电介质物理_徐卓、李盛涛-第十九讲 液体电介质的电导和击穿总结

1 液体电介质中的离子电导
液体中粒子的来源主要有以下两种： 本征离子：液体分子本身由于热解离和外电离作用产生的离子（强极性液 体）。本征解离很微弱，对漏导影响很小； 杂质离子：外来杂质分子或液体的基本分子老化而生成的离子。杂质离子是 漏导的主要来源。 液体的特征： 液体分子间有强烈的互作用力，分子间的距离接近于固体，因而具有大的凝 聚力和小的压缩性，处于凝聚状态。 液体分子作用力比晶体小，不足以阻止分子间的相对滑移，因此具有流动性， 没有固定形状。 液体为近程有序介于完全无序的气体和完全有序的晶体之间。液体分子由一 个平衡位置迁移到另一个平衡位置必须克服相互作用势垒的阻碍，但它们在 各个方向迁移的几率相同。
80 20
20 20
5.5 4.5
81 25.7
10-18 10-18
10-9 10-10
工程应用 工程应用
高度净化 净化
液体电介质的电流与电场强度的关系如图所示：
I
0
E
由上图实验所得液体电介质的电流场强关系曲线可见： 弱场区：I—E 呈线性关系，符合欧姆定律。 中间区：没有明显的电流饱和现象。 强场区：I 随 E 呈指数增加。 原因：液体密度大，离子迁移小，并且在液体中离子相遇的机会多， ‘ 2 复合几率大。 N 1 n 。 使 离 子 不 易 全 部 到 达 电 极 形 成 电 流 。 因 此 E ，j .
1）液体电介质中的离子迁移率
设离子在液体中迁移需要克服的势垒为U，则液体中离子在加电场 前后的势能曲线如下图所示：
E
U
U
∆U
U
∆U
σ X
（a）未加电场
σ
（b）沿x轴正向加电场
X
液体电介质中离子势能曲线
∆U
单位时间单位体积内，沿电场方向迁移的载流子数为：
其中n为单位体积中的离子数，为离子在平衡位置的振动频率ν，∆U=qρδE/2为 外加电场在距离δ/2上产生的势能变化，δ为离子平局迁移率。 在弱场作用下，即∆U《KT 时：
双电层一端为带正电的胶粒表 面，另一端为其周围相距δ内扩散分 布的负离子。 相对于胶粒表面，负离子浓度由大到 小，直到与介质中浓度相同。这种分 布是由于两个相反作用造成的：静电 吸引力使负离子接近胶粒表面；热运 动使负离子扩散，趋向于在介质中均 匀分布。
A
φ0
ζ
B
δ
扩散的双电层模型
X
胶粒表面结合这一层溶剂化层，当胶粒运动时，溶剂化层随之移动。因此电 动现象中起作用的不是胶粒的表面电势φ0，而是溶剂化层与液体内部的电位 差，即ζ电势。 胶粒是球形的，电荷为 q，在 E 作用下所受电场力为
液体种 类 液体名 称
变压器油 变压器油 变压器油 变压器油
温度 （℃）
80 80 80 80
介电常 数 εr
2.2 2.1 2.1 2.1
电导率γ （S/m）
0.5x10-14 2x10-17 0.5x10-17 10-20
纯净度
未净化 净化 二次净化 高度净化
弱极性
极性 强极性
三氯联苯 蓖麻油
水 乙醇
温度不高，即 t 2 273 2 时 上式近似为： Ae 可进一步简写为： ， a B 273 0 当 t 0 C 时， 0 C ，即为摄氏零度的电导率。
其中 C Ae
2
B ( 273t ) / 273
Ae

B B t 273 2732
Ce at
电极表面吸附气体或液体本身含有气泡。
气泡理论认为纯净液体中存在气泡，击穿过程首先在气泡中发生。 其原因为： A）气体介电常数小，气泡中的电场强度比液体中高；
B）气体击穿场强比液体低得多。
气泡理论电离过程： 气泡电离使温度升高，体积膨胀，促进电离进一步发展；气泡中电子
再强场下得到加速，使液体分子进一步分解，气泡很快变大，最终导致击
第二十讲 液体电解质的击穿
一 液体电介质的电导 液体中载流子主要为离子和带电胶粒，其电导主要为离子电导和电泳电导。 14 16 纯净液体电介质电阻率： 10 ~ 10 m 工程液体电解质电阻率： 10 9 ~ 10 13 m
极性液体电介质的电阻率通常较非极性电介质低。
液体电解质电导率和介电常数如下表所示：
1 1 4 0 r r r R 则胶粒的电荷量为： q CU 4 0 r r C 4 0 r
将胶粒电荷量代入迁移率公式则：
2 0 r 6r 3 q
因此电泳电导率可表示为：
2 2 8 n 0 r r 2 1 1 nq b 3
1 纯净液体电介质的击穿理论观点 纯净液体电介质击穿机理可分为两类：电离理论和气泡理论。
液体电介质击穿必要条件：初始电子和足够高的电wenku.baidu.com。
1）电离理论：电离理论类似于气体击穿理论。 液体中初始电子被强电场加速，碰撞电离并形成电子崩。电子崩产生 的正离子，在阴极附近产生空间电荷层增强了阴极附近电场，使阴极释 放更多的电子。电压继续增高时，电子雪崩和阴极发射加剧，最终导致 击穿。 由于液体密度远大于气体，电子自由程短，不易积累碰撞电离所需的 足够能量，因此液体击穿电压约高气体击穿电压一个数量级。
液体电介质电泳电导率也与温度成指数关系，随温度升高指数上升； 反之，指数下降。
华尔顿定律：电泳电导 与液体粘度系数 乘积与温度无关。 由电泳电导率公式
2 2 8 n 0 r r 2 1 1 nq b 3
可得：
r b
本征离子电导率也服从华尔顿定律； 杂质离子电导率不服从华尔顿定律。
2）压力的影响
3） 电极的影响 A：电极面积的影响：击穿强度随电极面积增加而减小。
解释：电极面积越大，电极表面有突出部位的几率越大，导致击穿
强度降低。
B：电极材料与表面状态的影响：
实际电极表面往往具有氧化层和吸附气体等，在电极表面构成有效 绝缘层。总的击穿电压一部份加在介质上，一部分加载绝缘层上，这便
n n [e(U U ) / KT e(U U ) / KT ] 6
e U / KT 1 U KT
因此∆n为：n nq e U
KT
6 KT
E
每个离子在电场方向的宏观平均飘移速率为：
q 2 U v e n 6 KT 2 v q U KT e 迁移率为：
F qE
另一方面匀速迁移的胶粒受液体的摩擦力，由斯托克斯定 律可知：
f 6rv
其中 为粘度系数
稳定情况下两者平衡 F f 则迁移速度为 迁移率为
v

q 6r
E
v q E 6r
胶粒可视为同心球面电容器的内球面，外球面则为地面，其半径R， R很大。由同心球面电容器电容量计算公式可得胶粒的电容量为：
胶体电荷的来源： 胶粒本身含有可解离基团，如羧基羟基等，这些基团解离后胶粒带 电； 不带电的杂质吸附液体中的杂质离子或本征离子而带电； 胶粒由于热运动摩擦带电。Cohen经验规则：节点系数大的失电子带 正电，另一项带负电。
一般来说液体电介质是中性的，胶粒带电，则必然存在与胶粒所带电 荷数量相等，符号相反的异号离子。胶粒电荷与周围异号离子构成双电层。 扩散的双电层模型如右图所示：
穿。
2 外界因素对液体电介质击穿过程和击穿电压的影响
1）溶解气体的影响 某些溶解的气体对液体电介质的击穿强度有重大影响。 实验表明: 正乙烷击穿强度70MV/m；而含氧正乙烷为130MV/m。 对矿物油而言，氧、氮、 等溶解气体对直流击穿强度都有影响， 但影响关系复杂。 对氧的影响的解释： 氧是电负性很强的气体，可捕获电子生成负离子，减少了能够产生电 离的高能电子，从而削弱了液体中碰撞电离的过程，而使击穿强度升高； 同时氧负离子吸附一部分液体中产生的正离子，在正离子周围形成负离子 层，从而降低阴极发射电子的能力，使击穿场强提高。
谢谢！
E 6 KT
n
KT
E
2）液体电介质离子电导率及其与温度关系
将上面得到的迁移率代入电导率公式，可得到液体电介质中的离子 电导率为：
nq 2 2 U nq e 6 KT
KT
当温度变化时，指数部分影响远大于分数部分，故可把分数部分近似 看成与温度无关的常数，则上式简化为：
Ae

B 273
at e 则： 0
若用电阻率表示则为： 0 e at 其中 1
0
0
若考虑到杂质离子的电导则：
A1e B
1
T
A2 e B2 T
其中 A1 、 B1 和 A2 、 B2 为本征离子电导和杂质离子电离的有关常数。 对于工程液体电介质，本征离子的迁移势垒 U 比杂质离子的迁移势垒 大很多，杂质离子电导往往占主导地位，本征离子电导常被淹没。 则：
对一定的液体电介质-胶粒系统，可把b近似看成与温度无关的常数。 则电泳电导率γ与液体粘度系数η成反比。在没有氢键存在的液体中，粘 度系数η与温度遵循下面的经验关系：
aeU KT
其中a为常数，k 为波尔兹曼常数，T为绝对温度，U为液体分子平 均活化能。
将上式代入电泳电导率公式，可得：
Ae B T
2） 气泡理论：气泡理论用来解释液体电介质击穿强度与外施压力有密切关 系的实验事实。 纯净液体产生气泡的原因：
阴极强场发射的电子电流加热附近液体产生气体； 液体中的高能电子（可以从电极发射而来，也可由内部分子
发射而产生）碰撞液体分子使之电离产生气体。
电极表面电场集中的部位产生电晕放电引起该处液体气化。
B T
其中
nq 2 2 A 6 KT
，
B U K
从上式可见，液体例子电导率与温度成指数关系。当温度升高时，电 导率成指数迅速增大，反之则很快降低。
工程实际中，往往采用摄氏温度t，则液体介质的离子电导率可表示为：
Ae
B 273 t
Ae
2
B ( 273t ) / 2732 t 2
ln ln A
B T
为一条直线 。
2 电泳电导
电泳电导：施加电场以后，胶粒沿电场方向漂移形成电流，称电泳电导或胶粒电导。 液体中胶粒的来源： 尘埃、气泡、水分、液体及固体杂质等，线度在1~100nm范围内的 颗粒悬浮在分散液体介质中成为胶粒。 液体电介质运输存放过程因氧化、受潮、受热的因素产生的有机酸、 蜡状物等； 为改善液体电介质的性能，部分添加剂会以胶粒形式分散在液体介 质中。
导致间隙为零时仍有击穿电压。
4）潮气的影响 水的存在对绝缘油的击穿强度影响很小；小量固体杂质对干燥
的绝缘油的击穿强度影响也很小。
但当两者同时存在时，会使得油的击穿电压急剧下降。
解释：
受潮的杂质由于其高的介电常数而被引入极间的强场区，在哪
里它们被极化并沿电力线方向形成偶极链。当间隙中杂质浓度足够
高时，形成跨越间隙的“桥”，导致“桥击穿”。