局部放電產生的原理探討

劉書良++段俊東

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

[關鍵詞]電力變壓器 ?局部放電 ?原理

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

1 前言

一般認為，局部放電是一種未發生擊穿的放電現象，具體來講，是指絕緣系統在電場作用下只有部分區域發生放電但沒有穿透施加電壓的導體之間的放電現象。局部放電不會造成絕緣系統的貫穿性擊穿，但是會局部破壞電介質材料尤其是有機材料，長期發生的局部放電會降低絕緣材料的電氣強度。所以局部放電對絕緣系統的破壞是一個從量變到質變的過程，對高壓電氣設備的正常運行構成隱患，對其原理研究具有一定工程應用價值。

2 局部放電產生的原理及特點

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動過程中與中性氣體分子碰撞，當能量達到一定高度時，氣體電離產生電子，這樣就有了新的自由電子和離子，這些電子繼續運動，再繼續碰撞產生新的電離和離子。如此循環，自由電子的數目成α倍增長，于是形成了電子崩，當滿足自持放電條件時，就會發生局部放電。湯遜理論適用于pd（p為氣體壓強，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上提出的，適用于pd值較大的情況。它著重強調氣體空間的光電離現象。電子崩發生時，電崩頭與崩尾的離子濃度達到一定程度就會發出光子，光子再激發中性分子放電進而產生二次電子崩。兩次雪崩疊加后使電子崩中部的等離子區迅速擴大，當擴大到貫穿電子崩兩極時就發生了氣體放電。氣體放電沿著一條狹窄的等離子通道產生，從而形成流注放電，流注放電一旦形成，放電就轉入自持，局部放電就產生了。

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

改善電氣設備的設計、工藝和所應用的絕緣材料，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，以保證設備能夠在長時間內安全、穩定運行。

局部放電的能量雖然很小，但它會使絕緣材料老化，最終導致絕緣擊穿。因此，不但在高壓電工產品生產中要做局部放電試驗，以保證產品質量，而且在設備的使用中，也應該經常測量局部放電，以此作為絕緣監測的重要手段。

3 局部放電的超聲波聲學理論

在電力變壓器內發生局部放電時，不但會產生高頻脈沖電信號，同時還會伴隨著爆裂狀的聲發射，頻率在20kHz以上的聲波即為超聲波。一般認為，局部放電產生超聲波是由于局部體積變化引起的，也就是說當局部放電發生時，變壓器油絕緣被擊穿，電荷運動形成電流，產生熱量，導致變壓器油受熱膨脹，局部體積在很短時間內大，局部放電結束后，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，通過絕緣介質到達油箱壁。該理論忽略了空間電荷移動所產生的沖擊超聲波，因而無法取得局部放電與超聲波特征之間的關系。

隨著對局部放電產生超聲波機理研究的日益深入，目前一些專家學者開始研究空間電荷中超聲波的產生機理。日本科學家Tatsuo Takada提出了空間電荷的超聲波產生理論。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生超聲波的機理對超聲波法檢測局部放電具有理論指導意義。

聲發射傳感器通過測量局部放電發出的超聲波來監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行測量。這種取樣方式完全不影響設備的正常運行，適用于在線監測。

超聲波如按其傳播媒質的振動形式來分，可分為縱波和橫波兩種。縱波的介質質點振動方向與超聲波的傳播方向是一致的，而橫波的介質質點振動方向與超聲波傳播方向是垂直的。局部放電產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。當超聲波到達外殼時，則既有縱波，也有橫波和表面波。在20℃時，超聲波在不同媒質中傳播速度不同，在局部放電超聲監測中，由于監測部位為變壓器內部絕緣油（礦物油）氣隙放電現象，因此實驗和現場檢測時默認的超聲傳播速度為1400。

在實際安放傳感器時，要考慮聲阻抗的匹配。當超聲波從一種媒質傳播到另一媒質時，由于聲特性阻抗不匹配造成反射，會產生很大的界面衰減。衰減大小可用反射系數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，在聲發射傳感器的壓電芯片和變壓器外殼間，應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，故發射傳感器在變壓器外殼上接收到的只有縱波。

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

超聲波衰減的大小與超聲波頻率有關，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烈，定位結果越準確的原因。

4 結論

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的描述，指出視在放電量、放電重復率和一次放電所消耗的能量是反映局部放電強弱的三個基本參數。對于結構復雜的大型電力變壓器而言，還應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

[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，2010，01：54-61.

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