第六章
局部放电试验

第一节
局部放电发生机理和分类

一、局部放电发生机理

局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或金属表面的边缘及尖角部位场强集中引起局部击穿放电等。这种放电的能量是很小的，所以它的短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度。但若电气设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生累积效应，会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。电力系统电压的不断提高和限制过电压措施的改进，使长期工作电压对设备绝缘的影响相对地显得日益重要。电气设备在工作电压下的局部放电是使绝缘老化并发展到击穿的重要原因。局部放电试验是检测绝缘内部局部放电的极好的方法。因此，局部放电试验已被定为高压设备绝缘试验的重要项目之一。局部放电的发生机理可以用放电间隙和电容组合的电气的等值回路来代替，在电极之间放有绝缘物，对它施加交流电压时，在电极之间局部出现的放电现象，可以看成是在导体之间串联放置着2个以上的电容，其中一个发生了火花放电。按照这样的考虑方法，将电极组合的等值回路如图6-1所示。

在图6-1中，C _g 是串入绝缘物中放电间隙（比如气泡）的电容；C _b 是和C _g 串联的绝缘物部分的电容；C _m 是除了C _b 和C _g 以外的电极之间的电容。设电极间总的电容为C _a 则：

在这样的等值回路中，当对电极间施加交流电压V _t （瞬时值）时，在C _g 上不发生火花放电的情况下，加在C _g 上的电压V _g 由下式表示：

随着外施电压V _t 的升高，V _g 也随着增大，V _g 达到C _g 的火花电压V _p 时，在C _g 上就产生火花放电。这时，C _g 间的电压和式中的V _t 逐渐发生差异，由于放电的原因，V _g 迅速地从V _p 下降到V _t （剩余电压）。现设在C _g 间，经过t后放出的电荷为Q（t），则：

式中，C _gr 是从C _g 两端看到的电容，它等于

所以得到

将V _g 从V _p 大致变成V _r 的时间称为局部放电脉冲的形成时间。当将这些量表示成时间的函数时，成为图6-2的曲线。

局部放电脉冲的形成时间，除了极端不均匀电场和油中放电的情况之外，一般是在0.01μs以下，而且认为V _r 大致是零。

二、局部放电的主要参量

局部放电是一种复杂的物理过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声波、光、热以及新的生成物等。从电性方面分析，产生放电时，在放电处有电荷交换、有电磁波辐射、有能量损耗。最明显的是反映到试品施加电压的两端，有微弱的脉冲电压出现。如果绝缘中存在有气泡，当工频高压施加于绝缘体的两端时，如果气泡上承受的电压没有达到气泡的击穿电压，则气泡上的电压就随外加电压的变化而变化。若外加电压足够高，即上升到气泡的击穿电压时，气泡发生放电，放电过程使大量中性气体分子电离，变成正离子和电子或负离子，形成了大量的空间电荷，这些空间电荷，在外加电场作用下迁移到气泡壁上，形成了与外加电场方向相反的内部电压，这时气泡上剩余电压应是两者叠加的结果，当气泡上的实际电压小于气泡的击穿电压时，气泡的放电就暂停，气泡上的电压又随外加电压的上升而上升，直到重新到达其击穿电压时，又出现第二次放电，如此出现多次放电。当试品中的气隙放电时，相当于试品失去电荷q，并使其端电压突然下降ΔU，这个一般只有微伏级的电源脉冲叠加在千伏级的外施电压上。目前局部放电测试设备的工作原理，就是将这种电压脉冲检测出来或者放电能量测量出来。其中电荷q称为视在放电量。

（1）视在放电电荷q。它是指将该电荷瞬时注入试品两端时，引起试品两端电压的瞬时变化量与局部放电本身所引起的电压瞬时变化量相等的电荷量，视在电荷一般用pC（皮库）来表示。

（2）局部放电的试验电压。它是指在规定的试验程序中施加的规定电压，在此电压下，试品不呈现超过规定量值的局部放电。

（3）局部放电能量w。是指因局部放电脉冲所消耗的能量。

（4）局部放电起始电压V _i 。当加于试品上的电压从未测量到局部放电的较低值逐渐增加时，直至在试验测试回路中观察到产生这个放电值的最低电压。实际上，起始电压u _i 是局部放电量值等于或超过某一规定的低值的最低电压。

（5）局部放电熄灭电压V _e 。当加于试品上的电压从已测到局部放电的较高值逐渐降低时，直至在试验测量回路中观察不到这个放电值的最低电压。实际上，熄灭电压u _e 是局部放电量值等于或小于某一规定值时的最低电压。

（6）放电发生重复率。每秒放电重复的次数，一般是记下交流电压半周内发生的放电次数。在被试品上施加的电压很低时，无局部放电发生；当施加的电压超过放电起始电压并继续上升，则放电的次数随电压的增加而增加。放电发生重复率与外施电压的频率与幅值有关。

根据式（6-5），各个局部放电脉冲的放电电荷为：

设C _g ≫C _b ，V _r ≈0，则可得q _r ≈C _g V _p 应用式（6-4）及式（6-6），各个局部放电的能量w为：

设C _g ≫C _b （即C _gr ≈C _b ），V _r =0，则可得

其次，设由于局部放电引起试品电极间的电压变化为ΔV，则：

利用式（6-6），消去（V _p -V _r ），可得 引入新的参数

利用式（6-1），经过变换后，ΔV可写成下列形式：

从电极间来看，就好像是q的电荷已经放掉一样，发生了ΔV的电压变化。q称为视在的放电电荷。由式（6-9）可知，q＜q _r 。在C _m =C _g ，或C _m =C _b 时，q为

在实际测量中，由于测量ΔV和C _a 是可能的，所以，能够求出q，但是q _r 一般是求不出的。由于C _g ≫C _b 以及q＜q _r 由式（6-7），放电能量w为

利用式（6-6）和式（6-12），可得：

现设，C _g 放电时的外施电压瞬时值为V _s （局部放电起始电压的波峰值），利用式（6-2），w成为下列形式。 当V _r ≈0时，w近似为：

即对于单一气泡放电的情况，若能测量局部放电起始电压V _i 和q的话，就可求出放电能量。

三、局部放电的分类

局部放电是由于电气设备绝缘内部存在的弱点，在一定外施电压下发生的局部的和重复的击穿和熄灭现象。随着绝缘内部局部放电的发生，将伴随着如光、热、噪声、电脉冲、介质损耗的增大和电磁波放射等现象的发生。这种放电可能出现在固体绝缘的空穴中，也可能在液体绝缘的气泡中，或不同介电特性的绝缘层间，或金属表面的边缘尖角部位。所以以放电类型来分，大致可分为绝缘材料内部放电、表面放电及电晕放电。

1.内部放电

如果绝缘材料中含有气隙、杂质、油隙等，由于介质内电场分布不均匀，或空穴与介质完好部分电压分布造成的电场强度分布不均，发生在绝缘体内的放电称为内部局部放电。通常所指的测量局部放电是指测量电气设备绝缘内部发生的放电。

当绝缘介质内出现局部放电后，外施电压在低于起始电压的情况下，放电也能继续维持。该电压在理论上可比起始电压低一半，即绝缘介质两端的电压仅为起始电压的一半，这个维持到放电消失时的电压称之为局放熄灭电压。而实际情况与理论分析有差别，在固体绝缘中，熄灭电压比起始电压低5%～20%。在油浸纸绝缘中，由于局部放电引起气泡迅速形成，所以熄灭电压低得多。这也说明在某种情况下电气设备存在局部缺陷而正常运行时，局部放电量较小，也就是运行电压尚不足以激发大放电量的放电。当其系统有一过电压干扰时，则触发幅值大的局部放电，并在过电压消失后如果放电继续维持，最后导致绝缘加速劣化及损坏。

2.表面放电

如在电场中介质有一平行于表面的场强分量，当其这个分量达到击穿场强时，则可能出现表面放电。这种情况可能出现在套管法兰处、电缆终端部，也可能出现在导体和介质弯角表面处，见图6-3。内介质与电极间的边缘处，在r点的电场有一平行于介质表面的分量，当电场足够强时则产生表面放电。在某些情况下，可以计算空气中的起始放电电压。

表面局部放电的波形与电极的形状有关，如电极为不对称时，则正负半周的局部放电幅值是不等的，见图6-4。当产生表面放电的电极处于高电位时，在负半周出现的放电脉冲较大、较稀；正半周出现的放电脉冲较密，但幅值小。此时若将高压端与低压端对调，则放电图形亦相反。

3.电晕放电

电晕放电是在电场极不均匀的情况下，导体表面附近的电场强度达到气体的击穿场强时所发生的放电。在高压电极边缘，尖端周围可能由于电场集中造成电晕放电。电晕放电在负极性时较易发生，也即在交流时它们可能仅出现在负半周。电晕放电是一种自持放电形式，发生电晕时，电极附近出现大量空间电荷，在电极附近形成流注放电。现以棒—板电极为例来解释，在负电晕情况下，如果正离子出现在棒电极附近，则由电场吸引并向负极运动，离子冲击电极并释放出大量的电子，在尖端附近形成正离子云。负电子则向正极运动，然后离子区域扩展，棒极附近出现比较集中的正空间电荷而较远离电场的负空间面电荷则较分散，这样正空间电荷使电场畸变。因此负棒时，棒极附近的电场增强，较易形成。

在交流电压下，当高压电极存在尖端，电场强度集中时，电晕一般出现在负半周，而当接地电极也有尖端点时，则出现负半周幅值较大，正半周幅值较小的放电。 sE7OuE6yfvhRFGqopPMBUzAmXvowkoByz+ZA8zo/JclscPH/8w+QoUWQuJ8lOifi