液體電介質(zhì)的電擊穿理論

液體電介質(zhì)的擊穿

液體電介質(zhì)的耐電強(qiáng)度一般比氣體高，除了具有絕緣的作用外，還有冷卻、滅弧的作用。工程上常用的液體電介質(zhì)有礦物油、植物油及人工合成油等幾類。目前應(yīng)用廣泛的是從石油中提煉出的礦物油。通過不同程度的提煉可得到應(yīng)用于不同高壓設(shè)備中的液體電介質(zhì)，如變壓器油、電纜油和電容器油等。對(duì)液體電介質(zhì)擊穿機(jī)理的研究遠(yuǎn)不及對(duì)氣體電介質(zhì)擊穿機(jī)理的研究，還提不出一個(gè)較為完善的擊穿理論。從擊穿機(jī)理的角度，可將液體電介質(zhì)分為兩類：純凈的液體電介質(zhì)和工程用的液體電介質(zhì)。工程用液體電介質(zhì)中總含有某些氣體、液體或固體雜質(zhì)，這些雜質(zhì)的存在對(duì)液體電介質(zhì)的擊穿過程影響很大。

一、 液體電介質(zhì)的擊穿機(jī)理

1.純凈液體電介質(zhì)的電擊穿理論

這種理論認(rèn)為液體中因強(qiáng)場發(fā)射等原因產(chǎn)生的電子在電場中被加速，與液體分子發(fā)生碰撞電離。有人曾用高速相機(jī)觀察了在沖擊電壓下，極不均勻電場中變壓器油的擊穿過程，首先在尖電極附近開始電離，有一個(gè)電離開始階段。然后是流注發(fā)展階段，流注是分級(jí)地向另一電極發(fā)展，后一級(jí)在前一級(jí)通道的基礎(chǔ)上發(fā)展，放電通道會(huì)出現(xiàn)分支。最后流注通道貫通整個(gè)間隙，這是貫通間隙的階段。這和長空氣間隙的放電過程很相似。

2. 純凈液體電介質(zhì)的氣泡擊穿理論

當(dāng)外加電場較高時(shí)，液體介質(zhì)內(nèi)會(huì)由于各種原因產(chǎn)生氣泡，例如：

(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，電極表面吸附的微小氣泡表面積累電荷，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汽化。

由于在串聯(lián)介質(zhì)中，場強(qiáng)的分布與介質(zhì)的介電常數(shù)成反比，氣泡的相對(duì)介電常數(shù)ε_r=1小于液體的ε_r，因而液體中的氣泡承擔(dān)了比液體更高的場強(qiáng)，偏偏氣體耐電強(qiáng)度又低，所以氣泡先行電離。然后氣泡中氣體的溫度升高，體積膨脹，電離進(jìn)一步發(fā)展使油分解出氣體。如果電離的氣泡在電場中堆積成氣體通道，則擊穿在此通道內(nèi)發(fā)生。由于液體電介質(zhì)的密度遠(yuǎn)比氣體介質(zhì)的密度大，所以液體介質(zhì)中電子的自由行程很短，不易積累到足以產(chǎn)生碰撞電離所需的動(dòng)能，因此純凈的液體介質(zhì)的耐電強(qiáng)度總比常態(tài)下氣體介質(zhì)的耐電強(qiáng)度高得多。

3.非純凈液體電介質(zhì)的小橋擊穿理論

工程用電介質(zhì)總不是很純凈的，在運(yùn)行中不可避免地會(huì)吸收氣體和水分，混入雜質(zhì)，例如固體絕緣材料(紙、布)上脫落的纖維，液體本身也會(huì)老化、分解，所以工程用液體電介質(zhì)總含有一些雜質(zhì)。雜質(zhì)的存在使工程液體電介質(zhì)的擊穿有新的特點(diǎn)，一般用“小橋"理論來說明工程液體電介質(zhì)的擊穿過程。

“小橋"理論認(rèn)為，液體中的雜質(zhì)在電場力的作用下，在電場方向定向，并逐漸沿電力線方向排列成雜質(zhì)的“小橋"，由于水和纖維的相對(duì)介電常數(shù)分別為81和6~7，比油的相對(duì)介電常數(shù)1.8~2.8大得多，所以這些雜質(zhì)容易極化而在電場方向定向排列成“小橋"。由于組成“小橋"的纖維及水分電導(dǎo)較大，從而使泄漏電流增加，并進(jìn)而使“小橋"強(qiáng)烈發(fā)熱，使油和水局部沸騰汽化，最后沿此“氣橋"發(fā)生擊穿。此種形式的擊穿是和熱過程緊密相連的。如果油間隙較長，難以形成貫通的“小橋"，則不連續(xù)的“小橋"也會(huì)顯著畸變電場,降低間隙的擊穿電壓。由于雜質(zhì)“小橋"的形成帶有統(tǒng)計(jì)性，因而工程液體電介質(zhì)的擊穿電壓有較大的分散性。

“小橋"的形成和電極形狀及電壓種類有明顯關(guān)系。當(dāng)電場極不均勻時(shí)，由于尖電極附近會(huì)有局部放電現(xiàn)象，造成油的擾動(dòng)，妨礙“小橋"的形成。在沖擊電壓作用下，由于作用時(shí)間極短，“小橋"來不及形成。總體來說，液體介質(zhì)的擊穿理論還很不成熟。雖然有些理論在一定程度上能解釋擊穿的規(guī)律性，但大多都是定性的，在工程實(shí)際中主要靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)。