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1、液体电介质的击穿第1页，本讲稿共20页液体电介质高度纯净去气液体电介质含气纯净液体电介质工程纯液体电介质第2页，本讲稿共20页一、高度纯净去气液体电介质的电击穿理论一、高度纯净去气液体电介质的电击穿理论（一）以碰撞电离开始作为击穿条件（一）以碰撞电离开始作为击穿条件1.击穿机理液体介质中由于阴极的场致发射或热发射的电子在电场中被加速而获得动能，与液体分子碰撞而导致碰撞电离.电子在碰撞液体分子的同时将能量传递给液体分子，电子损失的能量都用来激发液体分子的热振动。第3页，本讲稿共20页一次碰撞中，液体分子平均吸收的能量为一个振动能量子h。当电子在相邻两次碰撞间得到的能量大于h，电子就能在运动过程中
2、逐渐积累能量，至电子能量大到一定值时，电子与液体相互作用时便导致碰撞电离。第4页，本讲稿共20页2.定量分析设电子电荷为e,电子平均自由程为，电场强度为E则碰撞电离的临界条件为eE=Ch如果把这个条件作为击穿条件，则击穿场强可写为C-大于1的整数如何确定电子平均自由行程？第5页，本讲稿共20页以直链型碳氢化合物液体直链型碳氢化合物液体为例设液体分子浓度为N，分子由各种CH基团组成，Sj代表第j个基团的碰撞截面，设一个分子主链由m个原子构成，原子间有效距离为h0，线型分子的有效半径为a，则一个分子的总碰撞截面为S=Sj=2a(m-1)h0=s0(m-1)2h02a直链型碳氢化合物分子模型(m-1
3、)h0第6页，本讲稿共20页已知电子平均自由程与碰撞截面的关系为液体分子浓度M-液体分子量 -密度 N0-阿佛伽德罗常数代入上式，得 从而根据击穿场强的表达式得固有振动频率平均值第7页，本讲稿共20页（二）以电子崩发展至一定大小为击穿条件类似气体放电条件的处理定义为液体介质上一个电子沿电场方向行径单位距离平均发生的碰撞电离次数单位距离碰撞总数电离几率设击穿条件为电极距离其他参数一定时 Eb1/lnd第8页，本讲稿共20页二、含气纯净液体电介质的气泡击穿理论二、含气纯净液体电介质的气泡击穿理论两串联介质中电场强度与介质介电常数成反比气泡中电场强度高于液体而气体的击穿场强远低于液体气泡先发生电离气
4、泡温度升高，体积膨胀，促进电离电离产生的高能电子碰撞液体分子，使液体分子电离产生更多气体，扩大气体通道，当气泡在两极间形成“气桥”时液体介质就能在此通道发生击穿第9页，本讲稿共20页（一）热化气击穿夏博(Sharbaugh)提出，当液体中平均场强达到107108V/m时，阴极表面微尖端处的场强可能达到108V/m以上。由于场致发射，大量电子由阴极表面的微尖端处注入到液体中，估计电流密度可达105A/m2以上发热量可达1013J/sm3，足以使附近的液体气化。设温度为T0的m克液体加热至沸点Tm并气化 所需热量为H，则H=mc(Tm-T0)+lb液体比热液体气化热第10页，本讲稿共20页由于阴极
5、场致发射电子，单位体积、单位时间内引起的能量损耗 u 可近似地用下列半经验公式表示，即u=AEnn-代表空间电荷影响的常数-液体在电极粗糙处场强区滞留的时间H=mc(Tm-T0)+lb当液体得到的能量等于电极附近液体气化所需的热量时产生气泡u=H击穿场强Eb第11页，本讲稿共20页（二）电离化气击穿在研究气体放电对绝缘油的影响时发现，油在放电作用下产生低分子气体，其中主要是氢气、甲烷等。过程氢的游离基氢的游离基CnH2n+2CnH2n+1+H0CmH2m+2CmH2m+1+H02H0H2CnH2n+2+CmH2m+2Cn+mH2(n+m)+2液体介质中也会发生类似的液体放气现象解释电离产生的高
6、能电子使液体分子C-H键（C-C键）断裂第12页，本讲稿共20页电离化气的观点已经得到实验证明。用分光光度计分光光度计观察水中放电现象发现，放电时产生的气体并不是蒸气，而是氢气。对绝缘油击穿时的气体进行光谱分析，发现不存在残留的空气和油的蒸气，主要存在的是氢气。电离化气和热化气一样，仅讨论了产生气体的原因，而没有解决气泡出现与液体击穿现象间的定量关系问题利用分光光度法分光光度法对物质进行定量定性分析的仪器通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度，对该物质进行定性和定量分析第13页，本讲稿共20页三、工程纯液体电介质的杂质击穿三、工程纯液体电介质的杂质击穿（一）水分的影响（二）固体
7、杂质的影响液体介质中含水分悬浮于液体介质中溶解于液体介质中对击穿电压影响不大使击穿电压明显下降*水与纤维杂质共存时，水分的影响更为严重第14页，本讲稿共20页吉孟特专门研究了含水液体介质的击穿。他认为当水分在液体中呈悬浮状态存在时，由于表面张力的作用，水分呈圆球状，均匀悬浮在液体中，一般水球的直径约为10-210-4cm。在外电场作用下，由于水的介电常数很大，水球容易极化而沿电场方向伸长成为椭圆球，如果定向排列的椭圆水球贯穿于电极间形成连续水桥，则液体介质在较低的电压下发生击穿。水桥击穿模型第15页，本讲稿共20页工程用绝缘油含水时，其击穿电压与温度的关系如左图。在060 内，随温度的升高，水
8、的溶解度增大，部分悬浮状态的水变成溶解状态，胶粒水珠的体积浓度下降，击穿场强随温度升高而明显增加，约在6080内出现最大值。温度更高时，油中所含的水分汽化增多，又使击穿场强下降。而纯净干燥变压器油在080范围内，Eb几乎与温度无关。第16页，本讲稿共20页（二）固体杂质的影响当液体介质中有悬浮固体杂质微粒时，会使液体介质击穿场强降低解释：一般固体悬浮粒子的介电常数比液体的大，在电场力作用下，这些粒子向电场强度最大的区域运动，在电极表面电场集中处逐渐积聚起来第17页，本讲稿共20页考克（Kok）根据这种现象提出液体介质杂质小桥击穿模型。并进行了理论计算。由悬浮粒子所受电场力与运运动动阻尼力阻尼力
9、间的平衡关系，并考虑了粒子的扩扩散作用散作用，液体介质击穿场强与杂质粒子半径的r-3/2成正比。由此，悬浮粒子的半径减少，击穿场强增大。第18页，本讲稿共20页实验表明:电场越均匀，杂质对击穿电压的影响越大，击穿电压的分散性也越大，而在不均匀电场中，杂质对击穿电压的影响较小解释：当液体介质含有杂质时，杂质粒子的移动能使液体内的电场发生畸变，均匀电场实际上已被畸变为不均匀电场，所以杂质对击穿电压的影响较大。相反，在极不均匀电场的情况下，杂质粒子移动到场强度最大处，出现了较多的空间电荷，从而削弱了强电场，致使杂质对击穿电压的影响变弱。对于冲击击穿电压，杂质的影响也较小，因为在冲击电压的短时作用下，它还来不及形成“小桥”。第19页，本讲稿共20页液体电介质击穿高度纯净去气液体电介质电击穿含气纯净液体电介质气泡击穿工程纯液体电介质的杂质击穿碰撞电离开始电子崩发展至一定大小电离化气击穿热化气击穿水分的影响固体杂质的影响第20页，本讲稿共20页