[科普中国]-高压放电

高压放电是指电能的压差放电。包括沿面放电、雅各布天梯放电、特斯拉放电、手指尖端放电、旋转放电几种。

原理因物体之间的压差大而造成的高压释放现象。

高压放电是造成电力设备绝缘恶化的主要原因，根据统计，目前在所有电力系统的事故中，绝缘事故占第二位，事故影响范围广，停电时间长、经济损失巨大，直接威胁着电力系统的安全稳定运行。因此，对电力设备放电进行检测有着非常重要的现实意义。传统的检测设备放电的方法一般都用电测法，电测法存在着容易受到工作现场强电磁干扰影响，灵敏度不高的问题。1

种类沿面放电一块平整光滑的玻璃板悬置在空中，玻璃板两面中央各有一个圆形小电极，一极接高压，另一极接地。当电压升到2至3万伏时，圆形电极附近出现蓝色光晕。当电压继续升高到5至6万伏时，蓝光随之增强。当电压升高到7至8万伏时，玻璃板表面出现大范围树枝状的放电条纹。当电压升到10万伏时，高压电流从平面玻璃板的中心向四边，沿玻璃表面出现弧光放电。一根根蜿蜒扭曲的蓝色电弧，犹如一条条闪动着奇异光彩的蓝色小蛇在玻璃板上剧烈颤动。由于这些放电形式都是沿着玻璃板表面进行的，因此被称为沿面放电。

出现沿面放电现象的原因是：玻璃板是绝缘介质，当两电极间电压升高后，电流无法击穿玻璃板，就被迫沿玻璃板的平面寻找与另一电极距离最短的通道。由于玻璃板表面上附有空气，所以，所谓的通道就是电流击穿空气，使高压电流的能量得以释放。

雅各布天梯放电雅各布天梯放电展示了电弧产生和消失的过程。二根呈羊角形的管状电极，一极接高压电，另一个接地。当电压升高到5万伏时，管状电极底部产生电弧，电弧逐级激荡而起，犹如闪闪发光的梯子，由于圣经中的雅各布曾经梦到天使上下天堂的梯子是闪闪发光的，所以就形象的这种放电现象称为“雅各布天梯”。

这种放电现象是怎么形成的呢？原来，当电压升高到5万伏左右时，在两电极距离最近的底部空气被击穿发生电离，同时空气被加热，温度急剧上升产生电弧。热空气迅速向上移动，于是电弧也随着向上运动，随着电极间距离的增大，电弧也随之拉长，当电弧爬升到顶部时，由于电极距离过大，电压不足以击穿空气，电弧自动熄灭。只要保持两电极间的电压，这种放电过程就会周而复始地进行，形成弧光放电。 放电电极之间的放电电弧一旦形成，加在两只放电电极间的电压在限流电阻、反馈控制电路、线路内阻（包括变压器线圈）、电抗器等一个或联合作用下，其数值会下降并稳定在某一范围内。该电压应能足以维持两只放电电极间的放电电弧的稳定且不足以在两只放电电极形成新的放电通道。

利用弧光放电原理，人们制作了各种气体放电光源，比如探照灯、"人造小太阳"氙灯等。

特斯拉放电在大自然中，只有在电闪雷鸣时才能观赏到雷电放电现象。特斯拉放电装置能模拟雷电放电，使观众在科技馆里就能领略到自然界雷雨天气时高空电闪雷鸣的景象。

特斯拉放电也称高频高压放电，在屏蔽网的中央有一个头顶是大圆盘的圆柱形设备，称为高频高压发生器，它的发明人是美国著名发明家特斯拉，因此这个设备称为特斯拉变压器。由于它的频率较高，约100kHz，在同等电压和放电间隙情况下，放电电流非常大，电弧非常明亮。这里表演的特斯拉放电，电压约有100万伏，能够连续放电，它的放电现象犹如雷电放电。

雷电是一种最常见的高频高压放电，其电压常达到几千亿伏以上。

手指尖端放电将特斯拉变压器与试验用的模特的手接起来，特斯拉的高压将使穿着高压防护服的模特手指发出长长的亮光。即使观众代替模特做这项试验，身体也不会受到影响，这是因为电流的绝大部分从防护服通过，观众是绝对安全的。

旋转放电吊绳开关将特斯拉变压器与变压器左侧风车状电极连接起来，启动特斯拉变压器，随着风车电极的旋转，电极在尖端放电的作用下，顶尖发出环状的火花。1

放电故障检测高压电气设备是电力系统的重要组成部分，更是电气系统的核心，所以高压电气设备运行状态的检测以及其故障诊断也越来越重要，近年来，我国在电力系统、国防系统、高速电气化铁路等领域高速发展，对电气设备的稳定性提出了越来越高的要求，同时也受到了国家重点的关注。

电气设备主要的组成材料是导体或绝缘材料，所以电气设备的绝缘性是非常关键的。大部分的绝缘材料是有机材料，长期在高压环境下运行，受到强电、过热等影响，这些绝缘材料会逐渐劣化，造成绝缘性能下降，这就有可能引起电气设备发生故障，同时也会大大缩减电气设备使用寿命。据统计，110kv及以上的变压器的主要事故原因是绝缘性能导致的，对其事故原因进行具体分析，其中因为匝间绝缘导致的事故是43%，由于引线绝缘引起的是23%。高压电气设备如果发生故障，往往会造成巨大的损失，后果十分的严重。如果高压电气设备如果发生故障，势必会引起停电，这对国民生产的损失，以及百姓生活带来不便会是巨大的。如何去提高电气设备的绝缘性能是近年来普遍关心的问题，一般情况下可以通过如下两个方面途径去提升电气设备的绝缘性能:一方面是改善电气设备的生产工艺，包括运用更好的绝缘材料，更加完善的优化结构设计，从质量上去最大化的避免绝缘性下降，这会造成生产成本的大幅提高，而且无论生产多么完美，电气设备总会慢慢的劣化，这是不可能改变的事实，所以改善生产质量只能是延长高压电气设备的有限工作时间二二是对设备进行检查和维修，降低或减少其发生故障的次数，从而保障设备的可靠运行。

国内外高压放电故障检测发展状况我国针对高压电气设备的检测制度还不够完善，我国一直采用定期进行绝缘预防性试验的这一体系。预防性试验一般会在每年的雷雨季节前进行，如果预防性试验的结果超标，就会针对该设备安排具体的维修计划。电力设备运行规程由电力部统一规定颁发，供电部门需要根据电力设备运行规程按规定的期限对设备进行定期的检修。对变压器而言，投入运行的主变压器在每隔5至10年都需要进行一次严格的大修，即使没有超标，为了安全性考虑，只要是到了限定的期限就需要进行修理。

预防性试验体系设备的稳定运行发挥了巨大的作用，但是近年来在实践中仍存在许多问题。首先，预防性试验需要大面积停电，无疑在一定程度上增加了工作安排的难度，且会损失大量的电量。定期的更换部件是浪费资源的做法，因为有可能把仍可以长期运行的良好设备部件给更换掉，这种盲目的更换设备部件的做法是不可取的，会造成人力物力的大量浪费，甚至有可能在维修过程中拆卸组装不当，造成设备的损坏。从技术上来考虑，这种定期预防性试验体系有不能克服的局限性，因为试验的条件很难完全相同地模拟到设备常规运行时的条件，大多数预防性试验是在低压环境下模拟运行检测的，然而设备的运行电压要比10KV高，特别是超高压设备，工作环境有很大的不同。同时，我们不能忽视运行时其他因素，如热效应等的影响，这些因素根本没有办法在预防性试验中完全体现出来，因而定期预防性试验有可能检测不出潜在的故障。从上面分析可以看出，以往的维修检测方法多是离线进行的，存在着很多的不足之处。近年来，在线的故障诊断和状态监测为基础的状态维修技术正在迅速发展。80年代以来，我国电气设备的故障率一直比较高，这是由于工业发展迅速，民用供电量的直线上升，高压电气设备长期超负荷运行造成的。所以，十分迫切的需要改善高压电气设备的稳定性。随着电气设备在线监测诊断技术的研究进展，状态检测会逐渐成为主要的检测方式，这必然会较大的提升高压电气设备运行的可靠性。

上世纪60年代起，国外就开始研究高压设备放电故障的检测技术，并得到迅速的发展。最先提出状态维修的是美国通用电气，通用公司首创提以状态为基准的维修方式替代以前按时间基准的维修方式。上世纪70年代开始，欧美等发达国家开始逐渐采用状态维修，随着高速运行计算机、新型传感器、光纤等等高新技术的发展，苏联、日本等也开始尝试研制发电机、变压器、气体绝缘封闭组合电器等局部放电检测系统，其中有一部分先进的技术产品已经开始实施于应用。我国对高压放电故障检测技术的研究也比较早，上世纪末一直跟随发达国家技术发展的步伐，曾经提出过不少创新性的方法，但没有得到推广。如今国家大力支持发展相关技术，针对高压电气设备的检测技术，研发了很多新型的仪器，同时有一部分电站设备已经实现了智能化在线监测。在线监测系统比定期预防性检测有很多优势，它运用先进的高度精确传感器，来获取运行中设备的信息，再通过通讯系统，将信息传输到控制中心，控制中心对现场设备运行状态进行在线监测。我国在线监测系统发展状况虽呈现良好的趋势，但和发达国家的技术含量还有一定的差距，因此我国电气设备故障检测技术的发展还是任重道远。

红外检测技术红外检测技术是一种非接触性检测、比较成熟的技术，是一项技术，目前广泛运用的红外检测仪器有红外点温仪、红外热电视和红外热像仪。红外是一种人眼看不见的光线，现代物理学称之为热射线它能远距离检测出电气设备温度场白勺分布，有较强的安全性，另外它有操作便捷的特点，因此被应用于局部放电的检测。

由于高压电气设备在强电流、高电压、高温等状态下运行，适合用非接触性检测。同时电气设备的工作状态与热有着密切的联系，无论是何种故障，都会伴有发热的现象。红外检测系统根据正常状态下设备的发热规律以及其表面温度场的分布和温差的具体情况，能够较准确地检测出设备故障也能定位故障点。然而，红外检测技术也有如下缺陷，红外检测能较高准确的检测外部热故障，因为外部热故障会以局部过热的形态向其周围辐射红外线。这使得故障点产生过热的现象，通过其红外热像图准确的判断故障点。但是如果电气故障是内部热故障却不容易检测出来，内部热故障在电气的内部，所以体现出来的温度差异很小。检测这一故障类型，如果用红外检测技术的话，就要求红外探测器的精度非常高，这无疑增加了很大的生产成本。因此，内部故障一般不太适合用红外技术来检测。

超声波检测技术超声波检测也是一项相对比较成熟的技术，它根据电气设备材料及其缺陷的声学性能的差异影响来检验设备是否发生故障。目前运用较为广泛的是脉冲反射式超声波检测技术。在一般的均匀材料中，声阻抗相同，但是在有缺陷的电气设备中，由于缺陷的存在将造成材料的不连续，这造成了声阻抗的不同，超声波在两种不同的声阻抗介质的交界面上会发生反射，反射回来的能量被探头接收，根据传播距离和反射回来能量的幅值，就可以确定电气设备故障点，达到定位故障的目的。

目前采用的超声波检测法是通过贴在目标外壳上的超声波传感器进行检测。例如:现在要对一台有故障的待测变压器进行检测，首先需要在在变压器油箱壁上固定一个超声波传感器，用来接收变压器内部局部放电产生的超声脉冲，通过分析超声脉冲可以进行检测并且定位。此项技术的优势在于，采用非接触测量的方法，避免了与高压设备直接接触，对设备的运行影响很小，方便实用，可以实现在线监测。

但是超声波检测技术同样也有一些局限性，首先是外界的干扰因素很多，地区气压、空气湿度、天气温度等因素都会影响测量的结果，而且目前超声波的传感器灵敏度较低，对于测得数据的精确性不能很好的把握。其次，超声波要实现检测，需要提前预先在目标物上装置传感器，就这使检测成本提高，超声波检测技术不能运用于巡检，只能用于定点的检测。

超高频检测技术超高频检测技术是通过超高频天线传感器来获取电气设备内部局部放电所产生的超高频信号，可以达到对电气设备的检测目的，同时也能定位故障。因为超高频检测技术有较强的抗干扰能力，所以能有效的反映放电的本质特征。这一新的检测技术受到国内外的高度重视，近年来发展很快，国外已经在QS、电缆等检测中得到了一些应用。但是整个技术的成熟度还不够，大多数还只是处于起步阶段，超高频检测技术的发展可谓是长途漫漫。

然而超高频检测技术主要是针对内部放电故障检测的，由于电气设备外部故障一般占设备总故障的90%~93%，内部故障只占7%-10%，所以超高频检测应用范围上相对较窄。除此之外，超高频检测系统的传感器灵敏度是一个技术难点问题，目前还没有灵敏度特别好的传感器这同时也是限制超高频技术发展的瓶颈。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所