Bài giảng Tinh thể Photonic Band Gap công nghệ Nano

Trường ĐHBK Hà Nội Bộ môn Hệ thống điện BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ CAO ÁP Người soạn: Phạm Thành Chung Chungpt-fee@mail.hut.edu.vn Hà Nội, tháng 10-2011 CHƯƠNG I CẤU TẠO VẬT CHẤT 1.1 NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ VÀ CÁC DẠNG LIÊN KẾT 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Như biết vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử thành phần vật chất Theo mơ hình nguyên tử Borh, nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích (+) điện tử (electron) mang điện tích (-) chuyển động xung quanh hạt nhân theo quĩ đạo định Hạt nhân nguyên tử gồm: + Nơtron - khơng mang điện tích + Prơton - mang điện tích (+) với số lượng là: Q = Z.q Với Z- số lượng điện tử nguyên tử q- điện tích điện tử e (qe=1,602 10-19 ) Ở điều kiện bình thường (nhiệt độ phòng) nguyên tử trung hòa điện, tức ngun tử có tổng điện tích dương hạt nhân tổng điện tích âm điện tử + Khi điện tử: nguyên tử trở thành ion (+) + Khi nhận điện tử: nguyên tử trở thành ion (-) Năng lượng điện tử: Để có khái niêm lượng điện tử ta xét nguyên tử r e + Hydro, nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử Khi điện tử chuyển động quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân điện tử chịu lực hút hạt nhân f1: f1 = Hình 1-1 Quỹ đạo chuyển động điện tử q2 r2 (1-1) Lực hút f1 cân với lực ly tâm trình chuyển động: f2 = mv r (1-2) Trong đó: m- khối lượng điện tử v- tốc độ chuyển động điện tử q mv = r2 r Ở điều kiện bình thường: f1 =f ⇔ Năng lượng điện tử: W=T+U (1-3) mv Động T: T = (1-4) q2 r (1-5) Thế U: U= − W= mv q q q q2 − =− = − r 2r r 2r (1-6) Nhận xét: Biểu thức (1-6) chứng tỏ điện tử nguyên tử có mực lượng định, lượng tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động điện tử Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r xa vơ cần phải cung cấp cho lượng lớn q2 2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự gọi lượng ion hóa (Wi) Khi bị ion hóa (bị điện tử), nguyên tử trở thành ion dương Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương điện tử tự gọi q trình ion hóa Trong ngun tử lượng ion hóa lớp điện tử khác khác nhau, điện tử hóa trị ngồi có mức lượng ion hóa thấp chúng cách xa hạt nhân Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hóa chúng bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác, xong chúng ln có xu trở vị trí trạng thái ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích nguyên tử trả lại dạng lượng quang học (quang năng) Trong thực tế, lượng ion hóa lượng kích thích ngun tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác nhau, ví dụ: nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia sóng ngắn như: α, β, γ hay tia rơnghen… 1.1.2 Cấu tạo phân tử Năng lượng liên kết phân tử lượng tối thiểu để tách nguyên tử chúng đưa chúng khoảng cách đủ lớn để chúng khơng cịn tương tác với Năng lượng liên kết thường biểu diễn đơn vị eV/mol kJ/mol (1kJ/mol=1.037 10-2eV/mol) Tuỳ theo vị trí bảng Mendeleev, nguyên tử liên kết với liên kết hoá trị với chất khác Theo độ mạnh yếu liên kết hoá trị người ta chia làm loại liên kết hoá trị mạnh liên kết hoá trị yếu Liên kết hoá trị mạnh bao gồm liên kết ion, liên kết cộng hoá trị liên kết kim loại Trong liên kết hố trị yếu bao gồm liên kết Van der Waals liên kết hydro Liên kết ion liên kết cộng hoá trị đặc trưng cho oxít sunphít điện môi chủ yếu tạo thành từ liên kết Van der Waals hydro Rất phân tử tạo thành từ loại liên kết nhất, chúng thường có từ hai đến ba loại liên kết có loại liên kết mạnh Ví dụ tinh thể Ga As liên kết cộng hoá trị mạnh hai lần so với liên kết ion, phân tử NaCl liên kết ion chiếm tới 94% sau đến liên kết cộng hố trị Cịn Silicum cấu tạo tuý liên kết cộng hoá trị Đặc tính loại vật chất điện, cơ, lý, hóa…do liên kết chủ yếu định Sau ta vào chi tiết loại liên kết 1.1.3 Các dạng liên kết a Liên kết đồng hoá trị Liên kết đồng hoá trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Khi mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liện kết phân tử bền vững Ví dụ: Phân tử Clo (Cl2) gồm nguyên tử Clo, nguyên tử Clo có 17 điện tử, có điện tử hố trị lớp ngồi Hai ngun tử liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ nguyên tử bổ xung thêm điện tử nguyên tử Cl + Cl Cl Cl H + Cl H Cl Hình 1-2 Liên kết đồn hóa trị phân tử Cl2 HCl Tuỳ thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hố trị trung tính hay cực tính (lưỡng cực) - Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm trùng phân tử trung tính (khơng cực tính) Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính (chẳng hạn như: Cl2, H2…) - Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm không trùng nhau, cách khoảng a phân tử cực tính (lưỡng cực) Các chất tạo nên từ phân tử cực tính gọi chất cực tính (chẳng hạn như: HCl…) Liên kết đồng hóa trị cịn thấy chất rắn vơ có mạng tinh thể cấu tạo từ ngun tử, ví dụ kim cương (hình vẽ 1-3) Hình 1-3: Mơ hình cấu trúc tinh thể kim cương a Sự xếp tứ diện bốn nguyên tử C xung quanh nguyên tử C trung tâm kim cương, b Tinh thể kim cương Tinh thể nguyên tử cấu tạo từ nguyên tử xếp cách đặn, theo trật tự định không gian tạo thành mạng tinh thể Ở điểm nút mạng tinh thể nguyên tử liên kết với liên kết cộng hóa trị b Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion (+) ion (-) phân tử Lực liên kết lớn nên liên kết bền vững, có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ: muối NaCl nguyên tử kim loại kiềm Na có điện tử lớp ngồi liên kết yếu với hạt nhân ln có xu hướng nhường điện tử để tạo thành cation Na+ ngun tử halogen Cl có lớp ngồi thiếu điện tử nên sẵn sàng nhận điện tử nguyên tử Na nhường để trở thành anion Cl- có cấu hình ổn định Liên kết ion gây lực hút Coulomb ion tích điện trái dấu từ trình cho nhận Hình 1-4: Cấu trúc liên kết ion clorua natri kể Clorua natri tạo thành tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương Trong tinh thể này, ion clorua lớn xếp khối khép kín lập phương, ion natri nhỏ điền vào lỗ hổng bát diện chúng Mỗi ion bao quanh ion khác loại Khả tạo nên chất hợp chất mạng khơng gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước ngun tử hình dáng lớp điện tử hóa trị ngồi c Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn (kim loại) Kim loại coi hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự Lực hút ion dương điện tử tự tạo nên tính nguyên khối kim loại Vì liên kết bền vững, có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng Hình 1-5: Mơ hình liên kết kim loại với ion dương cố định nút mạng liên kết với “biển điện tử” xung quanh d Liên kết Van der Waals Trong liên kết sơ cấp, nguyên tử có xu hướng tạo nên cấu hình điện tử ngun tử khí cách cho nhận chia sẻ điện tử Thực tế ngun tử tạo thành liên kết với mà không cần cho nhận hay chia sẻ điện tử, ví dụ nhiệt độ thấp nguyên tử khí liên kết với để tạo thành dạng dạng lỏng hay rắn Như phải có loại liên kết hình thành nguyên tử khí nhiệt độ thấp, mà ta biết cấu trúc đối xứng hoàn hảo điện tử nguyên tử khí khơng tạo điện trường bên ngồi chúng Liên kết gọi liên kết Van der Waals dạng liên kết thứ cấp Liên kết Van der Waals có mặt tất vật liệu yếu so với liên kết sơ cấp Năng lượng liên kết liên kết VdW thường nhỏ 40kJ/mol Nó nguyên nhân dẫn tới hoá lỏng hay hoá rắn khí H2, N2, O2… 1.1.4 Cấu trúc tinh thể khuyết tật cấu tạo mạng tinh thể Như tính chất vật liệu phụ thuộc lớn vào cấu trúc cỡ nguyên tử tương tác hạt nhân với điện tử, nguyên tử với điện tử nguyên tử bên cạnh với nguyên tử bên cạnh thông qua trị số khoảng cách ổn định nguyên tử, góc liên kết hay số ion liên kết với ion mốc, độ âm điện…Trong phần đề cập đến cấu trúc vật liệu cỡ lớn cỡ nguyên tử: cấu trúc vật liệu tập hợp nhiều ngun tử hay cịn gọi kích cỡ xa (long range order-LRO) Trong chất rắn nói chung nguyên tử cố định vị trí định, lí gọi chất rắn Khi chất rắn cung cấp lượng nhiệt vừa đủ, liên kết để làm nguyên tử cố định bị đứt chúng có xu hướng di chuyển cách hỗn loạn Trong trường hợp nguyên tử giữ khoảng cách tương đối gần chất rắn chuyển thành chất lỏng Nếu tiếp tục tăng nhiệt lượng cung cấp nguyên tử có khả rời xa nguyên tử di chuyển khoảng cách xa mà không va chạm với nhau, chất lỏng trở thành chất khí Ba trạng thái thay đổi cho nhiệt độ áp suất thay đổi Như cấu trúc chất rắn sở cho hiểu biết chất lỏng khí nên đề cập cách tương đối chi tiết phần để nắm khái niệm cấu trúc vật chất nói chung Chất rắn chia làm hai loại bản: loại theo quy luật xếp vị trí nguyên tử khoảng cách xa (LRO) loại không theo quy luật Loại vật liệu thứ gọi có cấu trúc tinh thể (crystal), loại thứ hai gọi cấu trúc vơ định hình (amorphous) Chất rắn vơ định hình chủ yếu thủy tinh số loại chất dẻo, phân tử chất rắn vô định hình xếp cách hỗn độn giống trạng thái lỏng, cịn gọi chẩt lỏng siêu mát (supercooled liquide) Ở chất rắn vơ định hình, điểm nóng chảy chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng khơng có thay đổi đột ngột pha mà mềm dần tăng dần nhiệt độ đốt nóng Tính chất vật lý chất rắn vơ định hình giống hướng người ta cịn gọi có tính đẳng hướng Hơn 90% chất rắn tồn tự nhiên sản xuất nhân tạo có dạng tinh thế, kể số loại có cấu trúc tinh thể đất sét (clay), đá vơi (limestone), carbon (kim cương than chì), muối (NaCl KCl), kim loại … 1.1.4.1 Cấu trúc mạng tinh thể Cấu trúc hầu hết vật liệu cỡ nguyên tử cấu trúc tinh thể, có nghĩa nguyên tử vật liệu xếp cách có trật tự tuần hồn Trong khơng gian ba chiều có 14 cách khác để phân bố tuần hoàn điểm cho điểm có số điểm bên cạnh xếp theo khoảng cách hướng Người ta định nghĩa ô sở (unit cell) cấu trúc nhỏ cấu trúc tinh thể cho lặp lại ta dịch chuyển tinh thể Điểm mấu chốt ô sở bao hàm cấu trúc đủ tinh thể mạng tinh thể hoàn chỉnh xếp liên tiếp sở khơng gian ba chiều Mỗi hình dáng cụ thể ô sở gọi hệ tinh thể (crystal system) Coi nguyên tử hình cầu cố định cấu trúc, tùy theo khoảng cách nguyên tử ô sở không gian ba chiều (các cạnh a, b c) góc tạo cạnh, có hệ tinh thể tồn không gian bao gồm: lập phương (cubic system), trụ tù (triclinic system), trụ đứng hình thoi (monoclinic system), bát trụ (hexagonal system), tứ trụ (tetragonal system), orthorhomic system, rhombohedral system Nguyên tử đặt đặt vị trí tâm đối xứng hệ tinh thể để tạo thành 14 ô lưới (lattice) tinh thể khác hay gọi 14 lưới Bravais hệ tinh thể biến thể thành 14 ô lưới Bravais trình bày bảng 1.1 Hệ tinh Dạng ô lưới thể Cubic Dạng đơn giản (simple) Dạng đối xứng qua tâm (body centered) Dạng đối xứng qua mặt (face centered) Triclinic Monoclini c Dạng đơn giản (simple) Dạng đối xứng qua hai mặt (base centered) Hexagonal 10 13.3.3 Bảo vệ bên MBA Quá trình độ cuộn dây MBA làm xuất gradien điện áp cực đại nguy hiểm cho cách điện dọc đồng thời tạo nên tăng điện áp đất gây nguy hiểm chi cách điện chủ yếu MBA Vì để cải thiện điều kiện làm việc cách điện cần phải cho biện pháp bảo vệ mà nội dung triệt tiêu hạn chế dao động cuộn dây MBA, nghĩa thực cho phân bố điện áp lúc ban đầu gần giống với lúc ổn định Có hai biện pháp để cải thiện phân bố điện áp hình 13 a 13 b Trong sơ đồ a dùng điện dung phụ C1 C2…Cn với trị số thích hợp cho dịng điện tản qua điện dung C nguồn cung cấp qua chúng Như dòng điện qua điện dung K phân bố điện áp ban đầu đạt dạng đường thẳng xiên góc Trị số Ck tính theo điều kiện (giả thiết cuộn dây có chiều dài l chia n phần tử): Hình 13 Cải thiện phân bố điện áp cuộn dây MBA Trong thực tế biện pháp thực vòng che để tăng cường điện dung phần cuộn dây đầu cao áp Hình 13 Dùng điện dung phụ C1 C2…Cn để cải thiện phân bố điện áp cuộn dây MBA (theo sơ đồ 13 a) 245 13.3.4 Các đặc tính điện thí nghiệm bên MBA Trong vận hành loại điện áp tác dụng lên cách điện thường có dạng sóng xung kích với độ dài sóng có hạn Các sóng tiêu chuẩn dùng thí nghiệm cách điện có độ dài 40µs Trong chu kỳ giao động điều hịa bậc khoảng 50µs dài hơn… dao động cuộn dây MBA phát triển khơng hồn tồn trị số điện áp cực đại bé so với trị số tính tốn Điện áp cách điện dọc MBA phụ thuộc nhiều vào độ dốc đầu sóng (tốc độ tăng điện áp) Điện áp lớn cách điện dọc xảy khơng phải với sóng tiêu chuẩn mà có sóng cắt phóng điện cách điện đường dây gần trạm Quá trình dao động mach điện gồm điện cảm dây nối điện dung MBA khiến cho bị cắt điện áp biến đổi đột ngột có trị số cao nhiều so với trị số sóng cắt (trên hinh 13 Trị số khoảng 1,6Uc- Uc trị số sóng cắt) Theo nguyên lý xếp chồng, sóng cắt xem tương đương với thành phần sóng: sóng dài sóng âm có độ dốc thẳng đứng Thành phần sau gây nên gradien điện áp lớn tác dụng lên cách điện dọc MBA Kết đo trực tiếp cho thấy sóng cắt q điện áp tác dụng lên cách điện dọc lớn hợn nhiều lần so với có sóng dài…vì dùng sóng cắt để thí nghiệm cách điện dọc cuộn dây MBA xem bắt buộc Hình 13 Biểu thị quan hệ chung điện áp phóng điện khe hở dầu có chắn với thời gian tác dụng điện áp Khi vẽ đường cong, lấy trị số đơn vị điện áp thí nghiệm tần số công nghiệp phút Nếu thời gian tác dụng ngắn 10-6÷ 10-5 s(xung kích) q trình phóng điện túy điện có quy luật giống phóng điện chất khí Trong khu vực III q trình điện đóng vai trị chủ yếu dẫn đến việc hình thành cầu dẫn điện địi hỏi phải có thời gian nên điện áp phóng điện phụ thuộc vào thời gian… 246 Khu vực IV đặc trưng biến thiên chậm cường độ cách điện, q trình già cỗi ion hóa bọt khí dầu, phân hủy hoá học dầu nguyên nhân khác… Mọi kết cấu cách điện MBA tuân theo quan hệ phóng điện Từ đường cong cho thấy hệ số xung kích lớn 2, điều giải thích mối quan hệ liên quan trị số điện áp thí nghiệm xung kích điện áp thí nghiệm tần số cơng nghiệp MBA Thí nghiệm cách điện MBA điện áp tần số công nghiệp thực cách tăng dần điện áp tới trị số Utn giữ phút MBA chịu thí nghiệm khơng bị phóng điện hồn tồn Khi thí nghiệm dùng nguồn điện áp ngồi dùng điện áp cảm ứng cuộn dây cao áp thân MBA thí nghiệm Lúc cho tác dụng lên phía hạ áp điện áp có trị số gấp đơi trị số định mức tần số khoảng 100Hz Khi tần số điện áp tăng lần cảm ứng lõi thép khơng đổi Thí nghiệm điện áp xung kích MBA cơng suất lớn thường gặp khó khăn nguồn phải có điện dung lớn đảm bảo có dạng sóng tiêu chuẩn đơi cho phép thí nghiệm với sóng có độ dài ngắn Phát phóng điện cục (PD-partial discharge) xảy cách điện dọc cho tác dụng điện áp xung kích mục thí nghiệm quan trọng MBA Phương pháp thông dụng chụp ảnh dịng điện mạch trung tính đem so với ảnh mẫu MBA tốt loại.?? 13.4 CÁCH ĐIỆN CỦA MÁY ĐIỆN 13.4.1 Yêu cầu cách điện máy điện 13.4.2 Quá trình độ cuộn dây máy điện 13.5 CÁCH ĐIỆN CỦA CÁP CAO ÁP 13.5.1 Khái niệm chung Cáp cao áp sử dụng cho lưới điện truyền tải lưới phân phối Thông thường với khoảng cách dài người ta sử dụng đường dây khơng, cịn cáp dùng cho đường dây truyền tải phân phối khu vực có mật độ dân cư cao, 247 trường hợp cáp sử dụng loại cáp ngầm Mặc dầu cáp đắt nhiều so với giá thành xây dựng đường dây không, ưa thích khu vực nội thành Hình 13 : Một loại cáp lõi Hình 13: Mặt cắt loại cáp lõi cao áp 13.5.2 Vật liệu làm cáp Vật liệu dẫn điện Vật liệu làm lõi cáp thường đồng nhôm với độ tinh khiết cao (>99,5%), năm gần người ta bắt đầu đưa vào thử nghiệm cáp dùng vật liệu siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn cao Việc lựa chọn đồng nhôm làm vật liệu dẫn điện cáp dựa trị số 248 điện trở suất, giá thành độ bền khí Với trị số dịng điện, cáp nhơm có tiết diện lớn tiết diện cáp đồng Lõi cáp loại sợi đơn sợi bện để tăng độ đàn hồi cho cáp Bảng 13 Điện trở suất số loại vật liệu dẫn điện nhiệt độ 20oC Vật liệu Điện trở suất (µΩ.cm) Đồng 1,73 Nhơm 2,83 Natri 4,68 Chì 21,5 Thép 10,2 Vật liệu cách điện Vật liệu cách điện nhiệm vụ cách điện phần lõi cáp mang điện với mơi trường xung quanh cịn phải có khả chịu đựng nhiệt độ cao chế độ làm việc bình thường xảy ngắn mạch, đồng thời phải đủ mềm để dễ dàng việc lắp đặt Cách điện cáp thường gồm có loại: giấy tẩm (impregnated paper), polymer tổng hợp khí nén Ban đầu giấy tẩm dùng chủ yếu cho cách điện cáp, sau cáp dùng giấy nhúng dầu, cáp dùng polymer tổng hợp Loại polymer hay dùng PVC cho cáp hạ áp, PE XLPE cao su ethylen propylene (Ethylene propylen rubber-EPR) cho cáp trung áp; XLPE EPR cho cáp cao áp Ngồi cịn phải kể đến HDPE (polyethylene mật độ cao), XLPE chống tượng nước (TRXLPE-tree resistant crosslinked polyethylene) EPDM (Ethylene propylene diene monomer) dùng cho cáp ngầm Một số loại khí nén SF6, CCl2F2 N2 sử dụng cho cách điện cáp Ngoài cấp siêu cao áp cực cao áp người ta thường dùng cáp nhúng dầu Gần đây, điện trường chịu đựng XLPE đạt tới trị số cáp nhúng dầu (~15kV/mm) cáp dùng XLPE phát triển để dùng cho cấp điện áp truyền tải Bảng 13 so sánh tính chất điện mơi số loại cáp lõi có vỏ dùng làm dây trung tính (1/0) dùng cho cấp điện áp 15kV 249 Màn chắn lõi (conductor shield) Lớp chắn lõi lớp bán dẫn phủ lên lớp kim loại lõi để tạo thành bề mặt nhẵn dẫn điện tiếp xúc toàn lên phần kim loại lõi Nhiệm vụ lớp giảm tăng điện trường cục nơi tiếp xúc lõi kim loại phần cách điện Lớp thường dùng nhựa bán dẫn có trộn carbon thổi (extruded) trực tiếp lên phần lõi cáp Màn chắn cách điện (insulation shield) Lớp chắn cách điện lớp bán dẫn để tạo thành bề mặt nhẵn bao phủ xung quanh lớp cách điện Lớp thường một loại polymer trộn cacbon thổi trực tiếp lên bề mặt cách điện Đối với cáp trung áp, lớp chắn cách điện không gắn trực tiếp lên bề mặt cách điện dễ dàng bị nhấc Đối với cáp cao áp lớp gắn trực tiếp lên bề mặt cách điện cần phải có dụng cụ đặc biệt cậy lên Lớp chắn kim loại (metallic shield) Lớp chắn làm kim loại có dạng lớp, dây (wire) phủ lên phía ngồi lớp chắn cách điện Lớp chắn nối đất để giữ cho điện áp phần ngồi cách điện giữ vài trị đường khép mạch cho dòng cố Đối với cáp nhiều lõi thì lõi có lớp chắn để tạo thành lõi đồng trục (coaxial cable) tất lõi dùng chung lớp chắn hay gọi cáp dùng đai chắn (belted cable) Thông thường cáp dùng đai chắn dùng cấp điện áp 33kV Lớp bảo vệ (overall jacket) 250 Lớp bảo vệ thường lớp chất dẻo để bảo vệ cho toàn lớp bên khỏi va chạm khí ngăn khơng cho nước xâm nhập vào lớp bên cáp Hỗn hợp thường dùng cho lớp bảo vệ LLDPE loại vật liệu có khả chống nước tốt 13.5.3 Phân loại cáp Cáp phân loại theo thông số sau: Điện áp làm việc (rating voltage) ví dụ cáp cao áp, trung áp, hạ áp, siêu cao áp cực cao áp Theo số lượng lõi: Lõi đơn, lõi kép, ba lõi Vật liệu làm cách điện cho cáp: XLPE, EPR, PVC, cáp dầu Cáp có chắn khơng có chắn (shielded and nonshielded cable) 13.5.4 Các thông số cáp Điện trở phần dẫn điện Điện trở chiều (DC resistance) phần dẫn điện cáp phụ thuộc vào điện trở suất, độ dài, tiết diện nhiệt độ cáp Điện trở chiều cáp phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức: R2 T0 + T2 = R1 T0 + T1 Trong R1 điện trở lõi cáp nhiệt độ T1, R2 điện trở lõi cáp nhiệt độ T2, T0 số phụ thuộc vào vật liệu làm lõi cáp Đối với đồng (annealed copper), đồng cứng (hard-drawn copper) nhôm cứng (hard-drawn aluminum) 234,5; 241 228 Điện trở xoay chiều có giá trị lớn điện trở chiều hiệu ứng mặt Trị số điện trở xoay chiều phụ thuộc vào tần số tiết diện lõi cáp Điện dung cáp Đối với cáp đồng trục, điện dung cáp tính theo cơng thức: C= 2πε ε r ln(b / a ) Trong a b đường kính ngồi cáp 251 3.Điện cảm cáp Đối với cáp đồng trục có lõi đơn (khơng phải lõi bện) điện cảm cáp tính cơng thức: 1  b  L = × 10 −7  + ln  H/m  a  4 4.Điện trở cách điện Đối với vật liệu cách điện cáp có điện trở suất khối ρi (Ω.m), điện trở cách điện m đơn vị dài tính cơng thức: Ri = ρi b ln Ω.m 2π a Do điện trở suất vật liệu cách điện cáp lớn nên điện trở Ri lớn, lên tới hàng trăm MΩ.m 13.5.5 Tổn hao cáp Tổn hao cáp bao gồm tổn hao lõi cáp, vật liệu cách điện, màng chắn, đai Tổn hao cách điện bao gồm tổn hao dòng điện rò tổn hao tượng phân cực điện môi gây nên Tổn hao lõi cáp phụ thuộc vào điện trở lõi cáp trị số dòng điện mà cáp mang Đối với cáp trung hạ áp, tổn hao cách điện gần không đáng kể Tuy nhiên chiếm tỉ trọng lớn cáp cao áp siêu cao áp, ví dụ cáp cao áp 400kV đổ dầu, tổn hao điện mơi chiếm khoảng 20% tổn hao tồn cáp Góc tổn hao phần quan trọng tổn hao cáp Thơng thường góc tổn hao điện mơi cáp đổ dầu lớn so với cáp XLPE Góc tổn hao tanδ cáp phụ thuộc vào nhiệt độ, điện trường, tần số dòng điện hàm lượng độ ẩm cáp Trong cáp cao áp để góc tổn hao điện mơi nằm trị số cho phép,hàm lượng độ ẩm cáp không vượt 0,05% Ngoài xuất lỗ trống, bọt khí cáp ảnh hưởng lớn đến tổn hao điện môi cáp Khi cáp đơn mang dịng điện xoay chiều, sức điện động cảm ứng xuất lớp chắn cáp gây tổn hao lớp chắn làm giảm khả mang tải cáp, hay gọi dòng điện cho phép (cable ampacity) Trong thực tế lớp chắn để hở mạch nối tắt cách nối xuống hệ thống nối đất Khi lớp chắn để hở mạch dịng cảm ứng khơng bị khép mạch dịng điện cho phép 252 cáp lớn Tuy nhiên, lớp chắn để hở mạch điện lớp chắn tăng đến lớn trị số 25V (trị số gây nguy hiểm) Còn trường hợp nối tắt lớp chắn xuống đất dịng điện cảm ứng xuống đất để gây phát nóng làm giảm dịng điện cho phép Trong thực tế để vừa giảm tổn thất, vừa giữ cho điện lớp chắn người ta sử dụng phương pháp nối chéo hay hoán vị (cross-bonding) Trong mạch ba pha chia làm ba đoạn lớp chắn kim loại đoạn nối sang lớp chắn pha bên cạnh dây dẫn cách điện (Hình 13.) Hình 13.: Hốn vị vỏ nối đất cáp để giảm tổn hao 13.5.6 Dòng điện cho phép (Cable ampacity) Dòng điện cho phép cáp dòng điện lớn mà cáp mang liên tục mà khơng gây phát nóng điểm cách điện cáp vượt giá trị cho phép Dòng điện cho phép cáp phụ thuộc vào nhiều yếu tố vật liệu làm cáp, vật liệu cách điện, kích thước cáp, lớp chắn, mơi trường tản nhiệt xung quanh cáp Tính tốn dịng điện cho phép cáp dựa nhiệt độ tản môi trường xung quanh cho nhiệt độ cách điện cáp không vượt nhiệt độ cho phép Tc Đối với cáp PE XLPE nhiệt độ cho phép điều kiện làm việc bình thường 75 90oC, điều kiện cố 90 135oC 13.5.7 Các tượng xảy cách điện cáp Phóng điện cục Bọt khí lỗ trống cách điện cáp hình thành q trình sản xuất giãn nở khơng vật liệu làm cáp trình mang tải thời gian bị cố Như trình bày chương điện mơi rắn, điện trường bọt khí tăng cường vượt trị số điện trường chịu đựng khơng khí, dẫn tới tượng phóng điện cục Đối với cáp đồng trục, điện áp khởi đầu phóng điện cục phụ thuộc vào đường kính lõi cáp, độ dày số điện môi tương đối vật liệu, hình 253 dạng, kích cỡ vị trí bọt khí Trị số điện áp khởi đầu thường ước lượng theo công thức: 325 b a ln KC a tính Volt, C kích thước lỗ trống tính mét, K=Eb/Ev với Vmin = Trong Vmin Eb điện trường bọt khí cịn Ev điện trường cách điện Hiện tượng cáp a Hiện tượng điện Hiện tượng điện khu vực có điện trường cao cách điện lẫn tạp chất kim loại, bán dẫn lỗ trống Khu vực điện trường cao hình thành phóng điện cục lòng cách điện phân hủy cách điện tạo thành lỗ hổng (hollow) giống hình nhánh Cây điện xuất phát từ bên vật liệu phát triển cách đối xứng điện cực, xuất phát từ điện cực tiến dần đến điện cực đối diện Hiện tượng điện bao gồm hai giai đoạn: Giai đoạn hình thành giai đoạn phát triển Trong giai đoạn hình thành, ta khơng quan sát thấy tín hiệu phóng điện cục đến cuối giai đoạn bắt đầu quan sát thấy vết vật liệu có dạng Giai đoạn phát triển bắt đầu bắt đầu lớn dần tín hiệu phóng điện cục lớn bắt đầu đo Giai đoạn hình thành phát triển điện ảnh hưởng nhiều yếu tố xâm nhập điện tử từ điện cực, q trình phát nóng, phân hủy nhiệt, giãn nở khí thể tích vật liệu b Hiện tượng nước Hiện tượng nước xuất với có mặt nước đọng (moisture) vật liệu Khác với tượng điện, nước bắt đầu xuất trị số điện trường thấp phát triển chậm so với điện, đồng thời phát triển khơng kèm theo q trình phóng điện cục Không giống tượng điện, nước không tạo lỗ hổng mà tạo nhánh mỏng để nước xuyên qua Cây nước xuất phát từ điểm có điện trường cao có nguồn nước Nguồn nước nước đọng nước với độ ẩm khoảng 65-70% Do nước chứa nước nước bị bốc cách điện nung nóng, nước hấp thụ lại nước đặt gần vào nguồn nuớc nước Cây nước khơng hồn tồn làm hỏng cách điện làm cho cách điện bị yếu Vì thực tế người ta quan sát thấy nước phát triển toàn cách điện cáp phóng điện chọc 254 thủng khơng thể diễn điều kiện điện áp làm việc, phóng điện chọc thủng trường hợp diễn điện trường lớn điện trường làm việc khoảng 2kV/mm trở lên Hiện tượng già hóa cáp ước lượng thời gian việc (life estimation) a Già hóa điện áp Hiện tượng phóng điện cục làm giảm tuổi thọ cách điện cáp Sự suy giảm cách điện chế phóng điện cục phụ thuộc vào hai yếu tố: Điện áp tần số Khi có phóng điện cục bộ, thời gian làm việc cách điện t phụ thuộc vào điện áp theo quan hệ: Dv Vn Trong Dv hắng số, V điện áp đặt vào, n hệ số tuổi thọ theo điện áp; n phụ thuộc vào loại cách điện, phương pháp sản xuất, kích thước cáp điện áp đặt vào t= Thơng thường n có giá trị từ đến 25, cáp trung áp XLPE n=9 Chú ý cơng thức tính đến ảnh hưởng điện áp mà khơng tính đến yếu tố khác b Già hóa tần số Nếu điện áp đặt vào khơng đổi, tần số tăng suy giảm cách điện tượng phóng điện cục tăng Tuổi thọ cách điện phụ thuộc theo tần số xác định theo công thức: t= Df f m Trong Df số, cịn m≤1 Nếu ảnh hưởng tần số điện áp phối hợp với tuổi thọ cách điện ước lượng theo công thức: t = D fv f −m V −n Với Dfv số suy giảm cách điện đồng thời ảnh hưởng điện áp tần số c Già hóa nhiệt độ Cáp thường xuyên làm việc nhiệt độ cao già hóa cách điện cáp nhiệt độ yếu tố quan trọng để ước lượng tuổi thọ cáp Công thức Dakin ước lượng tuổi thọ cách điện theo nhiệt độ sau: 255 H T Trong G H số xác định theo lượng kích thích (activation t = G exp energy) phản ứng hóa học vật liệu Quan hệ cịn gọi quan hệ Arrhenius Thơng thường nhiệt độ tăng lên từ đến 10oK tuổi thọ cách điện giảm nửa Các tiến công nghệ làm cáp Các loại cáp dùng hệ thống điện bao gồm cáp dầu (oil filled), giấy ngâm dầu (POF- Paper Oil Filled), từ hai thập kỷ trở lại cách điện EPR XLPE đưa vào sử dụng rộng rãi cấp điện áp 500kV Ngoài người ta nghiên cứu đưa vào sử dụng loại cáp siêu dẫn 13.6 CÁCH ĐIỆN CỦA TỤ ĐIỆN CAO ÁP 13.6.1 Khái niệm chung phân loại tụ điện cao áp Ở đề cập đến tụ điện dùng hệ thống điện gồm loại sau đây: Tụ điện xoay chiều: dùng cải thiện hệ số cosϕ thiết bị điện, bù công suất điều chỉnh điện áp mạng phân phối Loại có công suất phản kháng lớn tới hàng triệu kVA có điện áp định mức tương ứng với cấp điện áp làm việc chịu đựng loại điện áp thường xuất hệ thống điện Tụ điện xung: dùng để tích lũy lượng máy phát dòng điện điện áp xung, thiết bị tạo mơi trường plasma có tham số cao Chế độ làm việc loại tụ điện nạp thời gian tương đối chậm phóng điện nhanh chóng mạch có điện trở bé Tụ điện chiều: làm việc lọc chỉnh lưu cao áp Tụ điện nhiệt điện: dùng mạch dao động cao tần thiết bị nhiệt 256 Về kết cấu chúng có dạng tương tụ Hình 13 Cho cấu tạo loại tụ điện Trị số điện dung cuộn giấy tụ điện tính theo cơng thức: Ccn = Trong 2εal d a- chiều rộng điện cực nhôm l- chiều dài điện cực điện cực nhôm d-độ dày điện môi điện cực Hệ số hai mặt nhơm có tác dụng làm điện cực tụ điện Từ cơng thức tính điện dung cho thấy, điện mơi dùng tụ điện cần có hệ số điện mơi lớn để giảm kích thước tụ điện Nhưng chưa phải tiêu chuẩn mà phải xét mặt khác cường độ cách điện, nhiệt độ phát nóng cho phép, tổn hao điện mơi tgδ… Trong tụ điện tích lũy lượng W: W = CU εSU d εVa E = = 2d d S- diện tích điện cực Va- phần thể tích hiệu dụng điện môi đặt điện cực, S.d E=U/d - cường độ điện trường điện môi Do thể tích V tụ điện gần tỷ lệ với Va nên viết V = tích vật liệu tụ điện giá thành phụ thuộc k εE ,nghĩa thể vào ε cường độ trường làm việc, trị số lại phụ thuộc vào cường độ cách điện tổn hao điện môi, nhiệt độ phát nóng cho phép vật liệu điều kiện làm mát tụ điện Vì để chế tạo tụ điện phải chọn loại vật liệu thích hợp sở phối hợp yếu tố cường độ cách điện, ε, tgδ, độ phát nóng giá thành rẻ Ngồi cịn phải có độ bền giới (độ bền chống kéo) để không bị đứt, rách Điện môi thường dùng nhiều loại giấy cáp, giấy tụ điện có tẩm dầu (dầu mỏ, dầu xo-vôn) lỏng nửa lỏng Quá trình tẩm dầu làm cho cường độ cách điện tăng lên nhiều đồng thời làm tăng hệ số điện mơi lỗ xốp, bọt khí giấy (chiếm 25÷30% thể tích giấy) lấp kín dầu vật liệu cách điện tốt có hệ số điện mơi cao 257 13.6.2 Tụ giấy tẩm dầu Dầu tụ điện dùng tẩm giấy chế tạo từ dầu máy biến áp có thêm chất hấp thụ để lọc làm dầu Ngoài cịn phải tiến hành sấy khử khí để có cường độ cách điện khơng thấp 200kV/cm, trị số tgδ khoảng 10-4(ở 20oC 1000Hz) hệ số điện mơi ε=2,1÷2,2 u cầu dầu tụ điện cao nhiều so với dầu MBA dầu tụ điện làm việc điều kiện nặng nề hơn: cường độ điện trường cao điều kiện tản nhiệt xấu Dầu xo-vơn chất lỏng cực tính có hệ số điện môi gần 5, lớn hai lần so với dầu mỏ, nên dùng loại dầu kích thước tụ điện giảm nhiều Đặc tính quan điện môi giấy- dầu cường độ cách điện ngắn hạn lâu dài Đặc tính khơng phụ thuộc vào tính chất thành phần vật liệu mà phụ thuộc vào độ dầy 258 259 ... trúc tinh thể cho lặp lại ta dịch chuyển tinh thể Điểm mấu chốt sở bao hàm cấu trúc đủ tinh thể mạng tinh thể hoàn chỉnh xếp liên tiếp sở khơng gian ba chiều Mỗi hình dáng cụ thể sở gọi hệ tinh thể. .. cấu trúc tinh thể phần Còn phần lớn chất bán dẫn có cấu trúc tinh thể có độ tinh khiết cao 11 1.1.4.2 Khuyết tật mạng tinh thể Trong thực tế ta khơng thể có vật liệu với cấu trúc tinh thể hoàn... tâm đối xứng hệ tinh thể để tạo thành 14 ô lưới (lattice) tinh thể khác hay gọi 14 lưới Bravais hệ tinh thể biến thể thành 14 lưới Bravais trình bày bảng 1.1 Hệ tinh Dạng ô lưới thể Cubic Dạng