BÀI GIẢNG: KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ CAO ÁP PHÓNG ĐIỆN TRONG CHẤT ĐIỆN MÔI

CHươNGư7 PHóNGưđIệNưTRONGưđIệNưMôI 7.1ư Giớiưthiệu 7.2ư Phóngưđiệnưtrongưchânưkhông 7.3ư Phóngưđiệnưtrongưchấtưkhí 7.4ư Phóngưđiệnưtrongưchấtưlỏng 7.5ư Phóngưđiệnưtrongưchấtưrắn 7.6ư Phóngưđiệnưxungưkích 7.7ư Phóngưđiệnưvầngưquang 7.8ư Phóngưđiệnưdọcưtheoưbềưmặtưcáchưđiệnưrắn 7.9ư Phóngưđiệnưcụcưbộ 7.1 Giới thiệu Tính chất môi trờng điện môi không khả có điện dung lớn mà quan khả cách điện có điện dẫn bé Các chất điện môi có điện trở suất cao đợc dùng để cách điện cho vật dẫn cố điện khác Điện áp đặt lên vật liệu cách điện điện trờng tăng giới hạn Khi có điện trờng đặt đủ lớn lên hai điện cực với môi trờng cách điện (chân không điện môi) xảy trình đặc biệt Môi trờng vốn đợc xem cách điện bị nèi liỊn b»ng tia lưa ®iƯn (hå quang) cã ®iƯn dẫn cao Ngời ta gọi tợng phóng điện chọc thủng Các chất khí chất lỏng cách điện, phóng điện chọc thủng phải vĩnh cửu Vật liệu tính chất cách điện t¹m thêi thêi gian tån t¹i hå quang NÕu ta cắt nguồn điện áp gây phóng điện, vật liệu lại có khả chịu điện áp tác dụng caô đến bị phóng điện trở lại Trong vật liệu cách điện thể rắn, phóng điện chọc thủng trình không ngợc đợc Phóng điện dẫn đến hình thành kênh dẫn dẫn đến phá huỷ vĩnh cửu Với hiểu biết tính chất dẫn điện phân cực điện môi đà trình bày chơng trớc, việc nghiên cứu sâu trình hình thành phóng điện cần thiết Sự hiểu biết chế hình thành, diễn biến trình yếu tố ảnh hởng cho phép có biện pháp ngăn ngừa phóng điện thiết kế, vận hành thiết bị điện nh dự báo Phóng điện chọc thủng tợng quan trọng thiết bị điện đặc biệt đo với cách điện thiết bị cao áp Khi có cố hỏng hóc cách điện, chế độ làm việc bình thờng thiết bị hệ thống điện không đợc đảm bảo Tuy nhiên cần phân biệt hai khái niệm đợc gọi phóng điện sau: Phóng điện phần (discharge) - dạng phóng điện nói chung, không hoàn toàn ví dụ nh phóng điện vầng quang, phóng điện cục Phóng điện chọc thủng (breakdown) dạng phóng điện hồan toàn, toàn không gian hai điện cực bị ngắn mạch tia lửa điện Có thể xem nh giai đoạn cuối phóng điện với ta nâng điện áp đặt lên vật cách điện vợt ngỡng phóng điện cục đến lúc xảy phóng điện Để đặc trng cho khả vật liệu cách điện làm việc lâu dài dới tác dụng điện áp điện trờng cao ngời ta thờng dùng khái niệm độ bền điện, cờng độ điện trờng cực đại đặt lên vật liệu mà không dẫn đến phóng điện Ngời ta dùng khái niện cờng độ điện trờng xảy phóng điện Đại lợng phụ thuộc vào nhiều u tè ®é ®ång nhÊt cđa ®iƯn trêng (kÝch thíc hình học, khoảng cách đ chất trạng thái bề mặt điện cực sử dụng để thí nghiệm quy trình thử nghiệm, thời gian tác dụng điện áp điều kiện môi trờng (nhiệt độ, áp st, ®é Èm), ®é nhiƠm bÈn cđa vËt liƯu (khut tật, tạp chất điện áp xoay chiều, chiều điện áp xung Một yếu tố ảnh hởng đến độ bền điện chất cách điện, đặc biệt cách điện thể rắn điện trờng phóng điện phụ thuộc vào độ dày mẫu thử Các mẫu kết cấu cách điện dày tích vật liệu lớn có xác suất chứa khuyết tật nhiều dẫn đến phóng điện điện trờng thấp Môi trờng cách Độ bền điện Ghi điện Không khí, at 31,7 kV/cm, 60 khe hë 1cm Hz khÝ SF6 Polybutene 79,3 kV/cm, sử dụng máy cắt để tránh phóng 60Hz ®iƯn >138 kV/cm ChÊt láng sư dơng ®Ĩ tÈm cách điện cáp cao áp dầu MBA kV/cm Ngoài phải nói128 thêm dới tác dụng điện trờng điều kiện làm, polypropylene - 314 kV/cm tính chất cách điện 295 vật liệu bị giảm sút Quá trình già cỗi vật liệu (lÃo hoá) thờng làm tăng điện dẫn, giảm độ bền cách đ Để so sánh vật liệu cách điện theo độ bền điện, ngời ta tiến hành đo điện áp phóng điện điều kiện thí nghiệm nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn Các quy trình tiêu chuẩn thí nghiệm phóng điện điện môi không hoàn toàn giống Ví dụ để xác định độ bền điện củả chất lỏng cách điện Quy chuẩn thiết bị thí nghiệm Quy trình thí nghiệm Xử lý số liệu Ví dụ để xác định độ bền điện chất rắn cách điện Quyưchuẩnưthiếtưbịưthíưnghiệm 1.ưBìnhưđựngưdầu Cốc đo độ bền điện chất lỏng (tiêu chuẩn IEC156) Bình sứ tích vào khoảng 300-500 cm Trong bình có gắn cực mà khoảng cách chúng thay đổi đợc Mặt cực yêu cầu phải sử lý thật cẩn thận trình sử dụng bình thí nghiệm phải thờng xuyên kiểm tra trạng thái bề mặt cực Mức dầu bình phải cao mép cực 15 mm 2.ưNguồn Dạng điện áp thí nghiệp : xoay chiều, công suất, độ méo hình sin không q Tốc độ tăng điện áp : kV/s Quyưtrìnhưthíưnghiệm 1.ưLấyưmẫuưdầu cần đặc biệt ý tới cách lấy mẫu dầu việc lấy mẫu không theo qui định làm cho kết thí nghiệm sai lệch đa đến kết luận sai lầm phẩm chất dầu Theo qui trình kiểm tra chất lợng dầu máy biến áp máy cắt điện mẫu dầu thí nghiệm phải đợc lấy từ thùng máy biến áp hay máy cắt đợc đựng chai thủy tinh khô, sạch, đậy nút, có gắn xi parafin Để lấy mẫu dầu phải mở vòi phía dới thùng dầu, dầu chảy để rửa vòi, sau để chai vào lấy dầu Để cho không khí ẩm không xâm nhập vào mẫu dầu nên lấy mẫu thời tiết khô khô, lợng dầu lấy để thí nghiệm phải đợc lít Nếu vào mùa đông trớc tiến hành thí nghiệm cần phải đợc để dầu phòng thí nghiệm khoảng thời gian 8-12 dầu có nhiệt độ phòng 2.ưKiểmưtraưbìnhưthửưdầuưvàưcáchưđổưdầuưvàoưbình Trớc đổ dầu vào bình thử dầu cần kiểm tra kỹ tình trạng bình trạng thái mặt cực Khi đổ dầu vào bình dù bình đà khô nhng cần rửa lại bình dầu 2,3 lần Khi rửa nên rót dầu lên mặt cực để rửa vệt dầu than sót lại mặt cực từ lần thí nghiệm trớc Sau đổ dầu vào bình phải đợi độ 10-15 phút sau tiến hành thí nghiệm hạt khí dầu thoát Xửưlýưsốưliệu Trong lần phóng điện lấy kết lần sau (từ lần thứ đến lần thứ 6), bỏ kết lần phóng điện thứ cho ban đầu, mặt cực có tạp chất nên kết sai lệch U ct ( t binh ) = ∑ U cti i =2 Từ kết tính điện áp phóng điện trung bình (của lần sau cùng) tính cờng độ cách điện dầu theo công thức Ed = U ct ( t binh ) s T¬ng tự nh điện trở suất, đơn vị nghịch đảo nhiệt dẫn suất đợc gọi hệ số dẫn nhiệt cđa vËt liƯu VËt liƯu HƯ sè nhiƯt dÉn st W/(m.K) VËt liƯu HƯ sè nhiƯt dÉn st W/(m.K) Kh«ng khÝ 0.05 Gèm sø 1.6 Bitum 0.07 Graphit 18 GiÊy cellulose 0.10 O xit nhôm Al2O3 30 Vải tẩm 0.13 O xit magie 36 Hetilac 0.35 Sắt 68 Thạch anh 1.25 Nhôm 296 Đồng 390 7.1.2ưNhiệtưdung Khi ta truyên cho vật liệu nhiệt lợng Q, nhiệt độ vật tăng lên T hấp thu n T = Q CT CT gäi lµ nhiƯt dung cđa vËt liƯu vµ có đơn vị J/K Một vật đồng có khối lơng M, nhiệt dung điện trở C T = cM c suất nhiệt dung J/(kg.K) 7.1.3ưTínhưchịuưnóngưvàưđộưbềnưnhiệtư Một yêu cầu quan trọng vật liệu cách điện khả làm việc lâu dài d ới tác dụng nhiệt độ cao mà không biến đổi tính chất Tính chịu nhiệt đợc đặc trng độ bền chịu nóng Ngoài thay đổi xấu tính chất cách điện, dới tác dụng lâu dài nhiệt ®é cao cã thĨ quan s¸t thÊy c¸c thay ®ỉi không mong muốn trình hoá học chậm : gìa cỗi hay lÃo hoá nhiệt vật liệu cách điện Ví dụ dầu máy biến áp trình sinh sản phẩm oxy hoá, màng sơn trình già cỗi hoá làm cho vật liệu trở nên giòn, cứng Nhiệt độ làm việc cho phép vật liệu xác định nhiều yếu tố khác Từ kết thử nghiệm vật liệu cách điện, ngời ta thấy độ bền vật liệu ®èi víi c¸c t¸c ®éng nhiƯt c¸c ®iỊu kiƯn khác không giống Ví dụ vật liệu chịu đun nóng ngân hạn đến nhiệt độ cao nhng lại không bền vững với tác động lâu dài nhiệt độ thấp Hoặc có vật liệu chịu đựng lâu dài nhiệt độ cao Độ bền chịu nóng vật liệu cách điện khả chịu đựng tác động nhiệt độ cao thời gian vận hành thiết bị mà không suy giảm tính chất Để xác định độ bền chịu nóng thÝ nghiƯm vËt liƯu toµn bé thêi gian phơc vụ mà ngời ta tăng tốc thử nghiệm miền nhiệt độ tơng đối cao sau vẽ đồ thị quan hệ thời gian nhiệt độ với trục hoành logarithme thời gian Quan hệ đợc ngoại suy, thờng với thời gian 20.000 làm việc Ngời ta phân loại vật liệu theo cấp nhiệt, nhiệt độ làm việc lớn cho phép khoảng thời gian lâu dài Tiêu chuẩn IEC 85 (International Electrotechic Commission - Héi ®ång ®iƯn lùc qc tÕ) quy định cấp nhiệt khác đối voéi laọi cách điện bên Đối với loại quy định nhiệt độ làm việc, nhiệt độ lớn làm việc lâu dài vật liệu thiết bị điện (trong thời gian nhiều năm) Năm 1984, IEC xuất ấn phẩm số IEC 85 giữ lại tất cấp nhiệt từ Y đến H nhng thay ký hiệu chữ số ứng với nhiệt độ làm việc lớn gäi lµ chØ sè nhiƯt (90; 105; 120; 130; 155 180), cấp C đợc thay cấp 200; 220 250 Với nhiệt độ làm việc cao cho phép có thêm cấp 275, 300 v.v (cách 25C) Thời gian gần đây, việc đánh giá cấp nhiệt với vật liệu đơn lẻ mà cho kết cấu cách điện thiết bị Ký hiệu Nhiệt độ cấp nhiệt làm việc o độ C Vật liệu Y 90 vật liệu gốc cellulose sợi không qua sấy tẩm không ngâm chất lỏng cách điện lỏng A 105 vật liệu nh cấp Y nhng qua sấy tẩm đợc ngâm chất lỏng cách điện E 120 màng chất dẻo hữu B 130 Các vật liệu vô : mica, thủ tinh, sỵi amian kÕt hỵp víi mét sè loại nhựa hữu F 155 Các loại vật liệu vô : micanit, sợi thuỷ tinh với nhựa liên kết có độ chịu nóng cao H 180 Tơng đơng loại F nhng dùng nhựa liên kết gốc silic có độ bền chịu nóng cực cao C >180 vật liệu tuý vô nh mica, gốm, sứ, thuỷ tinh chất kết dính 7.2 Tính hút ẩm thấm ẩm Rất nhiều vật liệu cách ®iƯn ë møc ®é kh¸c ®Ịu hót Èm tøc khả hút ẩm từ môi trờng xung quanh thấm ẩm có nghĩa khả cho ẩm thấu qua Do nớc điện môi cực tính mạnh nên bị hút ẩm tính chất cách điện vật liệu cách điện thờng thay ®ỉi theo chiỊu híng xÊu ®i : ®iƯn dÉn tăng, điện áp phóng điện điện môi dọc theo bề mặt cách điện giảm, tổn hao tăng 7.2.1ưTínhưhútưẩm Một mẫu vật liệu cách điện đặt môi trờng có độ ẩm tơng đối , nhiệt độ T, sau thời gian định độ ẩm hay hàm lợng nớc vật liêu đạt giá trị giới hạn gọi độ ẩm cân Một mẫu vật liệu vốn khô đặt môi trờng có độ ẩm cao % hấp thụ nớc từ môi trờng khiến độ ẩm vật liệu (hàm lợng nớc đon vị khối lợng vật liệu) tăng lên Ngợc lại độ ẩm vật liệu lớn nhiệt độ môi trờng độ ẩm giảm dần đến giá trị cân Đối với vật liệu khác nhau, độ ẩm cân không giống Tính hút ẩm vật liệu cách điện bị ảnh hởng cấu tạo chúng, vai trò mao dẫn bên vật liệu đóng vai trò quan trọng Các vật liệu xốp nh giấy, sợi hút ẩm Trong số trờng hợp, cách điện không tiếp xúc với không khí ẩm mà trực tiếp với nớc (ví dụ nh cách điện thiết bị trời, cách điện thiết bị điện tàu ) nên sử dụng khái niệm độ thấm nớc 7.2.2ưThấmưẩm Tiêu chuẩn đặc biệt quan trọng để đánh giá chất lợng vật liệu dùng để 7.2.3ưSựưngưngưtụưhơiưnướcưtrênưbềưmặtưđiệnưmôi Hơi nớc không khí ngng tụ bề mặt điện môi rắn hình thành màng nớc có độ dày phụ thuộc vào độ ẩm không khí khả bám dính vật liệu Cùng với tạp chÊt sù « nhiƠm cđa m«i trêng, líp bơi ẩm bám bề mặt cách điện rắn làm tăng đáng kể điện dẫn giảm điện áp phóng điện bề mặt Các vật liệu không bám dính điện dẫn suất mặt giảm tiếp xúc với môi tr ờng ẩm nớc, kể trờng hợp đọng lại dới dạng suơng tạo thành giọt riêng rẽ lớp màng nớc 7.2.4ưBiệnưphápưhạnưchếưảnhưhưởngưdoưhơiưẩm Để giảm độ thấm ẩm hút ẩm vật liệu xốp, cần phải loại bỏ nớc có điện môi phơng pháp sấy kết hợp hút chân không phơng pháp hoá học Sau cần ngâm tẩm sơn phủ vật liệu hút ẩm thấm ẩm để ngăn chặn ẩm lọt vào bên Trong sử dụng hạn chế tiếp xúc với môi trờng Èm (vÝ dơ nh c¸c hép läc khÝ b»ng sicagel máy biến áp) Trờng hợp bề mặt bị ô nhiễm phải làm vệ sinh để loại bỏ bẩn bụi ẩm 7.3 Độ hoà tan khả hoà tan 7.4 Tính chất hoá học Độ bền hoá học vật liệu cách điện nghĩa khả không bị phân huỷ hoá học tiếp xóc víi c¸c vËt liƯu kh¸c (khÝ, níc, axit, kiỊm, dung dịch muối) đa dạng Để xá định độ bến hoá học, mẫu vật liệu đợc đặt lâu dài điều kiện gần với điều kiện làm việc theo quan điểm lựa chọn môi trờng hoá học, nhiệt độ , sau xác định thay đối bên ngoài, thay đổi khối lợng tham số khác mẫu 7.5 Tính chất học Trong nhiều trờng hợp điện môi phải chịu tác dụng ứng lực khí Vì độbền c¬ häc cã ý nghÜa thùc tÕ quan träng trờng hợp đòi hỏi độ bền học cao, vật liệu cách điện phải có khả làm việc lâu dài hay ngắn hạn không bị biến dạng lực học 7.5.1ư Độưbềnưkhiưuốn,ưkéoưvàưnén ộ bền kéo, uốn nén vật liệu cách điện thay đổi lớn từ vật liệu đến vật liệu 7.5.2ư Tínhưgiòn Tính giòn biểu thị khả vật liệu chịu tải học động 7.5.3ư Độưcứng Độ cứng biểu thị khả bề mặt kim loại chống lại biến dạng gây lực nén truyền từ vật liệu có kích thớc bé 7.6 Độ nhớt Một tính chất quan trọng vật liệu thể lỏng vật liệu vô định hình nhớt (nhựa, compound, thuỷ tinh nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy) độ nhớt Tính chất ảnh hởng đến công nghệ vật liệu cách điện (ngâm, tẩm ) khả truyền nhiệt Ngời ta phân biệt hai loại độ nhớt : độ nhít ®éng lùc häc (®é nhít tut ®èi hay hƯ số ma sát bên trong) độ nhớt động học §é nhít ®éng lùc häc (dynamic viscosity) ηhay ®é nhít tuyệt đối lực cản bên hai lớp chất lỏng có diện tích đơn vị (m2) nằm cách đơn vị khoảng cách (m) cách điện với vận tốc đơn vị (m/s) Đon vị độ nhớt động lực học Pa.s Độ nhớt chất lỏng giảm nhiệt độ tăng theo mét biĨu thøc d¹ng lg η = A + B( T To ) A, B số T=273,15 K Độ nhớt động học (kinematic viscosity) tỷ lệ độ nhớt động lực học tỷ trọng Đơn vị m2/s Trong lĩnh vực cách điện, sử dụng khái niệm độ nhớt tơng đối Vận tốc vật thể hình cầu bán kính r chuyển động môi trờng có độ nhớt dới tác dụng lực không đổi v= Đó nội dung định luật Stocke F 6r ... Chênh lệch trị số điện áp phóng điện vầng quang điện áp phóng điện chọc thủng lớn điện trờng không đồng Hơn điện trờng không đồng điện áp phóng điện chọc thủng bé so với điện áp phóng ®iƯn chäc... thiệu Tính chất môi trờng điện môi không khả có điện dung lớn mà quan khả cách điện có điện dẫn bé Các chất điện môi có điện trở suất cao đợc dùng để cách điện cho vật dẫn cố điện khác Điện áp đặt... nguồn điện áp gây phóng điện, vật liệu lại có khả chịu điện áp tác dụng caô đến bị phóng điện trở lại Trong vật liệu cách điện thể rắn, phóng điện chọc thủng trình không ngợc đợc Phóng điện dẫn