局部放电试验理论与实际应用

局部放电试验理论与实际应用1 基本概念1.1局部放电的产生和放电过程采用固体绝缘的电工产品，如塑料电缆、电机、胶纸套管以及浇注变压器等，都难免在绝缘结构中含有气隙，产生气隙的原因很多，有的是在产品制造中就残留在绝缘结构中；有的是在使用中有机材料进一步固化或裂解而放出气体形成的；有的是在使用中承受机械力如震动、热胀冷缩等造成的局部开裂。

这些气隙在电场作用下就会产生局部放电。

最简单的情况是在介质内部含有一个气隙，如图1所示。

图中c代表气隙，b是与气隙串联部分的介质，a是除了b之外其他部分的介质。

假定这一介质是处于平行板电极之中，在交流电场作用下，气隙和介质中的电过程可以用图2所示的等效电路来分析。

从等效电路图可见，在工频电场中气隙的电场强度比介质中电场强度高，而另一方面气体的击穿场强即气隙发生击穿时的电场强度一般都比固体的击穿场强低。

因此，在外加电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道，这种现象就称为局部放电。

在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电容套管、油纸电缆、油浸式流变、压变、油纸电容器（耦合电容器）、油浸变压器等等，由于在制造中采取了真空干燥浸渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙，但却不可避免地存在着充满绝缘油的气隙。

这些油的介电常数通常也比固体介质为小，而击穿场强又比固体介质低，因此，在油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高得多的电场强度下才会发生。

还应当注意的是，即使在介质中不含有气隙或油隙，只要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。

例如埋在介质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其他金属屑等异物附近的电场强度，要比介质中其他部位的电场强度高得多。

当局部的电场强度达到介质的本征击穿场强时，介质局部击穿而形成了局部放电。

如果外施电压是正弦交流电压，当电压瞬时值上升使得气隙上的电压Uc达到气隙的击穿电压Ucb时，气隙发生击穿放电。

由于放电的时间极短，可以看作气隙上的电压由于放电而在瞬间下降了ΔUc，于是气隙上的实际电压低于气隙的击穿电压，放电暂停。

此后气隙上的电压又随外加电压瞬时值的上升而上升，直到气隙上的电压又回升到气隙的击穿电压Ucb时，气隙又发生击穿放电，此时气隙上的电压又下降ΔUc，于是放电又暂停。

假定气隙表面电阻很高，前一次放电产生的空间电荷没有泄漏掉，则这时气隙中的放电电荷建立的反向电压为-2ΔUc。

依此类推，如果在外加电压的瞬时值达到峰值之前发生了n次放电，每次产生的电荷都量相等的，则在气隙中放电电荷建立的电压为-nΔUc。

在外加电压过峰值后，气隙上的外加电压分量U外逐渐减小，当U外=∣-nΔUc∣时，气隙上的实际电压为零。

外施电压的瞬时值继续下降，当∣U外-nΔUc∣=Ucb时，即气隙上实际的电压达到击穿电压时，气隙又发生放电，不过放电电荷移动的方向决定于在此以前放电电荷所建立的电场E内，于是减少了原来放电所积累的电荷，使气隙上的实际电压为∣U外-（n-1）ΔUc∣＜Ucb于是放电暂停。

此后随外施电压继续下降到负半周，当重新达到∣-U外-（n-1）ΔUc∣=Ucb时，气隙又发生放电，放电后气隙上的电压为∣U外-（n-2）ΔUc∣＜Ucb，于是放电又停止。

依此类推直到外加电压达到负峰值，这时气隙中放电电荷建立的电压为nΔUc。

随着电压回升，在一段时间内-U外+nΔUc＜Ucb不会出现放电，直到U外+nΔUc=Ucb时气隙又发生放电。

放电后气隙上的电压为U外+（n-1）ΔUc＜Ucb，于是放电又暂停。

此后随着外加电压升高放电又继续出现。

由此可见，在正弦交流电压下，局部放电是出现在外加电压的一定相位上，当外加电压足够高时，在一个周期内可能出现多次放电，每次放电有一定间隔时间。

电压越高放电次数就越多。

1.2表征局部放电的参数在气隙中产生局部放电时，气隙中的气体分子被游离而形成正负带电质点，在一次放电中这些质点所带的正（或负）电荷总和称为实际放电量q。

由于气隙经常是处于介质内部，因而无法直接测得q，但根据图2所示的等效电路当C C上的电荷变化时，必然会反映到C O上电荷和电压的变化，即试样两端出现电荷和电压的变化。

因此可以根据这种变化来表征局部放电。

a、视在放电电荷视在放电电荷是指局部放电时，一次放电在试样两端出现的瞬变电荷。

根据图2等效电路所示，因为局部放电的放电时间极短，可以假定在放电过程中，一方面电源来不及供给补充电荷，另一方面各个电容上的电荷也没有泄漏掉。

因此当气隙放电而造成C C上的电压下降ΔUc时，各电容上的电荷重新分配，因此C a上的电压也下降了ΔUa。

q a就是视在放电电荷，视在放电电荷与实际放电电荷的关系：q a=q×C b/（C b+C C）通常气隙是得薄的，即C C》C b因此q a往往比q小得多。

应当注意，真正代表放电大小的是q，只有在C b/（C b+C C）相同时才能通过q a的大小来表明实际放电的大小。

在实际测量中是用一规定的标准瞬变电荷注入试样两端，使得在局部放电检测仪器上的读数与试样局部放电时在同一检测仪器上（灵敏度不变）测得最大的读数相等，这个注入的电荷量就是试样的视在放电电荷。

即通常所称的放电量。

放电量的单位为库仑C或微微库pC。

b、放电重复率（或放电次数）放电的重复率是指单位时间内局部放电的平均脉冲个数。

通常是以每秒中放电的次数来表示。

在气隙中的放电次数与反映到试样两端电压脉冲的次数是完全相等的，但要注意的是实际测量中脉冲计数器需要大于一定电平的信号才能触发计数，因此，测得的放电次数只是放电量大于一定值或在一定范围的放电次数。

c、放电的能量放电能量是指在一次放电中所消耗的能量。

单位用焦耳表示。

d、放电的平均电流平均电流是指在一定时间间隔T内视在放电电荷绝对值的总和除以时间间隔T。

当q a=C、T为S时，单位用安培表示。

e、放电的均方率放电的均方率是指在一定时间间隔T内视在放电电荷的平方之和除以时间间隔T。

当q a=C、T为S时，单位用C2/S表示。

f、放电功率放电功率是指局部放电时，从试样两端输入的功率，也就是在一定时间内视在放电电荷与相应的试样两端电压的瞬时值u之乘积，除以时间间隔T。

当q a=C、u为V时，放电功率单位为W。

g、局部放电起始电压U i局部放电起始电压是指试样产生局部放电时，在试样两端施加的电压值。

在交流电压下用有效值（伏）表示。

在实际测量中，施加电压必须从低于起始放电的电压开始，按一定速度上升。

同时，为了能在灵敏度不同的测试装置上所测的起始电压进行比较，一般是以视在放电电荷超过某一规定值时的最小电压值为起始放电电压。

h、放电的熄灭电压U e放电熄灭电压是指试样中局部放电消失时试样两端的电压值。

在交流电压下是以有效值（伏）表示。

在实际测量中电压应从稍高于起始放电电压值开始下降。

为了能在不同灵敏度的测试装置上测得的放电熄灭电压进行比较，一般是以视在放电电荷低于某一规定值时的最高电压为放电熄灭电压。

上述八个表征局部放电的参数中，视在放电电荷、放电重复率和放电能量是基本的表征参数。

平均电流、均方率和放电功率是表征放电量和放电次数的综合效应，并且是在一定时间内局部放电累积的平均效应。

放电起始电压和熄灭电压则是以施加在试样两端的电压特征值来表示局部放电起始和熄灭的。

2局部放电测量的基本方法局部放电的测试都是以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理量的测量来表征局部放电的状态。

因此测试的方法很多，有脉冲电流法（测试样两端电荷的变化），电桥法（测放电能量损耗），无线电干扰电压法（测放电产生的无线电干扰电压），以及许多非电检测法（测局部放电所发生的声、光、热以及放电生成物）。

其中脉冲电流法的灵敏度最高，而且可以分别测得放电量（视在放电电荷）、放电重复率以及平均电流、放电能量等，是最基本最广泛采用的一种方法。

2.1脉冲电流法的测量原理根据局部放电的等效电路图2可知；产生局部放电时试样两端会出现电荷的变化，与试样两端联接的测试回路中就会有脉冲电流。

根据测试回路的特点，脉冲电流法又可分为“直测法”和“平衡法”二种。

直接测量局部放电所产生的脉冲电流在检测阻抗两端响应的脉冲电压称直测法。

测试回路可分为并联测试回路和串联测试回路。

进行局部放电测试时，经常会遇到各种干扰。

特别在现场进行测量时遇到的干扰更为严重。

这时若用直测法来测量，试样的局部放电信号经常会被干扰信号所掩盖或无法识别。

而用平衡法来测量就可以得到较好的效果。

平衡法的主要特点就在于抗外来干扰的能力强。

局部放电测量的基本回路如图3：图3 局部放电测量的基本回路(a)测量阻抗与耦合电容器串联回路；(b)测量阻抗与试品串联回路；(c)平衡回路图中：Z f—高压滤波器；C x—试品等效电容；C k—耦合电容；Z m—测量阻抗；Z—调平衡元件；M—测量仪器2.2局部放电测量回路中对各元器件的要求a.耦合电容C k。

C k在试验电压下不应有明显的局部放电。

b.测量阻抗Z m。

测量阻抗应具有阻止试验电源频率进入仪器的频率响应。

调谐回路的频率特性应与测量仪器的工作频率相匹配。

c.测量仪器M。

测量仪器的频带，现场进行局部放电试验时，可根据环境干扰水平选择相应的仪器。

当干扰较强时，一般选用窄频带测量仪器，例如f0=(30~200)KHz，Δf=(5~15)KHz；当干扰较弱时，一般选用宽频带测量仪器，例如f1=(10~50)KHz，f2=(80~400)KHz。

对于f2=(1~10)KHz的很宽频带的仪器，具有较高的灵敏度，适用于屏蔽效果好的试验室。

d.视在放电量的校准确定整个试验回路的换算系数K，称为视在放电量的校准，换算系数K受回路C x、C k、C s(高压对地的杂散电容)及Z m等元件参量的影响。

因此，试验回路每改变一次必须进行一次校准。

校准的基本原理视在放电量校准的基本原理是：以幅值为U0的方波通过串接小电容C0注入试品两端，此注入的电荷量为：Q U C000式中U0——方波电压幅值，V；C0——电容，pF；Q0——电荷量，pC。

直接校准法将已知电荷量Q 0注入试品两端称为直接校准，其目的是直接求得指示系统和以视在放电量Q 表征的试品内部放电量之间的定量关系，即求得换算系数K 。

这种校准方式是由国家标准GB7354—87《局部放电测量》推荐的。

直接法和平衡法测量回路的直接校准电路，如图4所示，其方法是：接好整个试验回路，将已知电荷量Q 0=U 0C 0注入试品两端，则指示系统响应为L ′。

取下校准方波发生器，加电压试验，当试品内部放电时，指示系统响应为L 。

由此则可得换算系数 K h 为图4 直接校准的接线(a)直接法测量的直接校准接线；(b)平衡法测量的直接校准接线K L L h ='则视在放电量Q 为 Q U C K =00h式中 Q ——视在放电量，pC ； U 0——方波电压幅值，V ；C 0——电容，pF ；K h ——换算系数。