高壓放電

因物體之間的壓差大而造成的高壓釋放現象。

高壓放電是造成電力設備絕緣惡化的主要原因，根據統計，目前在所有電力系統的事故中，絕緣事故佔第二位，事故影響範圍廣，停電時間長、經濟損失巨大，直接威脅着電力系統的安全穩定運行。因此，對電力設備放電進行檢測有着非常重要的現實意義。傳統的檢測設備放電的方法一般都用電測法，電測法存在着容易受到工作現場強電磁干擾影響，靈敏度不高的問題。 ^[1] 

一塊平整光滑的玻璃板懸置在空中，玻璃板兩面中央各有一個圓形小電極，一極接高壓，另一極接地。當電壓升到2至3萬伏時，圓形電極附近出現藍色光暈。當電壓繼續升高到5至6萬伏時，藍光隨之增強。當電壓升高到7至8萬伏時，玻璃板表面出現大範圍樹枝狀的放電條紋。當電壓升到10萬伏時，高壓電流從平面玻璃板的中心向四邊，沿玻璃表面出現弧光放電。一根根蜿蜒扭曲的藍色電弧，猶如一條條閃動着奇異光彩的藍色小蛇在玻璃板上劇烈顫動。由於這些放電形式都是沿着玻璃板表面進行的，因此被稱為沿面放電。

出現沿面放電現象的原因是：玻璃板是絕緣介質，當兩電極間電壓升高後，電流無法擊穿玻璃板，就被迫沿玻璃板的平面尋找與另一電極距離最短的通道。由於玻璃板表面上附有空氣，所以，所謂的通道就是電流擊穿空氣，使高壓電流的能量得以釋放。

雅各布天梯放電展示了電弧產生和消失的過程。二根呈羊角形的管狀電極，一極接高壓電，另一個接地。當電壓升高到5萬伏時，管狀電極底部產生電弧，電弧逐級激盪而起，猶如閃閃發光的梯子，由於聖經中的雅各布曾經夢到天使上下天堂的梯子是閃閃發光的，所以就形象的這種放電現象稱為“雅各布天梯”。

這種放電現象是怎麼形成的呢？原來，當電壓升高到5萬伏左右時，在兩電極距離最近的底部空氣被擊穿發生電離，同時空氣被加熱，温度急劇上升產生電弧。熱空氣迅速向上移動，於是電弧也隨着向上運動，隨着電極間距離的增大，電弧也隨之拉長，當電弧爬升到頂部時，由於電極距離過大，電壓不足以擊穿空氣，電弧自動熄滅。只要保持兩電極間的電壓，這種放電過程就會週而復始地進行，形成弧光放電。　放電電極之間的放電電弧一旦形成，加在兩隻放電電極間的電壓在限流電阻、反饋控制電路、線路內阻（包括變壓器線圈）、電抗器等一個或聯合作用下，其數值會下降並穩定在某一範圍內。該電壓應能足以維持兩隻放電電極間的放電電弧的穩定且不足以在兩隻放電電極形成新的放電通道。

利用弧光放電原理，人們製作了各種氣體放電光源，比如探照燈、"人造小太陽"氙燈等。

在大自然中，只有在電閃雷鳴時才能觀賞到雷電放電現象。特斯拉放電裝置能模擬雷電放電，使觀眾在科技館裏就能領略到自然界雷雨天氣時高空電閃雷鳴的景象。

特斯拉放電也稱高頻高壓放電，在屏蔽網的中央有一個頭頂是大圓盤的圓柱形設備，稱為高頻高壓發生器，它的發明人是美國著名發明家特斯拉，因此這個設備稱為特斯拉變壓器。由於它的頻率較高，約100kHz，在同等電壓和放電間隙情況下，放電電流非常大，電弧非常明亮。這裏表演的特斯拉放電，電壓約有100萬伏，能夠連續放電，它的放電現象猶如雷電放電。

雷電是一種最常見的高頻高壓放電，其電壓常達到幾千億伏以上。

將特斯拉變壓器與試驗用的模特的手接起來，特斯拉的高壓將使穿着高壓防護服的模特手指發出長長的亮光。即使觀眾代替模特做這項試驗，身體也不會受到影響，這是因為電流的絕大部分從防護服通過，觀眾是絕對安全的。

吊繩開關將特斯拉變壓器與變壓器左側風車狀電極連接起來，啓動特斯拉變壓器，隨着風車電極的旋轉，電極在尖端放電的作用下，頂尖發出環狀的火花。 ^[1] 

高壓電氣設備是電力系統的重要組成部分，更是電氣系統的核心，所以高壓電氣設備運行狀態的檢測以及其故障診斷也越來越重要，近年來，我國在電力系統、國防系統、高速電氣化鐵路等領域高速發展，對電氣設備的穩定性提出了越來越高的要求，同時也受到了國家重點的關注。

電氣設備主要的組成材料是導體或絕緣材料，所以電氣設備的絕緣性是非常關鍵的。大部分的絕緣材料是有機材料，長期在高壓環境下運行，受到強電、過熱等影響，這些絕緣材料會逐漸劣化，造成絕緣性能下降，這就有可能引起電氣設備發生故障，同時也會大大縮減電氣設備使用壽命。據統計，110kv及以上的變壓器的主要事故原因是絕緣性能導致的，對其事故原因進行具體分析，其中因為匝間絕緣導致的事故是43%，由於引線絕緣引起的是23%。高壓電氣設備如果發生故障，往往會造成巨大的損失，後果十分的嚴重。如果高壓電氣設備如果發生故障，勢必會引起停電，這對國民生產的損失，以及百姓生活帶來不便會是巨大的。如何去提高電氣設備的絕緣性能是近年來普遍關心的問題，一般情況下可以通過如下兩個方面途徑去提升電氣設備的絕緣性能:一方面是改善電氣設備的生產工藝，包括運用更好的絕緣材料，更加完善的優化結構設計，從質量上去最大化的避免絕緣性下降，這會造成生產成本的大幅提高，而且無論生產多麼完美，電氣設備總會慢慢的劣化，這是不可能改變的事實，所以改善生產質量只能是延長高壓電氣設備的有限工作時間二二是對設備進行檢查和維修，降低或減少其發生故障的次數，從而保障設備的可靠運行。

我國針對高壓電氣設備的檢測制度還不夠完善，我國一直採用定期進行絕緣預防性試驗的這一體系。預防性試驗一般會在每年的雷雨季節前進行，如果預防性試驗的結果超標，就會針對該設備安排具體的維修計劃。電力設備運行規程由電力部統一規定頒發，供電部門需要根據電力設備運行規程按規定的期限對設備進行定期的檢修。對變壓器而言，投入運行的主變壓器在每隔5至10年都需要進行一次嚴格的大修，即使沒有超標，為了安全性考慮，只要是到了限定的期限就需要進行修理。

預防性試驗體系設備的穩定運行發揮了巨大的作用，但是近年來在實踐中仍存在許多問題。首先，預防性試驗需要大面積停電，無疑在一定程度上增加了工作安排的難度，且會損失大量的電量。定期的更換部件是浪費資源的做法，因為有可能把仍可以長期運行的良好設備部件給更換掉，這種盲目的更換設備部件的做法是不可取的，會造成人力物力的大量浪費，甚至有可能在維修過程中拆卸組裝不當，造成設備的損壞。從技術上來考慮，這種定期預防性試驗體系有不能克服的侷限性，因為試驗的條件很難完全相同地模擬到設備常規運行時的條件，大多數預防性試驗是在低壓環境下模擬運行檢測的，然而設備的運行電壓要比10KV高，特別是超高壓設備，工作環境有很大的不同。同時，我們不能忽視運行時其他因素，如熱效應等的影響，這些因素根本沒有辦法在預防性試驗中完全體現出來，因而定期預防性試驗有可能檢測不出潛在的故障。從上面分析可以看出，以往的維修檢測方法多是離線進行的，存在着很多的不足之處。近年來，在線的故障診斷和狀態監測為基礎的狀態維修技術正在迅速發展。80年代以來，我國電氣設備的故障率一直比較高，這是由於工業發展迅速，民用供電量的直線上升，高壓電氣設備長期超負荷運行造成的。所以，十分迫切的需要改善高壓電氣設備的穩定性。隨着電氣設備在線監測診斷技術的研究進展，狀態檢測會逐漸成為主要的檢測方式，這必然會較大的提升高壓電氣設備運行的可靠性。

上世紀60年代起，國外就開始研究高壓設備放電故障的檢測技術，並得到迅速的發展。最先提出狀態維修的是美國通用電氣，通用公司首創提以狀態為基準的維修方式替代以前按時間基準的維修方式。上世紀70年代開始，歐美等發達國家開始逐漸採用狀態維修，隨着高速運行計算機、新型傳感器、光纖等等高新技術的發展，蘇聯、日本等也開始嘗試研製發電機、變壓器、氣體絕緣封閉組合電器等局部放電檢測系統，其中有一部分先進的技術產品已經開始實施於應用。我國對高壓放電故障檢測技術的研究也比較早，上世紀末一直跟隨發達國家技術發展的步伐，曾經提出過不少創新性的方法，但沒有得到推廣。如今國家大力支持發展相關技術，針對高壓電氣設備的檢測技術，研發了很多新型的儀器，同時有一部分電站設備已經實現了智能化在線監測。在線監測系統比定期預防性檢測有很多優勢，它運用先進的高度精確傳感器，來獲取運行中設備的信息，再通過通訊系統，將信息傳輸到控制中心，控制中心對現場設備運行狀態進行在線監測。我國在線監測系統發展狀況雖呈現良好的趨勢，但和發達國家的技術含量還有一定的差距，因此我國電氣設備故障檢測技術的發展還是任重道遠。

紅外檢測技術是一種非接觸性檢測、比較成熟的技術，是一項技術，目前廣泛運用的紅外檢測儀器有紅外點温儀、紅外熱電視和紅外熱像儀。紅外是一種人眼看不見的光線，現代物理學稱之為熱射線它能遠距離檢測出電氣設備温度場白勺分佈，有較強的安全性，另外它有操作便捷的特點，因此被應用於局部放電的檢測。

由於高壓電氣設備在強電流、高電壓、高温等狀態下運行，適合用非接觸性檢測。同時電氣設備的工作狀態與熱有着密切的聯繫，無論是何種故障，都會伴有發熱的現象。紅外檢測系統根據正常狀態下設備的發熱規律以及其表面温度場的分佈和温差的具體情況，能夠較準確地檢測出設備故障也能定位故障點。然而，紅外檢測技術也有如下缺陷，紅外檢測能較高準確的檢測外部熱故障，因為外部熱故障會以局部過熱的形態向其周圍輻射紅外線。這使得故障點產生過熱的現象，通過其紅外熱像圖準確的判斷故障點。但是如果電氣故障是內部熱故障卻不容易檢測出來，內部熱故障在電氣的內部，所以體現出來的温度差異很小。檢測這一故障類型，如果用紅外檢測技術的話，就要求紅外探測器的精度非常高，這無疑增加了很大的生產成本。因此，內部故障一般不太適合用紅外技術來檢測。

超聲波檢測也是一項相對比較成熟的技術，它根據電氣設備材料及其缺陷的聲學性能的差異影響來檢驗設備是否發生故障。目前運用較為廣泛的是脈衝反射式超聲波檢測技術。在一般的均勻材料中，聲阻抗相同，但是在有缺陷的電氣設備中，由於缺陷的存在將造成材料的不連續，這造成了聲阻抗的不同，超聲波在兩種不同的聲阻抗介質的交界面上會發生反射，反射回來的能量被探頭接收，根據傳播距離和反射回來能量的幅值，就可以確定電氣設備故障點，達到定位故障的目的。

目前採用的超聲波檢測法是通過貼在目標外殼上的超聲波傳感器進行檢測。例如:現在要對一台有故障的待測變壓器進行檢測，首先需要在在變壓器油箱壁上固定一個超聲波傳感器，用來接收變壓器內部局部放電產生的超聲脈衝，通過分析超聲脈衝可以進行檢測並且定位。此項技術的優勢在於，採用非接觸測量的方法，避免了與高壓設備直接接觸，對設備的運行影響很小，方便實用，可以實現在線監測。

但是超聲波檢測技術同樣也有一些侷限性，首先是外界的干擾因素很多，地區氣壓、空氣濕度、天氣温度等因素都會影響測量的結果，而且目前超聲波的傳感器靈敏度較低，對於測得數據的精確性不能很好的把握。其次，超聲波要實現檢測，需要提前預先在目標物上裝置傳感器，就這使檢測成本提高，超聲波檢測技術不能運用於巡檢，只能用於定點的檢測。

超高頻檢測技術是通過超高頻天線傳感器來獲取電氣設備內部局部放電所產生的超高頻信號，可以達到對電氣設備的檢測目的，同時也能定位故障。因為超高頻檢測技術有較強的抗干擾能力，所以能有效的反映放電的本質特徵。這一新的檢測技術受到國內外的高度重視，近年來發展很快，國外已經在QS、電纜等檢測中得到了一些應用。但是整個技術的成熟度還不夠，大多數還只是處於起步階段，超高頻檢測技術的發展可謂是長途漫漫。

然而超高頻檢測技術主要是針對內部放電故障檢測的，由於電氣設備外部故障一般佔設備總故障的90%~93%，內部故障只佔7%-10%，所以超高頻檢測應用範圍上相對較窄。除此之外，超高頻檢測系統的傳感器靈敏度是一個技術難點問題，目前還沒有靈敏度特別好的傳感器這同時也是限制超高頻技術發展的瓶頸。 ^[2]