液體電介質(zhì)的擊穿

液體電介質(zhì)的擊穿第一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三液體電介質(zhì)高度純凈去氣液體電介質(zhì)含氣純凈液體電介質(zhì)工程純液體電介質(zhì)第二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三一、高度純凈去氣液體電介質(zhì)的電擊穿理論（一）以碰撞電離開始作為擊穿條件1.擊穿機理液體介質(zhì)中由于陰極的場致發(fā)射或熱發(fā)射的電子在電場中被加速而獲得動能，與液體分子碰撞而導(dǎo)致碰撞電離.電子在碰撞液體分子的同時將能量傳遞給液體分子，電子損失的能量都用來激發(fā)液體分子的熱振動。第三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三一次碰撞中，液體分子平均吸收的能量為一個振動能量子h?。當電子在相鄰兩次碰撞間得到的能量大于h?，電子就能在運動過程中逐漸積累能量，至電子能量大到一定值時，電子與液體相互作用時便導(dǎo)致碰撞電離。第四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三2.定量分析設(shè)電子電荷為e,電子平均自由程為λ，電場強度為E則碰撞電離的臨界條件為eEλ=Ch?如果把這個條件作為擊穿條件，則擊穿場強可寫為C-大于1的整數(shù)如何確定電子平均自由行程？第五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三以直鏈型碳氫化合物液體為例設(shè)液體分子濃度為N，分子由各種CH基團組成，Sj代表第j個基團的碰撞截面，設(shè)一個分子主鏈由m個原子構(gòu)成，原子間有效距離為h0，線型分子的有效半徑為a，則一個分子的總碰撞截面為S=ΣSj=2a(m-1)h0=s0(m-1)2h02a直鏈型碳氫化合物分子模型(m-1)h0第六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三已知電子平均自由程與碰撞截面的關(guān)系為液體分子濃度M-液體分子量ρ-密度N0-阿佛伽德羅常數(shù)代入上式，得從而根據(jù)擊穿場強的表達式得固有振動頻率平均值第七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三（二）以電子崩發(fā)展至一定大小為擊穿條件類似氣體放電條件的處理定義α為液體介質(zhì)上一個電子沿電場方向行徑單位距離平均發(fā)生的碰撞電離次數(shù)單位距離碰撞總數(shù)電離幾率設(shè)擊穿條件為電極距離其他參數(shù)一定時Eb∝1/lnd第八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三二、含氣純凈液體電介質(zhì)的氣泡擊穿理論兩串聯(lián)介質(zhì)中電場強度與介質(zhì)介電常數(shù)成反比氣泡中電場強度高于液體而氣體的擊穿場強遠低于液體氣泡先發(fā)生電離氣泡溫度升高，體積膨脹，促進電離電離產(chǎn)生的高能電子碰撞液體分子，使液體分子電離產(chǎn)生更多氣體，擴大氣體通道，當氣泡在兩極間形成“氣橋”時液體介質(zhì)就能在此通道發(fā)生擊穿第九頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三（一）熱化氣擊穿夏博(Sharbaugh)提出，當液體中平均場強達到107~108V/m時，陰極表面微尖端處的場強可能達到108V/m以上。由于場致發(fā)射，大量電子由陰極表面的微尖端處注入到液體中，估計電流密度可達105A/m2以上發(fā)熱量可達1013J/s?m3，足以使附近的液體氣化。設(shè)溫度為T0的m克液體加熱至沸點Tm并氣化所需熱量為ΔH，則ΔH=m[c(Tm-T0)+lb]液體比熱液體氣化熱第十頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三由于陰極場致發(fā)射電子，單位體積、單位時間內(nèi)引起的能量損耗u可近似地用下列半經(jīng)驗公式表示，即u=AEnτn-代表空間電荷影響的常數(shù)τ-液體在電極粗糙處場強區(qū)滯留的時間ΔH=m[c(Tm-T0)+lb]當液體得到的能量等于電極附近液體氣化所需的熱量時產(chǎn)生氣泡u=ΔH擊穿場強Eb第十一頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三（二）電離化氣擊穿在研究氣體放電對絕緣油的影響時發(fā)現(xiàn)，油在放電作用下產(chǎn)生低分子氣體，其中主要是氫氣、甲烷等。過程氫的游離基CnH2n+2→CnH2n+1+H0CmH2m+2→CmH2m+1+H02H0→H2↑CnH2n+2+CmH2m+2→Cn+mH2(n+m)+2液體介質(zhì)中也會發(fā)生類似的液體放氣現(xiàn)象解釋電離產(chǎn)生的高能電子使液體分子C-H鍵（C-C鍵）斷裂第十二頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三電離化氣的觀點已經(jīng)得到實驗證明。用分光光度計觀察水中放電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，放電時產(chǎn)生的氣體并不是蒸氣，而是氫氣。對絕緣油擊穿時的氣體進行光譜分析，發(fā)現(xiàn)不存在殘留的空氣和油的蒸氣，主要存在的是氫氣。電離化氣和熱化氣一樣，僅討論了產(chǎn)生氣體的原因，而沒有解決氣泡出現(xiàn)與液體擊穿現(xiàn)象間的定量關(guān)系問題利用分光光度法對物質(zhì)進行定量定性分析的儀器通過測定被測物質(zhì)在特定波長處或一定波長范圍內(nèi)光的吸收度，對該物質(zhì)進行定性和定量分析第十三頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三三、工程純液體電介質(zhì)的雜質(zhì)擊穿（一）水分的影響（二）固體雜質(zhì)的影響液體介質(zhì)中含水分懸浮于液體介質(zhì)中溶解于液體介質(zhì)中對擊穿電壓影響不大使擊穿電壓明顯下降*水與纖維雜質(zhì)共存時，水分的影響更為嚴重第十四頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三吉孟特專門研究了含水液體介質(zhì)的擊穿。他認為當水分在液體中呈懸浮狀態(tài)存在時，由于表面張力的作用，水分呈圓球狀，均勻懸浮在液體中，一般水球的直徑約為10-2~10-4cm。在外電場作用下，由于水的介電常數(shù)很大，水球容易極化而沿電場方向伸長成為橢圓球，如果定向排列的橢圓水球貫穿于電極間形成連續(xù)水橋，則液體介質(zhì)在較低的電壓下發(fā)生擊穿。水橋擊穿模型第十五頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三工程用絕緣油含水時，其擊穿電壓與溫度的關(guān)系如左圖。在0～60℃內(nèi)，隨溫度的升高，水的溶解度增大，部分懸浮狀態(tài)的水變成溶解狀態(tài)，膠粒水珠的體積濃度下降，擊穿場強隨溫度升高而明顯增加，約在60～80℃內(nèi)出現(xiàn)最大值。溫度更高時，油中所含的水分汽化增多，又使擊穿場強下降。而純凈干燥變壓器油在0～80℃范圍內(nèi)，Eb幾乎與溫度無關(guān)。第十六頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三（二）固體雜質(zhì)的影響當液體介質(zhì)中有懸浮固體雜質(zhì)微粒時，會使液體介質(zhì)擊穿場強降低解釋：一般固體懸浮粒子的介電常數(shù)比液體的大，在電場力作用下，這些粒子向電場強度最大的區(qū)域運動，在電極表面電場集中處逐漸積聚起來第十七頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三考克（Kok）根據(jù)這種現(xiàn)象提出液體介質(zhì)雜質(zhì)小橋擊穿模型。并進行了理論計算。由懸浮粒子所受電場力與運動阻尼力間的平衡關(guān)系，并考慮了粒子的擴散作用，液體介質(zhì)擊穿場強與雜質(zhì)粒子半徑的r-3/2成正比。由此，懸浮粒子的半徑減少，擊穿場強增大。第十八頁，共二十頁，編輯于2023年，星期三實驗表明:電場越均勻，雜質(zhì)對擊穿電壓的影響越大，擊穿電壓的分散性也越大，而在不均勻電場中，雜質(zhì)對擊穿電壓的影響較小解釋：當液體介質(zhì)含有雜質(zhì)時，雜質(zhì)粒子的移動能使液體內(nèi)的電場發(fā)生畸變，均勻電場實際上已被畸變?yōu)椴痪鶆螂妶觯噪s質(zhì)對擊穿電壓的影響較大。相反，在極不均勻電場的情況下，雜質(zhì)粒子移動到場強度最大處，出現(xiàn)了較多的空間電荷，從而削弱了強電場，致使雜質(zhì)對擊穿電壓的影響變?nèi)酢τ跊_擊擊穿電壓，雜質(zhì)的影響也較小，因為在沖擊