局部放电基本特性
电缆终端安装刀痕缺陷的局部放电特性分析
电缆终端安装刀痕缺陷的局部放电特性分析摘要：为了能够在电缆终端运行的第一时间可以有效的检查出安装刀痕缺陷，需要对其进行一系列典型的刀痕缺陷的相应设计。
本文则通过对电缆终端典型刀痕缺陷的设计进行了相关的分析，并进行了局部放电测试，最后得出了相应的结论。
希望本文关于电缆终端安装刀痕缺陷的局部放电特性的相关分析，可以为我国相关领域起到一定借鉴的意义。
关键词：电缆终端；刀痕缺陷；局部放电；放电频谱1.电缆终端故障问题的概述电缆终端故障问题多是由于其附件出现的问题而引发的，电缆附件在进行现场安装时出现的问题基本是因为操作人员的工作大意造成的，但是因为附件的体积一般很小，这种问题不容易被及时的查出，所以在初期进行耐压试验时都会试验合格。
但是这种缺陷在电缆线路实际工作一段时间后就会将缺陷问题不断扩大，最后结果就是发生绝缘被击破的现象，如果缺陷十分严重甚至会产生爆炸燃烧等重大事故。
所以，在对附件进行安装后如何及时发现缺陷是对整个线路安全运营来说最重要的问题。
本文根据对我国过往电缆终端运行的故障信息进行统计和分析，选定了两种比较普遍的刀痕缺陷。
然后通过电缆附件的淘汰平台对实际工作过程进行一系列的模拟演示，然后利用技术手段对两种刀痕局部放电时所产生的时域和频域的不同特点进行分析，对两种刀痕的放电特征进行比较。
2.电缆终端典型刀痕缺陷设计通过对我国过往案例的分析可以发现，在现场耐压试验顺利通过后，电缆终端在正常运行不久仍然出现故障，这主要是由于半导电层的横断处环切刀痕和纵向刀痕导致的。
另外，据对现场考察结果显示对于剥离外的半导电层日常运行中，一般会应用的措施是先从横断处开始，然后围绕其中心点画圆切割。
再利用设备向对外半导电层由中心位置纵向剖开，使得外半导电层成功脱离。
但是在切割工作中，因为对切割的力度没有办法进行精准的掌控，所以会造成环切和纵切的刀痕缺陷。
3.局部放电测试和分析3.1电热老化对局部放电造成的影响在电热老化的实验装置上实行对电缆终端连续120h的老化实验后，此时可以观察到放电信号开始出现显示，但是信号检测放电值比较低，在这种情况下一般难以得到数据统计的有效结果。
局放试验
超声波是一种振荡频率高于20kHz的声波，超 声波的波长较短，可以在气体、液体和固体等 媒介中传播，传播的方向性较强、故能量较集 中，因此通过超声波测试技术可以测定局部放 电的位置和放电程度。
超声波局部放电测量特点： 1. 可以较准确的测定局部放电的位置。 2. 测量简便。可在被测设备外壳任意安装传感器。 3. 不受电源信号的干扰。
如采用示波器观察脉冲，应先调节宽带放大器的增益， 得到一个高度为L0mm的脉冲，然后计算单位刻度的放电量 q0/ L 0，此时L0= q0。试品册得的视在放电量q= UN.Cq （L/ L0）若放大器变档则：
q= UN.Cq（L/ L0）×10(N1-N2) 示波器读数 L:测量信号高度 ；L0：校正信号高度 N1:测量档位 N2:校 正档位
低压施加3相倍频电源。
试验方法：测量A相，B、C分别接地，其他两相同 理。判定时取最大值。试验时铁心接地。
第六节 局部放电波形图谱识别 1.内部放电：
单气隙
多气隙
2.表面放电：
3.电晕放电： 4.干扰放电波形：
接触不良
可控硅元件动作
磁饱和产生的谐振波形
调制或非调制的干扰波形
荧光灯产生的干扰
第七节 局部放电试验应注意的事项：
三、放电量与各参数间的关系 一个脉冲真实放电量qr，Ug、Ur等参数在实际试品中 是不可知的，同时绝缘缺陷各不相同，故真实放电量 是不可以直接测量的。 局部放电将引起绝缘上所施加电压的变化,产生一个 ΔU,同时也引起绝缘介质中电荷q的转移,我们称之为视 在放电量。
第二节 局部放电测量方法
局部放电会产生各种物理、化学变化，如发生 电荷转移交换，发射电磁波、声波、发热、发 光、产生分解物等，所以有很多测量局部放电 的方法，一般分为电测法和非电测法。
局部放电
DGA
可靠性高。 判定指标规程完 善。
HFCT
操作简单。 判断方式容易掌 握。 放电测量可以定 量分析
UHF
局部放电检测灵 敏度高。 现场该频段干扰 小。 有GIS等设备成 功应用可以借鉴。
AE
受电气干扰少， 应用最为成熟；
带电检测，安全 可靠； 随时进行检测，
实践证明局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的主要 原因。其中，中、高压设备中高达85%的破坏性故障是由局部放电引 起的。 局部放电对绝缘产生的破坏作用可归纳为以下几种基本形式： 1. 带电质点的轰击 2. 热效应 3. 活性生成物（臭氧、硝酸、亚硝酸、草酸等）
4. 辐射效应
5. 机械力的效应 以上几种破坏机理往往同时存在，对于不同材料和不同工作条件， 可能以其中的某一种为主。
局部放电应用技术
2016-02-29
主要内容
• • • • • • • • 1.局部放电的概述 2.局放测试的发展 3.局部带电检测技术 4.AE技术 5.HFCT技术 6.UHF技术 7.TEV技术 8.总结
1.局部放电
概念：绝缘体中只有局部区域发生的放电，而没有贯穿施加电压的导体
之间，可以发生在导体附近，也可以发生在其他地方，这种现象称为局 部放电。
• 局部放电是一种脉冲放电，它会在电力设备内部和周围空间 产生一系列的 等物理现象和化学 变化。这些伴随局部放电而产生的各种物理和化学变化可以 为监测电力设备内部绝缘状态提供检测信号。
解剖运行中老化了的电工设备和观察人工加速电老化的试样，经常可以看 到绝缘体表面或内部存在树枝状的放电痕迹，这些痕迹通常是由于局部放电使 绝缘材料碳化所遗留下来的，因此树枝放电的发展过程，就是最普遍的电老化 过程。 （a）树枝引发机理可能是气隙、油隙或其它杂质引起局部放电而产生的； （b）也可能是高场强下，电极电子注入介质，在很大的电流密度下，使介 质气化爆裂而形成的； （c）也可能是由于在交变电场下，麦克斯韦力的反复作用，使介质疲劳开 裂而造成的。
输电线路局部放电特性研究
输电线路局部放电特性研究输电线路是电力系统中的重要组成部分，承担着将发电厂产生的电能从输电站传输到用户终端的重要任务。
然而，长期以来，输电线路存在着局部放电问题，给电力系统的稳定运行带来了一定的隐患。
因此，对输电线路的局部放电特性进行深入研究，有助于提高电力系统的运行可靠性和安全性。
一、定义和原理局部放电是指输电线路中出现的局部异常放电现象，其表现为电子或离子在绝缘材料内部产生的局部击穿放电。
该现象通常与电力设备或电缆中的绝缘损坏相关，例如绝缘老化、湿度透过、异物进入等。
从物理角度来看，局部放电是由电压施加于绝缘系统中时，由于电场的不均匀分布而产生的。
二、局部放电类型和特征1. Corona放电：Corona放电是指由于电压升高，导致电力设备周围空气中产生电离现象。
这种放电现象主要在高压输电线路中出现，当电压超过空气的击穿电压时，空气周围会出现带电颗粒，导致能量散失和电力损耗。
2. 表面放电：表面放电是指在电力设备或绝缘材料表面释放的电荷。
表面放电通常是由绝缘材料的局部损坏引起的，该损坏可以由于机械切割、绝缘材料老化等原因导致。
3. 隙间放电：隙间放电发生在绝缘材料的内部空隙处。
这种放电现象通常由于材料缺陷和过电压引起，放电活动在隙间中产生的电弧形成的形态各异。
三、局部放电的影响局部放电在输电线路中产生的潜在危害有以下几个方面：1. 绝缘材料老化：局部放电会导致绝缘材料的老化，减少其绝缘性能，使得输电线路容易出现绝缘击穿现象。
2. 功率损耗：局部放电会引起电力损耗，降低输电线路的传输效率，增加能源消耗。
3. 火灾隐患：当局部放电发生时，有可能伴随放电弧，当放电弧产生足够的能量时，就有引发火灾的风险。
4. 过电压：局部放电可能引起过电压现象，导致设备损坏或系统崩溃。
四、局部放电检测方法为了及时检测和诊断输电线路中的局部放电现象，采取适当的检测方法非常重要。
以下是常用的几种方法：1. 电磁波法：利用局部放电产生的高频电磁波信号进行检测和定位。
高频脉冲下牵引电机绝缘的局部放电特性
高频脉冲下牵引电机绝缘的局部放电特性摘要：随着我国高速铁路的快速发展，高速机车普遍采用变频调速交流传动系统，而变频调速牵引电机是高速机车的核心技术之一，其安全、可靠性直接影响高速机车的性能。
由于半导体开关器件技术的发展，使得PWM变频调速技术在交流传动领域得到广泛的应用。
关键词：变频牵引电机；绝缘；高频脉冲；聚酰亚胺；局部放电；高频方波脉冲电压下局部放电的测量分析是研究脉冲电压下绝缘失效机理的重要手段。
一、试样和局部放电测量系统1.试样和试验电极。
试样包括普通聚酰亚胺薄膜、国内某厂生产的聚酰亚胺纳米复合薄膜、普通聚酰亚胺薄膜和聚酰亚胺纳米复合薄膜绕制的电磁线。
选用ASTM－2275标准推荐的绝缘薄膜局部放电测试用电极。
对试样＃2的扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析图如图1所示。
从图1中可以看到，聚酰亚胺纳米复合薄膜的表面比较平整均匀。
能谱分析表明，纳米添加物为SiO２。
图1试样＃2的扫描SEM图图2试样＃2的能谱分析图2.局部放电测量系统.高频脉冲方波下的局部放电信号测量系统如图3所示，该系统由高频脉冲电源发生器、试样、脉冲电流传感器（ICS）、示波器、计算机组成，整个测量装置的上限频率为200MHz。
脉冲电流传感器由同轴电缆与示波器相接，并接有一积分电阻R。
采集的信号由GPIB接口与计算机相连。
针对高频陡脉冲方波下局部放电信号弱，频谱宽，干扰强的特点，专门设计了一个高频脉冲电流传感器（ICS），该传感器具有频带宽，响应速度快、动态特性优良等特点。
传感器输出信号由示波器采集，并传送到计算机存储，以便对采集信号做进一步分析处理。
图4为高频脉冲方波下的局部放电测量信号。
利用小波包对信号多层分解、阈值滤波、重构，就可以提取出脉冲方波感应信号和局部放电信号。
由于脉冲电压上升沿和下降沿的统计规律基本一致，因此仅给出上升沿的局部放电统计结果。
以500MHz的采样频率采样20次，对20次数据进行统计，得到平均放电量、放电次数等统计参量。
局部放电partial - discharge
局部放电科技名词定义：中文名称：局部放电英文名称：Partial discharge局放定义：电气设备绝缘中发生的局部、非贯穿行的放电，这种放电一般发生在道题附近高场强区域或绝缘材料中的空气穴中。
当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的这种放电现象，称为局部放电。
所属学科：电力（一级学科）；高电压技术（二级学科）局部放点简介：局部放电现象，主要指的是高压电气设备。
电力设备绝缘在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电。
这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短（路桥）接而不形成导电通道为限。
每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。
这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。
因此，设计高压电力设备绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。
对运行中的设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。
局部放电对电力设备的影响：当绝缘发生局部放电时就会影响绝缘寿命。
每次放电，高能量电子或加速电子的冲击，特别是长期局部放电作用都会引起多种形式的物理效应和化学反应，如带电质点撞击气泡外壁时，就可能打断绝缘的化学键而发生裂解，破坏绝缘的分子结构，造成绝缘劣化，加速绝缘损坏过程。
局部放电的一些特点：1.局部放电是局部过热，电器元件和机械元件老化的预兆；2.局部放电趋势是局放随着时间的上升指数；3.在绝缘结构中产生局部放电时，会伴随产生电脉冲、超声波、电磁辐射、光、化学反应、并引起局部发热等现象；由于局部放电存在以上特点，故电气设备如何避免局部放电、如何去除局部放电，从而使设备正常安全运行就成为电力设备维护人员最多考虑的事情。
为了去除这种潜伏性故障现象，目前针对伴随局部放电而产生的一些电脉冲、超声波、电磁辐射等信号而衍生出很多在线检测局部放电现象的方法。
大型电机定子线棒局部放电特性分析
大型电机定子线棒局部放电特性分析摘要：电机是电力系统中的重要设备之一，在工业生产和日常生活中都有着广泛的应用。
而电机的定子线棒是电机中的重要部件，其质量和可靠性直接影响着整个电机的正常运行。
然而，由于材料的疲劳、绝缘层的老化等原因，定子线棒在运行过程中往往会出现局部放电问题，严重影响了电机的工作效率和安全性。
因此，对于定子线棒的局部放电特性进行分析和研究，有助于了解局部放电的危害以及减少局部放电的方法。
关键词：大型电机定子线棒；局部放电；特性分析一、引言大型电机是工业生产中不可或缺的关键设备之一，而电机的稳定运行对于生产效率和设备寿命至关重要。
在电机的运行中，局部放电是一个重要的问题，它可能导致电机定子线棒的损坏，进而影响电机的性能和寿命。
因此，对大型电机定子线棒的局部放电特性进行深入分析具有重要的工程意义。
二、局部放电的危害局部放电是指在绝缘材料中局部发生的放电现象，它会导致电极材料的局部损伤，进而降低绝缘材料的性能。
局部放电的危害主要包括以下几个方面，绝缘材料损伤：局部放电会造成绝缘材料的局部损伤，降低其绝缘性能，从而增加电机定子线棒的绝缘故障风险。
热效应：局部放电产生的热量会导致绝缘材料的升温，进而加速绝缘老化和热应力，可能导致绝缘材料的老化和脆化。
油污问题：局部放电还会产生气体和气泡，这些气体和气泡会使绝缘油受到污染，降低绝缘油的绝缘性能。
声响和振动：局部放电还会产生声响和振动，这可能引起电机定子线棒的机械损伤。
因此，了解局部放电的特性对于预防电机定子线棒的损坏和延长电机的使用寿命至关重要。
三、不同部位局部放电的特点（一）内部放电内部放电是指发生在定子线棒内部的放电现象。
内部放电的特点如下：放电区域通常位于定子线棒的弯曲处、连接处或附近的辅助设备。
这些区域由于电场分布不均匀，导致电压梯度超过耐受程度，产生放电现象。
内部放电的电压梯度较小，电场强度较弱。
这是因为内部放电通常发生在较小的区域内，电场强度没有足够的时间和空间来积累和升高。
局部放电试验原理
三、放电量与各参数间的关系
一个脉冲真实放电量qr,Ug Ur等参数在实际试品中是不可知的，同时绝缘缺陷各不相同,
故真实放电量是不可以直接测量的。
3规定的局部放电量值：
在规定的电压下，对给定的试品，在规程或规范中规定的局部放电参量的数值。
4局部放电起始电压Ui:
试品两端出现局部放电时，施加在试品两端的电压值。
5局部放电熄灭电压Ui:
试品两端局部放电消失时
的电压值。（理论上比起始电
压低一半，但实际上要低很多
5%-20%甚至更低）
二、局部放电机理：
局部放电试验
第一节局部放电特性及原理
一、局部放电测试目的及意义
局部放电：是指设备绝缘系统中部分被击穿的电气放电，这种放电可以发生在导体 附近，也可发生在其它位置。
局部放电的种类：
1绝缘材料内部放电（固体-空穴；液体-气泡）；
2表面放电；
3高压电极尖端放电。
局部放电的产生：设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷， 重复击穿和熄灭现象-局部放电。
1.校正方法：注入qO=UN.Cq
试品的电容Cx为 已知，Cx两端的 电荷：qO=UN CxCq/Cx+Cq Cq<< Cx所以qO~UN.Cq一般Cq为固定值，调节UN得到不同的qO值。不论采用何种接线， 校准信号 必须从试品两端注入。
直测法。
仪器测得的信号Uf=Ua-Ub
检测阻抗：
测量阻抗Zm测量阻抗是一个四端网络的元件，它可以是电阻R或电感L的单一元件，也
局部放电的定义
1述2分类12局部放电 局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。
局部放电表现为绝缘体中只有局部区域发生的放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，可以发生在导体附近，也可以发生在其他地方。
这种放电的能量是很小，短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度。
但若电气设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。
局部放电可能出现在固体绝缘的空穴中，也可能在液体绝缘的气泡中，也可能出现在不同介电特性的绝缘层间，或金属表面的边缘尖角部位等。
所以局部放电大致可分为内部放电、表面放电及电晕放电。
内部放电 在电气设备的绝缘系统中，各部位的电场强度往往是不相等的，当局部区域的电场强度达到电介质的击穿场强时，该区域就会出现放电，但这种放电并没有贯穿施加电压的两导体之间，即整个绝缘系统并没有击穿，仍然保持绝缘性能，发生在绝缘体内的称为内部局部放电。
表面放电 如在电场中介质有一平行于表面的场强分量，当其这个分量达到击穿场强时，则可能出现表面放电。
这种情况可能出现在套管法兰处、电缆终端部，也可能出现在导体和介质弯角表面处，表面局部放电的波形与电极的形状有关，如电极为不对称时，则正负半周的局部放电幅值是不等的。
33产生和危害4统的测量方法12电晕放电 电晕放电是在电场极不均匀的情况下，导体表面附近的电场强度达到气体的击穿场强时所发生的放电。
在高压电极边缘，尖端周围可能由于电场集中造成电晕放电。
电晕放电在负极性时较易发生，也即在交流时它们可能仅出现在负半周。
电晕放电是一种自持放电形式，发生电晕时，电极附近出现大量空间电荷，在电极附近形成流注放电。
在绝缘介质中，由于在制造或使用过程中会残留一些气泡或其他杂质，于是在绝缘体内部或表面就会出现某些区域的电场强度高于平均电场强度，而某些区域的电场强度低于平均电场强度，因此在某些区域就会首先发生放电，而其他区域仍然保持绝缘的特性。
局部放电特征及原理.
局部放电特征及原理一、局部放电的特征局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电,它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷, 在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。
它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或金属表面的边缘及尖角部位场强集中引起局部击穿放电等。
这种放电的能量是很小的, 所以它的短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度。
但若电气设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电, 这些微弱的放电将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大,最后导致整个绝缘击穿。
局部放电是一种复杂的物理过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外,还会产生电磁辐射、超声波、光、热以及新的生成物等。
从电性方面分析,产生放电时,在放电处有电荷交换、有电磁波辐射、有能量损耗。
最明显的是反映到试品施加电压的两端, 有微弱的脉冲电压出现。
如果绝缘中存在有气泡, 当工频高压施加于绝缘体的两端时, 如果气泡上承受的电压没有达到气泡的击穿电压, 则气泡上的电压就随外加电压的变化而变化。
若外加电压足够高, 即上升到气泡的击穿电压时, 气泡发生放电, 放电过程使大量中性气体分子电离, 变成正离子和电子或负离子, 形成了大量的空间电荷, 这些空间电荷, 在外加电场作用下迁移到气泡壁上, 形成了与外加电场方向相反的内部电压, 这时气泡上剩余电压应是两者叠加的结果, 当气泡上的实际电压小于气泡的击穿电压时, 于是气泡的放电暂停, 气泡上的电压又随外加电压的上升而上升, 直到重新到达其击穿电压时, 又出现第二次放电, 如此出现多次放电。
当试品中的气隙放电时,相当于试品失去电荷 q ,并使其端电压突然下降△U ,这个一般只有微伏级的电源脉冲叠加在千伏级的外施电压上。
所有局部放电测试设备的工作原理,就是将这种电压脉冲检测出来。
其中电荷 q 称为视在放电量。
二、局部放电的机理1.局部放电的发生机理局部放电的发生机理可以用放电间隙和电容组合的电气的等值回路来代替, 在电极之间放有绝缘物, 对它施加交流电压时, 在电极之间局部出现的放电现象, 可以看成是在导体之间串联放置着 2个以上的电容, 其中一个发生了火花放电。
局部放电特征及原理.
局部放电特征及原理一、局部放电的特征局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电,它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷,在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。
它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或金属表面的边缘及尖角部位场强集中引起局部击穿放电等。
这种放电的能量是很小的,所以它的短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度。
但若电气设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电,这些微弱的放电将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大,最后导致整个绝缘击穿。
局部放电是一种复杂的物理过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外,还会产生电磁辐射、超声波、光、热以及新的生成物等。
从电性方面分析,产生放电时,在放电处有电荷交换、有电磁波辐射、有能量损耗。
最明显的是反映到试品施加电压的两端,有微弱的脉冲电压出现。
如果绝缘中存在有气泡,当工频高压施加于绝缘体的两端时,如果气泡上承受的电压没有达到气泡的击穿电压,则气泡上的电压就随外加电压的变化而变化。
若外加电压足够高,即上升到气泡的击穿电压时,气泡发生放电,放电过程使大量中性气体分子电离,变成正离子和电子或负离子,形成了大量的空间电荷,这些空间电荷,在外加电场作用下迁移到气泡壁上,形成了与外加电场方向相反的内部电压,这时气泡上剩余电压应是两者叠加的结果,当气泡上的实际电压小于气泡的击穿电压时,于是气泡的放电暂停,气泡上的电压又随外加电压的上升而上升,直到重新到达其击穿电压时,又出现第二次放电,如此出现多次放电。
当试品中的气隙放电时,相当于试品失去电荷q，并使其端电压突然下降■U,这个一般只有微伏级的电源脉冲叠加在千伏级的外施电压上。
所有局部放电测试设备的工作原理,就是将这种电压脉冲检测出来。
其中电荷q称为视在放电量。
二、局部放电的机理1.局部放电的发生机理局部放电的发生机理可以用放电间隙和电容组合的电气的等值回路来代替，在电极之间放有绝缘物,对它施加交流电压时,在电极之间局部出现的放电现象,可以看成是在导体之间串联放置着2个以上的电容，其中一个发生了火花放电。
低频电压下XLPE电树枝生长及局部放电特性
低频电压下XLPE电树枝生长及局部放电特性刘云鹏1，2，尹子澳1，刘贺晨1，2，林浩凡3，刘黎3，赵家莹1（1.华北电力大学河北省绿色高效电工新材料与设备重点试验室，河北保定071003；2.华北电力大学新能源电力系统国家重点试验室，北京102206；3.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，浙江杭州310007）摘要：低频电缆作为柔性低频交流输电系统中的关键设备，其绝缘介质在低频电压下的特性对电缆的设计和运行具有重要意义。
为了研究低频电压下交联聚乙烯（XLPE）电树枝的生长及局部放电特性，设计并搭建了不同频率下电树枝生长实时观测和局部放电同步测量系统，探究了XLPE试样分别在20、30、40、50 Hz频率下电树枝的引发、生长及局部放电特性。
结果表明：电压频率对XLPE电树枝生长及局部放电特性的影响有明显规律性。
在20～50 Hz范围内，随着频率的降低，XLPE的起树电压略有升高，但电树枝生长速度加快，损伤面积增加，局部放电量和放电次数增大，放电相位分布基本不变。
关键词：交联聚乙烯；电树枝；局部放电；柔性低频输电中图分类号：TM215；TM853 DOI:10.16790/ki.1009-9239.im.2024.04.010Propagation and partial discharge characteristics of electrical tree in XLPE cable insulation under low-frequency AC voltageLIU Yunpeng1,2, YIN Ziao1, LIU Hechen1,2, LIN Haofan3, LIU Li3, ZHAO Jiaying1(1. Hebei Key Laboratory of Green and Efficient New Electrical Materials and Equipment, North ChinaElectric Power University, Baoding 071003, China; 2. State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;3. State Gird Zhejiang Electric Power Research Institute, Hangzhou 310017, China)Abstract: Low-frequency cable is a key equipment in the flexible low-frequency AC transmission system, and the characteristics of insulation medium under low-frequency voltage are of great significance to the design and operation of cable. In order to study the growth and partial discharge characteristics of electrical tree in cross-linked polyethylene under low-frequency voltage, a real-time observation system for electrical tree growth at different frequencies and a synchronous measurement system for partial discharge were designed and constructed. The initiation, growth, and partial discharge characteristics of electrical tree in XLPE samples were investigated at four frequencies of 20, 30, 40, and 50 Hz. The results show that the influence of voltage frequency on the growth and partial discharge characteristics of electrical tree in XLPE has obvious rules. In the range of 20−50 Hz, with the decrease of voltage frequency, the tree starting voltage of XLPE increases slightly, but the growth rate of electrical tree is accelerated, the damage area increases, the amount and number of partial discharge increase, and the partial discharge phase is basically unchanged.Key words: cross-linked polyethylene; electrical tree; partial discharge; flexible low-frequency AC transmission0 引言柔性低频交流输电技术是一种基于电压源型换流器的新型交流输电技术，其兼顾了工频输电与直流输电的优点，是交、直流输电技术的有益补充，对海上风电送出、海岛互联、城市电网的发展等具有重要意义[1-2]。
局部放电partial - discharge
局部放电科技名词定义：中文名称：局部放电英文名称：Partial discharge局放定义：电气设备绝缘中发生的局部、非贯穿行的放电，这种放电一般发生在道题附近高场强区域或绝缘材料中的空气穴中。
当外加电压在电气设备中产生的场强，足以使绝缘部分区域发生放电，但在放电区域内未形成固定放电通道的这种放电现象，称为局部放电。
所属学科：电力（一级学科）；高电压技术（二级学科）局部放点简介：局部放电现象，主要指的是高压电气设备。
电力设备绝缘在足够强的电场作用下局部范围内发生的放电。
这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短（路桥）接而不形成导电通道为限。
每一次局部放电对绝缘介质都会有一些影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。
这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。
因此，设计高压电力设备绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。
对运行中的设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。
局部放电对电力设备的影响：当绝缘发生局部放电时就会影响绝缘寿命。
每次放电，高能量电子或加速电子的冲击，特别是长期局部放电作用都会引起多种形式的物理效应和化学反应，如带电质点撞击气泡外壁时，就可能打断绝缘的化学键而发生裂解，破坏绝缘的分子结构，造成绝缘劣化，加速绝缘损坏过程。
局部放电的一些特点：1.局部放电是局部过热，电器元件和机械元件老化的预兆；2.局部放电趋势是局放随着时间的上升指数；3.在绝缘结构中产生局部放电时，会伴随产生电脉冲、超声波、电磁辐射、光、化学反应、并引起局部发热等现象；由于局部放电存在以上特点，故电气设备如何避免局部放电、如何去除局部放电，从而使设备正常安全运行就成为电力设备维护人员最多考虑的事情。
为了去除这种潜伏性故障现象，目前针对伴随局部放电而产生的一些电脉冲、超声波、电磁辐射等信号而衍生出很多在线检测局部放电现象的方法。
局部放电特征及原理
局部放电特征及原理一、局部放电的特征局部放电是指发生在电极之间但并未贯穿电极的放电，它是由于设备绝缘内部存在弱点或生产过程中造成的缺陷，在高电场强度作用下发生重复击穿和熄灭的现象。
它表现为绝缘内气体的击穿、小范围内固体或液体介质的局部击穿或金属表面的边缘及尖角部位场强集中引起局部击穿放电等。
这种放电的能量是很小的，所以它的短时存在并不影响到电气设备的绝缘强度。
但若电气设备绝缘在运行电压下不断出现局部放电，这些微弱的放电将产生累积效应会使绝缘的介电性能逐渐劣化并使局部缺陷扩大，最后导致整个绝缘击穿。
局部放电是一种复杂的物理过程除了伴随着电荷的转移和电能的损耗之外，还会产生电磁辐射、超声波、光、热以及新的生成物等。
从电性方面分析，产生放电时，在放电处有电荷交换、有电磁波辐射、有能量损耗。
最明显的是反映到试品施加电压的两端，有微弱的脉冲电压出现。
如果绝缘中存在有气泡，当工频高压施加于绝缘体的两端时，如果气泡上承受的电压没有达到气泡的击穿电压，则气泡上的电压就随外加电压的变化而变化。
若外加电压足够高，即上升到气泡的击穿电压时，气泡发生放电，放电过程使大量中性气体分子电离，变成正离子和电子或负离子，形成了大量的空间电荷，这些空间电荷，在外加电场作用下迁移到气泡壁上，形成了与外加电场方向相反的内部电压，这时气泡上剩余电压应是两者叠加的结果，当气泡上的实际电压小于气泡的击穿电压时，于是气泡的放电暂停，气泡上的电压又随外加电压的上升而上升，直到重新到达其击穿电压时，又出现第二次放电，如此出现多次放电。
当试品中的气隙放电时，相当于试品失去电荷q，并使其端电压突然下降△U，这个一般只有微伏级的电源脉冲叠加在千伏级的外施电压上。
所有局部放电测试设备的工作原理，就是将这种电压脉冲检测出来。
其中电荷q称为视在放电量。
二、局部放电的机理1．局部放电的发生机理局部放电的发生机理可以用放电间隙和电容组合的电气的等值回路来代替，在电极之间放有绝缘物，对它施加交流电压时，在电极之间局部出现的放电现象，可以看成是在导体之间串联放置着2个以上的电容，其中一个发生了火花放电。
局部放电的定义
局部放电的定义局部放电（简称局放）是指仅使导体间的部分绝缘发生的放电现象，发生的位置距离导体可能很近，也有可能不是在导体的附近。
造成局部放电的原因一般是绝缘体内部或表面的场强畸变，通常局部放电波形是持续时间小于1μs的高频脉冲。
电晕放电是局部放电的一种，它是在导体附近的介质中发生的。
并不是所有的局部放电都是电晕放电，局部放电还有其它表现形式。
局部放电经常发生在固体的孔隙或者液体介质的气泡中，或者由于高压电气设备的气体介质、液体介质或固体介质中有尖的突起导致空间电场严重畸变。
如果局部场强超过放电起始电压，而且存在自由电子，则会发生电子崩。
可能由于空腔壁的壁全效应，或者由于在气体介质或液体介质中传播时的空间电荷效应，这样的电子崩止于局部放电。
局部放电的过程是有局限的，而且具有暂态的性质，在时空特性上具有微秒级或更短的时间持续。
虽然局部放电持续时间很短，但是局部放电的高能带电粒子与直接在导体附近的固体介质或液体介质相互影响，最终可能导致分子的化学键断裂、化学性质发生变化，烧烛绝缘材料。
重要的是，我们检测得到的并不是真正的局部放电，它是局部放电在靠近导体或终端产生的电荷，或者甚至从更为复杂的角度，波从诱导电荷传播到局部放电检测器。
在频率更高时，分立元件这个概念并不一定总能有效的，而实际上分析这类问题时更多的采用偶极子模型或波激励的概念。
长时间作用下，高能带电粒子与直接在导体附近的固体介质或液体介质相互影响可能会导致全部绝缘的介电性能而受到破坏，假如局部放电是连续发生的，则这种破坏将具有累积效应，这种破坏实际上就是一种绝缘运行老化。
虽然造成绝缘老化的过程还有其它原因，但局部放电是引起介质绝缘老化的一个。
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第2章 局部放电基本特性2.1 局部放电的机理2.1.1 气隙放电等值电路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1.1(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l.1(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b bc c Y U Y U = （2.1）式中c U 、bU 分别气隙和介质上的电压, Y c 、 Y b 分别为气隙和介质的等效电导 。
工频电场中若c γ和b γ均小于10－11(Ω·m)-1，则气隙和b 部分绝缘上的电压的数值关系可简化为)()()(2222δεδεωωωγωγ-==++==d C C C C U U u u c b c b c c b b bc b c （2.2） 式中c ε、b ε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cb b C bcd u u E E εεδδ=-=)( （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c b εε倍。
通常情况下1=c ε，而1>b ε，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介质的击穿场强低，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，δ－气隙厚度 d －整个介质的厚度 R c 、C c －气泡的电阻和电容R b 、C b －与气泡串联部分介质的电阻和电容 R a 、C a 一其余部分介质的电阻和电容图2.1 含有单气隙的绝缘介质，（a ）绝缘介质中的气隙，（b ）放电等效电路（a ）（b ）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。
2.1.2 放电过程在气隙发生放电时，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(a)u m u 3 u 2 u 1u s-u s -u ru r 图2.2 放电过程示意图（a ）绝缘介质内气隙放电空间电荷分布（b ）外部电压u 、空间电荷q 、气隙电压u c 的时间变化图内外E E E c -= (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∆U 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∆u 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∆u 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-2∆u 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-n ∆u 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=n ∆u 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⎢u 外-n ∆u c ⎢=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⎢u 外-n ∆u c ⎢<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⎢-u 外-(n-1)∆u c ⎢=U CB 时，气隙又发生放电，放电后气隙上的电压为⎢-u 外-(n-2)∆u c ⎢<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n ∆u c 。
随着电压回升，在一段时间内⎢u 外+n ∆u c ⎢<U CB 不会出现放电，直到⎢u 外+n ∆u c ⎢=U CB 时气隙又发生放电。
放电后气隙上的电压为⎢u 外+(n-1)∆u c ⎢<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。
2.2 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 。
)/(b a b a c r c C C C C C q u ++=∆ （2.5） 通常气隙总是很小的，且C a >>C b ，因此上式可写作 b c r c C C q u +=∆ (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。
通常有以下表征局部放电的参数。
一、视在放电电荷视在放电电荷是指产生局部放电时，一次放电在试样两端出现的瞬变电荷。
根据图2.1(b)所示的等效电路，并考虑到介质电阻R a 、R b 以及气隙电阻R c 都很大，而局部放电的放电时间又极短，可以假定在放电过程中，一方面电源来不及供给补充电荷，另一方面各个电容上的电荷也没有泄漏掉。
因此当气隙放电而造成C c 上电压下降Δu c 时，各电容上的电荷重新分配，因此C a 上的电压也下降了Δu a ，且ab c a b b ca C C u C C C u u ∆≈+∆=∆ (2.7) 这时C a 上的电荷变化为 a abc b c a a a C u C C C C C u q ∆≈++∆=)]/([ (2.8)将(2.7)代入上式可得c b a U C q ∆= (2.8)将(2.6)代入上式得bc b r a C C C q q += (2.9) 其中q a 就是视在放电电荷，(2.9)表明了视在放电电荷与实际放电电荷的关系，可以看到：（1）通常气隙是很薄的，即C c >>C b ，因此q a 往往比q r 小得多；（2）应当注意，真正代表放电大小的是q r ，只有在C b /(C b +C C )相同时才能通过q a 的大小来比较实际放电的大小；（3）两个视在放电量q a 相同的产品，如果C b /(C b +C C )差别很大，则q a 的差别也很大，因此，对材料的破坏作用也就可能大不相同。
这点在局部放电的实际测试中要做具体分析。
二、放电重复率放电重复率是指单位时间内局部放电的平均脉冲个数。
通常以每秒放电次数来表示。
从图2.2可以看出，假定气隙中每次放电后残留的电压u r 可以忽略，则在外施电压的1/4周期内放电的次数约为cb b B m B cm C C Cc U u c U u n +⋅== （2.10） 式中u cm 为气隙中不放电时电压的峰值。
如果外施电压的频率为f ，则一秒钟内放电次数为 c b b B m C C C c U u ffn N +⋅==44 （2.11） 在气隙中的放电次数与反映到试样两端电压脉冲的次数是完全相等的，但要注意的是实际测量中脉冲计数器需要大于一定电平的信号才能触发计数，因此，测得的放电次数只是放电量大于一定值或在一定范围的放电次数。
三、放电的能量放电能量是指在一次放电中所消耗的能量。
单位用焦耳表示(J)。
假定在气隙中发生放电时，气隙上的电压从U CB 下降到零，即Δu c =U CB 。
则在这一次放电中消耗的能量为22)(21)]/([2121c b c c b a b a c c r u C C u C C C C C u q W ∆+≈∆++=∆=∆ （2.12） 设当气隙上的电压达到U CB 时，施加在试样两端的电压峰值为u im （即起始放电电压的峰值），则bc b imCB c C C C u U u +==∆ （2.13） 将上式代入式（2.12）得 a im c b im q u u C u W 2121=∆=∆ （2.14） 上式表明放电能量为视在放电电荷与起始放电电压（峰值)乘积的一半。
同时也是实际放电电荷和气隙的击穿电压乘积的一半。
四、放电的平均电流平均电流是指在一定时间间隔T 内视在放电电荷绝对值的总和除以时间间隔T 。
][121am a a q q q TI +++= （2.15） 当q a 单位为库仑（C ）、T 单位为秒（s ）时，放电的平均电流I 为安培（A ）。
五、放电的均方率均方率是指在一定时间间隔T 内视在放电电荷的平方之和除以时间间隔T 。
][122221am a a q q q TD +++= （2.16） 当q a 单位为库仑（C ）、T 单位为秒（s ）时，均方率D 的单位为C 2/s 。