第3章-局部放电对绝缘的损坏和评定(共11页)

1、精选优质文档-倾情为你奉上第3章 局部放电对绝缘的损坏和评定3.1 造成绝缘老化的机理实践证明局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的主要原因。在电场长期作用之下，因局部放电而造成的绝缘性能劣化，称为电老化。电老化机理是很复杂的，它包括局部放电所引起的一系列物理效应和化学变化。 局部放电对绝缘产生的破化作用可归纳为以下几种基本形式。一、带电质点的轰击 由电极注人的电子和放电过程电离的电子、正负离子，在电场作用下具有的能量可达l0eV以上，而一般高聚物的键能，只是几个电子伏，如C-H键能为3.5eV,C=C键能为6.2eV。因此，当这些带电质点撞击到气隙壁上时，就可能打断绝缘体的比学键，而产

2、生裂解，破坏绝缘体的分子结构。 在这些带电粒子的轰击下，液体介质，如甲烷族饱和烃类和烃类矿物油，则析出气体，产生固态x腊。 （3.1）因此，在带电粒子作用下，介质表面不断腐蚀，形成凹坑并不断加深，最后导致击穿。二、热效应 在放电点上，介质发热可达很高的温度。解剖经长期放电而尚未击穿的试品，可以看到绝缘材料在放电点上被烧焦炭化或熔化。温度升高会产生热裂解，或促进氧化裂解，同时温度提高会增大介质的电导和损耗，由此产生恶性循环，加速电热老化过程，导致绝缘体破坏。三、活性生成物 在局部放电过程中会生成许多活性生成物，如臭氧，有水分时产生硝酸、亚硝酸、草酸等，这些生成物进一步与绝缘材料起反应，腐蚀绝缘体

3、，使介电性能劣化。四、辐射效应 局部放电会产生可见光、紫外线以及X射线和射线。紫外线能量较小，只会促使某些基团分解，而X射线和射线的能量大，可能会促使主键断裂，使高分子分解为单体。对于某些材料，上述射线会促使分子间的交联，而使材料发脆。五、机械力的效应 断续爆破性的放电和放电产生的高压力气体，都会使绝缘体开裂，从而形成新的放电点在放电时产生的声波，也会引起机械化学作用。如橡胶通过滚筒滚压韧练，利用机械力将分子链拉断而降低分子量一样，机械振动波也会使高分子裂解为低分子。以上几种破坏机理往往同时存在，对于不同材料和不同工作条件，可能以其中的某一种为主。显然，工作场强高、气隙大，带电质点的轰击作用大

4、；工作温度高、材料的介质损失大、材料耐热性差，则热效应作用大；对于湿度大或有污染的情况下，放电产生的活性生成物的破坏就更为明显；主要是前三种效应，辐射效应和机械应力的效应的影响相对比较小。3.2 局部放电对绝缘材料的老化过程解剖运行中老化了的电工设备和观察人工加速电老化的试样，经常可以看到绝缘体表面或内部存在树枝状的放电痕迹，这些痕迹通常是由于局部放电使绝缘材料碳化所遗留下来的，因此树枝放电的发展过程，就是最普遍的电老化过程。树枝放电的引发机理是很复杂的：a)可能是气隙、油隙或其它杂质引起局部放电而产生的；b)也可能是高场强下，电极电子注入介质，在很大的电流密度下，使介质气化爆裂而形成的；c)

5、也可能是由于在交变电场下，麦克斯韦力的反复作用，使介质疲劳开裂而造成的。不论树枝放电是怎样引发的，一旦引发之后，其发展过程和局部放电分不开。现以高聚物和油纸绝缘材料为例，说明材料在局部放电作用下的破坏作用。3.2.1 内部放电对高聚物的破坏过程一、气隙表面材料受局部放电的腐蚀 首先观察环氧树脂的人工气隙加速电老化试验。可以看到，在气隙中开始放电时，放电是随机地发生在气隙上下表面的各点上，经过一定时间后，放电逐渐集中到气隙的边缘上。用电子显微镜可以观察到，在放电的集中点上，开始出现凹坑，之后，在凹坑的尖端出现树枝状放电，随着放电时间延续，树枝的长度增长直到最后发生击穿。 试验中，当气隙中充满空气

6、时，在开始阶段放电是比较均匀地发生在整个气隙面积上(见图3.l(a)。若气隙中充以N2气，则放电主要发生在气隙的圆周边沿上，而气隙中央很少有明显的腐蚀(见图3.l(b)。这可能是空气的击穿场强比N2的低，充以空气的气隙容易贯穿气隙放电。而N2的击穿场强高，较多的机会出现在沿气隙壁表面上放电（沿面放电起始电压相对较低），因此集中在气隙的圆周边沿。 因此，对于充以空气的密闭气隙，在放电起始阶段，放电是随机地发生在气隙上下表面的各点上，类似图3.1(a)的情况；在放电过程中氧气被消耗掉，因此气体中N2的含量相对增加，放电状态就接近于充以N2气的状态，即放电转移集中到气隙的圆周边沿上，类似图3.1(b

7、)的情况。 放电集中的位置上，材料受腐蚀而出现凹坑。凹坑中腐蚀产物的电导比较大（有机材料炭化），凹坑中各点深度不同，因此，在某些点上场强特别高，在这些点上就会首先出现树枝状放电。二、树枝状放电的发展在聚乙烯材料中埋入一对针尖电极来模拟实际绝缘中局部电场集中的情况，如图3.2所示，在针尖与导体间加上高电压。（针尖曲率半径为1.5m15m）。当针尖附近的电场强度足够高时，就会产生树枝状的局部放电。当针尖端部留有气隙时(如图3.2(b)所示)，放电树枝成长为刷状形如图3.3(a)所示。当针尖端部没有气隙时(如图3.2(a)所示)，放电树枝成长为丛林状，如图3.3(b)所示。(a) (b) (c) (

8、d)树枝放电发展的过程基本上分为四个阶段：(a)开始，“树枝”很少，发展较快；(b) “树枝”增多、增长，发展较慢；(c) “树枝”的末稍很细的通道已到达另一电极，但这时尚未发生击穿，“树枝”接近另一电极时发展速度很快；(d)更多的“树枝”到达另一电极，击穿。图3.4 树枝的发展过程, (a)开始，(b)成长分枝，(c)到达另一电极，(d)击穿 放电树枝成长的速度通常是在引发后的开始阶段发展比较快，以后一段较长的时间内发展较为缓慢，直到接近贯穿两电极之间时又发展得很快。如聚乙烯在尖对尖电极间成长树枝时，在开始的2min内“树枝”长度增长0.6mm，之后70min内才增长0.3mm。再接下去增长

9、0.3mm要经100min；当“树枝”成长到接近另一电极时又发展很快。“树枝”的发展与很多因素有关，如：外加电压、针尖形状、介质特性、针尖端部的气隙状态以及周围的空间电荷效应等等。“树枝”发展过程速度变慢的原因很多，最主要的有两点： (1) 空间电荷累积效应：静电荷累积在“树枝”的通道上，可能捕捉离子或电子，也可能使邻近的“树枝”分枝降低了电场强度(邻近的屏蔽效应)，这都会使得“树枝”放电减弱，降低其成长的速度；(2)“树枝”通道内的气压增加，使放电熄灭，直到通道内的气体泄漏到重新达到起始放电电压时，放电又重新开始，“树枝”又开始增长。例如，用同一批聚乙烯试品，在同样的条件下进行试验，当试品是

10、连续施加电压时，经4小时，试品发生击穿；当试品施加电压2小时后，去除电压停留l小时，之后再加电压，不到l小时就击穿；当试品施加电压1小时，停留一夜不加电压，之后再加电压，不到半小时就发生击穿。这说明：停留的时间长，气体泄湍充分，放电也充分恢复，于是“树枝”发展得快，击穿就很快出现。通过以上聚乙烯和环氧树脂等人工内部气隙的电老化试验观察，可以用以下三个阶段来概括内部放电对这类材料造成破坏的过程： 第一阶段是局部放电产生的化学反应使介质表面上出现沉积物，它们的介电系数和电导系数一般都比气隙周围介质的高，因此在沉积物的附近发生电场集中，局部放电就逐渐转移到电场强度高的各点上。 第二阶段是在各个放电的

11、集中点上，绝缘材料进一步被腐蚀。这些放电的集中点往往是在气隙底部边缘上，这是由于气隙壁底部的电阻因沉积物的覆盖而变小，放电电荷沿气隙壁流向底部，在气隙底部的边缘集聚了许多空间电荷，造成了电场集中，因此放电比较集中地发生在这一区域。 第三阶段是在较高的电压下，在绝缘材料被腐蚀的小坑尖端，电场强度可能到达该材料的本征击穿场强，这时材料被局部击穿；接着尖端又向前推移，在新的尖端附近又发生新的局部击穿，经过一定时间的发展，放电就逐渐由气隙的底部边缘向绝缘材料内部延伸，不但放电通道的长度逐渐增长，而且分枝也逐渐增多，形成了树枝状放电，最终放电的通道贯穿整个材料，就形成击穿。3.2.2 内部放电对油纸绝缘

12、的破坏机理 在采用油纸绝缘结构的电气设备，如电容器、电力电缆、变压器等，一方面在制造过程中可能混入气泡；另一方面，在运行中因湿度的影响、热胀冷缩及电动力和机械力作用的结果使纸层间存在气隙或油隙。如果油的吸气性能好，即使在开始时有些气隙放电，但逐渐地会使大气隙分为小气隙，最终都被油所吸收，从而油隙的放电是主要的危险；如果油的吸气性能不好，加上在放电过程不断地放出新的气体，就会使小气隙变成大气隙，气隙放电愈来愈严重，这种情况下，气隙放电往往成为主要的危险，而且会很快导致击穿。 油的吸气特性与下列因素有关：(1)电场强度提高，放出气体增加。在低场强下是吸气的油，在高场强下可能变为放气；(2)温度升高

13、时，放出的气体一般趋向于增加，而十二烷基苯（电力电容器内绝缘介质）却是在高温下吸气性能好；(3)油的浓度和折射率增大(即增加芳烃含量)，会减少放气甚至变为吸气。由此可见在高场强和高温下局部放电就显得更为严重。 对于油纸绝缘局部放电，油隙中放电过程比较缓慢，一次放电时间约为微秒数量级，要比气体中的一次放电长12次方(数量级)；在液体表面上的局部放电和内部局部放电相比，放电重复率比较高，放电量也比较大，放电起始电压比较低；不同液体介质表面放电的特性有明显差异，变压器油的放电量大于白油的放电量，而放电重复率却比白油的小，放电时放出的气体，白油比变压器油多，放出的气体大量的是H2、CH4，也有少量的不

14、饱和烃如C2H4等；不同液体介质的内部局部放电特性差别很小；放电特性与液体的吸气能力是密切相关的，在含气量小于0.2%时，就很难保持稳定的放电；在相同放电能量下，内部局部放电比表面局部放电放出的气体更多，放出的气体大量的是不饱和烃如C2H4、C2H2，也有少量的H2和CH4；油纸绝缘在经受局部放电作用之后，可以看到不同液体介质产生不同的x蜡。 变压器油中产生的软蜡呈淡黄桔色，它在有机溶剂中膨胀但不溶解。白油产生无色胶质蜡，能溶于热油中。十二烷基苯产生棕黑色的硬蜡，不溶于溶剂。现以图3.5所示的电力电缆中的油纸绕包绝缘为例，说明油纸绝缘结构中局部放电的发展情况。如果在靠近导电芯线附近有气隙或油隙

15、存在，在气隙或油隙处首先出现局部放电，接着放电就沿着层间间隙发展，当遇到纸层中的弱点时，也会贯穿纸层，最终发展到击穿。在此过程中，放电不仅使周围的浸渍剂分解，使气隙扩大，而且放电形成的带电粒子还会在电场作用下撞击下一层纸带，使纸带中原有的矿物油浸渍剂分解，析出x腊和氢气，使放电有可能穿过纸带中的细孔继续向前发展。当场强足够高时，会使纸纤维断裂，分解出碳粒子，它附着于放电通道上，并且几乎具有导电芯线的电位，这样原来只有径向场强的电场发生畸变，具有了与很强的纸带表面平行的切线分量，从而使放电沿纸带表面向前发展，最终发展成为滑闪放电。图3.5 油纸绝缘结构中局部放电的发展3.3 影响电老化速度的诸因

16、素 局部放电对绝缘的破坏速度即电老化速度，影响电老化速度的因素很多，除了电介质本身的特性之外，大致可归纳为以下几方面。一、电场强度 提高电场强度会使局部放电加剧，放电量、放电次数、放电功率都会相应增加。因此电老化速度必然加快。根据统计规律，试品的电老化寿命(L）与外加的电场强度(E），存在反幂数关系，即 （3.2）或 （3.3）式中，K、n均为常数，决定与材料特性和试验条件。 根据(3.3)的寿命与场强的对数线性关系，只要场强不取过高，保证n在试验场强范围内保持不变，则可以在较高场强和较短时间内求得的寿命，外推到工作场强下的寿命。或者是按所要求的寿命，来求得工作场强值。加速电老化试验的基本原理

17、也可用图3.6阐释：通过试验分别求取较高场强对应的b、c、d点的寿命的对数值，并在双对数坐标上，可以求得一条回归直线，直线的斜率即为常数n，直线与Log（L）轴的截矩即为常数LogK。把此直线外推则可求得a点的寿命值。二、频率 局部放电对绝缘体的破坏，与放电重复率有关，放电重复率高，绝缘体就被破坏得快，而放电重复率几乎与施加电压的频率成正比。因此，在一定的条件下，也可以用提高频率来加速电老化，并以等效的周期数来折算工频下的寿命。近年来，人们普遍认为过分提高场强来加速老化容易引起老化机理的变化，如果在高场强下的老化机理与额定工作电压下的老化机理不同，则不能用高场强下的寿命来推算工作电压下的寿命。

18、因此在较低场强下，用提高频率的办法来加速电老化是比较合理的。但频率也不能太高，一般取400800Hz左右，对于耐热性差和介质损耗率大的材料，频率应限在更低的水平，一般取500Hz左右。例如在500Hz频率下，寿命为100小时，折算到工频电压下的寿命就为1000小时。但频率过分提高，会因介质损耗增大，介质发热而使寿命缩短，如环氧云母在4000Hz下的寿命，就比1200Hz下的短。当湿度大时，提高频率容易引起放电自衰，使得寿命偏高，因此，在提高频率加速老化的试验中，环境的相对湿度限定为20%。有的试验指出：某些材料的寿命与频率的关系并不是严格成反比，应予以必要的校正。三、气隙的状态与气体成分绝缘体

19、中放电气隙的形状、大小、位置分布以及气隙中气体成分、压力等等都会影响局部放电的状态，从而影响电老化寿命。用同一种材料，做成厚度相同的板状试样，试样内气隙状态不同，如图3.7所示，在同一试验电压下，得到的寿命显然不同。a是平行于电场方向的纵裂型气隙；b是垂直于电场方向的扁平的横裂型气隙；c是两个气隙沿电场方向串联品；d是两个气隙沿电场方向并联的；e是在导体与绝缘体之间的气隙，试验结果表明：(1) 当a气隙的厚度与b气隙的宽度很接近，且两者的体积也很接近时，a试品的寿命要比b试品的短得多。其原因可能是气隙放电时，气隙相当于被短路，试品a的剩余绝缘要比试品b的小；试品a的放电点比试品b的集中；还有试

20、品a的起始放电电压经常要比试品b的低，成品a的累积放电量和放电功率比试品b为高。因此，试品a的寿命较短。(2) 串联型的气隙要比并联型的危险。前者在一个气隙放电后，会使另一个气隙的场强提高，从而触发第二个气隙也放电，这时剩余的绝缘厚度小，必然容易导致击穿；后者各个气隙放电却是独立的。(3) 在导体边上的气隙往往比封闭在绝缘体内部的气隙更为有害，这是因为在放电过程中，金属会起催化腐蚀绝缘材料的作用；另一方面，这种气隙往往是开放式的，气隙中的气压不会因放电产生的气体而发生明显变化，放电没有自衰现象，因此容易击穿。 气隙中气体的成分会显著地影响放电特性和电老化机理，在同样的聚乙烯气隙中，充以氮气的电

21、老化寿命要比充以空气的高近4倍以上，这说明空气中的氧对老化的促进作用。气体成分和压力的不同，都会影响放电的起始电压、放电量以及放电次数，因此，对绝缘的老化也会有显著的影响。四、环境的温度、湿度 温度和湿度对电老化的影响是比较复杂的，在不同的条件下往往会导致完全相反的结果。因此，应具体问题具体分析。1、温度的影响 在不同情况下温度对电老化寿命的影响是不同的，一方面，温度升高会加速由放电而产生的化学反应，会加快放电点因高温而产生的热裂解。因此，在通常情况下，升高温度将使电老化寿命缩短。如聚脂薄膜，在同一电老化试验条件下，温度从30升高到130，寿命从1700小时缩短到450小时。另一方面，在有些情

22、况下，在一定范围内升高温度，有利于高温下成型的绝缘结构消除机械应力和缩小气隙，从而减弱局部放电，增长寿命。如环氧片云母绝缘的电机线棒，电场强度在620kV/mm范围内，与室温下的寿命相比，100的寿命长一倍，130的寿命长六倍；而对于环氧粉云母绝缘线棒，在100的寿命仍比室温的长一倍，在130，当场强超过l5kV/mm时，寿命要比室温下缩短；当场强低于15kV/mm，大致上与室温下的寿命相同(这一绝缘系统的耐热等级是l55)。2、湿度的影响湿度升高往往会增加电老化寿命，这主要是水的电导和介电常数都大，而且在局部放电作用下还会产生各种酸性产物，形成酸性半导电层，改善电场分布，从而使局部放电减弱或

23、消失。这时酸性产物对材料的腐蚀作用不是主要的。 应当指出，不是在所有情况下，提高湿度都会减弱局部放电，许多材料特别是层压制品，在高湿度下吸收的水分，会在运行中因温度升高而蒸发，这就会使局部放电变得更为剧烈。此外，对于漆膜、油纸绝缘以及层压制品，如果绝缘系统受潮，还会使介质损耗增大，击穿电压降低，从而缩短了绝缘的寿命。五、机械应力 试验证明存在机械应力会使电老化寿命缩短，这可能是由于机械应力的存在，促进了电老化过程微小裂纹的产生和发展，并且由于在较大应力下，材料内部物理、化学结构处于紧张疲劳状态，受到带电粒子轰击时，更容易裂解。因此，对机械力敏感的材料的电寿命比对机械力不敏感的材料受到机械力的影

24、响大。此外，在电工设备中，放电发生在不同的部位，对绝缘的损害也不一样，如电力电容器中，发生在元件内部的放电要比在引出线套管中的放电危害更大。变压器中在线圈内部的放电要比其他部位的放电危害更大。因为在这些部位的电场强度比较高，而且放电直接腐蚀关键的绝缘部位，因此造成的危害就更大。3.4 局部放电的评定方法 由于局部放电是一种比较复杂的现象，要用多种参数才能较全面地描述一种局部放电的状态，但在生产实际中，总是希望测量的参数愈少，测量的方法愈简单愈好，因此，必须研究哪一种特征参数作为评定局部放电性能的指标最为合适，通过局部放电的哪些特征最能准确地评定绝缘的劣化程度，包括各种参数的分布特征，各种参数随

25、电压幅值或作用时间的变化特征等等。近年来，在这方面已进行不少的研究，但至今尚未得到完全满意的结论。 以下将介绍近年来所用过的一些局部放电评定方法。3.4.1 用基本特征参数来评定一、视在放电量 目前许多产品的局部放电的试验标准中，几乎都是以视在放电量的大小作为评定局部放电性能的。各类产品根据运行经验和制造的技术水平，都相应地规定了允许的放电量水平。一般认为，绝缘的破坏决定于最大的一个缺陷，只要在这一点发生击穿，则整个绝缘系统也就破坏了，最大的视在放电电荷是对应于最大的缺陷，因此，用放电量来评定局部放电对绝缘的危害是合适的。在实践中也常观察到放电量大的绝缘系统破坏得快。但值得注意的是，有些电气设

26、备在运行中测得的放电最虽大，但寿命却比放电最小的还长，在人工加速电老化试验中，也会观察到放电量大的试品，寿命不一定都比放电最小的短，出现这种现象的原因可能有以下儿点：(1) 局部放电对绝缘的破坏是与实际放电电荷直接有关，而测得的只是视在放电电荷，并不是实际的放电电荷(2) 在许多情况下放电量是瞬时变化的，而且经常是无规则地波动，在测量的瞬间测得的放电量，不一定能代表测量前后长时间的放电量(3) 放电量只是反映最大一个缺陷的放电电荷，不能反映放电次数及放电能量。有人认为放电量虽小一些，但放电次数很多，或放电能量很大时，绝缘也会很快受破坏。 有些试验表明，放电量的某种统计量与绝缘的电老化寿命有更密

27、切的关系，如单位时间内总放电量、测量时间内的平均放电量（各次放电的放电量总和与放电次数的比值），这些特征参数与最大视在放电量相比较为稳定，因此应用在产品运行中的绝缘性能诊断比视在放电量更为合适。二、放电能量或放电功率 局部放电造成绝缘破坏的过程，不论是发生哪一种物理效应和化学反应，总是伴随着能量的交换过程，局部放电的能量大，就意味着交换的能最多，材料破坏得快。因此，放电能量或功率应该与电老化寿命有密切的关系。另外，从放电功率的定义也可以看出，它包含有更多的表征局部放电的信息，除了视在放电电荷之外，还有放电次数和放电时外加电压的瞬时值，因此，测量放电功率这一参数可能是更有意义的。三、放电平均相位

28、 当局部放电变得剧烈时，往往可以观察到在试验电压上出现放电的相位变宽了，而且是向电压过零相位发展。因此，出现局部放电的相位中心值变小就意味着放电更为剧烈。四、放电起始电压Ui和熄灭电压Ue， 通常总是希望起始放电电压高，特别是能高于工作电压，即在正常的额定工作电压下，没有明显的局部放电。在同一试验电压下，往往起始放电电压愈低，放电量就愈大，放电次数也愈多，但有时也可能只是放电次数增加，而放电量变化不大。3.4.2 用分布谱图评定图3.8 脉冲序列相位分布示意图近年来，采用微机辅助的局部放电多功能测试系统，可以快速地采集在一定测量时间内各次放电的放电量，放电时刻及对应的外加电压的瞬时值，即一定时

29、间内的放电脉冲时间序列，可以记为。如果用脉冲所在周波数（按计周波数）和该周波相位表示，则 （3.4）其中（），为试验电压频率，对工频试验电压而言，。 对于局部放电在线监测系统，为运行电压幅值，是恒定值，则仅为耐压时间的函数，即为一组时间脉冲序列。放电脉冲时间序列包含有丰富的放电信息，经过统计处理就可以得出各种统计分布谱图，这些分布谱图及其特征参数更能表征局部放电的概貌。一、N- q谱图放电脉冲时间序列中任意放电时刻都对应于外加工频试验电压的一个相位，将测得放电脉冲序列按放电量大小划分若干等区间，统计出每一区间对应的放电次数，做出直方图，即为N-q分布谱图。通过对比N-q谱图的变化能够说明绝缘特

30、性的变化，或者通过计算谱图的特征参数并参照特征参数的大小和变化趋势对绝缘性能进行判断。研究表明N-q谱图的包络线近似满足Weibull分布，因此N-q谱图的包络线的Weibull参数能够表明绝缘老化程度。二、W-N谱图将测得的每次放电按放电能量W的大小划分若干等区间，统计出每一区间内的放电次数，做出直方图即为W-N谱图。有研究表明，油纸绝缘老化后放电能量大的放电次数增加了，放电能量小的放电次数也增加了。这种谱图目前研究得还不多，但有希望成为一种有效的绝缘诊断方法。三、N-谱图将一周期的试验电压按相位依次分为若干等区间，统计出各区间内出现放电的次数，做出直方图即为N-谱图。通过N-谱图可以看出，在正负半周内放电是否对称，放电是否扩展到零相位