CHươNG PHóNG đIệN TRONG đIệN MôI 7.1 Giới thiệu 7.2 Phóng điện chân không 7.3 Phóng điện chất khí 7.4 Phóng điện chất lỏng 7.5 Phóng điện chất rắn 7.6 Phóng điện xung kích 7.7 Phóng điện vầng quang 7.8 Phóng điện dọc theo bề mặt cách điện rắn 7.9 Phóng điện cục 7.1 Giới thiệu Tính chất môi trường điện môi không khả có điện dung lớn mà quan khả cách điện có điện dẫn bé Các chất điện môi có điện trở suất cao dùng để cách điện cho vật dẫn cố điện khác Điện áp đặt lên vật liệu cách điện điện trường tăng giới hạn Khi có điện trường đặt đủ lớn lên hai điện cực với môi trường cách điện (chân không điện môi) xảy trình đặc biệt Môi trường vốn xem cách điện bị nối liền tia lửa điện (hồ quang) có điện dẫn cao Người ta gọi tượng phóng điện chọc thủng Các chất khí chất lỏng cách điện, phóng điện chọc thủng phải vĩnh cửu Vật liệu tính chất cách điện tạm thời thời gian tồn hồ quang Nếu ta cắt nguồn điện áp gây phóng điện, vật liệu lại có khả chịu điện áp tác dụng caô đến bị phóng điện trở lại Trong vật liệu cách điện thể rắn, phóng điện chọc thủng trình không ngược Phóng điện dẫn đến hình thành kênh dẫn dẫn đến phá huỷ vĩnh cửu Với hiểu biết tính chất dẫn điện phân cực điện môi trình bày chương trước, việc nghiên cứu sâu trình hình thành phóng điện cần thiết Sự hiểu biết chế hình thành, diễn biến trình yếu tố ảnh hưởng cho phép có biện pháp ngăn ngừa phóng điện thiết kế, vận hành thiết bị điện dự báo Phóng điện chọc thủng tượng quan trọng thiết bị điện đặc biệt đo với cách điện thiết bị cao áp Khi có cố hỏng hóc cách điện, chế độ làm việc bình thường thiết bị hệ thống điện không đảm bảo Tuy nhiên cần phân biệt hai khái niệm gọi phóng điện sau: Phóng điện phần (discharge) - dạng phóng điện nói chung, không hoàn toàn ví dụ phóng điện vầng quang, phóng điện cục Phóng điện chọc thủng (breakdown) dạng phóng điện hồan toàn, toàn không gian hai điện cực bị ngắn mạch tia lửa điện Có thể xem giai đoạn cuối phóng điện với ta nâng điện áp đặt lên vật cách điện vượt ngưỡng phóng điện cục đến lúc xảy phóng điện Để đặc trưng cho khả vật liệu cách điện làm việc lâu dài tác dụng điện áp điện trường cao người ta thường dùng khái niệm độ bền điện, cường độ điện trường cực đại đặt lên vật liệu mà không dẫn đến phóng điện Người ta dùng khái niện cường độ điện trường xảy phóng điện Đại lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố độ đồng điện trường (kích thước hình học, khoảng cách điện cực ), chất trạng thái bề mặt điện cực sử dụng để thí nghiệm quy trình thử nghiệm, thời gian tác dụng điện áp điều kiện môi trường (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm), độ nhiễm bẩn vật liệu (khuyết tật, tạp chất điện áp xoay chiều, chiều điện áp xung Một yếu tố ảnh hưởng đến độ bền điện chất cách điện, đặc biệt cách điện thể rắn điện trường phóng điện phụ thuộc vào độ dày mẫu thử Các mẫu kết cấu cách điện dày tích vật liệu lớn có xác suất chứa khuyết tật nhiều dẫn đến phóng điện điện trường thấp Môi trường cách điện Độ bền điện Ghi Không khí, at 31,7 kV/cm, 60 Hz khe hở 1cm khí SF6 79,3 kV/cm, 60Hz sử dụng máy cắt để tránh phóng điện Polybutene >138 kV/cm Chất lỏng sử dụng để tẩm cách điện cáp cao áp dầu MBA 128 kV/cm - polypropylene 295 - 314 kV/cm Ngoài phải nói thêm tác dụng điện trường điều kiện làm, tính chất cách điện vật liệu bị giảm sút Quá trình già cỗi vật liệu (lão hoá) thường làm tăng điện dẫn, giảm độ bền cách điện Để so sánh vật liệu cách điện theo độ bền điện, người ta tiến hành đo điện áp phóng điện điều kiện thí nghiệm nghiêm ngặt theo tiêu chuẩn Các quy trình tiêu chuẩn thí nghiệm phóng điện điện môi không hoàn toàn giống Ví dụ để xác định độ bền điện củả chất lỏng cách điện Quy chuẩn thiết bị thí nghiệm Quy trình thí nghiệm Xử lý số liệu Ví dụ để xác định độ bền điện chất rắn cách điện Quy chuẩn thiết bị thí nghiệm Bình đựng dầu Cốc đo độ bền điện chất lỏng (tiêu chuẩn IEC156) Bình sứ tích vào khoảng 300-500 cm3 Trong bình có gắn cực mà khoảng cách chúng thay đổi Mặt cực yêu cầu phải sử lý thật cẩn thận trình sử dụng bình thí nghiệm phải thường xuyên kiểm tra trạng thái bề mặt cực Mức dầu bình phải cao mép cực 15 mm Nguồn Dạng điện áp thí nghiệp : xoay chiều, công suất, độ méo hình sin không 5% Tốc độ tăng điện áp : kV/s Quy trình thí nghiệm Lấy mẫu dầu cần đặc biệt ý tới cách lấy mẫu dầu việc lấy mẫu không theo qui định làm cho kết thí nghiệm sai lệch đưa đến kết luận sai lầm phẩm chất dầu Theo qui trình kiểm tra chất lượng dầu máy biến áp máy cắt điện mẫu dầu thí nghiệm phải lấy từ thùng máy biến áp hay máy cắt đựng chai thủy tinh khô, sạch, đậy nút, có gắn xi parafin Để lấy mẫu dầu phải mở vòi phía thùng dầu, dầu chảy để rửa vòi, sau để chai vào lấy dầu Để cho không khí ẩm không xâm nhập vào mẫu dầu nên lấy mẫu thời tiết khô khô, lượng dầu lấy để thí nghiệm phải lít Nếu vào mùa đông trước tiến hành thí nghiệm cần phải để dầu phòng thí nghiệm khoảng thời gian 8-12 dầu có nhiệt độ phòng Kiểm tra bình thử dầu cách đổ dầu vào bình Trước đổ dầu vào bình thử dầu cần kiểm tra kỹ tình trạng bình trạng thái mặt cực Khi đổ dầu vào bình dù bình khô cần rửa lại bình dầu 2,3 lần Khi rửa nên rót dầu lên mặt cực để rửa vệt dầu than sót lại mặt cực từ lần thí nghiệm trước Sau đổ dầu vào bình phải đợi độ 10-15 phút sau tiến hành thí nghiệm hạt khí dầu thoát Xử lý số liệu Trong lần phóng điện lấy kết lần sau (từ lần thứ đến lần thứ 6), bỏ kết lần phóng điện thứ cho ban đầu, mặt cực có tạp chất nên kết sai lệch U ct ( t binh ) = U cti i =2 Từ kết tính điện áp phóng điện trung bình (của lần sau cùng) tính cường độ cách điện dầu theo công thức Ed = U ct (t binh ) s Tương tự điện trở suất, đơn vị nghịch đảo nhiệt dẫn suất gọi hệ số dẫn nhiệt vật liệu Vật liệu Hệ số nhiệt dẫn suất W/(m.K) Vật liệu Hệ số nhiệt dẫn suất W/ (m.K) Không khí 0.05 Gốm sứ 1.6 Bitum 0.07 Graphit 18 Giấy cellulose 0.10 O xit nhôm Al2O3 30 Vải tẩm 0.13 O xit magie 36 Hetilac 0.35 Sắt 68 Thạch anh 1.25 Nhôm 296 Đồng 390 7.1.2 Nhiệt dung Khi ta truyên cho vật liệu nhiệt lượng Q, nhiệt độ vật tăng lên T hấp thu nhiệt T = Q CT CT gọi nhiệt dung vật liệu có đơn vị J/K Một vật đồng có khối lương M, nhiệt dung điện trở C T = cM c suất nhiệt dung J/(kg.K) 7.1.3 Tính chịu nóng độ bền nhiệt Một yêu cầu quan trọng vật liệu cách điện khả làm việc lâu dài tác dụng nhiệt độ cao mà không biến đổi tính chất Tính chịu nhiệt đặc trưng độ bền chịu nóng Ngoài thay đổi xấu tính chất cách điện, tác dụng lâu dài nhiệt độ cao quan sát thấy thay đổi không mong muốn trình hoá học chậm : gìa cỗi hay lão hoá nhiệt vật liệu cách điện Ví dụ dầu máy biến áp trình sinh sản phẩm oxy hoá, màng sơn trình già cỗi hoá làm cho vật liệu trở nên giòn, cứng Nhiệt độ làm việc cho phép vật liệu xác định nhiều yếu tố khác Từ kết thử nghiệm vật liệu cách điện, người ta thấy độ bền vật liệu tác động nhiệt điều kiện khác không giống Ví dụ vật liệu chịu đun nóng ngâưn hạn đến nhiệt độ cao lại không bền vững với tác động lâu dài nhiệt độ thấp Hoặc có vật liệu chịu đựng lâu dài nhiệt độ cao Độ bền chịu nóng vật liệu cách điện khả chịu đựng tác động nhiệt độ cao thời gian vận hành thiết bị mà không suy giảm tính chất Để xác định độ bền chịu nóng thí nghiệm vật liệu toàn thời gian phục vụ mà người ta tăng tốc thử nghiệm miền nhiệt độ tương đối cao sau vẽ đồ thị quan hệ thời gian nhiệt độ với trục hoành logarithme thời gian Quan hệ ngoại suy, thường với thời gian 20.000 làm việc Người ta phân loại vật liệu theo cấp nhiệt, nhiệt độ làm việc lớn cho phép khoảng thời gian lâu dài Tiêu chuẩn IEC 85 (International Electrotechic Commission - Hội đồng điện lực quốc tế) quy định cấp nhiệt khác đối voéi laọi cách điện bên Đối với loại quy định nhiệt độ làm việc, nhiệt độ lớn làm việc lâu dài vật liệu thiết bị điện (trong thời gian nhiều năm) Năm 1984, IEC xuất ấn phẩm số IEC 85 giữ lại tất cấp nhiệt từ Y đến H thay ký hiệu chữ số ứng với nhiệt độ làm việc lớn gọi số nhiệt (90; 105; 120; 130; 155 180), cấp C thay cấp 200; 220 250 Với nhiệt độ làm việc cao cho phép có thêm cấp 275, 300 v.v (cách 25C) Thời gian gần đây, việc đánh giá cấp nhiệt với vật liệu đơn lẻ mà cho kết cấu cách điện thiết bị Ký hiệu cấp nhiệt độ Nhiệt độ làm việc oC Y 90 vật liệu gốc cellulose sợi không qua sấy tẩm không ngâm chất lỏng cách điện lỏng A 105 vật liệu cấp Y qua sấy tẩm ngâm chất lỏng cách điện E 120 màng chất dẻo hữu B 130 Các vật liệu vô : mica, thuỷ tinh, sợi amian kết hợp với số loại nhựa hữu F 155 Các loại vật liệu vô : micanit, sợi thuỷ tinh với nhựa liên kết có độ chịu nóng cao H 180 Tương đương loại F dùng nhựa liên kết gốc silic có độ bền chịu nóng cực cao C >180 vật liệu tuý vô mica, gốm, sứ, thuỷ tinh chất kết dính Vật liệu 7.2 Tính hút ẩm thấm ẩm Rất nhiều vật liệu cách điện mức độ khác hút ẩm tức khả hút ẩm từ môi trư ờng xung quanh thấm ẩm có nghĩa khả cho ẩm thấu qua Do nước điện môi cực tính mạnh nên bị hút ẩm tính chất cách điện vật liệu cách điện thường thay đổi theo chiều hướng xấu : điện dẫn tăng, điện áp phóng điện điện môi dọc theo bề mặt cách điện giảm, tổn hao tăng 7.2.1 Tính hút ẩm Một mẫu vật liệu cách điện đặt môi trường có độ ẩm tương đối , nhiệt độ T, sau thời gian định độ ẩm hay hàm lượng nước vật liêu đạt giá trị giới hạn gọi độ ẩm cân Một mẫu vật liệu vốn khô đặt môi trường có độ ẩm cao % hấp thụ nước từ môi trư ờng khiến độ ẩm vật liệu (hàm lượng nước đon vị khối lượng vật liệu) tăng lên Ngược lại độ ẩm vật liệu lớn nhiệt độ môi trường độ ẩm giảm dần đến giá trị cân Đối với vật liệu khác nhau, độ ẩm cân không giống Tính hút ẩm vật liệu cách điện bị ảnh hưởng cấu tạo chúng, vai trò mao dẫn bên vật liệu đóng vai trò quan trọng Các vật liệu xốp giấy, sợi hút ẩm Trong số trường hợp, cách điện không tiếp xúc với không khí ẩm mà trực tiếp với nước (ví dụ cách điện thiết bị trời, cách điện thiết bị điện tàu ) nên sử dụng khái niệm độ thấm nước 7.2.2 Thấm ẩm Tiêu chuẩn đặc biệt quan trọng để đánh giá chất lượng vật liệu dùng để sơn phủ 7.2.3 Sự ngưng tụ nước bề mặt điện môi Hơi nước không khí ngưng tụ bề mặt điện môi rắn hình thành màng nước có độ dày phụ thuộc vào độ ẩm không khí khả bám dính vật liệu Cùng với tạp chất ô nhiễm môi trường, lớp bụi ẩm bám bề mặt cách điện rắn làm tăng đáng kể điện dẫn giảm điện áp phóng điện bề mặt Các vật liệu không bám dính điện dẫn suất mặt giảm tiếp xúc với môi trường ẩm nước, kể trường hợp đọng lại dạng suơng tạo thành giọt riêng rẽ lớp màng nước 7.2.4 Biện pháp hạn chế ảnh hưởng ẩm Để giảm độ thấm ẩm hút ẩm vật liệu xốp, cần phải loại bỏ nước có điện môi phương pháp sấy kết hợp hút chân không phương pháp hoá học Sau cần ngâm tẩm sơn phủ vật liệu hút ẩm thấm ẩm để ngăn chặn ẩm lọt vào bên Trong sử dụng hạn chế tiếp xúc với môi trường ẩm (ví dụ hộp lọc khí sicagel máy biến áp) Trường hợp bề mặt bị ô nhiễm phải làm vệ sinh để loại bỏ bẩn bụi ẩm 7.3 Độ hoà tan khả hoà tan 7.4 Tính chất hoá học Độ bền hoá học vật liệu cách điện nghĩa khả không bị phân huỷ hoá học tiếp xúc với vật liệu khác (khí, nước, axit, kiềm, dung dịch muối) đa dạng Để xá định độ bến hoá học, mẫu vật liệu đặt lâu dài điều kiện gần với điều kiện làm việc theo quan điểm lựa chọn môi trường hoá học, nhiệt độ , sau xác định thay đối bên ngoài, thay đổi khối lượng tham số khác mẫu 7.5 Tính chất học Trong nhiều trường hợp điện môi phải chịu tác dụng ứng lực khí Vì độbền học có ý nghĩa thực tế quan trọng trường hợp đòi hỏi độ bền học cao, vật liệu cách điện phải có khả làm việc lâu dài hay ngắn hạn không bị biến dạng lực học 7.5.1 Độ bền uốn, kéo nén Độ bền kéo, uốn nén vật liệu cách điện thay đổi lớn từ vật liệu đến vật liệu khác 7.5.2 Tính giòn Tính giòn biểu thị khả vật liệu chịu tải học động 7.5.3 Độ cứng Độ cứng biểu thị khả bề mặt kim loại chống lại biến dạng gây lực nén truyền từ vật liệu có kích thước bé 7.6 Độ nhớt Một tính chất quan trọng vật liệu thể lỏng vật liệu vô định hình nhớt (nhựa, compound, thuỷ tinh nhiệt độ gần nhiệt độ nóng chảy) độ nhớt Tính chất ảnh hưởng đến công nghệ vật liệu cách điện (ngâm, tẩm ) khả truyền nhiệt Người ta phân biệt hai loại độ nhớt : độ nhớt động lực học (độ nhớt tuyệt đối hay hệ số ma sát bên trong) độ nhớt động học Độ nhớt động lực học (dynamic viscosity) hay độ nhớt tuyệt đối lực cản bên hai lớp chất lỏng có diện tích đơn vị (m2) nằm cách đơn vị khoảng cách (m) cách điện với vận tốc đơn vị (m/s) Đon vị độ nhớt động lực học Pa.s Độ nhớt chất lỏng giảm nhiệt độ tăng theo biểu thức dạng lg = A + B( T To ) A, B số T=273,15 K Độ nhớt động học (kinematic viscosity) tỷ lệ độ nhớt động lực học tỷ trọng Đơn vị m2/s Trong lĩnh vực cách điện, sử dụng khái niệm độ nhớt tương đối Vận tốc vật thể hình cầu bán kính r chuyển động môi trường có độ nhớt tác dụng lực không đổi v= Đó nội dung định luật Stocke F 6r [...]... nghiệm đo điện áp phóng điện trong chất rắn Để đo độ bền điện của các vật liệu rắn được tiến hành trong điện trường đồng nhất; cần phải loại bỏ tất cả các dạng phóng điện cục bộ, phóng điện bề mặt bằng các dạng điện cực và mẫu thí nghiệm quy chuẩn Dù có quy định nghiêm ngặt nhưng tiếp xúc giữa điện cực và vật liệu vẫn là chỗ yếu nhất Trong một số trường hợp cần có những biện pháp để loại bổ phóng điện theo... trên thực nghiệm rằng một tụ điện tích điện nếu để trong môi trường sẽ tự phóng điện, sự phóng điện nhanh hay phóng điện đột ngột phụ thuộc vào quá trình ion hoá điện môi Lúc đầu, người ta cho rằng sự vắng mặt của các vật chất (chân không) cho phép có được một cách điện lý tưởng với điện trở suất vô cùng lớn và vectơ phân cực zero Do vậy có thể nghĩ rằng tụ điện sẽ tích điện mãi mãi Tuy nhiên sau đó... lượng điện tích trong thác Khi tiếp cận với điện cực dương, các điện tử của thác sẽ bị trung hoà trên điện cực Quá trình này chưa thể gọi là phóng điện chọc thủng vì chưa tạo thành dòng điện lưu thông giữa hai điện cực Như vậy sự phát triển của một thác điện tử chấm dứt Để có thể duy trì phóng điện cần thiết phải xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác điện tử mới Các điện tích tồn tại trong. .. dến điện cực Các vấn đề trình bày trên đây là các quá trình chủ yếu của phóng điện Giai đoạn tiếp theo phụ thuộc vào dạng điện trường của khe hở giữa các điện cực Quá trình phóng điện trong chất khí là quá trình hình thành dòng plasma trong toàn bộ hay một phần khe hở Người ta phân biệt một số dạng phóng điện sau Phóng điện toả sáng : xảy ra ở áp suất thấp, dòng plasma có điện dẫn không lớn Phóng điện. .. có điện dẫn không lớn Phóng điện tia lửa Phóng điện vầng quang Phóng điện hồ quang 7. 3.4 Phóng điện trong điện trường đồng nhất Điện trường đồng nhất là điện trường mà cường độ điện trường tại mọi điểm dều bằng nhau Do trị số điện trường không đổi và khi áp suất khí cố định thì hệ số ion hoá va chạm là hằng số trong toàn bộ khoảng không gian giữa hai điện cực Điện trường đồng nhất bao giò cũng có dạng... và ở điện áp cao hơn, các điện tử có năng lượng lớn bắn phá anode và làm kim loại bay hơi 7. 2.4 Phóng điện chọc thủng Các cơ chế dẫn đến phóng điện trong chân không được dựa trên sự thực của các quá trình vật lý xảy ra trong điện trường mạnh nhưng còn phụ thuộc vào sự hiểu biết chưa đầy đủ về phóng điện trong chân không Field electron emision dòng điện do sự bức xạ điện tử do điện trường di qua một số... dù áp suất của chất khí rất thấp, phóng điện trong chất khí vẫn có thể xảy ra với nguyên nhân chủ yếu là ion va chạm (xem phần phóng điện trong điện môi khí sẽ trình bày sau) nhưng khi áp suất thấp hơn một giá trị nào đó quá trình phóng điện xảy ra hoàn toàn khác, sự hình thành phóng điện trong chân không bắt đầu và được duy trì bởi những điện tích xuất phát từ các điện cực U vùng I ứng với chân không... dàng tách khỏi điện cực và di chuyển đến điện cực đối diện khi có điện trường bên ngoài Khi tiếp xúc với điện cực, chúng tạo ra các điều kiện dẫn đến phóng điện như là : hình thành một dạng vi phóng điện giữa chúng với điện cực, tự nóng chảy và bốc hơi hoặc làm biến dạng bề mặt điện cực Chân không được sử dụng làm cách điện trong nhiều thiết bị cao áp : ống máy chụp tia X, kính hiển vi điện tử, máy... định ảnh hưởng của điện trư ờng mạnh, ít nhất cũng vào khoảng 1 07 V/m đến sự bức xạ nhiệt điện tử 7. 2.3 Hiện tượng thoát điện tử bởi điện trường (field electron emission) ở nhiệt độ bình thường, nếu điện trường tăng cao hơn 10 10 V/m, sự bức xạ điện tử gây lên bởi điện trường Một bề mặt điện cực bằng kim loại được giả thiết là bức xạ điện tử dưới tác dụng của điện trường mạnh, ngay cả trong trường hợp... của phóng điện không phụ thuộc vào cực tính của điện áp a) Điều kiện phóng điện tự duy trì - Tiêu chuẩn phóng điện Townsend để có thể duy trì phóng điện thì cần thiết phải có một số điện tử thứ cấp xuất hiện Việc sản sinh các điện tử thứ cấp có thể dựa vào 2 khả năng la sự giải thoát điện tử từ bề mặt âm cực do sự bắn phá của các ion dương hoặc các photon vào bề mặt âm cực quá trình ion hoá quang trong ... dạng phóng điện sau Phóng điện toả sáng : xảy áp suất thấp, dòng plasma có điện dẫn không lớn Phóng điện tia lửa Phóng điện vầng quang Phóng điện hồ quang 7. 3.4 Phóng điện điện trường đồng Điện. .. lệch trị số điện áp phóng điện vầng quang điện áp phóng điện chọc thủng lớn điện trường không đồng Hơn điện trường không đồng điện áp phóng điện chọc thủng bé so với điện áp phóng điện chọc thủng.. .7. 1 Giới thiệu Tính chất môi trường điện môi không khả có điện dung lớn mà quan khả cách điện có điện dẫn bé Các chất điện môi có điện trở suất cao dùng để cách điện cho vật dẫn cố điện