哈工大高電壓技術(shù) 2 液體介質(zhì)擊穿

第二節(jié)液體介質(zhì)的擊穿

液體介質(zhì)的擊穿理論

影響液體介質(zhì)擊穿電壓的因素

減少雜質(zhì)影響的方法

液體介質(zhì)主要有天然的礦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、氣體、固體微粒和纖維等雜質(zhì)，它們對(duì)液體介質(zhì)的擊穿有很大的影響

一旦作用于固體和液體介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度增大到一定程度時(shí)，在介質(zhì)中出現(xiàn)的電氣現(xiàn)象就不再限于前面介紹的極化、電導(dǎo)和介質(zhì)損耗了。與氣體介質(zhì)相似，液體和固體介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)(高電壓)的作用下，也會(huì)出現(xiàn)由介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的擊穿過(guò)程一、液體介質(zhì)的擊穿理論(一)電子碰撞電離理論（電擊穿理論）當(dāng)外加電場(chǎng)較高時(shí)，液體介質(zhì)內(nèi)會(huì)由于各種原因產(chǎn)生氣泡，如：①電子電流加熱液體，分解出氣體；②電子碰撞液體分子，使之解離，產(chǎn)出氣體；③靜電斥力，電極表面吸附的氣泡表面積累電荷，當(dāng)靜電斥力大于液體表面張力時(shí)，氣泡體積變大；④電極凸起處的電暈引起液體氣化由于串聯(lián)介質(zhì)中，場(chǎng)強(qiáng)的分布與介質(zhì)的介電常數(shù)成反比，氣泡r=1，小于液體的r

，因而氣泡承擔(dān)比液體更高的場(chǎng)強(qiáng)，偏偏氣體耐電強(qiáng)度又低，所以氣泡先行電離，一旦電離的氣泡在電場(chǎng)中堆積成氣體通道，則擊穿在此通道內(nèi)發(fā)生（被掩蓋的氣體放電）（二）非純凈液體電介質(zhì)的“小橋”擊穿理論

由于水和纖維的介電常數(shù)分別為81和6~7，比油的介電常數(shù)1.8~2.8大得多，從而這些雜質(zhì)容易極化并在電場(chǎng)方向定向排列成導(dǎo)電纖維橋 纖維橋的導(dǎo)電率高，電流密度大，使纖維附近的潮氣或液體蒸發(fā)，從而形成氣泡并發(fā)生局部熱擊穿(a)(b)(a)形成“小橋”

(b)未形成“小橋”受潮纖維在電極間定向示意圖（缺陷處的局部熱擊穿）二、影響液體擊穿電壓的因素(一)水分和其他雜質(zhì)水在變壓器油中有兩種狀態(tài)：①溶解狀態(tài):高度分散、且分布非常均勻；②懸浮狀態(tài):呈水珠狀一滴一滴懸浮在油中。

右圖表示在常溫下油的含水量對(duì)均勻電場(chǎng)油間隙工頻擊穿電壓的影響。當(dāng)油中含水量達(dá)十萬(wàn)分之幾時(shí)，對(duì)擊穿電壓就有明顯影響

當(dāng)油中還含有其他雜質(zhì)時(shí)，擊穿電壓的下降程度隨雜質(zhì)的種類和數(shù)量而異

均勻電場(chǎng)油間隙的工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系如右圖所示(二)油溫

擊穿電壓與溫度的關(guān)系比較復(fù)雜，隨電場(chǎng)的均勻度、油的品質(zhì)以及電壓類型的不同而異

不論在均勻電場(chǎng)中還是不均勻電場(chǎng)中，隨溫度上升，沖擊擊穿電壓均單調(diào)地稍有下降

在極不均勻電場(chǎng)中，隨溫度上升，工頻擊穿電壓下降，如圖右所示(三)電場(chǎng)均勻度優(yōu)質(zhì)油：保持油不變，而改善電場(chǎng)均勻度，能使工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓品質(zhì)差的油：改善電場(chǎng)對(duì)于提高其工頻擊穿電壓的效果較差

在沖擊電壓下，由于雜質(zhì)來(lái)不及形成小橋，故改善電場(chǎng)總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質(zhì)好壞幾乎無(wú)關(guān)(四)電壓作用時(shí)間

油隙的擊穿電壓會(huì)隨電壓作用時(shí)間的增加而下降，加電壓時(shí)間還會(huì)影響油的擊穿性質(zhì)。

從右圖的兩條曲線可以看出：

在電壓作用時(shí)間短至幾個(gè)微秒時(shí)擊穿電壓很高，擊穿有時(shí)延特性，屬電擊穿；

電壓作用時(shí)間為數(shù)十到數(shù)百微秒時(shí)，雜質(zhì)的影響還不能顯示出來(lái)，仍為電擊穿，這時(shí)影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場(chǎng)的均勻程度；

電壓作用時(shí)間更長(zhǎng)時(shí)，雜質(zhì)開始聚集，油隙的擊穿開始出現(xiàn)熱過(guò)程，于是擊穿電壓再度下降，為熱擊穿(五)油壓的影響

不論電場(chǎng)均勻度如何，工業(yè)純變壓器油的工頻擊穿電壓總是隨油壓的增加而增加，這是因?yàn)橛椭袣馀莸碾婋x電壓增高和氣體在油中的溶解度增大的緣故

經(jīng)過(guò)脫氣處理的油，其工頻擊穿電壓幾乎與油壓無(wú)關(guān)

從以上討論中可以看出，油中雜質(zhì)對(duì)油隙的工頻擊穿電壓有很大的影響，所以對(duì)于工程用油來(lái)說(shuō)，應(yīng)設(shè)法減少雜質(zhì)的影響，提高油的品質(zhì)

通常可以采用過(guò)濾、防潮、祛氣等方法來(lái)提高油的品質(zhì)，在絕緣設(shè)計(jì)中則可利用“油—屏障”式絕緣(例如覆蓋層、絕緣層和隔板等)來(lái)減少雜質(zhì)的影響，這些措施都能顯著提高油隙的擊穿電壓覆蓋層：限制泄露電流，阻止小橋發(fā)展（電纜紙，黃蠟布或漆膜等材料）絕緣層：降低電極表面附近的場(chǎng)強(qiáng)隔板：阻止纖維橋形成，改善電場(chǎng)均勻度三、減小雜質(zhì)影響的方法小結(jié)

液體介質(zhì)的擊穿可用以下理論來(lái)解釋：

電子碰撞電離理論（電擊穿理論）（被掩蓋的氣體放電）纖維橋接理論（“小橋”擊穿理