固體絕緣中氣隙尺寸對局部放電過程的影響

徐彬 徐森 朱乃凱

摘 要：電氣設備制作過程中不可避免的會存在一些絕緣缺陷，如氣隙，造成絕緣體內(nèi)部產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象。局部放電現(xiàn)象的產(chǎn)生會加速電力系統(tǒng)中絕緣體的老化，嚴重的還會引起絕緣體的擊穿，影響電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。為了研究固體絕緣中氣隙大小對局部放電過程的影響，該文對局部放電機理進行了研究，構建了局部放電量測試系統(tǒng)，給出了氣隙尺寸大小不同對局部放電量大小和場強大小的影響，并且對外加場強大小對氣隙放電量的大小進行了分析。

關鍵詞：電氣設備 固體絕緣 氣隙尺寸 局部放電

中圖分類號：U415.6 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（c）-0240-01

局部放電現(xiàn)象是現(xiàn)階段造成電氣設備絕緣性能較差的主要原因，對設備的電力系統(tǒng)中的安全運行造成了較大的影響。固體絕緣體中產(chǎn)生的局部放電現(xiàn)象會對電力系統(tǒng)中的各種信號產(chǎn)生干擾作用，影響電力系統(tǒng)中設備和儀器的運行和測量精度。目前市場上常見的固體絕緣產(chǎn)品有干式絕緣互感器、電機線棒和電磁等。局部放電過程中會產(chǎn)生一系列的物力變化過程，從而加快絕緣產(chǎn)品中絕緣層的老化，甚至引起擊穿。因此，研究氣隙大小跟局部放電量之間的關系對進行電力系統(tǒng)高壓設備的維修和診斷具有非常重要的意義。

1 局部放電機理

在固體絕緣產(chǎn)品中，氣隙能夠發(fā)生局部放電要滿足以下兩個方面的條件。

（1）氣隙中存在一定的電場，且其強度比放電開始時電廠強度要大。

（2）氣隙中具有能夠自由移動的自由電子。

局部放電過程中，氣隙會首先被擊穿，但是其周圍介質(zhì)還具有較好的絕緣性能。氣隙擊穿過程中自由電子會出現(xiàn)游離，游離作用的強弱程度不同，氣隙被擊穿的機理也就不同。影響局部放電量大小的因素有氣隙大小和距離，當二者乘積較小時，氣隙中的帶電粒子在運動過程中會從電場中吸收較多的能量，當帶電粒子和氣體粒子發(fā)生碰撞后，就會使氣體粒子產(chǎn)生電離現(xiàn)象，從而生成新的帶電粒子，氣隙中帶電粒子的濃度隨著碰撞過程的進行不斷增加，該機理是湯遜提出的一種局部放電機理。當氣隙大小和距離乘積較大時，氣隙中存在的電荷量較大，電子在不斷向陽極游離的過程中，不斷發(fā)生撞擊，電場發(fā)生的畸變比較嚴重，局部場強的作用非常強大，這時空間中的一些電荷就會產(chǎn)生復合現(xiàn)象，生成光子游離在氣隙中。這些光子在氣隙中局部場強的作用下形成衍生電子崩，崩內(nèi)的電子書和正離子的數(shù)量會隨著電子崩數(shù)量的增加而呈指數(shù)規(guī)律發(fā)展。同時由于電子的遷移速率比正離子的遷移速率要大兩個等級，因此，氣隙中電子的運動速度總是處在崩頭部分，但是大部分正離子確滯留在它原來的位置，不斷向陰極方向移動，并且跟主電子崩結合到一起，形成留住，即流注機理。

2 氣隙尺寸對局部放電過程影響測試系統(tǒng)的建立

為了分析氣隙尺寸大小對局部放電特性的影響，我們要采用先進的儀器設備對局部放電量大小進行測定。由于局部信號放電過程中信號的變化非?？?，且產(chǎn)生的放電信號非常微弱，所以在測試系統(tǒng)構建過程中要充分考慮測量的準確性和信號的抗干擾性。該次測試系統(tǒng)中使用的設備主要有高壓實驗回路、數(shù)字示波器、抗干擾設備、測量阻抗以及計算機等，各個儀器通過串聯(lián)的方式連接在一起。通過測試該系統(tǒng)具有較高的檢測靈敏度和測量準確度，能夠?qū)崿F(xiàn)對局部放電過程中放電量大小的測定。

測量過程中我們從縱向和橫向兩個方向研究了氣隙尺寸對局部放電量大小的影響，實驗過程中采用的主要方法是：首先，保證氣隙縱向尺寸大小不變；其次，逐漸增加氣隙直徑的大??；再次，保證氣隙的直徑大小不變；最后，改變氣隙尺寸的大小。

3 實驗結果分析

實驗過程中我們采用了階梯升壓的方式對絕緣體缺陷模型施加電壓，考慮到實驗過程中氣隙放電會存在一定程度的延遲，所以在施加電壓過程中，沒提高100 V的電壓就會適當停留10 s，如果確定沒有產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象后再繼續(xù)提高電源電壓的大小。

3.1 起始放電場強和放電量

隨著氣隙橫截面積的增加，氣隙中場強的大小不斷下降。造成這種現(xiàn)象的原因是由于放電通道的形成是任意的，隨著氣隙橫截面積的不斷增加，放電通道的形成幾率不斷增加，進行導致氣隙中場強的大小逐漸下降。在實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)，當氣隙尺寸小于0.3 mm時，獲得實驗數(shù)據(jù)跟上述規(guī)律一致；但是當氣隙大小超過0.3 mm以后，氣隙中場強的變化隨氣息大小的變化沒有明顯的規(guī)律性。由此我們可以得到氣隙中場強的大小跟氣隙在縱向的橫截面積大小有關。

起始放電量的大小隨著氣隙橫截面積的不斷增加。一般情況下，氣隙初始放電量的大小通常采用三電容模型進行分析，當氣隙尺寸較大時，只有一部分氣隙產(chǎn)生放電現(xiàn)象。其氣隙的橫截面積越大，起始放電量的大小就越大；氣隙尺寸增加，其起始放電量的大小也會增加。

3.2 氣隙放電量跟外施場強關系

外加場強大小對氣隙放電量的大小也會產(chǎn)生較大的變化，當氣隙中開始產(chǎn)生放電現(xiàn)象后，不斷提高實驗中輸入電壓的大小，實現(xiàn)外加場強大小的增加，當其場強大小超過一定數(shù)值之后，實驗中氣隙放電量的大小不會再隨著場強大小的增加而增加，而是隨著場強的增加而出現(xiàn)下降。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有兩個：一是由于外加場強增加的同時也提高了氣隙內(nèi)部場強的大小，導致局部放電過程中氣隙兩側的電壓降增加；二是當外加場強達到一定程度后，氣隙中粒子的活動比較激烈，參與放電的氣隙尺寸不斷增加，在氣隙內(nèi)部形成了半導體通道，實現(xiàn)了對放電量通道的有效抑制。

4 結論

電力系統(tǒng)中各種設備的制造成本較高，一旦出現(xiàn)故障就會造成巨大的經(jīng)濟損失，但是由于設備制作過程中不可避免的會存在一些絕緣缺陷，如氣隙，造成絕緣體內(nèi)部產(chǎn)生局部放電現(xiàn)象，絕緣物質(zhì)長期在局部電荷的影響下會產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。該文主要研究了氣隙尺寸對固體絕緣局部放電過程的影響，構建了其試驗測試系統(tǒng)，并且對得到的測試結果進行了分析。

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