階躍電壓下氣隙的放電時延分布

階躍電壓下氣隙的放電時延分布

1局部放電模式局部放電檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于高壓機的絕緣故障診斷，其中放電識別是絕緣診斷的重要組成部分。近年來人工智能技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于模式識別來提高故障診斷的正確度和自動化程度。然而,由于放電模式的物理模型尚未完全建立,人工智能診斷方法并沒有得到令人滿意的結(jié)果。局部放電模式可以顯示外施電壓相位與放電參數(shù)(例如放電幅值和放電頻率等)之間的關(guān)系。對高電壓設(shè)備進行測試得到的放電模式數(shù)據(jù),同累積放電模式數(shù)據(jù)進行比較,可以獲得被測設(shè)備的老化和缺陷等信息,從而進一步對設(shè)備絕緣進行診斷。放電時延是一個非常重要的局部放電參數(shù),它是指試樣施加電壓的時間與放電產(chǎn)生時間之間的時間差。Nagata等學者用一個包含玻璃板的樣品進行實驗,并報道說當試樣電壓增加為起始放電電壓的兩倍時,放電時延減小為1/3。Sawa等學者使用金屬-金屬電極系統(tǒng)進行實驗,并統(tǒng)計分析了放電時延,實驗結(jié)果顯示當放電發(fā)展至放電電阻較小的電弧區(qū)域時,放電時延將大大地偏離指數(shù)分布。當放電空間與絕緣接觸時,放電時延的統(tǒng)計分布并不清楚,然而這種情況對于研究交流電壓下氣隙的局部放電模式非常重要。本文以放電時延的統(tǒng)計分布為基礎(chǔ),研究了放電時延的影響因素和統(tǒng)計規(guī)律。2局部放電測量本文所用試樣采用如圖1所示的CIGRE-Ⅱ型電極系統(tǒng)。氣隙的一邊同金屬電極接觸,另一邊同絕緣接觸。絕緣是1mm厚的丙烯酸樹脂板。圖1中的氣隙上壁使用兩種絕緣。一種是銅粉和環(huán)氧樹脂混合涂覆在丙烯酸樹脂板的表面作為導電雜質(zhì),銅粉晶粒直徑為0.03mm,另一種絕緣沒有涂導電雜質(zhì)。前一種試樣命名為“含雜試樣”,后一種命名為“不含雜試樣”。局部放電測量電路如圖2所示。流過試樣的放電電流經(jīng)CR電路積分然后通過數(shù)字示波器的峰值檢測功能轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。施加方波的周期為20ms,頻率等效于50Hz,脈寬為8.3ms,脈沖的上升沿小于4μs。放電脈沖和方波上升沿之間的放電時延如圖3所示。施加64個方波的測量結(jié)果用來統(tǒng)計分析同一電壓下的放電時延。電壓的極性按照圖1中上電極的電壓來定義,與施加于氣隙絕緣邊的電壓極性相同。本文所有實驗均在室溫下進行。3laue與特征時延圖4顯示了不同電壓時放電時延與放電累積概率(施加電壓后的t時間內(nèi),放電發(fā)生的概率)的關(guān)系。施加在氣隙上的電壓由氣隙和絕緣的電阻和電容決定。由于絕緣的直流電阻很大,所以氣隙電壓的直流分量可以忽略不計。從圖4可以看到當電壓上升時,時延分布曲線向短時間方向移動。在對數(shù)坐標圖中,“含雜試樣”的時延小于“不含雜試樣”的時延。在相同的電壓下,“不含雜試樣”的負極性時延大于正極性時延。然而,“含雜試樣”的放電時延受電壓極性影響并不明顯。Laue理論可以用來解釋放電時延的統(tǒng)計分布規(guī)律。假設(shè)觸發(fā)放電的初始電子以相同的速率出現(xiàn),施加階躍電壓之后到t時刻不發(fā)生放電的概率可以用下式表達:R=exp(?t/τ)(1)R=exp(-t/τ)(1)式(1)中,R是不發(fā)生放電的概率,τ是特征時延常數(shù)。用LogR作為縱軸,t作為橫軸得到的圖形即為Laue圖。圖4的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到Laue圖如圖5所示。排除電壓非常低和放電時延非常長的情況,相同電壓下的Laue圖大致是一條直線。所以特征時延常數(shù)τ可以由(1)式求得。Sawa等人測量了金屬電極之間的短氣隙放電時延。據(jù)他們報道,一個大的電阻插入到放電電路中,將引起輝光放電。放電時延的統(tǒng)計學分布滿足Laue理論。然而,小的電阻將引起電弧放電,并且放電時延嚴重偏離Laue理論。因為在相同的電極上連續(xù)觸發(fā)放電,所以電弧放電將改變電極的表面狀態(tài),導致放電時延偏離Laue理論。當放電發(fā)生在與絕緣接觸的氣隙內(nèi)時,非常大的絕緣電阻將限制放電電流,不會改變電極的表面狀態(tài),放電對表面的損害非常微弱,所以本文所用試樣的放電時延服從Laue理論。圖6表示電壓與特征時延τ的關(guān)系。從圖6可以看到特征放電時延與電壓有很好的相關(guān)性,服從反冪關(guān)系:τ=τ0V?n(2)τ=τ0V-n(2)式(2)中,τ0為一常數(shù),n值與電壓極性和樣品結(jié)構(gòu)有關(guān)。對于本文選用的試品,氣隙的上部是金屬,下部是絕緣,當絕緣表面沒有涂覆導電性物質(zhì)時,正極性放電時延短于負極性放電時延,這是由于金屬電極很容易提供初始放電電子;對于涂覆導電物質(zhì)的樣品,負極性的放電時延短于正極性的放電時延。這是因為在氣隙兩邊都與金屬接觸時,導電物質(zhì)使絕緣表面變得粗糙,粗糙的表面能夠加強電場,導致負極性的放電更容易發(fā)生。比較圖6(a)和圖6(b),可以看到“含雜試樣”的n值大于“不含雜試樣”,這意味著“含雜試樣”的放電時延比“不含雜試樣”對外施電壓更為敏感。在交流電壓下,“含雜試樣”的起始放電相位角估計會小于“不含雜試樣”。雖然施加階躍電壓后的第一個放電脈沖可以得到放電時延參數(shù),然而交流電壓下的大多數(shù)局部放電在半個工頻周期內(nèi)的放電次數(shù)超過兩次。第一次放電將會激活氣隙空間,使以后的放電更容易發(fā)生,所以第一次放電之后的放電幅值和時延都會相應(yīng)地減小。當然,描述第二次及以后放電的參數(shù)也不同于第一次放電。在以后的研究中,作者將就交流電壓下的放電時延進行進一步研究。4“不含雜試樣”放電特征時