NHỮNG HIỆN TƢỢNG XẢY RA TRONG ĐIỆNMÔI KHI ĐẶT VÀO TRONG ĐIỆN TRƢỜNG
6.2. SỰ PHÂN CỰC ĐIỆNMÔ
6.2.1. Khái niệm về sự phân cực và hằng số điện môi
1. Khái niệm về sự phân cực
Khi đặt điện môi vào trong điện trƣờng E, trong điện môi xảy ra quá trình phân cực: trên bề mặt điện môi phía điện cực dƣơng ta thấy xuất hiện các điện tích âm và ngƣợc lại trên bề mặt điện môi phía cực âm – xuất hiện các điện tích dƣơng trái dấu với các điện cực bên ngoài. Vì vậy chúng ta có khái niệm phân cực nhƣ sau:
- Phân cực đƣợc xác định bởi sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích ràng buộc hoặc sự định hƣớng của các phân tử
lƣỡng cực dƣới tác dụng của lực điện trƣờng.
Khi xảy ra phân cực, trên bề mặt điện môi xuất hiện điện tích trái dấu của điệ cực bên ngoài. Nhƣ vậy điện môi sẽ tạo thành một tụ điện với điẹn dung là C, điện tích của tụ là Q. Điện tích Q của tụ điện có trị số tỷ lệ với điện áp đặt lên tụ điện và tính bởi công thức:
Q = CU ( 1 )
Trong đó : C – điện dung của tụ điện. U – điện áp đặt vào tụ điện
Điện tích Q gồm 2 thành phần:
Q0 – là điện tích có ở điện cực nếu nhƣ giữa các điện cực là chân không Q’ – điện tích tạo nên bởi sự phân cực của điện môi:
Q = Q0 + Q’ ( 2 )
2. Hằng số điện môi
Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi và có ý nghĩa đặc biệt đối với kỹ thuật điện là hằng số điện môi tƣơng đối . Đại lƣợng này là tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện chế tạo từ điện môi khi điện áp đặt vào có một trị số nào đó với Q0 – là điện tích của tụ điện khi điện môi là chân không:
= 0 Q Q = 0 0 Q Q Q =1+ 0 Q Q ( 3 )
Từ biểu thức ( 3 ) ta thấy hằng số điện môi tƣơng đối của bất kỳ chất nào cũng lớn hơn một và chỉ bằng 1 khi điện môi là chân không.
Chú ý: Giá trị hằng số điện môi phụ thuộc vào hệ đơn vị. Trong hệ CGSE nó bằng 1, còn trong hệ SI nó bằng 9
10. . 36
1 F/m.
Từ công thức ( 1 )và ( 3 ), ta có thể viết biểu thức dƣới dạng: Q = Q0 =CU=C0 U (4)
Trong đó: C0 – điện dung của tụ điện khi giữa các điẹn cực là chân không. Từ công thức ( 4 ) ta có:
= 0 C
Nhƣ vậy hằng số điện môi của một điện môi bất kỳ có thể xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện của điện môi đó với điện dung tụ điện cùng kích thƣớc điện cực khi điện môi là chân không.
6.2.2. Các dạng phân cực xảy ra trong điện môi
Dựa vào thời gian xác lập phân cực mà ngƣời ta chia phân cực ra thành 2 dạng chính, đó là phân cực nhanh và phân cực chậm.
1. Phân cực nhanh
Đặc điểm của phân cực nhanh là xảy ra trong thời gian rất nhanh khi điện môi bị tác dụng của điện trƣờng bên ngoài khoảng 10-12 đến 10-15 giây: đàn hồi hoàn toàn và không sinh ra tổn hao điện môi ( không phát sinh ra nhiệt ). Trong kỹ thuật điện các điện môi
có phân cực nhanh đƣợc biểu diễn bằng một tụ điên có điện dung C. Phân cực nhanh có 2 loại đó là phân cực điên tử nhanh và phân cực ion nhanh.
2. Phân cực chậm
Phân cực chậm xảy ra một cách chậm chạp, thời gian phân cực lớn hơn 10-10 giây, có thể đến hàng phút, hàng giờ và nhiều giờ. Dạng phân cực có sinh ra tổn hao điện môi, do vậy sơ đồ thay thế điện môi biểu điễn bằng một tụ C mắc nối tiếp với điện trở R.
Trong dạng phân cực chậm có 5 loại phân cực chính sau đây: phân cực lƣỡng cực, phân cực điện tử chậm, phân cực ion chậm, phân cực kết cấu và phân cực tự phát.
6.2. 3. Phân loại điện môi theo dạng phân cực
1. Nhóm thứ nhất: Bao gồm các điện môi chủ yếu chỉ có loại phân cực điện tử nhanh.
Trong nhóm này có các chất trung tính ở rạng thái khí, lỏng và rắn. Ngoài ra còn có một số chất cực tính yếu có cấu trúc tinh thể, cấu trúc không định hình hay các dạng khác. Ví dụ: parafin,lƣu huỳnh, polistirol, benzon, hyđro, dầu máy biến áp, dầu tụ điện…
2. Nhóm thứ hai: Gồm các điệnmôi có phân cực điện tử nhanh và phân cực lƣỡn cực chậm.
Loại này gồm những chất hữu cơ cực tính ở rạng thái lỏng, nửa lỏng và rắn. Ví dụ nhƣ hỗn hợp dầu côlôfan, êpỗci,xenlulô, hyđrocacbon bị clo hóa…
3. Nhóm thứ ba: Gồm các điện môi rắn vô cơ có phân cực điện tử nhanh, phân cực điện tử
và ion chậm. Trong nhóm này phân thành hai phân nhóm vật liệu có đặc tính điện khác nhau:
- Điện môi có phân cực điện tử nhanh và ion nhanh. Nhóm này gồm chủ yếu các chất tinh thể có ion ràng buộc chặt chẽ, ví dụ nhƣ: thạch anh, mica, bột đá mài, muối mỏ, kim cƣơng…
- Điện môi có phân cực điện tử và ion cả nhanh lẫn chậm. Nhóm này gồm: thủy tinh vô cơ, vật liệu sứ, micalếch và các điện môi có cấu tạo tinh thể ràng buộc yếu.
6.3. 1. Khái niệm về tổn hao điện môi
Khi cho điện trƣờng tác dụng lên điện môi, trong điện môi xảy ra quá trình dịch chuyển các điện tích tự do và điện tích ràng buộc. Nhƣ vậy trong điện môi xuất hiện dòng điện dẫn và dòng điện phân cực, chúng tác động đến điện môi làm điện môi nóng lên, tỏa nhiệt và truyền nhiệt vào môi trƣờng. Phần năng lƣợng nhiệt này không sinh ra công, nên ngƣời ta thƣờng gọi là tổn hao điện môi.
Tổn thất năng lƣợng trong điện môi xảy ra dƣới tác động của điện áp xoay chiều cũng nhƣ một chiều vì trong vật liệu có dòng điện rò do điện dẫn gây ra. Khi ở điện áp một áp một chiều, trong điện môi không có sự phân cực theo chu kỳ, do đó năng lƣợng tiêu hao chỉ do dòng điện rò gây nên, nghĩa là chất lƣợng của vật liệu đƣợc xác dịnh bằng điện trở suất của vật liệu đó. Nhƣng với điện áp xoay chiều, ngoài dòng điện rò trong điện môi còn có dòng điện do phân cực gây nên, do đó ta phải dùng các đặc tính khác để xác định chất lƣợng của vật liệu cách điện.
Tổn hao công suất trong vật mẫu hay trong bất kỳ khối vật liêu nào ( với các điều kiện giống nhau ) có trị số tỷ lệ với bình phƣơng điện áp đặt vào vật thể. Với điện áp một chiều ta có công thức tính công suất tổn hao điện môi nhƣ sau:
P = R. I2 =
R U2
Trong đó: R - Đo bằng Ôm; I - Ampe ( A ) U - Vôn ( V )
Khi điện áp xoay chiều với tần số =2 t, giữa dòng điện I và điện áp U có một góc lệch pha là . Góc phụ với là
góc ( + = 900 ) đồng thời cũng gọi
là góc tổn hao điện môi.
Tổn hao điện môi đƣợc tính nhƣ sau: P = U.I.cos = U.IR = U.IC.tg = U. C X U tg = U2. C. tg Nhƣ vậy: P = U2 C. tg ( 5 ) Trong đó: P: Công suất tổn hao. U: Điện áp đặt vào vật thể. : Tần số góc ( = 2 f ). C: Điện dung của tụ.
Trong trƣờng hợp điện môi lý tƣởng, vectơ dòng điện trong sơ đồ thay thế điện môi sẽ vƣợt trƣớc vectơ điện áp góc là 900 ; khi đó góc =0 và tổn hao điện môi P = 0, nghĩa là không
IR
U I I
sinh ra tổn hao điện môi. Công suất tiêu hao năng l ƣợng để phát nhiệt càng lớn khi góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp càng bé. Để xác định khả năng phát tán năng lƣợng trong điện môi trong điện trƣờng, ngƣời ta thƣờng dùng góc tổn hao điện môi và tang của góc đó tg theo công thức ( 5 ).
Qua công thức ( 5 ) ta thấy giá trị tổn hao công suất tỉ lệ với tg khi tần số và điện áp không đổi. Vì vậy khi nghiên cứu tổn hao điện môi của điện môi nào đó ngƣời ta thƣờng đo góc hay tg để xác định tinh chất của vật liệu.
Giá trị tg có thể đƣợc xác định bằng công thức sau: tg = C R I I ( 6 ) hay: tg = Q P (7 )
Với Q – là công suất phản kháng.
Nếu so sánh hai loại điện môi có cùng kích thƣớc điện cực khi chịu tác động cùng một giá trị điện áp, ta có đƣợc tỷ số công suất tổn hao năng lƣợng của hai loại điện môi đó là:
2 1 P P = 2 2 2 1 1 2 tg C U tg C U = 2 2 0 1 1 0 tg C tg C = 2 2 1 1 tg tg
Tổn hao điện môi thƣờng có quan hệ với tổn hao điện môi và tg của chất đó. Trị số của tích số tg ngƣời ta gọi là tỷ số tổn hao điện môi.
’ = tg
- Khi điện môi có tổn hao điện môi lớn thì nhiệt độ phát nóng của điện môi tăng dần, đến một lúc nào đó vƣợt quá mức cho phép sẽ làm cho điện môi bị phân hủy nhiệt và điện môi bị mất tính chất cách điện, ta gọi là phóng điện do nhiệt gây nên.
- Nếu điện áp đặt lên điện môi không đủ lớn để tạo nên độ nóng quá mức cho phép tổn hao điện môi gây ra, thì tổn thất điện môi vẫn đƣa đến những tác hại nghiêm trọng. Ví dụ làm tăng điện dẫn của điện môi, các tham số vật liệu thay đổi, sơ đồ mạch điện cũng thay đổi.
Do tổn hao điện môi liên quan trực tiếp tới sự phân cực điện môi, nên có thể xét tổn hao điện môi theo mối quan hệ giữa điện tích Q trên cực của tụ điện với điện áp tác dụng U.
Khi tổn hao điện môi không phải do hiện tƣợng phân cực gây nên, điện tích phụ thuộc vào điện áp theo mối quan hệ đƣờng thẳng hình a. Trƣờng hợp này thƣờng xảy ra với điện môi trung tính có phân cực nhanh và không xảy ra tổn thất điện môi.
Nếu trong điện môi có hiện tƣợng phân cực chậm liên quan với tổn thất năng lƣợng thì đƣờng cong quan hệ diện tích theo điện áp có dạng elip ( hình b). Diện tích của hình elip ( S ) tỉ lệ với năng lƣợng tiêu tốn trong điện môi với chu kỳ biến đổi điện áp ( P ): S P. Trong trƣờng hợp điện môi xécnhet, đƣờng cong quan hệ điện tích theo điện áp có dạng đƣờng cong từ trễ ở vật liệu từ ( hình c). Trong trƣờng hợp này, diện tích của chu trình tỉ lệ với tổn thất năng lƣợng trong một chu kỳ ( S P ).
Khi xác định tổn hao điện môi của một vật liệu, trong thực tế thƣờng xác định diện tích S của quan hệ giữa U và Q, sau đó so sánh với tổn hao của một vật mẫu.
Trong các vật liệu điện dùng trong thực tế, ngoài tổn thất giữa dòng điện rò và phân cực chậm, còn xuất hiện tổn hao khác làm ảnh hƣởng đến các tính chất cách điện của điện môi. Các tổn hao điện môi này gây nên do sự tồn tại các tạp chất, bán dẫn, các oxit sắt, cacbon, hơi ẩm… trong điện môi. Chỉ với một hàm lƣợng nhỏ cũng có thể gây nên tổn hao điện môi lớn. Do vậy, trong quá trình công nghệ sản xuất vật liệu cần phải giữ đúng quy trình hạn chế tới mức thấp nhất sự tồn tại của tạp chất trong vật liệu.
Ơ điện áp cao khi vật liệu có chứa các bọt khí, tổn hao điện môi do sự ion hóa các chất khí. Sự ion hóa này càng mãnh liệt khi ở điện áp cao và tần số cao. Do vậy khi chế tạo thiết bị điện cao áp cần phải loại trừ các bọt khí bên trong vật liệu cách điện.
6.3.2. Các dạng tổn hao điện môi và những yếu tố ảnh hưởng đến điện môi 1. Tổn hao điện môi do dòng điện rò:
Trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng tồn tại các điện tích và điện tử tự do. Dƣới tác dụng của điện trƣờng các điện tích sẽ tham gia vào dòng điện dẫn và tạo nên dòng điện rò. Trong điện môi rắn có dòng điện rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉ có dòng điện khối. Nếu dòng điện lớn thì tổn hao điện môi có trị số đáng kể. Trị số tang của góc tổn hao điện môi có thể tính theo công thức:
tg = . . 10 . 8 , 1 12 f
Trong đó f - Tần số lƣới điện đo bằng Hz - Điện trở suất .cm
2. Tổn hao điện môi do phân cực
Dạng tổn hao này thấy rõ ở những chất phân cực chậm: trong các điện môi có cấu tạo lƣỡng cực và điện môi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ.
Tổn hao điện môi đa phân cực chậm đƣợc gây nên bởi sự phá hủy chuyển động nhiệt của các phân tử dƣới tác động của cƣờng độ điện trƣờng. Sự phá hủy này làm phát sinh năng lƣợng tiêu tán và điện môi bị phát nóng.
Tổn hao điện môi trong những điện môi cực tính tăng theo tàn số điện áp đặt lên điện môi và biểu hiện rõ nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao. Khi ở tần số cao, tổn hao điện môi có trị số lớn tới mức phá hủy vật liệu. Do vậy không nên dùng điện môi có cực tính mạnh có tần số cao trong kỹ thuật điện.
3. Tổn hao điện môi do ion hóa
Tổn hao điện môi do ion hóa thƣờng xảy ra trong các điện môi ở trạng thái khí. Dành tổn hao này thƣờng xảy ra ở những điện rƣờng không đồng nhất khi cƣờng độ điện trƣờng cao hơn trị số bắt đầu ion hóa của chất khí. Ví dụ: không khí xung quanh dây dẫn của đƣờng dây tải điện trên không điện áp cao, đầu cực của các thiết bị cao áp, bọt khí trong các điện môi rắn và lỏng khi chịu điện áp cao…
Quá trình ion hóa các phân tử khí sẽ tiếp thu một năng lƣợng điện trƣờng làm cho nhiệt độ của điện môi khí tăng lên và sinh ra tổn hao ion hóa. Khi bị ion hóa chất khí có thêm nhiều điện tích và điện tử tự do làm cho điện dẫn của chất khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn.
Chú ý: Trong không khí có chứa oxy ( O2 ) khi bị ion hóa oxy biến thành ozôn ( O3 ) nó kết hợp với nitơ và nƣớc tạo thành axit Nitơric. Nếu quá trình oxy hóa liên tục thì nồng độ axit Nitơric sữ tăng lên có thể gây nên sự ăn mòn hóa học của vật liệu làm cho thời gian phục vụ của vật liệu giảm.
4. Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất
Vật liệu cách điện của các thiết bị điện thƣờng có cấu trúc không đồng nhất thƣờng cấu tạo bởi nhiều loại vật liệu khác nhau. Do cấu tạo đa dạng về cấu trúc và thành phần vật liệu cách điện nên lhông có công thức chung để tính toán tổn hao điện môi này.
Trong trƣờng hợp đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dƣới dạng hai lớp nối tiếp.
5. Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi
- Tần số của điện trƣờng = 2 f. - Nhiệt độ làm việc của điện môi . - Độ ẩm của điện môi và môi trƣờng.
- Trị số điện áp hay cƣờng độ điện trƣờng tác dụng lên điện môi. 6.4. SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI
6.4.1. Khái niệm
Thực nghiệm cho thấy khi cƣờng độ điện trƣờng đặt lên điện môi vƣợt quá một giới hạ n nào đó sẽ xảy ra hiện tƣợng phóng điện chọc thủng điện môi, khi đó điện môi bị mất hoàn toàn tính chất cách điện. Hiện tƣợng đó chính là sự phóng điện chọc thủng của điện môi hay là sự phá hủy độ bền điện của điện môi.
Eđt=
h Uñt ,
mm
kV
Trong đó: h- là chiều dày của điện môi do bằng mm.
Cƣờng độ điện trƣờng cách điện của điện môi” E “= Eđt chính là điện áp đánh thủng điện môi trên một milimet chiều dày điện môi. Khi tính toán để chọn chiều dày điện môi của một thiết bị làm việc ở điện áp định mức nào đó ( Uđm), cần phải nhân với hệ số an toàn K: h= K
ñt ñm
E
U , mm
Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến cƣờng độ điện trƣờng cách điện của điện môi: dạng điện trƣờng, dạng điện áp, thời gian tác dụng của điện áp, điều kiện môi trƣờng nhƣ áp suất, nhiệt độ, độ ẩm…
6.4.2. Đặc tính Von – Ampe và các dạng phóng điện trong chất khí 1. Đặc tính Von - Ampe