液体电介质的击穿

水桥击穿模型
工程用绝缘油含水时，其击 穿电压与温度的关系如左图。 在0～60 ℃内，随温度的升 高，水的溶解度增大，部分 悬浮状态的水变成溶解状态， 胶粒水珠的体积浓度下降， 击穿场强随温度升高而明显 增加，约在60～80℃内出现 最大值。温度更高时，油中 所含的水分汽化增多，又使 击穿场强下降。而纯净干燥 变压器油在0～80℃范围内， Eb几乎与温度无关。
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。
Baidu Nhomakorabea
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
两串联介质中电场强度与介质介电常数成反比
气泡中电场强度高于液体 而气体的击穿场强远低于液体
气泡先发生电离
气泡温度升高，体积膨胀，促进电离 电离产生的高能电子碰撞液体分子， 使液体分子电离产生更多气体， 扩大气体通道，当气泡在两极间形成“气桥”时 液体介质就能在此通道发生击穿
（一）热化气击穿
夏博(Sharbaugh)提出，当液体中平均场强达到 107~108V/m时，阴极表面微尖端处的场强可能达到 108V/m以上。由于场致发射，大量电子由阴极表面的 微尖端处注入到液体中，估计电流密度可达105A/m2以 上 发热量可达1013J/s·m3，足以使附近的液体气化。
(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
液体 电介质
高度纯净 去气液体 电介质 含气纯净 液体 电介质 工程 纯液体 电介质
一、高度纯净去气液体电介质的电击穿理论
（一）以碰撞电离开始作为击穿条件
1.击穿机理 液体介质中由于阴极的场致发射或热发射的电子 在电场中被加速而获得动能，与液体分子碰撞而 导致碰撞电离.
电子在碰撞液体分子的同时将能量传递给液体分 子，电子损失的能量都用来激发液体分子的热振 动。
（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
液体电 介质击 穿
高度纯净 去气液体 电介质电 击穿
含气纯净 液体电介 质气泡击 穿
工程纯液 体电介质 的杂质击 穿
碰撞电 离开始
电子崩 发展至 一定大 小
电离化 气击穿
热化气 击穿
水分的 影响
固体杂 质的影 响
溶解于 液体介质中 悬浮于 液体介质中
*水与纤维杂质共存时，水分的影响更为严重
吉孟特专门研究了含水液体介质的击穿。他认为当 水分在液体中呈悬浮状态存在时，由于表面张力的 作用，水分呈圆球状，均匀悬浮在液体中，一般水 球的直径约为10-2~10-4cm。
在外电场作用下，由于水的介电常数很大，水球容 易极化而沿电场方向伸长成为椭圆球，如果定向排 列的椭圆水球贯穿于电极间形成连续水桥，则液体 介质在较低的电压下发生击穿。
实验表明: 电场越均匀，杂质对击穿电压的影响越大，击穿电 压的分散性也越大，而在不均匀电场中，杂质对击 穿电压的影响较小 解释：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”。
液体介质中也会 发生类似的液体 放气现象
解释
电离产生的高能 电子使液体分子 C-H键（C-C键） 断裂
电离化气的观点已经得到实验证明。
通过测定被测物质在特定波长处 或一定波长范围内光的吸收度， 对该物质进行定性和定量分析 用分光光度计观察水中放电现象发现，放电时产生的气
体并不是蒸气，而是氢气。
利用分光光度法对物质进行 定量定性分析的仪器
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)
（二）固体杂质的影响 当液体介质中有悬浮固体杂质微粒时，会使液体介 质击穿场强降低 解释：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，这些粒子向电场强度最大的区域 运动，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。并进行了理论计算。 由悬浮粒子所受电场力与运动阻尼力间的平衡关系， 并考虑了粒子的扩散作用，液体介质击穿场强与杂质 粒子半径的r-3/2成正比。 由此，悬浮粒子的半径减少，击穿场强增大。
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 对击穿电压 影响不大 使击穿电压 明显下降
液体介质中 含水分
u=AEnτ 当液体得到的 u=ΔH 击穿场强Eb
所需的热量时 ΔH=m[c(Tm-T0)+lb] 产生气泡
（二）电离化气击穿
氢的游离基
在研究气体放电对 绝缘油的影响时发 现，油在放电作用 过程 下产生低分子气体， 其中主要是氢气、 甲烷等。
CnH2n+2→CnH2n+1+H0 CmH2m+2→CmH2m+1+H0 2H0→H2↑ CnH2n+2+CmH2m+2→ Cn+mH2(n+m)+2
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
n-代表空间电荷影响的常数 能量等于电极 τ-液体在电极粗糙处场强区 滞留的时间 附近液体气化