CHƯƠNG 9 vật LIỆU CÁCH điện THỂ KHÍ

Giới thiệu cách điện thể khíĐể một điện môi khí có thể dùng làm vật liệu cách điện thì chỉ độ bền điện tốt cũng ch a đủ, mà còn cần phải kể đến các tính chất hoá lý khác cũng nh giá thàn

9.2 Giới thiệu cách điện thể khí

Để một điện môi khí có thể dùng làm vật liệu cách điện thì chỉ độ bền điện tốt cũng ch a đủ, mà còn cần phải

kể đến các tính chất hoá lý khác cũng nh giá thành và ảnh h ởng sinh thái của chúng

Điện môi khí đầu tiên đ ợc sử dụng nh là vật liệu cách điện là không khí mà trong thành phần cơ bản là N2 và O2

Do mật độ phân tử trong các chất khí rất thấp nên chúng có hằng số điện môi bé nhất trong số các điện môi với

điện trở suất t ơng đối cao, tổn hao điện môi rất nhỏ và đặc biệt các chất khí có đặc tính không bị già cỗi hoá

Một trong những tính chất đặc biệt của các vật liệu cách điện thể khí là khả năng phục hồi các tính chất cách điện sau khi xaỷ ra phóng điện Tính chất này đ ợc sử dụng để chế tạo các loại máy cắt không khí hoặc máy cắt dùng SF6

Ví dụ độ bền điện của không khí ở điều kiện bình th ờng chỉ đạt 3 MV/m, của SF6 là 7,5 MV/m tức là thấp hơn một bậc so với các chất rắn Khi mà yêu cầu về độ bền điện là chỉ tiêu cao nhất để lựa chọn cách điện khí, thì chỉ tiêu này có thể đạt đ ợc bằng cách sử dụng khí nén ví dụ nh không khí d ới áp suất 2-3 MPa, hay SF6 d ới 0.4 MPa Tuy vậy các vật liệu cách điện thể khí có độ bền điện t ơng đối thấp so với các vật liệu cách điện thể lỏng hoặc rắn

Nh ợc điểm lớn nhất của không khí là độ bền điện không cao và do vậy đòi hỏi các chất khí có các đặc tính tốt hơn tăng không ngừng

Trong số các vật liệu cách điện thể khí đ ợc dùng đầu tiên là không khí

Không khí đ ợc sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện trong các thiết bị điện, trong một số tr ờng hợp nó là loại cách điện chủ yếu (ví dụ cách điện của các đ ờng dây tải điện trên không)

Trong các kết cấu cách điện thể rắn hoặc thể lỏng (cách điện máy biến áp, tụ điện, cáp điện), nếu quá trình sấy tẩm không đ ợc kỹ sẽ còn những bọt khí

Điều đó có tác dụng không tốt vì có thể dẫn đến phóng điện cục bộ trong các bọt khí ngay ở điện áp làm việc

Chính vì vậy trong rất nhiều tr ờng hợp, để hạn chế sự tồn tại của các bọt khí nh vậy, ng ời ta tiến hành sấy tẩm trong chân không

Có nhiều chất khí có thể đ ợc sử dụng làm vật liệu cách điện

Vật liệu cách

điện thể khí Vật liệu cách điện thể lỏng Vật liệu cách điện thể răn

các chất khí đơn giản nh không khí, hydro H2, heli He, oxy O2các oxit nh CO2, SO2

các hydrocarbon nh methane, ethane, propane, butane, hexanecác khí âm điện

Sulfure hexafluoride SF6 (elegaz)Dichlorodifluoromethane CCl2F2 (Freon 12, Genetron 12)Chlorotrifluoromethane CClF3 (Freon 13)

Carbon tetrafluoride CF4 (Freon 14)

9.2.2 Các tính chất cơ bản

Khí Thành phần hoá học Mật độ ở 0và 0,1MPa oC

kg/m 3

Hệ số dẫn nhiệt, W/m o C

Phân tử gam Nhiệt độ sôi,

Hằng số điện môi của hầu hết các chất khí đ ợc chấp nhận bằng 1 dù giá trị thực của chúng lớn hơn một chút

εr

e o

n

= + 1

Hằng số điện môi

Hằng số điện môi của các chất khí đ ợc xác định bởi ph ơng trình Clausius-Mosot

Ví dụ εr của SF6 bằng 1,002, của nitơ và tetrafluororide carbon bằng 1,0006

Hầu hết các chất khí sử dụng trong kỹ thuật điện là trung tính

Khí phần hoá Thành

học

Bán kính phân tử,

10 -10 m

Hằng số điện môi t ơng đối

ở tần số thấp

Hằng số điện môi t ơng đối

ở sóng 30mm

Hệ số khúc xạ ánh sáng, n

sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ và áp suất khí liên quan đến mật độ phân tử hay nguyên

T nhiệt độ tuyệt đối của khí

ph : áp suất của hơi n ớc bão hoà :

-Điện dẫn và tổn hao điện môi

Điện dẫn của điện môi khí rất nhỏ trong điện tr ờng yếuJ

Điện trở suất của không khí bằng 2,4.10- 13 1/Ωm

Mật độ dòng điện bão hoà J bh = 10 -14 A/m 2 với khoảng cách d = 1cm

Trong không khí ở điều kiện bình th ờng

Điện dẫn của điện môi khí trong điện tr ờng mạnh tăng rất nhanh do có hiện t ngion hoá va chạm Trong các loại khí nén d ới áp suất cao, mật độ dòng điện trong giai đoạn tiền phóng điện có thể đạt 10-7 A/m2

Trong các loại khí nén d ới áp suất cao, mật độ dòng điện trong giai đoạn tiền phóng điện có thể đạt 10 -7 A/m 2

Nếu lấy điện trở suất ρ=1013Ωm, f=50 Hz và εr=1 ta có tgδ của không khí 3.6.10-5.

Trong tr ờng có c ờng độ nhỏ hơn điện tr ờng ion hoá va chạm, tổn hao điện môi của các chất khí có tgδ xác

định theo biểu thức sau Tổn hao điện môi trong các chất khí rất nhỏ và chỉ xác định bởi điện dẫn

Do vầng quang xuất hiện xung quanh dây dẫn và dòng điện dẫn, dạng tổn thất năng l ợng này có thể so sánh với tổn thất trên điện trở của dây dẫn khi làm việc bình th ờng

Tổn hao điện môi trong các chất khí rất quan trọng đối với các đ ờng dây tải điện cao áp và siêu cao áp

Độ bền điện

Các chất khí có phân tử gam càng lớn, độ bền điện càng cao Tuy nhiên khi phân tử gam tăng thì nhiệt độ sôi của chất khí cũng tăng Điều này dẫn đến các chất khí chuyển sang trạng thái lỏng ở ngay nhiệt độ bình th ờng

Quá trình phóng điện trong các chất khí đã đ ợc trình bày kỹ trong ch ơng 7

Các chất khí âm điện có độ bền điện cao hơn cả

Độ bền điện cao của các chất khí phụ thuộc vào nguồn gốc, cấu tạo phân tử và nhiều yếu tố khác

độ đồng nhất của điện tr ờng (kích th ớc hình học, khoảng cách giữa các điện cực ),

bản chất và trạng thái bề mặt các điện cực sử dụng để thí nghiệm

quy trình thử nghiệm, thời gian tác dụng của điện áp

điều kiện môi tr ờng (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm),

độ nhiễm bẩn của vật liệu (khuyết tật, tạp chất

điện áp xoay chiều, một chiều và điện áp xung

Trong cùng điều kiện nh nhau, các chất khí có năng l ợng ion hoá lớn hơn có độ bền điện cao hơn

Nếu nhiệt độ không đổi, điện áp phóng điện của các các chất khí phụ thuộc vào tích pd (áp suất với khoảng cách giữa hai đnện cực d) - Đinh luật Pashen

Chất khí H2 N2 O2 Cl2 CO2 H2O Xe Kr Ar Ne He

Wi, eV 15,4 15,6 12,1 11,5 13,8 12,6 12,1 14 15,8 21,6 24,6

Trong điện tr ờng đồng nhất, điện áp phóng điện của các các chất khí có điểm cực tiểu Trị số điện áp phóng

điện bé nhất phụ thuộc vào vạt liệu điện cực (âm cực)

Chất khí Cathode Pd, Pa.cm Uct, V

Quá trình phóng điện trong các chất khí trong điện tr ơng gần đồng dựa trên định luật Pashen đ ợc mô tả d ới dạng

định luật đồng dạng về phóng điện

Uct = f(pd, R/r)

Điện áp phóng điện của các chất khí trong khoảng tích pd = 100 Pa.cm có thể xác định bởi biểu thức sau

0

0 0

0

p

pd b

d p

p a

U

Quá trình cục bộ ion khi có phóng điện vầng quang chỉ xuất hiện trong khu vực điện tr ờng tăng (điện tr ờng không đồng nhất)

( )  



 +

r δ

c d

k

δ a

U

d vq

δ áp suất t ơng đối của khí

d là khoảng cách giữa các điện cực

R là bán kính của điện cực cong bé

C là hệ số phụ thuộc khí và điện cực : với không khí và điện cực hình trụ c = 0,0013 m 0,38

kd là hệ số không đống nhất

Tr ờng hợp hi điện cực hình trụ đồng trục

( ) ( )r R r

Quan hÖ ®iÖn ¸p phãng ®iÖn cña kh«ng khÝ phô thuéc kho¶ng c¸ch ®iÖn cùc (3-8)

Quan hệ cwờng độ điện tr ờng phóng điện của khí SF6 phụ thuộc áp suất khí (3-11)

2, 4 – phóng điện tần số công nghiệp,

diện tích điện cực 10 và 100 cm2

1, 3 - phóng điện xung kích, diện tích

điện cực 10 và 100 cm2

Quan hÖ ®iÖn ¸p phãng ®iÖn cña hçn hîp khÝ SF6 vµ nit¬ so víi nit¬ theo tû lÖ pha trén (3-12)

Các chất khí có độ bền điện cao

Các chất khí có độ bền điện cao là các khí âm điện

Điện áp phóng điện càng cao nếu phân tử gam càng lớn

Nh ng các chất khí có độ bền điện cao, phân tử gam lớn lại không đủ bền vững hoá học và độc hại các sản phẩm xuất hiện khi có phóng điện nh là clo và flo

Quá trình cục bộ ion khi có phóng điện vầng quang chỉ xuất hiện trong khu vực điện tr ờng tăng (điện tr ờng không đồng nhất)

( )  



 +

r δ

c d

k

δ a

U

d vq

δ áp suất t ơng đối của khí

d là khoảng cách giữa các điện cực

R là bán kính của điện cực cong bé

C là hệ số phụ thuộc khí và điện cực : với không khí và điện cực hình trụ c = 0,0013 m 0,38

Trong các cách điện khí, SF6 đ ợc sử dụng nh là điện môi khí có độ bền điện cao Khí SF6 nặng hơn không khí

5 lần, có độ bền điện cao hơn không khí 2,5 lần SF6 thuần khiết là một khí trơ về mặt hoá học và sinh thái

Trong thực tế, sự có mặt của các tạp chất nh hơi n ớc lại làm xuất hiện các sản phẩm ăn mòn mạnh nh HF, SF2,

SO2Tuy nhiên quá trình này chỉ xảy ra trong môi tr ờng SF6 tinh khiết

Nh ng d ới tác dụng của hồ quang điện, SF6 bị phân hoá thành các hợp chất SF2, SF4 và ở nhiệt độ này tạo ra các nguyên tử l u huỳnh và flo Khi nhiệt độ hồ quang giảm, các nguyên tử l u huỳnh và flo hình thành lại phân tử SF6

Nó không cháy, không có màu và không có mùi, không bị phân huỷ ở nhiệt độ cao đến 800 °C

KhÝ C«ng thøc

§é bÒn ®iÖn cña mét sè chÊt khÝ vµ hçn hîp cña chóng víi SF6

Kh«ng trén PhÇn tr¨m víi SF 6, %

Để nâng cao độ bền điện của điện môi khí chúng làm việc d ới áp suất cao (Mũi nhọn – mặt phẳng khoảng cách

điện cực 1 cm)

Chất khí nhiệt độ tới hạn,

°C

áp suất tới hạn,

atHeli

Nitơ

Không khí

ôxyCarbon tetrafluoride CF4 Hexafluoroethane CF3CF3 Chlorotrifluoromethane CClF3

Ô xit carbon CO2Sulfure hexafluoride SF6 Chloropentaflouroethane CF3CF2 ClChlorodifluoromethane CHClF2

Dichlorodifluoromethane CCl2F2

Ô xit l u huỳnh SO2

-268-147.1-140.7-118.4-45.719.728.931.145.68096112157.5

2.2633.532.250.13729.438.27337.230.849.140.677.9Vì vậy một yêu cầu quan trọng khác là chúng phải có khả năng chịu đ ợc áp suất cao mà không bi hoá lỏng

Phóng điện trong điện tr ờng không đồng nhất khoảng cách lớn (3-31, 3-32)

1 – phóng điện tần số công nghiệp mũi

nhọn – cực phẳng

2 - phóng điện bề mặt sứ cách điện khi có

điện áp xung kích xung 100/250 às

3 - phóng điện xung kích xung khe hở mũi

nhọn – mặt phẳng với xung 100/300às

Phóng điện xung kích trong điện tr ờng không đồng nhất khoảng cách lớn (3-31, 3-32)

1 – cực tính âm, mũi nhọn – cực phẳng

2, 3 – mũi nhọn – mũi nhọn

4 – cực tính d ơng mũi nhọn, - mặt phẳng

9.2.3 Các tính chất lý hoá

mức độ âm điện của một chất khí xác định bởi độ âm điện và khả năng chiến đoạt điện tử

Vấn đề t ơng thích chỉ đặt ra khi nó bị phân huỷ bởi phóng điện và tạo thành các sản phẩm hydrogene fluoride và flo

SF6 là một chất khí ổn định hơn cả d ới tác dụng của hồ quang điện Bình th ờng SF6 là khí trơ về mặt hoá học với các vật liệu khác

Ngoài ra khi xem xét một vật liệu thể khí còn cần phải quan tâm đến mặt giá thành và vấn đề sử dụng t ơng thích (compatibility) với các vật liệu khác trong các thiết bị điện

độc hại và phân huỷ các sản phẩm hoá học

truyền nhiệtcác tính chất điện môinhiệt độ tới hạn

ổn định hoá học và ổn định nhiệthình thành các tạp chất do qúa trình phóng điện

9.2.4 Lĩnh vực sử dụng

Việc lựa chọn một cách điện không chỉ căn cứ trên độ bền điện mà phải dựa vào tập hợp tất cả các tính chất của nó nh khả năng làm mát, khả năng dập hồ quang, ảnh h ởng đến môi tr ờng và giá thành

H2 Cách điện và làm mát các turbin công suất lớn

N2 Máy phát điện cao áp, tụ điện, phân áp

CO2 Một số loại mát phát điện cao áp

N2 + O2 Đ ờng dây tải điện trên không,máy điện, máy cắt

SF6 Máy cắt, máy biến áp, đ ờng dây tải điện, máy phát cao áp

C3F8 Máy biến thế nhóm H

C F O Máy biến áp

Có thể thấy một số ứng dụng của các chất khí lĩnh vực kỹ thuật điện trong bảng sau

Vì vậy từ lâu đã có xu h ớng thay thế không khí bằng những vật liệu khí có độ bền điện cao hơn bằng

cách đặt tất cả các phần tử trang thiết bị điện trong các ống kim loại sử dụng khí nén ở áp suất cao

Không khí là một vật liệu cách điện tự nhiên đ ợc sử dụng rộng rãi : làm cách điện của các đ ờng dây tải điện trên không, tụ điện chuẩn, máy cắt không khí

Tăng độ bền điện là vấn đề quan trọng Trong khi đó không khí lại có độ bền điện khá thấp, là cản trở phát triển kỹ thuật điện cao áp

Sản suất, biến đổi, truyền tải và phân phối điện năng đ ợc thực hiện bằng các thiết bị điện nằm trong môi tr ờng không khí

Cách điện thể khí là loại vật liệu có khả năng khôi phục tính chất cách điện sau khi hồ quang bị dập tắt Tính chất quan trọng này đ ợc sử dụng trong các loại máy cắt không khí và máy cắt dùng SF6

Tuy nhiên việc lựa chọn loại khí này hay khí khác không chỉ xác định bởi độ bền điện của nó mà phải xem xét tổng thể tập hợp các tính chất ví dụ nh khả năng dập hồ quang, làm mát, giá thành

Khí SF6

Bên cạnh việc sử dụng ngày càng rộng rãi loại máy cắt dùng SF6, loại khí này còn đ ợc dùng trong các trạm

phân phối kiểu kín ở áp suất cao rong đó các thiết bị nh máy cắt, dao cách ly, biến điện áp, biến dòng

điện, chống sét van đ ợc đặt trong các ống bằng kim loại và d ới áp suất 4 – 6 at

SF6 không chỉ có độ bền điện cao hơn không khí mà khả năng dập tắt hồ quang của loại khí này cũng tốt hơn

lĩnh vực sử dụng chủ yếu là trong các máy cắt cao áp

Máy cắt khí có thể dùng để đóng cắt các đ ờng dây phụ tải và cắt dòng ngắn mạch

Chúng đ ợc chế tạo tới điện áp rất cao (tới 500, 750 kV) và công suất cắt tới 40000-50000 MVA

Các loại cáp điện dùng cách điện khí so với các loại cáp cách điện tẩm dầu là tổn hao bé, điện dung nhỏ, tản nhiệt (làm mát) tốt hơn

C3F8 là loại khí có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn cả nh ng nhiệt độ sôi của loại khí này chỉ có -38 oC và

đắt hơn so với khí SF6

Trong những năm gần đây các loại cáp điện cao áp dùng cách điện khí SF6 đã đ ợc nghiên cứu Các đ ờng dây cáp cao áp chiều dài hàng trăm mét đã đ ợc đ a vào vận hành

Cách điện khí SF6 bên cạnh những tính chất cách điện rất tốt cũng có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn nitơ

Các loại cáp điện dùng cách điện khí cho phép truyền tải công suất lớn hơn

So với các khí khác SF6 có những tính chất điện tốt hơn nh ng nh ợc điểm là giá thành khá cao hơn : Nó chiếm tới 10% giá thành của thiết bị

Hằng số điện môi của các chất khí hầu nh không phụ thuộc vào tần số điện áp trên một dải rộng và không thay

đổi theo nhiệt độ khi mà mật độ khí giữ nguyên đ ợc sử dụng để chế tạo các tụ điện chuẩn trong đo l ờng hoặc các tụ điện cao tần

do tác dụng xấu đối với môi tr ờng (tham giá quá trình phá huỷ tầng ôzon), các sản phẩm các chất khí chlorofluorocarbone (CFCs), trong đó có SF6 nên chúng không đ ợc phép sử dụng từ năm 1995 và trong t ơng lai ngay cả khí SF6 cũng sẽ bị hạn chế sử dụng

Với mục đích hạ giá thành SF6 và giảm hiệu ứng phá huỷ tầng ozon, một h ớng nghiên cứu mới nhằm sử dụng các hỗn hợp khí Một hỗn hơp gồm 80%SF6 và 20%N2 có đô bền điện gần bằng SF6 Các hỗ hợp khí 40%-60%N2 và 20%-30%SF6 đ ợc nghiên cứu Ví dụ hỗn hợp gồm 40%SF6 + 50%N2+10%CCl2F2 có độ bền điện bằng 85% của SF6 với giá thành chỉ bằng 40%

Vì giá thành khí SF6 t ơng đối đáng kể so giá thành cáp nên ng ời ta nghiên cứu sử dụng cáp không phải với SF6 tinh khiết mà với hỗn hợp khí SF6 và nitơ với giá thành rẻ hơn nhiều so SF6 : chỉ cần thêm một l ợng nhỏ SF6 vào nitơ có thể tăng đáng kể độ bền điện của nitơ nh ng không làm tăng đáng kể khả năng tản nhiệt

Hằng số điện môi của các chất khí hầu nh không phụ thuộc vào tần số điện áp trên một dải rộng và không thay

đổi theo nhiệt độ khi mà mật độ khí giữ nguyên đ ợc sử dụng để chế tạo các tụ điện chuẩn trong đo l ờng hoặc các tụ điện cao tần

MBA dùng khí SF6 đ ợc sử dụng thay thế MBA không khí (MBA khô) khi có những yêu cầu đặc biệt ví dụ chống cháy nổ

Một trong các biện pháp tăng hiệu quả làm mát của MBA là sử dụng ph ơng pháp c ỡng bức khí SF6 tuần hoàn

Trong lĩnh vực chế tạo máy biến áp, quá trình tản nhiệt đóng vaui trò rất quan trọng ngay cả đối công suất khôg lớn Vì vậy các dùng khí SF6 trong các MBA không tăng đ ợc khả năng làm mát so với không khí và đặc biệt

so với dầu máy biến áp vì vậy loại MBA này không đ ợc sử dụng rộng rãi