轨道交通高压设备检测和试验课件：液体电介质的击穿特性分析

液体电介质的击穿特性分析目录液体电介质的击穿特性液体电介质的击穿理论影响液体电介质击穿电压的因素提高液体电介质击穿电压的措施0102030401液体电介质的击穿特性※

击穿机理的研究远不及对气体电介质的研究那么充分。这是因为工程中实际使用的液体介质并不是完全纯净的，往往含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿过程有很大影响。Ø液体电介质的用途

：•绝缘•散热•灭弧(断路器)•储能(电容器)①变压器油②断路器油③电缆油……①芳烃合成油②硅油③酯油……①菜籽油②山茶籽油③花生油……与气体电介质相似，液体电介质在强电场作用下也会出现由绝缘介质转变为导体的击穿过程。01

液体电介质的击穿特性液体电介质人工合成油矿物油植物油✔最常用，从石油中提炼出来02液体电介质的击穿理论(一)纯净液体电介质的击穿1、电击穿理论Ø与气体电介质的击穿理论相似

：在液体介质中，由于外界的高能射线或局部强电场的作用或阴极上的强电场发射等原因，介质中总存在有一些初始电子在

电场作用下向阳极作加速运动并积累能量，与液体分子发生碰撞产生碰撞游离，形成电子崩导致液体电介质失去绝缘能力而发生击穿。Ø击穿场强随物性参数的变化规律：密度↑→击穿场强↑温度↑→击穿场强↓电压作用时间↓→击穿场强↑因此纯净液体电介质的耐电强度比常态下气体电介质的耐电强度高得多，击穿场强可达1000kV

(幅值)/cm以上。由于液体电介质的密度远比气体电介质的密度大，所以电子在其中的自由行程很短，不容易积累起产生碰撞游离所需的动能。02

液体电介质的击穿理论碰撞电离初始电子电子崩击穿(一)纯净液体电介质的击穿2、气泡击穿理论当纯净液体电介质承受较高的电场强度时

，在其中会有气泡产生。Ø气泡产生主要原因：(1)电子电流会使液体发热而分解出气泡；(2)电子在电场中运动会与液体电介质分子发生碰撞而导致液体分子解离产生气泡

；(3)由于电极表面粗糙等原因导致局部电场集中处发生电晕放电而使液体加热汽化产生气泡。Ø击穿过程：※气泡击穿理论依赖于气泡的形成、发热膨胀、气体通道的扩大并排列成“小桥”,有热的过程，属于热击

穿的范畴。排列成连通两电极的小桥

击穿可能在此通道发生02

液体电介质的击穿理论产生的带电粒子撞击分解

气体，产生更多气泡原始气泡产生

分配到较大场强气泡电离温度升高、体积膨胀Ø用“小桥”理论来说明其击穿过程由于液体电介质中水和纤维的εr

(分别为81和6~7)比油的εr

(1.8~2.8)大得多，这些杂质很容易极化并沿电场方向定向排列成杂质小桥。这时会发生两种情况

： (1)如果杂质小桥尚未接通电极，则纤维等杂质与油串联，由于纤维的εr

大以及含水分纤维的电导大，使其端部油中电场强度显著增高并引起电离，于是油分解出气体，气泡扩大，电离增强；(2)如果杂质小桥接通电极，因小桥的电导大而导致泄漏电流增大，发热严重，促使水分汽化

，气泡扩大，发展下去也会出现气体小桥，使油隙发生击穿。(二)工程用液体电介质的击穿气泡击穿理论可以推广到由其他悬浮杂质引起的击穿，从而较好地解释变压器油等工程用液体介质的击穿过程。Ø工程用液体电介质由于杂质的存在

，击穿场强大大降低

，约为120~200kV

(幅值)/cm。Ø以工程用变压器油为例

，杂质主要为

：•油与大气接触时从大气中吸收的气体和水分；•脱落的纸或布的纤维；•油质劣化分解出的气体、水分和聚合物等02

液体电介质的击穿理论使油中电场分布畸变影响击穿场强杂质的ε

和

γ

异于绝缘油03影响液体电介质

击穿电压的因素液体电介质击穿电压的大小既决定于其自身品质的优劣，也与温度、电压等外界因素有关。(一)液体电介质本身品质的影响：取决于所含杂质的多少

，杂质越多、

品质越差、

击穿电压越低。

通常用标准油杯按标准试验方法测得的工频击穿电压来衡量其品质的优劣

。Ø我国采用的标准油杯Ø不同电压等级电气设备中所用变压器油应符合的电气强度：

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影响液体电介质击穿电压的因素液体电介质击穿电压的大小既决定于其自身品质的优劣，也与温度、电压等外界因素有关。(一)液体电介质本身品质的影响：取决于所含杂质的多少

，杂质越多、

品质越差、

击穿电压越低。1、含水量对耐电强度的影响Ø存在方式(1)含水量极微小时，水分以分子状态溶解于油中，对耐电强度影响不大

；(2)含水量超过其溶解度时，多余的水分以乳化状态悬浮于油中

，对油的耐电强度有很强烈影响

；(3)含水量继续增大时，多余的水分沉淀到油的底部

，击穿电压不再下降

，但对于油的绝缘性能非常有害。Ø在标准油杯中测出的变压器油的工频击穿电压与含

水量的关系

：(1)当油中含水量达十万分之几时，它对击穿电压就有明显的影响，这意味着油中已出现悬浮状水滴

；(2)当油中含水量达0.02%时，击穿电压已下降至

10kV

；(3)含水量继续增大时,击穿电压下降已不多。

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影响液体电介质击穿电压的因素液体电介质击穿电压的大小既决定于其自身品质的优劣，也与温度、电压等外界因素有关。(一)液体电介质本身品质的影响：取决于所含杂质的多少

，杂质越多、

品质越差、

击穿电压越低。2、含纤维量对耐电强度的影响当油中有纤维存在时，在电场力的作用下，纤维将沿着电场方向极化排列成杂质小桥，使油的击穿电压大大下降。纤维具有很强的吸附水分的能力，吸湿的纤维对击穿电压的影响更大。3、含气量对耐电强度的影响溶解于油中的气体在短时间内对油的性能影响不大，主要是使油的黏度和耐电强度稍有降低。其主要危害为：当温度、压力等发生改变时，溶解在油中的气体可能析出，成为自由状态的小气泡，容易导致局部放电；溶解在油中的氧气经过一定时间会使油逐渐氧化,酸价增大,并加速油的老化。4、含碳量对耐电强度的影响细而分散的碳粒对油的耐电强度的影响并不显著，但碳粒(再加吸附了某些水分和杂质)逐渐沉淀到电气设

备的固体介质表面形成油泥，易造成油中沿固体介质表面的放电，同时也影响散热。

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影响液体电介质击穿电压的因素液体电介质击穿电压的大小既决定于其自身品质的优劣，也与温度、电压等外界因素有关。(二)温度的影响：击穿电压与油温的关系比较复杂，随电场的均匀程度、油的品质及电压类型的不同而异。Ø曲线1

：纯净的绝缘油油温升高有利于碰撞电离，击穿电压稍有下降。Ø曲线2

：潮湿的绝缘油(1)0℃以下：水滴冻结成冰粒，油也将逐渐凝固，使击穿电压升高；(2)自0℃上升：部分水溶解，击穿电压上升；(3)0~5℃：全部水分转化为乳浊状态，导电小桥最易形成，出现击穿电压最小值；(4)超过80℃：水开始汽化产生气泡，引起击穿电压下降。

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影响液体电介质击穿电压的因素液体电介质击穿电压的大小既决定于其自身品质的优劣，也与温度、电压等外界因素有关。(三)电场均匀度的影响Ø保持油温不变，改善电场的均匀度，能使优质油的工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压；Ø品质差的油由于含杂质较多，改善电场对提高其工频击穿电压的效果较差

；Ø在冲击电压下，因杂质来不及形成小桥，杂质对击穿电压的影响很小，所以改善电场总能显著提高其冲击击穿电压。(四)电压作用时间的影响Ø当电压作用时间极短

，小于毫秒级

(如雷电冲击电压)

时

：油的击穿属于电击穿性质，击穿电压比较高，且影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度，杂质在其中的影响还不能显示出来；Ø当电压作用时间更长时

：油中的杂质开始聚集，且有足够的时间在间隙中形成小桥

，油隙的击穿开始出现热过程，击穿电压随电压作用时间的增长而显著

下降，属于热击穿的性质。(五)油压的影响Ø不论电场是否均匀，工业纯变压器油的工频击穿电压总是随油压的增大而增大；Ø如果将油进行脱气处理，则其工频击穿电压就几乎与油压无关；Ø由于油中的气泡等杂质不影响冲击击穿电压，所以油压的大小不影响油隙的冲击击穿电压。

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影响液体电介质击穿电压的因素04提高液体电介质

击穿电压的措施过滤防潮祛气工程用油中的杂质对油隙的工频击穿电压有很大的影响。设法减少杂质的影响，提高油的品质是提高击穿电压的首要措施，常用方法如下

：(一)提高及保持油的品质

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提高液体电介质击穿电压的措施工程用油中的杂质对油隙的工频击穿电压有很大的影响。设法减少杂质的影响，提高油的品质是提高击穿电压的首要措施，常用方法如下

：(二)采用“油-屏障”式绝缘以变压器油为主要电介质，在油隙中放置若干屏障以改善电场分布和阻止杂质小桥的形成，能显著提高油隙的击穿电压。1、覆盖层Ø紧紧包在小曲率半径电极上的薄固体绝缘层

，不会引起油中电场的改变，主要作用是阻止杂质小桥直接接触电极

，减小了流经杂质小桥的泄漏电流，阻碍了杂质小桥中热击穿过程的发展。Ø在均匀电场中，击穿电压可提高70%~100%；在极不均匀电场中，击穿电压可提高10%~15%。2、绝缘层Ø厚度为数毫米到数十毫米

，能分担一定的电压，且能降低电极表面附近的最大电场强度；Ø通常只用在不均匀电场中，用于变压器的高压引线、屏蔽环，以及充油套管的导电杆。3、屏障Ø在油隙中放置的尺寸较大、

形状与电极相适应、

厚度为1~5mm的层压纸板或层压布板

；Ø既能阻碍杂质小桥的形成，又能像气体介质中的屏障那样拦住一部分带电粒子；Ø在稍不均匀电场中放置屏障，可将击穿电压提高25%以上；在极不均匀电场中放置屏障效果更为显著，可将击穿电压提高两倍甚至更高。

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提高液体电介质击穿电压的措施常用方法如下

：(二)采用“油-屏障”式绝缘以变压器油为主要电介质，在油隙中放置若干屏障以改善电场分布和阻止杂质小桥的形成，能显著提高油隙的击穿电压。

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提高液体电介质击穿电压的措施工程用油中的杂质对油隙的工频击穿电压有很大的影响。设法减少杂质的影响，提高油的品质是提高击穿电压的首要措施，高压引线绝缘层高压引线绝缘层屏障思政融入本节学习的液体电击穿理论中指出，液体的击穿