第二十讲液体电解质的击穿
第二十讲 液体电解质的击穿
一液体电介质的电导液体中载流子主要为离子和带电胶粒，其电导主要为离子电导和电泳电导。纯净液体电介质电阻率：1014~101°2.m工程液体电解质电阻率：10°~1013Q·m极性液体电介质的电阻率通常较非极性电介质低。液体电解质电导率和介电常数如下表所示：电导率液体种液体名温度介电常纯净度类称(℃)数r(S/m)2.20.5x10-1480未净化变压器油2x10-17802.1变压器油净化弱极性0.5x10-17802.1变压器油二次净化10-20802.1变压器油高度净化10-18805.5三氯联苯工程应用极性10-18204.5麻油工程应用10-92081水高度净化强极性10-102025.7乙醇净化
一 液体电介质的电导 纯净液体电介质电阻率： 14 16 10 ~ 10 m 工程液体电解质电阻率： m 9 13 10 ~ 10 极性液体电介质的电阻率通常较非极性电介质低。 液体种 类 液体名 称 温度 （℃） 介电常 数εr 电导率γ （S/m） 纯净度 弱极性 变压器油 80 2.2 0.5x10-14 未净化 变压器油 80 2.1 2x10-17 净化 变压器油 80 2.1 0.5x10-17 二次净化 变压器油 80 2.1 10-20 高度净化 极性 三氯联苯 80 5.5 10-18 工程应用 蓖麻油 20 4.5 10-18 工程应用 强极性 水 20 81 10-9 高度净化 乙醇 20 25.7 10-10 净化 液体电解质电导率和介电常数如下表所示： 液体中载流子主要为离子和带电胶粒，其电导主要为离子电导和电泳电导
液体电介质的电流与电场强度的关系如图所示：E门由上图实验所得液体电介质的电流场强关系曲线可见：弱场区：I一E呈线性关系，符合欧姆定律。中间区：没有明显的电流饱和现象。强场区：I随E呈指数增加。原因：液体密度大，离子迁移小，并且在液体中离子相遇的机会多复合几率大。N=n。使离子不易全部到达电极形成电流。因此E个,j个
液体电介质的电流与电场强度的关系如图所示： I E 0 由上图实验所得液体电介质的电流场强关系曲线可见： 弱场区：I—E 呈线性关系，符合欧姆定律。 中间区：没有明显的电流饱和现象。 强场区：I 随 E 呈指数增加。 原因：液体密度大，离子迁移小，并且在液体中离子相遇的机会多， 复合几率大。 2 N1 = n ‘ 。使离子不易全部到达电极形成电流。因此 E ，j
1液体电介质中的离子电导液体中粒子的来源主要有以下两种本征离子：液体分子本身由于热解离和外电离作用产生的离子（强极性液体）。本征解离很微弱，对漏导影响很小：杂质离子：外来杂质分子或液体的基本分子老化而生成的离子。杂质离子是漏导的主要来源。液体的特征：>液体分子间有强烈的互作用力，分子间的距离接近于固体，因而具有大的凝聚力和小的压缩性，处于凝聚状态。液体分子作用力比晶体小，不足以阻止分子间的相对滑移，因此具有流动性没有固定形状。液体为近程有序介于完全无序的气体和完全有序的晶体之间。液体分子由一个平衡位置迁移到另一个平衡位置必须克服相互作用势垒的阻碍，但它们在各个方向迁移的几率相同
1 液体电介质中的离子电导 液体中粒子的来源主要有以下两种： 本征离子：液体分子本身由于热解离和外电离作用产生的离子（强极性液 体）。本征解离很微弱，对漏导影响很小； 杂质离子：外来杂质分子或液体的基本分子老化而生成的离子。杂质离子是 漏导的主要来源。 液体的特征： ➢液体分子间有强烈的互作用力，分子间的距离接近于固体，因而具有大的凝 聚力和小的压缩性，处于凝聚状态。 ➢液体分子作用力比晶体小，不足以阻止分子间的相对滑移，因此具有流动性， 没有固定形状。 ➢液体为近程有序介于完全无序的气体和完全有序的晶体之间。液体分子由一 个平衡位置迁移到另一个平衡位置必须克服相互作用势垒的阻碍，但它们在 各个方向迁移的几率相同
1）液体电介质中的离子迁移率设离子在液体中迁移需要克服的势垒为U，则液体中离子在加电场前后的势能曲线如下图所示：EDVnvO个XX（a）未加电场（b）沿x轴正向加电场液体电介质中离子势能曲线
1）液体电介质中的离子迁移率 设离子在液体中迁移需要克服的势垒为U，则液体中离子在加电场 前后的势能曲线如下图所示： U X U U ∆U ∆U σ σ ∆U E （a）未加电场 （b）沿x轴正向加电场 X 液体电介质中离子势能曲线
单位时间单位体积内，沿电场方向迁移的载流子数为：nAn= "vle-(U-AU)/KT -e-(U+AU)/KT 16其中n为单位体积中的离子数，为离子在平衡位置的振动频率v，AU=qp8E/2为外加电场在距离8/2上产生的势能变化，8为离子平局迁移率。在弱场作用下，即AU《KT时：e+AUIKT1±△U/KTngoy-U|KTE因此An为：An~e6KT每个离子在电场方向的宏观平均飘移速率为：qovSAn-U|KT EV26KTnVqoV-U/KT迁移率为：=eE6KT
单位时间单位体积内，沿电场方向迁移的载流子数为： ( )/ ( )/ [ ] 6 n U U KT U U KT n e e − − − + = − 其中n为单位体积中的离子数，为离子在平衡位置的振动频率ν，∆U=qρδE/2为 外加电场在距离δ/2上产生的势能变化，δ为离子平局迁移率。 在弱场作用下，即∆U《KT 时： e U KT U KT 1 / 因此∆n为： e E KT nq n −U KT 6 每个离子在电场方向的宏观平均飘移速率为： e E KT q n n v −U KT = = 6 2 迁移率为： U KT e KT q E v − = = 6 2
2）液体电介质离子电导率及其与温度关系将上面得到的迁移率代入电导率公式，可得到液体电介质中的离子电导率为：S2nqVe-U/KTay=nqu6KT当温度变化时，指数部分影响远大于分数部分，故可把分数部分近似看成与温度无关的常数，则上式简化为：= Ae-B/TA=ng'oy其中B=U/K6KT从上式可见，液体例子电导率与温度成指数关系。当温度升高时，电导率成指数迅速增大，繁殖则很快降低
2）液体电介质离子电导率及其与温度关系 U KT e KT nq nq − = = 6 2 2 将上面得到的迁移率代入电导率公式，可得到液体电介质中的离子 电导率为： 当温度变化时，指数部分影响远大于分数部分，故可把分数部分近似 看成与温度无关的常数，则上式简化为： B T Ae− = 其中 KT nq A 6 2 2 = ， B =U K 从上式可见，液体例子电导率与温度成指数关系。当温度升高时，电 导率成指数迅速增大，繁殖则很快降低
工程实际中，往往采用摄氏温度t，则液体介质的离子电导率可表示为：= Ae-B/273+1 = Ae-B(273-1)/273-P温度不高，即t？<<273时BB上式近似为：Ae-B(273-1)/27322732732Ae可进一步简写为：y= Ceat其中C=Ae元，a=B/2732当t=0C时，=C，即为摄氏零度的电导率。则: =Yoea若用电阻率表示则为：p=Poe-al其中P=Yo
工程实际中，往往采用摄氏温度t，则液体介质的离子电导率可表示为： 2 2 B 273 t B(273 t)/ 273 t Ae Ae − + − − − = = 温度不高，即 2 2 t 273 时 上式近似为： t B B B t Ae Ae 2 2 (273 ) / 273 273 273 − + − − = 可进一步简写为： at = Ce 其中 273 B C Ae − = ， 2 a = B 273 当t C 0 = 0 时， 0 = C，即为摄氏零度的电导率。 则： at e0 = 若用电阻率表示则为： at e − = 0 其中 0 0 1 =
若考虑到杂质离子的电导则：= Are-B/T +Ase-B,/T其中A、B和A、B为本征离子电导和杂质离子电离的有关常数对于工程液体电介质，本征离子的迁移势垒U比杂质离子的迁移势垒大很多，杂质离子电导往往占主导地位，本征离子电导常被淹没。则：BIn = In AT为一条直线
若考虑到杂质离子的电导则： B T B T A e A e 1 2 1 2 − − = + 其中A1、B1和A2、B2为本征离子电导和杂质离子电离的有关常数。 对于工程液体电介质，本征离子的迁移势垒 U 比杂质离子的迁移势垒 大很多，杂质离子电导往往占主导地位，本征离子电导常被淹没。 则： T B ln = ln A − 为一条直线
2电泳电导电泳电导：施加电场以后，胶粒沿电场方向漂移形成电流，称电泳电导或胶粒电导。液体中胶粒的来源：>尘埃、气泡、水分、也低及固体杂质等，线度在1~100nm范围内的颗粒悬浮在分散液体介质中成为胶粒。>液体电介质运输存放过程因氧化、受潮、受热的因素产生的有机酸、蜡状物等；>为改善液体电解质的性能，部分添加剂会以胶粒形式分散在液体介质中。胶体电荷的来源：>胶粒本身含有可解离集团，如羧基羟基等，这些基团解离后胶粒带电：>不带电的杂质媳妇液体中的杂质离子或本征离子而带电：>胶粒由于热运动摩擦带电。Cohen经验规则：节点系数大的失电子带正电，另一项带负电
2 电泳电导 液体中胶粒的来源： ➢尘埃、气泡、水分、也低及固体杂质等，线度在1~100nm范围内的 颗粒悬浮在分散液体介质中成为胶粒。 ➢液体电介质运输存放过程因氧化、受潮、受热的因素产生的有机酸、 蜡状物等； ➢为改善液体电解质的性能，部分添加剂会以胶粒形式分散在液体介 质中。 胶体电荷的来源： ➢胶粒本身含有可解离集团，如羧基羟基等，这些基团解离后胶粒带 电； ➢不带电的杂质媳妇液体中的杂质离子或本征离子而带电； ➢胶粒由于热运动摩擦带电。Cohen经验规则：节点系数大的失电子带 正电，另一项带负电。 电泳电导：施加电场以后，胶粒沿电场方向漂移形成电流，称电泳电导或胶粒电导