Chương 10. Điện môi lỏng
Nhiệm vụ
Điện môi lỏng có mật độ lớn hơn nhiều Đ.M.K
Điện dẫn của Đ.M.L > Đ.M.K ( coi ĐMK có σ≈ 0)
--> Đ.M.L có σ xác định
Cách điện Làm mát
Cách điện
Đ.M.L
Dẫn điện
Cấu tạo 2 phân tử chất lỏng A.B dễ dàng bị phân ly thành ion A+ và B- và cả quá trình tái hợp
kd- hệ số phân ly kr- hệ số tái hợp
Khi hình thành cách điện tích + và – Các ion này sẽ chuyển động về các điện cực trái dấu và tạo thành các lớp điện tích trái dấu trên bề mặt điện cực với độ dầy λ+ và λ-
Sự xuất hiện các lớp đtích trái dấu làm E ở giữa 2 đcực thay đổi
Nếu U đủ nhỏ coi E giữa 2 đcực là đều
233
10.1 Hiện tượng dẫn điện trong Đ.M.L
Dòng điện tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào
Điện áp đặt vào càng lớn I càng tăng Htg dẫn điện trong trường hợp này goi là giả Ohm
U tăng -> kd tăng ->λ+ và λ- tăng và nó sẽ tiếp xúc nhau ở giữa 2 đ.cực-> khả năng kr tăng. Hiệu ứng tăng đtích do U tăng = hiệu ứng giảm đtích do các ion trái dấu trung hòa với nhau.
Dòng điện ko thể tăng được nữa mặc dù tăng U Chế độ dẫn điện gọi là chế độ bão hòa
234
10.1 Hiện tượng dẫn điện trong Đ.M.L
10.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L
Các quá trình hình thành bọt khí bao gồm:
235
1. Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L do bọt khí
10.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L
1. Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L do bọt khí
Khi một bọt khí được hình thành, nó sẽ bị kéo dài theo hướng của điện trường do ảnh hưởng của lực tĩnh điện (d tăng)
Thể tích của bọt khí V=const trong quá trình bị kéo dài. P=const ->P.d tăng.
236
Quá trình phóng điện sẽ diễn ra khi điện áp rơi dọc theo chiều dài của bọt khí bằng với giá trị nhỏ nhất trên đường cong Paschen ứng với khí bên trong bọt khí.
10.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L
1. Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L do bọt khí
Giá trị điện trường bên trong bọt khí
Trong đó: σ là sức căng mặt ngoài,
ε1 là hằng số điện môi tương đối của chất lỏng, ε2 là hằng số điện môi tương đối của khí bên trong bọt khí, r là bán kính ban đầu của bọt khí (giả sử ban đầu là hình cầu) Vb là điện áp rơi trên chiều dài của bọt khí.
Epđct phụ thuộc vào kích cỡ ban đầu của bọt khí , mà kích cỡ này
lại phụ thuộc vào áp suất thủy tĩnh và nhiệt độ của chất lỏng.
Hiện tượng phóng điện này làm giải phóng NL nhiệt và làm hóa hơi
chất lỏng -> tạo các bọt khí mới.
237
Quá trình cứ thế tiếp diễn và xảy ra pđ trên toàn bộ k/c giữa 2 đ.cực.
10.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L
2. Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L do các phần tử chất rắn Trong thực tế, các quy trình làm sạch chất lỏng không bao giờ
loại trừ hết được các tạp chất rắn cỡ dưới µm.
Các tạp chất rắn này có thể tồn tại trong chất lỏng như các sợi
hoặc các phần tử phân tán trong chất lỏng.
Khi đặt E thì các phần tử chất rắn chịu 2 lực tác dụng F:
Trong đó: r- hình cầu bán kính
ε2 hằng số điện môi của chất rắn, (ε2 =hàng trăm) ε1hằng số điện môi của chất lỏng (ε1 =2÷4)
grandE2 – chỉ E chỗ nào lớn nhất
Nếu ε2>ε1 (thực tế điều này luôn đúng), lực này sẽ có hướng
238
về vùng có điện trường lớn nhất.
10.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L
2. Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.L do các phần tử chất rắn
-> các ptử chất rắn đc kéo về khu vực đ.cực có Emax (ví dụ đỉnh nhọn trên bề mặt điện cực)
Tạo thành cầu nối giữa 2 đ.cực -> pđct
239
Thu hẹp khoảng cách giữa 2 đ.cực
10.3 Khả năng làm mát của cách điện lỏng
VD: Khi I tăng -> t tăng ->phần nóng nổi lên trên
Môi chất làm mát bên ngoài: Nước, không khí, quạt giớ (làm mát tự nhiên)
240
Phần lạnh xuống dưới (ĐH luôn treo cao)
10.3 Khả năng làm mát của cách điện lỏng
Trong một thiết bị cách điện bằng dầu (máy biến áp, cáp,
máy cắt…) nhiệt được tản bằng đối lưu.
Ở điều kiện làm mát tự nhiên khả năng đối lưu N được tính
bởi công thức:
Trong đó K là nhiệt dẫn
A là hệ số giãn nở nhiệt,
C là nhiệt dung riêng trên một đơn vị thể tích,
ν là độ nhớt động lực học,
241
n =0,25-0,33.
10.3 Khả năng làm mát của cách điện lỏng
Khả năng tản nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào K, một phần vào A
và C, tỉ lệ nghịch với độ nhớt.
Trong cách điện lỏng, A và C hầu như không thay đổi tuy
nhiên ν thay đổi rất lớn tùy thuộc vào từng loại chất lỏng.
Do đó trong chất lỏng tĩnh (làm mát tự nhiên) để tăng khả
năng tản nhiệt vấn đề quan trọng là tăng K hoặc giảm ν.
Ngược lại nếu K nhỏ và ν lớn có thể dẫn tới việc phát nóng
242
cục bộ trong chất lỏng.
10.4 Các tính chất vật lý quan trọng khác
Độ giãn nở nhiệt,
Khả năng cháy (bao gồm điểm chớp cháy và điểm cháy),
Nhiệt độ đông đặc để đảm bảo cho cách điện vận hành ở
những điều kiện thời tiết khác nhau.
Việc chọn lựa loại cách điện lỏng theo khả năng tản nhiệt
là một yếu tố rất quan trọng trong thiết kế các thiết bị điện chịu
năng lượng điện lớn như máy biến áp, lò phản ứng, chỉnh lưu
243
hoặc cáp điện.
10.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp chịu đựng
Trong quá trình vận hành các thiết bị điện sử dụng chất lỏng làm
cách điện, đặc biệt trong thiết bị điện cao áp người kỹ sư cần
phải quan tâm đến những vấn đề sau:
Dự báo được khả năng của cách điện chịu đựng được các
điều kiện vận hành bình thường mà không bị hư hỏng
Tính được khả năng của cách điện chống lại các loại quá điện
áp khác nhau như sét, quá điện áp thao tác hoặc khi xuất
hiện các sóng điều hòa có biên độ lớn.
Đánh giá được quá trình già hóa của cách điện theo thời gian
244
để có biện pháp bảo trì thích hợp
10.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp chịu đựng
1. Nhiệt độ và áp suất
• Upđ của dầu MBA hầu như không phụ thuộc và nhiệt độ của nó,
trừ khi nhiệt độ nó gần đạt tới nhiệt độ sôi.
• Khi gần tới nhiệt độ sôi, chịu đựng giảm mạnh, điều này có thể
được giải thích do ở nhiệt độ này bắt đầu có sự hình thành của các
bọt khí đồng thời với sự suy giảm của độ nhớt và sức căng mặt ngoài. Nhiệt độ sôi của dầu (khoảng 250oC).
• Áp suất ảnh hưởng rất lớn lên điện áp chịu đựng của Đ.M.L.
• Nếu tăng áp suất từ áp suất khí quyển lên khoảng hơn 10 lần, điện
áp chịu đựng có thể tăng đến 50%. Điều này cũng dễ hiểu do sự
hình thành các bọt khí bị cản trở và áp suất của khí trong bọt khí
245
(nếu có) cũng tăng
10.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp chịu đựng
2. Ảnh hưởng của tạp chất
Các tạp chất ở đây bao gồm:
• Các phần tử rắn (các bon, sáp- wax),
• Các sản phẩm của quá trình già hóa và phóng điện, sợi
cellulose
• Các phần tử còn sót lại sau quá trình lọc, nước, axít
hay khí.
Tạp chất luôn làm giảm điện áp chịu đựng, đặc biệt là sự xuất hiện đồng thời của nước và sợi
246
10.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp chịu đựng
3. Ảnh hưởng điện cực và khoảng cách giữa các điện cực
Điện áp chịu đựng trong dầu phụ thuộc vào nhiều tham số của điện cực: Diện tích điện cực,
Cực tính của điện cực (trường hợp trường không
đồng nhất)
Khoảng cách giữa các điện cực
Dạng điện cực
Vật liệu làm điện cực
247
10.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện áp chịu đựng
4. Ảnh hưởng của quá trình lão hóa
Khi cách điện lỏng được giữ ở nhiệt độ cao, dưới tác
dụng của điện trường đồng thời tiếp xúc với oxy, các tính chất điện môi của nó như điện trở và điện áp chịu đựng sẽ bị suy giảm.
Quá trình oxy hóa của điện môi lỏng được gia tốc ở nhiệt độ cao với sự có mặt của oxy và các chất xúc tác như đồng.
• Phá hủy các đặc tính điện cơ (vd: giảm điện áp chịu đựng,
tăng tổn hao)
• Lý (vd: giảm độ nhớt)
248
• Hóa (vd: tăng hàm lượng axít)
• Nhiệt (vd: giảm khả năng tản nhiệt) của dầu.
10.6 Dầu máy biến áp
Trong số các vật liệu cách điện thể lỏng thì dầu biến áp được
ứng dụng nhiều nhất trong kỹ thuật điện. Dầu biến áp có 2 chức
năng chính:
1.Dầu lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và
khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây và giữa cuộn dây
với vỏ máy biến áp, làm nhiệm vụ cách điện và tăng độ bền cách
điện của lớp cách điện lên rất nhiều.
2.Nhiệm vụ làm mát, tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công
249
suất trong dây quấn và lõi thép MBA sinh ra.
10.6 Dầu máy biến áp
Dầu máy biến áp có thành phần hóa học là hỗn hợp của các
Hydro và Carbon.
Có màu biến đổi từ chỗ hầu như không màu sang màu vàng
sẫm.
Dầu lấy từ các mỏ khác nhau có các đặc tính khác nhau và các
250
đặc tính đó cũng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.
10.6 Dầu máy biến áp
o Độ nhớt của dầu biến áp phụ thuộc vào nhiệt độ. o Tiêu chuẩn quy định độ nhớt động học của dầu biến áp không quá 30.102cm2/giây ở nhiệt độ 20oC và
không quá 9,6.102 cm2/giây ở 50oC.
o Trị số giới hạn của độ nhớt có ý nghĩa quan trọng bởi vì dầu quá nhớt sẽ làm giảm sự thoát nhiệt từ
dây quấn và lõi thép của MBA ra ngoài.
251
10.6 Dầu máy biến áp
Dầu biến áp là chất lỏng dễ cháy nên nhiệt độ chớp cháy của
dầu biến áp không được thấp hơn +135oC.
Nhiệt độ đông đặc của dầu không được cao hơn -45oC (228oK);
đặc tính này có ý nghĩa quan trọng đối với loại dầu được dùng
trong các máy cắt điện đặt tại các trạm ngoài trời ở những khi
vực có mùa đông lạnh.
Xuất phát từ tính chất cách điện của dầu máy biến áp, tiêu
chuẩn quy định trị số tgδ(50Hz) ≤0,003 khi nhiệt độ là 20oC và
252
không được lớn hơn 0,025 ở nhiệt độ 75oC.
Trị số tối thiều của độ bền điện dầu MBA theo quy trình kỹ thuật vận hành thiết bị điện. Thí nghiệm tiến hành đánh thủng mẫu dầu ở giữa hai điện cực bằng kim loại hình đĩa có mép uốn tròn, đường kính cực 25mm, khoảng cách giữa các cực là 2,5mm, điện áp thử nghiệm xoay chiều tần số công nghiệp
10.6 Dầu máy biến áp
253
Tiêu chuẩn độ bền điện của dầu biến áp
10.7 Dầu thiên nhiên: Dầu mỏ (miner oil)
Thành phần hóa học là hỗn hợp của các Hydro, Carbon, lượng
nhỏ lưu huỳnh (S) Oxy và 1 số kim loại. Echịuđựng ≈ 30 kV/mm (khí E = 3kV/mm-> Lỏng tốt hơn khí về cách điện Điểm chớp cháy ≈ 145oC
10.8 Dầu Silicon
Lý do MBA to không phải do E chịu đựng mà để đổ được nhiều dầu do làm mát. Ecđ=30kV/mm thực tế MBA 500 kV khoảng cách từ vỏ thùng đến gong từ chỉ cần 20 mm tuy nhiên cần 50 cm do để chứa dầu.
254
Thành phần cơ bản gồm Silicone, oxy và nhóm hữu cơ CH3 Echịuđựng ≈ 10 kV/mm Điểm chớp cháy ≈ 300oC
