VẬT LIỆU kỹ THUẬT điện CAO áp

Vật liệu Kỹ thuật điện & cao áp Mở đầu 1.1 Lịch sử phát triển khoa học vật liệu Khoảng 35 nghìn năm trớc đây, loài ngời thông minh (Homo Sapien) xuất trái đất 30 nghìn năm sau đó, tức vào khoảng 3000 năm trớc công lịch, loài ngời phát minh chữ viết số học 2500 năm sau tức vào khoảng 450 năm trớc công nguyên, xuất lý thuyết khoa học vật liệu Empédocle : thuyết kim, mộc, thuỷ, thổ, hoả) Sau lâu (khoảng năm 420 trớc Công nguyên), Leucippe sau Democrite phát triển thuyết cấu tạo nguyên tử lịch sử Thuyết Democrite tổng kết giả thuyết sau : Tất vật chất cấu tạo từ hạt vô nhỏ bé không thấy đợc gọi nguyên tử Tất nguyên tử cấu tạo từ chất Sự khác biệt mà quan sát thấy vật chất khác đợc giải thích hình dạng, trật tự vị trí nguyên tử Nhng phải đến kỷ XVIII, đặc biệt sang kỷ XIX, thực nghiệm hoá học cho thấy tính chất đầy đủ nguyên tử Các khái niệm khối lợng nguyên tử, hoá trị xuất kỷ XIX 11/9/2015 Page 1.2 Vật liệu kỹ thuật điện vị trí môn học Có thể phân lịch sử phát triển vật liệu cách điện thành ba thời kỳ : thời kỳ đầu bắt đầu với việc phát tính chất hổ phách kéo dài đến cuối kỷ XVI Thời kỳ mối quan tâm triết gia nhà lịch sử Cả thời trung cổ thời phục hng thêm đóng góp bổ xung vào t thời cổ đại thời kỳ thứ hai : Năm 1600, công trình nghiên cứu W Gilbert với phát minh điện Sự xuất máy phát điện vào khoảng năm 1705 tạo ta nhiều khả cho nghiên cứu thực nghiệm sản xuất điện ma sát điện áp cao Trong thời kỳ để cách ly vật dẫn điện cao ngời ta cần số vật liệu hạn chế Một số vật liệu cách điện đợc nhà thực nghiệm kỷ XVIII tìm nhng việc chế tạo máy điện ma sát, máy điện từ thời không cần thiết phảị nghiên cứu vật liệu cách điện 11/9/2015 Page Với thực nghiệm lĩnh vực điện báo chiếu sáng, vấn đề lựa chọn chế tạo vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện có yêu cầu cao đợc đặt cách khoa học công nghiệp Do coi việc sử dụng rộng rãi vật liệu cách điện khác có nguồn gốc tự nhiên thực vật từ mỏ khởi đầu thời kỳ thứ ba Đến tận Chiến tranh giới lần thứ nhất, vật liệu cách điện công nghiệp sản xuất chủ yếu từ sản phẩm tự nhiên, có nguồn gốc từ dầu vật liệu thực vật từ khoáng sản nh bông, sợi coton, lanh, dầu gai, cao su, gôm lắc, mica, amiante Một số vật liệu tổng hợp xuất nh : xenluloit (Hyatt, 1870), bakelit (Baekland, 1907) Hoá học than đá dầu khí phát triển, sản xuất công nghiệp vật liệu tổng hợp phát triển mạnh : Các sản phẩm công nghiệp hoá dầu chủ yếu ethylen, propylen butadien polyethylen áp suất cao (1938), nhựa epoxxy (1939) 11/9/2015 Page Ngày nay, vật liệu cách điện nh polyethylen, nhựa epoxy, polyeste thay dần vật liệu cách điện tự nhiên, lấn át, chí nhiều vật liệu cách điện tự nhiên kể mặt kỹ thuật mặt kinh tế 11/9/2015 Page 1.2.2 Vật liệu cách điện kỷ XVII XVII Các tợng điện từ thờng hay bi nhầm lẫn W Gilbert lần phân biệt chúng Lập danh sách vật chất khác có tính chất tơng tự nh hổ phách phải kể đến thuỷ, tinh, lu huỳnh, cao su, sáp ong, gom lắc (cánh kiến) Năm 1729, S Gray định nghĩa phân loại vật liệu cách điện dẫn điện J Th Désaguliers tác giả thuật ngữ "isolator" (cách ly) conductor (vật dẫn) C F de Cisternay du fay ngời hệ thống hoá quan sát Gray 11/9/2015 Page Sigaud de la Fond (1777) tổng hợp kết nghiên cứu ba nhà vật lý "Kể từ ngời tìm khả nhiễm điện vật cọ sát, lúc ngời ta phải nghĩ đến việc bảo tồn Phơng thức đợc gọi cách điện, có nghĩa bố trí xắp đặt vật nhiễm điện cho điện mà tạo không chuyền xuống đất, cho giữ nh nguồn chung lợng điện" đa số số vật liệu cách điện : " ( ) muốn truyền tải điện đến vật có khả tiếp nhận đờng truyền thông, thiết phải treo dây lụa tơ tằm đặt mẩu thuỷ tinh, cao su, sáp ong nhựa dính, nói chung vật có khả nhiễm điện tích" 11/9/2015 Page Năm 1705 : F Hauskbee sử dụng cầu thuỷ tinh để chế tạo máy điện thuỷ tinh dới dạng cầu, hình ống sau dạng đĩa vật liệu tốt để sinh điện tích ma sát Thuỷ tinh pha lê trở thành vật liệu đợc dùng rộng rãi thời để cách ly vật dẫn máy điện Những nhà thực nghiệm kỷ XVIII tính máy điện phụ thuộc vào chất vật liệu sử dụng nh sụ thực thi kỹ cách điện áp dụng phơng thức tiếp cận đại, Nottnet thành phần cao chất alcalin thuỷ tinh làm tăng tính hấp thụ độ ẩm bề mặt làm giảm lợng điện sản sinh 11/9/2015 Page Năm 1775, J C Wilcke thiết lập đợc bảng phân loại vật liệu cách điện theo quan điểm tính chất điện ma sát loại vật liệu cách điện đợc biết đến kỷ XVII XVIII nh lu huỳnh, sáp ong, gôm lắc, lụa, nhựa dính đợc sử dụng cho tận đến đầu kỷ XX; riêng thuỷ tinh, loại vật liệu đợc sử dụng kỹ thuật điện điện tử tận ngày 11/9/2015 Page 1.2.3 Vai trò vật liệu điện kỹ thuật điện Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, vật liệu điện có vai trò quan trọng Các vật liệu điện phân thành vật liệu dẫn điện (chủ yếu kim loại có điện dẫn cao, kể vật liệu siêu dẫn), vật liệu cách điện vật liệu từ vật liệu bán dẫn điện Chúng đợc sử dụng để dẫn điện (vật liệu dẫn điên), để cách ly phận có điện khác (vật liệu cách điện) để khép kín mạch từ (vật liệu từ), làm nên cấu trúc cuả tất thiết bị điện Chất lợng vật liệu không đảm bảo độ tin cậy, đảm bảo an toàn, tuổi thọ thiết bị mà ngày làm giảm kích thớc, khối lợng giá thành thiết bị 11/9/2015 Page 10 khái niệm điện dung phức C* điện dẫn phức Y C * * C C ' C " ' ( )Co j " ( )Co Y * g jb IR " ' tg " " I I R C CoU gU C I C bU 'CoU Suất tổn hao điện môi (công suất tổn hao đơn vị thể tích điện môi) p p o"r E tg Trong công thức " đợc gọi số tổn hao điện môi (loss index) ' hệ số tổn hao (loss factor) 11/9/2015 Page 399 6.3 Nghiên cứu phân cực đặc tính tần tổn hao điện môi dới tác dụng điện áp xoay chiều, phân biệt trờng hợp phân cực nh sau : tợng "cộng hởng" kết xê dịch điện tích ràng buộc Trong vật liệu cách điện tợng xuất xê dịch điện tử ion điện trờng tần số cao 1016-1015 Hz tợng "tích thoát" (relaxation) dao động cảu phân tử lỡng cực tần số 107-1010 Hz, tức dạng phân cực lỡng cực hay phân cực định hớng;ở tần số thấp, "tích thoát" điện tích khong gian điện môi có kết cấu không đồng 11/9/2015 Page 400 6.3.1 Tổn hao điện môi phân cực lỡng cực Sự phân cực lỡng cực trờng tĩnh điện : định hớng tất phân tử lỡng cực biểu thị qua moment lỡng cực cảm ứng trung bình hệ số phân cực lỡng cực Hằng số điện môi đợc biểu thị số điện môi tĩnh s ứng với điện áp chiều tần số cao- miền sóng hồng ngoại cao nữa, định hớng phân tử lỡng cực không theo kịp thay đổi điện trờng bên Do bỏ qua đóng góp phân cực tích thoát (phân cực chậm) vào vectơ phân cực, có dạng phân cực điện tử phân cực ion theo kịp với biến thiên điện trờng bên 11/9/2015 Page 401 Trong dải tần số số điện môi tiến đến giá trị Gọi Ps P vectơ phân cực tơng ứng với giá trị s , ta có Ps = Po + P Po Ps P Po o s 1E o o 1E o o s E o Trong thời gian phân cực, vectơ phân cực giảm dần đến giá trị ổn định với tốc độ dPo ( t ) k Po Po ( t ) dt Phơng trình cho ta nghiệm sau t Po ( t ) Po exp k=1/ có đơn vị thời gian đợc gọi thời gian tích thoát 11/9/2015 Page 402 Dới tác dụng điện trờng xoay chiều E(t)=Eoexp(t) với tần số góc , ta có dPo ( t ) o s E( t ) Po ( t ) dt Phơng trình cho ta nghiệm sau s Po ( t ) o E( t ) j Theo định nghĩa vectơ cảm ứng điện Mặt khác ta lại có D(t ) o E (t ) P (t ) o E (t ) Po (t ) P (t ) o E (t ) o 11/9/2015 Page 403 D( t ) o *r E( t ) s E (t ) o 1E (t ) j s s o 1E (t ) o E (t ) j j s s o j E (t ) 2 2 Biểu thức nằm dấu ngoặc vuông số điện môi tơng đối r Với định nghiă số điện môi phức, có quan hệ s jt s ' r 22 s " r 2 * r s 2 "r tg ' s r 2 Trong tính toán xét đến trình phân cực mà cha xét ảnh hởng điện dẫn Trong trờng hợp có thành phần này, " s 2 " Trong điện môi cực tính (gồm tổn hao dẫn điện phân cực) tg đợc tính s 2 " tg ' s 22 11/9/2015 Page 404 Sự phụ thuộc tg vào tần số đợc thể tg Tần số 11/9/2015 Page 405 S Cole R H Cole (1941) đờng biểu diễn quan hệ " ' dới dạng đồ thị cho tất dải tần số có dạng nửa đờng tròn Thực vậy, từ biểu thức " ,' biến đổi thiết lập phơng trình sau ' ' " ' s " 2 2 s ' s s ' " s s x y " y x ' 2 Chúng ta biết phơng trình đờng tròn Ngời ta gọi biểu đồ Cole-Cole nửa phần đờng tròn 11/9/2015 Page 406 s = =0 =1 s s Từ biểu thức biểu đồ Cole-Cole ta thấy =0 '=svà tiến đến ta có r= " =0 Với =1, " đạt giá trị cực đại 11/9/2015 Page 407 6.3.2 Tổn hao điện môi phân cực kết cấu Dạng phân cực tồn vật liệu có kết cấu không đồng nh sứ, thuỷ tinh Bản chất dịch chuyển ion liên kết yếu dới tác dụng điện trờng tạo thành điện tích không gian vùng tiếp giáp miền khác Xét khối điện môi rắn gồm hai lớp có chiều dày d1=d2=d, đặt điện trờng xoay chiều Sơ đồ thay khối điện môi Ta có hệ thức sau U E1 (t )d1 E2 (t )d E1 (t ) E2 (t )d Trong tính toán, ký hiệu ký tự in hoa đợc hiểu đại lợng phức Mật độ dòng điện qua khối điện môi tính nh sau 11/9/2015 Page 408 U Y1Y2 J d Y1 Y2 Điện dẫn phức điện môi tơng đơng hai lớp điện môi Yj j i o r j o r1 i o r Y1Y2 Y Y1 Y2 j o ( r1 r ) Với định nghĩa số điện môi phức, ta có Y c o Y j o r1 r j o r1 r r1 r r1 r Ta viết lại biểu thức điện dẫn Y dới dạng sau Y c j o Ya hay Ya Y c j o Ya biểu thị phần đóng góp tợng phân cực kết cấu Nếu ta đặt r1 r o 11/9/2015 Page 409 số thời gian j o r r Ya j1 2 r r r r gọi h = số hấp thụ r r j o h o 2h o h Ya j j Cuối ta có điện dẫn tơng đơng Y c j o Ya o h o h Y c j o 2 j 2 h h Y c o 2 j o 2 Từ ta có h h 22 " 22 tg = h o " ' h o c c o o 22 ' 11/9/2015 Page 410 6.4 Sự phụ thuộc tg vào nhiệt độ Trong biểu thức tg, số thời gian tích thoát phân cực chậm thay đổi theo nhiệt độ biểu diễn biểu thức tg Nhiệt độ nhiệt độ thấp điện môi cực tính, phân tử lỡng cực bị ràng buộc chặt, khó định hớng theo điện trờng bên tồn dạng phân cực điện tử Có thể thấy tổn hao phân cực (tg=0) Khi nhiệt độ tăng, khả định hớng lỡng cực tăng, xuất thành phần tổn hao phân cực chậm nên tg tăng Với việc tiếp tục tăng nhiệt độ, chuyển động nhiệt phân tử cản trở định hớng lỡng cực, tg giảm Trên đồ thị tg(T) ta thấy điểm cực đại ứng với trờng hợp tất lỡng cực định hớng theo điện trờng Các vật liệu gồm nhiều điện môi với thời gian tích thoát khác nhau, đồ thị tg(T) thấy số điểm cực đại nhiệt độ tần số khác 11/9/2015 Page 411 6.5 Tổn hao điện môi điện môi khác 6.5.1 Tổn hao điện môi chất khí Các chất khí điều kiện bình thờng có tổn hao bé Với nghĩa chất khí đợc xem điện môi lý tởng tg chất khí tần số 50 Hz vào khoảng 10-9 Tổn hao chất khí trở lên đáng kể bắt đầu xuất trình ion hoá phân tử khí Công suất tổn hao ion hoá tần số f P Af U Uo với U Uo : A số; Vo điện áp bắt đầu xuất ion hoá 11/9/2015 Page 412 6.5.2 Tổn hao điện môi chất lỏng rắn Trong điện môi lỏng rắn trung tính tồn dạng tổn hao điện dẫn Tổn hao điện môi chúng thờng nhỏ chúng khồng lẫn tạp chất Các chất lỏng chất rắn cực tính có phần tổn hao phân cực Phần tổn hao phụ thuộc đáng kể vào tần số nhiệt độ, đặc biệt với điện môi lỏng nhiệt độ thay đổi làm độ nhớt chất lỏng khả định hớng lỡng cực thay đổi theo Khi điện môi lỏng rắn có chứa tạp chất bị nhiễm ẩm, tổn hao điện môi tăng lên kể điện môi trung tính điện môi cực tính điện dẫn tạp chất phân cực tạp chất gây lên 11/9/2015 Page 413 [...]... cách điện cao áp Phần 1 : Vật liệu kỹ thuật điện Phần 2 : Kết cấu cách điện cao áp 11/9/2015 Page 13 Tài liệu tham khảo Nguyễn Đình Thắng, Giáo trình Vậtliệu kỹ thuật điện, NXB KHKT, Hà nội, 2002 Võ Viết đạn, Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp, Hanội, 1972 11/9/2015 Page 14 Chơng 1 : Cấu tạo vật chất 11/9/2015 Page 15 1.1 Cấu tạo nguyên tử 1.2 Cấu tạo phân tử 1.3 Lý thuyết vùng năng lợng 1.4 Phân loại vật. .. những vật liệu cách điện sử dụng vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ này, công nghệ vật liệu cách điện vào cuối thế kỷ XIX đã đạt những thành tịu vợt bậc Từ những vật liệu cách điện thật đơn giản nh hổ phách, tơ tằm, cánh kiến vận hành ở cấp điện áp thấp, những vật liệu phong phú hiện tại rất đa dạng về chủng loại, về thành phần, có những tính chất cách điện tuyệt vời, có thể chịu đợc mức cách điện rất cao. .. lựa chọn đợc các vật liệu một cách tốt nhất nhằm nâng cao phẩm chất của các thiết bị điện khi thiết kế, cần thiết phải có những hiểu biết rất sâu về các tính chất của vật liệu Đây là một lĩnh vực mang tính chất đa ngành Công tác nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng vật liệu điện, đòi hỏi các kiến thức cơ bản trong nhiều lĩnh vực : vật lý, hoá học, cơ khí, kỹ thuật nhiệt, kỹ thuật điện Việc triển... dụng một loại vật liệu mới từ khi nghiên cứu có thể kéo dài hàng nhiều năm, với rất nhiều các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, trên mô hình cũng nh trên thực tế 11/9/2015 Page 12 Nội dung môn học Cấu trúc môn học : Cơ sở lý thuyết của các loại vật liệu : các tính chất điện và các tính chất cơ lý hoá quan trọng của các vật liệu đợc sử dụng trong kỹ thuật điện Giới thiệu các loại vật liệu cụ thể, các... nghiên cứu vật liệu cách điện dựa trên những t duy sau nhằm tối u hoá kích thớc của thiết bị, nói cách khác khi thiết kế cần tính toán để có thể sử dụng các ứng lực tối đa để hạ giá thành giữ tỷ lệ hỏng hóc cách điện của các sản phẩm, tức là độ tin cậy làm việc của thiết bị ở mức chấp nhận đối với ngời sử dụng luôn tìm kiếm và phát triến các loại vật liệu cách điện làm việc ở điện áp ngày càng cao hoặc... cùng một khối lợng 11/9/2015 Page 17 Bình thờng Nguyên tử là một phần tử trung hoà về điện, (tổng điện tích âm của các điện tử bằng tổng điện tích dơng) Điện tử là một hạt tích điện âm với điện tích bằng 1,602.10-19 Coulomb có khối lợng bằng 9,1.10-31 kg Hạt nhân có điện tích dơng bằng Ze (e là điện tích của một điện tử, Z là số thứ tự của nguyên tố trong bảng hệ thống tuần hoàn của Mendelev) có khối... 1.4 Phân loại vật liệu Để có thể hiểu đợc diễn biến của các quá trình vật lý xảy ra trong các vật liệu cùng các tính chất khác của chúng, cần phải hiểu biết về cấu tạo vật chất ảnh hởng của các tác động bên ngoài các kiến thức về vật lý, về hoá học Ngày nay, sự hiểu biết của chúng ta về tơng tác giữa các nguyên tử đã đạt đợc mức đủ cho phép giải thích các tính chất vĩ mô của vật liệu dựa trên thuyết... cơ bản Sau khi khám phá ra điện tử, nguyên tử không còn đợc xem là phần tử nhỏ nhất của vật chất Khoảng năm 1910, cấu tạo của nguyên tử đợc xem là gồm một hạt nhân mang điện tích dơng và các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh trên các quỹ đạo tròn Hạt nhân lại gồm các neutron và các proton Proton là các hạt tích điện dơng, còn neutron là các hạt không mang điện và cả hai đều có cùng một... hai điện tích trái dấu Liên kết hình thành giữa hai ion mang điện tích trái dấu nhau nh vậy gọi là liên kết ion 11/9/2015 Page 28 Các phân tử có liên kết ion đợc hình thành từ các nguyên tử có độ âm điện khác nhau Độ âm điện là khả năng chiếm đoạt điện tử của nguyên tử và đợc xác định trung bình cộng của năng lợng ion hoá Wi (năng lợng cần cung cấp để tách một điện tử ra khỏi nguyên tử ) và ái lực điện. .. 20 Luận điểm 3 Nếu năng lợng cung cấp cho điện tử đủ lớn làm cho điện tử di chuyển tới một quỹ đạo rất xa, tách rời khỏi nguyên tử đợc xem là thoát hẳn khỏi ảnh hởng của hạt nhân và trở thành một điện tử tự do Nguyên tử mất một điện tử, trở thành một ion tích điện dơng Hiện tợng này đợc gọi là ion hoá Nh vậy để gây ion hoá nguyên tử, cần phải cung cấp cho điện tử một năng lợng bằng q2/2rn, năng lợng ... thuật điện điện tử tận ngày 11/9/2015 Page 1.2.3 Vai trò vật liệu điện kỹ thuật điện Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, vật liệu điện có vai trò quan trọng Các vật liệu điện phân thành vật liệu dẫn điện. .. có điện dẫn cao, kể vật liệu siêu dẫn), vật liệu cách điện vật liệu từ vật liệu bán dẫn điện Chúng đợc sử dụng để dẫn điện (vật liệu dẫn điên), để cách ly phận có điện khác (vật liệu cách điện) ... thuyết loại vật liệu : tính chất điện tính chất lý hoá quan trọng vật liệu đợc sử dụng kỹ thuật điện Giới thiệu loại vật liệu cụ thể, kết cấu cách điện cao áp Phần : Vật liệu kỹ thuật điện Phần