BÀI GIẢNG: KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ CAO ÁP CẤU TẠO VẬT CHẤT

1 Vật liệu Kỹ thuật điện & cao áp Mở đầu Lịch sử phát triển khoa học vật liệu ãKhoảng 35 nghìn năm trớc đây, loài ngời thông minh (Homo Sapien) đà xuất trái đất ã30 nghìn năm sau đó, tức vào khoảng 3000 năm trớc công lịch, loài ngời đà phát minh chữ viết số học ãmÃi 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) ãSau lâu (khoảng năm 420 trớc Công nguyên), Leucippe sau Democrite đà phát triển thuyết cấu tạo nguyên tử lịch sử Thut cđa Democrite cã thĨ tỉng kÕt gi¶ 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 ã Nhng phải mÃi đến kỷ XVIII, đặc biệt sang kỷ XIX, thực nghiệm hoá học cho thấy tính chất đầy đủ nguyên tử ã Các khái niệm khối lợng nguyên tử, hoá trị xuất kỷ XIX 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 gãp nµo bỉ xung vµo t cđa thêi cỉ 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 đà 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 đà 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 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 đà đợc đặt cách khoa học công nghiệp Do vËy cã thĨ coi viƯc sư dơng réng r·i 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 ®· xuÊt hiÖn 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) Ngày nay, vật liệu cách điện nh polyethylen, nhựa epoxy, polyeste đà 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 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 đà định nghĩa phân loại vật liệu cách điện dẫn điện J Th Désaguliers tác giả thuật ngữ "isolator" (cách ly) conductor (vËt dÉn) C F de Cisternay du fay lµ ngêi hƯ thèng ho¸ c¸c quan s¸t cđa Gray Sigaud de la Fond (1777) đà 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 đ ợc 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 ®iƯn" ®a mét sè chØ sè cđa vËt liƯu cách điện : " ( ) muốn truyền tải điện đến vật có khả tiếp nhận đ ờng 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" 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 đà trở thành vật liệu đợc dùng rộng rÃi thời để cách ly vật dẫn máy điện Những nhà thực nghiệm kỷ XVIII đà tính máy điện phụ thuộc vào chất vật liƯu sư dơng cịng nh sơ thùc thi kü cµng 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 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 1.2.3 Vai trò vật liệu ®iÖn kü thuËt ®iÖn Trong lÜnh vùc kü thuËt 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 d 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 khái niệm điện dung phức C* điện dẫn phức Y C * *  C C '  C "  ' ( )Co  j " ( )Co   Y *  g  jb IR  "   tg   ' " "   IC  I R C  CoU  gU   I C bU 'CoU Suất tổn hao điện môi (công suất tổn hao đơn vị thể tích điện m«i) p b»ng p  o  "r E tg Trong công thức " đợc gọi số tổn hao điện môi (loss index) ' hệ số tổn hao (loss factor) 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 10 161015 Hz tợng "tích thoát" (relaxation) dao động cảu phân tử l ỡng 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 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 l ỡng 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 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  1 E o   o     1 E 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 1  exp        k=1/ có đơn vị thời gian đợc gọi thời gian tích thoát Dới tác dụng ®iƯn trêng xoay chiỊu E(t)=Eoexp(t) víi tÇn sè gãc , ta cã dPo ( t )   o   s     E( t ) Po ( t ) dt Phơng trình trªn cho ta nghiƯm sau  s   Po ( t )  o E( t )  j Theo định nghĩa vectơ cảm ứng điện D( t )  o  *r E( t ) MỈt khác ta lại có D(t ) o E (t )  P (t ) εo E (t )  Po (t )  P (t ) εo E (t )  εo εs  ε E (t )  εo  ε   1E (t )  jωτ  εs  ε    εs  ε  εo 1   ε   1 E (t ) εo   ε   E (t )   jωτ  1  jωτ  εs  ε  εs  ε   εo ε    j ωτ E (t ) 2 2  1 ω τ 1 ω τ Biểu thức nằm dấu ngoặc vuông số điện môi tơng đối r Với định nghiă số điện môi phức, có quan hÖ s        jt s   '  r      22 s   " r  2  1   * r   s   2    "r 1    tg     ' s    r     22 Trong tính toán xét đến trình phân cực mà cha xét ảnh hởng điện dẫn Trong trờng hợp có thành phần này, " s     2   1  " Trong điện môi cực tính (gồm tổn hao dẫn điện phân cực) tg đợc tÝnh bëi 4  s     2  " 1   tg  '   s        22 Sự phụ thuộc tg vào tần số đợc thể tg Tần số S Cole R H Cole (1941) chØ r»ng ®êng biĨu diƠn quan hƯ " ' dới dạng đồ thị cho tất dải tần số có dạng nửa đờng tròn Thực vậy, từ biểu thức " ,' biến đổi thiết lập phơng tr×nh sa   ' '  s          1                s       s          ' x  ' " 2 " s  '      0 ' "  s    s      x  y  "  y   Chúng ta biết phơng trình đờng tròn Ngời ta gọi biểu đồ ColeCole nửa phần đờng tròn s ε  =  =0 =1 ’ s εs Từ biểu thức biểu đồ Cole-Cole ta thấy =0 '=svà tiến đến ta có r= " =0 Với =1, " đạt giá trị cực đại 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 d 1=d2=d, đặt điện trờng xoay chiều Sơ đồ thay khối điện môi r d1 C1 R1 V1 V r Ta cã hÖ thøc sau d2 C2 R2 V2 U E (t )d1  E (t )d  E (t )  E (t ) d Trong c¸c tÝnh to¸n, c¸c ký hiƯu ký tự in hoa đợc hiểu đại lợng phức U Y1Y2 Mật độ dòng điện qua khối điện môi tính nh sau J  d Y1  Y2 §iƯn dÉn phøc cđa tõng điện môi tơng đơng hai lớp điện môi lµ Yj  j  i o  r 1  j o  r  2  i o  r   Y1Y2  Y  Y1  Y2 1  2  j o ( r r ) Với định nghĩa số điện môi phức, ta có 12   Y  c  o       Y  j o r1 r  j o       r1   r   r 1 r      r1  r Ta viết lại biểu thức điện dÉn Y díi d¹ng sau Y c  j o Ya Nếu ta đặt hay Ya Y  c  j o   Ya biĨu thÞ phần đóng góp tợng phân cực kết cÊu  r1   r   o 1  2 lµ h»ng sè thêi gian Ya  jωε oε   ε r1γ  ε r γ1  1  jωτ  γ1  γ   ε r1  ε r   ε r1γ  ε r γ1  gäih = h»ngsè hÊpthô  γ1  γ   ε r1ε r  jωε oε h ε oε ω2hτ ε oε ωh  Ya    j 1  jωτ   ω2 τ  ω2 τ Cuối ta có điện dẫn tơng đơng Y c  j o    Ya   o   h  o  h  Y c  j o     2  j 2 1     1      h h   Y c  o  2  j o         22 Từ ta có h h        1            22  "   22    tg =       h  o  "  '     h  o      c    c    o        o   22  ' 6.4 Sự phụ thuộc tg vào nhiệt độ Trong biểu thøc cđa tg, h»ng sè thêi gian tÝch tho¸t cđa phân cực chậm thay đổi theo nhiệt độ có thĨ biĨu diƠn b»ng biĨu thøc tg NhiƯt ®é ë 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 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 cã tỉn hao rÊt bÐ Víi nghÜa nµy chÊt khÝ 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 t Công suất tổn hao ion hoá ë tÇn sè f P  Af U  Uo với U Uo : A số; Vo điện áp bắt đầu xuất ion hoá 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 l ỡng 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 ... 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 : Kết cấu. .. 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... cách điện cao áp 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 Chơng : Cấu tạo vật chất