Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 11

Chương 11. Điện môi rắn

Nhiệm vụ: Cách điện, che chắn, đỡ…

Điện môi rắn có mật độ lớn hơn nhiều Đ.M.K và Đ.M.L

Khả năng tích lũy năng lượng E của rắn>lỏng>khí

11.1 Một số tính chất điện môi của Đ.M.R

1. Điện trở suất: Đ.M.R có điện trở suất cao ρ≥106 Ωm và có thể đến 1016Ωm Khi Đ.M.R làm việc lâu dài có thể bị lão hóa, hư hỏng.

Tuổi thọ cách điện thông qua trị số Echịu đựng (kV/mm) hay Upđ

ρ: đặc trưng cho khả năng dẫn điện và khả năng bị lão hóa

Chương 11. Điện môi rắn

11.1 Một số tính chất điện môi của Đ.M.R

2. Hằng số điện môi: εr thể hiện qua năng lượng tích lũy của Đ.M.R

Năng lượng tích lũy (WE)

Năng lượng tích lũy tăng khi E tăng nhưng ->Lim sẽ phóng điện -> chỉ có thể tăng εr

(VD: Tụ điện được quan tâm đến εr)

Chương 11. Điện môi rắn

11.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.R

Phân biệt 2 loại phóng điện chọc thủng Bản thân trong Đ.M.R

Phóng điện trong thực tế

• Khi tăng E -> sẽ xảy ra pđct trong bản thân Đ.M.R

• Phóng điện thực tế như Pđ bề mặt trên sứ cách điện

Chương 11. Điện môi rắn

11.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.R

11.2.1. Phóng điện chọc thủng trong bản thân Đ.M.R

1. Cơ chế phóng điện điện tử (Electronic breakdown)

 Trong Đ.M.R tồn tại e -> cực ⊕->va chạm với các nút mạng tinh

thể ion ⊕.

 e di chuyển đc do E đặt vào -> khi va chạm sẽ mất đi năng lượng

Chương 11. Điện môi rắn

11.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.R

11.2.1. Phóng điện chọc thủng trong bản thân Đ.M.R

1. Cơ chế phóng điện điện tử (Electronic breakdown)

Gọi: A: Năng lượng nhận B: Năng lượng mất We: Năng lượng trung

bình của điện tử e

 We tăng khi A tăng đến khi We bão hòa và không tăng nữa.  Nếu We tăng -> e di chuyển càng nhanh

Quá trình phóng điện xảy ra khi A > B

Chương 11. Điện môi rắn

11.2.1. Phóng điện chọc thủng trong bản thân Đ.M.R

2. Cơ chế phóng điện nhiệt (Thermal breakdown)

Phần nhiệt nhận > Phần nhiệt mất đi

VD: nóng do I chạy qua dây dẫn -> cách điện nóng

 Phần năng lượng nhiệt khi có I chạy qua điện môi thì điện

môi sẽ nhận 1 năng lg có trị số σ.E2

 Năng lượng nhiệt gồm 2 thành phần:

• Nóng điện môi • Tỏa ra môi trường xung quang

Chương 11. Điện môi rắn

11.2.1. Phóng điện chọc thủng trong bản thân Đ.M.R

2. Cơ chế phóng điện nhiệt (Thermal breakdown)

 Phần năng lượng làm nóng điện môi thời gian

Cv: nhiệt dung riêng của đmôi T: nhiệt độ của đmôi t: thời gian

càng lâu ->nhiệt độ càng cao ->nóng lên

 Phần năng lượng nhiệt tỏa ra môi trường xung

K: Nhiệt dẫn T: nhiệt độ của đmôi

quanh div(KgradT)

 Khi điều kiện cân bằng nhiệt:

Dấu (-) do nhiệt độ mất đi

Toán tử div là 1 toán tử đo mức độ phát ra hay thu vào của trường vecto tại 1 điểm cho trước

 Phóng điện nhiệt xảy ra khi:

Chương 11. Điện môi rắn

11.2.1. Phóng điện chọc thủng trong bản thân Đ.M.R

2. Cơ chế phóng điện nhiệt (Thermal breakdown)

Nhiệt lg đi vào và ra VL hình khối lập phương

Nếu xét một hình hộp có bề mặt là A độ rộng là ∆x.

Dòng nhiệt chảy theo hướng x ta có thành phần thứ hai của vế phải là:

Chương 11. Điện môi rắn a. Ở điện áp xung

Điện áp đặt vào tồn tại trong thời gian rất ngắn thì lượng nhiệt tỏa ra môi trường xung quanh ít, ko đáng kể.

Giải phương trình này tính được E để xảy ra pđct:

Trong đó: W- Năng lượng hoạt tính

kb- Hằng số Bonzoman T- nhiệt độ của đ.môi tại lúc xảy ra pđ A- hệ số tpđ- thời điểm xảy ra pđ

Chương 11. Điện môi rắn a. Ở điện áp xung Xung có dạng ∆

 Nếu Cv càng lớn thì khả năng chịu đựng Upd, Epđct càng cao.  Tỷ lệ nghịch với tpđ. Thời gian đặt điện áp xung vào càng lâu ->

nóng tăng ->phóng điện nhiệt dễ dàng -> Epđct càng giảm

Chương 11. Điện môi rắn b. Ở điện áp ổn định  Thời gian tồn tại rất lâu ->gt nhiệt của cách điện và nhiệt của

môi trường xung quanh không thay đổi nhiều.

 Coi phần nhiệt lượng làm cho cách điện nóng lên ≈0.

Giải phương trình ta được:

Trong đó: σo – điện dẫn của điện môi

K- nhiệt dẫn

Upđct tỷ lệ thuận với K. Nếu vật liệu dẫn nhiệt tốt thì hiện tượng xảy ra pđ càng khó (nhiệt dẫn tốt là nhiệt độ tỏa ra xung quanh nhiều)

Chương 11. Điện môi rắn c. Cơ chế phóng điện cơ điện  Khi đặt E -> Đ.M.R chịu 1 lực nén tĩnh điện bằng

• Điện áp đặt vào càng lớn -> lực ép càng lớn

• εr tăng ->lực nén càng lớn

• d: độ dày của đmôi. d giảm ->lực nén càng

tang ->d tiếp tục giảm

Chương 11. Điện môi rắn d. Độ bền cơ của Đ.M.R  Đặc trưng bởi biểu thức

Trong đó: Y- ứng suất Young

do- là độ dầy ban đầu d- độ dày ở thời điểm bị nén

Lực nhận vào > Lực có thể chịu được Vật liệu bị vụn đi

 Phóng điện cơ điện xảy ra khi độ bền cơ của vật liệu:

Giải phương trình ta được:

Đối với mỗi vật liệu có 1 trị số phụ thuộc vào εr và Y

Chương 11. Điện môi rắn

11.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.R

11.2.1. Phóng điện chọc thủng thường xảy ra trong thực tế

1. Phóng điện cây điện (electrical treeing)

 Phát triển phóng điện như hình cái cây.  Thực tế pđ chỉ chiếm 1 phần cách điện mà không bao giờ bao

trùm hết.

Chương 11. Điện môi rắn

11.2 Phóng điện chọc thủng trong Đ.M.R

11.2.1. Phóng điện chọc thủng thường xảy ra trong thực tế

1. Phóng điện cây điện (electrical treeing)

Từ đl Gauss (đl bảo toàn về năng lượng điện)-Chương 6

εr1: mtrg 1 (khí or lỏng) εr2: mtrg 2 (rắn) E1: cường độ điện trường của khí E2: cường độ điện trường của Đ.M.R

1.Phóng điện cây điện (electrical treeing)

Với εr1=1

εr2=2÷4

 Đ.M.R thường dùng kèm với Đ.M.K như hình vẽ:  Theo đl GAUSS: mật độ E trong Đ.M.K = εr2 lần trong Đ.M.R -> E trong chất khí dễ đạt đến trị số xảy ra pđ hơn chất rắn. ->làm bề mặt của Đ.M.R bị oxi hóa  Quá trình cứ tiếp diễn dần dần lấn sâu vào trong lòng Đ.M.R giống như 1 cái cây ->Cuối cùng pđct sẽ diễn ra

2. Phóng điện bên trong (internal discharge)

 Trong chế tạo Đ.M.R thường có các bọt khí, lỗ hổng (free volume)  Phóng điện trong bọt khí khi E > Epđ

Sơ đồ thay thế tương đương của cách điện

C1- Điện dung của bọt khí C2- Điện dung của C.Đ.R với bọt khí C3- Điện dung của phần cách điện còn lại (gần =0)

2. Phóng điện bên trong (internal discharge) Điện áp đặt lên bọt khí:

Biết C2<

Có nghĩa là nó thay đổi giống như U đặt vào toàn bộ khối đ.môi

o Nếu U1>Upđbk -> pđ trong b.khí ->đ/áp thực tế ( ) tăng đến lúc pđ ->C1 bị nối tắt ->U1 giảm dần về 0. o Nếu U1tính cách điện

trong b.khí phục hồi -> U1 tăng theo U nguồn.

o Q.Trình cứ thế tiếp diễn-> 1 c.kỳ

có vài lần pđ trong b.khí. o Mỗi lần pđ như thế-> bề mặt

b.khí bị đốt cháy và dần dần sẽ-> pđct