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局放、電壓擊穿、絕緣強(qiáng)度、介電常數(shù)有哪些關(guān)聯(lián)
閱讀：1490發(fā)布時(shí)間：2024-3-29
高壓設(shè)備絕緣內(nèi)部不可避免地存在著一些氣泡、空隙、雜質(zhì)和污穢等缺陷。這些缺陷有些是在制造過(guò)程中未去凈的，有些是在運(yùn)行過(guò)程中由于絕緣介質(zhì)的老化、分解而產(chǎn)生的。在運(yùn)行中這些缺陷會(huì)逐漸發(fā)展。在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，當(dāng)這些氣隙、氣泡或局部固體絕緣表面上的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，有缺陷處就可能產(chǎn)生局部放電。
局部放電并不立即形成貫穿性的通道，而僅僅分散地發(fā)生在極微小的局部空間內(nèi)，故在當(dāng)時(shí)它幾乎并不影響整個(gè)介質(zhì)的電壓擊穿。但是，局部放電所產(chǎn)生的電子、離子在電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，撞擊氣隙表面的絕緣材料，會(huì)使電介質(zhì)逐漸分解、破壞。放電產(chǎn)生的導(dǎo)電性和活性氣體會(huì)氧化、腐蝕介質(zhì)。同時(shí)，局部放電使該處的局部電場(chǎng)畸變加劇，進(jìn)一步加劇了局部放電的強(qiáng)度。局部放電處也可能產(chǎn)生局部的高溫，使絕緣產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷(脆化、炭化等)，這些損傷在長(zhǎng)期的運(yùn)行中繼續(xù)不斷擴(kuò)大，加速了介質(zhì)的老化和破壞，發(fā)展到一定程度時(shí)，有可能導(dǎo)致整個(gè)絕緣在工作電壓下發(fā)生擊穿或沿面閃絡(luò)，故測(cè)定絕緣在不同電壓下局部放電強(qiáng)度的規(guī)律能顯示絕緣的情況。它是一種判斷絕緣在長(zhǎng)期運(yùn)行中性能好壞的較好的方法。
一、測(cè)量原理
圖3-9是局部放電的等值電路圖。圖中C0為氣泡的電容，C1為與氣泡串聯(lián)的絕緣部分的電容，C2為完好絕緣部分的電容，Z為相應(yīng)于氣隙放電脈沖頻率的電源阻抗，F(xiàn)表示放電間隙。當(dāng)絕緣介質(zhì)中有氣泡時(shí)，由于氣體的介電常數(shù)比固體介質(zhì)的介電常數(shù)小，氣泡中的電場(chǎng)強(qiáng)度比固休介質(zhì)中的電場(chǎng)強(qiáng)度大，而氣體的絕緣強(qiáng)度又比固體介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度低，故當(dāng)外加電壓達(dá)一定值時(shí)，氣泡中首先開(kāi)始放電。圖3-9(a)是介質(zhì)中有氣泡時(shí)的情況，圖3-9(b)是它的等值電路。當(dāng)電源電壓瞬時(shí)上升到某一數(shù)值UT時(shí)，間隙F上的電壓為
，假定這時(shí)恰好能引起間隙F放電。放電時(shí)，放電產(chǎn)生的空間電荷建立反電場(chǎng)，使C0上的電壓急劇下降到剩余電壓Us時(shí)，放電就此熄滅。氣隙恢復(fù)絕緣性能。由于外加電壓U還在上升，使氣隙上的電壓又隨之充電達(dá)到氣隙的電壓擊穿UF時(shí)，氣隙又開(kāi)始第二次放電，此時(shí)的電壓、電流波形如圖3-10所示。這樣，由于充放電使局部放電重復(fù)進(jìn)行，就在電路中產(chǎn)生脈沖電流。C0放電時(shí)，其放電電荷量為
式中 qs——真實(shí)放電量，但因C0、C1等實(shí)際上無(wú)法測(cè)定，因此qs也無(wú)法測(cè)得。
由于氣隙放電引起的電壓變動(dòng)（UF-US）將按反比分配在C1、C2上（從氣隙兩端看，C1、C2是相串聯(lián)的），故在C2上的電壓變動(dòng)?U應(yīng)為
這就是說(shuō)，當(dāng)氣隙放電時(shí)，試品兩端電壓也突然下降?U，相應(yīng)于試品放掉電荷
式中 q——視在放電量。
q雖然可以由電源加以補(bǔ)充，但必須通過(guò)電源側(cè)的阻抗，因此，?U及q值是可以測(cè)量到的。通常將q作為度量局部放電強(qiáng)度的參數(shù)。比較式(3-11)及式(3-12)可得
即視在放電量比真實(shí)放電量小得多。
二、測(cè)量回路
當(dāng)電氣設(shè)備絕緣內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，將伴隨著出現(xiàn)許多現(xiàn)象，有些屬于電現(xiàn)象，如電脈沖、介質(zhì)損耗的增大和電磁波輻射等；有些屬于非電的現(xiàn)象，如光、熱、噪聲、氣體壓力的變化和化學(xué)變化等。可以利用這些現(xiàn)象來(lái)判斷和檢測(cè)是否存在局部放電。因此，檢測(cè)局部放電的方法也可以分為電和非電兩類，但在大多數(shù)情況下，非電的測(cè)試方法都不夠靈敏，多半屬于定性的，即只能判斷是否存在局部放電，而不能借以進(jìn)行定量的分析，而且有些非電的測(cè)試必須打開(kāi)設(shè)備才能進(jìn)行，很不方便。目前得到廣泛應(yīng)用而且比較成功的方法是電的方法，即測(cè)量絕緣中的氣隙發(fā)生放電時(shí)的電脈沖，它是將被試品兩端的電壓突變轉(zhuǎn)化為檢測(cè)回路中的脈沖電流，利用它不僅可以判斷局部放電的有無(wú)，還可測(cè)定放電的強(qiáng)弱。
前面已經(jīng)指出，當(dāng)試品中的氣隙放電時(shí)，相當(dāng)于試品失去電荷(視在放電量)q，并使其端電壓突然下降?U，這個(gè)一般只有微伏級(jí)的電壓脈沖疊加在數(shù)量級(jí)為千伏的外施電壓上。局部放電測(cè)試設(shè)備的工作原理就是把這種電壓脈沖檢測(cè)反映出來(lái)。圖3-11是目前國(guó)際上推薦的三種測(cè)量局部放電的基本回路。
圖3-11 (a)及(b)電路的目的都是要把一定電壓作用下被試品CX中由于局部放電產(chǎn)生的脈沖電流作用到檢測(cè)用的阻抗Zm上，然后將Zm上的電壓經(jīng)放大器A放大后送到測(cè)量?jī)x器M中去，根據(jù)Zm上的電壓，可推算出局部放電視在放電量q。
為了達(dá)到上述目的，首先想到的是將測(cè)量阻抗Zm直接串聯(lián)接在被試品CX低壓端與地之間，如圖3-11(b)所示的串聯(lián)測(cè)量回路。由于變壓器繞組對(duì)高頻脈沖具有很大的感抗，阻塞高頻脈沖電流的流通，所以必須另加耦合電容器CK形成低阻抗的通道。
為了防止電源噪聲流入測(cè)量回路以及被試品局部放電脈沖電流流到電源去，在電源與測(cè)量回路間接入一個(gè)低通濾波器Z，它可以讓工頻電壓作用到被試品上，但阻止被測(cè)的高頻脈沖或電源的高頻成分通過(guò)。
測(cè)量時(shí)，圖3-11(b)的串聯(lián)測(cè)量電路中，被試品的低壓端必須與地絕緣，故不適用于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。為此，可將圖3-11(b)中的CX與CK的位置相互對(duì)調(diào)，組成圖3-11(a)所示的并聯(lián)測(cè)量電路，Zm與被試品CX并聯(lián)。不難看出，兩者對(duì)高頻脈沖電流的回路是相同的，都是串聯(lián)地流經(jīng)CX、CK與Zm三個(gè)元件，在理論上兩者的靈敏度也是相等的，但并聯(lián)測(cè)試電路可適用于被試品一端接地的情況，在實(shí)際測(cè)量中使用較多。
直接法測(cè)量的缺點(diǎn)是抗干擾性能較差。為了提高抗外來(lái)干擾的能力，可以采用圖3-11(c)所示的橋式測(cè)量回路(又稱平衡測(cè)量回路，簡(jiǎn)稱平衡法)。被試品CX及耦合電容器CK的低壓端與地之間，測(cè)量?jī)x器測(cè)量Zm和Z?m。上的電壓差。因?yàn)殡娫醇巴獠?/span>干擾在Zm及Z?m上產(chǎn)生的信號(hào)基本上可以互相抵消，故此回路抗外部干擾的性能良好。
所有上述回路，都希望阻抗Z及耦合電容器CK本身在試驗(yàn)電壓下不發(fā)生局部放電，一般情況下，希望電容CK的值不小于CX，以增加Zm上的信號(hào)，同時(shí)Zm的值應(yīng)小于Z，使得在局部放電時(shí)，CK與CX之間能較快的轉(zhuǎn)換電荷，但從電源重新充電的過(guò)程則較緩慢。上述兩個(gè)過(guò)程，使Zm上出現(xiàn)電壓脈沖，經(jīng)放大后，用適當(dāng)?shù)膬x器(示波器、脈沖電壓表、脈沖計(jì)數(shù)器)進(jìn)行測(cè)量。為了知道測(cè)量?jī)x器上顯示的信號(hào)在一定的測(cè)量靈敏度下代表多大的放電量，必須對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行校準(zhǔn)(常用方波定量法校準(zhǔn))。
局部放電的另一種測(cè)量方法是測(cè)tanδ的方法，測(cè)量出tanδ=f(u)的曲線，曲線開(kāi)始上升的電壓U0即為局部放電起始電壓，但與上述測(cè)量放電脈沖法相比較，測(cè)tanδ的靈敏度較低，特別是對(duì)變電設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于測(cè)tanδ的QS1型電橋的額定電壓遠(yuǎn)低于設(shè)備的工作電壓，故測(cè)量tanδ通常難以反映絕緣內(nèi)部在工作電壓下的局部放電缺陷。
局部放電試驗(yàn)用于測(cè)量套管、電機(jī)、變壓器、電纜等絕緣的裂縫、氣泡等內(nèi)在的局部缺陷(特別是在程度上尚較輕時(shí))是一個(gè)比較有效的方法。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研究改進(jìn)，此項(xiàng)試驗(yàn)方法已逐漸趨于成熟，很多制造廠和運(yùn)行廠已將測(cè)試局部放電列入試驗(yàn)的項(xiàng)目，并取得了較為顯著的成效。
局部放電試驗(yàn)用于測(cè)量套管、電機(jī)、變壓器、電纜等絕緣的裂縫、氣泡等內(nèi)在的局部缺陷(特別是在程度上尚較輕時(shí))是一個(gè)比較有效的方法。經(jīng)過(guò)多年來(lái)的研究改進(jìn)，此項(xiàng)試驗(yàn)方法已逐漸趨于成熟，很多制造廠和運(yùn)行廠已將測(cè)試局部放電列入試驗(yàn)的項(xiàng)目，并取得了較為顯著的成效。
三、注意事項(xiàng)
測(cè)量局部放電時(shí)，除了一些高壓試驗(yàn)的注意事項(xiàng)外，還必須注意：
(1)試驗(yàn)前，被試品的絕緣表面應(yīng)當(dāng)清潔干燥，大型油浸式試品移動(dòng)后需停放一定時(shí)間，試驗(yàn)時(shí)試樣的溫度應(yīng)處于環(huán)境溫度。
(2)測(cè)量時(shí)應(yīng)盡量避免外界的干擾源，有條件時(shí)最好用獨(dú)立電源。試驗(yàn)最好在屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。
(3)高壓試驗(yàn)變壓器、檢測(cè)回路和測(cè)量?jī)x器二者的地線需連成一體，并應(yīng)單獨(dú)用一根地線，以保證試驗(yàn)安全和減少干擾。高壓引線應(yīng)注意接觸可靠和靜電屏蔽，并遠(yuǎn)離測(cè)量線和地線，以避免假信號(hào)引入儀器，
(4)儀器的輸入單元應(yīng)接近被試品，與被試品相連的線越短越好，試驗(yàn)回路盡可能緊湊，被試品周?chē)奈矬w應(yīng)良好接地。
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