液體電介質的電擊穿理論

液體電介質的擊穿

液體電介質的耐電強度一般比氣體高，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有礦物油、植物油及人工合成油等幾類。目前應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用于不同高壓設備中的液體電介質，如變壓器油、電纜油和電容器油等。對液體電介質擊穿機理的研究遠不及對氣體電介質擊穿機理的研究，還提不出一個較為完善的擊穿理論。從擊穿機理的角度，可將液體電介質分為兩類：純凈的液體電介質和工程用的液體電介質。工程用液體電介質中總含有某些氣體、液體或固體雜質，這些雜質的存在對液體電介質的擊穿過程影響很大。

一、 液體電介質的擊穿機理

1.純凈液體電介質的電擊穿理論

這種理論認為液體中因強場發射等原因產生的電子在電場中被加速，與液體分子發生碰撞電離。有人曾用高速相機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，有一個電離開始階段。然后是流注發展階段，流注是分級地向另一電極發展，后一級在前一級通道的基礎上發展，放電通道會出現分支。最后流注通道貫通整個間隙，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. 純凈液體電介質的氣泡擊穿理論

當外加電場較高時，液體介質內會由于各種原因產生氣泡，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，當靜電斥力大于液體表面張力時，氣泡體積變大；

(4)電極凸起處的電暈引起液體汽化。

由于在串聯介質中，場強的分布與介質的介電常數成反比，氣泡的相對介電常數ε_r=1小于液體的ε_r，因而液體中的氣泡承擔了比液體更高的場強，偏偏氣體耐電強度又低，所以氣泡先行電離。然后氣泡中氣體的溫度升高，體積膨脹，電離進一步發展使油分解出氣體。如果電離的氣泡在電場中堆積成氣體通道，則擊穿在此通道內發生。由于液體電介質的密度遠比氣體介質的密度大，所以液體介質中電子的自由行程很短，不易積累到足以產生碰撞電離所需的動能，因此純凈的液體介質的耐電強度總比常態下氣體介質的耐電強度高得多。

3.非純凈液體電介質的小橋擊穿理論

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

“小橋"理論認為，液體中的雜質在電場力的作用下，在電場方向定向，并逐漸沿電力線方向排列成雜質的“小橋"，由于水和纖維的相對介電常數分別為81和6~7，比油的相對介電常數1.8~2.8大得多，所以這些雜質容易極化而在電場方向定向排列成“小橋"。由于組成“小橋"的纖維及水分電導較大，從而使泄漏電流增加，并進而使“小橋"強烈發熱，使油和水局部沸騰汽化，最后沿此“氣橋"發生擊穿。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"，則不連續的“小橋"也會顯著畸變電場,降低間隙的擊穿電壓。由于雜質“小橋"的形成帶有統計性，因而工程液體電介質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系。當電場極不均勻時，由于尖電極附近會有局部放電現象，造成油的擾動，妨礙“小橋"的形成。在沖擊電壓作用下，由于作用時間極短，“小橋"來不及形成。總體來說，液體介質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律性，但大多都是定性的，在工程實際中主要靠試驗數據。