液體電介質(zhì)的擊穿

液體電介質(zhì)的擊穿第1頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月液體電介質(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2頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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(jī)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(dòng)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(shí)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(dòng)。第3頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月一次碰撞中，液體分子平均吸收的能量為一個(gè)振動(dòng)能量子h?。當(dāng)電子在相鄰兩次碰撞間得到的能量大于h?，電子就能在運(yùn)動(dòng)過程中逐漸積累能量，至電子能量大到一定值時(shí)，電子與液體相互作用時(shí)便導(dǎo)致碰撞電離。第4頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月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(qiáng)度為E則碰撞電離的臨界條件為eEλ=Ch?如果把這個(gè)條件作為擊穿條件，則擊穿場強(qiáng)可寫為C-大于1的整數(shù)如何確定電子平均自由行程？第5頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月以直鏈型碳?xì)浠衔镆后w為例設(shè)液體分子濃度為N，分子由各種CH基團(tuán)組成，Sj代表第j個(gè)基團(tuán)的碰撞截面，設(shè)一個(gè)分子主鏈由m個(gè)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(gè)分子的總碰撞截面為S=ΣSj=2a(m-1)h0=s0(m-1)2h02a直鏈型碳?xì)浠衔锓肿幽Ｐ?m-1)h0第6頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月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(qiáng)的表達(dá)式得固有振動(dòng)頻率平均值第7頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(gè)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(shí)Eb∝1/lnd第8頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月二、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(qiáng)度與介質(zhì)介電常數(shù)成反比氣泡中電場強(qiáng)度高于液體而氣體的擊穿場強(qiáng)遠(yuǎn)低于液體氣泡先發(fā)生電離氣泡溫度升高，體積膨脹，促進(jìn)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(kuò)大氣體通道，當(dāng)氣泡在兩極間形成“氣橋”時(shí)液體介質(zhì)就能在此通道發(fā)生擊穿第9頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）熱化氣擊穿夏博(Sharbaugh)提出，當(dāng)液體中平均場強(qiáng)達(dá)到107~108V/m時(shí)，陰極表面微尖端處的場強(qiáng)可能達(dá)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(jì)電流密度可達(dá)105A/m2以上發(fā)熱量可達(dá)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(diǎn)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10頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月由于陰極場致發(fā)射電子，單位體積、單位時(shí)間內(nèi)引起的能量損耗u可近似地用下列半經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)區(qū)滯留的時(shí)間ΔH=m[c(Tm-T0)+lb]當(dāng)液體得到的能量等于電極附近液體氣化所需的熱量時(shí)產(chǎn)生氣泡u=ΔH擊穿場強(qiáng)Eb第11頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）電離化氣擊穿在研究氣體放電對絕緣油的影響時(shí)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12頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月電離化氣的觀點(diǎn)已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)證明。用分光光度計(jì)觀察水中放電現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，放電時(shí)產(chǎn)生的氣體并不是蒸氣，而是氫氣。對絕緣油擊穿時(shí)的氣體進(jìn)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(jìn)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(jìn)行定性和定量分析第13頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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(shí)，水分的影響更為嚴(yán)重第14頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月吉孟特專門研究了含水液體介質(zhì)的擊穿。他認(rèn)為當(dāng)水分在液體中呈懸浮狀態(tài)存在時(shí)，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15頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月工程用絕緣油含水時(shí)，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(qiáng)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(shí)，油中所含的水分汽化增多，又使擊穿場強(qiáng)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16頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）固體雜質(zhì)的影響當(dāng)液體介質(zhì)中有懸浮固體雜質(zhì)微粒時(shí)，會使液體介質(zhì)擊穿場強(qiáng)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(qiáng)度最大的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，在電極表面電場集中處逐漸積聚起來第17頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月考克（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(jìn)行了理論計(jì)算。由懸浮粒子所受電場力與運(yùn)動(dòng)阻尼力間的平衡關(guān)系，并考慮了粒子的擴(kuò)散作用，液體介質(zhì)擊穿場強(qiáng)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(qiáng)增大。第18頁，課件共20頁，創(chuàng)作于2023年2月實(shí)驗(yàn)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(dāng)液體介質(zhì)含有雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)粒子的移動(dòng)能使液體內(nèi)的電場發(fā)生畸變，均勻電場實(shí)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(dòng)到場強(qiáng)度最大處，出現(xiàn)了較多的空間電荷，從而削弱了強(qiáng)電場，致使雜質(zhì)對擊穿電壓的影響變?nèi)?。對于沖擊擊穿電壓，雜質(zhì)的影響也較小，因?yàn)樵跊_