液体电介质的击穿

1、主 讲： 资料收集： PPT制作： 问题解答： 2 液体电气击穿类别： 气体电介质击穿 液体电介质击穿 固体电介质击穿 一、纯净液体介质一、纯净液体介质击穿理论击穿理论 二、二、 含气纯净液体电介质的含气纯净液体电介质的 气泡击穿理论气泡击穿理论 三、三、工程纯液体电介质的杂质工程纯液体电介质的杂质 击穿击穿（小桥理论）（小桥理论） 3 一、纯净液体介质一、纯净液体介质击穿理论击穿理论 电子碰撞电离理论：纯净的液体电介质中总会存在一些离子， 它们或由液体分子受自然界中射线的电离作用而产生，或由液 体中微量杂质受电场的解离作用而产生。对纯净的液体电介质 施加电压，液体中的离子在电场作用下运动而形

2、成电流。电场 较弱时，随电压的上升，电流呈线性增加。当电场逐渐增强时， 由于越来越多的离子已参与了导电，随着电压的进一步升高， 电流呈现出不十分明显的饱和趋向。此时液体电介质中虽有电 流流过，但数值甚微，液体仍具有较高的电阻率。当电场强度 超过1MV/cm时，液体电介质中原有的少量自由电子，以及因 场致发射或因强电场作用增强了的热电子发射而脱离阴极的电 子，在电场作用下运动、加速、积累能量、碰撞液体分子，而 且以一定的概率使液体电介质的分子电离。只要电场足够强， 电子在向阳极运动的过程中，就不断碰撞液体分子，使之电离， 致使电子迅速增加。因碰撞电离而产生的正离子移动至阴极附 近，增强了阴极表面

3、的场强，促使阴极发射的电子数增多。这 样，电流急剧增加，液体电介质失去绝缘能力，发生击穿。 电子崩电子崩 当外电场足够强的 时候，在阴极产生 的场强发射或肖特 基效应发射的电子 将被加速并且有的 动能。 电子碰撞电离理论 碰撞液体分子引起电 离，电子数倍增 碰撞电离产生的正离 子在阴极附近形成空 间电荷层，增强了阴 极附近的的电场，使 阴极发射电子数增多。 电子崩加大.导致液体电介质击穿导致液体电介质击穿 含气纯净液体电介质的气泡击穿理论 气泡击穿 纯净液体电介质在电场作用下生成气泡是 气泡击穿理论的基础。当纯净液体电介质承受较高电场强 度时,在其中产生气泡的原因有:因场致发射或因强电场 作用

4、加强了的热电子发射而脱离阴极的电子，在电场作用 下运动形成电子电流，使液体发热而分解出气泡；电子 在电场中运动，与液体电介质分子碰撞，导致液体分子解 离产生气泡；电极表面粗糙，突出物处的电晕放电使液 体气化生成气泡；电极表面吸附的气泡表面积聚电荷， 当电场力足够时，气泡将被拉长。液体电介质中出现气泡 后，在足够强的电场作用下，首先气泡内的气体电离，气 泡温度升高、体积膨胀，电离进一步发展。与此同时,带电 粒子又不断撞击液体分子,使液体分解出气体，扩大了气体 通道。电离的气泡或在电极间形成连续小桥，或畸变了液 体电介质中的电场分布，导致液体电介质击穿。 气泡理论 两串联介质中电场强度与介质介电常

5、数成反比 气泡中电场强度高于液体，而气体的击穿场强远低于液体 气泡先发生电离 气泡温度升高，体积膨胀，促进电离 电离产生的高能电自碰撞液体分子，使液体电离产生更多 气体，扩大气体通道，当气泡在两极间形成“气桥”时， 液体介质就能在此通道发生击穿 引起气泡击穿的原因引起气泡击穿的原因 1. 热化气击穿 当液体中平均场强达到当液体中平均场强达到107108V/m时，阴极表面时，阴极表面 微尖端处的场强就可能达到微尖端处的场强就可能达到108V/m以上。场致发以上。场致发 射，大量电子由阴极表面的微尖端注入到液体中，射，大量电子由阴极表面的微尖端注入到液体中， 估计电流密度可达估计电流密度可达105

6、A/m2以上。以上。 单位体积、单位时间中的发热量单位体积、单位时间中的发热量 （=电流密度电流密度电场强度）约为电场强度）约为1013J/（s m3 ） 当液体得到的能量（转化为热量）等于电极当液体得到的能量（转化为热量）等于电极 附近液体气化所需的热量时，便产生气泡。附近液体气化所需的热量时，便产生气泡。 在研究气体放电对绝缘油的影响时发现，油在放 电作用下产生低分子气体，其中主要是氢气、甲烷等， 这种化气过程大致如下： CnH2n+2CnH2n+1+H0 CmH2m+2CmH2m+1+ H0 2H0H2 CnH2n+1+ CmH2m+1Cn+mH2(n+m)+2 其中，H0为氢的游离基。

7、 2. 电离化气击穿电离化气击穿 这种化气的作用解释为电离产生的高能电子使液体 分子CH键（CC键）断裂所致。 以产生泡条件作为液体击穿条件，即 式中 0 () a bmb AEm c TTl (2-22） m 代表空间电荷影响的常数 ，约在1.52之间； T液体在电极粗糙处强场区滞留的时间； A常数； C液体比热； B液体气化热； E为液体击穿场强。 式(2-22)可以粗略地估算液体介质的击穿场强。 当液体温度升高时，击穿场强下降。 当液体介质中电场很强，致使有高能电子出现时，当液体介质中电场很强，致使有高能电子出现时， 也会发生上述类似的过程，液体放气，这就是电离化也会发生上述类似的过程，

8、液体放气，这就是电离化 气的观点。放电时产生的气体并不是蒸气，而是氢气。气的观点。放电时产生的气体并不是蒸气，而是氢气。 对绝缘油击穿时的气体进行光谱分析，证明了不存在对绝缘油击穿时的气体进行光谱分析，证明了不存在 残留的空气及油的蒸气，主要存在的是氢气。残留的空气及油的蒸气，主要存在的是氢气。 工程用液体介质或多或少含有一些杂质，在工 程纯液体介质的击穿中，这些杂质起决定性作用。 杂质大致主要有以下两种 三、工程纯液体电介质的杂质击穿 水分 固体杂质 水分的影响 图2-11 变压器油Eb与含水 重量浓度m的关系 水分在液体中呈悬浮状态存水分在液体中呈悬浮状态存 在时，水分呈圆球状即胶粒，在时

9、，水分呈圆球状即胶粒， 均匀悬浮在液体中，一般直径均匀悬浮在液体中，一般直径 约为约为10 10 -2 -2 10 10 -4 -4 cm cm。在外电。在外电 场作用下，由于水的介电常数场作用下，由于水的介电常数 很大，水球容易极化而沿电场很大，水球容易极化而沿电场 方向伸长成为椭圆球，如果定方向伸长成为椭圆球，如果定 向排列的椭圆水球贯穿于电极向排列的椭圆水球贯穿于电极 间形成连续水桥，则液体介质间形成连续水桥，则液体介质 在较低的电压下发生击穿。在较低的电压下发生击穿。 2. 固体杂质的影响固体杂质的影响 当液体介质中有悬浮固体 杂质微粒时，也会使液体介质 击穿场强降低。一般固体悬浮 粒

10、子的介电常数比液体的大， 在电场力作用下，这些粒子在 电极表面电场集中处逐渐积聚 起来。考克（Kok）根据这种 现象提出液体介质杂质小桥击 穿模型（见图2-13）并进行了 理论计算。 图2-13 杂质小桥击穿模型 小桥理论 气体桥击穿气体桥击穿 工程用液体电介质中含有工程用液体电介质中含有 水分和纤维、金属末等固体杂质。在电水分和纤维、金属末等固体杂质。在电 场作用下，水滴、潮湿纤维等介电常数场作用下，水滴、潮湿纤维等介电常数 比液体电介质大的杂质将被吸引到电场比液体电介质大的杂质将被吸引到电场 强度较大的区域，并顺着电力线排列起强度较大的区域，并顺着电力线排列起 来，在电极间局部地区构成杂质

11、小桥。来，在电极间局部地区构成杂质小桥。 小桥的电导和介电常数都比液体电介质小桥的电导和介电常数都比液体电介质 的大，这就畸变了电场分布，使液体电的大，这就畸变了电场分布，使液体电 介质的击穿场强下降。如杂质足够多，介质的击穿场强下降。如杂质足够多， 则还能构成贯通电极间隙的小桥。杂质则还能构成贯通电极间隙的小桥。杂质 小桥的电导大，因而小桥将因流过较大小桥的电导大，因而小桥将因流过较大 的泄漏电流而发热，使液体电介质及所的泄漏电流而发热，使液体电介质及所 含水分局部气化，而击穿将沿此气体桥含水分局部气化，而击穿将沿此气体桥 发生。发生。 冲击电压情况下 电场和电压种类对杂质形成小桥的过程有显

12、著影响。在 均匀或稍不均匀的电场中，杂质的影响特别明显。直流电 压下,杂质逐渐向电极间聚拢，并构成连续小桥,导致击穿。 交流电压下,杂质虽然也将被吸入电极间隙,但因杂质运动 速度小于电极上电压极性的变动速度，因此在长间隙中难 于形成连续小桥。杂质聚集在电极附近，畸变了电场分布， 降低了液体电介质的击穿场强。在冲击电压作用下，杂质 来不及运动，它们的影响不如直流电压下和交流电压下严 重。极不均匀电场中，电极间隙中电场强度较强区域内的 液体会强烈扰动，杂质不可能形成小桥，它们对液体电介 质击穿的影响较弱。 小桥理论 如果杂质小桥未接通电极 杂质与油串联杂质与油串联 油分解出气体油分解出气体电导大，

13、电场强度增大，电离电导大，电场强度增大，电离 气体小桥气体小桥 发热，促使气化发热，促使气化 泄漏电流增大泄漏电流增大电导大电导大 杂质小桥接通电极 特殊情况 液体电介质中的沿面放电 沿着液体与固体电介质分界面， 在液体电介质中发生的电晕、滑闪、闪络放电现象。液体 电介质中沿面放电的规律性与气体中沿面放电相似(见沿面 放电)。在液体电介质中发生的放电，不仅使液体变质、劣 化，而且放电产生的热作用和剧烈的压力变化可能使某些 固体电介质内产生气泡。在放电的多次作用下,这些固体电 介质会出现分层、开裂现象,这时放电就有可能在固体电介 质内部发展，绝缘结构的击穿电压因此下降。 电场越均匀，杂质对击穿电

14、压的影响越大，击穿电压电场越均匀，杂质对击穿电压的影响越大，击穿电压 的分散性也越大，而在不均匀电场中，杂质对击穿电压的的分散性也越大，而在不均匀电场中，杂质对击穿电压的 影响较小。影响较小。 实际中变压器油的化学特性 变压器油是石油的一种分馏产物，主要成分是烷烃、环烷族 饱和烃、芳香烃不饱和烃等化合物。俗称方棚油，浅黄色 透明液体，相对密度0.895，凝固点-45 工程用变压器油常见型号 1)根据国标GB2536-90将变压器油以凝固点高低来划分三个 牌号，分别是10#、25#和45#。主要用于330KV以下的 变压器及类似要求的电器设备 (2)超高压变压器油：按低温性能分为25#和45#油

15、，适用于 50kV变压器及类似的电气设备。 变压器油三个主要作用 （1）绝缘作用：变压器油具有比空气高得多的绝缘强度。 （2）散热作用：变压器油的比热大，常用作冷却剂。 （3）消弧作用：在油断路器和变压器的有载 调压开关 上，触头切换时会产生电。 变压器油击穿过程和特点 就是之前说简述的击穿理论就是之前说简述的击穿理论 变压器油击穿过程可用气泡击穿理论来解释，整个过程由气泡变压器油击穿过程可用气泡击穿理论来解释，整个过程由气泡 的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并聚成小桥，即：杂质、的形成、发热膨胀、气泡通道扩大并聚成小桥，即：杂质、 气泡在电场作用下，在电极之间形成小桥，击穿沿小桥发气泡在电场作

16、用下，在电极之间形成小桥，击穿沿小桥发 生。有热的过程，属于热击穿的范畴。有两种情况发生即生。有热的过程，属于热击穿的范畴。有两种情况发生即 杂质小桥尚未接通电极和杂质小桥接通电极。杂质小桥尚未接通电极和杂质小桥接通电极。 变压器油击穿特点：在均匀电场工频电压升变压器油击穿特点：在均匀电场工频电压升 高到某一值时可能会出现火花放电，消失高到某一值时可能会出现火花放电，消失 后即可恢复其电气强度。反复出现火花即后即可恢复其电气强度。反复出现火花即 会发生稳定击穿。会发生稳定击穿。 变压器油击穿电压的影响因素 1、油的含水量 2、油中杂质 3、油中含气量 4、油温 5、电场均匀程度 6、电压作用时

17、间 7、油压影响 8、油的距离效应 9、油的流动速度 变压器油击穿电压的影响因素 油的流动速度：随着流速增加， 交直流击穿特性均为拱形曲线。 变压器油击穿电压的影响因素 油的体积效应：变压器油具有“体积效应”，油体积越小击穿场强 越高。 1、提高油的品质 采用过滤、干燥、脱气方法 2、油中加屏障 阻止小桥的发展，采用薄纸筒-小油隙结构 3、采用真空注油工艺 变压器油中含有较多空气时，其中的氧气与油发生氧化老化，而油中的气 泡在电场作用下产生局部放电，使气泡附近的油产生分解老化。 4、采用密封式储油柜 采用隔膜式、胶囊式及金属膨胀器式等密封式储油柜，使变压器油与外界 空气隔离，从而使油对氧气的吸

18、收作用限制到最小限度。另外，用压力释 放阀代替密封性能不佳的安全气道，避免氧气、水分与变压器内部的油相 接触。 5、避免金属与油直接接触 金属材料中铜对油的触媒作用最强，但铜又是变压器中的主要材料，因此 应特别注意尽量避免铜与油直接接触。 提高液体介质击穿电压的措施 6、防止日光照射、防止日光照射 变压器中经常暴露在阳光下的油的数量虽然不多，但日光的触媒变压器中经常暴露在阳光下的油的数量虽然不多，但日光的触媒 作用必须设法避免。一般变压器的油位指示器及高压套管的玻璃作用必须设法避免。一般变压器的油位指示器及高压套管的玻璃 储油柜等本身的油量是很少的，但若过分劣化后，即可成为全部储油柜等本身的油量是很少的，但若过分劣化后，即可成为全部 油劣化的诱导体。通常，防止日光照射老化的措施有如下：油劣化的诱导体。通常，防止日光照射老化的措施有如下： （1）变压器储油柜采用指