夏天，吳彤，葉齊政，袁哲，吳傳奇，朱世明

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430077；2.華中科技大學 電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074)

絕緣缺陷易導致局部放電，其來源包括尖刺、小顆粒、氣泡缺陷等；放電現(xiàn)象有電暈、沿面放電、氣泡內(nèi)放電(介質(zhì)阻擋放電和沿面介質(zhì)阻擋放電)和混合體放電(金屬顆粒的電暈和介質(zhì)顆粒的介質(zhì)阻擋放電)。對局部放電現(xiàn)象的觀察一般都從放電的電流信號[1-2]、特高頻電磁波信號[3-5]和超聲波信號[6]等方面進行的，也有利用紅外熱像間接反映放電狀態(tài)[7]，數(shù)據(jù)分析方面多用統(tǒng)計方法[8-11]。識別放電特征和類型更多依據(jù)的是測量得到的信號強度和相位關(guān)系的統(tǒng)計分析，這些指標是局部放電宏觀特征的表征，但產(chǎn)生這種宏觀特征往往是很多觸發(fā)和影響機制綜合作用的結(jié)果。

對于懸浮顆粒的局部放電有很多研究：一般處于非均勻電場中，如圖1(a)所示；金屬顆粒在絕緣子表面上[12-13]，如圖1(b)所示；金屬顆粒在金屬殼體表面上[14]，如圖1(c)所示；金屬和非金屬顆粒懸浮[15]﹝如圖1(d)、(e)所示﹞或自由移動[16-17]，如圖1(c)所示；氣泡放電[17-18]，如圖1(f)所示。這些放電的劃分多從結(jié)構(gòu)上，而不是從觸發(fā)放電的機制上分類，例如絕緣子上的顆粒和懸浮顆粒(懸浮其實也需要絕緣材料支撐)其實是一類。實驗表明氣泡內(nèi)的放電也具有沿面放電的特點[19]，因此絕緣顆粒在絕緣子上和絕緣材料里面的氣泡放電從放電形式來說，確實是2種放電形式。但從放電機制來說，顆粒上的壁電荷和氣泡壁上的電荷一樣，都是這2種放電的核心機制，因此它們的電流脈沖都出現(xiàn)在電壓上升沿。

圖1 幾種局部放電模型

顆粒的放電機制有多種(例如表面畸變電場、電子發(fā)射等)，觸發(fā)的放電形式也有多種(例如電暈、介質(zhì)阻擋、局部擊穿、沿面等)，但宏觀檢測的電信號實際是多種機制相互影響及多種放電形式的綜合的結(jié)果。為了探索這些機制的單獨作用和綜合作用效果，需要設置一些能夠區(qū)分不同機制的放電形式。針對懸浮顆粒局部放電幾種作用機制相互影響的問題，本文開展了利用懸浮針模擬顆粒放電現(xiàn)象的研究。

1 實驗裝置

為了對懸浮顆粒引起的局部放電進行研究，分別設置了固定懸浮針和自由運動顆粒2種放電結(jié)構(gòu)，其中固定針又分別使用銅針和玻璃針以比較材料特性(畸變電場和表面電子發(fā)射能力)的影響。

尖板電極結(jié)構(gòu)如圖2(a)和2(b)， 高壓電極為針，接地電極為下面的板，間距為20 mm，其中懸浮針距高壓電極針垂直距離為2 mm，水平距離d分別調(diào)整為0、2 mm、5 mm,電極針直徑為0.7 mm，懸浮金屬針直徑為0.7 mm，懸浮玻璃針直徑為0.5 mm。自由運動金屬顆粒電極結(jié)構(gòu)如圖2(c)。高壓電極是直徑為17 mm的球形電極，接地電極是高為40 mm、直徑為30 mm的半碗形電極，并和高壓電極同心放置，球形金屬顆粒的數(shù)量為1且直徑為1 mm。

圖2 模擬顆粒放電裝置

測試線路圖如圖3所示。50 Ω無感電阻R連接下電極，用來采集電流信號。探頭A、B分別測量放電裝置及無感電阻R兩端的電壓，示波器型號是Agilent Technologies DSO-X 3024A 200 MHz。數(shù)碼相機使用的是3 600萬像素的Nikon D800，鏡頭采用Nikon AF-S VR105微距鏡頭。

圖3 實驗電路圖

2 實驗結(jié)果

2.1 無懸浮體電暈

為了研究懸浮顆粒實驗現(xiàn)象，首先進行無懸浮體實驗。無懸浮體的電極結(jié)構(gòu)是典型的尖板電暈，電暈首先在負極性下出現(xiàn)，然后在正極性出現(xiàn)，預擊穿階段如果針電極較尖(電場畸變很強)則出現(xiàn)長刷狀放電[20]。圖4為起暈和長刷狀放電階段(預擊穿階段)電壓電流波形，其中長刷狀電暈電流出現(xiàn)在正電壓峰值附近。

2.2 固定懸浮銅針

固定的懸浮銅針距高壓電極針的垂直距離為2 mm，水平距離d為0、2 mm、5 mm時分別對應圖5、6、7。圖5表明懸浮金屬針居于正下方，高壓電極針和懸浮針發(fā)生局部擊穿(正負電壓極性都有)，電流波形由峰值附近向電壓上升沿發(fā)展；在電壓很高時，沒有出現(xiàn)長刷狀放電，而是從懸浮針開始新的“懸浮電極電暈”，電流波形在電壓上升沿和峰值附近。

當懸浮針水平離開高壓電極針2 mm時(如圖6)，從高壓電極發(fā)出長刷狀電暈﹝圖6(b)中電流波形類似圖4(b)﹞，當然高壓電極和懸浮針之間還是有局部擊穿現(xiàn)象，但電流波形沒有體現(xiàn)出來﹝沒有類似圖5(b)的局部擊穿電流波形﹞。

懸浮針水平離開高壓電極針5 mm時如圖7，其中，圖7(a)選擇的是能觀察到局部擊穿的電壓，而不是負極性起暈電壓，從高壓電極發(fā)出長刷狀電暈，高壓電極和懸浮針之間存在局部擊穿現(xiàn)象，波形呈現(xiàn)出一個小的電流脈沖，而且電流脈沖具有非常有規(guī)則的相位位置和大小，且前期也曾觀察到這個實驗現(xiàn)象[21]。

圖4 無懸浮顆粒時電暈放電電壓電流波形和放電照片

圖5 懸浮金屬針時放電電壓電流波形和放電照片(d=0)

圖6 懸浮金屬針時放電電壓電流波形和放電照片(d=2 mm)

圖7 懸浮金屬針時放電電壓電流波形和放電照片(d=5 mm)

總結(jié)上面3個實驗可得出的結(jié)論是：當懸浮銅針在棒電極正下方時，阻礙主電暈發(fā)展為長刷狀電暈，即有可能提高擊穿電壓(阻礙放電路徑，且懸浮銅針上積累的電荷無法泄放，削弱半周期電壓內(nèi)的電場)，而且在3種情況下，都有局部擊穿現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.3 固定懸浮玻璃針

為了探討顆?；冸妶龅挠绊?，需要比較非金屬材料(此時畸變電場較小)導致的放電現(xiàn)象。固定懸浮玻璃針垂直距離高壓電極針為2 mm，水平距離d為0、2 mm、5 mm時分別對應圖8、9、10。

圖8 懸浮玻璃針時放電電壓電流波形和放電照片(d=0)

相對于金屬懸浮針而言，圖8顯示正下方的玻璃針沒有阻礙高壓電極發(fā)出的長刷狀電暈，電流波形也在峰值附近出現(xiàn)；更重要的是在電壓上升沿仍然出現(xiàn)非常有規(guī)則的電流波形(正極性較大，負極性較小)，說明玻璃針這種非金屬材料仍然和高壓針電極之間產(chǎn)生了局部擊穿，這是介質(zhì)阻擋放電的機制。

圖9和10顯示仍然沒有阻礙高壓電極發(fā)出的長刷狀電暈，也顯示了局部擊穿電流波形的存在。

上述3個實驗表明：非金屬懸浮針對放電的影響較小，但懸浮針會積累電荷使得上升沿放電明顯，體現(xiàn)出介質(zhì)阻擋放電的特點。

2.4 自由運動金屬顆粒

圖11為自由運動金屬顆粒的放電電流和電壓波形。自由金屬顆粒始終處在近似均勻電場中, 由于金屬顆粒是非固定的，在靜電場力作用下會隨機發(fā)生位移，放電電流信號的相位分布無明顯規(guī)律，放電幾乎可以發(fā)生在整個周期內(nèi)。從圖11可以發(fā)現(xiàn)：低電壓下，電流脈沖出現(xiàn)在電壓波形不同相位處，即上升沿和下降沿都有，說明放電受到隨機跳動金屬顆粒的實時位置影響；隨著電壓增加，一個明顯的局部擊穿電流開始有規(guī)律地在電壓上升沿出現(xiàn)，且只有1次，這是顆粒在放電環(huán)境中荷電引起的類似介質(zhì)阻擋放電現(xiàn)象(顆粒上的電荷無法通過電路釋放，只能通過局部擊穿釋放)；當電壓繼續(xù)增加時，局部擊穿電流很大、規(guī)律性更強，其他電流脈沖反而消失，說明此時顆粒在電極間隙規(guī)則運動。

圖9 懸浮玻璃針時放電電壓電流波形和放電照片(d=2 mm)

圖10 懸浮玻璃針時放電電壓電流波形和放電照片(d=5 mm)

圖11 自由運動金屬顆粒電壓電流波形

3 分析和討論

表1總結(jié)了起暈電壓和預擊穿電壓及一些現(xiàn)象。現(xiàn)象和結(jié)論是：

a)金屬針降低了起暈電壓(以負極性電暈出現(xiàn)為準)，非金屬針幾乎沒有影響起暈電壓，這是因為金屬針畸變電場明顯比非金屬針要大(在靜電場中金屬的介電常數(shù)可以認為無窮大)。

b)金屬針的預擊穿電壓下降(以正極性長刷狀電暈現(xiàn)象出現(xiàn)為準)，但是也有上升現(xiàn)象(特別是在正下方)，與常規(guī)認識不同，這是由于金屬針阻礙放電路徑的結(jié)果。非金屬針對預擊穿電壓影響不大(略有提高)，這是由于畸變電場不大的原因(顯然顆粒位置是一個很重要的影響因素)。玻璃針沒有阻礙放電路徑，可能跟針上積累的電荷“固定”在原處，不能在合適電場處發(fā)射有關(guān)。

c)高壓電極和金屬針、非金屬針、自由運動金屬顆粒之間都存在局部擊穿現(xiàn)象，出現(xiàn)在電壓上升沿，且只有一次，這是因為電壓反轉(zhuǎn)時，前半周期放電積累在懸浮物壁上的電荷和該半周高壓電極極性相反，引起局部擊穿。局部擊穿也釋放了懸浮體積累的壁電荷，因此只有一次，電壓上升階段的后續(xù)放電只能積累和電壓同極性的電荷，因此不引起局部擊穿，這一點類似沿面放電和氣泡放電的機制。

表1 起暈電壓和預擊穿電壓及現(xiàn)象

前期在兩相體的放電研究中表明，顆粒影響放電有2類機制：一類是顆粒在電場中極化引起局部電場畸變；另一類是顆粒在放電環(huán)境中荷電進一步畸變電場[22-23](如圖12中虛線包圍的機制)。兩相體放電中顆粒數(shù)很少時，其實就是局部放電中顆粒影響放電的情況。局部放電中單一顆粒的情況及與絕緣子的關(guān)系使得顆粒發(fā)射電子的機制變得重要，因此圖12中增加了這一機制(虛線方框以外)；另外原先的研究沒有考慮交流放電時殘留電荷的影響，這里一并考慮。

顆粒對電場的影響包括顆粒極化和荷電畸變電場2種方式。顆粒極化的畸變電場將加強主電暈的電離系數(shù)或觸發(fā)主電暈(如圖12中的a項)。顆粒極化畸變電場，無論是金屬顆粒還是介質(zhì)顆粒，甚至介質(zhì)中氣泡都可以統(tǒng)一用顆粒在均勻外場中的電場分布求出[22]。金屬顆粒(介電常數(shù)假設為無窮大)表面最大畸變電場是3倍的外場；環(huán)氧樹脂(介電常數(shù)為3.8)顆粒最大電場是1.96倍的外場；環(huán)氧樹脂絕緣子內(nèi)部氣泡的電場為1.33倍的外場(并不很大)。顯然金屬顆粒極化對電場的影響最大(前面金屬懸浮針的影響強于玻璃針說明了這一點)。顆粒觸發(fā)主電暈(假設在交流放電前半周期發(fā)生)將導致顆粒荷電，荷電后將削弱電壓前半周期時顆粒周圍的電場，電壓必須更高才能維持主電暈放電；當電壓下降，放電則停止，但電壓反轉(zhuǎn)后(后半周期)，前半周期的荷電將導致后半周期電場的加強。因此顆粒荷電對電場的影響和交流介質(zhì)阻擋放電的情況相類似，放電電流脈沖將出現(xiàn)在電壓上升沿(如圖12中的b項)，前面的玻璃針實驗，放電出現(xiàn)在電壓上升沿說明了這一點。金屬顆粒荷電后，達到飽和荷電時，其最大電場可以達到外電場的6倍[22]，因此畸變電場更大。

顆粒荷電直接對放電的影響包括減少流注的電子數(shù)、阻礙主電暈路徑和顆粒表面發(fā)射電子。顆粒荷電顯然是減少了主電暈的電子數(shù)，因此削弱了主電暈(如圖12中的c項)；另外顆粒占據(jù)空間位置，會影響主電暈的放電路徑，如果荷電達到飽和，還會引導放電繞過顆粒(如圖12中的d項)，前面的預擊穿電壓在有些情況下可能提高的實驗及對路徑的影響說明了這一點。顆粒表面發(fā)射電子有2種結(jié)果：第一種是發(fā)射前次放電捕獲的電子到主電極上，相當于顆粒形成懸浮電極，繼續(xù)產(chǎn)生電暈，它主要出現(xiàn)在顆粒接近主電極(如圖12中的e項)，如果顆粒足夠接近主電極時將產(chǎn)生局部擊穿[24]。第二種是發(fā)射電子到絕緣子表面上，絕緣子表面進而產(chǎn)生沿面放電，主要出現(xiàn)在顆粒在絕緣子上(如圖12中的f項)。

至于絕緣介質(zhì)內(nèi)部的氣泡，實際是一種沿面放電或介質(zhì)阻擋放電[25]，同時也是前次放電積累的壁電荷主導，因此放電特點和圖12中的b、f項并無本質(zhì)區(qū)別。

圖12 顆粒影響放電的機制及形式

前面討論的顆粒影響放電的2種類別和5種形式，將導致最終的放電形式是電暈、局部擊穿和介質(zhì)阻擋放電(交流下的沿面放電其實也是一種介質(zhì)阻擋放電)單獨或共同存在。電暈電流脈沖一般在電壓的峰值附近，介質(zhì)阻擋放電或沿面放電的電流脈沖一般在電壓的上升沿，局部擊穿由于是在主電極和顆粒間形成，因此也是在電壓上升沿出現(xiàn)。

4 結(jié)論

懸浮顆粒對放電的影響包括：顆粒極化畸變電場、顆粒荷電畸變電場、顆粒荷電減少電子數(shù)、顆粒表面電子發(fā)射、顆粒阻礙放電通道5種主要的影響機制。這些機制的綜合作用將會使得放電電流出現(xiàn)在電壓上升沿和電壓峰值附近。其中畸變電場來自不同介電常數(shù)和顆粒荷電，如果畸變較大(例如對于金屬針)，將降低起暈電壓；如果顆粒所帶電荷來自前半周期放電，將引起本半周期上升沿的局部擊穿，且只有一次；如果來自本半周，只會引起削弱電場，后續(xù)放電發(fā)生在電壓上升沿；金屬顆粒由于畸變電場會阻礙放電路徑，電子發(fā)射能力引起懸浮電極電暈，但不一定降低預擊穿電壓；非金屬顆粒由于畸變電場弱和電子發(fā)射能力小沒有這種現(xiàn)象。懸浮顆粒不同機制的綜合作用將導致最終的放電形式是電暈、局部擊穿和介質(zhì)阻擋放電單獨或共同存在。