液体电介质的击穿

一旦作用于液体介质的电场强度增大到一定程度时，在介质中出现的电气现象就不再限于前面介绍的极化、电导和介质损耗了。与气体介质相似，液体介质在强电场(高电压) 的作用下，也会出现由介质转变为导体的击穿过程。本节介绍液体介质的击穿理论、击穿过程特点和影响其电气强度的因素。

工程中实际使用的液体介质并不是纯净的，往往含有水分、气体、固体微粒和纤维等杂质，它们对液体介质的击穿过程均有很大的影响。因此，本节中除了介绍纯净液体介质的击穿机理外，还将探讨工程用绝缘油的击穿特点。

目前，对液体电介质击穿机理的研究远不及对气体电介质击穿机理的研究，还提不出一个较为完善的击穿理论。其主要原因在于：纯净的液体电介质和工程用的液体电介质的击穿机理有很大不同，工程用液体电介质中总含有某些气体、液体或固体杂质，这些杂质的存在对液体电介质的击穿过程影响很大，需分别讨论。

1高度纯净去气液体电介质的电击穿理论

电子碰撞电离理论：纯净的液体电介质中总会存在一些离子，它们或由液体分子受自然界中射线的电离作用而产生，或由液体中微量杂质受电场的解离作用而产生。对纯净的液体电介质施加电压，液体中的离子在电场作用下运动而形成电流。电场较弱时，随电压的上升，电流呈线性增加。当电场逐渐增强时，由于越来越多的离子已经参与了导电，随着电压的进一步升高，电流呈现出不十分明显的饱和趋向。此时液体电介质中虽有电流流过，但数值甚微，液体仍具有较高的电阻率。当电场强度超过1MV/cm时，液体电介质中原有的少量自由电子，以及因场致发射或因强电场作用增强了的热电子发射而脱离阴极的电子，在电场作用下运动、加速、积累能量、碰撞液体分子，而且以一定的概率使液体电介质的分子电离。只要电场足够强，电子在向阳极运动的过程中，就不断碰撞液体分子，使之电离，致使电子迅速增加。因碰撞电离而产生的正离子移动至阴极附近，增强了阴极表面的场强，促使阴极发射的电子数增多。这样，电流急剧增加，液体电介质失去绝缘能力，发生击穿。

纯净液体介质的电击穿理论与气体放电汤逊理论中α、γ的作用有些相似。但是液体的密度比气体大得多，电子的平均自由行程很小，积累能量比较困难，必须大大提高电场强度才能开始碰撞电离，所以纯净液体介质的击穿场强要比气体介质高得多(约高一个数量级)。

由电击穿理论可知：纯净液体的密度增加时，击穿场强会增大；温度升高时液体膨胀，击穿场强会下降；由于电子崩的产生和空间电荷层的形成需要一定时间，当电压作用时间很短时，击穿场强将提高，因此液体介质的冲击击穿场强高于上频击穿场强(冲击系数>1)。

2含气纯净液体电介质的气泡击穿理论

气泡击穿理论：纯净液体电介质在电场作用下生成气泡是气泡击穿理论的基础。当纯净液体电介质承受较高电场强度时，在其中产生气泡的原因有：①因场致发射或因强电场作用加强了的热电子发射而脱离阴极的电子，在电场作用下运动形成电子电流，使液体发热而分解出气泡；② 电子在电场中运动，与液体电介质分子碰撞，导致液体分子解离产生气泡；③电极表面粗糙，突出物处的电晕放电使液体气化生成气泡；④电极表面吸附的气泡表面积聚电荷，当电场力足够时，气泡将被拉长。液体电介质中出现气泡后，在足够强的电场作用下，首先气泡内的气体电离，气泡温度升高、体积膨胀，电离进一步发展。与此同时，带电粒子又不断撞击液体分子，使液体分解出气体，扩大了气体通道。电离的气泡或在电极间形成连续小桥，或畸变了液体电介质中的电场分布，导致液体电介质击穿。

实验证明，液体介质的击穿场强与其静压力密切相关，这表明液体介质在击穿过程的临界阶段可能包含着状态变化，这就是液体中出现了气泡。因此，有学者提出了气泡击穿机理。

在交流电压下，串联介质中电场强度的分布是与介质的C成反比的。由于气泡的C最小(≈1)，其电气强度又比液体介质低很多，所以气泡必先发生电离。气泡电离后温度上升、体积膨胀、密度减小，这促使电离进一步发展。电离产生的带电粒子撞击油分子，使它又分解出气体，导致气体通道扩大。如果许多电离的气泡在电场中排列成气体小桥，击穿就可能在此通道中发生。

如果液体介质的击穿因气体小桥而引起，那么增加液体的压力，就可使其击穿场强有所提高。因此，在高压充油电缆中总要加大油压，以提高电缆的击穿场强。

3工程纯液体电介质的杂质击穿

1.小桥理论及杂质击穿

小桥理论：工程用液体电介质中含有水分和纤维、金属末等固体杂质。在电场作用下，水滴、潮湿纤维等介电常数比液体电介质大的杂质将被吸引到电场强度较大的区域，并顺着电力线排列起来，在电极间局部地区构成杂质小桥。小桥的电导和介电常数都比液体电介质的大，这就畸变了电场分布，使液体电介质的击穿场强下降。如果杂质足够多，则还能构成贯通电极间隙的小桥。杂质小桥的电导大，因而小桥将因流过较大的泄漏电流而发热，使液体电介质及所含水分局部气化，而击穿将沿此气体桥发生。

工程用液体电介质中总含有一些杂质，主要是气体、水分和纤维。这些杂质是在液体电介质的生产、运行中混入的。工程上要得到高度纯净的液体电介质是非常困难的，因为其提纯工艺很复杂。在电气设备的制造和运行中，不可避免地会掺入杂质，如注入液体电介质的过程中会混入空气，液体电介质与大气接触时会发生氧化，并吸入气体和水分；运行中液体本身也会老化，分解出气体、水分和聚合物；固体绝缘材料(纸或布)上也会有纤维脱落到液体电介质中。杂质的存在使工程用液体电介质的击穿具有了新的特点，一般用“小桥”理论来说明工程用液体电介质的击穿过程。

“小桥”理论认为，由于液体电介质中的水和纤维的相对介电常数(分别为81，6～7)比油的相对介电常数(1.8～2.8)大得多，这些杂质很容易极化并沿电场方向定向排列成杂质的“小桥”。当杂质“小桥”贯穿两极时，在电场作用下，由于组成此小桥的水分和纤维的电导较大，使泄漏电流增加，从而使“小桥”急剧发热，油和水分局部沸腾汽化，形成“气体桥”。气体中的电场强度要比油中高很多(与相对介电常数成反比)，而气体的耐电强度比油的低很多，最后沿此“气体桥”击穿。这种形式的击穿包含热过程，所以属于热击穿的范畴。

2.影响液体电介质击穿电压的因素

(1)液体电介质本身品质的影响

液体电介质的品质决定于其所含杂质多少。含杂质越多，品质越差，击穿电压越低。对液体电介质，通常用标准试油器(又称标准油杯)按标准试验方法求得的工频击穿电压来衡量其品质的优劣，而不用击穿场强值。因为即使是均匀场，击穿场强也随间隙距离的增大而明显下降。

我国国家标准GB/T 507—2002对标准油杯推荐了两种电极：一种为球形电极；另一种为球盖形电极，电极材料为黄铜或不锈钢。球形电极由两个直径为12.5~13.0mm的球电极组成，电极间距 导离为2.5mm；球盖形电极由两个直径为36mm的球盖形电极组成，电极间距离也为2.5mm，如图3-20所示。标准油杯的器壁为透明的有机玻璃。

必须指出，在标准试油器中测得的油的耐电强度只能作为对油的品质的衡量标准，不能用此数据直接计算在不同条件下油间隙的耐受电压，因为同一种油在不同条件下的耐电强度是有很大差别的。

下面以变压器油为例具体讨论变压器油本身的某些品质对耐电强度的影响。

1)含水量：水分在油中有3种存在方式，当含水量极微小时，水分以分子状态溶解于油中，这种状态的水分对油的耐电强度影响不大；当含水量超过其溶解度时，多余的水分便以乳化状态悬浮在油中，这种悬浮状态的小水滴在电场作用下极化易形成小桥，对油的耐电强度有很强烈的影响。图3-21所示是在标准油杯中测出的变压器油的工频击穿电压与含水量的关系。由图可见，在常温下，只要油中含有0.01%的水分，就会使油的击穿电压显著下降。当含水量超过0.02%时，多余的水分沉淀到油的底部，因此击穿电压不再降低。

2)含纤维量：当油中有纤维存在时，在电场力的作用下，纤维将沿着电场方向极化排列形成杂质小桥，使油的击穿电压大大下降。纤维又具有很强的吸附水分的能力，吸湿的纤维对击穿电压的影响

3)含气量：绝缘油能够吸收和浴解相当数量的气体，其饱和溶解量主要由气体的化学成分、气压、油温等因素决定。温度对油中气体饱和溶解量的影响随气体种类而异，没有统一的规律。气压升高时，各种气体在油中的饱和溶解量都会增加，所以油的脱气处理通常都在高真空下进行。

溶解于油中的气体在短时间内对油的性能影响不大，主要只是使油的黏度和耐电强度稍有降低。它的主要危害有两种：一是当温度、压力等外界条件发生改变时，溶解在油中的气体可能析出，成为自由状态的小气泡，容易导致局部放电，加速油的老化，也会使油的耐电强度有较大的降低；二是溶解在油中的氧气经过一定时间会使油逐渐氧化，酸价增大，并加速油的老化。

4)含碳量：某些电气设备中的绝缘油在运行中常受到电弧的作用。电弧的高温会使绝缘油分解出气体(主要为氢气和烃类气体)、液体(主要为低分子烃类)及固体(主要为碳粒)物质。碳粒对油的耐电强度有两方面的作用：一方面，碳粒本身为导体，它散布在油中，使碳粒附近局部电场增强，从而使油的耐电强度降低；另一方面，新生的活性碳粒有很强的吸附水分和气体的能力，从而使油的耐电强度提高。总的来说，细而分散的碳粒对油的耐电强度的影响并不显著，但碳粒(再加吸附了某些水分和杂质)逐渐沉淀到电气设备的固体介质表面，形成油泥，则易造成油中沿固体介质表面的放电，同时也影响散热。

(2)温度的影响

温度对变压器油耐电强度的影响和油的品质、电场均匀度及电压作用时间有关。在较均匀电场及1min工频电压作用下，变压器油的击穿电压与温度的关系如图3-22所示。曲线1、2分别代表干燥的油和受潮的油的试验曲线。受潮的油，当温度从0℃逐渐升高时，水分在油中的溶解度逐渐增大，一部分乳化悬浮状态的水分就转化为溶解状态，使油的耐电强度逐渐增大；当温度超过60~80℃时，部分水分开始汽化，使油的耐电强度降低；当油温稍低于0℃时，呈乳化悬浮状态的水分最多，此时油的耐电强度低；温度的关系度再低时水分结成冰粒，冰的介电常数与油相近，对电场畸变的程度减弱，因面油的耐电强度又逐渐增加。对于很干燥的油，就没有这种变化规律，油的耐电强度只是随着温度的升高单调地降低。

在极不均匀电场中，油中的水分和杂质不易形成小桥，受潮的油的击穿电压和温度的关系不像均匀电场中那样复杂，只是随着温度的上升，击穿电压略有下降。

不论是均匀电场还是不均匀电场，在冲击电压作用下，即使是品质较差的油，油隙的击穿电压和温度也没有显著关系，只是随着温度的上升，油隙的击穿电压稍有下降。主要是冲击电压作用时间太短，杂质来不及形成小桥的缘故。

(3)电压作用时间的影响

油隙的击穿电压随电压作用时间的增加而下降，加压时间还会影响油的击穿性质。

从图3-23的两条曲线可以看出：在电压作用时间短至几个微秒时，击穿电压很高，击穿有时延特性，属电击穿；电压作用时间为数十到数百微秒时，杂质的影响还不能显示出来， 仍为电击穿，这时影响油隙击穿电压的主要因素是电场的均匀程度；电压作用时间更长时，杂质开始聚集，油隙的击穿开始出现热过程，于是击穿电压再度下降，为热击穿。

在电压作用时间很短时(小于毫秒级)，击穿电压随时间的变化规律和气体电介质的伏秒特性相似，具有纯电击穿的性质；电压作用时间越长，杂质成桥，介质发热越充分，击穿电压越低，属于热击穿。对一般不太脏的油，做1min击穿电压和长时间击穿电压的试验结果差不多，故做油的耐压试验，只做1min。

(4)电场情况的影响

保持油温不变，而改善电场的均匀度，能使优质油的工频击穿电压显著增大，也能大大提高其冲击击穿电压。品质差的油含杂质较多，故改善电场对于提高其工频击穿电压的效果也较差。在冲击电压下，由于杂质来不及形成小桥，故改善电场总是能显著提高油隙的冲击击穿电压，而与油的品质好坏几乎无关。

(5)压力的影响

不论电场均匀与否，当压力增加时，工程用变压器油的工频击穿电压会随之升高，这个关系在均匀电场中更为显著。其原因是随着压力的增加，气体在油中的溶解度增加，气泡的局部放电起始电压也提高，这两个因素都将使油的击穿电压提高。若除净油中所含气体或在冲击电压作用下，则压力对油隙的击穿电压几乎没有什么影响。这说明油隙的击穿电压随压力的增加而升高的原因在于油中含有气体。总的来说，即使是较均匀电场，油隙的击穿电压随压力的增大而升高的程度远不如气隙。

由于油中气泡等杂质不影响冲击击穿电压，故油压大小也不影响冲击击穿电压。

从以上讨论中可以看出，油中杂质对油隙的工频击穿电压有很大的影响，所以对于工程用油来说，应设法减少杂质的影响，提高油的品质。通常可以采用过滤、防潮、祛气等方法来提高油的品质，在绝缘设计中则可利用“油一屏障”式绝缘(例如，覆盖层、绝缘层和隔板等)来减少杂质的影响，这些措施都能显著提高油隙的击穿电压。

3. 提高液体电介质击穿电压的方法

(1)提高并保持油品质

提高并保持油品常用的方法如下：

1)过滤。将油在压力下连续通过滤油机中的大量滤纸层，油中的杂质(包括纤维、碳粒、树脂、油泥等)被滤纸阻挡，油中大部分的水分和有机酸等也被滤纸纤维吸附，从而大大提高了油的品质。若在油中加一些白土、硅胶等吸附剂，吸附油中的水分、有机酸等，然后再过滤，效果会更好。

2)防潮。油浸式绝缘在浸油前必须烘干，必要时可用真空干燥法去除水分；在油箱呼吸器的空气入口放干燥剂，以防潮气进入。

3)祛气。常用的方法是先将油加热，在真空中喷成雾状，油中所含水分和气体即挥发并被抽走，然后在真空条件下将油注入电气设备中。

(2)采用“油屏障”式绝缘

1)覆盖层。覆盖层是指紧贴在金属电极上的固体绝缘薄层，通常用漆膜、黄蜡布、漆布带等做成。由于它很薄(<1mm)，所以它并不会显著改变油中电场分布。它的作用主要是使油中的杂质、水分等形成的“小桥”不能直接与电极接触，从而减小了流经杂质小桥的电流，阻碍了杂质“小桥”中热击穿过程的发展。覆盖层的作用显然是与杂质“小桥”密切相关的，在杂质“小桥”的作用比较显著的场合，覆盖层的效果就会较强，反之就会较弱。

实验结果表明，油本身品质越差、电场越均匀、电压作用时间越长，则覆盖层对提高油隙击穿电压的效果就越显著，且能使击穿电压的分散性大为减小。对一般工程用的油，在工频电压作用下，覆盖层的效果大致为：在均匀电场、稍不均匀电场和极不均匀电场中，覆盖层可使油隙的工频击穿电压分别提高100%～70%、70%~50%、50%～20%。实验结果还表明，覆盖层上如有个别穿孔或击穿(但无明显烧焦者)等情况对油隙击穿电压没有很大影响，这可能是杂质“小桥”和电极接触点的位置具有概率统计性质的缘故。在冲击电压作用下，覆盖层几乎不起什么作用。

2)绝缘层。绝缘层在形式上就像加厚了的覆盖层(有的厚度可达几十毫米)。绝缘层不仅能起覆盖层的作用，减小杂质的有害影响，而且它能承担一定的电压，可改善电场的分布。它通常只用在不均匀电场中，包在曲率半径较小的电极上，由于固体绝缘层的介电常数比油大，因此能降低绝缘层所填充的部分空间的场强；固体绝缘层的耐电强度也较高，不会在其中造成局部放电。固体绝缘层的厚度应使其外缘处的曲率半径已足够大，致使此处油中的场强已减小到不会发生电晕或局部放电的程度。变压器高压引线、屏蔽环以及充油套管的导电杆上都包有绝缘层。

3)屏障。屏障又称极间障或隔板，是放在电极间油间隙中的固体绝缘板(层压纸板或层压布板)，其形状可以是平板、圆筒、圆管等，厚度通常为2~7mm，主要由所需机械强度来决定。屏障的作用一方面是阻隔杂质“小桥”的形成；另一方面和气体电介质中放置屏障的作用类似，在极不均匀电场中，曲率半径小的电极附近场强高，会先发生游离，游离出的带电粒子被屏障阻挡，并分布在屏障的一侧，使另一侧油隙中的电场变得比较均匀。从而能提高油间隙的击穿电压。

在极不均匀电场(如棒-板)中，在工频电压作用下，当屏障与棒极距离S′为总间隙距离S的15%~25%时，屏障的作用最大，此时，油隙的击穿电压可达无屏障时的200%～250%。当屏障过分靠近棒极时，有可能引起棒极与屏障之间的局部击穿，使屏障逐渐被破坏。

在较均匀电场中，屏障的优位置仍在S′/S≈0.25处，但此时油隙的平均击穿电压只能提高25%，不过它能使击穿电压的分散性减小。

为了使屏障能充分发挥作用，屏障的面积应足够大，以避免绕过其边缘的放电，最好是将屏障的形状做成与电极的形状接近相似并包围电极。屏障的厚度超过机械强度所要求的厚度是不必要的，而且是没有好处的。特别在较均匀电场中，由于屏障材料的介电常数比油大得多，过厚的屏障，反而会增大油隙中的场强。

在较大的油间隙中若合理地布置几个屏障，可使击穿电压进一步提高。

在冲击电压作用下，油中杂质来不及形成“小桥”，所以屏障的作用就很小了。

(3)采用真空注油工艺

变压器油中含有较多空气时，其中的氧气与油发生氧化老化，而油中的气泡在电场作用下产生局部放电，使气泡附近的油产生分解老化。

(4)采用密封式储油柜

采用隔膜式、胶囊式及金属膨胀器式等密封式储油柜，使变压器油与外界空气隔离，从而使油对氧气的吸收作用限制到最小限度。另外，用压力释放阀代替密封性能不佳的安全气道，避免氧气、水分与变压器内部的油相接触。

(5)避免金属与油直接接触

金属材料中铜对油的触媒作用强，但铜又是变压器中的主要材料，因此应特别注意尽量避免铜与油直接接触。

(6)防止日光照射

变压器中经常暴露在阳光下的油的数量虽然不多，但日光的触媒作用必须设法避免。一般变压器的油位指示器及高压套管的玻璃储油柜等本身的油量是很少的，但若过分劣化后，即可成为全部油劣化的诱导体。通常，防止日光照射老化的措施有如下：①变压器储油柜采用指针式油位计，若用管式油位计时，应使油位计玻璃管中的油与储油柜中的油隔开，如带小胶囊油位计结构：②套管油位的指示器可只留一条狭窄的缝隙，以减少日光的照射面积；也可用适当颜色的玻璃，以降低透入光线的作用。

(7)添加抗氧化剂

在新油出厂前加入抗氧化剂，可以有效地抑制油的氧化作用。