赵福泉 刘怀东 贾豪威

（1.中国科学院上海高等研究院 2.河西学院 3.中国铁路郑州局集团有限公司郑州东高铁基础设施段）

0 引言

绝缘材料如果较长时间处于粒子轰击、X射线等作用下，容易使高聚物裂解，造成内部和表面的侵蚀以及变质；同时由于制造工艺的不尽完善，或者绝缘材料吸收空气中水分等，都会造成绝缘材料中形成内部杂质空间。内部杂质空间介质的介电常数往往小于绝缘材料的介电常数。内部杂质空间介质就会承受巨大的电场强度，造成局部放电。局部放电与绝缘材料的劣化过程密切相关，是绝缘劣化的因素和征兆。绝缘材料的劣化造成局部放电，局部放电的持续发展又会进一步造成绝缘劣化、寿命缩短、短时绝缘强度的降低、甚至是绝缘击穿。因此局部放电是评估绝缘状态的有效方法之一。

1 局部放电的过程

一般情况下，绝缘材料中的杂质呈现夹层式极化，如图1所示，选取一块绝缘材料的截面，外加电场方向垂直于夹层方向，杂质的相对介电常数为ε1，绝缘材料相对介电常数为ε2，ε1＜ε2。电场的分布和介质的介电常数成反比。就一般的杂质而言，比如气泡，固体的介电常数远远大于气体的介电常数时，气泡承受的电场强度相比于固体绝缘材料的电场强度要大好几倍。同时，气体的耐电强度又比固体绝缘低，所以气泡部位非常容易发生局部放电。

图1 试品样式

当外施电压u加在绝缘体两端，外施电压值小于气隙的击穿电压ust时，气隙两端的电压和外施电压保持一致，并跟随外施电压的变化；随着外施电压的升高，并达到气隙的击穿电压ust，气隙分子将分离，气隙空间内会形成空间电荷，电荷类型包括正离子、负离子和电子；在外电场的作用下，负电荷总体向高电位迁移，正电荷整体向低电位迁移，离子的迁移形成的空间电荷分布将在气隙空间内削弱外加电场的作用，产生与外加电场相反的内部电压－Δu，此时合成在气隙上的电压为ust－Δu；随着放电的加深，更多的自由电荷被激发，内部电场的削弱作用也迅速增强，直至气隙合成电压ust－Δu小于局部放电熄灭电压uoff，则气隙停止放电。气隙上的电压又会随外电压上升而上升，直到重新达到ust，又重新出现第二次放电。

另外，局部放电重复率代表着材料的劣化坏点数以及程度。交流电压半个周期内，局部放电次数称为局部放电重复率。当外加电压的幅值和频率增加，介质厚度与气隙厚度之比变小，气隙表面电阻变小等都会造成放电重复率的增加。

2 放电特征及仿真模型

实际放电电荷看成仅仅是气隙部分的放电量，视在放电电荷不同于实际放电电荷，近似为试验样品一次局部放电时其两端的瞬间电荷量的变化。假设局部放电时间非常短暂，以至于电源尚未及时补充电荷。试验样品各部位电荷量重新分配，以至于出现电压的变化。气隙部分端电压变化量ΔUg，样品段对应为ΔUa和ΔUb；另外气隙部分实际放电量为qr。由抽象模型可知：

式中，气隙与串联部分试品等效电容远远小于Ca。

由上式可看出，当气隙距离越小时，则Cg越大，视在放电电荷要远远小于实际放电电荷。绝缘材料相对介电常数较大、介质厚度小气隙厚度大、有效放电面积和击穿电压较高时，视在放电电荷会比较大。

在工频电场下，可建立等效的电路模型，如图2所示。

图2 气隙放电等效电路模型

把杂质部分看成有电容效应和电阻效应，即用Cg和Rg表示；在电场方向与杂质串联的绝缘材料存在的电阻和电容效应，用Cb和Rb表示；无杂质部分的绝缘材料的两种效应用Ca和Ra表示。其中三部分的电阻效应和电容效应具有相同的电路结构，和电容部分并联同样处于外加电压u作用下。由于绝缘材料的等效电阻值相对较高，可把电阻部分视同为断路状态，所以不予考虑；杂质部分等效电阻无论是否放电，均不可忽略。可分为杂质放电体电阻Rg1和沿杂质表面放电电阻Rg2。这两种电阻在发生放电时分别变化为Z′g1和R′g2。在大部分文献中，认为放电时，近似认为只有电阻效应，且该电阻非常小，几乎为零。但放电流注多为低温高压的等离子体，等离子体的电导率为复数，形成的阻抗既有电阻分量也有电感分量，所以用阻抗Z′g1来表示气泡部分体电阻更为合适。图2中，由于存在状态转换，将杂质部分电阻用放电符号代替。

根据以上分析，设置仿真模型如图3所示。

图3 绝缘介质气隙局部放电仿真模型

3 仿真参数计算

假设把绝缘材料看成常见的环氧树脂，尺寸为30mm×30mm×30mm，ε2＝3.8；杂质看成为空气，尺寸为近似为半径2mm，高为4mm的圆柱形，气隙内气压1×105Pa，相对介电常数ε1＝1。

根据经验公式和给定参数，可求得气隙放电起始电压和场强，分别表示为：Ust和Est；放电熄灭电压和场强，分别表示为：Uoff和Eoff。由气体放电理论和经验总结知：

式中，p为气隙压强，B为空气放电开始时磁感应强度，为一常数，B＝8.6；已知：p＝1×105Pa，a＝2mm；计算得Est＝35.6×105V／m。由于电场垂直于夹层，可得放电起始电压：Ust＝Est·d＝35.6×105×4×10－3＝14.24kV；放电熄灭电压是0.77倍放电起始电压，即Uoff＝0.77Ust＝10.96kV。

仿真试品中，由电容的定义公式可计算出各部分的等效电容：

式中，a为气隙底面半径，l为试品尺寸，d为气隙垂直高度。

根据查表，得出气隙体电阻：R1＝2×1010Ω，Z′1＝15＋j3Ω。气隙沿面电阻：R2＝6×1010Ω，R′2＝8×105Ω。另外，假设电源电压辐值40kV，f＝50Hz；保护阻抗：R＝5kΩ，L＝0.5mH；耦合电容Ck＝0.5×10－9F，检测阻抗Zm∶50Ω，2×10－12F。

4 结束语

由气隙放电电压图及放大波形可以看出，每次放电周期约等于1.25×10－7s，气隙放电电压范围在11～17kV之间，如图4和图5所示，符合理论放电时间及起始电压和熄灭电压的计算。此外，因外加保护电抗较小且绝缘介质的容性作用，气隙电压略超前于外加电压10°的相位；气隙放电均发生在每半周期的前半部分，这是因为每当外加电压反向时，前一次放电在气隙表面残余电荷形成的内电场和外加电压方向相同，叠加电压正向刺激了气隙的再次放电；同理，经过几次放电后，又会形成新的空间电荷，和本次的外加电压方向相反，会减弱外加电压促成的放电，所以后面即使外加电压高过于起始电压，甚至达到最大幅值，气隙放电也不会持续。

图4 气隙局部放电波形图

图5 气隙局部放电波形放大