高场强时电缆的局部放电
本文节选自《电力电缆工程》（原书第三版）第六章 电缆绝缘材料电气性能（有删减和调整），主要介绍了高电场时电缆的局部放电机理、过程及主要参数。
为了方便阅读，变更了题目，调整了部分章节序号。完整部分，请阅读原书。
本文约2300字，阅读时间约10分钟。
局部放电
局部放电是由于在绝缘材料层或屏蔽表面界面上的空隙的空气分解。这个放电导致聚合物最终退化和击穿。这一过程涉及的电子和离子的撞击是电缆中绝缘击穿的主要原因。空隙存在可能是由于杂质导致的界面接触不好，老化引发的退化也许与制造过程相关。该部分包括聚合物绝缘电性能基本原理。在这里指出局部放电方面没有直接关系的绝缘材料现象，但在本章中不包括：这些包括沿着导体和屏蔽传输的高频信号，周围区域辐射的电磁波，以及发射的光波和声波。应该查阅参考文献来研究放电类型或脉冲幅值的重要性。
1.空隙里发生了什么
挤出电缆绝缘里可能会存在小的空隙，由于老化引起的改变导致它们的发展。符合工业规范要求的挤出电缆中不应存在超过一定尺寸的空隙。在新制作电缆上进行局部放电测试能防止带有一定尺寸（和数量）空隙的电缆到达用户的手上。
必须知道空气（在空隙里）的介电强度。绝缘的介电强度越大，在放电条件下的电阻就越大。因此，当（聚乙烯或XLPE）绝缘薄膜的介电强度本身很高时 （也许高达16000V/mil），而空气的介电强度则低2~3个数量级，这是最容易受加速电子老化的。
对已发生的放电，空隙的尺寸（直径）、形状、压强和温度都有显著影响。当遭遇带电的电子时不同的绝缘材料会有不同的响应，但是空气的基本老化响应是不变的。
空气的老化过程会导致形成额外的电子和离子，如图6-11所示。
约含有80%氮气的空气的降解可能会导致形成离子和其他有氮的（例如氮氧化物）降解产生物一旦产生新形成的离子和电子，它们会继续这个过程；攻击空隙中剩余的空气，如图6-12所示。
在某一时刻，临界值一过就会发生击穿；这个击穿被称为是局部放电起始电压 （PDIV）。在击穿之后，穿过空隙的电压立即降为0 （或接近 0）。这就是局部放电熄灭电压（PDEV）。如要继续放电过程和发生额外的击穿， 电压必须再次建立起来。空隙中空气的降解就是重复这一过程，是非常有害的。因 此，放电导致空隙的击穿，引起空气降解。
2.局部放电过程
在雪崩过程发生时，绝缘层的固/气界面会受到大量电子轰击。这会导致绝缘 分子链断裂并产生解离副产物，如一氧化碳、二氧化碳、甲烷以及其他低分子量碳氢化合物，同时也会生成无机碳酸盐。这些生成物会与气体解离产物混杂在一起。解离出来的电子、离子以及其他产物将沉积在绝缘表面（这将大大增强绝缘表面的极性）。电子可能被束缚在表面上一段时间，然后再释放出来。如果这一过程持续发生，解离过程将会导致从绝缘/气孔界面向绝缘内部发展，而不仅限于初始放电的气孔。部分本来完好的聚合物绝缘将被解离后的聚合物取代。解离产生的高氧化性炭黑会破坏聚合物的连续性，形成电树。在电树发展的路径里，充斥着放电产生的各种气体。如果局部放电一直存在，电树最终会延展到绝缘表面形成放电通道，导致材料的击穿。
相对于同种聚合物制成的薄膜或薄片，这一放电机制更容易发生在电缆绝缘中。因为加工薄膜或薄片（如注塑）的方法更易于消除绝缘内部缺陷，而电缆的挤出工艺常常不可避免地会在绝缘内留下一些微小的气孔，例如，传统的中压电缆绝缘厚度一般为175mil，而薄膜的厚度通常只有1 ~5mil。薄片的针刺测试会导致空洞的产生。
在局部放电发生时，气孔中的放电机理和绝缘内放电常常是同时发生的。
3. 局部放电的主要参数
影响PDIV的主要因素：
·气孔形状：大多数情况下，气孔是球形或是椭圆形的。然而，气孔在靠近 一个高能表面例如金属颗粒时会被拉长。气孔的形状越尖锐，PDIV越低。
·在电缆绝缘层内的位置：对形状和大小均相同的气孔，离导体越近，PDIV 越低。
·气孔内的气压：增大气压会提高PDIV，但是这一参数会随着放电过程发生 变化，因为放电产生的气体会导致气压的动态改变。
·孔洞大小：越大的孔洞越容易产生放电（在其他因素相同的情况下），因为 越大体积的气体受到电子轰击的可能性越大。
在放电发生后，电压降低，到一定程度时，放电停止，此时对应的电压被称为 PDEV。经过一段时间后，放电会反复发生。
（2） 延迟时间
一旦外加电压达到击穿电压时，自由电子加速到产生放电所需要的时间被称为 静态延迟时间。（延迟时间越长，击穿发生前所积累的实际击穿电压越高。）延迟时间由几个主要因素决定：空气（氧气和氮气）和绝缘材料的击穿机理。氧气是电负性气体，这意味着它比氮气更容易吸收电子。在放电早期，电子被电负性气体如氧气所束缚，这使得放电发生前有一段相对较长的等待时间。当氧气被消耗完时，等待时间就结束了。这段时间可能刚开始是几分钟，之后会急剧下降到微秒级。
这一现象不仅存在于内部气孔放电，也存在于聚合物表面放电。当聚合物表 面的分子链被氧化后，束缚电子的能力上升。被束缚的电子随着放电的进行会逐 步释放。在放电的起始阶段，只有很少的电子能够脱离束缚。但是当时间积累到 一定程度时，大量电子脱陷就导致整体放电的产生，这一时间对应的就是延迟时间，在放电开始时，延迟时间很长，但随着束缚电子逐步释放后，延迟时间就会大大缩短。
需要牢记的是，在放电发生时，正负离子会分别沉积在气孔的相反两侧。