一、产品概述

局部放电是指在电场的作用下，绝缘系统中只有部分区域发生放电，但没有贯穿施加电压导体之间的区域即尚未击穿，这种现象叫局部放电。

局部放电是绝缘劣化的重要表征现象，是高压绝缘绝缘故障重要隐患的前期预警信号。及时发现局部放电对高压电器设备的绝缘故障意义重大，是避免重大事故的重要手段。

高压开关柜是使用极广且数量最多的开关设备。是电力系统的重要供配电设备，它的安全可靠运行是基础。高压开关柜中引起局部放电的主要原因有：导体、外壳内表面上的金属突起，常常是由于制造和安装时造成金属表面有较尖的毛刺；绝缘介质的缺陷、老化和表面的污秽造成绝缘内部或表面出现局部放电；高压母线连接处、开关电路触头接触不良或断路器触头接触不良造成局部放电；高压设备里的可以移动的金属微粒，主要在制造、装配和运行中产生，当靠近高压导体并未接触时，就很可能导致放电。

各类绝缘缺陷发展到最终击穿，酿成事故之前，往往先经过局部放电阶段，局部放电的强弱能够及时反映绝缘状态，因此通过在线监测局部放电来判断绝缘状态是实现开关柜绝缘在线监测和诊断的有效手段。

                    图1 开关柜内部正常状态                                                  图2 开关柜事故照片

二、产品技术原理综述

绝缘介质内部含有一个气隙时的放电情况是最简单的，如图2.1(a)所示。图中c代表气隙，b是与气隙串联部分的介质，a是除了b之外其他部分

的介质。假定这一介质是处在平行板电极之中，在交流电场作用下气隙和介质中的放电过程可以用图2.l(b)所示的等效电路来分析。

假定在介质中的气隙是扁平状而且是与电场方向相垂直，则按电流连续性原理可得

式中、分别气隙和介质上的电压, 、分别为气隙和介质的等效电导 。工频电场中若和均小于10^－11(W·m)^-1，则气隙和b部分绝缘上的电压的数值关系可简化为

（2.2）

式中、分别为气隙和绝缘介质的相对介电常数，气隙和介质中的电场强度E_c、E_b 的关系为

（2.3）

由式（2.3）可见：

(1) 气隙放电在工频电场中气隙中的电场强度是介质中电场强度的倍。通常情况下，而，即气隙中的场强要比介质中的高，而另一方面气体的击穿场强一般都比气体的击穿场强低，因此，在外加电压足够高时，气隙首先被击穿，而周围的介质仍然保持其绝缘特性，电极之间并没有形成贯穿性的通道。

(2) 油隙放电在液体和固体的组合绝缘结构中，如油纸电缆、油纸电容器、油纸套管等，由于在制造中采取了真空干燥浸渍等工艺，可以使绝缘体中基本上不含有气隙，但却不可避免地存在着充满绝缘油的间隙，这些油的介电常数通常也比固体介质为小，而击穿场强又比固体介质为低，因此，在油隙中也会发生局部放电，不过与气隙相比要在高得多的电场强度下才会发生。

(3) 在介质中极不均匀电场分布的情况下，即使在介质中不含有气隙或油隙，只要是介质中的电场分布是极不均匀的，也就可能发生局部放电。例如埋在介质中的针尖电极或电极表面上的毛刺，或其它金属屑等异物附近的电场强度要比介质中其他部位的电场强度高得多。当此处局部电场强度达到介质本征击穿场强时，则介质局部击穿而形成了局部放电。

在气隙发生放电时，气隙中的气体产生游离，使中性分子分离为带电的质点，在外加电场作用下，正离子沿电场方向移动，电子(或负离子)沿相反方向移动，于是这些空间电荷建立了与外施电场方向相反的电场 (如图2.2（a）所示)，这时气隙内的实际场强为

 (2.4)

即气隙上的电场强度下降了E_内，或者说气隙上的电压降低了DU_c。于是气隙中的实际场强低于气体击穿场强E_CB，气隙中放电暂停。在气隙中发生这样一次放电过程的时间很短，约为10^-8数量级，在油隙中发生这样一次放电过程的时间比较长，可达10^-6数量级。

如果对照图2.2（b）分析放电过程，外施电压是正弦交流电压，当电压瞬时值上升使得气隙上的电压u_c达到气隙的击穿电压U_CB时，气隙发生放电。由于放电的时间极短，可以看作气隙上的电压由于放电而在瞬间下降了Du_c，于是气隙上的实际电压低于气隙的击穿电压，放电暂停（这相应于图2.2(b)中的点1）。此后气隙上的电压随外加电压瞬时值的上升而上升，直到气隙上的电压又回升到气隙的击穿电压U_CB时，气隙又发生放电，在此瞬间气隙上的电压又下降Du_c，于是放电又暂停。假定气隙表面电阻很高，前一次放电产生的空间电荷没有泄漏掉，则这时气隙中放电电荷建立的反向电压为-2Du_c。依此类推如果在外加电压的瞬时值达到峰值之前发生了n次放电，每次放电产生的电荷都是相等的，则在气隙中放电电荷建立的电压为-nDu_c。在外加电压过峰值后，气隙上的外加电压分量u_外逐渐减小，当u_外=nDu_c时，气隙上的实际电压为零(图2.2(b)中点2)。

    外施电压的瞬时值继续下降，当êu_外-nDu_c ê=U_CB时，即气隙上实际的电压达到击穿电压时，气隙又发生放电，不过放电电荷移动的方向决定于此前放电电荷所建立的电场E_内，于是减少了原来放电所积累的电荷，使气隙上的实际电压为êu_外-nDu_c ê<U_CB时，于是放电暂停(相应图2.2(b)中的点3)。此后随外施电压继续下降到负半周，当重新达到ê-u_外-(n-1)Du_c ê=U_CB时，气隙又发生放电，放电后气隙上的电压为ê-u_外-(n-2)Du_c ê<U_CB，放电又停止。依此类推直到外加电压达到负峰值，这时气隙中放电电荷建立的电压为nDu_c。

随着电压回升，在一段时间内êu_外+nDu_c ê<U_CB不会出现放电，直到êu_外+nDu_c ê=U_CB时气隙又发生放电。放电后气隙上的电压为êu_外+(n-1)Du_c ê<U_CB，于是放电又暂停(相应图2.2(b)中点4)。此后随着外加电压升高放电又继续出现。

由此可见，在正弦交流电压下，局部放电是出现在外加电压的一定相位上，当外加电压足够高时在一个周期内可能出现多次放电，每次放电有一定间隔时间。

表征局部放电的参数

    局部放电是比较复杂的物理现象，必须通过多种表征参数才能全面地描绘其状态。在气隙中产生局部放电时，气隙中的气体分子被游离而形成正负带电质点，在一次放电中这些质点所带的正或负电荷总和称为实际放电量q_r。

    根据图2.1(b)所示的等效电路可以推算出，由于C_c上电荷改变了q_r所引起的C_c上的电压变化Δu_c。

(2.5)

通常气隙总是很小的，且C_a>>C_b，因此上式可写作

  (2.6)

由于气隙经常是处于介质内部，因而无法直接测得q_r或ΔU_c。但根据图2.1(b)所示的等效电路当C_c上有电荷变化时，必然会反映到C_a上电荷和电压的变化，即试样两端出现电荷和电压的变化，因此可以根据这种变化来表征局部放电。

2.1开关柜局部放电的原因

开关柜在日常的运行中，起着变电输电的重要作用，而很多开关柜日常中都是露天摆放，长期日晒雨淋，受各种外部环境影响，很容易发生局部放电故障，本文就简单介绍开关柜局部放电的原因。

    一、电晕放电，通常在气体包围的高压导体周围会出现电晕放电，比如高压输电线路或者高压变压器等，这些高压电气设备的高压接线端子暴露在空气中，因此发生电晕放电的机率相对较大。电晕放电体现出的是典型的、极不均匀电场的特征，也是极不均匀电场下特有的自持放电。

    二、沿面放电，通常在绝缘介质表面会出现沿面放电的现象。这种局部放电的形式属于特殊的气体放电现象，电力电缆、电机绕组、绝缘套管的端部等位置比较常见沿面放电。一旦介质内部电场的强度低于电极边缘气隙的电场强度，而且介质沿面击穿电压相对较低，沿面放电就会发生在绝缘介质的表面。通常电压波形、电场的分布、空气质量、介质的表面状态、气候条件等均会对沿面放电电压产生影响，所以沿面放电体现出不稳定的特点。

    三、内部放电，固体绝缘介质内部比较常见内部放电。在生产加工绝缘介质时难免存在材料与工艺缺陷的问题，导致绝缘介质内部出现内部缺陷，比如掺人少量的空气或者杂质等。一旦绝缘受到高压作用，内部缺陷就有发生局部击穿或者重复性击穿的可能。通常介质自身的特性、气隙大小、缺陷的位置与形状、气隙气体的种类等会对内部放电的发生条件产生影响。

    四、悬浮电位放电，这种局部放电的形式是指高压设备中某个导体部件存在结构设计缺陷，或者其它原因导致接触不良断开，最终造成该部件位于高压电极与低压电极之间并根据其位置的阻抗比获得分压发生放电，针对该导体部件上对地电位称其为悬浮电位。导体具有悬浮电位时，通常其附近的场强会比较集中，而且会破坏四周绝缘介质的形成。一般在电气设备内高电位的金属部件或者处于地电位的金属部件上容易发生悬浮电位放电。