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解密气隙放电三阶段：毛刺阻塞→碳化封闭→通道贯通

刀痕缺陷引发的局部放电（PD）是电缆附件绝缘故障的主因。本文基于电热老化实验，揭示气隙缺陷从萌发到击穿的三阶段演化规律，精准预判绝缘状态。

 

 
 
 

气隙缺陷放电发展的三阶段特征

 
 

 

在电缆附件的运行过程中，气隙缺陷引发的局部放电是导致绝缘故障的关键因素之一。通过电热老化实验，深入剖析了气隙缺陷从初始萌发直至绝缘击穿的完整演化历程，发现其发展呈现出三个阶段，每个阶段都有其独特的放电特征和内在机制。

 

图1 250h内气隙缺陷的PD能量趋势变化

 

1. 老化初期（0-50h）——表面放电主导

 

（1）现象

 

在老化初期，气隙缺陷处的局部放电能量相对微弱，其幅值通常小于10pC。在PRPD谱图中，放电脉冲呈现出明显的极不对称性。具体而言，在工频电压的正半周，放电量相对较高，一般在8-10pC之间，但放电次数相对较少；而在负半周，放电量相对较低，大约在3-4pC，但其表现出极高的重复率，甚至某些相位点的放电次数超过195次。

 

图2 持续老化50h时PRPD谱图

 

（2）本质

 

究其本质，此时电缆附件绝缘中的XLPE毛刺阻塞了气隙，导致放电主要集中在浅层气隙通道。同时，空间电荷的极性效应对放电现象产生显著影响。

 

在正半周，电子迅速迁移到气隙内侧靠近线芯的一侧，其他区域则留下了移动缓慢的正电荷，形成的空间电荷电场削弱了气隙电场，增大了起始放电电压，使得放电量大但放电次数少；而在负半周，电子迅速迁移至应力锥并流向大地，空间中残余大量正电荷，加强了空间合成电场，减小了起始放电电压，导致放电更容易发生，能量不易积累，放电量小但放电重复率高。

 

图3 老化初期以表面放电为主的PD及放电模型

 

图4 运行电压正负半周放电表现出不对称性的电场极性效应

 

2. 老化中期（50-150h）——内部放电爆发

 

（1）现象

 

随着老化过程的持续，进入中期阶段，局部放电能量显著增长，PRPD谱图呈现出对称分布。此时，放电量超过10pC，且在相位40°和220°附近出现明显的峰值。

 

图5 老化至150h时PRPD谱图

 

（2）本质

 

究其本质，XLPE毛刺经过老化初期的烧蚀后，空气区域逐渐扩大，气隙内部开始出现显著的放电现象。浅层气隙区域经过前期烧蚀形成了大量碳化通道，通道表面电导率增加，形成等电位或近似等电位体，从而削弱了浅层气隙的放电。

 

此时，靠近线芯的内部气隙区域由于曲率较大，电场强度更高，PD活动更为激烈，因此内部放电开始占据主导地位。

 

图6 老化中期以内部放电为主的PD及放电模型

 

此外，由于内部气隙相对浅层气隙较为封闭，内部放电产生的空间电荷只能停留在内部空间形成反向电场，削弱空间合成电场，这种削弱效果在外施电压的正负半周都较为一致，导致内部放电谱图表现出对称性。

 

图7 运行电压正负半周放电表现出对称性的原理

 

3. 老化后期（150-250h）——贯通性放电

 

（1）现象

 

进入老化后期，局部放电的能量急剧增加，超过150pC，PRPD谱图再次呈现出不对称性。此时，在第三象限出现了高幅值、高重复率的放电群，放电分布更为广泛，区间基本对称，但放电的不对称性表现得更为明显。

 

图8 老化至250h时PRPD谱图

 

（2）本质

 

究其本质，气隙通道已经完全贯通，内部放电转变为表面放电。随着老化过程中PD持续烧蚀XLPE末端毛刺，当通道中的毛刺被完全烧蚀碳化后，内部气隙和浅层气隙互相连通，形成长气隙放电通道，放电能量激增。

 

图9 老化后期的气隙放电模型

 

此时，除了最早贯穿的气隙通道外，在气隙缺陷的其他位置，继续发生内部气隙放电和浅层气隙放电，因此PRPD谱图中除了包含不对称的高放电脉冲外，还叠加着一些对称的低放电脉冲。老化后期的气隙放电模型表明，气隙缺陷处的放电已经发展为多个放电源的混叠，既包含典型的内部放电，又包括高重复率的表面放电。

 

 
 
 

老化阶段模型的工程价值

 
 

 

1. 微观机理解密

 

从老化初期到后期，气隙缺陷的微观结构发生显著变化。

 

阶段

气隙结构变化

关键证据

初期

毛刺填充气隙，通道狭窄

呈现出絮状断面

中期

毛刺碳化，封闭气隙扩大

碳颗粒开始堆积

后期

气隙贯通形成长通道

层叠碳颗粒

 

在老化初期，全新XLPE介质内部的气隙表面存在大量毛刺，这些毛刺是由于刀具挤压而产生的，这些毛刺填充在气隙内部，使得气隙通道较为狭窄。通过扫描电镜观察，可以看到此时气隙表面呈现出典型的絮状断面特征，这些毛刺的存在使得放电主要集中在毛刺周围的狭小空气区域，导致放电量较小但放电次数较多。

 

图10 实验接头老化前轴截面上的气隙结构形态

 

在老化中期，经过初期的烧蚀作用，毛刺开始碳化，形成碳化通道，气隙通道逐渐扩大。此时，气隙表面开始出现碳颗粒的堆积，这些碳颗粒是由毛刺经过放电烧蚀后形成的，它们堆积在气隙内部，使得气隙通道的电导率增加，进一步促进了内部放电的发生。

 

图11 实验接头老化后轴截面上的气隙结构形态

 

在老化后期，随着烧蚀的继续，气隙通道完全贯通，形成长气隙放电通道。此时，气隙表面堆积的碳颗粒呈现出层叠堆积的外观形态，这些层叠的碳颗粒可能会形成针尖电极，导致电场进一步畸变，从而引发高能量的放电现象。

 

2. 诊断标志物

 

（1）早期预警

 

表面放电特征+低放电量→提示毛刺存在

 

在老化初期，PRPD谱图表现出极不对称的表面放电特征，正半周放电量较高（8-10pC），但次数少；负半周放电量低（3-4pC），但重复率高。这种特征表明气隙内部存在毛刺，且毛刺阻塞了大部分气隙，导致放电集中在浅层气隙通道。

 

此时，尽管放电量较低，但由于毛刺周围的电场集中，仍需引起关注，因为这是绝缘劣化的早期信号。

 

（2）中期干预

 

对称放电+能量增长→碳化加速信号

 

在老化中期，PRPD谱图呈现出对称分布，放电量超过10pC，且在40°和220°相位附近出现峰值。这表明毛刺已经开始碳化，气隙内部的放电转向内部。碳化过程加速了绝缘材料的劣化，此时若能及时检测到这种对称放电特征和能量增长，可采取中期干预措施，如调整运行电压、加强检测等，以延缓绝缘进一步恶化。

 

（3）紧急处置

 

第四象限放电+超过150pC→贯穿性击穿前兆

 

在老化后期，PRPD谱图再次呈现不对称性分布，且在第三象限出现高幅值、高重复率的放电群，放电量超过150pC。这表明气隙通道已经完全贯通，形成了长气隙放电通道，内部放电转为表面放电。

 

同时，碳颗粒堆积形成的针状电极加剧了电场畸变。此时，绝缘处于即将击穿的紧急状态，必须立即采取紧急处置措施，如停电检修、更换电缆附件等，以避免绝缘故障导致的停电事故。

 

 

 
 

气隙缺陷的放电三阶段模型，将微观劣化（毛刺→碳化→贯通）与宏观PD特征精准关联，掌握其规律，可突破“耐压试验通过仍故障”的困局，实现电缆附件状态检修与故障预判。

 

 

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来源：电缆老化诊断与修复团队

 

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创建时间：2025-09-10 11:27
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