Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 8 và 9 - Phạm Thành Chung được biên soạn nhằm giúp các em sinh viên nắm được các nội dung cơ bản về: Vật liệu điện môi và điện môi khí. Hi vọng thông qua bài giảng, các em sẽ nắm trọn được nội dung kiến thức và học tập thật tốt môn học nhé!
Chương Vật liệu điện mơi 8.1 Điện mơi khí 8.1.1 Đặc tính chung điện mơi khí - Khi làm việc điều kiện bình thường, độ bền điện không cao so với điện môi lỏng điện môi rắn - Điện mơi khí có khă phục hồi cách điện - Mật độ phân tử thấp số điện môi ε nhỏ tổn hao tgδ nhỏ 8.1.2 Yêu cầu chất khí cách điện - Khơng gây phản ứng hố học với chất khác kết cấu cách điện - Phải có cường độ cách điện cao kích thước cách điện thiết bị giảm - Có nhiệt độ hố lỏng thấp - Tản nhiệt tốt - Rẻ tiền, dễ kiếm Bảng: Đặc tính số chất cách điện thường dùng Tên chất khí Thành phần Cường độ cách điện tương Nhiệt độ hoá lỏng hoá học đối so với K.Khí [0C] Khơng khí Êlêgaz SF6 2,5 -62 Frêơn CCl2F2 2,5 -30 CCl4 6,3 +76 Tetraclorua Cacbon 184 Chương Vật liệu điện mơi 8.1.3 Một số chất khí thường dùng - Khơng khí: cường độ cách điện khơng cao Ecđ = 30kV/cm, khơng khí có chất gây phản ứng hố học O2… dùng, thường dùng cách điện đường dây, dùng máy cắt khơng khí nén - Khí Nitơ: có cường độ cách điện tương tự khơng khí khơng chứa O2 nên khơng gây phản ứng hố học tiếp xúc với kim loại Thường dùng tụ điện khí - Khí Hyđrơ: có ưu điểm nhẹ, thường dùng để làm mát máy điện, phải cẩn thận khơng lọt khí gây nổ - Khí SF6 (Êlêgaz): có cường độ cách điện cao khơng khí gấp 2,5 lần, nặng khơng khí lần, khơng độc, ổn định mặt hố học khơng bị phân huỷ nhiệt độ cao Với áp suất nén cao độ bền điện lớn Thường dùng cáp điện, tụ điện, máy cắt trung, cao áp - Khí Cl2F2 (Frêơn): có độ bền điện gần khí SF6, ăn mịn số vật liệu hữu thể rắn, thường dùng thiết bị làm lạnh 185 Chương Vật liệu điện môi 8.2 Điện môi hữu 8.2.1 Nhựa a Nhựa nhân tạo Trung tính: có tổn hao tgδ nhỏ - Polyetylen - Polypropylen - Polyizobutylen - Polistirol - Vật liệu nhựa Flo hữu Cực tính: có tổn hao tgδ lớn - Polyvinylclorit - Polymetylmetalcrilat - Polyete - Polyamid - Epocxy - Nhựa Fenol - foocmandehit - Silic hữu b Nhựa thiên nhiên - Nhựa cánh kiến (do số côn trùng tiết cành xứ nóng) - Nhựa thơng (colofan) - Nhựa côpan (hổ phách) 8.2.2 Dầu - Dầu mỏ - Dầu tổng hợp - Dầu thực vật - Dầu thầu dầu 186 Chương Vật liệu điện môi 8.2.3 Bitum Là nhóm VL vơ định hình, cực tính yếu, hỗn hợp cacbua hyđrô với O2 S Được dùng để chế tạo hỗn hợp cách điện: sơn tẩm vật liệu cách điện cho cáp 8.2.4 Vật liệu sáp (CnH2n+2) Dễ chảy, ε bé, dùng để gắn đầu đèn điện tử thiết bị có điện trở suất ρ cao Chúng có loại như: Parafin, Xerezin, Vazơlin 8.2.5 Sơn - Sơn nhựa: Có nguồn gốc từ nhựa tổng hợp nhựa thiên nhiên - Sơn xenlulô: Gốc sơn chất xenlulô - Sơn dầu - Sơn dầu bitum - Sơn dầu pha nhựa 8.2.6 Vật liệu cao su - Cao su tự nhiên - Cao su nhân tạo 187 Chương Vật liệu điện môi 8.2.7 Vật liệu xenlulô - Gỗ - Giấy cách điện - Vật liệu dệt 8.3 Điện môi vô Đặc tính chung điện mơi vơ - Chịu nhiệt độ cao - Rất hút ẩm - Có độ bền điện cao - Chịu xạ lượng cao - Dễ tìm, rẻ tiền Loại thủy tinh có cấu trúc tuân theo quy Các loại điện môi vô tắc, trái ngược với cấu trúc loại thủy tinh thông thường biết - Gốm, sứ cách điện - Vật liệu Xét - nhét - Mica - Thuỷ tinh 188 Chương Điện mơi khí Các chế vật lý liên quan đến phóng điện điện mơi khí có ý nghĩa quan trọng tất loại phóng điện khác Nắm bắt chất chế giúp dễ dàng hiểu chế phóng điện điện mơi lỏng rắn Khi nói đến điện mơi khí ứng dụng cách điện: Mật độ thấp Hằng số điện môi εr≈1 (so với chân không gần nhau) Hay nói cách khác tính dẫn điện điện mơi khí Chương Điện mơi khí Tính dẫn điện điện mơi khí Khi I=0, I≠0 Quan tâm đến điện áp chịu đựng Phóng điện I xuất chạy mạch ĐMK có chứa điện tích Khi đặt lên điện cực tụ điện chứa ĐMK E Các điện tích bao gồm -Các e -Các ion + nguyên tử trung hòa e -Các ion – nguyên tử trung hịa nhận e Các điện tích sinh Các trình diễn ĐMK Các trình điện cực Cathode 190 Chương Điện mơi khí 9.1 Q trình hình thành điện tích A Q trình hình thành điện tích điện mơi khí Ion hóa va chạm •Do q trình xảy ĐMK nhanh (cỡ µs)-> nguồn 1c’ ∼ •Bình thường ĐMK tồn e- di chuyển điện cực + phân tử trung hịa điện (02, N2, H2, Co…) •Khi e-> cực + va chạm với phân tử A Gọi A •Nếu We trước va chạm > Wion hóa phân tử khí A tượng ion hóa diễn 1e cũ 1e •Các e sinh tiếp tục -> nhanh cực + E (hoặc V) 191 Chương Điện môi khí 9.1 Q trình hình thành điện tích A Q trình hình thành điện tích điện mơi khí Ion hóa va chạm •Q trình e va chạm với phân tử khí tạo ion + với e gọi ion hóa va chạm Gặp điều kiện thuận lợi nA + ne- nA++2ne- 192 Chương Điện mơi khí Ion hóa quang (ion hóa xạ) •Một ngun tử bị kích thích thường có thời gian tồn khoảng 10-7÷10-9 s •Khi trở trạng thái bình thường xạ phần lượng kích thích dạng photon •Tuy photon có lượng yếu gây ion hóa nguyên tử khác có lượng ion hóa nhỏ lượng photon •Q trình ion hóa quang miêu tả: A*→A+hf B+hf →B++eVới A* ký hiệu trạng thái kích thích nguyên tử A hf photon xạ (h số Plank f tần số photon) •Ion hóa quang q trình quan trọng phóng điện, đặc biệt hỗn hợp khí có chứa khí hiếm, biết khí có thời gian tồn kích thích lâu 193 Chương Điện mơi khí 9.4.3 Định luật Paschen 217 Chương Điện mơi khí 9.5 Phóng điện chọc thủng Đ.M.K E không đồng Trải qua giai đoạn: Phóng điện vầng quang: giai đoạn phóng điện ban đầu, xảy quanh khu vực có bán kính cong nhỏ Phóng điện chọc thủng: giai đoạn phóng điện vầng quang, lúc tia lửa điện kéo dài cực (giới hạn phóng điện mong manh) Trường khơng đồng tạo điện trường điện cực không giống VD: Hệ đường dây mặt đất hệ mũi nhọn cực Vậy đường dây mang điện tích gì? 218 Chương Điện mơi khí 9.5 Phóng điện chọc thủng Đ.M.K E khơng đồng 9.5.1 Phóng điện vầng quang (VQ) Hiện tượng phóng điện vầng quang giống ion hóa va chạm Q trình VQ q trình ion hóa va chạm khu vực điện cực có E>Epđkk chất khí Càng xa điện cực mũi nhọn điện trường giảm→pđ VQ giảm đến hẳn 219 Chương Điện mơi khí 9.5 Phóng điện chọc thủng Đ.M.K E không đồng 9.5.2 Vầng quang dương Q trình ion hóa xảy gần mũi nhọn →giải phóng e ion+ e nhẹ, cđ nhanh gần trung hòa Đ.C.D Ion+ nặng, di chuyển chậm cực bản⇔di chuyển khu vực có E yếu →di chuyển chậm →KVĐTKG+ đầu mũi nhọn ⇔tăng R mũi nhọn ⇔giảm E xung quang mũi nhọn E e vào khơng có ion hóa va chạm -> khơng phóng điện Cách điện lý tưởng Cấp điện áp 35 kV trở xuống dùng (110 kV khó khăn phịng chứa chân khơng tránh oxi lọt vào) 223 Chương Điện mơi khí SF6 (Êlêgaz) Ở đk bình thường (1 at) Epđ≈9 kV/mm Ở P cao (nén lại) Epđ≈300 kV/mm →giảm kích thước, khoảng cách → TBA nhà (GIS) Không độc, ổn định mặt hố học khơng bị phân huỷ nhiệt độ cao Thường dùng cáp điện, tụ điện, máy cắt trung, cao áp Nhược điểm: Rị rỉ khí SF6 năm khoảng 10k → Hiệu ứng nhà kính Tương lai: trộn thêm khí (N2…)để đám mây trở nên suốt→ giảm hiệu ứng nhà kính 224 Chương Điện mơi khí 9.5 Phóng điện vầng quang đường dây tải điện 225 Chương Điện mơi khí 9.5 Phóng điện vầng quang đường dây tải điện Phóng điện vầng quang gây nên tổn hao lượng điện tích sinh q trình phóng điện vầng quang gây chuyển dịch phân tử khí phát nóng tạo tổn hao vầng quang: - Gây tổn hao lượng - Gây ăn mòn vật liệu - Gây nhiễu loạn thơng tin cho thiết bị radio TV tạo nên sóng cao tần - Gây biến dạng sóng truyền đường dây 226 Chương Điện mơi khí 9.5 Phóng điện vầng quang đường dây tải điện Phương pháp để xác định tổn hao vầng quang đường dây tổng quát hoá số liệu thực nghiệm Công thức kinh nghiệm thường dùng công thức Peek: = ∆P r 241 (f + 25) (U − U ) 105 δ s [kW/km.pha] Trong đó: δ - mật độ tương đối khơng khí r0 - bán kính dây dẫn (cm) s - khoảng cách trung bình hình học dây dẫn (cm) f - tần số U - giá trị hiệu dụng điện áp pha U0 - trị số điện áp tính tốn, gần điện áp vầng quang Trị số tính theo cơng thức: U0 = 21,2.δ.r0.m1.m2.ln(s/r0) m2 - hệ số nhẵn đặc trưng cho bề mặt dây dẫn (0,8 ÷ 0,9) m1 - hệ số khí hậu 227 Chương Điện mơi khí Biện pháp giảm tổn hao vầng quang: Biện pháp giảm tổn hao vầng quang: làm U0 tăng ∆P bé, tương ứng U0 tăng tăng r0 làm cho trường bề mặt dây dẫn trở nên đồng Để không xảy vầng quang: Udd < Uvq = U0 (Udd - điện áp bề mặt dây dẫn) s U d 1,15.U dm = < U = 21,2.δ.r0 m1.m ln U dd = U p = 3 r0 Trong thiết kế phải chọn dây dẫn cho điều kiện khí hậu tốt khơng có pđ VQ khơng có tổn hao vầng quang Từ điều kiện trên→đường kính tối thiểu dây dẫn Nếu lấy hệ số m1=1 (khí hậu tốt) m2=0.8 (dây xoắn) δ=1 Và đường dây cao áp ta có: Thay vào pt ta có: 228 Chương Điện mơi khí Biện pháp giảm tổn hao vầng quang: 229 Chương Điện mơi khí 230 Chương Điện mơi khí Biện pháp giảm tổn hao vầng quang: Đường dây siêu cao áp Tiết diện dây lớn Khó khăn sản xuất Khó khăn lắp đặt Dùng dây phân pha Như biện pháp giảm tổn hao vầng quang: tăng r0 làm cho Emax giảm để làm điều phải dùng dây phân pha Ngồi đường phân nhỏ cịn có tác dụng làm giảm điện cảm đường dây tăng thêm khả truyền tải cơng suất đem lại hiệu kinh tế cao 231 ... nhiên - Sơn xenlulô: Gốc sơn chất xenlulô - Sơn dầu - Sơn dầu bitum - Sơn dầu pha nhựa 8. 2.6 Vật liệu cao su - Cao su tự nhiên - Cao su nhân tạo 187 Chương Vật liệu điện môi 8. 2.7 Vật liệu xenlulô... nhỏ - Polyetylen - Polypropylen - Polyizobutylen - Polistirol - Vật liệu nhựa Flo hữu Cực tính: có tổn hao tgδ lớn - Polyvinylclorit - Polymetylmetalcrilat - Polyete - Polyamid - Epocxy - Nhựa... 8. 2.7 Vật liệu xenlulô - Gỗ - Giấy cách điện - Vật liệu dệt 8. 3 Điện môi vơ Đặc tính chung điện mơi vơ - Chịu nhiệt độ cao - Rất hút ẩm - Có độ bền điện cao - Chịu xạ lượng cao - Dễ tìm, rẻ tiền Loại