王曉蕾

（1.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 610663；2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州 510640）

0 引言

近年來，對電氣設(shè)備絕緣系統(tǒng)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)知及其運(yùn)行過程中相關(guān)潛在物理現(xiàn)象的理解越來越受到人們的關(guān)注。局部放電活動通常被看作是電氣設(shè)備絕緣系統(tǒng)老化和過壓力的征兆，長時間的局部放電將對絕緣材料產(chǎn)生電、化學(xué)腐蝕作用，加速絕緣劣化，增加設(shè)備故障的風(fēng)險[1]，因此，局部放電測量是診斷絕緣系統(tǒng)局部缺陷和老化的有效手段之一。通常情況下，局部放電測量采用50 Hz正弦波交流電壓，但由于放電現(xiàn)象的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的電壓波形和頻率已不能滿足研究放電物理過程以及實際工程應(yīng)用的需求。

隨著對局部放電現(xiàn)象研究的不斷深入，選取有效的非正弦波電壓波形激勵，從而獲取更多關(guān)于放電物理過程的信息，是研究局部放電機(jī)理的手段之一。目前離線局部放電測量采用的非正弦電壓波形主要有脈沖方波電壓[2]、梯形波電壓[3]、三角波電壓[4]、疊加的正弦波電壓[5]及正弦截波電壓[6]等。此外，采用非正弦波電壓激勵在離線條件下測量局部放電，還能夠研究設(shè)備絕緣系統(tǒng)在實際運(yùn)行中受到的非正弦波交流電壓的影響，例如由于脈寬調(diào)制技術(shù)（pulse-width modulation,PWM）驅(qū)動變頻電機(jī)的應(yīng)用，連續(xù)脈沖方波電壓激勵下絕緣系統(tǒng)中的局部放電現(xiàn)象得到了廣泛的關(guān)注。

本文對國內(nèi)外采用非正弦波電壓測量局部放電的發(fā)展現(xiàn)狀及重要成果進(jìn)行綜述，重點討論3種主要非正弦波電壓，包括連續(xù)脈沖方波電壓、三角波及梯形波電壓下的局部放電特性，但不涉及直流電壓及復(fù)合電壓下局部放電的研究內(nèi)容，最后探討采用非正弦波電壓測量局部放電的重要意義及存在問題，并提出如何利用非正弦波電壓激勵加強(qiáng)對放電物理過程及絕緣老化機(jī)制的理解。

1 連續(xù)脈沖方波電壓

連續(xù)脈沖方波的主要特征是較高的脈沖重復(fù)頻率（可達(dá)上萬赫茲）及較短的電壓上升時間（可達(dá)納秒級）。變頻器輸出電壓的真實波形如圖1所示，由圖1可以看出，其并不是理想的脈沖方波，而是在正負(fù)上升沿都帶有電壓過沖，且為振蕩過程[7]，國外學(xué)者也把該電壓稱為類PMW電壓（PWM-like volt‐age）[8]、準(zhǔn)方波電壓（quasi-square voltage）[9]、近似方波 電 壓（semi-square voltage）[10]、陡 波 階 躍 電 壓（steep-front step voltage）[11]及浪涌電壓（surge volt‐age）[12]等。研究認(rèn)為，變頻電機(jī)、變頻器及連接電纜的阻抗不匹配會導(dǎo)致電機(jī)端部產(chǎn)生過電壓。受逆變器輸出脈沖上升時間和電纜長度的影響，這種過電壓可能超過直流母線耐受電壓的兩倍。由于此過電壓在定子繞組中分布不均勻，絕緣繞組的首匝或末匝可能承受較高的局部電壓[13]，從而引起局部放電。

圖1 實際的脈沖方波電壓波形Fig.1 Actual square-wave voltage

由于脈沖方波電壓下的放電脈沖與外加電壓的頻譜可能會重疊，放電脈沖的波形及頻率成分也會受到測量系統(tǒng)的影響[14]，并且從不同類型的絕緣缺陷處產(chǎn)生的放電脈沖也可能具有不同的上升時間和頻率成分[15]，因此采用連續(xù)脈沖方波電壓檢測局部放電對測量技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。目前，針對連續(xù)脈沖方波電壓下的局部放電現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者采用的測量方法大致可分為3類：①耦合電容法，通常采用50 Ω電阻與測量裝置或耦合電容并聯(lián)，并采用濾波器[8]或脈沖電流傳感器[16]來抑制外加電壓對局部放電信號造成的干擾；②平衡回路法，采用可調(diào)電阻電容器來調(diào)節(jié)平衡[17]，或利用兩個阻容值接近的試樣來進(jìn)行差分[18]；③電-光測量法，采用電流互感器和光電倍增管[19]或增加天線[20]等方式對局部放電行為進(jìn)行定性測量。目前電-光測量法主要用于放電起始電壓和熄滅電壓的測量，如何通過測量得到的局部放電幅值獲得放電的電荷量仍需深入研究。此外，超高頻測試方法[2]、數(shù)字信號處理技術(shù)[21]等也能夠用來提取淹沒在方波電源干擾中的局部放電信號。

目前，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于連續(xù)脈沖方波電壓下局部放電現(xiàn)象的研究主要集中在測試方法、放電特性、放電統(tǒng)計參數(shù)表征絕緣老化狀態(tài)等，且越來越多的研究集中在電壓波形參數(shù)（上升時間、占空比、頻率及對稱性等）對局部放電統(tǒng)計特性或時域特性的影響。

1.1 連續(xù)脈沖方波電壓下的局部放電特性

21世紀(jì)初，國內(nèi)外學(xué)者對連續(xù)脈沖方波電壓下的局部放電特性開展了大量的研究工作。F GUASTAVINO等[22-25]設(shè)計了4種非正弦波電壓波形，模擬PWM驅(qū)動器的輸出電壓，如圖2所示，并系統(tǒng)研究了試驗溫度為100℃時，4種波形電壓下雙絞線樣品的局部放電特性及其對絕緣壽命的影響，結(jié)果表明，帶有峰值的PWM波能夠引起最大的絕緣壓力，導(dǎo)致較強(qiáng)的局部放電活動，測試電壓的特定波形對絕緣壽命影響很大。

圖2 模擬PWM驅(qū)動器輸出的測試電壓波形Fig.2 Test voltage waveforms output by simulating PWM drive

日本K KIMURA等[26-27]研制了一套新型局部放電測量系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠自動重復(fù)測量連續(xù)脈沖方波電壓下的局部放電起始電壓，通過對雙絞線樣品施加雙極性和單極性連續(xù)脈沖電壓測量局部放電起始電壓，結(jié)果表明，雙極性連續(xù)脈沖電壓下，局部放電起始電壓在試驗早期有較大的波動，經(jīng)過一段時間后數(shù)值趨于穩(wěn)定；而單極性連續(xù)脈沖電壓下的放電起始電壓較為穩(wěn)定，如圖3所示。研究指出，局部放電起始電壓的波動是由于多次測量時放電位置的改變引起的，初始階段放電產(chǎn)生于整個空氣間隙，而后期則主要集中在間隙中局部位置，放電行為的變化與絕緣的表面電導(dǎo)率和空氣中的放電產(chǎn)物有關(guān)。

圖3 連續(xù)脈沖方波電壓下放電起始電壓特性Fig.3 PDIV characteristics at continuous square-wave voltage

日本N HAYAKAWA等[12,20,28-30]采用光學(xué)和電學(xué)方法系統(tǒng)研究了變頻電機(jī)電磁線在連續(xù)脈沖方波電壓下的局部放電特性，包括放電起始電壓、放電傳播特性及其引起絕緣老化及影響絕緣壽命的特性。對于放電起始電壓，脈沖方波電壓下的放電起始電壓約為交流電壓下的兩倍[12]，且放電起始電壓隨受壓力電磁線長度的增加而減小，通常稱為尺寸效應(yīng)[20]。放電起始后，在一定的脈沖電壓幅值下，局部放電活動的發(fā)展過程可分為4個階段[30]：間歇性放電、連續(xù)性放電、臨界放電、絕緣擊穿。圖4和圖5給出了外加電壓波形、放電光強(qiáng)波形及光發(fā)射圖像隨放電發(fā)展過程的變化。

圖4 外加電壓和局部放電光強(qiáng)度波形Fig.4 Waveforms of applied voltage and PD light intensity

圖5 局部放電光發(fā)射圖像隨時間的變化[30]Fig.5 Time variation of PD light emission images[30]

臨界放電發(fā)生在放電活動劇烈變化時刻，能夠引起電磁線的局部擊穿。由于絕緣最終擊穿通常發(fā)生在臨界放電位置，因此，臨界放電被認(rèn)為是決定電磁線絕緣壽命的一個重要標(biāo)志。試驗結(jié)果也表明，電磁線的壽命可由局部放電起始直至絕緣擊穿產(chǎn)生的所有放電脈沖數(shù)量來決定，放電活動也可用放電發(fā)生的頻率隨時間的變化來解釋。

在國內(nèi)，西南交通大學(xué)、四川大學(xué)、西安交通大學(xué)等相繼開展了大量的試驗研究連續(xù)脈沖方波電壓下變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)中的局部放電特性，包括不同的電壓上升時間、頻率、占空比及環(huán)境溫度等對局部放電特性及絕緣老化機(jī)理的影響[2,13,31-43]。WU K等[35]對比研究了正弦波和方波電壓下絕緣間隙中局部放電特性隨時間的演化，試驗結(jié)果顯示兩種波形電壓下放電幅值的變化趨勢極其相似。王鵬等[39]對比研究了正弦電壓和上升時間為200 ns的重復(fù)脈沖電壓下變頻電機(jī)絕緣的局部放電特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于相同峰峰值和頻率的重復(fù)方波和正弦電壓，重復(fù)方波電壓下變頻電機(jī)絕緣的局部放電幅值及耐電暈壽命分別約為正弦電壓下的10倍及1/3，且相位、時頻域統(tǒng)計特性存在明顯差異。李金泉等[43]系統(tǒng)研究了具有60～800 ns上升時間的雙極性重復(fù)脈沖電壓下，重復(fù)脈沖過電壓對變頻電機(jī)匝間絕緣局部放電起始電壓和局部放電熄滅電壓的影響，結(jié)果表明，無論重復(fù)脈沖電壓波形是否存在過電壓，局部放電熄滅電壓均小于起始電壓；當(dāng)重復(fù)脈沖電壓波形由無過電壓變化到有過電壓時，起始電壓及熄滅電壓均增大，但兩者的差值減小。分析放電機(jī)理認(rèn)為，過電壓下較高的瞬時電場強(qiáng)度導(dǎo)致的場致發(fā)射是促使第一次放電產(chǎn)生的主要原因。

環(huán)境條件對脈沖方波電壓下局部放電行為的影響也有少量研究。F GUASTAVINO等[24]、M KAUFHOLD等[44]研究表明隨著環(huán)境溫度的升高，局部放電起始電壓明顯下降。M FENGER等[45]研究指出，當(dāng)環(huán)境相對濕度從40%增加到接近90%時，上升時間為幾百納秒的脈沖方波電壓下的局部放電起始電壓幾乎沒有下降。R BUSCH等[46]研究了環(huán)境條件對局部放電特性和絕緣壽命的影響，結(jié)果表明當(dāng)溫度從25℃升高到175℃時，絕緣壽命明顯縮短，溫度似乎比放電脈沖頻率對絕緣壽命的影響更大；當(dāng)相對濕度從5%增加到70%時，局部放電及老化行為的變化則主要取決于外加電壓幅值。羅楊等[33]研究了連續(xù)方波脈沖電壓下溫度對聚酰亞胺薄膜局部放電特性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著試驗溫度的升高，局部放電次數(shù)及放電幅值降低（如圖6所示），聚酰亞胺的絕緣壽命也逐漸縮短，說明局部放電只是引起聚酰亞胺納米復(fù)合薄膜絕緣失效的原因之一，高溫條件下活性電子的入陷、脫陷過程及空間電荷造成的電場畸變可能是誘導(dǎo)絕緣失效的另一個因素。

圖6 方波電壓下局部放電圖譜隨溫度的變化Fig.6 PD pattens changing with temperature at square-wave voltage

1.2 波形上升時間對局部放電特性的影響

脈沖方波電壓對局部放電特性影響的主要因素之一是較短的電壓上升時間，因此，脈沖方波電壓上升時間對局部放電特性的影響是研究的熱點之一。

關(guān)于脈沖電壓上升時間對局部放電起始電壓的影響，不同的研究得出了不同的結(jié)論：隨著脈沖電壓上升時間的延長，放電起始電壓可能升高或者降低。M KAUFHOLD等[44]研究指出較短的電壓上升時間和較長的電壓下降時間能夠?qū)е螺^低的重復(fù)放電起始電壓（RPDIV）和較短的絕緣擊穿時間；F GUASTAVINO等[24]采用單極性和雙極性脈沖電壓測量不同環(huán)境溫度下電機(jī)繞組樣品的局部放電現(xiàn)象，結(jié)果表明，電壓脈沖較短的上升時間降低了放電起始電壓，而具有較長上升時間的方波電壓下的局部放電行為則更多地依賴于主脈沖的頻率，圖7為不同環(huán)境溫度下放電起始電壓隨電壓變化率（dV/dt）的變化趨勢；M FENGER 等[47]、M MELFI等[48]對于不同電壓上升時間情況下的放電起始電壓得到了相似的結(jié)論。然而，H HAYAKAWA等[49]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加上升時間為60～3 000 ns、脈寬為10 μs的連續(xù)脈沖電壓時，放電起始電壓隨著上升時間的延長而降低。WANG P等[50]研究指出脈沖電壓上升時間對放電起始電壓的影響明顯依賴于電壓上升和下降階段的過電壓形狀和持續(xù)時間。較短上升時間的連續(xù)脈沖電壓和較高的過電壓能夠引起較高的放電起始電壓，如圖8所示。研究表明，當(dāng)脈沖電壓持續(xù)時間小于100 μs時，由于初始電子發(fā)射時間的缺失，放電活動可能不活躍[3]。當(dāng)電壓上升時間較短時，連續(xù)脈沖的過電壓幅值雖然超過了局部放電起始電壓，但未產(chǎn)生激發(fā)電子崩的初始電子，這可能是導(dǎo)致放電起始電壓隨上升時間延長而降低的主要原因[13,51]。

圖7 不同環(huán)境溫度下重復(fù)放電起始電壓隨電壓變化率的變化Fig.7 RPDIV changing with dV/dt at different temperatures

近年來，瑞典E LINDELL等[10,52-53]提出了一種在時域范圍內(nèi)利用局部放電隨機(jī)特性將放電脈沖與外加近似方波電壓分離的技術(shù)，研究了在快速上升的電壓階段不同絕緣缺陷處的局部放電特性，著重對比分析了具有短上升時間（2 μs）和長上升時間（100 μs）的脈沖電壓下局部放電的熄滅電壓[10]，結(jié)果表明對于不同的電壓上升時間范圍和不同的絕緣系統(tǒng)，外加電壓的上升時間可能對放電熄滅電壓有著不同的影響。隨后，瑞典T HAMMARSTR?MT等[54]、T J ? HAMMARSTR?M等[55]分別采用上升時間為4～40 μs及納秒級（低至15 ns）的近似方波電壓，重點研究了較短電壓上升時間下的間隙放電特性，結(jié)果表明較短上升時間電壓下每周期放電脈沖數(shù)量表現(xiàn)出較強(qiáng)的電壓依賴性。隨著上升時間的逐漸縮短，放電幅值持續(xù)增加，但放電熄滅電壓降低。這可能是放電機(jī)制發(fā)生了變化，從而引起絕緣的快速老化和壽命縮短，但研究并未指出放電機(jī)制具體的轉(zhuǎn)換形式。

1.3 波形頻率對局部放電特性的影響

為了更好地發(fā)現(xiàn)變頻電機(jī)中的絕緣缺陷，需要根據(jù)不同頻率下的放電特性采用合適頻率的脈沖電壓測量局部放電。因此，脈沖電壓頻率對放電幅值和放電相位的影響和機(jī)理值得深入研究。

在早期的研究中，M PAEDE等[56]建立了一套適用于高頻脈沖方波電壓的局部放電測量系統(tǒng)，頻率范圍為100 kHz～3 MHz，并測量了脈沖變壓器絕緣系統(tǒng)中的放電現(xiàn)象，結(jié)果表明，隨著頻率的增加，放電起始電壓和熄滅電壓逐漸下降。C HUDON等[57]采用上升時間為120 ns、頻率為10 kHz的脈沖電壓對電機(jī)匝間絕緣開展絕緣特性測量，結(jié)果顯示，即使在放電起始電壓下，短時間施加電壓之后絕緣介質(zhì)性能也會發(fā)生某些改變，進(jìn)一步分析指出在放電起始電壓之上的絕緣壽命與電壓上升時間無關(guān)，但與電壓頻率有關(guān)[58]。D FABIANI等[8]研究了PWM電壓下局部放電活動與空間電荷累積特性的關(guān)系，認(rèn)為脈沖方波電壓下絕緣材料內(nèi)部和間隙表面的電荷都會影響局部放電，但當(dāng)頻率大于10 kHz時，絕緣材料內(nèi)部的空間電荷累積較少，對局部放電的影響可以忽略，這時間隙表面的電導(dǎo)能力將直接影響局部放電活動。J C G WHEELER[59]分析了較高的脈沖電壓頻率（2 kHz和250 kHz）對絕緣材料性能及老化特性的影響。

在國內(nèi)，許多學(xué)者同樣開展了脈沖電壓頻率對放電特性影響的相關(guān)研究，并取得顯著成果。郭小霞等[31]研究了頻率范圍為500 Hz～20 kHz的高頻脈沖方波電壓下的局部放電現(xiàn)象，結(jié)果顯示隨著頻率的增加，電荷的存儲效應(yīng)會使放電次數(shù)增加，初始電子的延遲使每個周期內(nèi)的局部放電次數(shù)減少，但在相同的時間間隔內(nèi)，放電次數(shù)會隨頻率的增加而增加。LIU X等[60]研究指出當(dāng)脈沖方波頻率為10～20 kHz時，隨著電壓頻率的增加，局部放電平均放電量、最大放電量和放電能量均增加，而放電脈沖數(shù)量先增加后減小。王鵬等[34,61]研究了頻率為1 Hz～5 kHz的脈沖方波電壓下的局部放電統(tǒng)計特性，結(jié)果表明高頻脈沖電壓能夠?qū)е螺^少的放電脈沖數(shù)量、較低的脈沖幅值和較短的延遲時間，并指出此現(xiàn)象可能是由于不同方波電壓頻率引起的表面電荷衰減時間和初始電子發(fā)射概率不同引起的。楊能等[41]采用頻率范圍為1～20 kHz的重復(fù)短脈沖及方波電壓對變頻電機(jī)漆包線絞線對進(jìn)行測試，結(jié)果表明在重復(fù)短脈沖及方波電壓下，頻率升高造成表面積累電荷衰減減小，促使初始電子出現(xiàn)概率增加，從而導(dǎo)致局部放電幅值減小，放電相位隨頻率的變化可能會受到電壓極性的影響。此外，曹開江等[32]、周凱等[62]、趙莉華等[63]同樣開展了脈沖頻率對局部放電特性影響的研究。整體來說，外施電壓頻率的增加將導(dǎo)致放電活動增強(qiáng)，絕緣壽命縮短，加速絕緣老化。

1.4 波形占空比對局部放電特性的影響

占空比是脈沖方波電壓參數(shù)選擇時必須考慮的因素，不同的占空比會對局部放電發(fā)生的概率產(chǎn)生影響，大部分脈沖電壓占空比選擇為50%。對于電壓占空比對放電特性的影響，A CAVALLINI等[64]研究指出脈沖寬度不會影響放電起始電壓，但較寬的脈沖寬度能夠?qū)е孪喈?dāng)?shù)偷姆烹娖鹗茧妷?。王鵬等[2]研究了連續(xù)方波電壓占空比對變頻電機(jī)局部放電統(tǒng)計特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明電壓波形占空比較小時，在連續(xù)方波電壓的正、負(fù)電壓下局部放電分布具有顯著的不對稱性。較小的連續(xù)方波電壓占空比易造成局部放電淹沒在電壓下降沿處的方波電源干擾中。研究同時指出，為了提高測試信噪比，推薦采用頻率小于200 Hz、占空比為50%的連續(xù)方波電壓作為測試電應(yīng)力。隨后，通過單觸點漆包線在雙極性脈沖電壓下的大量試驗，系統(tǒng)研究了脈沖電壓占空比對逆變器絕緣局部放電特性和耐久性的影響[38]，放電模式、幅值及重復(fù)率試驗結(jié)果表明，較小占空比的重復(fù)方波電壓能夠削弱脈沖電壓水平階段放電發(fā)生的可能性，圖9給出了放電重復(fù)率隨占空比變化的趨勢。耐久性試驗表明，重復(fù)方波的占空比能夠顯著影響絕緣的耐受時間，如圖10所示。

圖10 絕緣壽命隨脈沖方波電壓持續(xù)時間的變化Fig.10 Variation of insulation life with pulse square wave voltage duration

當(dāng)測量電機(jī)的絕緣性能時，通常采用電壓持續(xù)時間較短的連續(xù)脈沖電壓[65]，此外，占空比的改變還能夠用于具有較高靈敏度的絕緣測試，因此，占空比對局部放電行為的影響能夠促進(jìn)脈沖測試儀的發(fā)展，同時有助于深入了解絕緣缺陷表面空間電荷的動態(tài)行為。

綜上所述，隨著脈寬調(diào)制技術(shù)驅(qū)動變頻電機(jī)的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外許多學(xué)者在脈沖方波電壓下的局放特性及電機(jī)絕緣老化領(lǐng)域做出大量研究，系統(tǒng)研究了電壓波形參數(shù)（上升時間、頻率、占空比等）對局部放電統(tǒng)計特性或時域特性的影響，不僅促進(jìn)了局部放電機(jī)理的深入探討，也推動了基于局部放電特性的電機(jī)絕緣系統(tǒng)診斷技術(shù)的發(fā)展，使局部放電信號源分離技術(shù)、放電模式識別技術(shù)、老化程度識別技術(shù)等迅速提高。

2 三角波和梯形波電壓

三角波和梯形波電壓并非電氣設(shè)備絕緣系統(tǒng)在實際運(yùn)行中承受的電壓激勵，但這些非正弦波電壓可以在離線局部放電測量中作為參考波形，對比研究電壓波形激勵對局部放電特性的影響，有助于深入研究放電動態(tài)物理機(jī)制，例如時間延遲、表面電荷衰減及表面電導(dǎo)率的變化等。

在早期，SUWARNO等[66]采用正弦波與三角波電壓研究聚合物中由于電樹枝引起的局部放電現(xiàn)象，分析指出，外加電壓的瞬時值極大地影響了放電脈沖幅值，脈沖的產(chǎn)生取決于電壓的時間導(dǎo)數(shù)。在三角波電壓下，隨著外加電壓的升高，放電脈沖數(shù)量和平均幅值呈線性增加趨勢，而每周期放電電荷量則呈現(xiàn)平方遞增關(guān)系。隨后，他們將三角波電壓測量局部放電的研究擴(kuò)展到空氣和液體絕緣系統(tǒng)[67]，試驗結(jié)果表明，放電相位位置主要取決于外加電壓的波形，相比于空氣中的電暈放電，三角波電壓下固體絕緣系統(tǒng)中局部放電的脈沖分布寬度明顯增大，這表明固體絕緣對電壓變化率的依賴比液體絕緣更加顯著。

B FLORKOWSKA[68]采用三角波和梯形波電壓，研究了具有內(nèi)部缺陷的電機(jī)定子絕緣系統(tǒng)局部放電的特性，分析指出，在固定的電壓峰值下，外加電壓上升率是決定局部放電產(chǎn)生的特定條件，并極大地影響放電脈沖的相位分布。隨后深入研究了梯形波電壓和近似方波電壓下的表面放電現(xiàn)象，并分析了電壓上升時間和頻率對放電起始電壓和放電時間的影響[69]。

WANG X等[70]對比了三角波、梯形波和方波電壓下絕緣間隙放電和表面放電的特性，結(jié)果表明梯形波和方波電壓比正弦電壓更加適用于鑒別表面放電和間隙放電這兩種絕緣缺陷類型，梯形波和方波電壓中具有峰值電壓的水平階段對兩種放電源的鑒別起了重要的作用，間隙放電圖譜在所有電壓波形下均呈現(xiàn)對稱特性，而表面放電在正負(fù)半周的水平電壓階段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的非對稱特性，如圖11所示。隨后他們還研究了梯形波電壓下環(huán)境濕度對放電特性的影響[71]。此外，劉濤[72]、S MORSALIN等[73]同樣開展了三角波電壓下的局部放電特性研究。

圖11 上升時間約為0.6 ms梯形波電壓下的表面放電和間隙放電圖譜對比Fig.11 Comparison of surface discharge and cavity discharge at repetitive trapezoidal-wave voltage with rise time of about 0.6 ms

3 學(xué)術(shù)思考與分析

絕緣狀態(tài)評估技術(shù)的提升、絕緣結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的優(yōu)化是增強(qiáng)電氣設(shè)備絕緣穩(wěn)定性與安全性的主要任務(wù)，也是亟待解決的難題。局部放電是引起絕緣失效的主要原因之一，也是反映絕緣電老化程度的重要指標(biāo)。局部放電現(xiàn)象本質(zhì)上可看作是絕緣系統(tǒng)內(nèi)部的動態(tài)行為，具備動態(tài)系統(tǒng)的一些基本特性，包括：①非線性。局部放電的非線性表現(xiàn)在當(dāng)電壓激勵低于放電起始電壓或熄滅電壓時，不產(chǎn)生放電脈沖；②隨機(jī)性。放電脈沖出現(xiàn)的隨機(jī)性在一定程度上取決于絕緣缺陷處產(chǎn)生的能夠引起放電的種子電子數(shù)量；③時變性。局部放電是隨時間動態(tài)變化的行為，間隙內(nèi)的絕緣由于長時間暴露在放電等離子體下會產(chǎn)生局部老化現(xiàn)象；④滯后性。施加高于放電起始電壓的電壓激勵一段時間之后，如果緩慢降低外加電壓，低于放電起始電壓時也可能產(chǎn)生放電活動。

事實上，局部放電活動具有能夠影響放電脈沖序列的“記憶”特性，主要表現(xiàn)在前次放電之后放電位置附近介質(zhì)表面空間電荷的累積。在相鄰兩個放電脈沖的間隔時間內(nèi)，介質(zhì)表面累積的空間電荷將發(fā)生衰減。電荷衰減的動態(tài)行為可能由不同的物理機(jī)制引發(fā)，例如體積電導(dǎo)[74-76]、表面電導(dǎo)[74-75]、與周圍氣體中反荷粒子的中和過程[74-76]、介質(zhì)表面電荷陷阱[77]及擴(kuò)散作用[78]等，以上物理機(jī)制對放電特性（放電重復(fù)率、放電脈沖幅值等）的影響取決于空間電荷衰減的時間常數(shù)以及放電間隙內(nèi)電場的變化率?？臻g電荷的動態(tài)行為對絕緣缺陷處電場的恢復(fù)有著極大的影響，進(jìn)而影響放電脈沖特性。因此，改變外加電壓波形能夠改變絕緣缺陷處的局部條件，例如電場分布、介質(zhì)表面電荷累積及衰減等，有助于深入理解局部放電的動態(tài)物理過程。

由此可見，局部放電現(xiàn)象的復(fù)雜性要求研究其物理放電機(jī)制的外加電壓激勵必須更加貼切和實用，而工頻正弦波電壓具有動態(tài)的電壓變化率，顯然不適用于研究復(fù)雜的物理放電機(jī)制。為此，在離線局部放電測量技術(shù)中，簡化的電壓波形激勵，如線性變化的電壓階段、具有零電壓階段的正弦截波等，得到了越來越廣泛的關(guān)注。目前，用于檢測局部放電的非正弦波電壓激勵大多是連續(xù)脈沖方波電壓，這是由于越來越多的變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)工作在方波電壓下，采用脈沖方波電壓可以模擬絕緣系統(tǒng)實際的工作電應(yīng)力。關(guān)于脈沖方波電壓參數(shù)（上升時間、頻率、占空比等）對局部放電特性及其物理機(jī)制的影響已經(jīng)開展了大量的研究工作并取得了顯著的成果。

雖然除脈沖方波電壓之外的其他非正弦波形電壓尚無較合適的應(yīng)用場景，但其可作為離線局部放電檢測的一種潛在方法，有助于研究放電物理機(jī)制的動態(tài)特性。非正弦波電壓的優(yōu)勢在于可以根據(jù)所研究放電現(xiàn)象的不同而調(diào)整非正弦波電壓，更好地描述局部放電現(xiàn)象與物理機(jī)制之間的關(guān)系。例如，M FLORKOWSKI等[6]采用的正弦截波電壓，通過深入分析正弦電壓到零電壓轉(zhuǎn)化點處的放電機(jī)制、放電回聲脈沖的強(qiáng)度及空隙絕緣材料對其的影響，明確指出該電壓波形有助于深入研究放電動態(tài)機(jī)制。

此外，采用非正弦波電壓測量局部放電還可結(jié)合介質(zhì)表面電勢測量、介質(zhì)損耗測量及有限元物理建模等手段，研究用以表征放電行為的放電電流脈沖序列、表面電荷累積與衰減機(jī)制；以及定量分析不同的試驗條件，例如外加電壓激勵、絕緣材料、環(huán)境溫度、濕度等對放電物理過程的影響，結(jié)果將極大地完善局部放電物理理論，并加強(qiáng)對絕緣老化過程的理解，未來值得開展深入研究。

4 結(jié)束語

（1）從電氣設(shè)備絕緣系統(tǒng)在實際運(yùn)行中受到的非正弦波電壓的影響角度考慮，脈沖方波電壓下的局部放電現(xiàn)象得到越來越廣泛的關(guān)注。國內(nèi)外許多學(xué)者在脈沖方波電壓下的局放特性及電機(jī)絕緣老化領(lǐng)域做了大量研究，系統(tǒng)分析了電壓波形參數(shù)如上升時間、頻率、占空比等對局部放電統(tǒng)計特性或時域特性的影響，不僅促進(jìn)了局部放電機(jī)理的深入探討，也推動了基于局部放電特性的電機(jī)絕緣系統(tǒng)診斷技術(shù)的發(fā)展。

（2）由于局部放電現(xiàn)象的復(fù)雜性，采用非正弦波電壓激勵測量局部放電表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，例如，三角波和梯形波電壓可以在離線局部放電測量中作為參考波形，對比研究電壓波形激勵對局部放電特性的影響，有助于深入研究放電動態(tài)物理機(jī)制，例如時間延遲、表面電荷衰減及表面電導(dǎo)率的變化等。

（3）除脈沖方波電壓之外的其他非正弦波形電壓尚無較合適的應(yīng)用場景，但其可作為離線局部放電檢測的一種潛在方法，有助于研究放電物理機(jī)制的動態(tài)特性。非正弦波電壓的優(yōu)勢在于可以根據(jù)所研究放電現(xiàn)象的不同而調(diào)整非正弦波電壓，更好地描述局部放電現(xiàn)象與物理機(jī)制之間的關(guān)系。