悬浮颗粒局部放电综合作用机制的研究

夏天，吴彤，叶齐政，袁哲，吴传奇，朱世明

(1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077；2.华中科技大学 电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074)

绝缘缺陷易导致局部放电，其来源包括尖刺、小颗粒、气泡缺陷等；放电现象有电晕、沿面放电、气泡内放电(介质阻挡放电和沿面介质阻挡放电)和混合体放电(金属颗粒的电晕和介质颗粒的介质阻挡放电)。对局部放电现象的观察一般都从放电的电流信号[1-2]、特高频电磁波信号[3-5]和超声波信号[6]等方面进行的，也有利用红外热像间接反映放电状态[7]，数据分析方面多用统计方法[8-11]。识别放电特征和类型更多依据的是测量得到的信号强度和相位关系的统计分析，这些指标是局部放电宏观特征的表征，但产生这种宏观特征往往是很多触发和影响机制综合作用的结果。

对于悬浮颗粒的局部放电有很多研究：一般处于非均匀电场中，如图1(a)所示；金属颗粒在绝缘子表面上[12-13]，如图1(b)所示；金属颗粒在金属壳体表面上[14]，如图1(c)所示；金属和非金属颗粒悬浮[15]﹝如图1(d)、(e)所示﹞或自由移动[16-17]，如图1(c)所示；气泡放电[17-18]，如图1(f)所示。这些放电的划分多从结构上，而不是从触发放电的机制上分类，例如绝缘子上的颗粒和悬浮颗粒(悬浮其实也需要绝缘材料支撑)其实是一类。实验表明气泡内的放电也具有沿面放电的特点[19]，因此绝缘颗粒在绝缘子上和绝缘材料里面的气泡放电从放电形式来说，确实是2种放电形式。但从放电机制来说，颗粒上的壁电荷和气泡壁上的电荷一样，都是这2种放电的核心机制，因此它们的电流脉冲都出现在电压上升沿。

图1 几种局部放电模型

颗粒的放电机制有多种(例如表面畸变电场、电子发射等)，触发的放电形式也有多种(例如电晕、介质阻挡、局部击穿、沿面等)，但宏观检测的电信号实际是多种机制相互影响及多种放电形式的综合的结果。为了探索这些机制的单独作用和综合作用效果，需要设置一些能够区分不同机制的放电形式。针对悬浮颗粒局部放电几种作用机制相互影响的问题，本文开展了利用悬浮针模拟颗粒放电现象的研究。

1 实验装置

为了对悬浮颗粒引起的局部放电进行研究，分别设置了固定悬浮针和自由运动颗粒2种放电结构，其中固定针又分别使用铜针和玻璃针以比较材料特性(畸变电场和表面电子发射能力)的影响。

尖板电极结构如图2(a)和2(b)， 高压电极为针，接地电极为下面的板，间距为20 mm，其中悬浮针距高压电极针垂直距离为2 mm，水平距离d分别调整为0、2 mm、5 mm,电极针直径为0.7 mm，悬浮金属针直径为0.7 mm，悬浮玻璃针直径为0.5 mm。自由运动金属颗粒电极结构如图2(c)。高压电极是直径为17 mm的球形电极，接地电极是高为40 mm、直径为30 mm的半碗形电极，并和高压电极同心放置，球形金属颗粒的数量为1且直径为1 mm。

图2 模拟颗粒放电装置

测试线路图如图3所示。50 Ω无感电阻R连接下电极，用来采集电流信号。探头A、B分别测量放电装置及无感电阻R两端的电压，示波器型号是Agilent Technologies DSO-X 3024A 200 MHz。数码相机使用的是3 600万像素的Nikon D800，镜头采用Nikon AF-S VR105微距镜头。

图3 实验电路图

2 实验结果

2.1 无悬浮体电晕

为了研究悬浮颗粒实验现象，首先进行无悬浮体实验。无悬浮体的电极结构是典型的尖板电晕，电晕首先在负极性下出现，然后在正极性出现，预击穿阶段如果针电极较尖(电场畸变很强)则出现长刷状放电[20]。图4为起晕和长刷状放电阶段(预击穿阶段)电压电流波形，其中长刷状电晕电流出现在正电压峰值附近。

2.2 固定悬浮铜针

固定的悬浮铜针距高压电极针的垂直距离为2 mm，水平距离d为0、2 mm、5 mm时分别对应图5、6、7。图5表明悬浮金属针居于正下方，高压电极针和悬浮针发生局部击穿(正负电压极性都有)，电流波形由峰值附近向电压上升沿发展；在电压很高时，没有出现长刷状放电，而是从悬浮针开始新的“悬浮电极电晕”，电流波形在电压上升沿和峰值附近。

当悬浮针水平离开高压电极针2 mm时(如图6)，从高压电极发出长刷状电晕﹝图6(b)中电流波形类似图4(b)﹞，当然高压电极和悬浮针之间还是有局部击穿现象，但电流波形没有体现出来﹝没有类似图5(b)的局部击穿电流波形﹞。

悬浮针水平离开高压电极针5 mm时如图7，其中，图7(a)选择的是能观察到局部击穿的电压，而不是负极性起晕电压，从高压电极发出长刷状电晕，高压电极和悬浮针之间存在局部击穿现象，波形呈现出一个小的电流脉冲，而且电流脉冲具有非常有规则的相位位置和大小，且前期也曾观察到这个实验现象[21]。

图4 无悬浮颗粒时电晕放电电压电流波形和放电照片

图5 悬浮金属针时放电电压电流波形和放电照片(d=0)

图6 悬浮金属针时放电电压电流波形和放电照片(d=2 mm)

图7 悬浮金属针时放电电压电流波形和放电照片(d=5 mm)

总结上面3个实验可得出的结论是：当悬浮铜针在棒电极正下方时，阻碍主电晕发展为长刷状电晕，即有可能提高击穿电压(阻碍放电路径，且悬浮铜针上积累的电荷无法泄放，削弱半周期电压内的电场)，而且在3种情况下，都有局部击穿现象出现。

2.3 固定悬浮玻璃针

为了探讨颗粒畸变电场的影响，需要比较非金属材料(此时畸变电场较小)导致的放电现象。固定悬浮玻璃针垂直距离高压电极针为2 mm，水平距离d为0、2 mm、5 mm时分别对应图8、9、10。

图8 悬浮玻璃针时放电电压电流波形和放电照片(d=0)

相对于金属悬浮针而言，图8显示正下方的玻璃针没有阻碍高压电极发出的长刷状电晕，电流波形也在峰值附近出现；更重要的是在电压上升沿仍然出现非常有规则的电流波形(正极性较大，负极性较小)，说明玻璃针这种非金属材料仍然和高压针电极之间产生了局部击穿，这是介质阻挡放电的机制。

图9和10显示仍然没有阻碍高压电极发出的长刷状电晕，也显示了局部击穿电流波形的存在。

上述3个实验表明：非金属悬浮针对放电的影响较小，但悬浮针会积累电荷使得上升沿放电明显，体现出介质阻挡放电的特点。

2.4 自由运动金属颗粒

图11为自由运动金属颗粒的放电电流和电压波形。自由金属颗粒始终处在近似均匀电场中, 由于金属颗粒是非固定的，在静电场力作用下会随机发生位移，放电电流信号的相位分布无明显规律，放电几乎可以发生在整个周期内。从图11可以发现：低电压下，电流脉冲出现在电压波形不同相位处，即上升沿和下降沿都有，说明放电受到随机跳动金属颗粒的实时位置影响；随着电压增加，一个明显的局部击穿电流开始有规律地在电压上升沿出现，且只有1次，这是颗粒在放电环境中荷电引起的类似介质阻挡放电现象(颗粒上的电荷无法通过电路释放，只能通过局部击穿释放)；当电压继续增加时，局部击穿电流很大、规律性更强，其他电流脉冲反而消失，说明此时颗粒在电极间隙规则运动。

图9 悬浮玻璃针时放电电压电流波形和放电照片(d=2 mm)

图10 悬浮玻璃针时放电电压电流波形和放电照片(d=5 mm)

图11 自由运动金属颗粒电压电流波形

3 分析和讨论

表1总结了起晕电压和预击穿电压及一些现象。现象和结论是：

a)金属针降低了起晕电压(以负极性电晕出现为准)，非金属针几乎没有影响起晕电压，这是因为金属针畸变电场明显比非金属针要大(在静电场中金属的介电常数可以认为无穷大)。

b)金属针的预击穿电压下降(以正极性长刷状电晕现象出现为准)，但是也有上升现象(特别是在正下方)，与常规认识不同，这是由于金属针阻碍放电路径的结果。非金属针对预击穿电压影响不大(略有提高)，这是由于畸变电场不大的原因(显然颗粒位置是一个很重要的影响因素)。玻璃针没有阻碍放电路径，可能跟针上积累的电荷“固定”在原处，不能在合适电场处发射有关。

c)高压电极和金属针、非金属针、自由运动金属颗粒之间都存在局部击穿现象，出现在电压上升沿，且只有一次，这是因为电压反转时，前半周期放电积累在悬浮物壁上的电荷和该半周高压电极极性相反，引起局部击穿。局部击穿也释放了悬浮体积累的壁电荷，因此只有一次，电压上升阶段的后续放电只能积累和电压同极性的电荷，因此不引起局部击穿，这一点类似沿面放电和气泡放电的机制。

表1 起晕电压和预击穿电压及现象

前期在两相体的放电研究中表明，颗粒影响放电有2类机制：一类是颗粒在电场中极化引起局部电场畸变；另一类是颗粒在放电环境中荷电进一步畸变电场[22-23](如图12中虚线包围的机制)。两相体放电中颗粒数很少时，其实就是局部放电中颗粒影响放电的情况。局部放电中单一颗粒的情况及与绝缘子的关系使得颗粒发射电子的机制变得重要，因此图12中增加了这一机制(虚线方框以外)；另外原先的研究没有考虑交流放电时残留电荷的影响，这里一并考虑。

颗粒对电场的影响包括颗粒极化和荷电畸变电场2种方式。颗粒极化的畸变电场将加强主电晕的电离系数或触发主电晕(如图12中的a项)。颗粒极化畸变电场，无论是金属颗粒还是介质颗粒，甚至介质中气泡都可以统一用颗粒在均匀外场中的电场分布求出[22]。金属颗粒(介电常数假设为无穷大)表面最大畸变电场是3倍的外场；环氧树脂(介电常数为3.8)颗粒最大电场是1.96倍的外场；环氧树脂绝缘子内部气泡的电场为1.33倍的外场(并不很大)。显然金属颗粒极化对电场的影响最大(前面金属悬浮针的影响强于玻璃针说明了这一点)。颗粒触发主电晕(假设在交流放电前半周期发生)将导致颗粒荷电，荷电后将削弱电压前半周期时颗粒周围的电场，电压必须更高才能维持主电晕放电；当电压下降，放电则停止，但电压反转后(后半周期)，前半周期的荷电将导致后半周期电场的加强。因此颗粒荷电对电场的影响和交流介质阻挡放电的情况相类似，放电电流脉冲将出现在电压上升沿(如图12中的b项)，前面的玻璃针实验，放电出现在电压上升沿说明了这一点。金属颗粒荷电后，达到饱和荷电时，其最大电场可以达到外电场的6倍[22]，因此畸变电场更大。

颗粒荷电直接对放电的影响包括减少流注的电子数、阻碍主电晕路径和颗粒表面发射电子。颗粒荷电显然是减少了主电晕的电子数，因此削弱了主电晕(如图12中的c项)；另外颗粒占据空间位置，会影响主电晕的放电路径，如果荷电达到饱和，还会引导放电绕过颗粒(如图12中的d项)，前面的预击穿电压在有些情况下可能提高的实验及对路径的影响说明了这一点。颗粒表面发射电子有2种结果：第一种是发射前次放电捕获的电子到主电极上，相当于颗粒形成悬浮电极，继续产生电晕，它主要出现在颗粒接近主电极(如图12中的e项)，如果颗粒足够接近主电极时将产生局部击穿[24]。第二种是发射电子到绝缘子表面上，绝缘子表面进而产生沿面放电，主要出现在颗粒在绝缘子上(如图12中的f项)。

至于绝缘介质内部的气泡，实际是一种沿面放电或介质阻挡放电[25]，同时也是前次放电积累的壁电荷主导，因此放电特点和图12中的b、f项并无本质区别。

图12 颗粒影响放电的机制及形式

前面讨论的颗粒影响放电的2种类别和5种形式，将导致最终的放电形式是电晕、局部击穿和介质阻挡放电(交流下的沿面放电其实也是一种介质阻挡放电)单独或共同存在。电晕电流脉冲一般在电压的峰值附近，介质阻挡放电或沿面放电的电流脉冲一般在电压的上升沿，局部击穿由于是在主电极和颗粒间形成，因此也是在电压上升沿出现。

4 结论

悬浮颗粒对放电的影响包括：颗粒极化畸变电场、颗粒荷电畸变电场、颗粒荷电减少电子数、颗粒表面电子发射、颗粒阻碍放电通道5种主要的影响机制。这些机制的综合作用将会使得放电电流出现在电压上升沿和电压峰值附近。其中畸变电场来自不同介电常数和颗粒荷电，如果畸变较大(例如对于金属针)，将降低起晕电压；如果颗粒所带电荷来自前半周期放电，将引起本半周期上升沿的局部击穿，且只有一次；如果来自本半周，只会引起削弱电场，后续放电发生在电压上升沿；金属颗粒由于畸变电场会阻碍放电路径，电子发射能力引起悬浮电极电晕，但不一定降低预击穿电压；非金属颗粒由于畸变电场弱和电子发射能力小没有这种现象。悬浮颗粒不同机制的综合作用将导致最终的放电形式是电晕、局部击穿和介质阻挡放电单独或共同存在。