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液体电介质的击穿机理

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液体电绝缘介质及其击穿特性

液体电绝缘介质及其击穿特性


绝缘油分类
1、矿物油。 矿物油是从石油中提炼精制旳液体绝缘材料。石油旳主要成份是烷烃、环 烷烃和芳香烃，这些组分旳电气性能和老化稳定性优良。应用最广泛旳矿 物油就是变压器油。
2、合成油。 由人工合成旳液体绝缘材料。因为矿物绝缘油是多种碳氢化合物旳混合物， 难以除净降低绝缘性能旳组分，且制取工艺复杂，易燃烧，耐热性低，因 而人们研究、开发了多种性能优良旳合成油。如有机硅油和十二烷基苯等。
❖1 变压器油
【学习任务】了解变压器油旳基本特征和用途， 熟悉变压器油旳运营要求。
▪ 表征绝缘材料性能旳几种基本电气参数：
▪ ε －介电常数 ---表征极化强弱 ▪ ρ －电阻率 ---表征导电性能 ▪ γ －电导率 ▪ tgδ －介质损耗角正切 ---表征介质损耗大小
▪ E0 －击穿场强 ---表征绝缘性能（耐电性能） ▪ U －耐受电压 ▪
影响液体电介质击穿电压旳原因
4、电压作用时间
油旳击穿电压与电压作用时间有关。因为油旳击穿需要一定旳时间，所以 油间隙击穿电压会随所加电压作用时间旳增长而下降。 当电压作用时间较长时，油中杂质有足够旳时间在间隙中形成“小桥”， 击穿电压下降。对一般不太脏旳油做一分钟击穿电压和长时间击穿电压旳试 验成果差不多. 所以做油耐压试验时，只做一分钟。
变压器油旳物理性质
5）油旳闪点：油加热时所发生旳蒸气与空气所形成旳混合物， 在火焰接近时而闪火，此时是以温度作为闪点。闪点是表征油 旳蒸发度，油旳闪点越低，其挥发性越高。挥发性越小越好或 者说闪点越高越好，新油原则应不低于135℃。
二、变压器油旳基本特征
变压器油旳化学性质
1）酸值：变压器油旳酸值是指油中有机酸旳数值，油旳中 和酸度是指氧化试验后来旳数值。酸度旳常用计量措施是中 和所需旳KOH旳质量（mg），用mgKOH／g表达。酸性大 旳油会腐蚀金属设备。当油中有水分时，腐蚀性质强，酸价 逐年增大，反应了油旳劣化。
高电压技术 液体介质的击穿

高电压技术 液体介质的击穿


2.4 组合绝缘的特性
电气设备内部绝缘结构中常用液体与固 体介质构成组合绝缘
油—屏障绝缘 油纸绝缘
组合绝缘强度不仅取决于所用介质的绝 缘强度，还与介质的互相配合有关
2.4.1 油—屏障绝缘与油纸绝缘的特点
油—屏障绝缘
以油为主要绝缘介质，散热、冷却作用好 屏障的作用：改善油间隙中电场分布和阻止杂质小 桥的形成 广泛用于变压器中 屏障的总厚度不宜取得过大（否则可能引起油中场 强增高）
屏蔽电极的均压原理1（均压环）
工程中应 用很多！
屏蔽电极的均压原理2（均压环）
a:只考虑对地电容CE b:只考虑对导线电容CL c:同时考虑CE和CL
工程中应 用很多！
pause
2.6 电力系统过电压与绝缘配合
过电压（over voltage）
电气设备上出现的高于工作电压的电压
按来源形式分类
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
材料的相容性
绝缘与导体之间（化学反应、相容）
支柱绝缘子内屏蔽
330kV绝缘子柱
330kV及以上的悬式绝缘子串 一般也装有均压环 绝缘子数决定于线路所要求 的绝缘水平： 35kV-3片 110kV-7片 200kV-13片 330kV-19片 500kV-28片
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
第三章固体电介质和液体电介质的击穿特性

第三章固体电介质和液体电介质的击穿特性

学习内容： 一、 击穿过程?(击穿机理) 二、 影响液体介质击穿电压的主要因素? 三、 提高液体介质击穿电压的方法?
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
液体电介质
纯净的液体电介质 击穿机理不同
工程用液体电介质（含杂质）
一、液体电介质的击穿机理（击穿过程）
1．电击穿过程（碰撞游离）
碰撞游离开始作为击穿条件 电子崩发展至一定大小为击穿条件
液体电介质
纯净的液体电介质
击穿机理
电击穿过程
工程用液体电介质（含杂质）
电击穿过程 气泡击穿过程
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
1.杂质
2.温度 3.电场的均匀程度 4.电压作用时间 5.压力
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
油中含有杂质，击穿电压就会显著降低!
通过标准油杯中 变压器油的工频击 穿电压来衡量油的 品质
引言
空气的耐电强度 液体介质的耐电强度 固体介质的耐电强度
10 — 30kV/cm左右； 100 — 200 kV/cm； 一百多 — 几千kV/cm
液体、固体电介质是电气设备内绝缘的主要绝缘材料。
液体、固体电介质的电气强度高，用它们作为绝缘介质，可以大 大缩小导体间的绝缘距离，从而减小电气设备的体积。
二、影响液体介质击穿电压的主要因素 2.温度
①干燥的油 温度对有的击穿电压影响很小 ②受潮的油 冰－溶解－汽化＝击穿电压“N”形变化
二、影响液体介质击穿电压的主要因素
3.电场均匀程度
电场愈均匀，杂质越易形成“小桥”， 杂质对油在工频电压下的击穿电压的影响愈大。
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。
绝缘油的试验项目及标准
液体电介质

液体电介质


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
液体电介质的击穿特性

液体电介质的击穿特性


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3. 电压作用时间
Ubp（kV）（峰值） 冲击系数Kl最小值
700
Φ
600
50
20
50
0
10-6 10 -5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 1
t（s）
10 9 8
7 6
5 4 3 2 1
10 2
稍不均匀电场中变压器油的伏秒特性曲线
(虚线表示未经研究过的区域)
(虚线表示未经研究的区域)
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4. 电场均匀程度
油的纯净程度较高时，改善电场的均匀程度能 使工频或直流电压下的击穿电压明显提高
液体电介质击穿电压的分散性和电场的均匀程 度有关 工频击穿电压的分散性在极不均匀电场中不 超过5％，而在均匀电场中可达3040％
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5.压强
Ub(有效值)/kV
d
主要内容
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方法
（一）液体电介质的击穿理论
液体电介质 ：纯净的液体电介质 工程用液体电介质
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
在极不均匀电场中变压器油的击穿过程，先在 尖电极附近开始电离，电离开始阶段以后是流 注发展阶段，流注分级地向另一电极发展，放 电通道出现分枝，最后流注通道贯通整个间隙
与长空气间隙的放电过程很相似
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2. 纯净液体电介质的气泡击穿理论
当外加电场较高时，液体介质内由于各种原因 产生气泡 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。
高电压工程4(液固击穿)

高电压工程4(液固击穿)


四. 提高固体电介质击穿电压的措施
1. 改进制造工艺 清除杂质、水分、气泡；使介质尽可能致密均匀
2. 改进绝缘设计
采用合理的绝缘结构；改进电极形状，使电场尽 可能均匀；改善电极与绝缘体的接触状态，消除 接触处的气隙
3. 改善运行条件 注意防潮、防尘；加强散热
五. 绝缘老化
电气设备的绝缘在运行过程中受到电、热、化 学和机械力的长期作用，导致其物理、化学、电气 和机械等性能的劣化，称为绝缘的老化。
局部放电使电介质劣化损伤的机理：
• 放电过程产生活性气体O3、NO、NO2等对介质产生氧化和 腐蚀作用，使介质逐渐劣化；
• 放电过程产生的带电粒子撞击介质，引起局部温度上升， 加速介质氧化并使局部电导和介质损耗增加；
• 带电粒子撞击还有可能破坏有机高分子材料结构，使其裂 解；
• 放电产生的高能辐射线引起材料分解；
4. 受潮
对不易吸潮的材料，如聚乙烯、聚四氟乙烯、等中性介 质，受潮后击穿电压仅下降一半左右；容易吸潮的极性介质 ，如棉纱、纸等纤维材料，吸潮后的击穿电压可能仅为干燥 时的百分之几或更低。因为电导率和介质损耗大大增加的缘 故。
5. 累积效应
固体介质在不均匀电场中以及在幅值不是很高的过电压 、特别是雷电冲击电压下，介质内部可能出现局部损伤，并 留下局部碳化、烧焦或裂缝等痕迹。多次加电压时，局部损 伤会逐步发展，这称为累积效应。它会导致固体介质击穿电 压的下降。
浮于水中，多余的会沉淀到油底部。 潮湿的油由0℃开始 上升时，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，从而在60 ℃～80℃间出
现最大值
四、提高液体介质击穿电压的方法
液体电介质的击穿机理

液体电介质的击穿机理

Ub 40 3 ．电场的均匀程度 （有 Ub 效值） 电场越均匀，杂质对油在工频电压作用下的击 干燥的油 kV （ 20 有60 穿电压的影响越大。在电场极不均匀的情况下， 效值） 40 4. 电压作用时间 杂质对其击穿电压影响很小。在冲击电压作用下 kV 受潮的油 ，因“小桥”来不及形成，无论电场均匀与否，杂 20 0 油间隙击穿电压随所加电压作用时间的增加而 0.02 0.04 质对击穿电压的影响都很小。 下降。 0 含水量（%） 40 120 0 80 5．压力 -40 图3－3 在标准试油杯中（间隙距离 2.5mm） t（℃） 油中含有气体时，不论电场是否均匀，其工频 变压器油的工频击穿电压和含水量的关系 图3－4 在标准试油杯中（间隙距离2.5mm） 击穿电压都随油的压力增大而提高。但在冲击 变压器油的工频击穿电压和温度的关系
任务1.3.1 变压器油
了解变压器油的基本特性和用途，熟悉ห้องสมุดไป่ตู้压器油的 运行要求
一
变压器油的作用
二
变压器油的基本特性
三
变压器油的运行要求
任务1.3.2 液体电介质的击穿
一、液体电介质的击穿机理
1．纯净液体电介质的击穿理论 在高 电场 下发 生击 穿的 机理
电击穿理论 以液体分子由电子碰撞而发生游离 为前提条件 气泡击穿理论
认为液体分子由电子碰撞或在电场作用 下因其他原因而产生气泡，由气泡内气 体放电而引起液体介质的热击穿。
2．非纯净液体电介质的小桥击穿理论
(a) (b)
图1－1 受潮纤维在电极间定向示意图 （a）形成“小桥”；（b）未形成“小 桥”
小桥理论:液体中的杂质在电场力的作用下，逐渐沿电 力线方向排列成杂质的“小桥”，(由于水和纤维的相对介电
1.3液体电绝缘介质及其击穿特性

1.3液体电绝缘介质及其击穿特性


小桥理论
极性分子
水分
纤维 被游离的气体 气泡小桥 气泡游离
在E作用下 在电极间
逐渐排列成小桥
将间隙接通
形成气泡
水分汽化
发热
泄漏电流
从而导致油间隙的击穿
杂质“小桥”形成带有统计性，因而工程液体电介质的击穿电压有较大的分散性。
2
液体电介质的击穿
液体电介质通常用标准试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。
新油或良好的变压器油，介质损耗角常温时（20～30℃）一般在
0.1%以下，运行中油的介质损耗角一般不大于0.5%。
变压器油的电气性能 3）击穿电压
变压器油绝缘强度限值（kV） 设备额定电压 15及以下 20～35 63～220 330 500 击穿电压（kV） 运行中 ≥20 ≥30 ≥35 ≥45 ≥50 新油 ≥25 ≥35 ≥40 ≥50 ≥60
1
变压器油
一、变压器油的作用
（一）绝缘作用
在电气设备中，变压器油将不同电位的带电部分隔离开来，使不致 于形成短路。因为空气的介电常数为1.0，而变压器油的介电常数为 2.25。油的绝缘强度要比空气的大得多。变压器绕组之间充满了变 压器油，增加了耐电强度，绝缘就不会被击穿，并且随着油的质量 提高，设备的安全系数就越大。
1
变压器油
二、变压器油的基本特性
由于矿物绝缘油是由各种烃类组成，因此在运行中受温度、 空气、金属、电场等的影响，会逐渐劣化，如遇高温过热等设 备故障，则油质劣化加速，因此电力系统对油品的性能、质量 是有严格要求的。变压器油为了能很好地发挥它在绝缘、散热 以及灭弧等多方面的功能作用，其本身必须具备良好的化学、 物理和电气等方面的的基本特性。
液体电介质的击穿

液体电介质的击穿


（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
第三章 液体和固体电介质的击穿特性

第三章 液体和固体电介质的击穿特性


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。
5液体、固体介质的击穿

5液体、固体介质的击穿


（2）气泡击穿理论（小桥理论）
液体中出现气泡，在交流电压下，串联介质中场强分布与 介质εr成反比。气泡的εr小，其电气强度又比液体介质低很 多，所以气泡必先发生游离。气泡游离后温度上升、体积 膨胀、密度减小，促使游离进一步发展。游离产生的带电 粒子撞击油分子，使它分解出气体，导致气体通道扩大。 许多游离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在 此通道中发生。
1、电击穿理论
强电场作用下的碰撞游离导致的击穿。
在介质电导很小、散热良好以及介质内部不存在局放情况下， 固介的击穿通常为电击穿，击穿场强可达105-106kV /m
电击穿的主要特点：
① 与周围环境温度无关； ②介质发热不显著； ③除时间很短的情况，与电压作用时间关系不大； ④ 电场均匀程度对击穿有显著影响。
（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↑ 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↑
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）
二、影响固体介质击穿的因素
电压作用时间、 E均匀程度、温度、受潮、累积效应等
1、电压作用时间
如果电压作用时间很短(例如0.1s以下)，固体介质的击穿往 往是电击穿，击穿电压当然较高。 随着电压作用时间的增长，击穿电压将下降，如果加压 数分钟到数小时才引起击穿，则热击穿往往起主要作用。
二、影响液体介质击穿电压因素
1、 水分和其他杂质
杂质含量越多、电场越均匀、外加 电压时间越长，杂质影响越大。

液体和固体电介质的击穿特性解读


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
一、 击穿机理——（1）电击穿理论

电击穿理论建立在固体电介质中发生碰撞电离基础上，固体电 介质中存在少量传导电子，在电场加速下与晶格结点上的原子
碰撞，从而导致击穿
电击穿的特点：电压作用时间短，击穿电压高，击穿电压与环
境温度无关，与电场均匀程度有密切关系，与电压作用时间关 系很小。
当固体电介质的介质损耗很小、有良好的散热条件，且内部不
存在局部放电，这种情况下发生的击穿通常是电击穿。其击穿
场强一般可达105～106kV／m 。
击穿理论——（2）热击穿理论
3.1液体电介质的击穿特性
液体电介质的击穿机理
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方法
液体电介质不仅具有较高的电气强度，而且它的流 动性使其还具有散热和灭弧作用，同时可以与固体 介质结合，填充固体电介质的空隙，从而大大提高 绝缘的局部放电起始电压和绝缘的电气强度 液体介质主要有天然的矿物油（变压器油、电容器 油和电缆油）和人工合成油（硅油）
发生两种情况：
(1)杂质小桥尚未接通电极时，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，这样下
去必然会出现由气体小桥引起的击穿。
(2)如果杂质小桥尚未接通电极，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。
3 电场均匀度 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。 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。

液体电介质的击穿特性


一 液体电介质的击穿特性
5、压力
油中含有气体时，不论电场是否均匀，其 工频击穿电压都随油的压力增大提高。这是由 于压力增大时，气体在油中的溶解量增大，并 且气泡的局部放电起始电压也增高之故。电场 越均匀，这种关系也越显著。但在冲击电压下， 压力对油间隙的击穿电压基本无影响。
一 液体电介质的击穿特性
思考
液体介质和气体介质相比，谁的击穿场强高， 为什么？
❖答：液体的击穿场强高。由于液体介质的密度比 气体的大得多，分子间的距离比气体的小得多，故 电子在其中运动的平均自由行程比在气体中短得多， 要使电子在较短的自由行程内获得能产生碰撞游离 所需要的能量，要求有更高的电场强度。所以液体 介质的击穿场强比气体的要高得多。
气泡击穿过程（小桥理论）
出现气泡
足够强的 气泡内的 电场作用 气体电离
电离进一步 发展
气泡温度升高 气泡体积膨胀
带电粒子 撞击液体分子
液体分解出气体
扩大气体通道
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。
可用气泡击穿理论解释，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.
一 液体电介质的击穿特性
纯净液体的电气强度 很高，其击穿机理主 纯净液体电击穿：
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。当电场强度超过1MV/cm时，液体 电介质中的自由电子，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游离。 因碰撞游离而产生的正离子移动至阴极附近，增强了阴极表 面的场强，促使阴极发生的电子数增多，这样，电流急剧增 加，液体电介质推动绝缘能力，发生击穿。

液体电介质击穿


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。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。
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。
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:①因场致发射或因强电场作用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；②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；③电极表面粗糙，突出物处的电晕放电使液体气化生成气泡；④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。

液体电介质的击穿理论

液体电介质的击穿理论
液体电介质：耐电强度高于气体
还有作用：绝缘、冷却、天弧
广泛矿物油：变压器油、电容器油、电缆油等
击穿问题不及气体、提高完善理论，纯情净的和工程用的
1．纯洁液体电介质电击穿理论
认为：液体电强场放射产生电子在电场中被加速，与液体分子碰撞电离
相机观看冲击电压下极不匀称电场中变压器油的击穿过程
① 尖电极四周电离开头阶段
② 流注进展阶段
③ 贯穿间隙阶段
2．纯洁液体电会介质气泡击穿孔机理论
外加电场高，介质内产生气泡，气泡=1,小于液体
气泡担当比液体高的场强，耐电又低，所以先电离，然后气泡体积膨胀，温度长高，电离又进一步进展使油分解为气体
所泡积累成通道，击穿孔机在通道内发生。

纯洁液体耐电强度高于常态气体
3．非纯洁液体电介质的小桥击穿理论
工程用电介质汲取气体、水分、混入杂质（如纤维），液体本身老化、分解——杂质的击穿有新的特点
认为：杂质在电场力作用下，在电场方向定向，沿电力线方向排列成小桥，水纤维介电常数比油大，杂质易极化而在电场方向定向排列，使泄露电流增加，小桥发热，油水局部沸腾汽化，击穿。

油间隙长，小桥畸变电场，降低击穿电压
统计性，分散性
小桥形成与电极外形，电压种类相关。

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电压下，压力对油间隙的击穿电压基本无影响。
三、提高液体电介质击穿电压的方法
1．提高及保持油的品质 过滤 Байду номын сангаас潮 祛气 2．采用固体介质降低杂质的影响
覆盖层
绝缘层 屏 障
作用:限制泄漏电流，阻止杂质“小桥”的发 展 可减小油中杂质的危害，绝缘层承担一定电 压，使油中最大场强降低。 既能阻止杂质“小桥”的形成，又能改善间 隙中电场均匀程度。
Ub 40 3 ．电场的均匀程度 （有 Ub 效值） 电场越均匀，杂质对油在工频电压作用下的击 干燥的油 kV （ 20 有60 穿电压的影响越大。在电场极不均匀的情况下， 效值） 40 4. 电压作用时间 杂质对其击穿电压影响很小。在冲击电压作用下 kV 受潮的油 ，因“小桥”来不及形成，无论电场均匀与否，杂 20 0 油间隙击穿电压随所加电压作用时间的增加而 0.02 0.04 质对击穿电压的影响都很小。 下降。 0 含水量（%） 40 120 0 80 5．压力 -40 图3－3 在标准试油杯中（间隙距离 2.5mm） t（℃） 油中含有气体时，不论电场是否均匀，其工频 变压器油的工频击穿电压和含水量的关系 图3－4 在标准试油杯中（间隙距离2.5mm） 击穿电压都随油的压力增大而提高。但在冲击 变压器油的工频击穿电压和温度的关系
任务1.3.1 变压器油
了解变压器油的基本特性和用途，熟悉变压器油的 运行要求
一
变压器油的作用
二
变压器油的基本特性
三
变压器油的运行要求
任务1.3.2 液体电介质的击穿
一、液体电介质的击穿机理
1．纯净液体电介质的击穿理论 在高 电场 下发 生击 穿的 机理
电击穿理论 以液体分子由电子碰撞而发生游离 为前提条件 气泡击穿理论
对变压器油，其标准油杯中的击穿电压一 般为Ub＞25～40kV 。 对电容器油及电缆油，其标准油杯中的击 穿电压一般为Ub＞50～60kV 。
标准试 油杯
1
平板电 2 极间的 2.5mm 间隙
图1－2 电子式试油器
影 响 液 体 电 介 质 击 穿 电 压 的 因 素
1．杂质（悬浮水、纤维） 2．温度
子情境1.3液体绝缘材料及其击穿特性
要求
熟悉液体电介质击穿机理和影响击穿电 压的因素能正确运用提高液体电介质击穿 电压的方法
知识点
•液体电介质的击穿机理 •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方法 •电介质的耐热性能
重点和难点
•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方法
认为液体分子由电子碰撞或在电场作用 下因其他原因而产生气泡，由气泡内气 体放电而引起液体介质的热击穿。
2．非纯净液体电介质的小桥击穿理论
(a) (b)
图1－1 受潮纤维在电极间定向示意图 （a）形成“小桥”；（b）未形成“小 桥”
小桥理论:液体中的杂质在电场力的作用下，逐渐沿电 力线方向排列成杂质的“小桥”，(由于水和纤维的相对介电
常数分别为81和6～7，比油的介电常数1.8～2.8大得多，所以 这些杂质易极化而在电场方向排列成小桥。)由于组成此小桥
的纤维及水分电导较大，使泄漏电流增加，进而使“ 小桥”强烈发热，使油和水局部沸腾汽化，最后沿此“气 桥”发生击穿。这种形式的击穿是和热过程紧密相连的。
二、影响液体电介质击穿电压的因素 液体电介质通常用标准试油杯按标准试验 方法测得的工频击穿电压来衡量其品质的 优劣。而不用击穿场强
图1－5 真空滤油机
包覆盖层
包绝缘层
屏障
图1－6 变压器内部降低杂质影响的措施
小 结
•工程中的液体电介质的击穿过程用“小桥”理论解释。影响液体 电介质击穿电压的最主要因素是液体电介质的品质。提高液体 电介质击穿电压的方法也主要是提高液体电介质的品质，防止 液体电介质中“小桥”的形成。