等效電路假定在介質(zhì)中的氣隙是扁平狀而且是與電場(chǎng)方向相垂直,那么按電流

2、連續(xù)性原理可得UcYc=UbYb(2.1)式中U；、Ub分別氣隙和介質(zhì)上的電壓,丫c、Y；分別為氣隙和介質(zhì)的等效電導(dǎo).工頻電場(chǎng)中假設(shè)九和穌均小于10一"(Cm)-1,那么氣隙和b局部絕緣上的電壓的數(shù)值關(guān)系可簡(jiǎn)化為ucUc'紇+(0Cb)0cb為5=I=(22)UbUb£+Cc)2CCcSc(d-d)-式中%、應(yīng)分別為氣隙和絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù),氣隙和介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度Ec、Eb的關(guān)系為Ec_uc_；b/cc、Eb=Ubf(d-6)=%"3)由式(2.3)可見(jiàn)：(1)氣隙放電在工頻電場(chǎng)中氣隙中的電場(chǎng)強(qiáng)度是介質(zhì)中電場(chǎng)強(qiáng)度的倍.通常情況下%=1,而8b>1

3、,即氣隙中的場(chǎng)強(qiáng)要比介質(zhì)中的高,而另一方面氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)一般都比介質(zhì)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)低,因此,在外加電壓足夠高時(shí),氣隙首先被擊穿,而周?chē)慕橘|(zhì)仍然保持其絕緣特性,電極之間并沒(méi)有形成貫穿性的通道.(2)油隙放電在液體和固體的組合絕緣結(jié)構(gòu)中,如油紙電纜、油紙電容器、油紙?zhí)坠艿?由于在制造中采取了真空枯燥浸漬等工藝,可以使絕緣體中根本上不含有氣隙,但卻不可防止地存在著充滿絕緣油的間隙,這些油的介電常數(shù)通常也比固體介質(zhì)為小,而擊穿場(chǎng)強(qiáng)又比固體介質(zhì)為低,因此,在油隙中也會(huì)發(fā)生局部放電,不過(guò)與氣隙相比要在高得多的電場(chǎng)強(qiáng)度下才會(huì)發(fā)生.(3)在介質(zhì)中極不均勻電場(chǎng)分布的情況下,即使在介質(zhì)中不含有氣隙或油隙,只要是介質(zhì)

4、中的電場(chǎng)分布是極不均勻的,也就可能發(fā)生局部放電.例如埋在介質(zhì)中的針尖電極或電極外表上的毛刺,或其它金屬屑等異物附近的電場(chǎng)強(qiáng)度要比介質(zhì)中其他部位的電場(chǎng)強(qiáng)度高得多.當(dāng)此處局部電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)介質(zhì)本征擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí),那么介質(zhì)局部擊穿而形成了局部放電.*u(b)圖2.2放電過(guò)程示意圖(a)絕緣介質(zhì)內(nèi)氣隙放電空間電荷分布(b)外部電壓u、空間電荷q、氣隙電壓現(xiàn)的時(shí)間變化圖2.1.2放電過(guò)程在氣隙發(fā)生放電時(shí),氣隙中的氣體產(chǎn)生游離,使中性分子別離為帶電的質(zhì)點(diǎn),在外加電場(chǎng)作用下,正離子沿電場(chǎng)方向移動(dòng),電子(或負(fù)離子)沿相反方向移動(dòng),于是這些空間電荷建立了與外施電場(chǎng)方向相反的電場(chǎng)(如圖2.2(a)所示),這時(shí)氣隙內(nèi)的實(shí)

5、際場(chǎng)強(qiáng)為Ec=E外-E內(nèi)(2.4)即氣隙上的電場(chǎng)強(qiáng)度下降了E內(nèi),或者說(shuō)氣隙上的電壓降低了AUco于是氣隙中的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)低于氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)Ecb,氣隙中放電暫停.在氣隙中發(fā)生這樣一次放電過(guò)程的時(shí)間很短,約為10-8數(shù)量級(jí),在油隙中發(fā)生這樣一次放電過(guò)程的時(shí)間比擬長(zhǎng),可達(dá)10-6數(shù)量級(jí).如果對(duì)照?qǐng)D2.2(b)分析放電過(guò)程,外施電壓是正弦交流電壓,當(dāng)電壓瞬時(shí)值上升使得氣隙上的電壓Uc到達(dá)氣隙的擊穿電壓Ucb時(shí),氣隙發(fā)生放電.由于放電的時(shí)間極短,可以看作氣隙上的電壓由于放電而在瞬間下降了iUc,于是氣隙上的實(shí)際電壓低于氣隙的擊穿電壓,放電暫停(這相應(yīng)于圖2.2(b)中的點(diǎn)1).此后氣隙上的電壓隨外加電壓瞬時(shí)

6、值的上升而上升,直到氣隙上的電壓又上升到氣隙的擊穿電壓Ucb時(shí),氣隙又發(fā)生放電,在此瞬間氣隙上的電壓又下降也,于是放電又暫停.假定氣隙外表電阻很高,前一次放電產(chǎn)生的空間電荷沒(méi)有泄漏掉,那么這時(shí)氣隙中放電電荷建立的反向電壓為-2Mc.依此類(lèi)推如果在外加電壓的瞬時(shí)值到達(dá)峰值之前發(fā)生了n次放電,每次放電產(chǎn)生的電荷都是相等的,那么在氣隙中放電電荷建立的電壓為-nAuc.在外加電壓過(guò)峰值后,氣隙上的外加電壓分量u外逐漸減小,當(dāng)u外=nuc時(shí),氣隙上的實(shí)際電壓為零(圖2.2(b)中點(diǎn)2).外施電壓的瞬時(shí)值繼續(xù)下降,當(dāng)U外-nAuc=Ucb時(shí),即氣隙上實(shí)際的電壓到達(dá)擊穿電壓時(shí),氣隙又發(fā)生放電,不過(guò)放電電荷移

7、動(dòng)的方向決定于此前放電電荷所建立的電場(chǎng)E內(nèi),于是減少了原來(lái)放電所積累的電荷,使氣隙上的實(shí)際電壓為U外-nUc<Ucb時(shí),于是放電暫停(相應(yīng)圖2.2(b)中的點(diǎn)3).此后隨外施電壓繼續(xù)下降到負(fù)半周,當(dāng)重新到達(dá)-u外-(n-1)&c=Ucb時(shí),氣隙又發(fā)生放電,放電后氣隙上的電壓為|-u外-(n-2)AUcI<Ucb,放電又停止.依此類(lèi)推直到外加電壓到達(dá)負(fù)峰值,這時(shí)氣隙中放電電荷建立的電壓為nAuco隨著電壓上升,在一段時(shí)間內(nèi)|u外+nAuc<UCB不會(huì)出現(xiàn)放電,直到U外+nAuc|=UCB時(shí)氣隙又發(fā)生放電.放電后氣隙上的電壓為|u外+(n-1)Ec<Ucb,于是放電

8、又暫停(相應(yīng)圖2.2(b)中點(diǎn)4).此后隨著外加電壓升高放電又繼續(xù)出現(xiàn).由此可見(jiàn),在正弦交流電壓下,局部放電是出現(xiàn)在外加電壓的一定相位上,當(dāng)外加電壓足夠高時(shí)在一個(gè)周期內(nèi)可能出現(xiàn)屢次放電,每次放電有一定間隔時(shí)間.2.2表征局部放電的參數(shù)局部放電是比擬復(fù)雜的物理現(xiàn)象,必須通過(guò)多種表征參數(shù)才能全面地描繪其狀態(tài).在氣隙中產(chǎn)生局部放電時(shí),氣隙中的氣體分子被游離而形成正負(fù)帶電質(zhì)點(diǎn),在一次放電中這些質(zhì)點(diǎn)所帶的正或負(fù)電荷總和稱為實(shí)際放電量qr.根據(jù)圖2.1(b)所示的等效電路可以推算出,由于Cc上電荷改變了qr所引起的Cc上的電壓變化Auc.ucCcCaCb/(CaCb)(2.5)通常氣隙總是很小的,且Ca&

9、gt;>Cb,因此上式可寫(xiě)作由于氣隙經(jīng)常是處于介質(zhì)內(nèi)部,uc_qr一CcCb因而無(wú)法直接測(cè)得(2.6)qr或AUc.但根據(jù)圖2.1(b)所示的等效電路當(dāng)Cc上有電荷變化時(shí),必然會(huì)反映到Ca上電荷和電壓的變化,即試樣兩端出現(xiàn)電荷和電壓的變化,因此可以根據(jù)這種變化來(lái)表征局部放電.通常有以下表征局部放電的參數(shù).一、視在放電電荷視在放電電荷是指產(chǎn)生局部放電時(shí),一次放電在試樣兩端出現(xiàn)的瞬變電荷.根據(jù)圖2.1(b)所示的等效電路,并考慮到介質(zhì)電阻Ra、Rb以及氣隙電阻Rc都很大,而局部放電的放電時(shí)間又極短,可以假定在放電過(guò)程中,一方面電源來(lái)不及供應(yīng)補(bǔ)充電荷,另一方面各個(gè)電容上的電荷也沒(méi)有泄漏掉.因此

10、當(dāng)氣隙放電而造成Cc上電壓下降A(chǔ)uc時(shí),各電容上的電荷重新分配,因此Ca上的電壓也下降了AUa,且這時(shí)Ca上的電荷變化為CbUa=.Uc-CbCaUCCaqaUaCaCcCb/(CcCb),UaCa將(2.7)代入上式可得qa=Cb.：Uc將(2.6)代入上式得qa=qrCbCc-Cb(2.(7)(2.(8)(2.8)(2.(9)其中qa就是視在放電電荷,(2.9)說(shuō)明了視在放電電荷與實(shí)際放電電荷的關(guān)系,可以看至IJ:(1)通常氣隙是很薄的,即Cc>>Cb,因此qa往往比qr小得多；(2)應(yīng)當(dāng)注意,真正代表放電大小的是qr,只有在Cb/(Cb+CC)相同時(shí)才能通過(guò)qa的大小來(lái)比擬實(shí)

11、際放電的大?。?3)兩個(gè)視在放電量qa相同的產(chǎn)品,如果Cb/(Cb+CC)差異很大,那么qa的差異也很大,因此,對(duì)材料的破壞作用也就可能大不相同.這點(diǎn)在局部放電的實(shí)際測(cè)試中要做具體分析.、放電重復(fù)率放電重復(fù)率是指單位時(shí)間內(nèi)局部放電的平均脈沖個(gè)數(shù).通常以每秒放電次數(shù)來(lái)表示.從圖2.2可以看出,假定氣隙中每次放電后殘留的電壓Ur可以忽略,那么在外施電壓的1/4周期內(nèi)Ucmn=UcbUmCbUcbCbCc(2.10)f,那么一秒鐘內(nèi)放電次數(shù)為放電的次數(shù)約為式中Ucm為氣隙中不放電時(shí)電壓的峰值.如果外施電壓的頻率為N=4fn=4f-Um-(2.11)UcbCb%在氣隙中的放電次數(shù)與反映到試樣兩端電壓脈

12、沖的次數(shù)是完全相等的,但要注意的是實(shí)際測(cè)量中脈沖計(jì)數(shù)器需要大于一定電平的信號(hào)才能觸發(fā)計(jì)數(shù),因此,測(cè)得的放電次數(shù)只是放電量大于一定值或在一定范圍的放電次數(shù).三、放電的能量放電能量是指在一次放電中所消耗的能量.單位用焦耳表示(J).假定在氣隙中發(fā)生放電時(shí),氣隙上的電壓從Ucb下降到零,即AUc=Ucb.那么在這一次放電中消耗的能量為11,212AW=qrAUc=Cc+CaCb/Ca+CbiUc定一Cc+CbAUc2.12222設(shè)當(dāng)氣隙上的電壓到達(dá)UCB時(shí),施加在試樣兩端的電壓峰值為Uim即起始放電電壓的峰值,那么Cb一-Uc=Ucb=UimT-2.13CcCb將上式代入式2.12得1-1WN=-U

13、imCbAUc=二Uimqa2.1422上式說(shuō)明放電能量為視在放電電荷與起始放電電壓峰值乘積的一半.同時(shí)也是實(shí)際放電電荷和氣隙的擊穿電壓乘積的一半.四、放電的平均電流平均電流是指在一定時(shí)間間隔T內(nèi)視在放電電荷絕對(duì)值的總和除以時(shí)間間隔To,1、I=Tqa1+qa2+qam2.15當(dāng)qa單位為庫(kù)侖C、T單位為秒s時(shí),放電的平均電流I為安培A.五、放電的均方率均方率是指在一定時(shí)間間隔T內(nèi)視在放電電荷的平方之和除以時(shí)間間隔To1222.D=T1qa1+qa2+qam2.16當(dāng)qa單位為庫(kù)侖C、T單位為秒s時(shí),均方率D的單位為C2/So六、放電功率放電功率是指局部放電時(shí),從試樣兩端輸入的功率,也就是在一

14、定時(shí)間內(nèi)視在放電電荷與相應(yīng)的試樣兩端電壓的瞬時(shí)值之乘積除以時(shí)間間隔T.1,P=T【qa1U1+qa2U2+qamUm2.17當(dāng)qa單位為庫(kù)侖C、T單位為秒s時(shí),放電功率P的單位為Wo七、局部放電起始電壓U局部放電起始電壓是指試樣產(chǎn)生局部放電時(shí),在試樣兩端施加的電壓值.在交流電壓下用有效值表示.在實(shí)際測(cè)量中,施加電壓必須從低于起始放電的電壓開(kāi)始,按一定速度上升.同時(shí),為了能在靈敏度不同的測(cè)試裝置上所測(cè)的起始電壓進(jìn)行比擬,一般是以視在放電電荷超過(guò)某一規(guī)定值時(shí)的最小電壓值為起始放電電壓.八、放電的熄滅電壓Ue放電熄滅電壓是指試樣中局部放電消失時(shí)試樣兩端的電壓值.在交流電壓下是以有效值來(lái)表示.在實(shí)際測(cè)

15、量中電壓應(yīng)從稍高于起始放電電壓值開(kāi)始下降.為了能在不同靈敏度的測(cè)試裝置上測(cè)得的放電熄滅電壓進(jìn)行比擬,一般是以視在放電電荷低于某一規(guī)定值時(shí)的最高電壓為放電熄滅電壓.上述八個(gè)表征局部放電的參數(shù)中,視在放電電荷、放電重復(fù)率和放電能量是根本的表征參數(shù).平均電流、均方率和放電功率是表征放電量和放電次數(shù)的綜合效應(yīng),并且是在一定時(shí)間內(nèi)局部放電累積的平均效應(yīng).放電起始電壓和熄滅電壓那么是以施加在試樣兩端的電壓特征值來(lái)表示局部放電起始和熄滅的.2.3影響局部放電的因素局部放電的特性與很多因素有關(guān).如介質(zhì)和氣隙(油隙)的特性、形狀、尺寸,電場(chǎng)的均勻程度,外施電壓的波形以及環(huán)境條件等.它們都是影響局部放電特性各參數(shù)

16、的因素.一、影響視在放電電荷的因素由前述可知.力A,、qa=Cb&Uc=UCB(2.18)；c(d-)式中=0.10.8,表示當(dāng)氣隙比擬大時(shí),每次放電只是發(fā)生在一局部氣隙面積當(dāng)中.因此實(shí)際放電的面積應(yīng)以nA來(lái)表示,其中A為氣隙的面積.從(2.18)可以看出：1、氣隙面積增大時(shí),qa也增大；2、當(dāng)外加電壓升高時(shí),值增大,即實(shí)際放電面積增大,qa也增大.如果介質(zhì)中存在多個(gè)氣隙,那么電壓升高時(shí)就會(huì)有更多的氣隙同時(shí)放電,這時(shí)qa增加更為明顯；3、氣隙的擊穿電壓增高,qa也增大.在氣隙中氣體的性質(zhì)和氣體的壓力都會(huì)影響氣隙的擊穿電壓.在同樣尺寸的間隙中,油的擊穿電壓比氣體高一到二個(gè)數(shù)量級(jí).所以油隙

17、的放電量一般比氣隙的放電量大12個(gè)數(shù)量級(jí)；4、介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)大,介質(zhì)的厚度小,氣隙的厚度大,都會(huì)使qa增大.這時(shí)qa就比擬接近于實(shí)際放電電荷qr,反之就遠(yuǎn)小于qr；5、當(dāng)氣隙外表形成半導(dǎo)電層或?qū)щ妼訒r(shí),會(huì)使放電量顯著減小,甚至于停止放電.二、影響放電重復(fù)率的因素根據(jù)(2.11)式可以進(jìn)一步推導(dǎo)出放電重復(fù)率N=4fn=4f-um-1=4ffumi(2.19)UcbCbCcUcb1；c(d-、)/(；b')l由此可見(jiàn)：1、增加試驗(yàn)電壓的頻率和峰值,都會(huì)使放電重復(fù)率增加；2、氣隙的擊穿電壓低,放電的重復(fù)牽就大.從圖2.2可以清楚地看到,當(dāng)外加電壓一定時(shí),每周期內(nèi)放電次數(shù)隨Ucb的減少而增

18、加.因此,在其他條件相同時(shí),油隙的放電重復(fù)率要比氣隙的??；3、在試驗(yàn)電壓峰值不變的條件下,介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)越大,介質(zhì)厚度與氣隙厚度之比越小,那么氣隙所承受的電壓峰值就越高,因此,放電重復(fù)率也就增大；4、氣隙外表電阻小,放電電荷容易泄漏掉,氣隙中由于每次放電所建立的反電場(chǎng)AUc就比擬小,因此,在一周期中放電次數(shù)增多,即重復(fù)率增大.這在交流電壓下尤為明顯；5、介質(zhì)中存在許多氣隙時(shí),由于各次放電的時(shí)間比放電間隔的時(shí)間短得多,各氣隙的放電正好疊加在一起的幾率很小.因此,放電的次數(shù)也會(huì)增多.三、影響放電能量和放電功率的因素假定在1秒鐘內(nèi)各次放電的能量都一樣,那么每次發(fā)生放電功率為P=NqaUm2.20

19、式中N為放電重復(fù)率,Uim實(shí)際上就是用峰值表示的起始放電電壓.將式2.14與2.20比擬可以看出放電能量W與放電功率P都與視在放電電荷及起始放電電壓有關(guān).因此,所有影響視在放電電荷和放電電壓的因素都會(huì)影響放電功率或放電能量.此外,放電功率還與放電重復(fù)率有關(guān),因此,影響放電重復(fù)率的因素也會(huì)影響放電功率.四、影響放電平均電流和均方率的因素根據(jù)平均電流和均方率的定義,可以看出每秒鐘內(nèi)放電的次數(shù)越多,每次放電的放電量越大,那么平均電流或均方率就越大.因此,影響放電次數(shù)和放電量的因素也都會(huì)影響平均電流和均方率.五、影響放電起始電壓和放電熄滅電壓的因素但凡對(duì)氣隙中的電場(chǎng)分布和氣隙中氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)有影響的因素

20、,如介質(zhì)和氣體的相對(duì)介電系數(shù)、介質(zhì)和氣隙的厚度、氣隙的形狀、氣隙中氣體的性質(zhì)及壓力等都會(huì)影響放電起始電壓和放電熄滅電壓.有些絕緣材料中的氣隙放電起始電壓還與施加電壓的時(shí)間有關(guān),如環(huán)氧紙板在20C時(shí),用快速升壓測(cè)得的放電起始電壓比逐級(jí)升壓測(cè)得的高3.5倍.而在溫度為60c時(shí)這種差異就小得多.有的實(shí)驗(yàn)指出,當(dāng)氣隙直徑小時(shí),這種起始放電的延遲效應(yīng)更為明顯.在有延遲效應(yīng)的情況下,起始放電電壓的測(cè)定最好補(bǔ)充規(guī)定電壓上升到起始放電時(shí)所需的時(shí)間不少于某一規(guī)定值,或者規(guī)定采用逐級(jí)升壓法升壓,并規(guī)定每級(jí)停留的時(shí)間.放電熄滅電壓一般略低于放電起始電壓,在放電過(guò)程,氣隙狀態(tài)發(fā)生了變化,或由于局部放電產(chǎn)生了新的氣隙,

21、那么在較低的電壓下仍然可以保持放電,這時(shí)放電熄滅電壓將明顯地降低.2.4各類(lèi)局部放電的特點(diǎn)根據(jù)局部放電發(fā)生的位置和機(jī)理的不同,電氣設(shè)備中發(fā)生的局部放電大致可分為三種類(lèi)型：1絕緣介質(zhì)內(nèi)部的局部放電；2絕緣介質(zhì)外表的局部放電；3高壓電極尖端的電暈放電.各種局部放電的起始條件、放電波形以及放電隨施加電壓的變化規(guī)律各不相同,以下將分別予以討論.2.4.1 絕緣介質(zhì)內(nèi)部的局部放電在絕緣介質(zhì)內(nèi)部或介質(zhì)與電極之間的氣隙放電,都屬于內(nèi)部局部放電,這種放電的特性與介質(zhì)的特性和氣隙的形狀、大小、位置以及氣隙中氣體的性質(zhì)有關(guān).一、內(nèi)部局部放電的起始電壓對(duì)于不同的絕緣結(jié)構(gòu)和不同形狀的氣隙,內(nèi)部放電的起始電壓估算方法也

22、各不相同.現(xiàn)以平板結(jié)構(gòu)為例討論其放電起始電壓的估算公式.圖2.1中,外加電壓為u時(shí)有UcEc、廿；2.21工二Ebd一、=；cd一、UtUcUb可以推出2.22cd-、；cd；b-；c,u=ubuc=1uc=V£當(dāng)氣隙上電壓升到氣隙擊穿電壓Ucb時(shí),施加于試樣兩端的電壓Ui為起始放電電壓,那么；cd；b-；、UiUcb=d-：.Ecb2.23A；b式中Ecb為氣隙的平均擊穿場(chǎng)強(qiáng),通常由巴申定律EcB=fP5曲線查得,其中P為氣隙內(nèi)氣壓.由于介質(zhì)內(nèi)部氣隙的放電與金屬電極間形成的均勻電場(chǎng)中的氣體放電有區(qū)別,例如：1氣隙的上下外表不一定象金屬電極間那樣完全處于等位面中；2氣隙中前次放電留下

23、的空間電荷會(huì)影響氣隙中的電場(chǎng)分布,從而使氣隙的實(shí)際擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降；3氣隙中前次放電在氣隙外表形成的半導(dǎo)體層也會(huì)使實(shí)際擊穿場(chǎng)強(qiáng)下降；4實(shí)際試樣中氣隙不完全是扁平或不是垂直于電場(chǎng)方向的.所以用巴申曲線查得的Ecb來(lái)計(jì)算的起始電壓值與實(shí)際測(cè)得值往往不完全相符,但差異一般不超過(guò)±15%.二、放電波形通常絕緣介質(zhì)內(nèi)部的氣泡放電,在橢圓示波器上可以看到正負(fù)半周放電脈沖的圖形根本上是對(duì)稱的,如圖1.8所示.ab圖2.3內(nèi)部局部放電波形在放電初始外加電壓較低時(shí),局部放電總是出現(xiàn)在試驗(yàn)電壓瞬時(shí)值上升接近90.或270.的相位上；隨著外加電壓的增高,出現(xiàn)放電脈沖的相位范圍逐漸擴(kuò)展,甚至可以超過(guò)0°

24、;和180°,但在90°和270°之后的一段相位內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)放電脈沖.另外,各次放電大小不等、疏密度不均勻,放電量小的間隔時(shí)間短、放電次數(shù)多；放電量大的間隔時(shí)間長(zhǎng)、放電次數(shù)較少.這些現(xiàn)象說(shuō)明介質(zhì)內(nèi)部氣隙的實(shí)際放電過(guò)程要比前面理論分析的更復(fù)雜.圖2.4氣隙處于金屬電極與絕緣介質(zhì)之間的放電波形當(dāng)氣隙處于金屬電極與絕緣介質(zhì)之間時(shí),橢圓示波圖上的工頻正負(fù)半周放電波形是不對(duì)稱的.如果靠氣隙一邊的導(dǎo)體是高壓端,那么放電的波形是正半周放電大而稀,負(fù)半周放電小而密,如圖2.4所示.如果靠氣隙一邊的導(dǎo)體是接地的,那么放電波形也反過(guò)來(lái),即負(fù)半周是大而稀正半周是小而密.這是由于導(dǎo)體為負(fù)極

25、性時(shí)發(fā)射電子容易,氣隙的擊穿電壓Ucb降低,因此出現(xiàn)小而密.更容易發(fā)生放電現(xiàn)象圖2.5所示的是絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙一次放電的波形.這種放電波形與氣隙的形狀、氣隙內(nèi)外表的狀態(tài)以及氣隙中氣體的性質(zhì)都有關(guān).圖2.5(a)是氣隙內(nèi)外表電阻高(1016.)的放電波形；圖2.5(b)是氣隙內(nèi)外表電阻低(109Q)的放電波形.前者時(shí)間較短,后者波尾較長(zhǎng).這種差異反映了兩種不同的放電機(jī)理.膽H-tf超口1020304050.加40S080100時(shí)間頻吟時(shí)間13)(a)(b)圖2.5絕緣介質(zhì)內(nèi)部氣隙放電脈沖波形,(a)氣隙內(nèi)外表電阻高,(b)氣隙內(nèi)外表電阻低當(dāng)氣隙內(nèi)外表電阻高時(shí),由于放電而產(chǎn)生的電荷只是集中在放電通

26、道所對(duì)應(yīng)的氣隙外表上,而不會(huì)均勻分布在氣隙的上下底的整個(gè)外表上.因此,在電荷聚集的地方產(chǎn)生很強(qiáng)的電場(chǎng),使整個(gè)氣隙中的電場(chǎng)畸變而產(chǎn)生流柱型放電.這種放電是由光子鼓勵(lì)開(kāi)展電子崩而形成通道.電子、離子是均勻產(chǎn)生于通道之中,靠陰極近的正離子很快移向陰極,而靠陰極遠(yuǎn)的正離子被放電所積聚的負(fù)電荷吸引,因此在通道中正離子消失得比擬快,即放電波形的波尾比擬短,但這種放電的放電量比擬大,即放電波形的幅值高.一次流柱放電至少需106個(gè)電子崩,每一電子崩約需104個(gè)自由電子組成,一次流柱放電最少需要7.6X108個(gè)電子,這相當(dāng)于122pC的放電電荷.當(dāng)氣隙外表電阻較小時(shí),放電產(chǎn)生的電荷能較快地分散到整個(gè)氣隙外表,使

27、氣隙中的電場(chǎng)比擬均勻.這時(shí)氣隙中的放電屬于碰撞電離(湯姆遜放電).由于大局部正離子要向負(fù)電極移動(dòng),運(yùn)動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)(只有少數(shù)被負(fù)離子中和而消失),故放電波尾較長(zhǎng).2.4.2 外表局部放電沿介質(zhì)外表的電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)其擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生的局部放電稱為外表局部放電.這主要存在于不均勻電場(chǎng)中(電極邊緣處),如圖2.6(a),電場(chǎng)可以分解為具有平行于介質(zhì)外表的電場(chǎng)分量Ea和垂直于介質(zhì)外表的電場(chǎng)分量Eb；又因介質(zhì)的沿面擊穿電壓遠(yuǎn)低于介質(zhì)內(nèi)部的擊穿場(chǎng)強(qiáng),因此,電極邊緣具有較高的Ea分量時(shí),沿介質(zhì)外表就會(huì)發(fā)生局部放電.圖2.6(b)為沿介質(zhì)外表發(fā)生滑閃放電時(shí)電極邊緣處介質(zhì)的等值電路.圖中各參數(shù)分別定義為：(1) C1=

28、/d,為介質(zhì)外表單位長(zhǎng)度下,單位面積相對(duì)于下部電極的等值電容；(2) C2=k2,為介質(zhì)外表相鄰單位面積之間的等值電容；(3) Ri=FVd,為介質(zhì)柱體的電阻,氏為介質(zhì)等值體積電阻率,柱體高度即為d,柱端面積為單位面積；(4) R2=禽,為介質(zhì)外表相鄰單位面積之間的等值電阻,R為為介質(zhì)外表電阻率;(5) 名、也分別為絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)及周?chē)镔|(zhì)的介電常數(shù).(a)電場(chǎng)分布示意圖(b)電極邊緣處介質(zhì)的等值電路圖2.6電極邊緣處電場(chǎng)分布及介質(zhì)等值電路以下按圖2.6(b)的鏈?zhǔn)降戎惦娐穪?lái)分析介質(zhì)外表局部放電.一、外表局部放電起始放電電壓口及平均場(chǎng)強(qiáng)Ei根據(jù)圖2.6(b)的等值電路,以電極ai的邊緣作為

29、坐標(biāo)原點(diǎn)O,沿電極外表介質(zhì)的長(zhǎng)度為1.ai、a2間施加交流電壓U,距O點(diǎn)x處的電壓為Ux,那么Ux二sliWsh(:1)(2.(24)式中:J(+jQCi)/(+JCOC2)o沿介質(zhì)外表的電場(chǎng)強(qiáng)度為:RiR2EX-dUxJh:(x)：udxsh(：1)在x=0,即電極ai的邊緣處場(chǎng)強(qiáng)最大,(2.(25)EXmaxch(:1)=-二U0=Ucth(:1)sh(:1)(2.(26)當(dāng)EXmax到達(dá)介質(zhì)的外表?yè)舸﹫?chǎng)強(qiáng)E0時(shí),電極邊緣介質(zhì)外表發(fā)生局部放電,那么外表局部放電的起始電壓Uj為EoUi=-th(a1)(2.27)a對(duì)工業(yè)電介質(zhì)而言,工頻下,Ri可以忽略不計(jì)；如果介質(zhì)周?chē)镔|(zhì)的電阻率很高,其表

30、面電阻率R很大(R>ioi2a-m),工頻下,R2也可以忽略不計(jì),那么通常1足夠長(zhǎng),jCi)/(iR2th(od)i,因而式(2.27)可簡(jiǎn)化為UiEoj.)(2.(28)(2.(29)當(dāng)RV1012am時(shí)用工業(yè)液體電介質(zhì)浸漬的絕緣都是如此2.30,可近似忽略CO02,那么2：；i(2.(31)=(1i)EO(2.(32)Ui(2.(33)由2.30、2.33可見(jiàn),外表局部放電的起始電壓ui與介質(zhì)厚度有關(guān),可用下式表達(dá)為ui=BVd=Bd0.52.34式中B為與介質(zhì)的形狀、尺寸、材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù).外表局部放電的平均起始場(chǎng)強(qiáng)為_(kāi)05Ei=Bd2.35由2.35可見(jiàn),局部放電的起始電場(chǎng)強(qiáng)度E