絕緣介質(zhì)局部放電過程及仿真模型構(gòu)建

趙福泉 劉懷東 賈豪威

（1.中國科學(xué)院上海高等研究院 2.河西學(xué)院 3.中國鐵路鄭州局集團(tuán)有限公司鄭州東高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段）

0 引言

絕緣材料如果較長時間處于粒子轟擊、X射線等作用下，容易使高聚物裂解，造成內(nèi)部和表面的侵蝕以及變質(zhì)；同時由于制造工藝的不盡完善，或者絕緣材料吸收空氣中水分等，都會造成絕緣材料中形成內(nèi)部雜質(zhì)空間。內(nèi)部雜質(zhì)空間介質(zhì)的介電常數(shù)往往小于絕緣材料的介電常數(shù)。內(nèi)部雜質(zhì)空間介質(zhì)就會承受巨大的電場強(qiáng)度，造成局部放電。局部放電與絕緣材料的劣化過程密切相關(guān)，是絕緣劣化的因素和征兆。絕緣材料的劣化造成局部放電，局部放電的持續(xù)發(fā)展又會進(jìn)一步造成絕緣劣化、壽命縮短、短時絕緣強(qiáng)度的降低、甚至是絕緣擊穿。因此局部放電是評估絕緣狀態(tài)的有效方法之一。

1 局部放電的過程

一般情況下，絕緣材料中的雜質(zhì)呈現(xiàn)夾層式極化，如圖1所示，選取一塊絕緣材料的截面，外加電場方向垂直于夾層方向，雜質(zhì)的相對介電常數(shù)為ε1，絕緣材料相對介電常數(shù)為ε2，ε1＜ε2。電場的分布和介質(zhì)的介電常數(shù)成反比。就一般的雜質(zhì)而言，比如氣泡，固體的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于氣體的介電常數(shù)時，氣泡承受的電場強(qiáng)度相比于固體絕緣材料的電場強(qiáng)度要大好幾倍。同時，氣體的耐電強(qiáng)度又比固體絕緣低，所以氣泡部位非常容易發(fā)生局部放電。

圖1 試品樣式

當(dāng)外施電壓u加在絕緣體兩端，外施電壓值小于氣隙的擊穿電壓ust時，氣隙兩端的電壓和外施電壓保持一致，并跟隨外施電壓的變化；隨著外施電壓的升高，并達(dá)到氣隙的擊穿電壓ust，氣隙分子將分離，氣隙空間內(nèi)會形成空間電荷，電荷類型包括正離子、負(fù)離子和電子；在外電場的作用下，負(fù)電荷總體向高電位遷移，正電荷整體向低電位遷移，離子的遷移形成的空間電荷分布將在氣隙空間內(nèi)削弱外加電場的作用，產(chǎn)生與外加電場相反的內(nèi)部電壓－Δu，此時合成在氣隙上的電壓為ust－Δu；隨著放電的加深，更多的自由電荷被激發(fā)，內(nèi)部電場的削弱作用也迅速增強(qiáng)，直至氣隙合成電壓ust－Δu小于局部放電熄滅電壓uoff，則氣隙停止放電。氣隙上的電壓又會隨外電壓上升而上升，直到重新達(dá)到ust，又重新出現(xiàn)第二次放電。

另外，局部放電重復(fù)率代表著材料的劣化壞點(diǎn)數(shù)以及程度。交流電壓半個周期內(nèi)，局部放電次數(shù)稱為局部放電重復(fù)率。當(dāng)外加電壓的幅值和頻率增加，介質(zhì)厚度與氣隙厚度之比變小，氣隙表面電阻變小等都會造成放電重復(fù)率的增加。

2 放電特征及仿真模型

實際放電電荷看成僅僅是氣隙部分的放電量，視在放電電荷不同于實際放電電荷，近似為試驗樣品一次局部放電時其兩端的瞬間電荷量的變化。假設(shè)局部放電時間非常短暫，以至于電源尚未及時補(bǔ)充電荷。試驗樣品各部位電荷量重新分配，以至于出現(xiàn)電壓的變化。氣隙部分端電壓變化量ΔUg，樣品段對應(yīng)為ΔUa和ΔUb；另外氣隙部分實際放電量為qr。由抽象模型可知：

式中，氣隙與串聯(lián)部分試品等效電容遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ca。

由上式可看出，當(dāng)氣隙距離越小時，則Cg越大，視在放電電荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實際放電電荷。絕緣材料相對介電常數(shù)較大、介質(zhì)厚度小氣隙厚度大、有效放電面積和擊穿電壓較高時，視在放電電荷會比較大。

在工頻電場下，可建立等效的電路模型，如圖2所示。

圖2 氣隙放電等效電路模型

把雜質(zhì)部分看成有電容效應(yīng)和電阻效應(yīng)，即用Cg和Rg表示；在電場方向與雜質(zhì)串聯(lián)的絕緣材料存在的電阻和電容效應(yīng)，用Cb和Rb表示；無雜質(zhì)部分的絕緣材料的兩種效應(yīng)用Ca和Ra表示。其中三部分的電阻效應(yīng)和電容效應(yīng)具有相同的電路結(jié)構(gòu)，和電容部分并聯(lián)同樣處于外加電壓u作用下。由于絕緣材料的等效電阻值相對較高，可把電阻部分視同為斷路狀態(tài)，所以不予考慮；雜質(zhì)部分等效電阻無論是否放電，均不可忽略?？煞譃殡s質(zhì)放電體電阻Rg1和沿雜質(zhì)表面放電電阻Rg2。這兩種電阻在發(fā)生放電時分別變化為Z′g1和R′g2。在大部分文獻(xiàn)中，認(rèn)為放電時，近似認(rèn)為只有電阻效應(yīng)，且該電阻非常小，幾乎為零。但放電流注多為低溫高壓的等離子體，等離子體的電導(dǎo)率為復(fù)數(shù)，形成的阻抗既有電阻分量也有電感分量，所以用阻抗Z′g1來表示氣泡部分體電阻更為合適。圖2中，由于存在狀態(tài)轉(zhuǎn)換，將雜質(zhì)部分電阻用放電符號代替。

根據(jù)以上分析，設(shè)置仿真模型如圖3所示。

圖3 絕緣介質(zhì)氣隙局部放電仿真模型

3 仿真參數(shù)計算

假設(shè)把絕緣材料看成常見的環(huán)氧樹脂，尺寸為30mm×30mm×30mm，ε2＝3.8；雜質(zhì)看成為空氣，尺寸為近似為半徑2mm，高為4mm的圓柱形，氣隙內(nèi)氣壓1×105Pa，相對介電常數(shù)ε1＝1。

根據(jù)經(jīng)驗公式和給定參數(shù)，可求得氣隙放電起始電壓和場強(qiáng)，分別表示為：Ust和Est；放電熄滅電壓和場強(qiáng)，分別表示為：Uoff和Eoff。由氣體放電理論和經(jīng)驗總結(jié)知：

式中，p為氣隙壓強(qiáng)，B為空氣放電開始時磁感應(yīng)強(qiáng)度，為一常數(shù)，B＝8.6；已知：p＝1×105Pa，a＝2mm；計算得Est＝35.6×105V／m。由于電場垂直于夾層，可得放電起始電壓：Ust＝Est·d＝35.6×105×4×10－3＝14.24kV；放電熄滅電壓是0.77倍放電起始電壓，即Uoff＝0.77Ust＝10.96kV。

仿真試品中，由電容的定義公式可計算出各部分的等效電容：

式中，a為氣隙底面半徑，l為試品尺寸，d為氣隙垂直高度。

根據(jù)查表，得出氣隙體電阻：R1＝2×1010Ω，Z′1＝15＋j3Ω。氣隙沿面電阻：R2＝6×1010Ω，R′2＝8×105Ω。另外，假設(shè)電源電壓輻值40kV，f＝50Hz；保護(hù)阻抗：R＝5kΩ，L＝0.5mH；耦合電容Ck＝0.5×10－9F，檢測阻抗Zm∶50Ω，2×10－12F。

4 結(jié)束語

由氣隙放電電壓圖及放大波形可以看出，每次放電周期約等于1.25×10－7s，氣隙放電電壓范圍在11～17kV之間，如圖4和圖5所示，符合理論放電時間及起始電壓和熄滅電壓的計算。此外，因外加保護(hù)電抗較小且絕緣介質(zhì)的容性作用，氣隙電壓略超前于外加電壓10°的相位；氣隙放電均發(fā)生在每半周期的前半部分，這是因為每當(dāng)外加電壓反向時，前一次放電在氣隙表面殘余電荷形成的內(nèi)電場和外加電壓方向相同，疊加電壓正向刺激了氣隙的再次放電；同理，經(jīng)過幾次放電后，又會形成新的空間電荷，和本次的外加電壓方向相反，會減弱外加電壓促成的放電，所以后面即使外加電壓高過于起始電壓，甚至達(dá)到最大幅值，氣隙放電也不會持續(xù)。

圖4 氣隙局部放電波形圖

圖5 氣隙局部放電波形放大