部分放電原理の解析

局部放電原理の解析 (1)

電界の作用下で、絶縁系において放電が一部の領域にのみ発生し、印加された電圧によって導体間に貫通しない現象を局部放電と呼びます。この放電がガスに囲まれた導体付近で発生する場合、コロナと呼ばれることもあります。

局部放電は導体の端だけでなく、絶縁体の表面または内部でも発生します。表面での放電は表面局部放電と呼ばれ、内部での放電は内部局部放電と呼ばれます。絶縁体内部の空気隙間で放電が発生すると、その空気隙間内の電荷の交換と蓄積の変化は、絶縁体両端の電極（または導体）の電荷変化に必ず反映されます。これら二つの関係は等価回路によって分析することができます。

以下、架橋ポリエチレンケーブルを例にとって局部放電の発展過程を説明します。ケーブル絶縁材料内に小さな空気隙間がある場合、その等価回路は以下のようになります：

図中、Caは空気隙間容量、Cbは空気隙間と直列に接続された固体絶縁体の容量、Ccは絶縁体の残りの健全な部分の容量です。もし空気隙間が非常に小さい場合、CbはCcよりもずっと小さく、またCbはCaよりもずっと小さくなります。電極間に瞬時値uの交流電圧を印加すると、Caにかかる電圧uaは次のようになります。

uaが増加して空気隙間の放電電圧U2に達すると、空気隙間から放電が始まります。放電によって生成される空間電荷は電界を形成し、Caにかかる電圧を急激に残留電圧U1まで低下させます。この時点で火花は消え、一つの局部放電サイクルが完了します。

この過程では、対応する局部放電電流パルスが出現します。放電過程は非常に短時間であり、一瞬で完了すると考えられます。毎回空気隙間が放電すると、その電圧は瞬時にΔua = U2 - U1だけ低下します。印加電圧がさらに上昇すると、Caは再充電され、uaが再度U2に達したとき、空気隙間は二度目の放電を行います。

局部放電が発生する瞬間、空気隙間は電圧および電流パルスを生成し、これが線路内で移動する電磁場を作ります。これらの場に基づいて局部放電検出を行うことができます。

実際の検出では、各放電（すなわちパルス高さ）の大きさが等しくないことが見られ、放電は主に印加電圧振幅の絶対値が上昇する位相で発生します。放電が非常に激烈な場合にのみ、電圧の絶対値が減少する位相まで延びることがあります。これは、実際の状況では多くの場合、複数の気泡が同時に放電したり、または大きな一つの気泡があっても各放電が気泡全体をカバーせず、局所的な領域に限られるためです。

明らかに、各放電の電荷量は必ずしも同じではなく、逆方向の放電もあり得ます。これは元々蓄積されていた電荷を中和するのではなく、正負の電荷が気泡壁近くに蓄積し、気泡壁沿いの表面放電を引き起こします。さらに、気泡壁近くの空間は限られているため、放電時には気泡内部に狭い導電チャネルが形成され、放電によって生成された一部の空間電荷が漏洩します。