哈工大高电压技术 2 液体介质击穿

第二节液体介质的击穿

液体介质的击穿理论

影响液体介质击穿电压的因素

减少杂质影响的方法

液体介质主要有天然的矿物油和人工合成油及蓖麻油等植物油。工程中使用的油含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿有很大的影响

一旦作用于固体和液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、电导和介质损耗了。与气体介质相似，液体和固体介质在强电场(高电压)的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程一、液体介质的击穿理论(一)电子碰撞电离理论（电击穿理论）当外加电场较高时，液体介质内会由于各种原因产生气泡，如：①电子电流加热液体，分解出气体；②电子碰撞液体分子，使之解离，产出气体；③静电斥力，电极表面吸附的气泡表面积累电荷，当静电斥力大于液体表面张力时，气泡体积变大；④电极凸起处的电晕引起液体气化由于串联介质中，场强的分布与介质的介电常数成反比，气泡r=1，小于液体的r

，因而气泡承担比液体更高的场强，偏偏气体耐电强度又低，所以气泡先行电离，一旦电离的气泡在电场中堆积成气体通道，则击穿在此通道内发生（被掩盖的气体放电）（二）非纯净液体电介质的“小桥”击穿理论

由于水和纤维的介电常数分别为81和6~7，比油的介电常数1.8~2.8大得多，从而这些杂质容易极化并在电场方向定向排列成导电纤维桥 纤维桥的导电率高，电流密度大，使纤维附近的潮气或液体蒸发，从而形成气泡并发生局部热击穿(a)(b)(a)形成“小桥”

(b)未形成“小桥”受潮纤维在电极间定向示意图（缺陷处的局部热击穿）二、影响液体击穿电压的因素(一)水分和其他杂质水在变压器油中有两种状态：①溶解状态:高度分散、且分布非常均匀；②悬浮状态:呈水珠状一滴一滴悬浮在油中。

右图表示在常温下油的含水量对均匀电场油间隙工频击穿电压的影响。当油中含水量达十万分之几时，对击穿电压就有明显影响

当油中还含有其他杂质时，击穿电压的下降程度随杂质的种类和数量而异

均匀电场油间隙的工频击穿电压与温度的关系如右图所示(二)油温

击穿电压与温度的关系比较复杂，随电场的均匀度、油的品质以及电压类型的不同而异

不论在均匀电场中还是不均匀电场中，随温度上升，冲击击穿电压均单调地稍有下降

在极不均匀电场中，随温度上升，工频击穿电压下降，如图右所示(三)电场均匀度优质油：保持油不变，而改善电场均匀度，能使工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压品质差的油：改善电场对于提高其工频击穿电压的效果较差

在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关(四)电压作用时间

油隙的击穿电压会随电压作用时间的增加而下降，加电压时间还会影响油的击穿性质。

从右图的两条曲线可以看出：

在电压作用时间短至几个微秒时击穿电压很高，击穿有时延特性，属电击穿；

电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来，仍为电击穿，这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度；

电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿(五)油压的影响

不论电场均匀度如何，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增加而增加，这是因为油中气泡的电离电压增高和气体在油中的溶解度增大的缘故

经过脱气处理的油，其工频击穿电压几乎与油压无关

从以上讨论中可以看出，油中杂质对油隙的工频击穿电压有很大的影响，所以对于工程用油来说，应设法减少杂质的影响，提高油的品质

通常可以采用过滤、防潮、祛气等方法来提高油的品质，在绝缘设计中则可利用“油—屏障”式绝缘(例如覆盖层、绝缘层和隔板等)来减少杂质的影响，这些措施都能显著提高油隙的击穿电压覆盖层：限制泄露电流，阻止小桥发展（电缆纸，黄蜡布或漆膜等材料）绝缘层：降低电极表面附近的场强隔板：阻止纤维桥形成，改善电场均匀度三、减小杂质影响的方法小结

液体介质的击穿可用以下理论来解释：

电子碰撞电离理论（电击穿理论）（被掩盖的气体放电）纤维桥接理论（“小桥”击穿理