Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 4 - Ngô Quang Ước

Chia sẻ: Nguyễn Văn Tuấn | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:30

Thêm vào BST

Báo xấu

125
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Vật liệu điện và cao áp - Chương 4" giới thiệu đến các bạn những nội dung về khái nhiệm về tổn hao điện môi, các dạng tổn hao trong điện môi, tổn hao điện môi do ion hoá, tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất,... Với các bạn đang học chuyên ngành Điện - Điện tử thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 4 - Ngô Quang Ước

CHƯƠNG 4. TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI 4.1. Khái nhiệm về tổn hao điện môi - Khái niệm: “Tổn hao điện môi là phần năng lượng phát sinh ra trong điện môi, trong một đơn vị thời gian làm cho điện môi nóng lên khi có điện trường bên ngoài tác động”. - Dòng tạo tổn hao: + Với U 1 chiều: Trong ĐM không có sự phân cực theo chu kỳ nên năng lượng tiêu hao chỉ do Irò gây nên, nghĩa là chất lượng của vật liệu được xác định bằng điện trở suất của vật liệu đó. + Với U xoay chiều: Ngoài Irò trong ĐM còn có Ifc gây nên, do đó phải dùng các đặc tính khác để xác định chất lượng vật liệu cách điện - Công suất tổn hao điện môi : U2 + Với điện áp 1 chiều: P  RI 2 (4.1) R U + Với điện áp xoay chiều: P = U.I.cos  = U.I R = U.IC .tgδ = U. .tgδ = U 2 .ω.C.tgδ XC P = U2 .ω.C.tgδ (4.2)
+ Trong trường hợp lý tưởng: véctơ I sẽ vượt trước véctơ IR U một góc 900( φ = 900) δ = 0 P = 0 (Không sinh ra tổn IC hao điện môi). Và P càng lớn khi φ càng bé. I δ + Để xác định khả năng phát tán năng lượng của ĐM trong φ điện trường, người ta thường dùng góc tổn hao ĐM δ U và tang của nó tgδ theo công thức + Qua (4.2) thấy giá trị tổn hao công suất tỷ lệ với tgδ khi f và U không đổi. Vì vậy, khi nghiên cứu tổn hao điện môi của điện môi nào đó người ta thường đo góc δ hay tgδ để xác định tính chất của vật liệu. IR P + tgδ được xác định: tgδ =  IC Q P1 U 2C1tg1 C01tg1 1tg1 - Hệ số tổn hao điện môi ε’:    P2 U 2C2tg 2 C0 2tg 2  2tg 2  '   tg + Hệ số tổn hao ĐM cho ta khái niệm chính xác hơn khả năng phát nhiệt của điện môi so với , vì ε’ cho biết khả năng phân cực của ĐM (ε) và giá trị tổn hao điện môi (tgε).
- Ảnh hưởng của tổn hao tới điện môi + Khi điện môi có tổn hao điện môi lớn thì nhiệt độ phát nóng trong điện môi tăng dần lên, đến một lúc nào đó vượt quá mức cho phép sẽ làm cho điện môi bị phân huỷ nhiệt và điện môi bị mất tính chất cách điện, mà 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 do tổn hao điện môi gây ra thì trong trường hợp này tổn thất điện môi vẫn đưa đến những tác hại nghiêm trọng, ví dụ làm tăng điện dẫn của điện môi, các tham số của vật liệu thay đổi, sơ đồ mạch điện cũng thay đổi. - Quan hệ Q = f(U) và cách xác định tổn hao trong vật liệu Q Q Q U U U SΞ P a) b) c) Hình 4-2. Quan hệ Q = f(U) a) Điện môi không có tổn hao; b) Điện môi cực tính; c) Điện môi xétnhét.
- Các nguyên nhân gây nên tổn hao điện môi + Do dòng điện rò + Do dòng phân cực + Do ion hoá các chất khí ở điện áp cao, nên khi chế tạo thiết bị điện áp cao cần phải loại trừ các bọt khí bên trong vật liệu cách điện + Do tạp chất, cấu tạo không đồng nhất. 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 tạp chất trong vật liệu. 4.2. Các dạng tổn hao trong ĐM 1. Tổn hao điện môi do dòng điện rò - Trong ĐM kỹ thuật luôn chứa các điện tích và điện tử tự do. Có E →Irò - Trong ĐM rắn có Irò đi trên bề mặt và trong khối ĐM, còn ĐM khí và lỏng chỉ có dòng điện khối. - Nếu Irò lớn thì tổn hao trong ĐM có trị số đáng kể và được xác định: 1,8.1012 tg  tgδ giảm theo quy luật hyperbolic khi tần số tăng.  . f . Khi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của ĐM sẽ tăng theo quy luật hàm số mũ, vậy nên tổn hao điện môi cũng tăng lên theo quy luật này αt p = p .e t 0
2. Tổn hao điện môi do phân cực • Dạng này thể hiện rõ ở các chất có phân cực chậm: trong các ĐM có cấu tạo lưỡng cực và ĐM có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ. • Tổn hao ĐM do phân cực chậm được gây nên bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các phần tử dưới tác động của E. Sự phá huỷ này làm phát sinh năng lương tiêu tán và điện môi bị phát nóng. • Tổn hao ĐM trong các ĐM cực tính tăng theo tần số của U đặt lên ĐM và biểu hiện rõ rệt nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao. Khi ở các tần số cao, tổn hao ĐM có trị số lớn tới mức phá huỷ vật liệu. Do vậy, không nên dùng ĐM cực tính mạnh ở tần số cao trong kỹ thuật điện. • Quan hệ của với nhiệt độ của các ĐM cực tính có giá trị cực đại ở một nhiệt độ nào đó đặc trung cho mỗi loại vật liệu. Ở nhiệt độ này thời gian phân cực chậm của phân tử điện môi gần trùng với chu kỳ biến đổi của điện trường xoay chiều đặt lên điện môi. • Nếu nhiệt độ có trị số sao cho thời gian phân cực chậm của phân tử lớn hơn thời gian nửa chu kỳ biến đổi U xoay chiều một cách đáng kể, thì chuyển động nhiệt của phân tử sẽ yếu đi và tổn hao ĐM giảm. Nếu nhiệt độ có trị số sao cho thời gian phân cực lưỡng cực nhỏ hơn thời gian nữa chu kỳ biến đổi của điện áp một cách đáng kể thì cường độ chuyển động nhiệt sẽ lớn, mối liên kết giữa các phân tử giảm, do đó tổn hao ĐM cũng giảm.
• Tổn hao điện môi trong chất xét-nhét liên quan tới hiện tượng phân cực ngẫu nhiên (phân cực tự phát). Do đó, tổn hao điện môi xét-nhét có trị số đáng kể ở nhiệt độ thấp hơn điểm Quyri. Tổn hao điện môi dạng này tăng theo tần số của điện áp đặt lên điện môi. Ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri, tổn thất năng lượng trong điện môi xét-nhét giảm xuống. Sự hoá già về điện theo thời gian của điện môi xét-nhét cũng làm giảm tổn hao điện môi. • Tổn hao cộng hưởng biểu hiện ở tần số ánh sáng cũng là tổn hao do phân cực. Dạng tổn hao này thấy rõ trong một số chất khí khi ở một tần số xác định có sự hấp thụ năng lượng điện trường. Tổn hao cộng hưởng cũng có thể xảy ra ở chất rắn khi tần số dao động cưỡng bức do điện trường gây nên trùng với tần số dao động riêng của các hạt chất rắn. Sự tồn tại điểm cực đại trong quan hệ với tần số cũng đặc trưng cho cả cơ chế cộng hưởng, nhưng trong trường hợp này nhiệt độ không ảnh hưởng đến vị trí điểm cực đại.
3. Tổn hao điện môi do ion hoá • Xảy ra trong các điện môi ở trạng thái khí. Dạng tổn hao này xuất hiện trong các điện trường không đồng nhất khi cường độ điện trường cao hơn trị số bắt đầu ion hoá của loại khí đó. Ví dụ: không khí ở xung quanh dây dẫn của đường dây tải điện trên không, điện áp cao, đầu cực của các thiết bị cao áp, bọt khí trong điện môi rắn hoặc lỏng khi chịu điện áp cao.. • Công thức tính: pi = A.f(U – U0)3 • Quá trình ion hoá các phần tử khí sẽ tiếp thu một năng lượng điện trường làm cho nhiệt độ điện môi khí tăng lên và sinh ra tổn hoa ion hoá. Khi bị ion hoá trong chất khí có thêm nhiều điện tích và điện tử tự do làm cho điện dẫn chất khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn. • Chú ý: Trong không khí có chứa khí O2. Khi bị ion hoá O2 thành O3, nó kết hợp vơi nitơ và nước thành axits nitơric (HNO3). Nếu quá trình ion hoá liên tục thì nồng độ axít HNO3 tăng lên, có thể gay nên sự ăn mòn hoá học của vật liệu và làm cho thời gian phục vụ (tuổi thọ) của vật liệu giảm đi.
4. Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất d d1 d2 C1 C2 tg g ε1 ε2 R1 R2 γ1 γ2 U 3 3 3 1 2 U ω2 n + m Đại lượng tgδ được xác định theo công thức tgδ = ωM + ω2 N Mn - 3Mm + Δ + Giá trị cực đại của quan sát thấy ở tần số ω2 = 2Nn + Giá trị cực tiểu ở tần số ω1 = Mn - 3Mm - Δ 2Nn N  C tgδ i i - Trị số của điện môi nhiều lớp khi các lớp mắc nối tiếp tgδ = i=2 N C i=2 i
4.3. Tổn hao điện môi trong các sơ đồ thay thế - Khi đặt U lên ĐM trong ĐM thường xuất hiện 3 loại đòng điện + Dòng điện rò (Irò) + Dòng điện chuyển dịch do phân cực nhanh (Icd) + Dòng điện hấp thụ do phân cực chậm (Iht) Vậy: I = Irò + Icd + Iht Với U 1 chiều thì Ifc chỉ xảy ra khi đóng hay ngắt nguồn điện, cho nên tổn hao điện môi chủ yếu là do Iro gây nên. Với U xoay chiều thì Ifc và Iro có suất trong thời gian đặt U nên tổn hao điện môi do 2 dòng này gây nên - Từ đó ta có sơ đồ thay thế là: I ro R Trong thức tế: Khi có U cần tính dòng I Ccd Icd điện IR và IC ta dùng sơ đồ song song; khi có I cần phải tính điện áp UR, UC ta dùng Cht sơ đồ nối tiếp. Rht Dùng sơ đồ thay thế sẽ cho phép giải Iht thích các quá trình xảy ra trong điện môi (tổn hao, phân cực,v.v…), đồng thời còn U mô hình hoá điện môi trên các sơ đồ điện.
- Sơ đồ thay thế ĐM gồm 2 thành phần: điện dung C và điện trở R - Điều kiện để xây dựng sơ đồ thay thế: + Psơ đồ = Pthực tế + φsơ đồ = φthực tế khi có cùng điện áp và tần số. Tgδ sơ đồ = Tgδ thực tế -Tồn tại 2 sơ đồ đơn gian: R // + Sơ đồ mắc song song R và C C // IR 1 tgδ = = IC C/ / R/ / Vậy sẽ giảm đi khi tần số tăng lên. + Sơ đồ nối tiếp Cnt với Rnt Cnt Rnt UR tgδ = = ωCnt R nt UC Như vậy phụ thuộc tuyến tính với tần số của điện áp - Khi chuyển đổi sơ đồ nối tiếp sang sơ đồ song  Cnt C/ /  1  tg 2  song hay ngược lại thì các tham số điện dung và  R =R 1 + 1  điện trở được tính bằng công thức chuyển đổi:  // nt   tg 2 δ 
4.4. NHỮNG YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TỔN HAO ĐM - Ta đã biết, tổn hao điện môi của một điện môi nào đó thường là do dòng điện dẫn (γ) và sự phân cực (ε) gây nên     bd 2 2 .  0 1    tg       bd 2 2 1   1 ε0 = (F/m) 4π.9.109 Hằng số điện môi tuyệt đối θ thời gian tích thoát năng lượng ε bd + 2 e w 0 /KT θ = τ. ; τ= ε+ 2 2ν θ tương đương với hệ số nhiệt độ (t0C)
4.4.1. Ảnh hưởng của tần số điện trường tới tổn hao điện môi • Quan hệ Tgδ = f(ω) với nhiệt độ T = cosnt a) Điện môi trung tính và cực tính yếu.  bd  e  tg   0   bd  e  0 Tgδ = f(ω) có dạng hypecbol b) Điện môi cực tính mạnh khi có dòng điện dẫn nhỏ Nên có thể bỏ qua thành phần chứa dòng điện dẫn ( bd    ). tg   bd    2 2
tg g 3 2 1 3 *3
1  bd  bd    *  tg max    2  bd   • Nên khi sử dụng vật liệu cực tính chúng ta tránh sử dụng ở miền tần số gần với ω* , vì ω* có sự cộng hưởng làm cho tổn hao điện môi lớn và có thể gây nên sự phá huỷ vật liệu. c. Điện môi cực tính mạnh có điện dẫn cao và phân cực lưỡng cực mạnh Loại này tổn hao điện môi được tạo bởi 2 thành phần trên. Khi đó, ta có quan hệ tgδ = f(ω) sẽ là tổng của hai đồ thị 1 và 2 (đường 3 hình 4-8). Ở đường 3 ta thấy: ω tăng, lúc đầu tgδ giảm đến cực tiểu, sau đó tăng đến điểm cực đại và sau cùng lại giảm đi khi tần số tăng cao. Có thể giải thích điều này như sau: + ω thấp, tuy phân cực có xảy ra trọn vẹn, nhưng số lần xoay hướng của các phần tử lưỡng cực ít, nên tổn hao điện môi do phân cực bé. Tổn hao điện môi ở miền tần số thấp chủ yếu là do dòng điện dẫn cho nên nó giảm khi tần số tăng.
+ Nếu tần số tăng thì số lần xoay hướng của các phân tử lưỡng cực tăng, năng lượng dùng cho phân cực lưỡng cực tăng lên cho nên tổn hao điện môi cũng tăng và đạt cực đại ở tần số cộng hưởng ω*. + Nhưng khi tần số tăng quá cao, dù số lần xoay hướng có nhiều song do phân cực xảy ra không trọn vẹn, hằng số điện môi bé (ε) nên giảm tgδ đi. Điểm cực đại khi có sự cộng hưởng 2 dao động là dao động của tần số điện trường và dao động nhiệt. Quan hệ với ở các nhiệt độ t1, t2, t3 (t1 < t2 < t3) có các trị số tgδmax hầu như không đổi ứng với các tần số ω1* < ω2* < ω3*. Điều này có thể giải thích bằng công thức tính tgδmax tg g Cht tg max  2 (Co  Cht )Co tg max g Trị số này không phụ thuộc vào tần số Mặt khác, vì nhiệt độ của điện môi tăng t1 < t2 < t3 để có sự cộng hưởng thì tần 3 *3 *3 *3 số của điện trường phải tăng
4.4.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tổn hao điện môi a. Điện môi trung tính và cực tính yếu Loại này có: , tổn hao điện môi chủ yếu là do dòng điện dẫn gây nên.   o e t tg    Ae t  0   0  Vì điện dẫn của điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm mũ nên vì vậy tổn hao điện môi sẽ tăng lên theo hàm số mũ khi mà nhiệt độ tăng. (đường 1) tg g 3 2 1 t* t0C
b. Điện môi cực tính mạnh khi có dòng điện dẫn nhỏ • I dẫn nhỏ không đáng kể, nên trong tường hợp này tổn hao điện môi chủ yếu là do phân cực lưỡng cực gây nên. Ta có công thức tính ( bd    ). tg   bd    2 2 Như đã nêu: θ = t0 tức t0 tăng cũng tăng theo tuyến tính và ngược lại Do đó quan hệ tgδ = f(t0) (đường 2) c. Điện môi cực tính mạnh có điện dẫn cao và phân cực lưỡng cực mạnh. - Loại này có tổn hao do 2 thành phần gây nên: dòng điện dẫn và phân cực lưỡng cực nên tgδ = f(t0) được biểu diễn bằng đường “3” là tổng của 2 đường “1” và “2” hình 4-10
- Đường “3” ta thấy : + Khi t0 thấp, năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử sẽ thấp, tăng chậm khi nhiệt độ tăng nhanh. + Khi t0 tăng, năng lượng chuyển động nhiệt của các phân tử sẽ tăng lên điện môi có sự giản nở nhiệt, khoảng cách giữa các phần tử điện môi tăng lên, do vậy, lực liên kết giữa các phần tử giảm đi và dẫn đến sự xoay hướng của các phân tử lưỡng cực sẽ dễ dàng hơn. Tổn hao điện môi sẽ tăng lên đến cực đại tại nhiệt độ t* . Đối với mỗi loại điên môi khác nhau thì nhiệt độ t* mà ở đó có tgδ cực đại cũng khác nhau. + Với sự tăng của nhiệt độ (ở vùng nhiệt độ cao), thời gian tích thoát năng lượng của phân tử điện môi giảm nhanh. Khi đó chuyển động nhiệt khá lớn và nó làm cản trở sự xoay hướng của các phần tử lưỡng cực, do vậy tgδ sẽ giảm đi. + Khi tiếp tục tăng nhiệt độ ( ở miền nhiệt độ quá cao), điện môi sẽ bị thay đổi cấu trúc và trạng thái, điện dẫn trong điện môi tăng cao nên tgδ cũng tăng mạng và có thể dẫn đến phá huỷ điện môi.
4.4.3. Ảnh hưởng của độ ẩm tới tổn hao điện môi - Khi điện môi ở trong môi trường có độ ẩm φ% nào đó, sau 1 thời gian ĐM sẽ bị ngấm ẩm; bên trong điện môi hấp thụ một lượng nước nhất định C%. - Khi bị hấp thụ và hấp thụ một lượng nước, ĐM sẽ thay đổi các tính chất cách điện so với ban đầu. Điện dẫn khối và điện dẫn mặt của ĐM sẽ tăng lên và làm cho tổn hao ĐM cũng tăng lên. - Khi độ ẩm của điện môi hay môi trường tăng lên sẽ làm giảm các tính chất cách điện của điện môi. tg g - Để hạn chế sự hấp thụ và hấp thụ nước vào vật liệu cách điện, trong công nghệ chế tạo thiết bị điện thường dùng các biện pháp sấy và tẩm bằng các loại vật liệu chống ẩm. C%
4.4.4. Ảnh hưởng của điện áp tới tổn hao điện môi. - Tgδ = f(U) cho chúng ta phát hiện ra những khuyết tật trong vật liệu (Như bọt khí…) để từ đó thay đổi công nghệ chế tạo cho phù hợp và chất lượng hơn - Khi U bé, nhiều trường hợp Tgδ không phụ thuộc vào U. Nhưng khi U cao, trong các chất khi nói chung và các bọt khí có lẫn trong ĐM lỏng và rắn nói riêng sẽ xảy ra quá trình ion hoá. Quá trình ion hoá các phần tử khí sẽ tiếp thu một năng lượng điện trường làm cho tổn hao ĐM tăng lên. Đồng thời điện dẫn của phần khí cũng tăng lên góp phần tác động đến sự tăng tổn hao ĐM tg g - Quan hệ tgδ = f(U) (đường cong ion hóa) B + Khi U < Ui hao tổn không phụ thuộc điện áp A + Khi Ui < U < UB quá trình ion hoá tăng làm tgg 1 cho tổn hao điện môi tăng theo hàm số mũ + Khi U > UB tổn hao ĐM lại giảm đi vì phần không khí có điện dẫn lớn làm cho điện áp dáng trên nó nhỏ đi. Ui UB U