阶跃电压下气隙的放电时延分布

阶跃电压下气隙的放电时延分布

1局部放电模式局部放电检测技术广泛应用于高压机的绝缘故障诊断，其中放电识别是绝缘诊断的重要组成部分。近年来人工智能技术也已经应用于模式识别来提高故障诊断的正确度和自动化程度。然而,由于放电模式的物理模型尚未完全建立,人工智能诊断方法并没有得到令人满意的结果。局部放电模式可以显示外施电压相位与放电参数(例如放电幅值和放电频率等)之间的关系。对高电压设备进行测试得到的放电模式数据,同累积放电模式数据进行比较,可以获得被测设备的老化和缺陷等信息,从而进一步对设备绝缘进行诊断。放电时延是一个非常重要的局部放电参数,它是指试样施加电压的时间与放电产生时间之间的时间差。Nagata等学者用一个包含玻璃板的样品进行实验,并报道说当试样电压增加为起始放电电压的两倍时,放电时延减小为1/3。Sawa等学者使用金属-金属电极系统进行实验,并统计分析了放电时延,实验结果显示当放电发展至放电电阻较小的电弧区域时,放电时延将大大地偏离指数分布。当放电空间与绝缘接触时,放电时延的统计分布并不清楚,然而这种情况对于研究交流电压下气隙的局部放电模式非常重要。本文以放电时延的统计分布为基础,研究了放电时延的影响因素和统计规律。2局部放电测量本文所用试样采用如图1所示的CIGRE-Ⅱ型电极系统。气隙的一边同金属电极接触,另一边同绝缘接触。绝缘是1mm厚的丙烯酸树脂板。图1中的气隙上壁使用两种绝缘。一种是铜粉和环氧树脂混合涂覆在丙烯酸树脂板的表面作为导电杂质,铜粉晶粒直径为0.03mm,另一种绝缘没有涂导电杂质。前一种试样命名为“含杂试样”,后一种命名为“不含杂试样”。局部放电测量电路如图2所示。流过试样的放电电流经CR电路积分然后通过数字示波器的峰值检测功能转换为数字量。施加方波的周期为20ms,频率等效于50Hz,脉宽为8.3ms,脉冲的上升沿小于4μs。放电脉冲和方波上升沿之间的放电时延如图3所示。施加64个方波的测量结果用来统计分析同一电压下的放电时延。电压的极性按照图1中上电极的电压来定义,与施加于气隙绝缘边的电压极性相同。本文所有实验均在室温下进行。3laue与特征时延图4显示了不同电压时放电时延与放电累积概率(施加电压后的t时间内,放电发生的概率)的关系。施加在气隙上的电压由气隙和绝缘的电阻和电容决定。由于绝缘的直流电阻很大,所以气隙电压的直流分量可以忽略不计。从图4可以看到当电压上升时,时延分布曲线向短时间方向移动。在对数坐标图中,“含杂试样”的时延小于“不含杂试样”的时延。在相同的电压下,“不含杂试样”的负极性时延大于正极性时延。然而,“含杂试样”的放电时延受电压极性影响并不明显。Laue理论可以用来解释放电时延的统计分布规律。假设触发放电的初始电子以相同的速率出现,施加阶跃电压之后到t时刻不发生放电的概率可以用下式表达:R=exp(−t/τ)(1)R=exp(-t/τ)(1)式(1)中,R是不发生放电的概率,τ是特征时延常数。用LogR作为纵轴,t作为横轴得到的图形即为Laue图。图4的数据经过处理后得到Laue图如图5所示。排除电压非常低和放电时延非常长的情况,相同电压下的Laue图大致是一条直线。所以特征时延常数τ可以由(1)式求得。Sawa等人测量了金属电极之间的短气隙放电时延。据他们报道,一个大的电阻插入到放电电路中,将引起辉光放电。放电时延的统计学分布满足Laue理论。然而,小的电阻将引起电弧放电,并且放电时延严重偏离Laue理论。因为在相同的电极上连续触发放电,所以电弧放电将改变电极的表面状态,导致放电时延偏离Laue理论。当放电发生在与绝缘接触的气隙内时,非常大的绝缘电阻将限制放电电流,不会改变电极的表面状态,放电对表面的损害非常微弱,所以本文所用试样的放电时延服从Laue理论。图6表示电压与特征时延τ的关系。从图6可以看到特征放电时延与电压有很好的相关性,服从反幂关系:τ=τ0V−n(2)τ=τ0V-n(2)式(2)中,τ0为一常数,n值与电压极性和样品结构有关。对于本文选用的试品,气隙的上部是金属,下部是绝缘,当绝缘表面没有涂覆导电性物质时,正极性放电时延短于负极性放电时延,这是由于金属电极很容易提供初始放电电子;对于涂覆导电物质的样品,负极性的放电时延短于正极性的放电时延。这是因为在气隙两边都与金属接触时,导电物质使绝缘表面变得粗糙,粗糙的表面能够加强电场,导致负极性的放电更容易发生。比较图6(a)和图6(b),可以看到“含杂试样”的n值大于“不含杂试样”,这意味着“含杂试样”的放电时延比“不含杂试样”对外施电压更为敏感。在交流电压下,“含杂试样”的起始放电相位角估计会小于“不含杂试样”。虽然施加阶跃电压后的第一个放电脉冲可以得到放电时延参数,然而交流电压下的大多数局部放电在半个工频周期内的放电次数超过两次。第一次放电将会激活气隙空间,使以后的放电更容易发生,所以第一次放电之后的放电幅值和时延都会相应地减小。当然,描述第二次及以后放电的参数也不同于第一次放电。在以后的研究中,作者将就交流电压下的放电时延进行进一步研究。4“不含杂试样”放电特征时