液體電介質的擊穿

一旦作用于液體介質的電場強度增大到一定程度時，在介質中出現的電氣現象就不再限于前面介紹的極化、電導和介質損耗了。與氣體介質相似，液體介質在強電場(高電壓) 的作用下，也會出現由介質轉變為導體的擊穿過程。本節介紹液體介質的擊穿理論、擊穿過程特點和影響其電氣強度的因素。

工程中實際使用的液體介質并不是純凈的，往往含有水分、氣體、固體微粒和纖維等雜質，它們對液體介質的擊穿過程均有很大的影響。因此，本節中除了介紹純凈液體介質的擊穿機理外，還將探討工程用絕緣油的擊穿特點。

目前，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。其主要原因在于：純凈的液體電介質和工程用的液體電介質的擊穿機理有很大不同，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，需分別討論。

1高度純凈去氣液體電介質的電擊穿理論

電子碰撞電離理論：純凈的液體電介質中總會存在一些離子，它們或由液體分子受自然界中射線的電離作用而產生，或由液體中微量雜質受電場的解離作用而產生。對純凈的液體電介質施加電壓，液體中的離子在電場作用下運動而形成電流。電場較弱時，隨電壓的上升，電流呈線性增加。當電場逐漸增強時，由于越來越多的離子已經參與了導電，隨著電壓的進一步升高，電流呈現出不十分明顯的飽和趨向。此時液體電介質中雖有電流流過，但數值甚微，液體仍具有較高的電阻率。當電場強度超過1MV/cm時，液體電介質中原有的少量自由電子，以及因場致發射或因強電場作用增強了的熱電子發射而脫離陰極的電子，在電場作用下運動、加速、積累能量、碰撞液體分子，而且以一定的概率使液體電介質的分子電離。只要電場足夠強，電子在向陽極運動的過程中，就不斷碰撞液體分子，使之電離，致使電子迅速增加。因碰撞電離而產生的正離子移動至陰極附近，增強了陰極表面的場強，促使陰極發射的電子數增多。這樣，電流急劇增加，液體電介質失去絕緣能力，發生擊穿。

純凈液體介質的電擊穿理論與氣體放電湯遜理論中α、γ的作用有些相似。但是液體的密度比氣體大得多，電子的平均自由行程很小，積累能量比較困難，必須大大提高電場強度才能開始碰撞電離，所以純凈液體介質的擊穿場強要比氣體介質高得多(約高一個數量級)。

由電擊穿理論可知：純凈液體的密度增加時，擊穿場強會增大；溫度升高時液體膨脹，擊穿場強會下降；由于電子崩的產生和空間電荷層的形成需要一定時間，當電壓作用時間很短時，擊穿場強將提高，因此液體介質的沖擊擊穿場強高于上頻擊穿場強(沖擊系數>1)。

2含氣純凈液體電介質的氣泡擊穿理論

氣泡擊穿理論：純凈液體電介質在電場作用下生成氣泡是氣泡擊穿理論的基礎。當純凈液體電介質承受較高電場強度時，在其中產生氣泡的原因有：①因場致發射或因強電場作用加強了的熱電子發射而脫離陰極的電子，在電場作用下運動形成電子電流，使液體發熱而分解出氣泡；② 電子在電場中運動，與液體電介質分子碰撞，導致液體分子解離產生氣泡；③電極表面粗糙，突出物處的電暈放電使液體氣化生成氣泡；④電極表面吸附的氣泡表面積聚電荷，當電場力足夠時，氣泡將被拉長。液體電介質中出現氣泡后，在足夠強的電場作用下，首先氣泡內的氣體電離，氣泡溫度升高、體積膨脹，電離進一步發展。與此同時，帶電粒子又不斷撞擊液體分子，使液體分解出氣體，擴大了氣體通道。電離的氣泡或在電極間形成連續小橋，或畸變了液體電介質中的電場分布，導致液體電介質擊穿。

實驗證明，液體介質的擊穿場強與其靜壓力密切相關，這表明液體介質在擊穿過程的臨界階段可能包含著狀態變化，這就是液體中出現了氣泡。因此，有學者提出了氣泡擊穿機理。

在交流電壓下，串聯介質中電場強度的分布是與介質的C成反比的。由于氣泡的C最小(≈1)，其電氣強度又比液體介質低很多，所以氣泡必先發生電離。氣泡電離后溫度上升、體積膨脹、密度減小，這促使電離進一步發展。電離產生的帶電粒子撞擊油分子，使它又分解出氣體，導致氣體通道擴大。如果許多電離的氣泡在電場中排列成氣體小橋，擊穿就可能在此通道中發生。

如果液體介質的擊穿因氣體小橋而引起，那么增加液體的壓力，就可使其擊穿場強有所提高。因此，在高壓充油電纜中總要加大油壓，以提高電纜的擊穿場強。

3工程純液體電介質的雜質擊穿

1.小橋理論及雜質擊穿

小橋理論：工程用液體電介質中含有水分和纖維、金屬末等固體雜質。在電場作用下，水滴、潮濕纖維等介電常數比液體電介質大的雜質將被吸引到電場強度較大的區域，并順著電力線排列起來，在電極間局部地區構成雜質小橋。小橋的電導和介電常數都比液體電介質的大，這就畸變了電場分布，使液體電介質的擊穿場強下降。如果雜質足夠多，則還能構成貫通電極間隙的小橋。雜質小橋的電導大，因而小橋將因流過較大的泄漏電流而發熱，使液體電介質及所含水分局部氣化，而擊穿將沿此氣體橋發生。

工程用液體電介質中總含有一些雜質，主要是氣體、水分和纖維。這些雜質是在液體電介質的生產、運行中混入的。工程上要得到高度純凈的液體電介質是非常困難的，因為其提純工藝很復雜。在電氣設備的制造和運行中，不可避免地會摻入雜質，如注入液體電介質的過程中會混入空氣，液體電介質與大氣接觸時會發生氧化，并吸入氣體和水分；運行中液體本身也會老化，分解出氣體、水分和聚合物；固體絕緣材料(紙或布)上也會有纖維脫落到液體電介質中。雜質的存在使工程用液體電介質的擊穿具有了新的特點，一般用“小橋"理論來說明工程用液體電介質的擊穿過程。

“小橋"理論認為，由于液體電介質中的水和纖維的相對介電常數(分別為81，6～7)比油的相對介電常數(1.8～2.8)大得多，這些雜質很容易極化并沿電場方向定向排列成雜質的“小橋"。當雜質“小橋"貫穿兩極時，在電場作用下，由于組成此小橋的水分和纖維的電導較大，使泄漏電流增加，從而使“小橋"急劇發熱，油和水分局部沸騰汽化，形成“氣體橋"。氣體中的電場強度要比油中高很多(與相對介電常數成反比)，而氣體的耐電強度比油的低很多，最后沿此“氣體橋"擊穿。這種形式的擊穿包含熱過程，所以屬于熱擊穿的范疇。

2.影響液體電介質擊穿電壓的因素

(1)液體電介質本身品質的影響

液體電介質的品質決定于其所含雜質多少。含雜質越多，品質越差，擊穿電壓越低。對液體電介質，通常用標準試油器(又稱標準油杯)按標準試驗方法求得的工頻擊穿電壓來衡量其品質的優劣，而不用擊穿場強值。因為即使是均勻場，擊穿場強也隨間隙距離的增大而明顯下降。

我國國家標準GB/T 507—2002對標準油杯推薦了兩種電極：一種為球形電極；另一種為球蓋形電極，電極材料為黃銅或不銹鋼。球形電極由兩個直徑為12.5~13.0mm的球電極組成，電極間距 導離為2.5mm；球蓋形電極由兩個直徑為36mm的球蓋形電極組成，電極間距離也為2.5mm，如圖3-20所示。標準油杯的器壁為透明的有機玻璃。

必須指出，在標準試油器中測得的油的耐電強度只能作為對油的品質的衡量標準，不能用此數據直接計算在不同條件下油間隙的耐受電壓，因為同一種油在不同條件下的耐電強度是有很大差別的。

下面以變壓器油為例具體討論變壓器油本身的某些品質對耐電強度的影響。

1)含水量：水分在油中有3種存在方式，當含水量極微小時，水分以分子狀態溶解于油中，這種狀態的水分對油的耐電強度影響不大；當含水量超過其溶解度時，多余的水分便以乳化狀態懸浮在油中，這種懸浮狀態的小水滴在電場作用下極化易形成小橋，對油的耐電強度有很強烈的影響。圖3-21所示是在標準油杯中測出的變壓器油的工頻擊穿電壓與含水量的關系。由圖可見，在常溫下，只要油中含有0.01%的水分，就會使油的擊穿電壓顯著下降。當含水量超過0.02%時，多余的水分沉淀到油的底部，因此擊穿電壓不再降低。

2)含纖維量：當油中有纖維存在時，在電場力的作用下，纖維將沿著電場方向極化排列形成雜質小橋，使油的擊穿電壓大大下降。纖維又具有很強的吸附水分的能力，吸濕的纖維對擊穿電壓的影響

3)含氣量：絕緣油能夠吸收和浴解相當數量的氣體，其飽和溶解量主要由氣體的化學成分、氣壓、油溫等因素決定。溫度對油中氣體飽和溶解量的影響隨氣體種類而異，沒有統一的規律。氣壓升高時，各種氣體在油中的飽和溶解量都會增加，所以油的脫氣處理通常都在高真空下進行。

溶解于油中的氣體在短時間內對油的性能影響不大，主要只是使油的黏度和耐電強度稍有降低。它的主要危害有兩種：一是當溫度、壓力等外界條件發生改變時，溶解在油中的氣體可能析出，成為自由狀態的小氣泡，容易導致局部放電，加速油的老化，也會使油的耐電強度有較大的降低；二是溶解在油中的氧氣經過一定時間會使油逐漸氧化，酸價增大，并加速油的老化。

4)含碳量：某些電氣設備中的絕緣油在運行中常受到電弧的作用。電弧的高溫會使絕緣油分解出氣體(主要為氫氣和烴類氣體)、液體(主要為低分子烴類)及固體(主要為碳粒)物質。碳粒對油的耐電強度有兩方面的作用：一方面，碳粒本身為導體，它散布在油中，使碳粒附近局部電場增強，從而使油的耐電強度降低；另一方面，新生的活性碳粒有很強的吸附水分和氣體的能力，從而使油的耐電強度提高。總的來說，細而分散的碳粒對油的耐電強度的影響并不顯著，但碳粒(再加吸附了某些水分和雜質)逐漸沉淀到電氣設備的固體介質表面，形成油泥，則易造成油中沿固體介質表面的放電，同時也影響散熱。

(2)溫度的影響

溫度對變壓器油耐電強度的影響和油的品質、電場均勻度及電壓作用時間有關。在較均勻電場及1min工頻電壓作用下，變壓器油的擊穿電壓與溫度的關系如圖3-22所示。曲線1、2分別代表干燥的油和受潮的油的試驗曲線。受潮的油，當溫度從0℃逐漸升高時，水分在油中的溶解度逐漸增大，一部分乳化懸浮狀態的水分就轉化為溶解狀態，使油的耐電強度逐漸增大；當溫度超過60~80℃時，部分水分開始汽化，使油的耐電強度降低；當油溫稍低于0℃時，呈乳化懸浮狀態的水分最多，此時油的耐電強度低；溫度的關系度再低時水分結成冰粒，冰的介電常數與油相近，對電場畸變的程度減弱，因面油的耐電強度又逐漸增加。對于很干燥的油，就沒有這種變化規律，油的耐電強度只是隨著溫度的升高單調地降低。

在極不均勻電場中，油中的水分和雜質不易形成小橋，受潮的油的擊穿電壓和溫度的關系不像均勻電場中那樣復雜，只是隨著溫度的上升，擊穿電壓略有下降。

不論是均勻電場還是不均勻電場，在沖擊電壓作用下，即使是品質較差的油，油隙的擊穿電壓和溫度也沒有顯著關系，只是隨著溫度的上升，油隙的擊穿電壓稍有下降。主要是沖擊電壓作用時間太短，雜質來不及形成小橋的緣故。

(3)電壓作用時間的影響

油隙的擊穿電壓隨電壓作用時間的增加而下降，加壓時間還會影響油的擊穿性質。

從圖3-23的兩條曲線可以看出：在電壓作用時間短至幾個微秒時，擊穿電壓很高，擊穿有時延特性，屬電擊穿；電壓作用時間為數十到數百微秒時，雜質的影響還不能顯示出來， 仍為電擊穿，這時影響油隙擊穿電壓的主要因素是電場的均勻程度；電壓作用時間更長時，雜質開始聚集，油隙的擊穿開始出現熱過程，于是擊穿電壓再度下降，為熱擊穿。

在電壓作用時間很短時(小于毫秒級)，擊穿電壓隨時間的變化規律和氣體電介質的伏秒特性相似，具有純電擊穿的性質；電壓作用時間越長，雜質成橋，介質發熱越充分，擊穿電壓越低，屬于熱擊穿。對一般不太臟的油，做1min擊穿電壓和長時間擊穿電壓的試驗結果差不多，故做油的耐壓試驗，只做1min。

(4)電場情況的影響

保持油溫不變，而改善電場的均勻度，能使優質油的工頻擊穿電壓顯著增大，也能大大提高其沖擊擊穿電壓。品質差的油含雜質較多，故改善電場對于提高其工頻擊穿電壓的效果也較差。在沖擊電壓下，由于雜質來不及形成小橋，故改善電場總是能顯著提高油隙的沖擊擊穿電壓，而與油的品質好壞幾乎無關。

(5)壓力的影響

不論電場均勻與否，當壓力增加時，工程用變壓器油的工頻擊穿電壓會隨之升高，這個關系在均勻電場中更為顯著。其原因是隨著壓力的增加，氣體在油中的溶解度增加，氣泡的局部放電起始電壓也提高，這兩個因素都將使油的擊穿電壓提高。若除凈油中所含氣體或在沖擊電壓作用下，則壓力對油隙的擊穿電壓幾乎沒有什么影響。這說明油隙的擊穿電壓隨壓力的增加而升高的原因在于油中含有氣體。總的來說，即使是較均勻電場，油隙的擊穿電壓隨壓力的增大而升高的程度遠不如氣隙。

由于油中氣泡等雜質不影響沖擊擊穿電壓，故油壓大小也不影響沖擊擊穿電壓。

從以上討論中可以看出，油中雜質對油隙的工頻擊穿電壓有很大的影響，所以對于工程用油來說，應設法減少雜質的影響，提高油的品質。通常可以采用過濾、防潮、祛氣等方法來提高油的品質，在絕緣設計中則可利用“油一屏障"式絕緣(例如，覆蓋層、絕緣層和隔板等)來減少雜質的影響，這些措施都能顯著提高油隙的擊穿電壓。

3. 提高液體電介質擊穿電壓的方法

(1)提高并保持油品質

提高并保持油品常用的方法如下：

1)過濾。將油在壓力下連續通過濾油機中的大量濾紙層，油中的雜質(包括纖維、碳粒、樹脂、油泥等)被濾紙阻擋，油中大部分的水分和有機酸等也被濾紙纖維吸附，從而大大提高了油的品質。若在油中加一些白土、硅膠等吸附劑，吸附油中的水分、有機酸等，然后再過濾，效果會更好。

2)防潮。油浸式絕緣在浸油前必須烘干，必要時可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空氣入口放干燥劑，以防潮氣進入。

3)祛氣。常用的方法是先將油加熱，在真空中噴成霧狀，油中所含水分和氣體即揮發并被抽走，然后在真空條件下將油注入電氣設備中。

(2)采用“油屏障"式絕緣

1)覆蓋層。覆蓋層是指緊貼在金屬電極上的固體絕緣薄層，通常用漆膜、黃蠟布、漆布帶等做成。由于它很薄(<1mm)，所以它并不會顯著改變油中電場分布。它的作用主要是使油中的雜質、水分等形成的“小橋"不能直接與電極接觸，從而減小了流經雜質小橋的電流，阻礙了雜質“小橋"中熱擊穿過程的發展。覆蓋層的作用顯然是與雜質“小橋"密切相關的，在雜質“小橋"的作用比較顯著的場合，覆蓋層的效果就會較強，反之就會較弱。

實驗結果表明，油本身品質越差、電場越均勻、電壓作用時間越長，則覆蓋層對提高油隙擊穿電壓的效果就越顯著，且能使擊穿電壓的分散性大為減小。對一般工程用的油，在工頻電壓作用下，覆蓋層的效果大致為：在均勻電場、稍不均勻電場和極不均勻電場中，覆蓋層可使油隙的工頻擊穿電壓分別提高100%～70%、70%~50%、50%～20%。實驗結果還表明，覆蓋層上如有個別穿孔或擊穿(但無明顯燒焦者)等情況對油隙擊穿電壓沒有很大影響，這可能是雜質“小橋"和電極接觸點的位置具有概率統計性質的緣故。在沖擊電壓作用下，覆蓋層幾乎不起什么作用。

2)絕緣層。絕緣層在形式上就像加厚了的覆蓋層(有的厚度可達幾十毫米)。絕緣層不僅能起覆蓋層的作用，減小雜質的有害影響，而且它能承擔一定的電壓，可改善電場的分布。它通常只用在不均勻電場中，包在曲率半徑較小的電極上，由于固體絕緣層的介電常數比油大，因此能降低絕緣層所填充的部分空間的場強；固體絕緣層的耐電強度也較高，不會在其中造成局部放電。固體絕緣層的厚度應使其外緣處的曲率半徑已足夠大，致使此處油中的場強已減小到不會發生電暈或局部放電的程度。變壓器高壓引線、屏蔽環以及充油套管的導電桿上都包有絕緣層。

3)屏障。屏障又稱極間障或隔板，是放在電極間油間隙中的固體絕緣板(層壓紙板或層壓布板)，其形狀可以是平板、圓筒、圓管等，厚度通常為2~7mm，主要由所需機械強度來決定。屏障的作用一方面是阻隔雜質“小橋"的形成；另一方面和氣體電介質中放置屏障的作用類似，在極不均勻電場中，曲率半徑小的電極附近場強高，會先發生游離，游離出的帶電粒子被屏障阻擋，并分布在屏障的一側，使另一側油隙中的電場變得比較均勻。從而能提高油間隙的擊穿電壓。

在極不均勻電場(如棒-板)中，在工頻電壓作用下，當屏障與棒極距離S′為總間隙距離S的15%~25%時，屏障的作用最大，此時，油隙的擊穿電壓可達無屏障時的200%～250%。當屏障過分靠近棒極時，有可能引起棒極與屏障之間的局部擊穿，使屏障逐漸被破壞。

在較均勻電場中，屏障的優位置仍在S′/S≈0.25處，但此時油隙的平均擊穿電壓只能提高25%，不過它能使擊穿電壓的分散性減小。

為了使屏障能充分發揮作用，屏障的面積應足夠大，以避免繞過其邊緣的放電，最好是將屏障的形狀做成與電極的形狀接近相似并包圍電極。屏障的厚度超過機械強度所要求的厚度是不必要的，而且是沒有好處的。特別在較均勻電場中，由于屏障材料的介電常數比油大得多，過厚的屏障，反而會增大油隙中的場強。

在較大的油間隙中若合理地布置幾個屏障，可使擊穿電壓進一步提高。

在沖擊電壓作用下，油中雜質來不及形成“小橋"，所以屏障的作用就很小了。

(3)采用真空注油工藝

變壓器油中含有較多空氣時，其中的氧氣與油發生氧化老化，而油中的氣泡在電場作用下產生局部放電，使氣泡附近的油產生分解老化。

(4)采用密封式儲油柜

采用隔膜式、膠囊式及金屬膨脹器式等密封式儲油柜，使變壓器油與外界空氣隔離，從而使油對氧氣的吸收作用限制到最小限度。另外，用壓力釋放閥代替密封性能不佳的安全氣道，避免氧氣、水分與變壓器內部的油相接觸。

(5)避免金屬與油直接接觸

金屬材料中銅對油的觸媒作用強，但銅又是變壓器中的主要材料，因此應特別注意盡量避免銅與油直接接觸。

(6)防止日光照射

變壓器中經常暴露在陽光下的油的數量雖然不多，但日光的觸媒作用必須設法避免。一般變壓器的油位指示器及高壓套管的玻璃儲油柜等本身的油量是很少的，但若過分劣化后，即可成為全部油劣化的誘導體。通常，防止日光照射老化的措施有如下：①變壓器儲油柜采用指針式油位計，若用管式油位計時，應使油位計玻璃管中的油與儲油柜中的油隔開，如帶小膠囊油位計結構：②套管油位的指示器可只留一條狹窄的縫隙，以減少日光的照射面積；也可用適當顏色的玻璃，以降低透入光線的作用。

(7)添加抗氧化劑

在新油出廠前加入抗氧化劑，可以有效地抑制油的氧化作用。