局部放电产生的原理探讨

刘书良++段俊东

[摘  要]对于电力变压器等高电压设备的绝缘，由于其绝缘内部或表面发生局部放电而造成的放电老化问题是不容忽视的。局部放电引起介质劣化和损伤的机理是多方面的，本文对局部放电产生的基本原理进行研究和探讨，具有一定工程应用价值。

[关键词]电力变压器  局部放电  原理

中图分类号：TM40 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）24-0140-01

1 前言

一般认为，局部放电是一种未发生击穿的放电现象，具体来讲，是指绝缘系统在电场作用下只有部分区域发生放电但没有穿透施加电压的导体之间的放电现象。局部放电不会造成绝缘系统的贯穿性击穿，但是会局部破坏电介质材料尤其是有机材料，长期发生的局部放电会降低绝缘材料的电气强度。所以局部放电对绝缘系统的破坏是一个从量变到质变的过程，对高压电气设备的正常运行构成隐患，对其原理研究具有一定工程应用价值。

2 局部放电产生的原理及特点

目前对于局部放电的描述有两大微观理论：汤逊理论和流注理论。

（1）汤逊理论：自由电子在电场加速运动过程中与中性气体分子碰撞，当能量达到一定高度时，气体电离产生电子，这样就有了新的自由电子和离子，这些电子继续运动，再继续碰撞产生新的电离和离子。如此循环，自由电子的数目成α倍增长，于是形成了电子崩，当满足自持放电条件时，就会发生局部放电。汤逊理论适用于pd（p为气体压强，d为放电间隙）值较小的情况下。

（2）流注理论：该理论是在汤逊理论的基础上提出的，适用于pd值较大的情况。它着重强调气体空间的光电离现象。电子崩发生时，电崩头与崩尾的离子浓度达到一定程度就会发出光子，光子再激发中性分子放电进而产生二次电子崩。两次雪崩叠加后使电子崩中部的等离子区迅速扩大，当扩大到贯穿电子崩两极时就发生了气体放电。气体放电沿着一条狭窄的等离子通道产生，从而形成流注放电，流注放电一旦形成，放电就转入自持，局部放电就产生了。

在实际的绝缘系统中，有的是由复合材料构成的，如变压器的内绝缘就是变压器油与绝缘纸的复合绝缘系统。在复合绝缘系统中，如果不同材料中的电场强度不同，而且击穿场强也不一样，就有可能在某种材料中首先出现局部放电;有的绝缘系统虽然是由单一的材料构成，但由于制造中残留的，或是使用中绝缘材料老化而产生的气泡、裂纹或其他杂质的存在，往往会在这些绝缘缺陷中首先发生放电。除了介质不均匀或有绝缘缺陷造成电场集中之外，导体表面的毛刺、导体尖端或导线的直径太小，都会造成电场集中，因此也会产生放电现象，如电容器的电极边缘、高压架空导线、没有屏蔽好的变压器高压端子、电缆的接头处以及电机线棒的出槽口等，都有可能出现局部放电。此外，在电气设备或电路中，还会因有浮动电位的金属体而出现感应放电。

改善电气设备的设计、工艺和所应用的绝缘材料，可以提高局部放电的起始电压，减小局部放电。但对于超、特高压电气设备，要求完全消除局部放电是不可能的，只能限制它不超过某一水平，以保证设备能够在长时间内安全、稳定运行。

局部放电的能量虽然很小，但它会使绝缘材料老化，最终导致绝缘击穿。因此，不但在高压电工产品生产中要做局部放电试验，以保证产品质量，而且在设备的使用中，也应该经常测量局部放电，以此作为绝缘监测的重要手段。

3 局部放电的超声波声学理论

在电力变压器内发生局部放电时，不但会产生高频脉冲电信号，同时还会伴随着爆裂状的声发射，频率在20kHz以上的声波即为超声波。一般认为，局部放电产生超声波是由于局部体积变化引起的，也就是说当局部放电发生时，变压器油绝缘被击穿，电荷运动形成电流，产生热量，导致变压器油受热膨胀，局部体积在很短时间内大，局部放电结束后，电流消失，变压器油冷却收缩。这种一胀一缩的体积变化引起了介质的疏密变化，形成超声波，从局部放电源以球面波的方式向四周传播，通过绝缘介质到达油箱壁。该理论忽略了空间电荷移动所产生的冲击超声波，因而无法取得局部放电与超声波特征之间的关系。

随着对局部放电产生超声波机理研究的日益深入，目前一些专家学者开始研究空间电荷中超声波的产生机理。日本科学家Tatsuo Takada提出了空间电荷的超声波产生理论。通过测量超声波能够获得电荷的各组成部分，因此深入研究局部放电产生超声波的机理对超声波法检测局部放电具有理论指导意义。

声发射传感器通过测量局部放电发出的超声波来监测放电和判断放电的部位，它一般安装在电力变压器的外壳上。为了能紧密地贴附在外壳上，传感器头部常有永久磁铁，这样可以在变压器外壳上进行测量。这种取样方式完全不影响设备的正常运行，适用于在线监测。

超声波如按其传播媒质的振动形式来分，可分为纵波和横波两种。纵波的介质质点振动方向与超声波的传播方向是一致的，而横波的介质质点振动方向与超声波传播方向是垂直的。局部放电产生的超声波可以看成点声源，此时超声波是以球面形式向周围传播。变压器内传播通道大部分是变压器绝缘油，绝缘油只能传播纵波而不能传播横波。当超声波到达外壳时，则既有纵波，也有横波和表面波。在20℃时，超声波在不同媒质中传播速度不同，在局部放电超声监测中，由于监测部位为变压器内部绝缘油（矿物油）气隙放电现象，因此实验和现场检测时默认的超声传播速度为1400。

在实际安放传感器时，要考虑声阻抗的匹配。当超声波从一种媒质传播到另一媒质时，由于声特性阻抗不匹配造成反射，会产生很大的界面衰减。衰减大小可用反射系数R来表示。特性阻抗相差越大，造成衰减越大，故超声波从空气传到钢板要比从油中传到钢板造成的衰减大得多。为使界面衰减最小，以提高检测灵敏度，在声发射传感器的压电芯片和变压器外壳间，应涂上一层薄薄的凡士林油，以消除其间存在的空气隙，可改善声阻抗匹配。因凡士林油也只能传播纵波，故发射传感器在变压器外壳上接收到的只有纵波。

变压器内局部放电发出超声波要通过液体、固体介质和金属外壳方能到达传感器，传播过程中除了发生界面衰减外，在同一媒质中传播也会衰减。

超声波衰减的大小与超声波频率有关，频率越高则衰减越大。在空气中超声波的衰减随频率的l～2次方增加;超声波在液体中的衰减，一般正比于频率的2次方;超声波在固体材料中的衰减，约正比于频率的1次方。超声波在不同材料中的衰减也有很大差别，SF6比空气的衰减要大20多倍，油纸板比油要大4倍多。

在进行变压器局放超声定位时，油箱壁的传感器探头接收到的一般都是球面波。球面波的特点是声强与距声源距离的平方成反比，因此声压与距离成反比，这就是为什么局放源越靠近油箱壁，传感器探头接收到的超声波信号越强烈，定位结果越准确的原因。

4 结论

本文介绍了局部放电的概念、成因及危害，对放电过程作了较为详细的描述，指出视在放电量、放电重复率和一次放电所消耗的能量是反映局部放电强弱的三个基本参数。对于结构复杂的大型电力变压器而言，还应该同时知道局部放电点的位置，以便对绝缘故障作出更有效的诊断。

参考文献

[1]伍志荣，聂德鑫，陈江波.特高压变压器局部放电试验分析[J].高电压技术，2010，01：54-61.

[2]李燕青. 超声波法检测电力变压器局部放电的研究[D].华北电力大学（河北），2004.