局部放電產(chǎn)生的原理探討

劉書良++段俊東

[摘 ?要]對于電力變壓器等高電壓設(shè)備的絕緣，由于其絕緣內(nèi)部或表面發(fā)生局部放電而造成的放電老化問題是不容忽視的。局部放電引起介質(zhì)劣化和損傷的機(jī)理是多方面的，本文對局部放電產(chǎn)生的基本原理進(jìn)行研究和探討，具有一定工程應(yīng)用價值。

[關(guān)鍵詞]電力變壓器 ?局部放電 ?原理

中圖分類號：TM40 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）24-0140-01

1 前言

一般認(rèn)為，局部放電是一種未發(fā)生擊穿的放電現(xiàn)象，具體來講，是指絕緣系統(tǒng)在電場作用下只有部分區(qū)域發(fā)生放電但沒有穿透施加電壓的導(dǎo)體之間的放電現(xiàn)象。局部放電不會造成絕緣系統(tǒng)的貫穿性擊穿，但是會局部破壞電介質(zhì)材料尤其是有機(jī)材料，長期發(fā)生的局部放電會降低絕緣材料的電氣強(qiáng)度。所以局部放電對絕緣系統(tǒng)的破壞是一個從量變到質(zhì)變的過程，對高壓電氣設(shè)備的正常運(yùn)行構(gòu)成隱患，對其原理研究具有一定工程應(yīng)用價值。

2 局部放電產(chǎn)生的原理及特點

目前對于局部放電的描述有兩大微觀理論：湯遜理論和流注理論。

（1）湯遜理論：自由電子在電場加速運(yùn)動過程中與中性氣體分子碰撞，當(dāng)能量達(dá)到一定高度時，氣體電離產(chǎn)生電子，這樣就有了新的自由電子和離子，這些電子繼續(xù)運(yùn)動，再繼續(xù)碰撞產(chǎn)生新的電離和離子。如此循環(huán)，自由電子的數(shù)目成α倍增長，于是形成了電子崩，當(dāng)滿足自持放電條件時，就會發(fā)生局部放電。湯遜理論適用于pd（p為氣體壓強(qiáng)，d為放電間隙）值較小的情況下。

（2）流注理論：該理論是在湯遜理論的基礎(chǔ)上提出的，適用于pd值較大的情況。它著重強(qiáng)調(diào)氣體空間的光電離現(xiàn)象。電子崩發(fā)生時，電崩頭與崩尾的離子濃度達(dá)到一定程度就會發(fā)出光子，光子再激發(fā)中性分子放電進(jìn)而產(chǎn)生二次電子崩。兩次雪崩疊加后使電子崩中部的等離子區(qū)迅速擴(kuò)大，當(dāng)擴(kuò)大到貫穿電子崩兩極時就發(fā)生了氣體放電。氣體放電沿著一條狹窄的等離子通道產(chǎn)生，從而形成流注放電，流注放電一旦形成，放電就轉(zhuǎn)入自持，局部放電就產(chǎn)生了。

在實際的絕緣系統(tǒng)中，有的是由復(fù)合材料構(gòu)成的，如變壓器的內(nèi)絕緣就是變壓器油與絕緣紙的復(fù)合絕緣系統(tǒng)。在復(fù)合絕緣系統(tǒng)中，如果不同材料中的電場強(qiáng)度不同，而且擊穿場強(qiáng)也不一樣，就有可能在某種材料中首先出現(xiàn)局部放電;有的絕緣系統(tǒng)雖然是由單一的材料構(gòu)成，但由于制造中殘留的，或是使用中絕緣材料老化而產(chǎn)生的氣泡、裂紋或其他雜質(zhì)的存在，往往會在這些絕緣缺陷中首先發(fā)生放電。除了介質(zhì)不均勻或有絕緣缺陷造成電場集中之外，導(dǎo)體表面的毛刺、導(dǎo)體尖端或?qū)Ь€的直徑太小，都會造成電場集中，因此也會產(chǎn)生放電現(xiàn)象，如電容器的電極邊緣、高壓架空導(dǎo)線、沒有屏蔽好的變壓器高壓端子、電纜的接頭處以及電機(jī)線棒的出槽口等，都有可能出現(xiàn)局部放電。此外，在電氣設(shè)備或電路中，還會因有浮動電位的金屬體而出現(xiàn)感應(yīng)放電。

改善電氣設(shè)備的設(shè)計、工藝和所應(yīng)用的絕緣材料，可以提高局部放電的起始電壓，減小局部放電。但對于超、特高壓電氣設(shè)備，要求完全消除局部放電是不可能的，只能限制它不超過某一水平，以保證設(shè)備能夠在長時間內(nèi)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

局部放電的能量雖然很小，但它會使絕緣材料老化，最終導(dǎo)致絕緣擊穿。因此，不但在高壓電工產(chǎn)品生產(chǎn)中要做局部放電試驗，以保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且在設(shè)備的使用中，也應(yīng)該經(jīng)常測量局部放電，以此作為絕緣監(jiān)測的重要手段。

3 局部放電的超聲波聲學(xué)理論

在電力變壓器內(nèi)發(fā)生局部放電時，不但會產(chǎn)生高頻脈沖電信號，同時還會伴隨著爆裂狀的聲發(fā)射，頻率在20kHz以上的聲波即為超聲波。一般認(rèn)為，局部放電產(chǎn)生超聲波是由于局部體積變化引起的，也就是說當(dāng)局部放電發(fā)生時，變壓器油絕緣被擊穿，電荷運(yùn)動形成電流，產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致變壓器油受熱膨脹，局部體積在很短時間內(nèi)大，局部放電結(jié)束后，電流消失，變壓器油冷卻收縮。這種一脹一縮的體積變化引起了介質(zhì)的疏密變化，形成超聲波，從局部放電源以球面波的方式向四周傳播，通過絕緣介質(zhì)到達(dá)油箱壁。該理論忽略了空間電荷移動所產(chǎn)生的沖擊超聲波，因而無法取得局部放電與超聲波特征之間的關(guān)系。

隨著對局部放電產(chǎn)生超聲波機(jī)理研究的日益深入，目前一些專家學(xué)者開始研究空間電荷中超聲波的產(chǎn)生機(jī)理。日本科學(xué)家Tatsuo Takada提出了空間電荷的超聲波產(chǎn)生理論。通過測量超聲波能夠獲得電荷的各組成部分，因此深入研究局部放電產(chǎn)生超聲波的機(jī)理對超聲波法檢測局部放電具有理論指導(dǎo)意義。

聲發(fā)射傳感器通過測量局部放電發(fā)出的超聲波來監(jiān)測放電和判斷放電的部位，它一般安裝在電力變壓器的外殼上。為了能緊密地貼附在外殼上，傳感器頭部常有永久磁鐵，這樣可以在變壓器外殼上進(jìn)行測量。這種取樣方式完全不影響設(shè)備的正常運(yùn)行，適用于在線監(jiān)測。

超聲波如按其傳播媒質(zhì)的振動形式來分，可分為縱波和橫波兩種?？v波的介質(zhì)質(zhì)點振動方向與超聲波的傳播方向是一致的，而橫波的介質(zhì)質(zhì)點振動方向與超聲波傳播方向是垂直的。局部放電產(chǎn)生的超聲波可以看成點聲源，此時超聲波是以球面形式向周圍傳播。變壓器內(nèi)傳播通道大部分是變壓器絕緣油，絕緣油只能傳播縱波而不能傳播橫波。當(dāng)超聲波到達(dá)外殼時，則既有縱波，也有橫波和表面波。在20℃時，超聲波在不同媒質(zhì)中傳播速度不同，在局部放電超聲監(jiān)測中，由于監(jiān)測部位為變壓器內(nèi)部絕緣油（礦物油）氣隙放電現(xiàn)象，因此實驗和現(xiàn)場檢測時默認(rèn)的超聲傳播速度為1400。

在實際安放傳感器時，要考慮聲阻抗的匹配。當(dāng)超聲波從一種媒質(zhì)傳播到另一媒質(zhì)時，由于聲特性阻抗不匹配造成反射，會產(chǎn)生很大的界面衰減。衰減大小可用反射系數(shù)R來表示。特性阻抗相差越大，造成衰減越大，故超聲波從空氣傳到鋼板要比從油中傳到鋼板造成的衰減大得多。為使界面衰減最小，以提高檢測靈敏度，在聲發(fā)射傳感器的壓電芯片和變壓器外殼間，應(yīng)涂上一層薄薄的凡士林油，以消除其間存在的空氣隙，可改善聲阻抗匹配。因凡士林油也只能傳播縱波，故發(fā)射傳感器在變壓器外殼上接收到的只有縱波。

變壓器內(nèi)局部放電發(fā)出超聲波要通過液體、固體介質(zhì)和金屬外殼方能到達(dá)傳感器，傳播過程中除了發(fā)生界面衰減外，在同一媒質(zhì)中傳播也會衰減。

超聲波衰減的大小與超聲波頻率有關(guān)，頻率越高則衰減越大。在空氣中超聲波的衰減隨頻率的l～2次方增加;超聲波在液體中的衰減，一般正比于頻率的2次方;超聲波在固體材料中的衰減，約正比于頻率的1次方。超聲波在不同材料中的衰減也有很大差別，SF6比空氣的衰減要大20多倍，油紙板比油要大4倍多。

在進(jìn)行變壓器局放超聲定位時，油箱壁的傳感器探頭接收到的一般都是球面波。球面波的特點是聲強(qiáng)與距聲源距離的平方成反比，因此聲壓與距離成反比，這就是為什么局放源越靠近油箱壁，傳感器探頭接收到的超聲波信號越強(qiáng)烈，定位結(jié)果越準(zhǔn)確的原因。

4 結(jié)論

本文介紹了局部放電的概念、成因及危害，對放電過程作了較為詳細(xì)的描述，指出視在放電量、放電重復(fù)率和一次放電所消耗的能量是反映局部放電強(qiáng)弱的三個基本參數(shù)。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型電力變壓器而言，還應(yīng)該同時知道局部放電點的位置，以便對絕緣故障作出更有效的診斷。

參考文獻(xiàn)

[1]伍志榮，聶德鑫，陳江波.特高壓變壓器局部放電試驗分析[J].高電壓技術(shù)，2010，01：54-61.

[2]李燕青. 超聲波法檢測電力變壓器局部放電的研究[D].華北電力大學(xué)（河北），2004.