BÀI GIẢNG: KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ CAO ÁP VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

VậT LIệU CáCH đIệN Vật liệu cách điện thể khí Vật liệu cách điện thể lỏng Vật liệu cách điện thể răn CHơNG VậT LIệU CáCH đIệN THể KHí 9.2 Giới thiệu cách điện thể khí 9.2.2 Các tính chất 9.2.3 Các tính chất lý hoá 9.2.4 Lĩnh vực sử dụng 9.2 Giới thiệu cách điện thể khí Để điện môi khí dùng làm vật liệu cách điện độ bền điện tốt cha đủ, mà cần phải kể đến tính chất hoá lý khác nh giá thành ảnh hởng sinh thái chúng Điện môi khí đợc sử dụng nh vật liệu cách điện không khí mà thành phần N2 O2 Do mật độ phân tử chất khí thấp nên chúng có số điện môi bé số điện môi với điện trở suất tơng đối cao, tổn hao điện môi nhỏ đặc biệt chất khí có đặc tính không bị già cỗi hoá Tuy vật liệu cách điện thể khí có độ bền điện tơng ®èi thÊp so víi c¸c vËt liƯu c¸ch ®iƯn thĨ lỏng rắn Ví dụ độ bền điện không khí điều kiện bình thờng đạt MV/m, SF6 7,5MV/m tức thấp bậc so với chất rắn Khi mà yêu cầu độ bền điện tiêu cao để lựa chọn cách điện khí, tiêu đạt đợc cách sử dụng khí nén ví dụ nh không khí dới áp suất 2-3 MPa, hay SF6 d íi 0.4 MPa Mét nh÷ng tÝnh chÊt đặc biệt vật liệu cách điện thể khí khả phục hồi tính chất cách điện sau xaỷ phóng điện Tính chất đợc sử dụng để chế tạo loại máy cắt không khí máy cắt dùng SF6 Các tính chất quan trọng khác chất khí mật độ phân tử bé, số điện môi nhỏ, điện trở suất cao, góc tổn hao điện môi nhỏ đặc biệt không biến tính theo thời gian Trong số vật liệu cách điện thể khí đợc dùng không khí Không khí đợc sử dụng rộng rÃi làm vật liệu cách điện thiết bị điện, số trờng hợp loại cách điện chủ yếu (ví dụ cách điện đờng dây tải điện không) Trong kết cấu cách điện thể rắn thể lỏng (cách điện máy biến áp, tụ điện, cáp điện), trình sấy tẩm không đợc kỹ bọt khí Điều có tác dụng không tốt dẫn đến phóng điện cục bọt khí điện áp làm việc Chính nhiều trờng hợp, để hạn chế tồn bọt khí nh vậy, ngời ta tiến hành sấy tẩm chân không Nhợc điểm lớn không khí độ bền điện không cao đòi hỏi chất khí có đặc tính tốt tăng không ngừng Có nhiều chất khí đợc sử dụng làm vật liệu cách điện VậT LIệU CáCH đIệN Vật liệu Vật liệu Vật liệu cách ®iƯn c¸ch ®iƯn c¸ch ®iƯn thĨ khÝ thĨ láng c¸c chất khí đơn giản nh không khí, hydro H2, heli He,thể oxy răn O2 oxit nh CO2, SO2 hydrocarbon nh methane, ethane, propane, butane, hexane khí âm ®iÖn Sulfure hexafluoride SF6 (elegaz) Dichlorodifluoromethane CCl2F2 (Freon 12, Genetron 12) Chlorotrifluoromethane CClF3 (Freon 13) Carbon tetrafluoride CF4 (Freon 14) Chlorodifluoromethane CHClF2 (Freon 22) Hexafluoroethane CF3CF3 (Freon 116) 9.2.2 C¸c tính chất Thành phần hoá học Mật độ 0oC 0,1MPa kg/m3 Không khí N2+O2 1.2929 Hydro H2 0.0899 0,175 2,0156 -252,8 0.51 Nit¬ N2 1.2506 0,0269 28,016 -195,8 1.00 Hexafluore lu huúnh SF6 6.700 0,0146 146.06 -63,8 2.90 Dichlorodifluoromethane CCl2F2 6.33 - 120,93 -29.79 2.46 Tetrafluore methane CF4 7.62 - 88.01 -127,96 1.06 Hexaflore ethane C2F6 9,01 - 138,02 -78,2 2.02 Methane CH4 0,7168 0,0325 16.04 -161,33 - Helie H2 0.1785 0,1423 4,0026 -268.78 0.24 KhÝ HƯ sè dÉn nhiƯt, W/m.oC Ph©n tư gam 0,0257 28,952 Độ bền Nhiệt độ điện so với sôi, oC N2 -194,0 0.94 Hằng số điện môi Hằng số điện môi hầu hết chất khí đợc chấp nhận dù giá trị thực chúng lớn chót VÝ dơ εr cđa SF6 b»ng 1,002, cđa nit¬ tetrafluororide carbon 1,0006 Hầu hết chất khí sử dụng kỹ thuật điện trung tính Hằng số điện môi chất khí đợc xác định phơng trình ClausiusMosotti n e r = 1+ o Hằng số điện môi chất khí Khí Thành phần hoá học Bán kính phân tử, 10-10m Hằng số điện môi t ơng đối tần số thấp Hằng số điện môi t ơng đối sóng 30mm Hệ số khúc xạ ánh sáng, n n2 1.00035 1,00070 Helie H2 1,12 1.000072 Hydro H2 1,35 1.00027 1,00036 1.00014 1,00028 Oxy O2 1,82 1,00055 1,00053 1,00027 1,00054 Nit¬ N2 1,91 1.00058 1,00059 1.00030 1,00060 Kh«ng khÝ N2+O2 - 1.00059 Oxyt carbon CO2 2,30 1.00096 1,00099 1,00050 1,00100 Hexafluore lu huúnh SF6 3,07 1.00191 - 1.000783 1,00157 Dichlorodifluoromethan e CCl2F2 - 1.0016 - - - Carbon tetrafluoride CF4 - 1.0006 - - - Octaflocyclobutan C4f8 - 1,00034 Amiak NH3 - 1,0066 1,00058 - 1,000375 1,00075 sù phơ thc cđa h»ng sè ®iƯn môi vào nhiệt độ áp suất khí liên quan đến mật độ phân tử hay nguyên tử qua quan hệ p n= kT Hằng số điện môi không khí có độ ẩm tơng đối % (do nớc điện môi cực tính mạnh, số điện môi nớc có trị số cao) xác đinh,theo c«ng thøc ϕp h p ε r = + 28 + T p  135  − 0,0039  T p áp suất khí, Pa T nhiệt độ tuyệt đối khí ph : áp suất nớc bÃo hoà : lg p h = 23,19 − 3816,44 T − 46,13 CH¬NG 14 PH¬NG PHáP KIểM TRA Dự PHòNG CáCH đIệN 14.1 Khái niệm chung 14.2 Quá trình phân cực điện môi nhiều lớp biện pháp kiểm tra dự phòn 14.3 Kiểm tra dự phòng đo tg điện dung C 14.4 Phóng điện cục phơng pháp kiểm tra 14.5 Các biện pháp kiểm tra dự phòng khác a) Sử dụng tợng hấp thụ để kiểm tra dự phòng cách điện Nếu cách điện gồm hai lớp mà lớp bị ẩm nhiều có điện dẫn lớn hơn, dới tác dụng điện áp chiều mặt biên tiếp giáp lớp xuất điện tích Nếu cách điện đông R1C1=R2C2 điện tích hấp thụ xuất mặt biên Nh điện môi đồng q=0 Từ kết cho thấy ta đặt vào cách điện điện áp chiều dòng điện qua (bỏ qua dòng điện nạp điện dung hình học ban đầu) biến thiên theo thời gian từ xác định đợc điện trở thời gian ®é  Sù thay ®ỉi ®iƯn trë c¸ch ®iƯn theo thòi gian 1- cách điện khô; 2- cách điện bị ẩm Điện trở tốc độ thay đổi cách điện bị ớt bé so với cách điện khô Ngời ta sử dụng tính chất để kiểm tra độ ẩm cách điện Khi thí nghiệm ngời ta không đo toàn quan hệ R(t) Đánh giá cách điện theo tỷ lệ điện trở đo megaômét sau 15 60 giây (R15 R60 sau đặt điện áp t¸c dơng)   HƯ sè hÊp thơ K ht = R60 R15 Khi điện môi bị ẩm, điện trở cách điện giảm nên hệ số hấp thụ giảm Bằng thực nghiệm ngời ta xác định đợc Kht 1,3 cách điện ẩm mức độ cho phép Cũng phát tình trạng ẩm cách điện điện áp xoay chiều cách đo điện dung Vì số thời gian phụ thuộc vào độ ẩm tần số nên quan hệ điện dung vào tần số thay đổi mạnh cách điện không đồng Trong thực tế ngời ta đo điện dung hai tần số Hz 50 Hz Các trị số gần cách điện tốt Cách điên bị ẩm mức cho phép C2/C50>1,3 Điện dung đợc đo thiết bị kiểm tra độ ẩm Khoá chuyển mach S lần lợt đóng cách điện thÝ nghiƯm víi ngn mét chiỊu, tơ ®iƯn sÏ tÝch ®iƯn, sau ®ã ®ãng sang ganvanomet, tơ ®iƯn phãng ®iƯn Dòng điện trung bình đo ganvanomet If= UCf Nếu điện dung đo tần số tần số 50 Hz tỉ số điện dung b»ng  C 50 I = C50 I 20 Cần nói thêm thí nghiệm tiến hành điện trờng tơng đối đồng nhất, thiết bị có kết cấu không đồng (nh máy điện) cách điện kho đà có trình phân cực kết cấu, chúng không tác dụng Thí nghiệm đo điện dung theo nhiệt dựa tợng cách đlện (của máy biến áp khô (cách điện chủ yếu), trị số điện dung không thay đổi theo nhiệt độ, ngợc lại bị ẩm điện dung thay đổi rõ rệt nhiệt độ cao điện dung thay đổi lớn Thí nghiệm đo điện dung theo nhiệt độ đợc tiến hành tần số công nghiệp (tần số 50 Hz) Khi cách điện khô trình phân cực phát triển không kịp với biến thiên tần số (không kể đến trình phần cực nhanh nh phân cực ion, phân cực điện tử) nên điện dung khòng thay đổi nhiệt độ biến thiên phạm vi rộng từ 10oC - 80oC có trị số trị số điện dung hình học kết cấu cách điện Khi cách điện bị ẩm, điện dẫn tăng cao Điện dẫn tăng theo nhiệt độ số thời gian giảm thấp Nh bị ầm cách so sánh trị số điện dung đo nhiệt độ 20 oC 70 oC xác định mức độ ẩm Nếu tỷ lệ C20/C70>1,3 cách điện bị ẩm trầm trọng phải đem sấy b) Kiểm tra phẩm chất cách điện theo tang góc tổn hao điện môi Đo tang góc tổn hao điện môi (tg) phơng pháp phổ biến để kiểm tra tình trạng cáh điện thiết bị điện phân bố khuyết tật (ẩm, túi khí) trớc hết gây tăng tổn hao điện môi Trị số tg nói lên chất lợng cách điện, kết đo lờng lần kiểm tra định kỳ cho phép đánh giá suy giảm cách điện  Trong mét sè trêng hỵp, vÝ dơ nh cách điện máy điện phải đo quan hệ phụ thuộc tg vào điện áp đặt khoảng 0,5-1,5 lần điện áp định mức Nếu điện áp tăng, tg tăng có nghĩa đà xuất phóng điện cục Khi điện áp bé Ui (điện áp gây ion hoá chất khí) trị số tg bé hầu nh không thay đổi theo điện áp Nhng bọt khí bắt đầu bị ion hoá trị số tg tăng vọt lúc tổn hao điện môi tgo có thêm tổn hao lợng ion hoá chất khí tgi Đo tg đợc tiến hành thiết bị gọi cầu đo tg Sơ đồ nguyên lý cầu đo tg IP IP sơ đồ bình thờng;       tơ ®iƯn mÉu CN, biến điện trở không cảm RZ, điện trở không đổi R4 điện dung C4 Đối tợng thí nghiệm ký hiệu Cx Trạng thái cân cầu đo đợc thị sơ đồ nối ngợc Điện áp thí nghiệm cầu thờng không 10 kV không phụ thuộc vào điện áp thiết bị Zx ZN = hay Z x Z = Z N Z Z3 Z4 Điều kiện cân cầu đo nh sau Cách điện có tổn hao mô tả sơ đồ ghép nối tiếp ®iƯn trë Rx vµ ®iƯn Tỉng trë  Z x = Rx + j.ωC x ta cã  j.ωC   Rx +  = R  j.ωC x  R + j.ωC N  j.ωC R4 C R x = R3 CN Biến đổi so sánh phần thực phần ảo C x = C3 Tang góc tổn hao điện môi tg = R x C x = ωR3 C4 R C N = R C CN R3 R4 RN để bảo vệ cầu đo khỏi cố ngắn mạch xảy chọc thủng cách điện cầu đợc trang bị khe hở phóng điện F Cầu phải đợc bảo vệ chống nhiễu che chắn IP IP sơ đồ bình thờng; sơ đồ nối ngợc Trong điều kiện vận hành cần đảm bảo che chắn kết cấu cách điện tốt thực tế khó khăn Vì đo tg trạm biến áp làm việc gần thiết bị làm việc (thí nghiệm trờng) xuất nhiễu Để giảm sai số tiến hành hai thí nghiệm với hai sơ đồ khác hình vẽ với đảo pha điện áp thí nghiệm 1800 Đo lờng với điện áp ngợc pha cho sai số dấu káhc nên bù trõ lÉn  TrÞ sè tgδ tÝnh b»ng trung bình cộng qua hai kết đo tg = C x1tgδ + C x 2tgδ C x1 + C x Kiểm tra cách điện theo cờng độ phóng điện cục Nh đa nói cảc vết rạn nứt, bọt lả cảc chỗ xầu tập trung thờng gặp kết cấu cách điện Cờng độ trờng bọt lớn nhiều so với trị số trờng trung bình cách diện hệ số điện môi chất khí bé Bởi trình ion hoµ bät cã thĨ xt hiƯn sím, điện áp làm việc, gây nên tợng phóng điện cucj nội điện môi Đối với đa số vật liệu cách điện (trừ loại gốm càch điện) tợng phóng điện cục thờng làm cho điện môi bị phân hủy mÃnh liệt chỗ xấu đợc phát triển nhanh chóng cuối dẫn đến phóng điện hoàn toàn Bởi thiết kế chế tạo cách điện trọng đến việc khử bọt khí nh dùng phơng pháp tẩm sấy chân không, sơn mặt ngoài, bịt kín, yêu cầu điện áp làm việc tợng ion hoá bọt khí không đợc xảy Nếu điện áp tác dụng bọt vợt qua trị số điện áp phóng điện : có phóng điện làm ngắn mạch điện dung CB làm sụt điện áp tác dụng lên cách điện mét lỵng b»ng  ∆U = U B Co U B Co = Co + C ( Co + C )( Co + C B ) CB ®iƯn dung cđa bät khi,  Co - ®iƯn dung phần điện môi lại nối tiếp với bọt khi, C - điện dung phần điện môi khác (ghép song song với mạch CB ,Co) Hiện tựợng sụt áp tạm thời nguồn tiếp tục nạp điện cho cách điện qua tổng trở nh mạch có dòng điện nạp dạng xung kích với thời gian tồn khoảng 10-7 -10-8 s Nếu điện áp nguồn điện áp xoay chiều phóng điện cục nh thành phần dòng điện xung xuất theo chu kỳ Tơng lự với phóng điện vầng : quang xoay chiều, ảnh hởng điện tích lại nửa chu kỳ trớc trình lon hoá (phóng ®iƯn) nưa chu kú sau ® ỵc xt hiƯn sớm nghĩa điện áp phóng điện, thấp h¬n so víi cđa nưa chu kú tríc  Bëi điện môi thờng có nhiều bột khí ruiêng lẻ phóng điện bột khí không đồng thời, nên thời gian nửa chu kỳ phát đợc nhiều đợt xung dòng điện Những xung có phổ tần số định biến thiên phạm vi từ hàng trăm kHz đến bàng chục MHz Có thể phát phóng điện cực điện môi phơng pháp sau Đo điện áp cách điện Đo dòng điện mạch Đo cờng độ sóng ®iƯn tõ phãng ®iƯn cơc bé ph¸t không gian Phơng pháp đo điện áp đợc thực hịện theo sơ đồ Cứ nửa chu kỳ điện áp bị tụt lợng U nhng Co< CB C nên U bé (không 1% điện' áp tác dụng lên cách điện) đo lờng trực tìếp mà phải dùng mạch giao động LC có độ nhạy chọn lọc đối vớí tần số phóng điện, sau qua phận khuyếch đại vâ đa vào máy sóng Để xác định điện áp phóng điện cục thời gian vận hành dùng đồng hồ cao tần phát chỗ xấu Nó có liên hệ cảm ứng với vật thí nghiệm qua thăm dò đặc biệt Biện pháp kiểm tra dự phòng oách điện thông qua phóng điện cục oos nhleefu triển vọng cho khả kiểm tra cách điện điều điện vận hành bình thờng, nhiên nhiều khó khăn trở ngại Khó khăn nhíễu loạn bên ng'oài nh phóng điện vầng quang đờng điện cực mữi nhọn thiết bị điện Loại phóng điện có nguồn gốc tính chất tơng tự với phóng điệIn cục làm cho việc phân tích kết đo khó khăn Ngoài thí nghiệm phát có phóng điện cuc mà không xác đlnh cụ thể vị trl chỗ xấu điện môi Ngay vết rạn nứt, bị ẩm nơi trở thành dẫn điện không phát sinh phóng điện cục Kiểm tra cách điện điện áp tăng cao Phơng pháp thi nghíệm đo phân bố điện áp đợc dùng để pnát phần tử xấu (bị chọc thủng) chuỗl cách điện treo, cách điện đỡ có nhiều tầng nhiều ghép nối cấp Dụng cụ cần phóng điện nh hình sau Dùng cầu phóng điện để đo phân bố áp 1- cần phóng điện; 2- khe hở cầu-cầu; 3- chuỗi cách điện Nếu cách điện đĩa tốt điều chỉnh khoảng cách hai cầu cho điên áp phóng điện trị số điện áp phân bố đĩa cách điện có phóng điện hai cầu Khi đĩa cách điện đà bị chọc thủng phóng điện dù khoảng cách giữà hại cầu có giảm bé Tụ điện C phải chịu đợc mức điện áp lớn phân bố câc đĩa chuỗi cách điện, tác dụng để ngăn chặn phóng điều xảy chuỗi trờng hợp chuỗi cách điện đà bị xấu cần phóng điện lại đặt đĩa cách điện côn tốt Thí nghiệm điện ¸p cao Trong tÊt c¶ c¸c biƯn ph¸p kiĨm tra dự phòng cách điện, thí nghiệm điện áp cao đợc tiến hành sau mục tra cách điện có ý nghĩa định Vi dụ theo phơng pháp tợng hấp thụ đà phát cách điện bị ẩm trầm trọng cần phải đà đem sấy nhng cha thể đảm bảo cách điện có đủ khả để chịu đựng đợc tác dụng loại điện áp Thí nghiệm điện áp cao có fhể gây phá hoại cách điện nên phải đợc tiến hành thận trọng, mức điện áp thi nghiệm phải chọn hợp lý cho phát hiệu đựơc chỗ xấu mà đảm bảo an toàn cho cách điện phải vào độ lớn, thời gian tác dụng số lần xuất loại điện áp tác dụng lên cách điện, vào phẩm chất kết cấu cách điện, tình trạng thiết bị hoàn cảnh khác có lên quan để lựa chọn mức điện áp thí nghiệm hợp lý Cách điện đợc xem chịu đựng đợc thí nghiệm không xảy phóng điện phần cách điện bị h hại: bốc khói, âm lạ Thí nghiệm đợc thực chịu điện áp thời gian đủ để phóng điện cục phát triển Thực tế thờng quy định thời gian phút Trong số trờng hợp để thí nghiệm dùng điện áp tần số cao (100 250 Hz) Khí tần số điện áp tăng số phóng điện cục đơn vị thời gian tăng, tổn hao điện môi tăng Điều làm cho phóng điện chọc thủng phát triển mạnh Vì tần số f lớn 100 Hz, thời gian thí nghiệm cần giảm theo công thức sau t = 60 100 f nhng không đợc nhỏ 20 s Thời gian tác dung điện áp thí nghiệm có hởng trực tiếp đến trình phóng điện cách điện nên kéo dài vô thêi h¹n  Khi thÝ nghiƯm víi ®iƯn cao ¸p xoay chiỊu, thêi t¸c dung c𸠮iƯn áp quy định phut, đủ để kiểm tra tình trạng cách điện bâng thị giác thíh giác Khi dùng điện cao áp chiều, tổn hao điện môi bé lên cách điện không bị phát nóng khòng bị phá hoại nh dùng điện cao áp xoay chiều, thời gian tồn điện áp lâu (10 20 phút) đồng thời mức điện áp thi nghiệm đợc tăng cao gấp rỡi gáp đôi so với điện áp xoay chìều Thí nghiệm điện áp chiều thtrờng đợc tiến hành đôí với thiết bị có điện dung lớn (cáp, máy điện, tụ điện ) yêu cầu công suất thiết bị thí nghiệm (nguồn) khòng lớn Trong qúa trình thí nghiệm kết hợp đo dòng điện rò xây dựng quan hệ vôn-ămpe để phối hợp kiểm tra tình trạng cách điện Trị số điện áp thí nghiệm điện ¸p chØnh lu mét chiỊu ®èi víi c¸c m¸y ®iƯn lấy (2,2á2,5) lần điện áp định mức Uđm Cách điện cáp điện áp định mức đến 10 kV thí nghiệm điện áp chiều (5á6)Uđm, điện áp định mức đến 10-35 kV điện áp thí nghiệm (4á5)Uđm Thêi gian thÝ nghiƯm 10-15  ... bền điện không cao đòi hỏi chất khí có đặc tính tốt tăng không ngừng Có nhiều chất khí đợc sử dụng làm vật liệu cách điện VậT LIệU CáCH đIệN Vật liệu Vật liệu Vật liệu cách điện cách điện cách điện. .. vật liệu cách điện thiết bị điện, số trờng hợp loại cách điện chủ yếu (ví dụ cách điện đờng dây tải điện không) Trong kết cấu cách điện thể rắn thể lỏng (cách điện máy biến áp, tụ điện, cáp điện) ,... Dầu mỏ cách điện 10.5 CáCH đIệN THể LỏNG Dầu cách điện tổng hợp 10.1 Giới thiệu Các điện môi lỏng từ lâu đà đợc sử dụng làm vật liệu cách điện máy biến áp, tụ điện cáp điện lực, máy cắt cao áp a)