李洪超，王薇

（沈陽(yáng)理工大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

局部放電是指通常在電場(chǎng)作用下，絕緣系統(tǒng)中只有部分區(qū)域發(fā)生放電，但尚未擊穿（即在施加電壓的導(dǎo)體之間沒有擊穿）。這種現(xiàn)象稱為局部放電。局部放電可能發(fā)生在絕緣體邊上，也可能發(fā)生在絕緣體的表面和內(nèi)部，發(fā)生在表面的稱為表面局部放電，發(fā)生在內(nèi)部的稱為內(nèi)部局部放電。

本文通過分析局部放電波形的產(chǎn)生，建立等離子體電極的電路等效模型，最后計(jì)算局部放電參數(shù)，加深對(duì)介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體射流的激發(fā)條件的理解。

1 氣體放電中的局部放電現(xiàn)象

1.1 局部放電現(xiàn)象的產(chǎn)生

圖1

當(dāng)利用高壓諧振電源作用于等離子體電極時(shí)，用高壓探頭測(cè)量等離子體兩端的電壓波形時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)波形在某一時(shí)刻發(fā)生“小跳變”，如圖2所示，而造成這一現(xiàn)象的主要原因是因?yàn)榭諝饨橘|(zhì)層的局部放電。

圖2 高壓探頭測(cè)試波形

2 基于等離子體的電路模型以及放電量計(jì)算

2.1 等效電路模型的建立

在計(jì)算局部放電量之前，首先對(duì)等離子體電極的電路模型進(jìn)行分析，局部放電最常見的電路模型是三電容的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 放電系統(tǒng)的等效電路模型

其中Cg為氣隙電容，Cb為玻璃管電容，Ca為變壓器次級(jí)側(cè)的寄生電容。

圖4 實(shí)驗(yàn)中等離子體電極的結(jié)構(gòu)大小

接下來要對(duì)等離子體電極的等效電路模型中的相關(guān)電容值進(jìn)行計(jì)算，首先對(duì)圖4的電極結(jié)構(gòu)的電容進(jìn)行理論計(jì)算，選擇從同軸圓柱形電容的定義式出發(fā)進(jìn)行估算，兩個(gè)同軸玻璃管A和B組成電容器，玻璃管長(zhǎng)為L(zhǎng)，內(nèi)外玻璃管的半徑分別為R1和R2，兩個(gè)玻璃管間充有電容率為ε的均勻電介質(zhì)，忽略邊緣效應(yīng)，電場(chǎng)僅僅作用于兩玻璃管之間?？傻秒妶?chǎng)為:

而內(nèi)玻璃介質(zhì)管的底部需采用圓形電容的計(jì)算公式：

等離子體電極外的絕緣介質(zhì)采用的是透明石英玻璃管，透明石英玻璃的介電常數(shù)為ε=3.7×10-12F/m；氬氣的介電常數(shù)為ε=1.00513×10-12F/m。為了建立等離子體電極的電路模型，根據(jù)公式（1）計(jì)算出內(nèi)玻璃管的介質(zhì)電容Cb1、外玻璃管的介質(zhì)電容Cb2，以及兩層玻璃管中間氣體部分的電容Cg。其中等離子體電極陽(yáng)極所用鎢棒長(zhǎng)度為20mm，故L1=20mm；而外玻璃管與陰極銅環(huán)的接觸的長(zhǎng)度為8mm，故L2=8mm；氣隙的長(zhǎng)度取L3=60mm。

由公式（1）得：

另外圓形電容Cb3計(jì)算結(jié)果由公式（2）可知

最后求得介質(zhì)電容

另一方面，建立等離子體電極的等效電路模型還需要計(jì)算或測(cè)量出變壓器次級(jí)端的寄生電容，本文選擇使用阻抗分析儀對(duì)諧振電源中的變壓器進(jìn)行測(cè)量。這里簡(jiǎn)述一下測(cè)量過程以及測(cè)試結(jié)果。

首先利用阻抗分析儀的阻抗模塊測(cè)量變壓器的次級(jí)端，得到阻抗和頻率的曲線如圖5所示。當(dāng)變壓工作在頻率為180kHz時(shí)，由阻抗分析儀測(cè)得次級(jí)線圈的電感為18.9mH,因此根據(jù)諧振公式可計(jì)算出諧振電容如下：

此時(shí)的諧振電容即為變壓器的寄生電容Ca=41.4pF。

圖5 阻抗測(cè)試以及次級(jí)側(cè)電感測(cè)量

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果得到等離子體電極的等效電路模型，其中次級(jí)側(cè)的寄生電容。

2.2 局部放電相關(guān)量計(jì)算

從圖2可知ΔU=320V,此時(shí)相應(yīng)的U1電壓為4.72kv，U2電壓為4.40kv；

對(duì)于氣隙放電，真實(shí)放電量qr的計(jì)算公式為

上式qr為真實(shí)放電量，ΔU為兩電壓之間的壓差。

而實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的局部放電電壓波形可知ΔU=320V，將數(shù)據(jù)帶入到公式（3）中可計(jì)算出

此外表征局部放電的重要參數(shù)還有放電能量（w），

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于等離子體的局部放電現(xiàn)象建立等離子體電極的三電容式的等效電路，通過同軸圓柱形電容的計(jì)算公式計(jì)算出介質(zhì)電容和氣隙電容，利用阻抗分析儀測(cè)量變壓器的次級(jí)端的寄生電容，最后根據(jù)局部放電量計(jì)算公式得出結(jié)果。