PHÁ HỦY ĐIỆNMÔ

C- Phân loại điệnmô

4- PHÁ HỦY ĐIỆNMÔ

Đặt điện môi trong điện trường, trong điện môi có sự phân cực, dẫn điện, tổn hao điện môi. Nếu trường xoay chiều thì dòng cách điện Icd tăng đồng thời dòng điện chung Ic cũng tăng, tổn hao điện môi cũng tăng theo. Nếu điện trường quá lớn sẽ xảy ra sự phá hủy điện môi, điện môi bị chọc thủng, dòng điện sẽ tăng vọt. Tại điểm P ( 

dU

dI ) hình thành trong điện môi kênh dẫn chọc thủng điện môi (ngắn mạch giữa 2 cực). Sau đó điện áp được giảm xuống do điện trở cách điện giảm xuống.

Cường độ điện trường trong điện môi tại vị trí và thời điểm chọc thủng

h U

Ec c gọi là độ bền điện với: UClà điện áp chọc thủng.

a- Phá hủy điện môi khí

Sự phá hủy điện môi khí phụ thuộc vào thành phần hóa học của chất khí và áp suất, nhiệt độ, khoảng cách giữa 2 điện cưc, kích thước và hình dáng điện cực. Nguyên nhân là do hiện tượng ion hóa va chạm và ion hóa quang. Nếu điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng xảy ra đột ngột. VD: Khi tăng điện áp giữa 2 điện cực hình cầu cách nhau một khoảng h ( với hr) thì sẽ xuất hiện phá hủy điện môi khí chọc thủng tất cả khoảng không khí giữa 2 điện cực ở dạng tia lửa, nếu công suất đủ lớn sẽ hình thành cung lửa.

Nếu điện trường không đồng nhất, trước khi chất khí bị đánh thủng sẽ có hiện tượng vầng quang điện làm thay đổi tính chất hóa học của chất khí trong thể tích bị vầng quang. Tăng điện áp lên nữa thì vầng quang phát triển ngày càng rộng và cuối cùng xảy ra hiện tượng phóng điện hoàn toàn giữa các điện cực. Khi áp suất hạ xuống tới 1 giá trị nào đó thì độ bền điện giảm tới giá trị cực tiểu sau đó

UCP P I

0

Hình 3.10-Quan hệ giữa dòng điện và điện áp đặt lên điện môi

Biên soạn: Phạm Thị Nga 68

lại tăng rất nhanh. Trong chất khí thường xuyên có một số điện tích tự do như điện tử, ion dương, ion âm… Khi đặt điện trường lên chất khí, các hạt sẽ có vận tốc và động năng. Khi va chạm với các phần tử trung hòa nếu động năng hạt đạt tới giá trị đủ để ion hóa chất khí thì hạt sẽ chia các phần tử trung hòa thành các điện tích dương và điện tử. Các điện tích được hình thành lại tiếp tục chuyển động tiếp tục bắn phá. Cứ như vậy quá trình này phát sinh cho tới khi chọc thủng khoảng không khí. Aùp suất tăng (nhiệt độ không đổi) thì mật độ không khí tăng, độ dài bước tự do  giảm, năng lượng (tức động năng) W = E.q. giảm, độ bền cách điện ( E) phải tăng.

b- Phá hủy điện môi lỏng

Điện môi lỏng thường là dầu mỏ cách điện, chúng là hỗn hợp của các điện môi có cực và điện môi không cực có nguồn gốc cácbon.

Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới độ bền điện của chất lỏng là mức độ làm sạch tạp chất chứa trong nó, đầu tiên là nước (nồng độ chiếm 0,01% cũng đủ để làm giảm độ bền cách điện xuống còn 50% làm dầu không đủ chất lượng để sử dụng).

Dưới tác động của điện trường các hạt nước tồn tại trong dầu dưới dạng nhũ tương và bị kéo dài theo hướng của điện trường, chia thành những giọt nhỏ tạo thành mắt xích và bị lôi kéo tới nơi có điện trường mạnh hơn hay là tới các điện cực làm điện áp chọc thủng của dầu giảm xuống nhanh chóng. Các bọt khí cũng bị lôi kéo tới vùng có điện trường mạnh (các bọt khí trong trường mạnh dễ bị ion hóa, hệ số điện môi lúc đó có giá trị cao hơn hẳn hệ số điện môi của dầu). Các tạp chất có sợi như sợi giấy, sợi vải … hút nước trở thành tạp chất nửa dẫn điện và hệ số điện môi tăng rất nhanh, chúng bị lôi kéo rất nhanh tới vùng điện trường lớn, tạo thành mũi nhọn hướng vào điện cực làm điều kiện bị chọc thủng của dầu dễ dàng hơn.

Sự thay đổi áp suất và nhiệt độ không ảnh hưởng mấy tới độ bền cách điện. Trong nhiều thiết bị cao áp, ta thường phân nhỏ tạp chất làm cho chúng phân bố đều đặn theo thể tích của điện môi lỏng. Tuy nhiên độ bền chỉ tăng khi thời gian đặt điện áp ngắn vì ở thời gian này các tạp chất nhỏ chưa kịp hình thành những mắt xích dẫn đến chọc thủng điện môi (để mắt xích kịp hình thành cần có 0,1 đến 1 giây)

c- Sự phá hủy điện môi rắn

Các dạng chủ yếu là phá hủy điện và phá hủy nhiệt

+Phá hủy điện: Xảy ra ở nơi có điện trường tập trung mạnh, xảy ra đột ngột và có tính chất cục bộ. Phá hủy điện có các đặc tính sau:

-Thời gian phát triển nhanh (s )

-Độ bền điện ít bị ảnh hưởng của tần số điện áp đặt vào, của nhiệt độ và (nếu trường đồng nhất) của kích thước điện môi và điện cực.

+Phá hủy nhiệt điện: Xuất hiện khi năng lượng nhiệt thoát ra từ điện môi (do tổn hao điện môi) lớn hơn năng lượng có khả năng phân tán. Khi đó có sự phá vỡ về sự cân bằng nhiệt, làm vật liệu nóng lên tới nhiệt độ làm nóng chảy hay đốt nóng điện môi. Sự phá hủy nhiệt điện còn phụ thuộc vào độ chịu nhiệt của điện môi. Các điện môi hữu cơ có điện áp chọc thủng nhiệt điện thấp hơn so với điện môi vô cơ ở cùng điều kiện do chúng có độ chịu nhiệt kém hơn. Có thể giải thích rằng khi nhiệt độ tăng lên thì tổn hao do dòng điện xuyên thấu (dòng điện rò Ir) tăng lên vì :

     .U .tg h S . . . f. 2 Pr 0 2 hay : .(t t0) 0 10 2 r .tg .e h . 10 . 8 , 1 S . . f. U P     

Trong đó : tg0: tang của góc tổn hao điện môi ở nhiệt độ môi trường 0

 : hệ số nhiệt của tg0 t0 : nhiệt độ môi trường

t : nhiệt độ bị đốt nóng do tổn hao điện môi

Do nhiệt dẫn của kim loại lớn hơn nhiều so với nhiệt dẫn của điện môi nên có thể coi toàn bộ nhiệt lượng của điện môi được tỏa ra môi trường qua đường điện cực.

Công suất thoát ra: Pt 2..S.(tt0)

Với  là hệ số truyền nhiệt từ điện môi ra môi trường.

Ở nhiệt độ t1(ứng với điện áp U1) vẽ đường cong PR,U(t) ta thấy nếu t3> t > t1 thì Pt > Pr tức là công suất nhiệt thoát ra vẫn lớn hơn công suất tỏa nhiệt của điện môi nên trạng thái cân bằng nhiệt được

thiết lập.

Ở nhiệt độ t2ứng với U1 điểm Q chính là điểm cân bằøng nhiệt. Có thể coi U là điện áp đánh thủng nhiệt Uđt.      . tg .. . f h . . 10 . 16 , 1 U 0 5 đt

Vậy điện áp đánh thủng Uđt tăng chậm hơn bề dày h

 Sự phóng điện bề mặt

Nếu tăng điện áp giữa 2 điện cực có tấm cách điện mà cạnh biên của nó nhú ra ngoài điện cực rất nhiều có thể xảy ra 2 hiện tượng:

-Tấm cách điện không chịu nổi điện áp, ở một hoặc nhiều chỗ điện tích từ điện cực này qua điện cực kia xuyên qua tấm cách điện. Đây là sự phá hủy điện

P PR,u(t) PT(t)

PR,u(t)

0 t1 t2 t3 t0C

Q

Biên soạn: Phạm Thị Nga 70 -Khi điện áp được tăng lên đến 1 giá trị nào đó, ở cạnh mép của điện cực xuất hiện vầng quang rồi phát triển thành những tia lửa điện bò trên bề mặt tấm cách điện, tăng điện áp thì tia lửa điện càng dài và cuối cùng nối với nhau ở cạnh biên của tấm cách điện, hồ quang phóng trên bề mặt của tấm cách điện từ cực này đến cực kia. Đây là sự phóng điện bề mặt. Nó chỉ tồn tại (gây sự cố) trong thời gian ngắn, cách điện còn tiếp tục làm việc trở lại sau khi nguyên nhân gây sự phóng điện bề mặt không tồn tại nữa.

 Sự đánh thủng do nhiệt

Là hậu quả của sự giảm bớt điện trở tác dụng của điện môi khi nó bị đốt nóng trong điện trường. Điều này sẽ làm tăng thành phần tác dụng của dòng điện và làm cho điện môi ngày càng nóng lên đến khi bị phá hủy vì nhiệt độ. Xảy ra khi điện dẫn của điện môi tăng, khi tổn thất điện môi lớn, khi điện môi bị đốt nóng từ một nguồn nhiệt khác, khi sự tỏa nhiệt trong điện môi xấu. Có thể giải thích như sau: Do thành phần không đồng

nhất, tồn tại một phần riêng biệt nào đó của điện môi có độ dẫn điện cao, nó được coi như là một rãnh mỏng đi qua chiều dày chất điện môi. Do mật độ dòng cao ở rãnh nên chúng tỏa nhiều nhiệt lượng như thế ở rãnh này điện trở cách điện giảm và dòng điện lại tăng lên. Quá trình tăng nhiệt cứ tiếp tục cho tới khi vật liệu điện môi bị phá hủy do nhiệt theo toàn bộ chiều dày (ở nơi yếu nhất).

Đặc điểm: chỗ bị đánh thủng thường là chỗ tỏa nhiệt kém nhất, điện đánh thủng giảm khi nhiệt độ môi trường tăng cao hoặc khi kéo dài thời gian tác dụng của điện áp. Ở một nhiệt độ xác định nào đó xảy ra đánh thủng do điện, sau đó có phát nóng phụ trong điện môi, bắt đầu có quá trình đánh thủng do nhiệt.