Chất cách điện ở thể lỏng

1. CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3.1.1 Khái niệm Vật liệu dùng làm cách điện [còn gọi là chất điện môi] là các chất mà trong điều kiện bình thường điện tích xuất hiện ở đâu thì ở nguyên ở chỗ đấy, tức là ở điều kiện bình thường, điện môi là vật liệu không dẫn điện, điện dẫn của chúng bằng không hoặc nhỏ không đáng kể. Vật liệu cách điện có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, Việc nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu các tính chất, đặc điểm, để từ đó chọn lựa cho phù hợp. 3.1.2. Phân loại vật liệu cách điện 3.1.2.1. Phân loại theo trạng thái vật lý Theo trạng thái vật lý, có: Vật liệu cách điện thể khí, Vật liệu cách điện thể lỏng, Vật liệu cách điện thể rắn. Vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với vật liệu cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các phần tử kim loại không thể giữ chặt được trong không khí. Vật liệu cách điện rắn còn được phân thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng. Ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão như: các vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm. 3.1.2.2. Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phần hoá học, người ta phân ra: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ. 1. Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo.
2. Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong thiên nhiên, hoặc giữ nguyên thành phần hóa học như: cao su, lụa, phíp, xenluloit,... Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl, polyamit,.... 2. Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng... 3.1.2.3. Phân loại theo tính chịu nhiệt Phân loại theo tính chịu nhiệt là sự phân loại cơ bản, phổ biến vật liệu cách điện dùng trong kỹ thuật điện. Khi lựa chọn vật liệu cách điện, đầu tiên cần biết vật liệu có tính chịu nhiệt theo cấp nào. Người ta đã phân vật liệu theo tính chịu nhiệt như bảng 3.2. Bảng 3.2. Phân loại vật liệu cách điện Cấp Nhiệt độ cách cho phép Các vật liệu cách điện chủ yếu điện [0C] Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương Y 90 tự không tẩm nhựa, các loại nhựa polyetylen, PVC, polistinol, anilin, abomit Giấy, vải sợi, lụa trong dầu, nhựa polyeste, cao su nhân A 105 tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô Nhựa tráng Polyvinylphocman, poliamit, epoxi. Giấy ép hoặc vải ép có nhựa phendfocmandehit [gọi chung là E 120 Bakelit giấy]. Nhựa Melaminfocmandehit có chất động xenlulo. Vải có tẩm thấm Polyamit. Nhựa Polyamit. Nhựa Phênol-Phurphurol có độn xenlulo. Nhựa Polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn. Sơn cách điện có dầu làm khô dùng ở các bộ phận tiếp B 130 xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phênol. Nhựa PhênolPhurol có chất độn khoáng, nhựa epoxi, sợi thủy tinh, nhựa Melaminfocmandehit.
3. F 155 Sợi amiang, sợi thủy tinh có chất kết dính H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ, C >180 Polytetraflotylen, Polymonoclortrifloetylen. 3.6. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải chú ý đến không những các phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xem xét tính ổn định của những phẩm chất này dưới các tác dụng cơ học, hóa lý học, tác dụng của môi trường xung quanh,...gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện. Dưới tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục, người ta gọi đó là sự lão hóa vật liệu cách điện. Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhau trong những điều kiện khác nhau. Bởi thế cần phải nghiên cứu về tính chất cơ lý hoá, nhiệt của vật liệu cách điện để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện. 3.6.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm [hút hơi nước từ môi trường không khí] và thấm ẩm [cho hơi nước xuyên qua]. Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối = 80 81, độ điện dẫn =10-5 10-6 [1/cm] nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm sút trầm trọng. Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi, đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số rất thấp so với điện áp đánh thủng. 1. Độ ẩm của không khí Trong không khí luôn chứa hơi ẩm, lượng ẩm trong không khí được xác định bởi tham số gọi là độ ẩm của không khí. Độ ẩm gồm có độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối. a. Độ ẩm tuyệt đối: Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước trong 1 đơn vị thể tích không khí 3 [g/m ]. Ở nhiệt độ xác định, độ ẩm tuyệt đối không thể vượt qua mmax [mmax được gọi là độ ẩm bão hoà]. Nếu khối lượng nước nhiều hơn giá trị mmax thì hơi nước sẽ rơi xuống dưới dạng sương. Quan hệ giữa độ ẩm bão hòa và nhiệt độ cho trên hình 3.6.
4. b. Độ ẩm tương đối, % mMax 90[g/cm3] Độ ẩm tương đối là tỷ số: 80 m 70 % = .100% [3-12] mmax 60 Ở trạng thái bão hòa của hơi nước 50 trong không khí sẽ có % = 100%. 40 Thường các ẩm kế chỉ cho số liệu về 30 độ ẩm tương đối % nên khi cần xác 20 định độ ẩm tuyệt đối sẽ phải tính 10 theo công thức: 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 t [ C] Hình 3.6. Quan hệ giữa độ ẩm bão hoà mmax theo nhiệt độ và do mmax là hàm của nhiệt độ môi trường không khí [t] nên m = f[ %, t]. Như vậy, từ các số liệu về độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí có thể xấc định được độ ẩm tuyệt đối m [bằng cách tính toán, tra bảng số, đồ thị...]. Theo quy ước quốc tế, điều kiện khí hậu chuẩn của không khí được qui định: Áp suất p = 760 mmHg. Nhiệt độ t = 200C. Độ ẩm tuyệt đối m = 11g/m3 [độ ẩm tương đối % khoảng 60 70%]. Khí hậu Việt Nam khác xa với khí hậu chuẩn. Khí hậu Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới. Ở miền Bắc, nhiệt độ trung bình hàng năm là 22,70C, nhiệt độ cực đại có thể đạt tới 42,80C. Độ ẩm thường xuyên cao là một trong các đặc điểm nổi bật của khí hậu nước ta. Độ ẩm tuyệt đối trung bình hàng năm ở đồng bằng Bắc bộ là m = 24 26 g/m3, trong các tháng hè có thể lên tới 30 33g/m3 và trong các tháng mùa đông cũng tới mức 13 17g/m3. 2. Độ ẩm của vật liệu Độ ẩm của vật liệu là lượng hơi nước trong một đơn vị trọng lượng của vật liệu.
5. Khi đặt mẫu vật liệu cách điện trong môi trường không khí có độ ẩm % và nhiệt độ t [0C] thì sau một thời gian nhất định, độ ẩm của vật liệu sẽ đạt tới giới hạn được gọi là độ ẩm cân bằng [cb]. Nếu mẫu vật liệu vốn khô ráo được đặt trong môi trường không khí ẩm [vật liệu có độ ẩm ban đầu < cb] thì vật liệu sẽ bị ẩm, nghĩa là nó hút hơi ẩm trong không khí khiến cho độ ẩm sẽ tăng dần tới trị số cân bằng cb như đường 1 trên hình 3.7 [vật liệu bị ngấm ẩm]. Ngược lại, khi mẫu vật liệu đã bị ẩm trầm trọng [có độ ẩm ban đầu 2 [vật liệu sấy khô] > cb] thì độ ẩm mẫu sẽ giảm tới cb trị số cb như đường 2 trên 1 [vật liệu ngấm ẩm] hình 3.7. [vật liệu sấy khô]. 0 t [h] Hình 3.7 Đối với vật liệu xốp, loại vật liệu có khả năng hút ẩm rất mạnh, người ta đưa ra độ ẩm quy ước. Đó là trị số cb khi vật liệu được đặt trong không khí ở điều kiện khí hậu chuẩn. 3. Tính thấm ẩm Tính thấm ẩm là khả năng cho hơi ẩm xuyên thấu qua vật liệu cách điện. Khi vật liệu bị thấm ẩm thì tính năng cách điện của nó giảm: [], , tg Eđt. Nếu vật liệu không thấm nước sẽ hấp thụ trên bề mặt một lượng nước hoặc hơi nước. Căn cứ vào góc biên dính nước của giọt nước trên bề mặt phẳng của vật liệu [hình 3.6], người ta chia vật liệu cách điện hấp phụ tốt và hấp phụ yếu. < 900: vật liệu hấp phụ tốt [hình 3.8a]. > 900: vật liệu hấp phụ yếu [hình 3.8b]. a] b] Hình 3.8
6. Vật liệu hấp phụ tốt sẽ dễ bị phóng điện, dòng dò lớn do []. Sự hấp phụ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào loại vật liệu, kết cấu vật liệu, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm,...của môi trường. 4. Nhận xét Qua phân tích, ta thấy rằng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm...của môi trường làm việc. Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu dẫn đến lão hóa và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, tg, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện. Đặc biệt là đối với các vật liệu cách điện ở thể rắn. Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện cần sử dụng các biện pháp sau đây: Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài. Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện. Sơn tẩm lấp đầy các lỗ xốp khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài, mặt khác làm tăng phẩm chất cách điện của vật liệu. Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong. Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh bụi bẩn bám vào làm tăng khả năng thấm ẩm có thể gây phóng điện trên bề mặt. 3.6.3. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện Trong nhiều trường hợp thực tế, vật liệu cách điện còn phải chịu tải cơ học, do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện cần xét đến tính chất cơ học của nó. Khác với vật liệu dẫn điện kim loại có độ bền kéo σ k , nén σ n và uốn σ u hầu như gần bằng nhau, còn vật liệu cách điện, các tham số trên chênh lệch nhau khá xa. Căn cứ các độ bền này, người ta tính toán, chế tạo cách điện phù hợp với khả năng chịu lực tốt nhất của nó. Ví dụ: Thuỷ tinh có độ bền nén σ n = 2.104 kG/cm2 trong khi độ bền kéo σ k = 5.102 kG/cm2 . Vì thế thuỷ tinh thường được dùng vật liệu cách điện đỡ. Ngoài ra, khi chọn vật liệu cách điện cũng cần phải xét đến khả năng chịu va đập, độ rắn, độ giãn nở theo nhiệt của vật liệu. Đặc biệt chú ý khi gắn các loại vật
7. liệu cách điện với nhau cần phải chọn vật liệu có hệ số giãn nở vì nhiệt gần bằng nhau. 3.6.2. Tính chất hóa học của vật liệu cách điện Tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện là khả năng chịu tác dụng của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Mỗi loại vật liệu cách điện chỉ chịu được một nhiệt độ nhất định [tức là có độ bền chịu nhiệt độ nhất định]. Độ bền chịu nhiệt được xác định theo nhiệt độ làm thay đổi tính năng của vật liệu cách điện. Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền chịu nhiệt được biểu thị bằng nhiệt độ mà nó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt các phẩm chất cách điện như tổn hao tg tăng, điện trở cách điện giảm sút... Đối với vật liệu cách điện hữu cơ, độ bền chịu nhiệt là nhiệt độ gây nên các biến dạng cơ học, những biến dạng này đương nhiên sẽ dẫn đến sự suy giảm các phẩm chất cách điện của nó. Về mặt hóa học, nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến tốc độ của các phản ứng hóa học xảy ra trong vật liệu cách điện tăng [thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng hóa học tăng dạng hàm mũ theo nhiệt độ]. Vì vậy, sự giảm sút phẩm chất cách điện của vật liệu gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép. Bởi thế, ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEC [International Electrical Commission] đã phân loại vật liệu cách điện theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép [đã nêu ở bảng 3.2]. 3.1. HIỆN TƯỢNG ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI VÀ ĐỘ BỀN CÁCH ĐIỆN Mục đích của việc sử dụng vật liệu cách điện trong kỹ thuật điện là để duy trì khả năng cách điện của chúng trong điện trường. Bởi vậy, khi nghiên cứu vật liệu cách điện không thể không xét đến ảnh hưởng của điện môi trong điện trường. 3.1.1. Khái niệm về điện trường Sở dĩ các điện tích có tác dụng lực tương tác với nhau vì điện tích tạo ra trong không gian quanh nó một điện trường. Để đặc trưng cho sự mạnh yếu của điện trường, người ta đưa ra khái niệm cường độ điện trường E:
8. F E= , [V/m] [3-1] q trong đó: F: lực điện tác dụng lên điện tích thử tại điểm ta xét [N]. q: điện tích thử dương [C]. Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng vật lý đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực, được đo bằng thương số của lực điện trường tác dụng lên một điện tích thử đặt tại điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó. 3.1.2. Điện môi Điện môi là những chất không không dẫn điện vì trong điện môi không có hoặc có rất ít các điện tích tự do. Hằng số điện môi: từ công thức D = .0.E [3-2] D: là cảm ứng điện thường gọi là véc tơ dịch chuyển điện tích E: là điện trường : là hằng số điện môi 0: hằng số điện môi trong chân không 0 =1/4.9.1011 [F/m] Trong chân không - thực tiễn- trong không khí D = 0.E [3-3] Còn trong môi trường có hằng số điện môi thì D = .0.E [3-4] Khi ta đặt giữa hai điện cực một tấm cách điện hình 3.1 thì có sự khác nhau giữa điện trường trong không khí và điện trường trong tấm cách điện. Trong không khí số đường sức điện trường và số đường dịch chuyển bằng nhau, và từ công thức[3- 3] điện trường là: E= D/0 [3-5] =3 =1 =1 A C B Hình 3.1.Tấm cách điện nằm giữa điện cực
9. Trong cách điện C có hằng số điện môi , điện trường giảm tỷ lệ nghịch với . Trên hình 3.1 cho thấy với =3 số đường sức điện trường bằng 1/ =1/3 số đường sức trong không khí. Điện tích dịch chuyển đến bề mặt của cách điện C, thì một số điện tích bị giữ lại, còn lại số điện tích tự do chuyển động qua được cách điện. Số điện tích tự do này tạo ra điện trường trong cách điện. Nếu khe hở E0 là điện trường trong không khí theo công thức[3.3] ta có: D = 0.E = E0 Trong cách điện C với hằng số điện môi thì điện trường giảm lần tức là E= E0/ 3.1.3. Đặc điểm điện môi đặt trong điện trường Khác với kim loại và các chất điện phân, trong điện môi không có các hạt mang điện tự do. Sự phân bố điện tích âm và điện tích dương trong phân tử thường đối xứng, các trọng tâm điện tích dương và điện tích âm trùng nhau. Người ta gọi các phân tử đó là loại phân tử không phân cực. Khi đặt điện môi thuộc loại không phân cực trong điện trường [hình 3.2], điện trường sẽ chuyển các phân tử thành các lưỡng cực điện. Các lưỡng cực điện đầu dương hướng về phía cực âm của điện trường, đầu âm hướng về phía cực dương của điện trường. Kết quả là trong điện môi hình thành điện trường mới gọi là điện trường phân cực EP, ngược chiều với điện trường ngoài. Cường độ điện trường phân cực EP nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài Eng nên cường độ điện trường tổng hợp E trong chất điện môi có chiều cùng với chiều của điện trường ngoài và có trị số cường độ điện trường nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài cho trước. Nếu cường độ điện trường trong chân không là E0 thì khi đặt điện môi vào, cường độ điện trường sẽ là: E = E0 [3-6] gọi là hằng số điện môi tương đối của chất điện môi . Eng _ + _ + _ + E _ + _ + _ + + Ep - _ + _ + _ + _ + _ + _ + Hình 3.2 Sự phân cực của điện môi
10. Tuy nhiên khi điện môi đặt trong điện trường thì có những biến đổi cơ bản khi đó điện môi chịu tác dụng U h của cường độ điện trường E được xác định như sau: Trong đó: U là điện áp đặt lên hai cực điện môi Hình 3.3 Điện môi khi đặt trong điện trường h là chiều dầy khối điện môi Điện môi trong điện trường phụ thuộc vào: - Cường độ điện trường [mạnh, yếu, xoay chiều , một chiều] - Thời gían điện môi nằm trong điện trường [ dài, ngắn] - Yếu tố môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất Về cơ bản dưới tác dụng của điện trường có thể xảy ra bốn hiện tượng cơ bản sau: - Sự dẫn điện của điện môi - Sự phân cực điện môi - Tổn hao điện môi - Phóng thủng điện môi 3.1.4. Độ bền cách điện Trong điện môi có lẫn tạp chất có khả năng tạo ra một số điện tử tự do. Trong điều kiện bình thường độ dẫn điện của điện môi rất thấp, dòng điện qua điện môi gọi là dòng điện rò, trị số rất bé. Khi cường độ điện trường đủ lớn, lực tĩnh điện tác dụng lên điện tử, có thể bứt điện tử ra khỏi mối liên kết với hạt nhân trở thành điện tử tự do. Độ dẫn điện của điện môi tăng lên. Dòng điện qua điện môi tăng lên đột ngột, điện môi trở thành vật dẫn. Đó là hiện tượng đánh thủng cách điện. Cường độ điện trường đủu để gây ra hiện tượng đánh thủng điện môi gọi là cường độ đánh thủng Eđt. Điện môi có Eđt càng lớn thì độ bền cách điện càng tốt. Vì thế cường độ đánh thủng được gọi là độ bền cách điện. Cường độ đánh thủng của điện môi phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu cách điện như: độ ẩm, nhiệt độ, tác dụng của các tia bức xạ,... Để đảm bảo cho điện môi làm việc tốt, cường độ điện trường đặt vào điện môi không vượt quá trị số giới hạn gọi là cường độ cho phép Ecp. Thông thường chọn trị số Ecp nhỏ hơn Eđt từ hai đến ba lần: Eđt = kat Ecp [3-9]
11. [kat - hệ số an toàn, thường lấy kat= 2-3 ]. Căn cứ vào độ dày [d] của điện môi có thể xác định trị số điện áp đánh thủng Uđt và điện áp cho phép Ucp của thiết bị: Uđt = Eđt .d [3-10] Ucp = Ecp.d [3-11] Bảng 3.1 nêu lên thông số đặc trưng của một số vật liệu cách điện thường gặp. Ví dụ: Xác định điện áp cho phép và điện áp đánh thủng của một tấm carton cách điện có bề dày d = 0,15 cm áp sát vào hai điện cực, cho biết hệ số an toàn bằng 3. Giải Tra bảng [3-1], được cường độ đánh thủng của cáctông cách điện lấy trung bình Eđt = 100 kV/cm. Ta có điện áp đánh thủng theo [3-10]: Uđt = Eđt .d = 100. 0,15 = 15 kV Điện áp cho phép: Ucp = Uđt/ kat = 15/3 = 5 kV Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật một số vật liệu cách điện thường gặp Vật liệu Eđt, kV/cm , cm Giấy tẩm dầu 100 250 3,6 Không khí 30 1 VảI sơn 100 400 34 1011 1013 Đá hoa 30 50 78 108 1011 Paraphin 200 250 2 2,2 1016 1017 Polietylen 500 2,25 1014 1016 Cao su 150 200 36 1013 1014 Thủy tinh 100 150 6 10 1014 Thủy tinh hữu cơ 400 500 3 1014 1016 Vải thủy tinh 300 400 34 5.1013 Mica 500 1000 5,4 5.10-3 1014 Dầu Xovon 150 5,3 5.1014 5.1015 Dầu biến áp 50 180 2 2,5 1014 1015 Sứ 150 200 5,5 1015 1016 Ebonit 600 800 3 3,5 108 1010 Cáctông cách điện 80 120 3 3,5 1011 1013
12. 3.2. ĐIỆN DẪN ĐIỆN MÔI Xác định bởi cách điện có hướng của các điện tích tự do tồn tại trong các chất điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài đặt lên điện môi. Dưới tác dụng của lực điện trường F= E.q các điện tích dương cách điện theo chiều điện trường, các điện tích âm cách điện ngược lại. Như vậy trong điện môi xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện điện dẫn, dòng điện này phụ thuộc vào mật độ điện tích tự do trong điện môi, dòng điện điện dẫn còn gọi là dòng điện rò [thường có giá trị rất nhỏ] Điện dẫn điện môi gồm : - Điện dẫn điện tử : Thành phần mang điện là các điện tử tự do - Điện dẫn ion : Thành phần mang điện là các ion dương và ion âm - Điện dẫn điện ly : Thành phần mang điện là các nhóm các phần tử tích điện, các tạp chất tồn tại trong điện môi. 3.3. PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI 3.3.1. Hiện tượng phân cực điện môi Khi đưa một thanh điện môi vào trong điện trường của một vật mang điện , thì trên các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu. Mặt đối diện được tích điện trái dấu , mặt còn lại tích điện cùng dấu Hiện tượng trên thanh điện môi, khi đặt trong điện trường có xuất hiện các điện tích gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Hiện tượng này trông bề ngoài giống như hiện tượng điện trường trong kim loại, nhưng về bản chất thì khác hẳn nhau. Trong hiện tượng phân cực điện môi, ta không thể tách riêng các điện tích để chỉ còn lại một loại điện tích. Trên thanh điện môi điện tích xuất hiện ở đâu thì sẽ định hướng ở đó, không dịch chuyển tự do được, vì vậy chúng được gọi là các điện tích liên kết. 3.3.2. Phân tử phân cực và phân tử không phân cực Mỗi phân tử hay nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tích dương còn các điện tử mang điện tích âm. Khi xét tương tác của mỗi electron với các điện tích bên ngoài coi một cách gần đúng nhe e đứng yên tại một điểm nào đó Tác dụng của e trong phân tử tương đương với tác dụng của một điện tích tổng cộng -q của chúng tại một điểm nào đó trong phân tử, điểm này gọi là trọng tâm của điện tích âm.
13. Tương đương như vậy, tác dụng của hạt nhân tương đương với tác dụng của điện tích tổng cộng +q của chúng đặt tại trọng tâm của điện tích dương. Phân tử không phân cực là loại phân tử có phân bố các e đối xứng xung quanh hạt nhân, tức là tâm điện tích dương trùng với tâm điện tích âm, phân tử không phải là lưỡng cực điện có mô men điện của nó bằng không. Phân tử phân cực là loại phân tử có phân bố các e không đối xứng xung quanh hạt nhân, tức là tâm điện tích dương không trùng với tâm điện tích âm, phân tử là lưỡng cực điện có mô men điện của nó khác không. 3.3.3. Phân cực điện môi # Trường hợp điện môi cấu tạo bởi phân tử phân cực - Khi chưa đặt điện môi trong điện trường ngoài, do chuyển động nhiệt các lưỡng cực phân tử cách điện hỗn loạn nên tổng mô men điện của lưỡng cực bằng không. - Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, các lưỡng cực phân tử trong điện môi quay theo hướng điện trường ngoài, nên tổng mô men điện của lưỡng cực khác không */ Trường hợp điện môi cấu tạo bởi phân tử không phân cực - Khi chưa đặt điện môi trong điện trường ngoài, phân tử điện môi chưa phải là một lưỡng cực [ vì tâm của chúng trùng nhau] - Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, các phân tử trong khối điện môi trở thành các lưỡng cực điện do sự biến dạng của lớp vỏ e của phân tử [ sự dịch chuyển trong tâm điện tích âm] */ Trường hợp điện môi tinh thể - Điện môi tinh thể ion có mạng tinh thể ion lập phương, có thể coi tinh thể như một [phân tử khổng lồ] các mạng ion âm và dương trùng nhau. - Dưới tác dụng của điện trường các mạng ion dương dịch chuyển theo chiều điện trường, các mạng ion âm dịch chuyển theo chiều ngược lại gây ra hiện tượng phân cực điện môi gọi là phân cực ion. Kết luận: Như vậy phân cực là qúa trình xê dịch trong phạm vi nhỏ của các điện tích ràng buộc hoặc sự xoay hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường ngoài. Trong chất điện môi tồn tại rấy ít các điện tích tự do, còn lại đa số các điện tích có liên kết chặt chẽ với những phân tử bên cạnh gọi là những điện tích ràng buộc.
14. Dưới tác dụng của điện trường, chúng không thể cách điện xuyên suốt qua điện môi để tạo thành dòng điện, mà chỉ có thể xê dịch rất ít hoặc xoay hướng theo chiều điện trường. */ Các dạng phân cực chính của điện môi - Phân cực điện tử : là dạng phân cực do sự xê dịch có giới hạn của các quỹ đạo chuyển động của các điện tử dưới tác dụng của E ngoài. - Phân cực ion: là dạng phân cực do sự xê dịch của các ion liên kết dưới tác dụng của E ngoài. - Phân cực lưỡng cực : là dạng phân cực gây nên bởi sự định hướng của các lưỡng cực [ các phân tử có cực tính] - Phân cực kết cấu: là dạng phân cực đặc trưng cho điện môi có kết cấu không đồng nhất. - Phân cực tự phát: là dạng phân cực đăc trưng cho các sécnhét điện [ điện môi séc nhét có đặc điểm nổi bật là phân cực khi E ngoài bằng không]. 3.4. TỔN HAO ĐIỆN MÔI Trong điện môi xảy ra quá trình phân cực, phía cực dương xuất hiện điện tích âm, phía cực âm xuất hiện điện tích dương. Điện môi sẽ tạo thành tụ điện. Hai quá trình điện dẫn và phân cực nói trên tác động lên điện môi làm cho nó phát nóng gây tổn hao điện môi. Phần điện năng tiêu hao để các hạt điện tích thắng lực liên kết khi chuyển động trong điện môi dưới tác dụng của điện trường bên ngoài Eng gọi là tổn hao điện môi. Khi khai thác các thiết bị điện, vấn đề tổn hao điện môi cần được chú ý đến, đặc biệt khi chúng làm việc ở điện áp cao hoặc tần số cao. Bởi trong điện trường, tổn hao điện môi có thể phá vỡ sự cân bằng nhiệt hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong điện môi, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện dẫn đến điện môi mất hẳn khả năng cách điện. Tổn hao điện môi có thể đặc trưng bởi suất tổn hao điện môi, đó là công suất tổn hao tính trong một đơn vị thể tích của điện môi. Ở điện áp xoay chiều, người ta thường dùng góc tổn hao điện môi và ứng với nó là tg. Góc tổn hao điện môi là góc phụ của góc lệch pha giữa dòng điện i và điện áp u trong điện môi.
15. Để đơn giản, ta xét tổn hao điện môi của chất điện môi giữa hai bản cực của một tụ điện. Biết hằng số điện môi là , tụ được nối vào một điện áp xoay chiều U. Khi đó: Dòng điện tích điện cho tụ điện It sẽ gồm hai thành phần [hình 3.2]: Dòng tích điện thực sự, IC sớm pha 900 so với điện áp đặt vào tụ mang tích chất điện dung có trị số: IR IC = .C.U, [A] [3-12] IC hay IC = 2f.C.U, [A] [3-13] It trong đó C: điện dung của tụ [F] f: tần số dòng điện [Hz] 0 U: điện áp đặt vào tụ [V] UC : tần số góc, = 2f [rad/s] Hình 3.4. Sơ đồ phức của dòng điện và điện áp trên tụ điện Dòng điện IR gây tổn hao, làm nóng điện môi, đồng pha với điện áp U. Dòng tích điện: 2 2 It = IC IR [3-14] trong đó: IC = It cos IR = It sin IR tgδ hay IR = ICtg = .C.U.tg [3-15] IC Công suất tổn hao điện môi: P = U.IR = .C.U2.tg [W] [3-16] nếu thay: C = .C0 C0: điện dung của tụ điện với chất điện môi là không khí : hằng số điện môi tương ứng vào [3-10], ta được: P = ..C0.U2.tg [3-17] Với: : góc tổn hao điện môi
16. tg: hệ số tổn hao điện môi, tgδ IR . IC .tg: số tổn hao. Từ [3-17] ta thấy P thay đổi tỷ lệ thuận theo tg. Sự thay đổi thành phần IC chứng tỏ cách điện bị xuống cấp [sự thay đổi của IC có thể do điện môi: bị ẩm hoặc có các lớp bị ngắn mạch, kích thước hình học thay đổi]. Thành phần IR đặc trưng cho tổn hao công suất trong điện môi do dòng điện rò. Để tính tổn hao điện môi, có thể sử dụng sơ đồ thay thế khác nhau của điện môi phụ thuộc vào yêu cầu và mục đích tính toán. Dùng sơ đồ thay thế sẽ cho phép giải tích hóa một cách đơn giản các quá trình xảy ra trong điện môi [tổn hao, phân cực,...] và còn để mô hình hóa chúng trên các mô hình mạch điện. Sơ đồ thay thế gồm hai thành phần điện dung C và điện trở R. Các sơ đồ thay thế cần được chọn sao cho thỏa mãn điều kiện công suất tổn hao của sơ đồ thay thế phải bằng công suất tổn hao trong điện môi và góc lệch pha của chúng cũng phải bằng nhau ở cùng một điện áp và cung một tần số. Một sơ đồ thường hay dùng trong các mô hình mạch điện là sơ đồ đơn giản đấu song song phần tử R và C [hình 3.5]. R Hình 3.5. Sơ đồ thay thế của điện môi đặt trong điện trường. C U */Cách tính tổn thất điện môi - Dù sơ đồ thay thế ở dạng bất kỳ cũng đưa về hai dạng sơ đồ chính là sơ đồ song song và sơ đồ nối tiếp - Vẽ đồ thị véc tơ - Xác định góc lệch pha, góc tổn hao điện môi */ Tính tổn hao điện môi trong sơ đồ nối tiếp CS RS IRS I I/CS U
17. Vẽ giản đồ véc tơ: Từ giản đồ véc tơ ta có I .RS tg RS .C S . I /[.C S ] Công suất tổn hao điện môi U2 U2 tg PS RS .I 2 RS 2 2 2 R S .[C S ] 2 2 C S U 2 [ RS C S . ] [ RS C S ] 1 1 tg 2 */ Tính tổn hao điện môi trong sơ đồ song song Rp Cp Vẽ giản đồ véc tơ: U.CP. U U/RP U RP 1 tg U .C P . R P P C Công suất tổn hao điện môi U 2 U 2 C P U 2 PS RP .I 2 RP 2 C P U 2 tg RP RP R P C P Vì vậy trong hai sơ đồ tổn hao điện môi đều phụ thuộc tg */ Mối quan hệ giữa hai sơ đồ Do hai sơ đồ đều thay thế cho cùng một khối điện môi nên cho nên tổn hao điện môi và góc tổn hao điện môi trong hai sơ đồ phải bằng nhau Tổn hao điện môi trong hai sơ đồ: tg PS PP nên C S U 2 2 C P U 2 tg 1 tg
18. CS nên C P 1 tg 2 góc tổn hao điện môi bằng nhau: 1 tg RS .C S . RP C P 1 tg 2 thế Cp vào ta có: RS C S RP C P 1 tg 2 1 tg 2 Vì vậy: RP RS R S [ RP C P ] 2 tg 2 */ suất tổn hao điện môi P = ..C0.U2.tg 1 0 F /m 4 9.10 9 S C0 0 với d là khoảng cách giữa hai bản cực [m], S diện tích bề mặt bản cực d [m2] U=E/d , E cường độ điện trường trong khe hở [V/m] =2f là tần số đặt vào 1 S 1 P CU 2 tg 9 . .2 . f .E 2 .d 2 .tg . 9 . f .E 2 .S .d .tg 4 9.10 d 18.10 */ Các nguyên nhân gây ra tổn hao điện môi - Tổn hao điện môi do phân cực: Tổn hao này do hiện tượng phân cực gây ra, thường thấy ở các chất có cấu tạo lưỡng cực và cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ. Tổn thất này gây ra do sự chuyển động nhiệt của các ion hoặc các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường, sự phá hủy trạng thái này làm mất mát năng lượng và làm cho điện môi bị nóng lên. Tổn hao do phân cực tăng theo tần số điện áp đặt vào điện môi. Tổn hao do phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, tổn hao đạt cực đại tại một nhiệt độ nhất định đặc trưng cho mối chất điện môi. - Tổn hao do dòng điện rò: Trong bất kỳ điện môi nào luôn tồn tại các điện tử tự do, dưới tác dụng của điện trường các điện tử tự do này sẽ dịch chuyển theo chiều tác dụng của điện trường, tạo nên dòng điện rò. Dòng điện rò này kết hợp với điện trở điện môi gây nên tổn thất nhiệt. Tổn hao do dòng điện rò được xác
19. định theo biểu thức sau đây: 1,8.1012 P . f . Trong đó: - là hằng số điện môi f là tần số điện áp - là điện trở suất của khối điện môi Khi nhiệt độ tăng thì tổn hao điện môi càng tăng P = P0 .e.t Trong đó P0 là tổn hao điện môi ở nhiệt độ 200C, là hệ số nhiệt T là độ chênh nhiệt so với 200C - Tổn hao do ion hóa: Tổn hao này thường gặp trong các chất khí, khi trong môi trường có xảy ra ion hóa, Tổn hao này được xác định theo biểu thức: Pi = Ai.f[U-U0]3 Trong đó: Ai là hằng số đối với từng chất khí F là tần số đặt vào U0 là điện áp bắt đầu gây ion chất khí Trị số Uo phụ thuộc vào từng loại chất khí, nhiệt độ và áp suất làm việc của từng chất khí, tuy nhiên còn phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trường, Cùng một giá trị điện áp đặt vào nhưng điện trường đều sẽ khó gây ion hóa hơn so với điện trường đều. - Tổn hao do cấu tạo không đồng nhất: Tổn hao này xảy ra trong các vật liệu co cấu tạo không đồng nhất, để xác định tổn hao điện môi trong trường hợp này ta phải xem điện môi gồm hai điện môi ghép nối tiếp nhau. C1 C2 1 2 1 2 R1 R2 E Góc tổn hao điện môi 2 .n m tg M 3 N
20. Với m= R1 + R2 n = C22 R22 R1+ C21 R21 R2 M= C1 R21 + C2 R22 N= C22 R22 C1 R21 + C21 R21 C2 R22 3.7. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ - Hằng số điện môi gần bằng 1, là hằng số - Điện trở cách điện rất lớn - Tổn hao điện môi nhỏ Các khí cách điện thường dùng trong kỹ thuật điện là: không khí, sunfua haxaflo[SF6 ], Hyđrô [H2], Nitơ [N2]... 3.7.1. Không khí Trong số vật liệu cách điện ở thể khí vừa nêu, trước tiên phải kể đến không khí bởi nó được sử dụng rất rộng rãi để làm cách điện trong các thiết bị điện, phối hợp với chất cách điện rắn và lỏng, trong một số trường hợp nó là cách điện chủ yếu [Ví dụ: đường dây tải điện trên không]. Nếu lấy cường độ cách điện của không khí là đơn vị thì một số loại khí được dùng trong kỹ thuật điện cho ở bảng 3.3 Bảng 3.3 Tính chất Không khí N2 CO2 H2 Tỷ trọng 1 0,97 1,52 0,07 Hệ số tản nhiệt 1 1,03 1,13 1,51 Cường độ cách điện 1 1,00 0,90 0,60 Nhận xét: Đa số chất khí có cường độ cách điện kém hơn không khí tuy nhiên chúng vẫn được sử dụng nhiều: Ví dụ: N2 vì nó không có oxi nên nó không bị oxi hóa các kim loại tiếp xúc với nó. Trong thực tế điện áp đánh thủng của không khí được xác định như sau: Với U xoay chiều có f =50 Hz thì cứ 1cm khoảng cách không khí chịu được 3,2 đến 3,5Kv [ ứng với trường hợp điện trường rất không đồng nhất] như vậy khoảng cách a cần thiết để khỏi bị đánh thủng là :

Video liên quan