液体电介质讲义的击穿

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。

液体电介质的击穿

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

5液体、固体介质的击穿教程

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。

液体电介质击穿点压值测量实验报告

液体电介质击穿点压值测量实验报告
实验目的：
通过测量液体电介质的击穿点压值，探究液体电介质的绝缘特性，为实际应用提供参考。

实验原理：
当液体电介质置于高电压电场中时，当电场强度增大到一定程度时，液体电介质内部的绝缘被破坏，发生击穿和放电。

我们将液体电介质在不同电压下进行放电实验，根据实验结果，可以确定电介质的击穿点压值。

实验器材：
高压发生器、电容器、电阻、液体电介质、数字电压表、数字电流表、电极等。

实验步骤：
1.将液体电介质倒入电容器中，保证其填充至相同高度。

2.将电容器两端与高压发生器连接，并接上电阻限流，使电流控制在较小范围内。

3.调节高压发生器输出电压，逐步将电压提高到液体电介质弧光出现之前。

4.记录此时输出电压，作为液体电介质的击穿点压值，并反复进行测量，取多次数据求平均值。

实验结果：
1.液体电介质的击穿点压值为XXXV。

2.在电场强度相同的条件下，不同液体电介质的击穿点压值存在差异，其中XXX液体的击穿点压值最大，为XXXV，说明其具有较好的绝缘性能。

结论：
通过实验，我们测量了液体电介质的击穿点压值，进一步探究了液体电介质的绝缘性能，为实际应用提供了参考。

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

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

（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

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。

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。