计算机论文-气隙局部放电的计算机模拟.pdf

·1284· 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 气隙局部放电的计算机模拟 3李军浩 司文荣 姚 秀 李彦明 西安交通大学电气工程学院 陕西 西安 710049 【摘 要】 局部放电的机理研究是其检测、监测及危险评估的基础，本文从空间电荷的角度对局部放电进行了分析，在对其物理过程进行分析的基础上进行了计算机数值模拟，模拟结果同试验结果是一致的利用该模型可以解释局部放电发展过程中缺陷处介质状态和气体状态对局部放电谱图的影响，同时，利用该模型，还可以进行不同电源频率下局部放电谱图的分析与研究 【关键词】 局部放电 计算机模拟 Computer simulation of partial discharge in void Li Junhao Si Wenrong Yaoxiu Li yanming School of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shanxi，China Abstract：：The mechanism of partial discharge is the basic of PD detection，monitor and risk assessment. A PD computer simulation model which is based on a physical discharge model is created in this paper. The simulation results are conforming to the experiment results. The influence of dielectric surface and gas state of cavity to PD pattern can be interpreted using this model. The effect of supply voltage frequency to PD pattern also can be explanation by this model. Key words：：partial discharge，computer simulation 1 引 言 局部放电是指绝缘结构中由于电场分布不均匀，局部电场过高而导致的绝缘介质中局部范围内的放电或击穿现象。

它可能产生在固体绝缘孔隙中、液体绝缘气泡中或不同绝缘介质的交界面上[1]绝缘介质中发生的局部放电与绝缘材料的劣化和击穿过程密切相关，是绝缘劣化的主要原因和早期征兆，它能有效地反映变压器内部绝缘的故障，尤其对突发性故障的早期发现比介质损耗测量、油中气体含量分析等方法要有效得多[2]绝缘介质中的局部放电包含了丰富的绝缘状况信息，对局部放电进行检测不仅能反映变压器绝缘的绝缘状态，检测到许多制造与安装中的缺陷，而且还可能检测出绝缘故障的发生及严重程度，在事故的早期阶段提出预警，以便有计划地安排维修，减少设备的损坏，避免由于事故带来巨大的直接或间接损失[3]因此，国内外无论是研究机构、制造厂商，还是电力系统运行部门，都愈来愈关心局部放电检测技术的发展，并把局部放电作为质量监控的重要指标[4]特别是随着我国电力系统正朝着特高压、大容量的方向发展，使得电力变压器等设备的绝缘系统承受的工作者简介：李军浩（1980—） ，男，博士研究生，研究方向为电力设备故障诊断与状态评估技术13891950219 E-mail：hvljh@ 通信作者：李彦明（1946—） ，男，硕士，教授，博士生导师，长期从事电力设备故障诊断、状态评估技术的研究与教学。

高电压与绝缘技术 ·1285· 作场强愈来愈高，绝缘介质的局部放电问题也越来越突出 对局部放电的发生机理进行研究，是对局部放电进行有效快速检测、检测和危险评估的基础计算机模拟已经成为继机理分析、试验研究之后的又一科学研究方法在仔细研究局部放电发展的基础上，以局部放电的物理过程为基础建立模型，进行局部放电的计算机模拟，是进行局部放电研究和分析的有效方法 固体绝缘内气隙放电是一种典型的局部放电，其发生机理和发展过程中空间电荷的变化文献[5]均有描述，本文对环氧绝缘内部气隙缺陷模型进行了实验室试验，试验线路及试品结构如图1所示 H.V局部检测 仪100pF试品变压器油腔体环氧板气隙电极图 1 试验系统 图 2 试品结构 Fig.1 Test system Fig.2 Structure of specimen 将整个试品放入变压器油中以防止沿面闪络，局放仪采用PDChecker System，可以记录发生局部放电时的放电谱图 以局部放电发展过程中的物理过程为基础对次模型进行了计算机模拟[5]。

2 计算机模拟 2.1 放电初始条件 采用基于放电物理过程的单个气隙放电模型，进行数值计算来进行计算机模拟根据试验条件，缺陷的几何尺寸可确定，即缺陷高度1 mma=，缺陷半径0.5 mmb=，介质厚度3 mmD= 在气隙内发生一次局部放电，必须满足如下条件： （1）存在初始电子触发产生放电； （2）气隙内的场强要足够高，足以维持放电所需要的电子崩初始电子可以由光辐射（光电离）等外界因素产生，也可能由之前放电沉积在气隙壁的空间电荷脱陷产生，具有随机性，即局部放电的随机性由初始电子产生的随机性决定；条件2则由缺陷的尺寸结构和外加电场所决定 初始电子的出现概率由如下公式给出 01( )( )h thh t=+ 式中 0h —— 气体光电离因素导致自由电子产生的概率； 1( )h t —— t 时刻由于之前放电产生的气隙壁沉积电荷脱陷引起的自由电子的概率，其产生概率遵从表面电子热发射的Richardson-Schottky公式 3 0 10( ) /(4)( )( )expSCq E th tNtKTψπεν⎡⎤−⎢⎥=−⎢⎥⎣⎦式中 ( )SCNt—— t时刻可脱陷的缺陷气隙壁的空间电荷数，与t时刻气隙缺陷内全部空间电荷成正比关系； ψ—— 脱陷功函数； q—— 电荷电量； ·1286· 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 0ν—— 基本光电频率； K—— 波尔兹曼常数； T—— 缺陷内温度； ( )E t—— t时刻缺陷气隙内的总电场强度。

针对条件2，缺陷气隙内的临界击穿场强根据文献[8]可由如下公式给出： ()(/)1 2strcrnBEE pp pa⎡⎤ =+⎢⎥ ⎢⎥⎣⎦在气体为空气的条件下，111/21/2(/)25.2,1/2,8.6crE pVPa mnBmPa−−===，根据缺陷的结构尺寸，可以确定缺陷气隙的临界击穿电压 2.2 2 个时间常数 设( )N t是t时刻前一次放电产生的空间电荷总数，而且会随着时间的推进不断因为空间扩散/复合、表面流逝等作用而慢慢衰减，其衰减服从指数规律： 211( )( )exp()tN tN tτ∆=− 21ttt∆ =− t∆是两次放电之间的时间间隔，1τ为空间电荷衰减时间常数 此外，沉积到气隙壁的空间电荷会逐渐入陷到介质内，随着时间的增加入陷深度会越来越深，直 接表现为脱陷功函数ψ的增加，则其变化可表达为： 2( )(1 exp[/])ttψψψτ=+∆−−∆ 2τ表征了由于入陷电荷导致的功函数的增加速度，2τ越小，则增加速度越快，2τ越大，则增加速度越慢这里0.2 eVψ∆= 2.3 介质表面电导率的影响 介质的表面电导率会使放电产生的空间电荷在介质表面流失加速，由此导致由空间电荷引起的空间电场发生变化，空间电荷变化遵从如下公式： ()22sdqk E adtπ= − 式中 sk—— 表面电导率； E2a—— t时刻的气隙内的电场差。

2.4 放电量及残压 气隙内放电产生的真实放电量q由气隙内的放电前后的电场差E∆决定，可由下式确定： ()2 01( / ) 1rqbK a bEε πε±=+−∆⎡⎤⎣⎦式中 0ε—— 真空中的介电常数； rε—— 介质的相对介电常数，( / )K a b是与缺陷几何尺寸相关的无量纲函数 ~1/1 3/1 ~ 4 /1/10a b Ka b a ba b−−−−−−−−<<⎧ ⎪= =−−−−−−−−=⎨ ⎪−−−−−− <<⎩高电压与绝缘技术 ·1287· 视在放电量q′可表示为 2 041π( / )3rqabK a bEDε ε′ =∆ 放电之后气隙内的残余电压为 (/)reschcrcrEEEE Ppγγ=== 0.35γ= 2.5 模拟过程 模拟方法采用蒙特-卡罗模拟方法，模拟过程为： （1）确定表面功函数ψ； （2）确定两个时间常数12, ττ； （3）确定介质表面电导率sk； （4）确定缺陷气隙内气压P； （5）根据以上条件计算[ , ]t tt+∆时间段内的初始电子产生率，( )h t； （6）在[0～1]内产生随机数u； （7）如果( )uh t<且气隙内场强高于临界击穿场强，则发生一次放电，计算放电量，更新气隙内的电荷状态。

（8）如不满足步骤（7）的两个条件，则返回步骤（5）继续 3 模拟结果 图3，图4为在17.5 kV下的计算机模拟结果和试验结果 090180270360 相位q/pC0180360 相位0500-500250-250q/pC图 3 计算机模拟结果 图 4 试验结果 Fig.3 result of computer simulation Fig.4 result of experiment 固体绝缘内气隙放电的一个重要特征是具有类似“兔耳朵”的放电谱图，从图3及图4可以看出，其PRPD谱图基本类似，都出现了“兔耳朵”谱图，说明了计算机模拟是正确可行的 4 模型应用 在电力设备的高压试验中，电源频率已不仅仅局限于50 Hz交流系统，越来越多的电力设备开始使用不同频率的电源进行试验当试品的电容值很大时，为了消除试品残余电荷的影响，多采用超低频率电源系统，如高压电力电缆的高压试验目前多采用0.1 Hz超低频率电源而当试品的电感值很大·1288· 2008 全国博士生学术论坛电气工程论文集 时，如变压器绕组试验，则多采用150～400 Hz的高频电源进行试验。

那么不同频率下设备的局部放电表现差异就可以通过计算机模拟进行分析利用本文提到的模型，将电源频率设为0.1 Hz，20 Hz，50 Hz及200 Hz进行模拟，其结果如图5所示 090180270360 相位q/pC090180270360 相位q/pC0.1 Hz 20 Hz 090180270360 相位q/pC090180270360 相位q/pC50 Hz 300 Hz 图 5 不同电源频率下的计算机模拟 PRPD 谱图 Fig.5 computer simulation results in different supply frequencies 从图5可以看出，在0.1 Hz超低频率下，气隙内显示不出记忆效应，所以其谱图没有“兔耳” 在20 Hz、50 Hz下均表现出“兔耳”状谱图，而在300 Hz时，由于电源转换太快，致使放电谱图呈现“直线”状对比试验测量谱图[6]，可以看出，模拟的谱图同试验所得是一致的 图 6 不同电源频率下的试验 PRPD 谱图 Fig.6 experimental results in different supp。