Đang tải... (xem toàn văn)
- Åí âiãöu kiãûn bçnh thæåìng vaì âiãûn træåìng tháúp, täøn hao âiãûn mäi khê chè do doìng roì gáy ra coìn täøn hao do phán cæûc trong âiãûn mäi khê háöu nhæ khäng âaïng kãø (vç máût âä[r]
(1)Bài Giảng Môn Học Vật Liệu Điện
Chỉång7
TỔN HAO ĐIỆN MƠI
I Khái niệm chung 1.1 Một số định nghĩa:
1.1.1 Công suất tổn hao điện môi phần lượng toả bên điện môi đơn vị thời gian làm cho điện mơi nóng lên có điện áp đặt vào điện mơi
Kí hiệu P[W]
1.1.2 Suất tổn hao điện mơi: là phần cơng suất điện mơi tính cho đơn vị thể tích điện mơi Tức lượng toả bên điện môi
trong đơn vị thời gian đơn vị thể tích có điện áp tác dụng vào
Kí hiệu p = ( 3) m
W V P
1.1.3 Góc tổn hao điện mơi: góc phụ góc lệch pha dịng điện chạy điện môi điện áp tác dụng lên điện mơi
Kí hiệu: δ với δ =90o −ϕ (độ)
1.2 Sơ đồ thay tính tổn thất điện môi:
Đối với khối điện mơi bất kì, tác dụng điện trường đặc trưng bỡi đại lượng : C( điện dung điện môi) điện trở R điện mơi
Để đơn giản tính tốn, đại lượng ghép nối tiếp song song (giá trị đại lượng khác nhau) Ta có dạng sơ đồ
Trong đó: Cs Cp đại lượng đặc trưng cho tượng phân cực điện mơi rs Rp đại lượng thể tính dẫn điện điện môi
+ Trong sơ đồ nối tiếp rs =0 khơng có tổn thất điện mơi, rs tăng lên tổn thất tăng
+ Trong sơ đồ nối song song Rp -> ∞ khơng có tổn thất điện mơi, Rp nhỏ tổn thất tăng lên
ϕ
δ
I
U
Cs rs
Cp Rp
(2)Bài Giảng Mơn Học Vật Liệu Điện
1.3 Cách tính tổn thất điện mơi:
Cạch tênh:
-Dù sơ đồ thay dạng đưa dạng : sơ đồ nối tiếp sơ đồ song song
-Vẽ đồ thị vecto
-Xác định góc lệch pha => góc tổn hao điện môi -Xác định công suất tổn hao điện môi
1.3.1 Tính tổn hao điện mơi sơ đồ nối tiếp:
Theo định luật kiffsof: ) /(
.rs jI Csω
I U = − Theo đồ thị vectơ ta có tgδ =cotgϕ =
) /( ω s s C I r I
=rsCs.ω Công suất tổn hao điênû môi:
Ps = rs.I2 = r s
)
(r 2
s 2 ω s C U + = δ δ ω ω
ω 2
2 2 ) ( ) ( tg tg U C C r U C r s s s s s + = +
1.3.2 Trong sơ đồ song song:
Theo định luật kiffsof: ω p p C U j R U I = + Theo đồ thị vectơ ta có
tgδ =cotgϕ =
ω p p UC R U = ω p pC R
Pp=Rp.I2 R= p p R U R 2 = ω δ ω ω tg U C C R U C R U p p p p p
2
2
= =
Vậy sơ đồ tổn hao điện môi phụ thuộc vào tgδ
1.3.3 Mối quan hệ sơ đồ:
Do sơ đồ thay cho khối điện môi tổn hao điện môi hai sơ đồ góc tổn hao phải
+ Tổn hao sơ đồ nhau: Ps = Pp => Cp.ω.U tgδ
=
δ δ
ω 2
1 tg tg U Cs + => Cp=
δ tg Cs + I.rs
I/(Cp.ω) U
I
U.Cp.ω
(3)Bài Giảng Môn Học Vật Liệu Điện
+ Góc tổn hao điện mơi nhau: tgδ =
ω
p pC
R = rsCs.ω Thế Cp vào =>
ω δ s pC R tg +
= rsCs.ω => Rp = 2 2 ) ( ) ( ) ( ) ( δ δ ω δ tg tg r C r tg r s s s s + = +
Do điện mơi, mạch có tính dung lớn nên tgδ <<1
Ư Cp ≈Cs v Rp = ) ) ( 1 ( 2 δ tg
rs + >> rs
1.3.4 Suất tổn hao điện môi
P= Cp.ω.U tgδ
=C.ω.U2.tgδ Với: C=ε.C0
9 10 π
ε = (F/m); C
d S
0=ε với d(m) khoảng cách cực; S(m2) diện tích bề mặt cực U=E.d với E(V/m) cường độ điện trường khe hở
f 2π
ω = f tần số điện áp đặt vào => P=C.ω.U2.tgδ =ε 9
10
.π d S
.2.π.f E2.d2.tgδ =ε.
9 10 18
1
.f E
2.S.d.tgδ
p = V
P
=ε 9 10 18
1
f E
2.tgδ =kE2
với : k= ε 9 10 18
1
f tgδ (W/V
2m)
1.4 Các nguyên nhân gây tổn hao điện môi: 1.4.1 Tổn hao điện môi phân cực:
- Tổn hao tượng phân cực chậm gây ra, thường thấy chất có cấu tạo lưỡng cực cấu tạo ion ràng buộc không chặc chẽ
- Tổn thất gây phá huỷ chuyển động nhiệt ion phân tử lưỡng cực tác dụng điện trường, phá huỷ trạng thái làm mát lượng làm cho điện mơi bị nóng lên
- Tổn hao phân cực tăng theo tần số điện áp đặt vào điện môi
- Tổn hao phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, tổn hao đạt cực đại nhiệt độ định đặc trưng cho chất điện môi
1.4.2 Tổn hao điện dẫn rị:
Trong chất điện mơi tồn điện tử tự do, tác dụng điện trường điện tử tự dịch chuyển theo chiều tác dụng điện trường, tạo nên dòng điện rò Dòng rò này, kết hợp với điện trở điện môi gây nên tổn thất nhiệt
Tổn hao dòng rò xác định
(4)Băi Giảng Môn Học Vật Liệu Điện Trong : ε số điện môi
f tần số điện áp
ρ điện trở suất khối điện mơi (Ω.cm) Khi nhiệt độ tăng tổn hao điện mơi tăng P=Po eα.t
Trong đó: Po tổn hao nhiệt độ 20oC
α hệ số nhiệt
T độ chênh nhiệt so với 20oC
1.4.3 Tổn hao ion hoá:
Tổn thất thường gặp chất khí, mơi trường khí có xảy ion hố Tổn thất tính theo cơng thức
Pi = Ai.f.(U-Uo)3
Trong đó: Ai số chất khí
f tần số điện áp đặt vào
Uo điện áp bắt đầu gây ion hố chất khí
Trị số Uo phụ thuộc vào loại chất khí, nhiệt độ áp suất làm việc chất khí.Tuy nhiên, cịn tuỳ thuộc vào mức độ đồng điện trường Cùng giá trị điện áp đặt vào điện trường khó gây ion hố so với điện trường
1.4.4 Tổn hao cấu tạo không đồng nhất:
Tổn thất xảy vật liệu có cấu tạo khơng đồng Để xác định tổn hao điện môi trường hợp ta phải xem điện môi gồm điện môi ghép nối tiếp
Góc tổn hao điện mơi xác định N M
m n tg
ω ω
ω δ
+ + =
Với m = R1+R2
n=C22.R22R1 +C21.R21R2; M=C1R21+C2R22;N=C22.R22.C1.R21+C21.R21.C2.R22;
II Tổn hao điện môi khí:
- Ơí điều kiện bình thường điện trường thấp, tổn hao điện mơi khí dịng rò gây tổn hao phân cực điện mơi khí khơng đáng kể (vì mật độ phân tử thấp nên tác dụng điện trường phân tử lưỡng cực phân cực không gây nên tổn thất ) Khi góc tổn hao điện môi xác định theo:
R1 R2
C1 C2
1 γ
ε ; ε2;γ2
(5)Bài Giảng Môn Học Vật Liệu Điện
tg
f
10 ,
1 12
ρ ε
δ =
Vê dủ: khäng khê cọ ρ=1018(Ω.cm);ε≈1;f =50Hz=>tgδ≤4.10−8
- Khi điện áp đặt vào điện mơi lớn để q trình ion hố va chạm xảy ra, điện mơi ngồi tổn hao dịng rị cịn có tổn hao phân cực Do tổn hao điện mơi khí có trị số lớn Tổn thất công suất xác định sau
P= U2ω.C.tgδ P= Ai.f.(U-Uo)3
- Như ta thấy lúc tgδ hàm phụ thuộc vào điện áp Quan hệ tgδ = f(U) sau
Giải thích: đường cong chia làm thành đoạn + Khi U<Uo Trong điện mơi có tổn hao dịng rị gây Do số lượng điện tích tự trái dấu xảy tượng tái hợp điện áp tăng Nên tgδ tăng lên theo điện áp
+ Khi U≥Uo chất khí xảy q trình ion hố va chạm, tạo số lượng điện tích tự lớn, nên tgδ tăng lên
+ Khi U>UB hầu hết phân tử bị ion hoá số phân tử tham gia ion hố giảm hay tgδ giảm
- Ơí tầng số cao tượng ion hoá tổn hao điện mơi tăng đến mức làm cho điện môi bị cháy phá huỷ
III Tổn hao điện mơi rắn
3.1 Điện mơi rắn có cấu tạo phân tử:
Với điện môi rắn có cấu tạo phân tử khơng phân cực khơng chứa tạp chất, tổn hao không đáng kể chủ yếu điện dẫn gây nên Các chất thường sử dụng thiết bị vô tuyến
3.2 Với chất rắn có cấu tạo phân cực:
Tổn thất điện môi chất bao gồm tổn hao điện dẫn tổn hao tượng phân cực gây nên Trong tổn hao chiếm tỷ lệ lớn
Tổn hao điện môi tăng lên tần số tăng có trị số lớn tần số siêu cao Vì vậy, điện môi không dùng thiết bị vơ tuyến
3.3 Điện mơi rắn có cấu tạo ion:
3.3.1Điện mơi rắn có cấu tạo ion ràng buộc chặc chẽ khơng có tạp chất làm biến dạng mạng lưới tinh thể tổn thất có giá trị bé Khi nhiệt độ tăng điện dẫn tăng nên tổn thất tăng
3.3.2 Điện mơi có cấu tạo ion ràng buộc không chặc chẽ:
+ Với chất có khả kết tinh: đặc trưng phân cực chậm làm tăng tổn thất điện môi
tgδ
(6)Bài Giảng Môn Học Vật Liệu Điện
+ Với điện môikhông kết tinh: Thuỷ tinh hữu bao gồm tổn thất phân cực điện dẫn dây nên
3.4 Tổn thất điện mơi rắn có cấu tạo khơng đồng :
Điện môi không đồng điện mơi có pha chất trộn lẫn mặt học với không tác dụng hố học với Ví dụ gốm sứ cơng nghệ cao (Pha chất tinh thể, pha chất thuỷ tinh, pha chất khí) Tổn thất điện mơi khí phụ thuộc vào:
+ Đặc điểm tỷ lệ khối lượng pha chất gốm
+ Pha thể khí làm tăng tổn thất điện mơivì điện trường lớn gây nên ion hố chất khí
Ngồi ra, có tạp chất bán dẫn dẫn điện điện tử có lỗ hổng tổn thất tăng lên
IV Tổn hao điện môi lỏng 4.1 Điện mơi lỏng trung tính:
Tổn hao điện môi điện dẫn gây nên chất không chứa phân tử lưỡng cực Đối với chất lỏng tinh khuyết điện dẫn bé cơng suất tổn hao bé Trị số tgδ xác định theo cơng thức
tg
f
10 ,
1 12
ρ ε
δ =
Ví dụ: Dầu máy biến áp ρ=1015(Ω.cm);ε≈2,2;f =50Hz=>tgδ≤1,8.10−5 So với chất khí tgδ có trị số bé so với dầu máy biến áp
4.2 Đối với chất lỏng cực tính:
- Tuỳ theo điều kiện nhiệt độ, tần số tổn thất điện dẫn gây nên cịn có tổn thất phân cực lưỡng cực chậm gây nên Do đó, cơng suất tổn hao thường có trị số lớn
- Quan hệ tổn hao điện môi nhiệt độ: Mỗi điện môi đạt trị số cực đại nhiệt độ định tuỳ đặc trưng cho chất điện môi
- Quan hệ tổn hao điện môi tần số điện áp đặt vào: tgδ P
f to tgδ
f1 f2>f1
(7)Bài Giảng Môn Học Vật Liệu Điện
Nhận xét: Khi tần số f tăng lên điểm cực đại tgδ dịch chuyển dần phía nhiệt độ cao
Tên điện môi ε tgδ nhiệt độ 20oC f=106Hz
Ghi chuï