Tài liệu vật liệu điện

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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN (LƯU HÀNH NỘI BỘ) Mã môn học: ELE309 Số tín chỉ: 02 Biên soạn: ThS NGUYỄN THỊ NGỌC DUNG Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI Cấu tạo nguyên tử Mọi vật chất cấu tạo từ hạt Proton, nơtron điện tử Hạt nhân nguyên tử cấu tạo Proton nơtron mang điện tích dương bao quanh hạt nhân điện tử mang điện tích âm cân với điện tích dương hạt nhân Thông qua dạng liên kết mà hình thành nên vật chất Mô hình nguyên tử Bohr Trong nguyên tử điện tử chuyển động quỹ đạo xác định, có bán kính định, quay quỹ đạo lượng bảo toàn Hình 0.1: Các lớp e nguyên tử Si Mỗi quỹ đạo ứng với mức lượng xác định, quỹ đạo gần hạt nhân có mức Nlượng nhỏ ngược lại Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác xảy hấp thụ giải phóng lượng Theo học lƣợng tử: chuyển động điện tử mô tả hàm sóng Đối với nguyên tử biệt lập hàm số có tính đối xứng cầu, điện tích điện tử phân bố tản tạo thành đám mây Các dạng liên kết a Liên kết cộng hoá trị: Là mối liên kết nguyên tử hình thành phân tử cách góp chung vác điện tử Phân tử có trọng tâm điện tích âm dương trùng phân tử trung tính (trung hoà) Các chất cấu tạo từ phân tử gọi chất trung tính Phân tử có trọng tâm điện tích âm dương không trùng phân tử lưỡng cực (cực tính) Phân tử lưỡng cực đặc trưng mô men lưỡng cực: m = q.l Được tính tích số điện tích với khoảng cách trọng tâm điện tích âm dương b Liên kết ion: Được xác lập lực hút ion trái dấu: NaCl = Na+ + ClVật rắn có cấu tạo ion đặc trưng tính chất bền vững học nhiệt độ nóng chảy tương đối cao c Liên kết kim loại: Dạng liên kết tạo nên tinh thể rắn Kim loại xem hệ thống cấu tạo từ ion (+) nằm môi trường điện tử tự chung Lực hút ion (+) điện tử tạo nên tính nguyên khối kim loại Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính óng ánh tính dẫn điện dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lên lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên d Liên kết Vanđecvan: Dạng liên kết yếu, tạo nên nhờ lực hút phân tử trung hòa, mạng tinh thể không vững Thường có chất có nhiệt độ nóng chảy thấp như: Parapin Phân loại vật liệu a Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng lƣợng vật rắn: Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ chất khác chứng tỏ nguyên tử khác có trạng thái (mức) lượng xác định, khác Khi nguyên tử trạng thái bình thường, lớp vỏ điện tử ứng với trạng thái lượng xác định (1 số mức lượng điện tử lấp đầy) mức lượng khác cao điện tử có mặt nguyên tử nhận lượng từ bên Khi kích thích nguyên tử trở trạng thái ban đầu phát lượng thừa Khi nguyên tử liên kết với để tạo thành mạng tinh thể vật rắn, tương hỗ chúng lamg phân chia mức lượng, dẫn đến xuất nhiều mức lượng nắm gần phạm vi lớp Các mức lượng tạo nên dải lượng khác Trong người ta quan tâm đến hai dải “dải hóa trị” (vùng điền đầy điện tử) “dải dẫn” (các điện tử tự vùng này), hai dải ngăn cách “dải cấm” Hình 0.2: Mô hình dải lượng nguyên tử (a), vật rắn (b) Người ta dựa vào chiều rộng dải cấm, để phân chia vật liệu Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức điều kiện bình thường dẫn điện điện tử không xảy Chiều rộng vùng cấm điện môi khoảng từ 1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10-19J) Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm nhỏ khắc phục nhờ nguồn 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 vùng mức lượng tự nằm kề chồng lên phần Vì cần tác động nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái b Phân loại theo từ tính: loại Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm  < không phụ thuộc vào cường độ từ trường Ví dụ: Cu, Ag, Au, H2, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, … Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > (  1) không phụ thuộc vào cường độ từ trường VD, muối sắt, muối Côban Niken,kim loại kiềm Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 phụ thuộc vào cường độ từ trường Ví dụ: Fe, Ni, Coban hợp kim chúng Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên PHẦN 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƢỜNG Khi đặt vật liệu cách điện vào điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện trường (mạnh hay yếu, chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số điện trường ), thời gian tác động điện trường yếu tố môi trường: độ ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà điện môi xảy tượng với chất vật lý khác Trong có hai tượng tượng dẫn điện tượng phân cực điện môi Hiện tượng phân cực: Là dịch chuyển có giới hạn điện tích liên kết định hướng phân tử lưỡng cực Trong trình phân cực tạo nên dòng phân cực, thường đánh giá số điện môi  góc tổn thất điện môi  (nếu trình phân cực kèm theo phân tán lượng làm cho điện môi nóng lên) Do điện môi kỹ thuật có điện tích tự nên tác động điện áp xuất dòng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày điện môi theo bề mặt Dòng điện rò, kết hợp với dòng phân cực tạo nên tính dẫn điện điện môi Do điện môi xuất dòng dẫn nên gây nên tổn thất điện môi, làm cho điện môi nóng lên Tổn thất điện môi đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện môi, tg Mỗi điện môi ứng với chiều dày định chịu giá trị điện áp định Khi điện áp vượt giá trị tới hạn điện môi bị đánh thủng, vật liệu hoàn toàn thuộc tính cách điện Được đánh giá thông qua độ bền điện Eđt Trong trình vận hành tác động điện trường, điện môi chịu tác động yếu tố môi trường tác động cơ, nhiệt khác… Sau thời gian tính chất cơ, lí, hoá điện điện môi bị thay đổi (thường đi) hoá già điện môi Chƣơng I SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI 1.1 SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI Sự phân cực điện môi Xét điện môi đặt cực nối vào mạch điện Dưới tác dụng điện trường ngoài, điệntích điện môi dịch chuyển điện cực chiều ngược chiều điện trường tuỳ theo dấu chúng Hình 1.1 Hiện tượng phân cực điện môi Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Các phân tử lưỡng cực (nếu có) định hướng theo hướng điện trường Khi điện trường tăng mật độ di chuyển lớn, phân cực mạnh Khi điện trường giảm phân cực giảm dần điện trường = điện tích trở trạng thái ban đầu Kết trình phân cực: bề mặt tiếp giáp điện môi với điện cực xuất lớp điện tích trái dấu Trong điện môi xuất điện trường phụ E’ ngược chiều với điện trường Khi điện môi đặt điện cực nối vào mạch điện xem tụ điện điện tích Q tụ xác định: Q = C.U với C: Điện dung tụ U: Điện áp đặt vào tụ Điện lượng Q giá trị điện áp xác định có thành phần: Q = Q0 + Q’ (1.1) Q0: Điện tích tụ có kích thước, điện cực chân không Q’: Điện tích tạo phân cực điện môi Hằng số điện môi Để đánh giá mức độ phân cực điện môi, người ta đưa khái niệm số điện môi tương đối, ký hiệu , gọi tắt “Hằng số điện môi” Nó dùng để đặc trưng cho chất lượng điện môi không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị  Q  Q0 Q Q'  1 Q0 Q0 Q0 (1.2) Hằng số điện môi tỷ số điện tích tụ chứa điện môi có điện áp xác định với điện tích tụ kích thước điện áp cực chân không 1.2 CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MÔI Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có dạng phân cực điện môi *) Phân cực nhanh: Sự phân cực xảy tức thời, đàn hồi hoàn toàn, không phát tán lượng Trên sơ đồ thay biểu diễn tụ điện *) Phân cực chậm: Sự phân cực không xảy tức thời, tăng giảm cách chậm chạp có kèm theo phát tán lượng điện môi làm cho điện môi nóng lên Trên sơ đồ thay biểu diễn tụ điện mắc nối tiếp điện trở Các chế phân cực Một số chế phân cực thấy nhiều điện môi khác nhau, loại điện môi thấy tồn đồng thời nhiều chế phân cực khác a Phân cực điện tử nhanh Là chuyển dịch đàn hồi biến dạng lớp vỏ điện tử nguyên tử ion Thời gian xảy nhanh (t  10-15s) phân cực điện tử coi Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên tức thời Sự phân cực điện tử có tất loại điện môi không gây tổn thất 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 xác định chuyển dịch đàn hồi ion liên kết Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng Thời gian xác lập phân cực này: t  10-13s Hệ số phân cực:  = 4..0(a/2)3 (1.6)  Với a khoảng ion (+) (-) E  c Phân cực Lƣỡng cực chậm Xảy điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực Các phân tử lưỡng cực trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn định hướng phần tác dụng điện trường gây nên phân cực Quá trình định hướng phân tử phải thắng lực chuyển động nhiệt có kèm theo tổn hao lượng Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực nhiệt độ:  lc  m02 3KT (1.7) Với: m0 - mômen lưỡng cực trung bình; K =1,38 10-23J/0K – số Bônzơmal; T- nhiệt độ tuyệt đối d Phân cực ion chậm Xảy điện môi có cấu tạo ion mà mối liên kết ràng buộc ion không chặt chẽ Các ion liên kết yếu chất chuyển động nhiệt hỗn loạn nhận thêm chuyển dịch thừa theo hướng điện trường Thường quan sát thấy thuỷ tinh vô số chất vô mà tinh thể ion ràng buộc không chặt Sau loại bỏ điện trường định hướng ion yếu dần theo quy luật hàm số mũ Sự phân cực ion chậm tăng với tăng nhiệt độ e Phân cực điện tử chậm Đặc trưng cho điện môi có hệ số khúc xạ cao, trường bên lớn có tính dẫn điện - điện tử Nói cách khác: điện môi có điện tử khuyết tật thừa lỗ hổng kích thích nhiệt Hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ có vài điểm cực đại chí nhiệt độ âm f Phân cực cấu kết cấu Xảy vật rắn có cấu tạo không đồng có tạp chất Sự phân cực biểu tần số thấp kèm theo tổn hao lượng đáng kể Nguyên nhân phân cực chất dẫn điện bán dẫn lẫn điện môi kỹ thuật, tồn lớp có độ dẫn điện khác g Phân cực tự phát Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Dạng phân cực tồn dạng điện môi đặc biệt Xec-nhit kèm theo khuếch tán lượng đáng kể (có toả nhiệt)  phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện trường đặc trưng điểm cực đại nhiệt độ xác định *) Sơ đồ đẳng trị (Sơ đồ thay thế) điện môi mà xảy đầy đủ chế phân cực hình vẽ Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị điện môi Trong đó: U điện áp nguồn Nhánh 1: Điện dung C0 điện tích Q0 tụ điện môi chân không Nhánh 2÷ 8: Điện dung điện tích 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 phân cực cấu (kết cấu) Nhánh 9: RCĐ điện trở cách điện hay gọi điện trở thật điện môi Nhánh đặc trưng cho dòng điện rò qua điện môi 1.3 HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN Hằng số điện môi điện môi khí Các chất khí có mật độ phân tử nhỏ phân cực chất khí không đáng kể số điện môi chất khí  = 2  Bảng 1.1: Hằng số điện môi số điện môi khí Tên khí Hêli Hyđro Ô xi Agon Nitơ Cacbonic  1,000072 1,00027 1,00055 1,00056 1,00060 1,00096 Để xác định số điện môi, ta sử dụng phương trình Claudiut  N   Môxôpchi: (1.8)   3. Đối với điện môi khí 1, nên (1.8)    Với N  N  0 1 P. K T  (1.9) P mật độ phân tử, K T P (at), T(0K),  hệ số phân cực Hình 1.2: Quan hệ =f(P), T số =f(T), P số Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên * Với điện môi khí trung tính: Chỉ tồn chế phân cực điện tử nhanh, nên  = e=4..0R03 Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử lớn, số điện môi lớn Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P), tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2 Để đánh giá ảnh hưởng  vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt số điện môi: TK      d  dt [độ-1] Với chất khí trung hòa : TK   (1.10) d  (  1)  0  dT  T (1.11) *Với chất khí cực tính tồn hai chế phân cực chế phân cực điện tử nhanh (là chủ yếu), chế phân cực lưỡng cực chậm Do  = e+lc, N P. e P.m02  phương trình (1.8)     ( e   lc )   (1.12) 0 K T  3( K T )  Hằng số điện môi phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, mức độ cực tính, áp suất nhiệt độ Hệ số nhiệt số điện môi : TK        2 (độ-1)  .T .T (1.13) Hằng số điện môi điện môi lỏng Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng phân thành hai nhóm: Điện môi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) điện môi lỏng cực tính (Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …) * Hằng số điện môi điện môi lỏng trung tính Điện môi chất lỏng trung tính đặc trưng phân cực điện tử nhanh vậy  22÷ 2,5 phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất tần số Hình 1.3 Quan hệ  chất lỏng trung hoà với nhiệt độ tần số Về trị số tuyệt đối TK chất lỏng trung tính gần hệ số giãn nở thể tích chất lỏng  (nhưng ngược dấu) d    1  2  TK v (độ-1)  dT 3 dV với TKv = hệ số nhiệt thể tích V dT TK   (1.14) * Hằng số điện môi chất lỏng cực tính Chất lỏng cực tính tồn đồng thời phân cực điện tử phân cực lưỡng cực chậm (chủ yếu) Bài giảng Vật liệu điện Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Có nhiều thuyết đưa để tính  điện môi cực tính, nói chung việc tính  chất lỏng cực tính phức tạp Mỗi công thức kèm giả thiết nên có tính chất gần Thường dùng phương trình Clauđiút-Môxốtchi:   1  2 m2  N   e   3  3KT  (1.15) Quan hệ  nhiệt độ chất lỏng lưỡng cực phức tạp chất lỏng trung hoà Khi nhiệt độ tăng lúc đầu  biến đổi Sau tăng mạnh theo đường dốc đứng đạt cực đại giảm dần Nhiệt độ mà  tăng nhanh ứng với chất lỏng có độ nhớt giảm đột ngột  phân tử lưỡng cực có khả tự định hướng tạo nên phân cực phụ điện môi Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ  giảm chuyển động nhiệt phân tử tăng lên, cản trở định hướng Hình 1.4: =f(t0), f1>g2 Bài giảng Vật liệu điện 71 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Theo sơ đồ, cho kết cấu cách điện nạp điện chiều thời gian lâu để trình độ kịp chấm dứt Sau cắt nguồn cách điện ngắn mạch thời gian ngắn (cầu dao K đóng mở ngay) Trong thời gian điện tích C phân bố lại theo điện dung điện áp lớp bằng: U1  U  U C2 C1  C2 U 1  C1 g1 + g C 1 Hình (a): Sơ đồ thí nghiệm U k V đo điện áp phản hồi C2U U + C1  C2 Hình (b): Quan hệ C2 điện áp phản hồi heo thời (b) (a) gian Khi mở K điện áp toàn kết cấu cách điện (điện áp lớp ngược dấu) Vônmet số 0, sau C1 phóng điện qua g1 điện áp C2 giữ không đổi nên số đọc Vônmet tăng dần tới mức U2 (về sau điện áp giảm chậm đến trị số lớp điện môi C2 có điện dẫn) Với thí nghiệm phán đoán vấn đề: + Phán đoán lớp môi chất bị ẩm: Nếu lớp I bị ẩm, điện áp phản hồi đo có trị số Nếu lớp II bị ẩm, điện áp phản hồi đo có trị số C2 U C1  C2 C1U C1  C2 + Mức độ ẩm lớp điện môi bị ẩm: thể tốc độ tăng điện áp phản hồi Nếu lớp I bị ẩm trầm trọng g1 lớn số thời gian  bé, điện áp phản hồi tăng nhanh tới trị số cực đại 7.7.3 Thí nghiệm phát phóng điện cục Ta biết, vết rạn nứt, bọt khí chỗ xấu tập trung thường gặp kết cấu cách điện Cường độ trường bọt khí lớn nhiều so với trị số trường trung bình cách điện hệ số điện môi khí bé Bởi trình ion hoá bọt khí xuất sớm, điện áp làm việc, gây nên tượng phóng điện cục nội điện môi Với đa số vật liệu cách điện (trừ gốm cách điện) tượng phóng điện cục thường làm cho điện môi bị phân huỷ mãnh liệt, chỗ xấu phát triển nhanh chóng dẫn đến phóng điện hoàn toàn Bởi chế tạo cách điện trọng đến việc khử bọt khí dùng phương pháp tẩm sấy chân không, sơn mặt ngoài, bịt kín yêu cầu điện áp làm việc tượng ion hoá bọt khí không xảy Xét trường hợp đơn giản cách điện có chứa bọt khí sơ đồ : Z C Trong đó: CB - điện dung bọt khí C0- điện dung phần điện môi lại nối tiếp U C CB với bọt khí ip Bài giảng Vật liệu điện 72 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên C - điện dung phần điện môi khác (ghép song song với mạch CB, C0) Z - tổng trở mạch Nếu điện áp tác dụng bọt khí vượt trị số điện áp phóng điện nó: UB  làm U  UC  U có phóng điện làm ngắn mạch điện dung C B C0  CB sụt điện áp tác dụng lên cách điện lượng: U B C0 UC 20  C0  C C0  CC0  CB  Hiện tượng sụt áp tạm thời nguồn tiếp tục nạp điện cho cách điện qua tổng trở Z mạch có dòng điện nạp dạng xung kích với thời gian tồn khoảng 10-7  10-8s Nếu điện áp nguồn xoay chiều phóng điện cục thành phần dòng điện xung xuất theo chu kỳ Tương tự với phóng điện vầng quang xoay chiều, ảnh hưởng điện tích lại nửa chu kỳ trước trình ion hoá (phóng điện) nửa chu kỳ sau xuất sớm nghĩa điện áp phóng điện thấp so với nửa chu kỳ trước Bởi điện môi thường có nhiều bọt khí riêng lẻ phóng điện bọt khí không đồng thời nên thời gian nửa chu kỳ phát nhiều đợt xung dòng điện Những xung có phổ tần số định, biến thiên phạm vi từ hàng trăm đến hàng chục MHz Có thể phát phóng điện cục điện môi phương pháp sau: + Đo điện áp cách điện + Đo dòng điện mạch + Đo cường độ sóng điện từ phóng điện cục phát không gian a Phương pháp đo điện áp Thực theo sơ đồ: C CĐ: Cách điện CĐ  L,C: Mạch giao động KĐ: Mạch khuếch đại MHS KĐ L MHS: Máy sóng Cứ nửa chu kỳ điện áp bị tụt lượng U C0 < CB [...]... ẩm của vật liệu Các vật liệu cách điện với mức độ nhiều hay ít đều hút ẩm tức là khi đặt mẫu vật liệu có độ ẩm vl, Bài giảng Vật liệu điện (2) cb (1) t Hình 5.1 31 Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên trong môi trường có kk, sau một thời gian vật liệu sẽ đạt độ ẩm cân bằng cb Trên hình 5.1, nếu vl