纯净液体电介质的气泡击穿理论共32页文档

（二）以电子崩发展至一定大小为击穿条件
定义α为液体介质上一个电子沿电场方向 类似气体放电 行径单位距离平均发生的碰撞电离次数 条件的处理
1 eChveE
单位距离 电离几率 碰撞总数
电极距离
Eb

Chv
eln(d A)
设击穿条件为dA
其他参数一定时 Eb∝1/lnd
二、含气纯净液体电介质的气泡击穿理论
发热量可达1013J/s·m3，足以使附近的液体气化。
设温度为T0的m克液体加热至沸点Tm并气化 所需热量为ΔH，则
ΔH=m[c(Tm-T0)+lb]
液体比热 液体气化热
由于阴极场致发射电子，单位体积、单位时间内引 起的能量损耗 u 可近似地用下列半经验公式表示， 即
u=AEnτ 当液体得到的
n-代表空间电荷影响的常数 τ-液体在电极粗糙处场强区
利用分光光度法对物质进行 定量定性分析的仪器
对绝缘油击穿时的气体进行光谱分析，发现不存在残留 的空气和油的蒸气，主要存在的是氢气。
电离化气和热化气一样，仅讨论了产生气体的原因，而 没有解决气泡出现与液体击穿现象间的定量关系问题
三、工程纯液体电介质的杂质击穿
（一）水分的影响
（二）固体杂质的影响
液体介质中 含水分
C-大于1的整数
E Chv
b e
如何确定电子平均自由行程？
以直链型碳氢化合物液体为例 设液体分子浓度为N，分子由各种CH基团组成，Sj代 表第j个基团的碰撞截面，设一个分子主链由m个原子 构成，原子间有效距离为h0，线型分子的有效半径为a， 则一个分子的总碰撞截面为
S=ΣSj=2a(m-1)h0=s0(m-1)
2H0→H2↑ CnH2n+2+CmH2m+2→

杂质中εr大
油中电场强度 增高 油分解出气体 气泡扩大
气泡因电 离或发热而 不断扩大， 排列成气体 小桥贯穿两 极，液体最 终在气体通 道中击穿
引起油电离
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高电压技术
第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿 二．影响液体电介质击穿电压的因素
1. 液体介质本身品质的影响
① 含水量 液态水在油中的两种状态： 以分子状态溶解于油中， 对击穿电压影响不大 以乳化状态悬浮在油中， 易形成“小桥”使击穿电 压明显下降 含0.1%的水分，油的击穿电 压降到干燥时的15%~30%
米
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第三章 液体和固体介质的电气特性
第二节 液体电介质的击穿
2. 温度
干燥的油（曲线1）：随油温升 高，电子碰撞电离过程加剧，击 穿电压下降 潮湿的油（曲线2） 温度由0℃开始 上升：一部分水 分从悬浮状态转为害处较小的溶 解状态，使击穿电压上升； 超过80 ℃后：水开始汽化，产生 气泡，引起击穿电压下降，在60 ℃～80℃间出现最大值
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第三章 液体和固体介质的电气特性
3. 工程液体电解质的击穿（变压器油）
工程液体的特点：含有杂质、纤维等， εr很大（变压器油εr=2.2）
由于水和纤维的εr很大，易沿电场方向发生极化，并排列成杂质小桥。
杂质中电导大 小桥 击穿 理论 水分汽化
泄漏电流增加 ，导致发热
气泡扩大
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第三章 液体和固体介质的电气特性
2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论
击穿过程 液体中出现气泡 交流电压下串联介质中电场强度 的分布与介质的εr成反比 气泡εr 最小，将承担高场强，且 电气强度比液体介质低很多 气泡电离后温度 上升、体积膨胀 、密度减小 气泡先发 生电离

（二）采用固体介质降低杂质的影响
• 1、覆盖层 • 覆盖层是指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层，他的作用
主要是使油中的杂质、水分等形成的“小桥”不能直接与 电极接触，从而减小了流经杂质小桥的电流，阻碍了杂质 “小桥”中热击穿过程的发展。适用于电场较均匀时。 • 2、屏障 • 屏障又叫隔板，是放在电极间油间隙中的固体绝缘板屏障 的作用一方面是阻隔杂质“小桥”的形成；另一方面可改 善油间隙中的电场分布，从而提高油间隙的击穿电压。
• 当电场极不均匀时,油的品质对油的击穿电 压影响很小.
（一）减少液体介质中的杂质
• 1、过滤 • 将油在压力下连续通过滤油机中的大量滤纸层，油中的杂质（包括纤
维，炭粒，树脂，油泥等）被滤纸阻挡，油中大部分的水分和有机酸 等也被滤纸纤维吸附，从而大大提高了油的品质。 • 2、祛气 • 常用的方法是先将油加热，在真空中喷成雾状，油中所含水分和气体 机挥发并被抽走，然后在真空条件下将油注入电气设备中。
• (3)含碳量 • 从变压器油中分解出来碳粒,新生的碳粒有很强的吸附水和气体的能力,使油的
耐电强度提高.当其吸附能力饱和后会沉积到介质表面,影响散热,且易造成油 中沿固体介质表面的放电.所以含碳量过高,也会影响其击穿电压.
• 电场越均匀,杂质越易形成小桥,杂质对油的 击穿电压的影响越大.
• 只有油的纯净度高时,改善电场分布能使工 频或直流电压下的击穿电压明显提高.
• 3、吸附剂 • 在运行中保持油的品质的方法是吸附剂循环过滤法。吸附
剂是一种很微小的颗粒，具有很大的吸附面，对水及油的 老化产物具有很强的吸附能力。运行中自然加热的油通过 很厚的吸附剂层，可使油中的水分和老化产物滤去。 • 4、防潮 • 油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时刻用真空干燥法去 除水分；在油箱呼吸器的空气入口放干燥剂防潮气进入。

图2-11 变压器油Eb与含水 重量浓度m的关系
2. 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 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 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 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小桥。 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 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 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 含水分局部气化，而击穿将沿此气体桥 发生。
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
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、 气泡在电场作用下，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 杂质小桥尚未接通电极和杂质小桥接通电极。
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 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 残留的空气及油的蒸气，主要存在的是氢气。
三、工程纯液体电介质的杂质击穿
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

②80度以上： 温度↑→汽化↑→Ub↓
③-5度-0度：冰水、全部悬浮，Ub最低 ④-5度以下：粘度↑→小桥不易形成→Ub↑
3、电场均匀度
电场较均匀时，电场越均匀杂质小桥越易形成，油的品质 对工频Ub影响越大； 电场极不均匀时，电极附近电场很强，造成强烈电离，电 场力对带电质点的强烈作用使该处的油剧烈扰动，杂质和水 分很难形成“小桥”。
悬浮态的水易在电场下形成 “小桥”，对击穿电压影响很大；
变压器油中含水量超过溶解度 50ppm时，含水量↑→Ub迅速↓
（2）纤维越多，杂质小桥越易形 成，击穿电压越低
有纤维存在时，水分影响特别明显
（3）气体含量超过油中溶解度时， 将以自由态出现→Ub迅速↓
2、油温
①0-60度： 温度↑→水珠溶解度↑→Ub↑
2、热击穿理论
由于电导γ存在→损耗→发热→T↑→R↓→I↑↑→损耗 发热↑↑(Q发>Q散)→T↑↑→介质分解、劣化→击穿
热击穿的主要特点：
击穿与环境、电压作用时间、电源频率及介质本身有关。 击穿时间较长，击穿电压较低。
3、电化学击穿
固体介质在电、热、化学和机械力长期作用下，会逐渐 发生某些物理化学过程，使其绝缘性能逐渐劣化，这种 现象称为绝缘的老化。 由于绝缘的老化而最终导致的击穿称为电化学击穿。 最终可能是电击穿也可能是热击穿。 电化学击穿特点： 长时间；击穿电压低（工作电压下即可能发生）
2、工程用变压器油的击穿过程及其特点
可用气泡击穿理论解释其过程，依赖于气泡的形成、发热膨 胀、气泡通道扩大并形成小桥，有热过程，属于热击穿范畴。 由于水和纤维的εr很大，易沿电场方向极化定向，并排列成 杂质小桥。
油中受潮→水分(εr=81) 纸布脱落→纤维(εr=6-7) 有两种情况： (1)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，发热会 促使汽化，气泡扩大，发 展下去会出现气体小桥， 使油隙发生击穿。

二、影响变压器油绝缘性能的因素
液体介质的击穿（变压器油）
影响变压器油绝缘性能的除了氧气和温度这两个主 要的因素外，还有日光照射、强电场、水分、纤维、金 属等这些因素都会加速变压器油的劣化。 1、 氧气的影响 变压器油的氧化程度，由可溶性酸、酸值等的含量 反映，而酸值的增加表示油已处于氧化阶段。对击穿电 压影响比较大的是杂质和油的污染程度，这种油污染情 况主要是指油中的含水量。 变压器油氧化后不仅酸值增加，tgδ 增大，而且粘度 也在增加，油色逐渐变为橙黄色、暗黄色以及深褐色， 透明度下降，当氧化严重时还能析出油泥和水分。
2. 液体电介质的气泡击穿理论热液体，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。 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 ，承担比液体 更高的场强，而气体耐电强度却低，因此， 气泡先行电离。当电离的气泡在电场中堆积 成气体通道，击穿在此通道内发生
4、强电场的影响 强电场附近的油发生强烈分解和老化，另外强 电场造成局部放电其产生的带电粒子撞击油分子并 使油发生裂解。
液体介质的击穿（变压器油）
液体电介质的电导
两种电导： 1、离子电导：液体本身（本证离子）或杂质的分 子解离的离子（杂质离子）决定， 2、电泳电导：也称电流电导，由固体或液体杂质 以高级分散状态悬浮于液体中形成的胶体质点吸附 离子而带点电造成的。
2、 温度影响 当油温低于60～700C时，油的氧化很微弱 。油温再高，氧化开始加快，大约温度每增高1 00C油的氧化速度增大一倍。而当油温超过115 ～1200C时，油将开始产生裂解。 3、水分的影响 水分在变压器油中以三种状态存在：溶解 于油中、悬浮在油中或沉积于设备的底部，其 中以悬浮在油中的水分对变压器油绝缘性能的 影响最大，而油中的极性杂质的存在也会助长 水分对绝缘性能的影响

（二）以电子崩发展至一定大小为击穿条件
定义α为液体介质上一个电子沿电场方向 行径单位距离平均发生的碰撞电离次数
类似气体放电 条件的处理

1

e Chv eE
电离几率 电极距离
单位距离 碰撞总数
Chv Eb e ln(d A )
设击穿条件为d A
其他参数一定时 Eb∝1/lnd
二、含气纯净液体电介质的气泡击穿理论
一次碰撞中，液体分子平均吸收的能量为一个振动能 量子hʋ。
当电子在相邻两次碰撞间得到的能量大于hʋ，电子就 能在运动过程中逐渐积累能量，至电子能量大到一定 值时，电子与液体相互作用时便导致碰撞电离。
2.定量分析 设电子电荷为e,电子平均自由程为λ，电场强度为E 则碰撞电离的临界条件为 eEλ=Chʋ 如果把这个条件作为击穿条件，则击穿场强可写为
Chv E e
b
C-大于1的整数
如何确定电子平均自由行程？
以直链型碳氢化合物液体为例
设液体分子浓度为N，分子由各种CH基团组成，Sj代 表第j个基团的碰撞截面，设一个分子主链由m个原子 构成，原子间有效距离为h0，线型分子的有效半径为a， 则一个分子的总碰撞截面为 S=ΣSj=2a(m-1)h0=s0(m-1)
(m-1)h0
2a
2h0 直链型碳氢化合物分子模型
已知电子平均自由程与碰撞截面的关系为

1 SN
液体分子浓度
M -液体分子量 ρ -密度 N0-阿佛伽德罗常数
N N0 M
代入上式，得
M M SN 0 N 0 S 0 (m 1)
从而根据击
穿场强的表达式得 固有振动频 率平均值 Chvi Chvi Eb S 0 (m 1) N 0 A(m 1) e e M M

2、采用固体介质降低杂质的影响 2）绝缘层——在曲率半径很小的电极包缠很厚的固体绝缘，改善 油中的电场分布。适用于极不均匀电场。
1）覆盖——在曲率半径较小的电极覆盖固体绝缘，以切断杂质小 桥、限制泄漏电流。适用于电场比较均匀的场合。
紧紧包在小曲率半径上 薄固体绝缘层（诸如电缆纸、黄蜡布、 漆膜等）称为覆盖，其厚度一般只有零点几微米，所以不会引起油 中电场的变化。它能阻止杂质小桥直接接触电极，因而能有效的控 制泄漏电流，从而阻碍杂质击穿过程的发展。电场约均匀，杂质小 桥对油隙击穿电压的影响越大，采用覆盖的效果越显著。由于采用 覆盖花费不多，而收效明显，所以在各种充油的电气设备中都很少 采用裸导体。
当覆盖的厚度增大到能分担一定电压时，即成为绝缘层，一般 厚度为数毫米到数十毫米。绝缘层不但能象覆盖那样减小油中杂质 的有害影响，而且能降低电极表面附近的电场强度，大大提高整个 油隙的工频击穿电压和冲击击穿电压。变压器中某些线饼或静电屏 上包以较厚的绝缘层都是为了这个目的。
3）屏障——”油-纸”或“油-布”绝缘，切断杂质小桥，改善电场 分布，提高油间隙的工频击穿电压。屏障的形式要因电极形状而定， 并且，屏障要足够大，已能包住电极。 如果在油隙中放置尺寸、形状与电极相适应、厚度为1～5mm 的层压纸板（筒）或层压布板（筒）屏障，那么它既能阻止杂质小 桥的形成又象气体屏障那样拦住一部分带电粒子，使电场变得比较 均匀。电场越不均匀，放置屏障的效果越好。 如果用多重屏障将油隙分隔成多个较短油隙，则击穿场强能 提高更多。但相临屏障间距不宜太小，因为这不利于油隙冷却循 环。另一方面，屏障的总厚度也不能太大，因为固体介质的介电 常数比变压器油大。所以固体介质总厚度的增加会引起油中电场 强度的增大。通常设计时控制屏障的总厚度不大于整个油隙长度 的1/3。

瓷绝缘子的老化 悬式绝缘子串中靠近铁塔悬挂点的最易损坏 电机绕组机械力作用，使绝缘受到损伤
温度突变产生内部应力
突然降雨使瓷表面骤冷，在其内部产生应力
2.5.4 环境的影响
环境条件对绝缘的老化有很大的影响
绝缘油的老化（氧化、温度》》》油枕） 户外绝缘应能耐受日晒雨淋 湿热区域使用的要有抗生物特性
气隙的产生
制造过程：浇注、挤压成型等 绝缘与电极接触不良
2.3.3.1 局部放电的等值电路
Cm>>Cg>>Cb
Cb ug u C g Cb
1、微量压降
2、电流脉冲
放电前后，间隙g两端的电压变化为(Ug-Ur) C m Cb 对间隙g放电的电容量为： C g C m Cb
C m Cb 真实放电量Δqr为： q r 不可测！ C g C C U g U r C g C b U g U r m b
2.3 固体介质的击穿
固体介质的固有击穿强度比液体和气体介质高 特点：
击穿场强与电压作用的时间有很大关系 一旦击穿，绝缘无法自行恢复
1年=31536000s
2.3.1 电击穿
电击穿过程与气体中相似，电强足够强 时破坏介质晶格结构导致击穿 体积效应
由于材料的不均匀性，导致击穿场强分散性 很大；加大试样的面积或体积，使材料弱点 出现的概率增大，会使击穿场强降低
无机材料（云母、玻璃等）
有机材料的累积效应
2.3.2 热击穿
是一个热不平衡的过程
介质损耗导致发热和温度升高 温度升高加剧损耗和发热 发热与散热相等，达到平衡温度 发热大干散热，温度不断上升，造成热破坏
热击穿所需时间较长（几小时~几分钟）

2. 电离化气击穿
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+2→CnH2n+1+H0 CmH2m+2→CmH2m+1+ H0 2H0→H2↑ CnH2n+1+ CmH2m+1→Cn+mH2(n+m)+2 其中，H0为氢的游离基。 这种化气的作用解释为电离产生的高能电子使液体 分子C—H键（C—C键）断裂所致。
以产生泡条件作为液体击穿条件，即
AE τ = m [ c(Tm − T0 ) + lb ]
a b
(2-22）
式中 m ——代表空间电荷影响的常数 ，约在1.5～2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(2-23)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。
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2.3.1 高度纯净去气液体电介质的电击穿理论
1.碰撞电离开始作为击穿条件 假设液体分子热振能量是量子化的，那么当液 体分子基团的固有振动频率为υ时，在与电子的一 次碰撞中，液体分子平均吸收的能量仅为一个振动 能量子hυ（h是普朗克常数）。 电子在相邻两次碰撞间从电场中得到的能量大 于hυ时，电子就能在运动过程中逐渐积累能量，至 电子能量大到一定值时，电子与液体相互作用时便 导致碰撞电离。
当液体介质含有杂质时，杂质粒子的移动能使 液体内的电场发生畸变，均匀电场实际上已被畸变 为不均匀电场，所以杂质对击穿电压的影响较大。 相反，在极不均匀电场的情况下，杂质粒子移动到 场强度最大处，出现了较多的空间电荷，从而削弱 了强电场，致使杂质对击穿电压的影响变弱。对于 冲击击穿电压，杂质的影响也较小，因为在冲击电 压的短时作用下，它还来不及形成“小桥”。

155
H
180
C
>180℃
根据这个绝缘耐热等级可以进行设备运行负荷的最佳经 济性设计
19
§4.5 液体电介质击穿的机理
液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质（水分+杂质） 击穿机理不同：电击穿理论、气泡击穿理论 小桥击穿理论
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1. 纯净液体电介质的电击穿理论

液体中因强场发射等原因产生的电子，在电场 中被加速，与液体分子发生碰撞电离
第四章：
固体、液体和组合绝缘 的电气强度
1
§4.1 固体电介质击穿的机理


气、固、液三种电介质中，固体密度最大，耐电 强度最高
固体电介质的击穿过程最复杂，且击穿后是唯一 不可恢复的绝缘 普遍规律：任何介质的击穿总是从电气性能最薄 弱的缺陷处发展起来的，这里的缺陷可指电场的 集中，也可指介质的不均匀性
2
1. 固体电介质击穿特性的划分
击穿电压为一分钟耐压的百分比数 （％）
500 450 400 350 300 区域B 区域A 250 Φ 50 200 150 100 50 0 Φ 100 μs
AB：电击穿 C：热击穿
区域C
15.3
s
min
278h
10 -1 1
10 1 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 10 12
树老化类型：电树老化和水树老化 树老化的原因 电离性老化 电导性老化

15
树枝老化的一般形状
Tree-like
树枝状
Bush-like
灌木丛状
chestnut-like
栗子状
16