固体绝缘中气隙尺寸对局部放电过程的影响

徐彬 徐森 朱乃凯

摘 要：电气设备制作过程中不可避免的会存在一些绝缘缺陷，如气隙，造成绝缘体内部产生局部放电现象。局部放电现象的产生会加速电力系统中绝缘体的老化，严重的还会引起绝缘体的击穿，影响电力系统的安全性和稳定性。为了研究固体绝缘中气隙大小对局部放电过程的影响，该文对局部放电机理进行了研究，构建了局部放电量测试系统，给出了气隙尺寸大小不同对局部放电量大小和场强大小的影响，并且对外加场强大小对气隙放电量的大小进行了分析。

关键词：电气设备 固体绝缘 气隙尺寸 局部放电

中图分类号：U415.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（c）-0240-01

局部放电现象是现阶段造成电气设备绝缘性能较差的主要原因，对设备的电力系统中的安全运行造成了较大的影响。固体绝缘体中产生的局部放电现象会对电力系统中的各种信号产生干扰作用，影响电力系统中设备和仪器的运行和测量精度。目前市场上常见的固体绝缘产品有干式绝缘互感器、电机线棒和电磁等。局部放电过程中会产生一系列的物力变化过程，从而加快绝缘产品中绝缘层的老化，甚至引起击穿。因此，研究气隙大小跟局部放电量之间的关系对进行电力系统高压设备的维修和诊断具有非常重要的意义。

1 局部放电机理

在固体绝缘产品中，气隙能够发生局部放电要满足以下两个方面的条件。

（1）气隙中存在一定的电场，且其强度比放电开始时电厂强度要大。

（2）气隙中具有能够自由移动的自由电子。

局部放电过程中，气隙会首先被击穿，但是其周围介质还具有较好的绝缘性能。气隙击穿过程中自由电子会出现游离，游离作用的强弱程度不同，气隙被击穿的机理也就不同。影响局部放电量大小的因素有气隙大小和距离，当二者乘积较小时，气隙中的带电粒子在运动过程中会从电场中吸收较多的能量，当带电粒子和气体粒子发生碰撞后，就会使气体粒子产生电离现象，从而生成新的带电粒子，气隙中带电粒子的浓度随着碰撞过程的进行不断增加，该机理是汤逊提出的一种局部放电机理。当气隙大小和距离乘积较大时，气隙中存在的电荷量较大，电子在不断向阳极游离的过程中，不断发生撞击，电场发生的畸变比较严重，局部场强的作用非常强大，这时空间中的一些电荷就会产生复合现象，生成光子游离在气隙中。这些光子在气隙中局部场强的作用下形成衍生电子崩，崩内的电子书和正离子的数量会随着电子崩数量的增加而呈指数规律发展。同时由于电子的迁移速率比正离子的迁移速率要大两个等级，因此，气隙中电子的运动速度总是处在崩头部分，但是大部分正离子确滞留在它原来的位置，不断向阴极方向移动，并且跟主电子崩结合到一起，形成留住，即流注机理。

2 气隙尺寸对局部放电过程影响测试系统的建立

为了分析气隙尺寸大小对局部放电特性的影响，我们要采用先进的仪器设备对局部放电量大小进行测定。由于局部信号放电过程中信号的变化非常快，且产生的放电信号非常微弱，所以在测试系统构建过程中要充分考虑测量的准确性和信号的抗干扰性。该次测试系统中使用的设备主要有高压实验回路、数字示波器、抗干扰设备、测量阻抗以及计算机等，各个仪器通过串联的方式连接在一起。通过测试该系统具有较高的检测灵敏度和测量准确度，能够实现对局部放电过程中放电量大小的测定。

测量过程中我们从纵向和横向两个方向研究了气隙尺寸对局部放电量大小的影响，实验过程中采用的主要方法是：首先，保证气隙纵向尺寸大小不变；其次，逐渐增加气隙直径的大小；再次，保证气隙的直径大小不变；最后，改变气隙尺寸的大小。

3 实验结果分析

实验过程中我们采用了阶梯升压的方式对绝缘体缺陷模型施加电压，考虑到实验过程中气隙放电会存在一定程度的延迟，所以在施加电压过程中，没提高100 V的电压就会适当停留10 s，如果确定没有产生局部放电现象后再继续提高电源电压的大小。

3.1 起始放电场强和放电量

随着气隙横截面积的增加，气隙中场强的大小不断下降。造成这种现象的原因是由于放电通道的形成是任意的，随着气隙横截面积的不断增加，放电通道的形成几率不断增加，进行导致气隙中场强的大小逐渐下降。在实验过程中我们发现，当气隙尺寸小于0.3 mm时，获得实验数据跟上述规律一致；但是当气隙大小超过0.3 mm以后，气隙中场强的变化随气息大小的变化没有明显的规律性。由此我们可以得到气隙中场强的大小跟气隙在纵向的横截面积大小有关。

起始放电量的大小随着气隙横截面积的不断增加。一般情况下，气隙初始放电量的大小通常采用三电容模型进行分析，当气隙尺寸较大时，只有一部分气隙产生放电现象。其气隙的横截面积越大，起始放电量的大小就越大；气隙尺寸增加，其起始放电量的大小也会增加。

3.2 气隙放电量跟外施场强关系

外加场强大小对气隙放电量的大小也会产生较大的变化，当气隙中开始产生放电现象后，不断提高实验中输入电压的大小，实现外加场强大小的增加，当其场强大小超过一定数值之后，实验中气隙放电量的大小不会再随着场强大小的增加而增加，而是随着场强的增加而出现下降。产生这种现象的原因有两个：一是由于外加场强增加的同时也提高了气隙内部场强的大小，导致局部放电过程中气隙两侧的电压降增加；二是当外加场强达到一定程度后，气隙中粒子的活动比较激烈，参与放电的气隙尺寸不断增加，在气隙内部形成了半导体通道，实现了对放电量通道的有效抑制。

4 结论

电力系统中各种设备的制造成本较高，一旦出现故障就会造成巨大的经济损失，但是由于设备制作过程中不可避免的会存在一些绝缘缺陷，如气隙，造成绝缘体内部产生局部放电现象，绝缘物质长期在局部电荷的影响下会产生击穿现象。该文主要研究了气隙尺寸对固体绝缘局部放电过程的影响，构建了其试验测试系统，并且对得到的测试结果进行了分析。

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