giáo trình vật liệu điện

ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG Khi đặt vật liệu cách điện vào trong điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện trườngmạnh hay yếu, 1 chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số của điện trườn

Trang 1

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 1

PHẦN I: VẬT LIỆU ĐIỆN Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI

1 Cấu tạo nguyên tử

Mọi vật chất đều cấu tạo từ các hạt cơ bản là Proton, nơtron và điện tử Hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và nơtron mang điện tích dương và bao quanh hạt nhân là các điện tử mang điện tích âm cân bằng với điện tích dương của hạt nhân Thông qua các dạng liên kết cơ bản mà hình thành nên vật chất

Mô hình nguyên tử của Bohr

Trong nguyên tử điện tử chỉ có thể chuyển động trên những quỹ đạo

xác định, có bán kính nhất định, khi quay trên những quỹ đạo đó năng

lượng được bảo toàn

Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định, quỹ đạo ở gần hạt nhân có mức Nlượng nhỏ và ngược lại

Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng

Theo cơ học lượng tử: chuyển động của các điện tử được mô tả bởi một hàm sóng

Đối với một nguyên tử biệt lập thì hàm số này có tính đối xứng cầu, do đó điện tích của điện

tử phân bố tản và tạo thành một đám mây

2 Các dạng liên kết

a Liên kết cộng hoá trị:

Là mối liên kết của các nguyên tử hình thành phân tử bằng cách góp chung vác điện tử Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương trùng nhau là phân tử trung tính (trung hoà) Các chất cấu tạo từ các phân tử này gọi là chất trung tính

Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương không trùng nhau là phân tử lưỡng cực (cực tính)

Phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi mô men lưỡng cực: m = q.l Được tính bằng tích

số của điện tích với khoảng cách giữa 2 trọng tâm điện tích âm và dương

b Liên kết ion:

Được xác lập bởi lực hút giữa các ion trái dấu: NaCl = Na+ + Cl

-Vật rắn có cấu tạo ion được đặc trưng bởi tính chất khá bền vững về cơ học và nhiệt độ nóng chảy tương đối cao

c Liên kết kim loại:

Dạng liên kết này tạo nên tinh thể rắn Kim loại được xem như 1 hệ thống cấu tạo từ các ion (+) nằm trong môi trường các điện tử tự do chung Lực hút giữa các ion (+) và điện

tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại

Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại được giải thích bằng sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng

d Liên kết Vanđecvan:

Dạng liên kết này yếu, được tạo nên nhờ lực hút giữa các phân tử trung hòa, mạng tinh thể không vững chắc Thường có ở những chất có nhiệt độ nóng chảy thấp như: Parapin

Hình 0.1: Các lớp e trong nguyên tử Si

Trang 2

3 Phân loại vật liệu

a Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn:

Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lượng xác định, khác nhau Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, mỗi lớp vỏ điện tử ứng với một trạng thái năng lượng xác định (1 số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy) còn ở các mức năng lượng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài Khi mất kích thích nguyên tử trở về trạng thái ban đầu và phát ra năng lượng thừa

Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể của vật rắn, do sự tương hỗ giữa chúng lamg phân chia các mức năng lượng, dẫn đến sự xuất hiện nhiều mức năng lượng mới nắm gần nhau trong phạm vi một

lớp Các mức năng lượng đó tạo nên các dải năng

lượng khác nhau Trong đó người ta quan tâm đến

hai dải chính đó là “dải hóa trị” (vùng điền đầy các

điện tử) và “dải dẫn” (các điện tử được tự do ở vùng

này), giữa hai dải này được ngăn cách bởi “dải cấm”

Người ta dựa vào chiều rộng của dải cấm, để

phân chia vật liệu

Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn điện bằng

điện tử không xảy ra Chiều rộng vùng cấm của điện môi trong khoảng từ 1,5 đến vài eV (1

eV = 1,60207.10-19J)

Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm khá nhỏ có thể khắc phục nhờ nguồn năng lượng

bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV

Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng lượng

tự do nằm kề nhau hoặc chồng lên nhau một phần Vì vậy chỉ cần một tác động rất nhỏ điện

tử dễ dàng chuyển trạng thái

b Phân loại theo từ tính: 3 loại

Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường

ngoài Ví dụ: Cu, Ag, Au, H2, khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, …

Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > 1 (  1) và không phụ thuộc vào cường độ từ

trường ngoài VD, muối sắt, các muối Côban và Niken,kim loại kiềm

Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài

Ví dụ: Fe, Ni, Coban và các hợp kim của chúng

Hình 0.2: Mô hình dải năng lượng của nguyên tử (a),

và của vật rắn (b)

Trang 3

PHẦN I: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

0.1 ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG

Khi đặt vật liệu cách điện vào trong điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện trường(mạnh hay yếu, 1 chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số của điện trường ), thời gian tác động của điện trường cũng như các yếu tố môi trường: độ ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà trong điện môi xảy ra những hiện tượng với bản chất vật lý rất khác nhau Trong đó có hai hiện tượng cơ bản là hiện tượng dẫn điện và hiện tượng phân cực điện môi Hiện tượng phân cực: Là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực

Trong quá trình phân cực tạo nên dòng phân cực, và thường được đánh giá bằng hằng

số điện môi  và góc tổn thất điện môi  (nếu quá trình phân cực kèm theo phân tán năng lượng sẽ làm cho điện môi nóng lên)

Do trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng có điện tích tự do nên dưới tác động của điện

áp trong nó sẽ xuất hiện dòng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày điện môi và theo bề mặt của nó Dòng điện rò, kết hợp với dòng phân cực tạo nên tính dẫn điện của điện môi

Do trong điện môi xuất hiện dòng dẫn nên gây nên tổn thất điện môi, làm cho điện môi nóng lên Tổn thất điện môi được đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện môi, tg

Mỗi điện môi ứng với chiều dày nhất định chỉ chịu được một giá trị điện áp nhất định Khi điện áp vượt quá giá trị tới hạn đó điện môi sẽ bị đánh thủng, vật liệu mất hoàn toàn các thuộc tính cách điện Được đánh giá thông qua độ bền điện Eđt

Trong quá trình vận hành ngoài tác động của điện trường, điện môi còn chịu tác động của các yếu tố môi trường và các tác động cơ, nhiệt khác… Sau một thời gian các tính chất

cơ, lí, hoá và điện của điện môi bị thay đổi (thường là kém đi) - đó là sự hoá già điện môi

Chương 1

SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI

1.1 SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI

1 Sự phân cực điện môi

Xét 1 điện môi đặt giữa 2 bản cực nối vào 1 mạch điện

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điện tích của điện môi

dịch chuyển về các điện cực cùng chiều hoặc ngược chiều điện

trường tuỳ theo dấu của chúng

Các phân tử lưỡng cực (nếu có) sẽ định hướng theo hướng

Trang 4

Kết quả của quá trình phân cực: tại bề mặt tiếp giáp của điện môi với các điện cực xuất hiện các lớp điện tích trái dấu Trong điện môi xuất hiện điện trường phụ E’ ngược chiều với điện trường ngoài

Khi điện môi được đặt giữa 2 điện cực và nối vào mạch điện thì có thể xem như 1 tụ điện và điện tích Q của tụ được xác định:

Q = C.U với C: Điện dung của tụ

U: Điện áp đặt vào tụ Điện lượng Q ở giá trị điện áp xác định có 2 thành phần: Q = Q0 + Q’ (1.1)

Q0: Điện tích của tụ có cùng kích thước, nhưng giữa 2 điện cực là chân không

Q’: Điện tích tạo bởi sự phân cực điện môi

2 Hằng số điện môi

Để đánh giá mức độ phân cực của điện môi, người ta đưa ra khái niệm hằng số điện môi tương đối, ký hiệu là , gọi tắt là “Hằng số điện môi” Nó được dùng để đặc trưng cho chất lượng điện môi và không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị

0 0

0

'Q1Q

QQQ

1.2 CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MÔI

1 Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có 2 dạng phân cực điện môi

*) Phân cực nhanh: Sự phân cực xảy ra tức thời, đàn hồi hoàn toàn, không phát tán năng lượng Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện

*) Phân cực chậm: Sự phân cực không xảy ra tức thời, tăng giảm 1 cách chậm chạp và

có kèm theo sự phát tán năng lượng trong điện môi và làm cho điện môi nóng lên Trên sơ

đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện mắc nối tiếp một điện trở

2 Các cơ chế phân cực

Một số cơ chế phân cực có thể thấy ở nhiều điện môi khác nhau, trong một loại điện

môi có thể thấy tồn tại đồng thời nhiều cơ chế phân cực khác nhau

a Phân cực điện tử nhanh

Là sự chuyển dịch đàn hồi và sự biến dạng các lớp vỏ điện tử của nguyên tử hoặc ion Thời gian xảy ra rất nhanh (t  10-15s) do đó sự phân cực điện tử được coi là tức thời Sự phân cực điện tử có ở tất cả các loại điện môi và không gây tổn thất năng lượng

Hệ số phân cực điện tử phụ thuộc vào bán kính phân tử R0:  = 4..0R03 (1.5)

b Phân cực ion nhanh

Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn hồi của các ion liên kết Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng Thời gian xác lập phân cực này: t  10-13

s

Với a là khoảng các giữa các ion (+) và (-) khi E  0

c Phân cực Lưỡng cực chậm

Trang 5

Xảy ra ở các điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực Các phân tử lưỡng cực ở trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn được định hướng 1 phần dưới tác dụng của điện trường gây nên sự phân cực Quá trình định hướng của các phân tử phải thắng được lực của chuyển động nhiệt và vì vậy có kèm theo tổn hao năng lượng

Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực và nhiệt độ:  =

KT

m3

Thường quan sát thấy ở thuỷ tinh vô cơ và 1 số chất vô cơ mà tinh thể ion ràng buộc không chặt Sau khi loại bỏ điện trường sự định hướng của các ion yếu dần theo quy luật hàm số mũ

Sự phân cực ion chậm tăng cùng với sự tăng của nhiệt độ

e Phân cực điện tử chậm

Đặc trưng cho các điện môi có hệ số khúc xạ cao, trường bên trong lớn và có tính dẫn điện - điện tử Nói cách khác: là các điện môi có các điện tử khuyết tật thừa hoặc các lỗ hổng được kích thích bằng nhiệt năng

Hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ và có 1 vài điểm cực đại thậm chí cả khi nhiệt độ âm

f Phân cực cấu kết cấu

Xảy ra trong vật rắn có cấu tạo không đồng nhất và khi có tạp chất Sự phân cực này biểu hiện ở tần số thấp kèm theo tổn hao năng lượng đáng kể Nguyên nhân của sự phân cực này là do các chất dẫn điện và bán dẫn lẫn trong điện môi kỹ thuật, sự tồn tại của các lớp có

độ dẫn điện khác nhau

g Phân cực tự phát

Dạng phân cực này tồn tại ở dạng điện môi đặc biệt Xenhit kèm theo khuếch tán năng lượng đáng kể (có toả nhiệt)

 của phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện trường

và đặc trưng bởi điểm cực đại ở 1 nhiệt độ xác định

*)Sơ đồ đẳng trị của điện môi mà trong đó xảy ra đầy đủ các cơ chế phân cực được chỉ ra trên hình vẽ

Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị của điện môi

Trang 6

Trong đó: U là điện áp nguồn

Nhánh 1: Điện dung C0 và điện tích Q0 của tụ khi điện môi là chân không

Nhánh 2÷ 8: Điện dung và điện tích của các cơ chế phân cực: Phân cực điện tử, phân cực ion, phân cực lưỡng cực chậm, phân cực ion chậm, điện tử chậm, phân cực tự phát và phân cực cấu (kết cấu)

Nhánh 9: RCĐ là điện trở cách điện hay còn gọi là điện trở thật của điện môi Nhánh này đặc trưng cho dòng điện rò qua điện môi

1.3 HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN

1 Hằng số điện môi của điện môi khí

Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ do đó sự phân cực của chất khí không đáng kể

và hằng số điện môi của chất khí  = 2  1 Để xác định hằng số điện môi, ta có thể sử dụng phương trình Claudiut-Môxôpchi:

0

3

2

P N

 là mật độ phân tử, P (at), T(0K),  là hệ số phân cực

*Với điện môi khí trung tính:

Chỉ tồn tại cơ chế phân cực điện tử nhanh, nên  = e=4..0R03

Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử càng lớn,

hằng số điện môi càng lơn

Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P), tỷ lệ

nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2

Hình 1.2: Quan hệ  =f(P), khi T là hằng số và  =f(T), khi P là hằng số

Để đánh giá ảnh hưởng của  vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt của hằng số điện

môi:

dt

d1



T dT

d TK

0 2

2 0 0

.

1 ) (

m P T

Trang 7

Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng được phan thành hai nhóm: Điện môi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) và điện môi lỏng cực tính (Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …)

* Hằng số điện môi của điện môi lỏng trung tính

Điện môi của chất lỏng trung tính được đặc trưng bởi

phân cực điện tử nhanh

do vậy  22÷ 2,5 và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

mà không phụ thuộc vào áp suất và tần số

Hình 1.3 Quan hệ giữa  của chất lỏng trung hoà với nhiệt độ và tần số

Về trị số tuyệt đối TK của chất lỏng trung tính gần bằng hệ số giãn nở thể tích của chất lỏng  (nhưng ngược dấu)

v

TKdT

dTK

1

là hệ số nhiệt của thể tích

* Hằng số điện môi của chất lỏng cực tính

Chất lỏng cực tính tồn tại đồng thời phân cực điện tử và phân cực lưỡng cực chậm (chủ yếu)

Có nhiều thuyết đưa ra để tính  của điện môi cực tính, nói chung việc tính  của chất lỏng cực tính rất phức tạp Mỗi công thức trên đều kèm giả thiết nên đều có tính chất gần đúng Thường dùng phương trình Clauđiút-Môxốtchi:

e

33

Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì  giảm do chuyển động

nhiệt của phân tử tăng lên, cản trở sự định hướng theo chiều

điện trường

3 Hằng số điện môi của điện môi rắn

Đặc điểm của điện môi rắn là rất đa dạng về cấu trúc và

thành phần, do vậy hằng số điện môi có giá trị lớn và nằm

trong một dải rộng

a Hằng số điện môi của điện môi rắn trung hoà

Điện môi này cấu tạo từ các phân tử trung hoà và chỉ có phân cực điện tử: =2, là loại có  bé nhất Quan hệ của  theo nhiệt độ được xác định bởi sự biến đổi số phân tử trong 1 đơn vị thể tích

Hình 1.4:  =f(t 0 ), f 1 <f 2 <f 3

Trang 8

Hệ số nhiệt của hằng số điện môi vẫn có thể tính theo công thức (1.14)

b Hằng số điện môi của điện môi rắn có kết cấu tinh thể ion

Điện môi rắn là các tinh thể ion mà các hạt được ràng buộc chặt chẽ có phân cực điện

tử và ion nhanh Có hằng số điện môi nằm trong 1 phạm vi rộng

Khi nhiệt độ tăng không phải chỉ có mật độ của vật chất bị giảm mà còn xảy ra hiện tượng tăng khả năng phân cực của các ion nên hệ số nhiệt độ của  có thể có giá trị dương Điện môi rắn là các tinh thể ion có kết cấu ion không chặt chẽ ngoài phân cực điện tử và ion nhanh còn có phân cực ion chậm Trong nhiều trường hợp đặc trưng bằng  không cao và

hệ số nhiệt độ dương có trị số lớn

c Hằng số điện môi của điện môi rắn hữu cơ cực tính

Điện môi này có phân cực lưỡng cực chậm ở trạng thái rắn (Xenlulo, và các sản phẩm của nó như: Giấy, bông vải, sợi, bìa cattong Ngoài ra còn các chất nhựa hữu cơ được trùng hợp như: phenol focmađêhyt, golovac ) và cả nước đá Hằng số điện môi của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện áp đặt vào giống ở các chất lỏng lưỡng cực

d Hằng số điện môi của điện môi rắn có cấu tạo không đồng nhất

Điện môi loại này là hỗn hợp của các thành phần có hằng số điện môi khác nhau  của điện môi phức tạp này có thể tính gần đúng theo công thức tổng quát:

x = 11x + 22x (1.16a)

Trong đó: , 1, 2 là hằng số điện môi của hỗn hợp và của từng thành phần;

1, 2 là nồng độ theo thể tích của các thành phần: 1 + 2 = 1

x là hằng số đặc trưng cho sự phân bố các thành phần, có giá trị từ 1  -1

Khi mắc song song các thành phần (các điện môi đặt song song với phương của điện trường nghĩa là mắc nối tiếp 2 tụ): x = +1   = 11 + 22 (1.16b)

Khi mắc nối tiếp các thành phần (các điện môi đặt vuông góc với phương của điện

trường nghĩa là mắc song song 2 tụ): x = -1 

2

1 1

Khi các thành phần phân bố hỗn loạn: ln = 1ln1+ 2ln2 (1.16d)

Trường hợp tổng quát ta có tổ hợp cách điện gồm n chất điện môi khác nhau thì ta tính

 cho từng cặp 2 chất một rồi tính tiếp cho đến n chất

Hệ số nhiệt của  của tổ hợp cách điện: TK = TK11 + TK22 (1.17)

e Hằng số điện môi của điện môi Xenhit:

 rất lớn và phụ thuộc rõ rệt vào cường độ điện trường và nhiệt độ

Đặc điểm nổi bật của điện môi Xenhit là hiện tượng điện trễ (cảm ứng điện biến đổi chậm sau cường độ điện trường)

Nhiệt độ mà ở đó  đạt trị số cực đại gọi là điểm Quyri Với nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Quyri thuộc tính Xenhit của vật liệu không còn nữa  không phụ thuộc cường độ điện trường nữa

Hình 1.5: Quan hệ  =f(t 0 ) của sứ cách điện

Trang 9

Chương 2 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI

2.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

Trước khi ổn định và đạt được trạng thái cân bằng quá

trình phân cực và chuyển dịch các điện tích ràng buộc trong

vật sẽ tạo nên dòng phân cực hoặc chuyển dịch trong điện môi

Mặt khác: trong các điện môi kỹ thuật luôn tồn tại điện tích tự

do làm xuất hiện các dòng điện ròcó trị số nhỏ

*) Tóm lại: Khi đặt điện môi trong điện trường E, điện

áp là U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi, ta thấy dòng biến

thiên theo thời gian và: i = irò+ipc (2.1)

Quan hệ của dòng điện qua điện môi theo thời gian, hình 2.2

Từ đồ thị ta thấy: Khi đặt điện áp 1 chiều sau khi quá trình phân cực hoàn thành chỉ

còn dòng điện rò chạy qua điện môi Ở điện áp xoay chiều nó tồn tại trong suốt thời gian có

U

(2.2)

i: Dòng điện đo được; U: Điện áp đặt vào

iPC: Tổng các dòng điện do các cơ chế phân cực chậm gây nên

Việc xác định các dòng phân cực gặp khó khăn nên điện trở của điện môi thường

được tính: '

I

U

R CĐ  (2.3)

Với I’ là dòng đo được sau 1 phút kể từ lúc đóng điện áp một chiều

Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất khí, lỏng, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường xung quanh

Để so sánh, đánh giá các vật liệu khác nhau ta có thể dùng điện trở suất khối v và điện trở suất mặt s

Về trị số điện trở suất khối v bằng điện trở của khối lập phương có cạnh bằng 1 cm khi dòng điện chạy qua 2 mặt đối diện của khối đó (cm) Với mẫu vật liệu phẳng và điện

trường đồng nhất ta có: v vS

Rh

Trang 10

Về trị số điện trở suất mặt s bằng điện trở của 1 hình vuông trên bề mặt của vật liệu khi dòng điện chạy qua 2 cạnh đối diện của hình vuông đó () Có thể tính điện trở suất

2.2 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ

Trong các chất khí luôn tồn tại các điện tử tự do, các ion dương va ion âm Những điện tích này được tạo nên nhờ quá trình ion hóa và kết hợp tự nhiên

Quá trình ion hóa là quá trình tách các điện tử ra khỏi phân tử hoặc ion khi phân tử hoặc ion nhận được năng lượng tác động từ bên ngoài (bức xạ mặt trời, các tia phóng xạ, điện trường ) Quá trình ion hóa tự nhiên là quá trình ion hóa xảy ra dưới tác động của các yếu tố tự nhiên

Ngược lại, quá trình tái hợp là quá trình kết hợp các điện tích trái dấu tạo thành phân

tử trung hòa, khi đó năng lượng được giải phóng dưới dạng các photon

Số lượng điện tích xuất hiện trong quá trình ion hóa tự nhiên là rất nhỏ, do vậy điện dẫn của điện môi khí là rất bé, hầu hết các chất khí ở một điều kiện nào đó là những điện môi tốt Nếu vì l do nào đó quá trình ion hóa phát triển mạnh

thì lượng điện tích trong điện môi khí tăng nhanh và điện dẫn

cũng tăng lên đáng kể

Đặc tính Von-Ampe (V-A) của điện môi khí được thể

hiện như hình vẽ 2.3

Ở đoạn đầu đường cong quan hệ dòng và áp là tuyến tính

Khi điện áp đạt giá trị U1 các ion chưa kịp tái hợp đã bị

kéo về các điện cực và bị trung hoà trên các điện cực (dòng

2.3 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI LỎNG

Độ dẫn điện của điện môi lỏng có liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của chất lỏng Nhiệt độ, nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể tới điện dẫn của điện môi lỏng Dòng điện trong chất lỏng có thể xác định được bởi sự chuyển dịch của các ion hoặc hạt mang điện tương đối lớn ở dạng keo

2.3.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng

Hình 2.3

Trang 11

Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do quá trình ion hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất

Trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng tồn tại một số lượng tạp

chất nhất định Thông thường các phân tử tạp chất rễ bị phân ly hơn

các phân tử của chính điện môi đó Do vậy điện dẫn của điện môi lỏng

bao gồm điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn của tạp chất

Trên hình vẽ biểu diễn mối quan hệ giữa dòng và áp của điện

môi lỏng

Đường (1): Đặc tuyến V-A của điện môi lỏng có chứa nhiều tạp

chất Trên đồ thị ta không thấy dòng điện bão hòa, dòng điện tăng

tuyến tính với

Hình 2.4: Đặc tính V-A của điện môi lỏng

điện áp đến giá trị Uth, sau đó xuất hiện quá trình ion hóa va chạm, điện tích tăng theo hàm

mũ, I tăng nhanh và dẫn tới phóng điện trong điện môi lỏng

Đường (2): Các chất lỏng tinh khiết (Được điều chế trong phòng thí nghiệm), trên đường đặc tuyến V-A vẫn xuất hiện một đoạn nhỏ giống như đoạn bão hòa của điện môi khí

Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng, lực liên kết giữa các phân tử giảm, độ nhớt cũng giảm theo, mức độ phân ly của các phân tử do nhiệt sẽ tăng lên và làm tăng điện dẫn của điện môi lỏng

Dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích này sẽ chuyển động (Khối điện tích + sẽ chuyển động về phía bản cực – và ngược lại), chúng tạo nên dòng điện dẫn điện di Thực chất dòng điện này là sự chuyển động của khối mang điện tích dưới tác dụng của điện trường Đối với điện áp một chiều, sẽ xảy ra hiệu ứng lam sạch điện môi, với điện áp xoay chiều thì không có

Ngoài những yếu tố trên thì điện dẫn của điện môi lỏng còn phụ thuộc vào tính chất cực tính của điện môi Điện dẫn của điện môi sẽ tăng lên nếu () lớn

Bảng 2.1: Giá trị điện trở suất khối (  v ) và hằng số điện môi (  ) của một số điện môi lỏng

Chất lỏng Cấu tạo Điện trở suất khối v

(cm) ở 20 0 C



Trang 12

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Ben zen

Nếu đưa vào thành phần của thuỷ tinh những axít kim loại kiềm sẽ làm điện dẫn suất tăng mạnh, độ tăng phụ thuộc vào bán kính của các ion: bán kính nhỏ thì điện dẫn suất tăng nhiều hơn Nếu đưa vào các a xít kim loại nặng (bari, chì ) sẽ làm giảm đáng kể điện dẫn

suất của thuỷ tinh

Điện dẫn suất của các điện môi rắn xốp khi bị hút ẩm với 1 lượng không đáng kể cũng tăng lên rất mạnh

Điện dẫn của nhóm điện môi này phụ thuộc nhiều vào độ ẩm không khí

Bảng 2.2: Ảnh hưởng của độ ẩm không khí (  %), và nhiệt độ tới  v của điện môi rắn xốp

Điện trở suất khối v (cm) Tên vật liệu Độ ẩm tương đối %=0%,

2.4.2 Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion

Trong điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion độ dẫn điện được xác định chủ yếu do sự chuyển dịch các ion đã được giải phóng bởi ảnh hưởng dao động của chuyển động nhiệt

Ở nhiệt độ thấp các ion chuyển dịch là các ion liên kết yếu (ion của tạp chất) Ở nhiệt

độ cao cả 1 số ion của mạng tinh thể cũng được giải phóng

Trang 13

Trên đây ta nghiên cứu độ dẫn điện của vật rắn khi cường độ điện trường tương đối thấp Khi cường độ điện trường có trị số lớn cần phải tính đến khả năng xuất hiện dòng điện

từ trong điện môi tinh thể Dòng này sẽ tăng nhanh khi cường độ điện trường tăng

2.4.3 Điện dẫn bề mặt của điện môi rắn

Khi điện môi rắn đăt trong môi trường khí hoặc lỏng, trên bề mặt điện môi rắn tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn hay lớp nước gây nên Các điện tích này sẽ tạo nên dòng điện dẫn bề mặt

Điện dẫn này phụ thuộc chủ yếu vào bề dày của lớp ẩm, lượng tạp chất, tình trạng bề mặt và bản chất của điện môi

Trị số độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh là yếu tố quyết định đối với điện dẫn suất mặt của điện môi Khi độ ẩm tương đối > 60  80% thì điện dẫn suất mặt tăng rõ rệt

Điện dẫn suất mặt càng thấp khi cực tính của vật liệu càng yếu, bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn

Theo điện dẫn mặt có thể phân tích vật liệu thành 3 nhóm:

+ Điện môi không hoà tan trong nước: Các điện môi trung hoà và cực tính yếu không

bị nước thấm ướt (parafin, polystirol ) Các điện môi có cực tính bị nước thấm ướt (1 số loại gốm) Loại này có điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc độ ẩm của môi trường xung quanh (điện môi cực tính chỉ có thể có điện trở suất bề mặt cao trong môi trường ẩm nếu bề mặt không bẩn)

+ Điện môi hoà tan 1 phần trong nước (thuỷ tinh kỹ thuật): có điện trở suất mặt thấp hơn và phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm

+ Điện môi có cấu tạo xốp (sợi, chất dẻo, đá hoa ): Trong môi trường ẩm loại này có điện dẫn suất mặt lớn

*) Nhận xét: Muốn nâng cao điện trở suất mặt người ta dùng phương pháp làm sạch

bề mặt: Rửa bằng nước, bằng các chất hoà tan, xấy khô trong chân không (ở 600  7000C) sau đó ngâm trong sơn tẩm hoặc dầu, sử dụng sơn quét hoặc tráng men, thường xuyên vệ sinh thiết bị nếu có thể, cũng có thể đun lâu trong nước cất với những vật liệu không thấm nước

Chương 3 TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

3.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

*) Khái niệm: Tổn thất điện môi là phần năng lượng tản ra

trong điện môi trên 1 đơn vị thời gian làm cho điện môi nóng lên

khi có điện trường tác động

Đối với điện áp 1 chiều tổn thất điện môi chủ yếu do dòng

Trang 14

Với





1

C R I

I tg

Tổn thất điện môi liên quan chặt chẽ với hằng số điện môi, thông thường nếu hằng số điện môi lớn thì tổn thất điện môi cũng lớn

Công thức (2.2b) có thể viết PU2..C0..tg  (3.2c)

Ngoài ra tổn thất điện môi còn có thể được xác định thông qua “suất tổn hao”, đó là giá trị công suất tản trong 1 đơn vị thể tích hoặc suất tổn hao

3.2 CÁC DẠNG TỔN THẤT ĐIỆN MÔI 3.2.1 Tổn thất điện môi do điện dẫn rò

trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng chứa các điện tích và điện tử tự do Dưới tác dụng của điện trường chúng tạo nên dòng rò Trong điện môi rắn có dòng điện rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉ có dòng điện khối Nếu dòng rò

10 8 ,

f

tg  (3.4)

Tổn thất dạng này tỷ lệ nghịch với tần số của điện trường, hằng số điện môi và tăng

theo nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ: t

0



Với 0 là điện dẫn suất ở 250C và P= 1 at,  - hệ số mũ, t - Nhiệt độ (0C)

3.2.2 Tổn thất điện môi do phân cực

Thấy rõ ở các chất có phân cực chậm, trong các điện môi có cấu tạo lưỡng cực và các điện môi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ

Tổn thất điện môi do phân cực chậm được gây bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các hạt dưới ảnh hưởng của cường độ điện trường Sự phá huỷ này làm năng lượng tiêu tán

và điện môi bị nóng lên Tổn thất phân cực chậm tăng theo tần số của điện áp đặt (Rõ nhất

ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao)

Quan hệ của tg=f(t0) của các điện môi cực tính có giá trị cực đại ở nhiệt độ nào đó, đặc trưng cho mỗi loại

3 Tổn thất do ion hoá

Dạng tổn thất thấy rõ trong điện môi khí hoặc trong các điện môi lỏng và rắn nhưng

có tồn tại các bọt khí Trong quá trình ion hóa, các phân tử khí tiếp thu năng lượng điện trường và gây tổn thất điện môi Khi bị ion hoá trong chất khí có thêm điện tích và điện tử

tự do làm cho điện dẫn khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn

Tổn hao có thể tính theo công thức: Pi = A.f (U - U0)3 (3.6)

Với UU0, A - Hằng số, f - Tần số điện trường

Trang 15

U, U0: Điện áp đặt vào và điện áp ứng với điểm bắt đầu ion hoá

4 Tổn thất điện môi do tính không đồng nhất của điện môi

Loại tổn hao này có rất nhiều trong thực tiễn, gây bởi các tạp chất ngẫu nhiên hoặc các thành phần riêng biệt được chủ định đưa vào điện môi để làm biến đổi theo yêu cầu định trước các thuộc tính của nó Do đặc điểm cấu tạo nên không có công thức chung để tính tổn thất

VD: Giấy tẩm, chất dẻo có lớp độn, chất cách điện xốp có chứa không khí và tạp chất ẩm

Đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng 2 lớp nối tiếp nhau Sơ đồ thay thế có thể gồm 2 tụ điện mắc nối tiếp nhau Trị số tg của điện môi nhiều

lớp khi đó có thể tính:

2 1

2 1 1 2

CC

tgCtg

Ctg

3.3 SƠ ĐỒ THAY THẾ VÀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

3.3.1 Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ

Bất kỳ một khối điện môi nào đều có thể thay thế bằng một tụ điện mắc nối tiếp hoặc song song với một điện trở (hình 3.2), sao cho khi thay thế phải không làm thay đổi bản chất vật lý của các quá trình diễn ra trong điện môi Nghĩa là công suất tổn thất phải bằng công

suất thực và góc tổn thất  không đổi

Hình 3.2 Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ

3.3.2 Cách xác định tổn thất điện môi

*) Sơ đồ nối tiếp

1 ) (

.

1

cos

2 2

C R

tt

C R

tg C U tg C I tg U I U I I

1

s s C

R

C R I

1

2 2

C

n n

s và (1 12 )

 tg R

R s  n  (3.10)

I

Trang 16

Công thức (3.10) cho ta mối quan hệ thông số mạch song song và nối tiếp

3.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tổn thất điện môi, trong đó có bốn yếu tố quan trọng nhất, đó là: Nhiệt độ, tần số điện trường, độ ẩm không khí, và giá trị điện áp

1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tổn thất điện môi

Nhiệt độ được xem là yếu tố quan trọng nhất, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho các tính chất của điện môi thay đổi

Đối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện

rò gây nên, hệ số tổn thất có thể tính theo công thức sau:

t t

e A e

0

0 0

.

4

  (F/m) hằng số điện môi tuyệt đối của

chân không,  Hằng số điện môi đo ở tần số cao vô cùng, 

tần số góc,  và 0 - điện dẫn suất tại nhiệt độ t và tại t0

=250C, P=1 at,  - hệ số mũ

Từ (3.11) ta nhận thấy, khi  là hằng số, tg =f(t0) có dạng đường số (1) hình 3.3

Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng phân cực gây nên, tg có thể tính theo công thức (3.12)

2 2

.

).

Với bđ – Hằng số điện môi đo ở tần số thấp (một chiều),

 - Thời gian tích thoát năng lượng, nó tăng tuyến tính với

thời gian và ngược lại Do vậy tg =f(t0), khi  là hằng số có

dạng đường số (2) hình 3.3

Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn cao, tổn thất điện môi do cả dòng rò

và dòng phân cực gây nên tg=f(t0) khi  là hằng số có dạng đường số (3)=(1)+(2), hình 3.3

2 Ảnh hưởng của tần số điện trường tới tổn thất điện môi

Đối với điện môi trung tính hoặc cực yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện rò gây nên, tg có thể xác định theo (3.11), khi t0 là hằng số thì  cũng là hằng số, do vậy tg

=f() có dạng đường số (1) hình 3.4

Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ tổn thất điện môi chủ yếu do dòng phân cực gây nên, ở miền tần số thấp các phân tử lưỡng cực được định hướng hoàn toàn, nhưng ở miền tần số cao các phân tử lưỡng cực không kịp định hướng theo hướng điện trường do vậy tổn thất điện môi giảm từ (3.12) ta thấy khi t0 là hằng số, tg =f() có dạng đường số (2) hình 3.4

Hình 3.4: tg  =f(  ) Hình 3.3: tg  = f(t 0 )

Trang 17

Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn lớn, ở vùng tần số thấp tổn thất điện môi chủ yếu do dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu do

dòng phân cực, khi tần số quá cao các phân tử không kịp định

hướng nên tg giảm tg=f() khi t0 là hằng số có dạng đường số

(3)=(1)+(2), hình 3.4

3 Ảnh hưởng của độ ẩm không khí

Khi điện môi đặt trong môi trường có độ ẩm %, sau một

thời gian điện môi sẽ bị ngấm ẩm, hoặc hấp phụ một lớp hơi nước

trên bề mặt, điều đó làm tăng điện dẫn khối và điện dẫn mặt của vật liệu và làm tổn thất điện môi tăng khi % tăng Mối quan hệ tg=(%) có dạng hình 3.5

4 Ảnh hưởng của điện áp tới tổn thất điện môi

Ở vùng điện áp thấp tổn thất điện môi gần như ít phụ thuộc

vào điện áp, nhưng khi điện áp tăng cao quá trình ion hóa trong

các chất khí nói chung và trong các điện môi lỏng và rắn có chứa

các bọt khí, sẽ phát triển mạnh làm tổn thất điện môi tăng nhanh

Khi điện áp quá cao thì điện dẫn của chất khí tăng cao làm cho

sụt áp trên nó giảm đi, do vậy tổn thất điện môi lại giảm Mối

quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6

3.5 TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG CHẤT KHÍ

Các chất khí ở điều kiện bình thường và trong điện trường thấp có tổn hao rất bé, vì vậy có thể xem chất khí là điện môi l y tưởng Nguyên nhân gây nên tổn thất điện môi khí chủ yếu là do dòng điện dò, còn sự định hướng của các phân tử lưỡng cực ít kèm theo năng lượng Do vậy tg có thể xác định theo công thức (3.4)

Ở điện áp cao và điện trường không đồng nhất,khi cường độ điện trường vượt quá trị

số tới hạn các phân tử khí sẽ bị ion hóa và có thể tính theo công thức (3.6), Mối quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6

Ở tần số cao hiện tượng ion hoá và tổn thất năng lượng trong chất khí tăng đến mức làm cho các vật có khí cách điện bị cháy và phá huỷ nếu điện áp vượt trị số ion hoá

3.5 TỔN THẤT TRONG ĐIỆN MÔI LỎNG

Trong các chất lỏng trung tính: tổn thất điện môi chỉ do dòng điện rò gây nên nếu như chất lỏng không chứa tạp chất có các phân tử lưỡng cực Điện dẫn suất của điện môi lỏng trung tính tinh khiết vô cùng bé nên tổn thất điện môi cũng bé, tg có thể tính theo công thức (3.4)

Các điện môi có cực tính tuỳ theo điều kiện (nhiệt độ, tần số) ngoài tổn thất do điện dẫn còn có tổn thất do sự phân cực lưỡng cực chậm gây nên Các điện môi dùng trong kỹ thuật là hỗn hợp của 2 loại trên

Ở điện môi lỏng lưỡng cực tổn thất điện môi phụ thuộc vào độ nhớt Tổn hao trong các chất lỏng nhớt khi điện áp xoay chiều đặc biệt là khi tần số cao lớn hơn tổn thất do điện dẫn gây nên rất nhiều Đó là tổn thất phân cực lưỡng cực chậm

Tổn thất phân cực lưỡng cực chậm trong chất lỏng có độ nhớt bé và tần số thấp không đáng kể và có thể nhỏ hơn tổn thất do điện dẫn rò ở tần số cao tổn thất phân cực lưỡng cực

Hình 3.5: tg  =f(  %)

Hình 3.6: tg  =f(U)

Trang 18

chậm sẽ rất lớn so với tổn thất do điện dẫn ngay cả khi độ nhớt bé Vì vậy chất lỏng lưỡng cực không sử dụng trong trường hợp có tần số cao

3.6 TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN MÔI RẮN 3.6.1 Tổn thất điện môi trong điện môi có cấu tạo phân tử

Phụ thuộc vào loại phân tử:Trong các chất trung tính khi không có tạp chất thì tổn thất điện môi nhỏ không đáng kể, chúng được dùng làm điện môi cao tần

VD: Parafin, lưu huỳnh, các chất cao phân tử không phân cực: polietylen, chất dẻo chứa flo

Khi điện môi cấu tạo từ những phân tử cực tính: do sự phân cực lưỡng cực chậm nên

có tổn thất lớn đặc biệt ở tần số vô tuyến Tổn thất điện môi trong các điện môi này có liên quan tới nhiệt độ

VD: Các vật liệu dựa trên cơ sở xenlulo như giấy, các tông, các chất cao phân tử cực tính, các vật liệu cao su: êbônit

Ở 1 vài trị số nhiệt độ tổn thất có giá trị cực đại và cực tiểu, sau điểm cực tiểu tổn thất tăng lên do sự tăng của tổn thất điện dẫn

3.6.2 Tổn thất điện môi của chất rắn có cấu tạo ion

Liên quan đến đặc điểm sắp xếp các ion trong mạng

Các chất cấu tạo tinh thể có các ion ràng buộc chặt chẽ: khi không có tạp chất thì tổn thất điện môi rất nhỏ Ở nhiệt độ cao sẽ xuất hiện tổn thất do điện dẫn Chỉ cần 1 lượng tạp chất rất nhỏ gây biến dạng mạng lưới tinh thể cũng làm tăng tổn thất điện môi lên rất nhiều Loại này gồm nhiều hợp chất tinh thể có ý nghĩa to lớn trong sản xuất gốm kỹ thuật hiện nay (bột đá mài nằm trong thành phần của sứ cao tần), hoặc là muối mỏ

Các chất cấu tạo tinh thể có các ion không ràng buộc chặt chẽ bao gồm 1 loại chất kết tinh Chúng được đặc trưng bởi các loại phân cực chậm làm tăng tổn thất điện môi

Mulit trong sứ cách điện, khoáng siricon trong gốm chịu lửa

Tổn thất điện môi trong các chất không kết tinh có cấu tạo ion (thuỷ tinh vô cơ) liên quan với hiện tượng phân cực và sự tồn tại của điện dẫn

Yếu tố chủ yếu xác định tổn thất trong thuỷ tinh vô cơ phụ thuộc vào cách kết hợp của các ôxit chứa trong nó, vì cách kết hợp ảnh hưởng đến cấu tạo của thuỷ tinh

3.6.3 Tổn thất trong điện môi xenhit

Tổn thất điện môi có giá trị lớn,do đặc điểm của điện môi này là có hiện tượng phân cực tự phát phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ và có điểm cực đại ở nhiệt độ nhất định (điểm Quyri) Sau điểm Quyri phân cực tự phát mất đi, thuộc tính Xenhit cũng mất

Tổn thất trong điện môi xenhit ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự phát và giảm đột ngột sau điểm Quyri

3.6.4 Tổn thất điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất

Chất rắn dùng làm điện môi này gồm vật liệu mà trong thành phần của nó chứa không

ít hơn 2 chất gốc bị xáo trộn cơ học với nhau (các chất gốm)

Một vật liệu gốm bất kỳ đều là hệ phức tạp nhiều pha Trong thành phần của gốm ta phân biệt pha tinh thể, pha thuỷ tinh, pha thể khí (khí trong các lỗ hổng kín)

Trang 19

Tổn thất điện môi trong gốm phụ thuộc vào tỷ lượng của pha tinh thể và pha thuỷ tinh Pha thể khí trong gốm làm tăng tổn thất điện môi khi điện trường có cường độ cao hơn do

sự ion hoá tăng lên

Tổn thất trong gốm tăng nếu nó chứa các tạp chất lẫn tính bán dẫn với tính dẫn điện bằng điện tử Tổn thất cũng tăng do hút ẩm khi có các lỗ xốp hở

Ngoài ra còn có giấy tẩm, mica Hiện nay người ta dùng nhiều điện môi không đồng nhất gồm chất dẻo với các chất độn khác nhau, chất dẻo nhiều lớp, vật liệu cao su có chất

độn khác nhau

CHƯƠNG 4

SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

4.1 KHÁI NIỆM VỀ SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện đánh thủng, khi đó điện môi mất hoàn toàn các thuộc tính cách điện Hiện tượng đó chính là sự phóng điện trong điện môi, hay còn gọi là hiện tượng đánh thủng điện môi

Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi được gọi là điện áp đánh thủng (Uđt), trị số cường độ điện trường tương ứng gọi là cường độ điện trường đánh thủng (Eđt)

hoặc độ bền điện của điện môi

h

U

đt  (KV/mm) (4.1)

h là chiều dày điện môi (mm)

Vậy, độ bền điện chính là điện áp đánh thủng điện môi trên một milimét chiều dày của điện môi

Khi tính toán để chọn chiều dày cách điện của một thiết bị làm việc ở điện áp định mức nào đó (Uđm), ta cần nhân thêm với hệ số an toàn

đt

đm

E

U.K

Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới cường độ điện trường cách điện của điện môi: Dạng điện trường, dạng điện áp, thời gian tác động của điện áp, điều kiện môi trường…

Đối với điện môi khí sự đánh thủng xảy ra do hiện tượng ion hoá do va chạm và ion hoá quang Trong điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng khí xảy ra đột ngột, trong điện trường không đồng nhất trước khi chất khí bị đánh thủng có hiện tượng vầng quang điện

Đối với điện môi lỏng hiện tượng đánh thủng xảy ra do kết quả của quá trình nhiệt và ion hoá Một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng đánh thủng chất lỏng là do

Trang 20

+)Hiện tượng đánh thủng về nhiệt là hậu quả của sự giảm bớt điện trở tác dụng của điện môi khi nó bị đốt nóng trong điện trường Điều đó làm tăng thành phần tác dụng của dòng điện và làm cho điện môi càng bị đốt nóng cho đến khi bị phân huỷ vì nhiệt

+)Dưới tác dụng lâu dài của điện áp hiện tượng đánh thủng còn gây bởi các quá trình điện hoá xảy ra trong điện môi dưới tác dụng của điện trường

4.2 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ 4.2.1.Yêu cầu chung của các chất khí cách điện

+ Phải là khí trơ, nghĩa là không phản ứng hoá học với các chất cách điện khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với kim loại của thiết bị điện

+ Có cường độ cách điện cao để giảm kích thước của kết cấu cách điện và thiết bị + Nhiệt độ hoá lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái có áp suất cao

+ Tản nhiệt tốt

+ Phải rẻ tiền và dễ kiếm

4.2.1 Điều kiện xác định khả năng ion hoá và các dạng ion hóa chất khí

Ở điều kiện bình thường, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn dưới tác động của năng lượng nhiệt, khi đặt trong điện trường chúng nhận thêm một năng lượng bổ xung:



U

q

W bx  (4.3)

với q- Điện tích, U- Điện áp giáng trên đoạn đường chuyển động tự do của hạt

Nếu trong điện trường đồng nhất: U = E  (4.4)

Với: E- Cường độ điện trường, - Khoảng cách trung bình mà hạt mang điện đã di chuyển qua không gặp va chạm.=> Wbx = q E. (4.5)

Năng lượng này truyền cho các phân tử khí mà nó va chạm phải Nếu năng lượng đủ lớn thì phân tử bị ion hoá Nếu năng lượng còn nhỏ, các phân tử khí chỉ bị kích thích và khi trở về trạng thái ban đầu năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng các photon

Vậy: Điều kiện để xác định khả năng ion hoá chất khí: W  Wi (4.6)

W- Bao gồm cả năng lượng của chuyển động nhiệt, Wi- Năng lượng ion hoá, vác chất khí khác nhau thì Wi cũng khác nhau và thường bằng (4÷25) ev

* Các dạng ion hoá trong chất khí

Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng cung cấp cho chất khí trong quá trình ion hoá, có thể

có các dạng ion hoá sau:

a Ion hoá va chạm:

Khi các phần tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ chuyển cho

nhau và có thể xảy ra ion hoá nếu: i

2

W2

mv

 (4.7)

m - khối lượng hạt, v - Tốc độ chuyển động của hạt

b Ion hoá quang:

Năng lượng cần thiết để ion hoá có thể lấy từ bức xạ sóng ngắn với điều kiện:

h.f  Wi hoặc

i

W

h.c



 (4.8)

Trang 21

Với:  - Độ dài sóng của sóng ngắn

c Ion hoá nhiệt:

Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các khả năng sau:

- Ion hoá va chạm do các phân tử, điện tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn

- Ion hoá quang do các bức xạ nhiệt gây nên

- Cả hai quá trình trên

Trên thực tế, ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có khả năng xảy ra ion hóa, chỉ có ít hay nhiều Theo Nhiệt động học, nhiệt độ cần thiết để có quá trình ion hoá được xác định theo

Muốn giải phóng điện tử ra khỏi bề mặt điện cực cũng cần 1 năng lượng nhất định gọi

là "công thoát" Trị số công thoát này phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện cực và trạng thái

bề mặt của điện cực

4.2.3 Quá trình hình thành, phát triển thác điện tử và quá trình phóng điện trong điện môi khí:

Quá trình ion hoá chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu vực giữa

2 điện cực Nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh, khi mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tạo thành dòng Plazma nối liền giữa 2 điện cực

Chúng ta xét quá trình ion hoá chất khí giữa hai điện

cực với nguồn điện áp một chiều như hình 4.1 Giả thiết

rằng ban đầu vì lý do nào đó có tồn tại một điện tử tự do ở

phía cực âm Dưới tác dụng của điện trường E

, điện tử bay

về phía cực dương Trong quá trình chuyển động điện tử sẽ

va chạm với các phân tử khí và gây nên ion hoá với hệ số

ion hoá là  Sau mỗi lần ion hoá xuất hiện thêm điện tử tự

do và ion dương Các điện tử tự do mới được sinh ra cũng

được gia tốc, tích luỹ năng lượng và gây nên ion hoá, đồng

thời các ion dương mới được sinh ra cũng được sinh ra sẽ chuyển động theo chiều ngược lại bay về phía cực âm cũng có thể gây ion hoá chất khí với hệ số  (thường <<)… Do đó

số lượng điện tích (ion dương và điện tử tự do) trong khoảng không gian giữa hai điện cực tăng lên nhiều lần, chúng tập hợp thành thác điện tích; thường gọi là thác điện tử

Trên hình 4.1a cho ta mô hình thác điện tử khi thác phát triển tới độ dài x Do điện tử

bé và nhẹ nên tốc độ lớn và dễ khuếch tán dồn về phía đầu thác và rải trên khoảng không

Hình 4.1: Thác điện tử và sự phân

bố điện tích và điện trường

Trang 22

gian rộng Còn các ion dương do có khối lượng và kích thước lớn, nên di chuyển chậm với tốc độ chậm hơn (bằng khoảng 1/100 tốc độ của điện tử), chúng phân bố ở khu vực thân và đuôi thác Hình 4.1b cho sự phân bố điện tử tự do (ne) và ion dương (ni) Sự tồn tại các điện tích của thác điện tử sẽ tạo nên điện trường phụ do các điện tử tự do (Ee) và ion dương (Ei) gây nên (hình 4.1c) Chúng làm biến dạng điện trường tổng, đường biểu diễn trên hình 4.1d Xét về sự biến dạng của trường (hình 4.1d) ta thấy phía đầu thác trường được tăng cường nhiều, nhưng ngay sau đầu thác trường lại giảm đột ngột, cả hai nơi này đều có khả năng bức xạ phô tôn Ở đầu thác trường được tăng cường cao hơn điện trường E bên ngoài,

do vậy dẽ dàng gây nên ion hoá phần khí tiếp theo tạo nên các thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện Mặt khác, do trường tăng cao làm cho các phân tử khí ở gần sẽ bị kích thích, khi chúng trở lại trạng thái ban đầu sẽ trả lại năng lượng dưới dạng các phô tôn Còn ở phía sau đầu thác do trường giảm đột ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lại năng lượng đươi dạng phô tôn Các phô tôn này chuyển động với tốc độ tương đương tốc

độ ánh sáng, nên trong khi thác ban đầu đang phát triển (giả thiết một đoạn là x) thì các phô tôn dã vượt trước thác, gây ion hóa và hình thành các thác thứ cấp phía trước thác ban đầu hoặc cũng có khả năng giải thoát các điện tử từ bề mặt điện cực góp phần tăng thêm số lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử ban đầu kểt trên

Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tích càng được phát triển đồng thời được kéo dài ra và khi tiếp cận với các điện cực các điện tích của thác điện tử sẽ trung hoà trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử

Quá trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tạo nên dòng điện lưu thông liên tục giữa hai điẹn cực Như vậy để có phóng điện cần thiết phải có xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác mới, trước khi thác thứ nhất kết thúc và hình thành các thác thứ cấp ngay phía trước thác ban đầu

Trong giai đoạn tiếp theo, các thác này đuổi kịp nhau và hình thành “dòng” hướng từ cực âm đến cực dương Đồng thời hình thành dòng các điện tích dương hướng ngược lại (gọi là dòng dương) Thực tế cho ta thấy khi thác điện tích có mật độ điện tích lớn (khoảng

1012 ion/cm3) và gần tiếp cận tới điện cực dương, toàn bộ điện áp giữa hai điện cực dồn đặt lên một khe khí hẹp ở tại đó cường độ điện trường rất lớn làm bứt các ion dương từ cực dương chuyển động theo chiều ngược lại của thác điện tử Khi chúng hoà nhập làm một sẽ gây nên phóng điện chọc thủng điện môi khí tạo thành dòng plazma, kết thúc bằng quá trình phóng điện

Thường phóng điện trong chất khí xảy ra rất nhanh gần như tức thời, nếu khe hở khí là

1 cm thì thời gian phát triển phóng điện chọc thủng khoảng 10-8÷10-7giây

4.2.4 Các dạng phóng điện của điện môi khí

Tuỳ thuộc vào công suất nguồn, áp suất khí và dạng của điện trường, quá trình hình thành dòng Plasma có khác nhau và đưa đến các dạng phóng điện khác nhau:

*)Phóng điện toả sáng

Xảy ra khi áp suất thấp, Plasma không thể có điện dẫn lớn vì số lượng phân tử khí quá

ít Phóng điện toả sáng thường chiếm toàn bộ khoảng không gian giữa các điện cực và được ứng dụng trong các ống phát sáng, đèn nêon

Trang 23

*)Phóng điện tia lửa

Xảy ra khi áp suất lớn, Plasma không chiếm hết toàn bộ khoảng không gian mà chỉ là tập trung vào một khe khí hẹp nối giữa các điện cực Mật độ ion trong dòng Plasma rất lớn nên có thể dẫn được dòng điện lớn nhưng không lớn quá vì bị giới hạn bởi công suất nguồn, VD: sét

*)Phóng điện hồ quang

Tương tự như phóng điện tia lửa nhưng ở đây công suất nguồn lớn và tác dụng trong thời gian dài Dòng điện hồ quang rất lớn, đốt nóng dòng Plasma làm cho điện dẫn của nó tăng thêm và do đó dòng điện hồ quang càng tăng Dòng điện sẽ tăng tới mức ổn định khi có

sự cân bằng giữa phát nóng và toả nhiệt của khe hồ quang VD: hàn hồ quang, lò hồ quang…

*) Phóng điện vầng quang

Chỉ tồn tại trong trường đồng nhất và xuất hiện trong khu vực xung quanh điện cực Dạng phóng điện này không hoàn toàn vì dòng Plasma không nối liền 2 điện cực và do đó không thể có dòng điện lớn Phóng điện vầng quang chưa làm mất hẳn tính chất cách điện của khe hở nhưng cũng không nên để phát sinh vầng quang vì nó gây nhiều tác hại khác: gây tổn thất năng lượng lớn trên đường dây truyền tải

4.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền điện của điện môi khí

a Khái quát

Độ bền điện của điện môi khí trước hết phụ thuộc vào dạng điện trường, trong điện

trường đồng nhất độ bền điện cao hơn nhiều đối với trường không đồng nhất

Điện áp đặt vào khoảng khí càng lớn sự đánh thủng càng phát triển nhanh

Nếu khoảng thời gian tác động của điện áp càng nhỏ thì điện áp đánh thủng sẽ phải tăng lên

- Độ ẩm không khí: Khi độ ẩm không khí % 70%, thường ít ảnh hưởng, nhưng khi

độ ẩm tăng cao sẽ làm giảm đáng kể độ bền điện của điện môi khí

b Đánh thủng chất khí trong trường đồng nhất

Trị số trường tại mọi điểm đều bằng nhau (E = const) nên quá trình hình thành và phát triển của phóng điện không phụ thuộc vào cực tính

Sự đánh thủng xảy ra tức thời khi điện áp đạt đến 1 trị số nhất định tuỳ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí Nếu nguồn áp đủ lớn giữa các bản cực xuất hiện tia lửa rồi biến thành hồ quang

Khi nhiệt độ và khoảng cách điện cực không đổi thì độ bền điện phụ thuộc vào áp suất chất khí (hay mật độ phân tử), hình 4.2 Trong trường có nhiệt độ và áp suất không đổi thì cường độ

điện trường đánh thủng chất khí phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực hình 4.3

c Trong điện trường không đồng nhất

Sự đánh thủng khí là hiện tượng xuất hiện phóng điện 1 phần dưới dạng phóng điện vầng quang tại những chỗ mà ở đó cường độ điện trường đạt đến trị số tới hạn Hiện tượng vầng quang sẽ chuyển sang phóng điện tia lửa và hồ quang khi điện áp tăng lên

Hình 4.2 và 4.3

Định dạng
Số trang	47
Dung lượng	1 MB