Tài liệu Bai giang VLD CA Tieng Viet 8-2005_Chuong1,2,3,,4,5,6 ppt

413 1.1K 0
Tài liệu Bai giang VLD CA Tieng Viet 8-2005_Chuong1,2,3,,4,5,6 ppt

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Vật liệu Kỹ thuật điện & cao áp Mở đầu 1.1 Lịch sử phát triển khoa học vật liệu ãKhoảng 35 nghìn năm trước đây, loài người thông minh (Homo Sapien) đà xuất trái đất ã30 nghìn năm sau đó, tức vào khoảng 3000 năm trước công lịch, loài người đà phát minh chữ viết số học ãmÃi 2500 năm sau tức vào khoảng 450 năm trước công nguyên, xuất lý thuyết khoa học vật liệu Empédocle: thuyết kim, mộc, thuỷ, thổ, hoả) ãSau lâu (khoảng năm 420 trước Công nguyên), Leucippe sau Democrite đà phát triển thuyết cấu tạo nguyên tử lịch sử Thut cđa Democrite cã thĨ tỉng kÕt gi¶ thuyết sau: Tất vật chất cấu tạo từ hạt vô nhỏ bé không thấy gọi nguyên tử Tất nguyên tử cấu tạo từ chất Sự khác biệt mà quan sát thấy vật chất khác giải thích hình dạng, trật tự vị trí nguyên tử ã Nhưng phải mÃi đến kỷ XVIII, đặc biệt sang kỷ XIX, thực nghiệm hoá học cho thấy tính chất đầy đủ nguyên tử ã Các khái niệm khối lượng nguyên tử, hoá trị xuất kỷ XIX 1.2 học Vật liệu kỹ thuật điện vị trí môn Có thể phân lịch sử phát triển vật liệu cách điện thành ba thời kỳ : thời kỳ đầu bắt đầu với việc phát tính chất hổ phách kéo dài đến cuối kỷ XVI Thời kỳ mối quan tâm triết gia nhà lịch sử Cả thời trung cổ thời phục hưng thêm đóng gãp nµo bỉ xung vµo t­ cđa thêi cỉ đại thời kỳ thứ hai : Năm 1600, công trình nghiên cứu W Gilbert với phát minh điện Sự xuất máy phát điện vào khoảng năm 1705 đà tạo ta nhiều khả cho nghiên cứu thực nghiệm sản xuất điện ma sát điện áp cao Trong thời kỳ để cách ly vật dẫn điện cao người ta cần số vật liệu hạn chế Một số vật liệu cách điện đà nhà thực nghiệm kỷ XVIII tìm việc chế tạo máy điện ma sát, máy điện từ thời không cần thiết phảị nghiên cứu vật liệu cách điện Với thực nghiệm lĩnh vực điện báo chiếu sáng, vấn đề lựa chọn chế tạo vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện có yêu cầu cao đà đặt cách khoa học công nghiệp Do vËy cã thĨ coi viƯc sư dơng réng r·i vật liệu cách điện khác có nguồn gốc tự nhiên thực vật từ mỏ khởi đầu thời kỳ thứ ba Đến tận Chiến tranh giới lần thứ nhất, vật liệu cách điện công nghiệp sản xuất chủ yếu từ sản phẩm tự nhiên, có nguồn gốc từ dầu vật liệu thực vật từ khoáng sản bông, sợi coton, lanh, dầu gai, cao su, gôm lắc, mica, amiante Một số vật liệu tổng hợp ®· xuÊt hiÖn nh­ : xenluloit (Hyatt, 1870), bakelit (Baekland, 1907) Hoá học than đá dầu khí phát triển, sản xuất công nghiệp vật liệu tổng hợp phát triển mạnh: Các sản phẩm công nghiệp hoá dầu chủ yếu ethylen, propylen butadien polyethylen áp suất cao (1938), nhựa epoxxy (1939) Ngày nay, vật liệu cách điện polyethylen, nhựa epoxy, polyeste đà thay dần vật liệu cách điện tự nhiên, lấn át, chí nhiều vật liệu cách điện tự nhiên kể mặt kỹ thuật mặt kinh tế 1.2.2 Vật liệu cách điện kỷ XVII XVII Các tượng điện từ thường hay bi nhầm lẫn W Gilbert lần phân biệt chúng Lập danh sách vật chất khác có tính chất tương tự hổ phách phải kể đến thuỷ, tinh, lưu huỳnh, cao su, sáp ong, gom lắc (cánh kiến) Năm 1729, S Gray đà định nghĩa phân loại vật liệu cách điện dẫn điện J Th Désaguliers tác giả thuật ngữ "isolator" (cách ly) conductor (vËt dÉn) C F de Cisternay du fay lµ ng­êi hƯ thèng ho¸ c¸c quan s¸t cđa Gray Sigaud de la Fond (1777) đà tổng hợp kết nghiên cứu ba nhà vật lý "Kể từ người tìm khả nhiễm điện vật cọ sát, lúc người ta phải nghĩ đến việc bảo tồn Phương thức gọi cách điện, có nghĩa bố trí xắp đặt vật nhiễm điện cho điện mà tạo không chuyền xuống đất, cho giữ nguồn chung lượng điện" ®­a mét sè chØ sè cđa vËt liƯu c¸ch điện : " ( ) muốn truyền tải điện đến vật có khả tiếp nhận đường truyền thông, thiết phải treo dây lụa tơ tằm đặt mẩu thuỷ tinh, cao su, sáp ong nhựa dính, nói chung vật có khả nhiễm điện tích" Năm 1705 : F Hauskbee sử dụng cầu thuỷ tinh để chế tạo máy điện thuỷ tinh dạng cầu, hình ống sau dạng ®Üa lµ vËt liƯu tèt nhÊt ®Ĩ sinh ®iƯn tích ma sát Thuỷ tinh pha lê đà trở thành vật liệu dùng rộng rÃi thời ®ã ®Ĩ c¸ch ly c¸c vËt dÉn c¸c m¸y điện Những nhà thực nghiệm kỷ XVIII đà tính máy điện phụ thuộc vào chất vật liệu sử dụng sụ thực thi kỹ cách điện áp dụng phương thức tiếp cận đại, Nottnet thành phần cao chất alcalin thuỷ tinh làm tăng tính hấp thụ độ ẩm bề mặt làm giảm lượng điện sản sinh Năm 1775, J C Wilcke thiết lập bảng phân loại vật liệu cách điện theo quan điểm tính chất điện ma sát loại vật liệu cách điện biết đến kỷ XVII XVIII lưu huỳnh, sáp ong, gôm lắc, lụa, nhựa dính sử dụng cho tận đến đầu kỷ XX; riêng thuỷ tinh, loại vật liệu sử dụng kỹ thuật điện điện tử tận ngày 1.2.3 Vai trò vật liệu điện kỹ thuật điện Trong lĩnh vực kỹ thuật điện, vật liệu điện có vai trò quan trọng Các vật liệu điện phân thành vật liệu dẫn điện (chủ yếu kim loại có điện dẫn cao, kể vật liệu siêu dẫn), vật liệu cách điện vật liệu từ vật liệu bán dẫn điện Chúng sử dụng để dẫn điện (vật liệu dẫn điên), để cách ly phận có điện khác (vật liệu cách điện) để khép kín mạch từ (vật liệu từ), làm nên cấu trúc cuả tất thiết bị điện Chất lượng vật liệu không đảm bảo độ tin cậy, đảm bảo an toàn, tuổi thọ thiết bị mà ngày làm giảm kích thước, khối lượng giá thành thiết bị khái niệm điện dung phức C* ®iÖn dÉn phøc Y C * = ε * ( ω ) C = C ' + C " = ε ' (ω )Co − jε " (ω )Co   Y * = g + jb IR ε "  = tgδ = " "  = gU  IC ε ' I R = ωC = ωε CoU     I C = bU = ωε 'CoU Suất tổn hao điện môi (công suất tổn hao đơn vị thể tích điện môi) p b»ng p = ε o ωε "r E tgδ Trong công thức " gọi số tổn hao điện môi (loss index) ' hƯ sè tỉn hao (loss factor) 6.3 Nghiªn cøu phân cực đặc tính tần tổn hao điện môi tác dụng điện áp xoay chiều, phân biệt trường hợp phân cực sau : tượng "cộng hưởng" kết xê dịch điện tích ràng buộc Trong vật liệu cách điện tượng xuất xê dịch điện tử ion điện trường tần số cao 1016-1015 Hz tượng "tích thoát" (relaxation) dao động cảu phân tử lưỡng cực tần số 107-1010 Hz, tức dạng phân cực lưỡng cực hay phân cực định hư ớng;ở tần số thấp, "tích thoát" điện tích khong gian điện môi có kết cấu không đồng 6.3.1 Tổn hao điện môi phân cực lưỡng cực Sự phân cực lưỡng cực trường tĩnh điện : định hướng tất phân tử lưỡng cực biểu thị qua moment lưỡng cực cảm ứng trung bình hệ số phân cực lưỡng cực Hằng số điện môi biểu thị số điện môi tĩnh s ứng với điện áp chiều tần số cao- miền sóng hồng ngoại cao nữa, định hướng phân tử lưỡng cực không theo kịp thay đổi điện trường bên Do bỏ qua đóng góp phân cực tích thoát (phân cực chậm) vào vectơ phân cực, có dạng phân cực điện tử phân cực ion theo kịp với biến thiên điện trường bên Trong dải tần số số điện môi tiến đến giá trị Gọi Ps P vectơ phân cực tương ứng với giá trị s , ta có Ps = Po + P∞ ⇒ Po = Ps − P∞ Po = ε o ( ε s − 1) E o − ε o ( ε ∞ − 1) E o = εo ( εs − ε∞ ) Eo Trong thêi gian phân cực, vectơ phân cực giảm dần đến giá trị ổn định với tốc độ dPo ( t ) = k Po − Po ( t ) dt [ ] Phương trình cho ta nghiệm sau Po ( t ) = Po 1 − exp −   t   τ  ®ã k=1/τ τ có đơn vị thời gian gọi thời gian tích thoát Dưới tác dụng điện trường xoay chiỊu E(t)=Eoexp(ωt) víi tÇn sè gãc ω, ta cã { } dPo ( t ) = ε o ( ε s − ε ∞ ) E( t ) − Po ( t ) dt Phương trình cho ta nghiÖm sau εs − ε∞ Po ( t ) = ε o E( t ) + jωτ Theo định nghĩa vectơ cảm ứng điện Mặt khác ta l¹i cã D( t ) = ε o ε * E ( t ) r D(t ) = εo E (t ) + P (t ) = εo E (t ) + Po (t ) + P∞ (t ) = ε o E (t ) + ε o εs − ε ∞ E (t ) + εo ( ε ∞ − 1) E (t ) + jωτ  εs − ε∞   εs − ε ∞  = εo 1 + + ε ∞ − 1E (t ) = εo  + ε ∞  E (t )  + jωτ  1 + jωτ  εs − ε∞ εs − ε∞   = εo ε ∞ + −j ωτ E (t ) + ω 2τ + ω 2τ   BiÓu thức nằm dấu ngoặc vuông số điện môi tương đối r Với định nghiă số điện môi phức, có quan hệ s − ε∞ ε = ε∞ + + jωt εs − ε∞ ' εr = ε∞ + + ω2τ2 εs − ε∞ " εr = 2 ωτ 1+ ω τ * r   εs − ε∞ 2 ωτ  ε "r  ⇒ tgδ = ' = + ω τ  εs − ε∞ εr  ε∞ + + ω 2τ2    Trong tính toán xét đến trình phân cực mà chưa xét ảnh hưởng điện dẫn Trong trường hợp có thành phần này, " b»ng 4πγ ε s − ε ∞ ε = + 2 ωτ ω 1+ ω τ " Trong c¸c ®iƯn m«i cùc tÝnh (gåm tỉn hao dÉn ®iƯn phân cực) tg tính s − ε ∞ + ωτ ε" ω + ω 2τ2 tgδ = ' = εs − ε∞ ε ε∞ + + ω 2τ2 Sù phơ thc cđa tg vào tần số thể tg Tần số S Cole vµ R H Cole (1941) chØ r»ng đường biểu diễn quan hệ " ' dạng đồ thị cho tất dải tần số có dạng nửa đường tròn Thực vậy, từ biểu thøc cđa ε" vµ ε,' chóng ta cã thĨ biÕn đổi thiết lập phương trình sau ( ( ' ' − ε ∞ ) + (ε " 2 (εs − ε∞ ) = ) 1+ω τ ) + (ε ) = ( ε − ε ) (ε " 2 − ε∞ ⇒ (ε ) ' 2 ∞ s ' − ε∞ ) − ε ( ε s + ε ∞ ) + ε sε ∞ + ( ε ' ) " =0 (ε s − ε∞ ) εs + ε∞   ⇒x −  +y = "  y =ε  x = ε' 2 Chóng ta biÕt phương trình đường tròn Người ta gọi biểu đồ Cole-Cole nửa phần đường tròn s = ε∞ ω=0 ωτ=1 ε’ εs εs + ε ∞ Từ biểu thức biểu đồ Cole-Cole ta thấy =0 '=svà tiến đến ta cã εr=ε∞ vµ ε" =0 Víi ωτ=1, ε" đạt giá trị cực đại 6.3.2 Tổn hao điện môi phân cực kết cấu Dạng phân cực tồn vật liệu có kết cấu không đồng sứ, thuỷ tinh Bản chất dịch chuyển ion liên kết yếu tác dụng điện trường tạo thành điện tích không gian vùng tiếp giáp miền khác Xét khối điện môi rắn gồm hai lớp có chiều dày d 1=d2=d, đặt điện trường xoay chiều Sơ đồ thay khối điện m«i εr1 γ C1 d1 R1 V1 V εr2 γ Ta cã hÖ thøc sau d2 C2 { R2 V2 }      U = E1 (t )d1 + E2 (t )d = E1 (t ) + E2 (t ) d Trong c¸c tÝnh toán, ký hiệu ký tự in hoa hiểu đại lượng phức Mật độ dòng ®iƯn qua khèi ®iƯn m«i cã thĨ tÝnh nh­ sau   = U Y1Y2 J d Y1 + Y2 Điện dẫn phức điện môi tương đương hai lớp điện môi Yj = j + iωε o ε r ( γ + jωε o ε r1 )( γ + iωε o ε r ) Y1Y2 ⇒Y= = Y1 + Y2 γ + γ + jωε o ( ε r1 + r ) Với định nghĩa số ®iƯn m«i phøc, ta cã  γ γ ω=0 Yo = = γ c  γ1 + γ  ε ε  Y∞ = jωε o r r = jωε o ε ∞ ω = ∞ ε r1 + ε r  ε r 1ε r ε ∞ =  ε r1 + ε r  Ta viÕt l¹i biĨu thøc cđa ®iƯn dÉn Y d­íi d¹ng sau Y = γ c + j o + Ya Nếu ta đặt hay Ya = Y − γ c − jωε o Ya biểu thị phần đóng góp tượng phân cực kết cấu r1 + r τ = εo γ1 + γ lµ h»ng sè thêi gian Ya = jωε o ε ∞ ( ε r 1γ − ε r γ1 ) (1 + jωτ )( γ1 + γ ) ( ε r + ε r ) ( ε r 1γ − ε r γ1 ) h»ng sè hÊp thô gäi h = ( γ1 + γ ) ( ε r 1ε r ) jωε o ε ∞ h ε o ε ∞ ω2hτ ε ε ωh ⇒ Ya = = + j o ∞2 (1 + jωτ ) + ω2 τ + ω τ Cuối ta có điện dẫn tương đương Y = γ c + jωε o ε ∞ + Ya  ε o ε ∞ ω hτ ε o ε ∞ ωh  Y = γ c + jωε o ε ∞ +  2 + j 2 1+ ω τ   1+ ω τ ε ε ω hτ h   Y = γ c + o ∞ 2 + jε o ε ∞ ω  +   + ω 2 1+ Từ ta có h h      ε ∞ 1 +  ε = ε ∞ 1 +    + ω2τ2  ε"  + ω2τ2   ε o ε ∞ ω hτ   ⇒ tgδ = ε ' =   " ε o ε ∞ ω hτ   ε = γ c + 2  γ c +  ε oω  + ω τ   ε oω  + ω2τ2  ' 6.4 Sự phụ thuộc tg vào nhiệt độ Trong biểu thøc cđa tgδ, h»ng sè thêi gian tÝch tho¸t cđa phân cực chậm thay đổi theo nhiệt độ có thĨ biĨu diƠn b»ng biĨu thøc tgδ NhiƯt ®é ë nhiệt độ thấp điện môi cực tính, phân tử lưỡng cực bị ràng buộc chặt, khó định hướng theo điện trường bên tồn dạng phân cực điện tử Có thể thấy tổn hao phân cực (tg=0) Khi nhiệt độ tăng, khả định hướng lưỡng cực tăng, xuất thành phần tổn hao phân cực chậm nên tg tăng Với việc tiếp tục tăng nhiệt độ, chuyển động nhiệt phân tử cản trở định hướng lưỡng cực, tg giảm Trên đồ thị tg(T) ta thấy điểm cực đại ứng với trường hợp tất lưỡng cực định hướng theo điện trường Các vật liệu gồm nhiều điện môi với thời gian tích thoát khác nhau, đồ thị tg(T) thấy số điểm cực đại nhiệt độ tần số khác 6.5 Tổn hao điện môi điện môi khác 6.5.1 Tổn hao điện môi chất khí Các chất khí điều kiện bình thường cã tỉn hao rÊt bÐ Víi nghÜa nµy chÊt khÝ xem điện môi lý tưởng tg chất khí tần số 50 Hz vào khoảng 10-9 Tổn hao chất khí trở lên đáng kể bắt đầu xuất trình ion hoá phân tử khí Công suất tổn hao ion hoá tần số f P = Af ( U − U o ) víi U ≥ Uo : A số; Vo điện áp bắt đầu xuất ion hoá 6.5.2 Tổn hao điện môi chất lỏng rắn Trong điện môi lỏng rắn trung tính tồn dạng tổn hao điện dẫn Tổn hao điện môi chúng thường nhỏ chúng khồng lẫn tạp chất Các chất lỏng chất rắn cực tính có phần tổn hao phân cực Phần tổn hao phụ thuộc đáng kể vào tần số nhiệt độ, đặc biệt với điện môi lỏng nhiệt độ thay đổi làm độ nhớt chất lỏng khả định hướng lưỡng cực thay đổi theo Khi điện môi lỏng rắn có chứa tạp chất bị nhiễm ẩm, tổn hao điện môi tăng lên kể điện môi trung tính điện môi cực tính điện dẫn tạp chất phân cực tạp chất gây lên ... điện, vật liệu điện có vai trò quan trọng Các vật liệu điện phân thành vật liệu dẫn điện (chủ yếu kim loại có điện dẫn cao, kể vật liệu siêu dẫn), vật liệu cách điện vật liệu từ vật liệu bán dẫn... sở lý thuyết loại vật liệu : tính chất điện tính chất lý hoá quan trọng vật liệu sử dụng kỹ thuật điện Giới thiệu loại vật liệu cụ thể, kết cấu cách điện cao áp Phần : Vật liệu kỹ thuật điện Phần... Phần : Kết cấu cách điện cao áp Tài liệu tham khảo Nguyễn Đình Thắng, Giáo trình Vậtliệu kỹ thuật điện, NXB KHKT, Hà nội, 2002 Võ Viết đạn, Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp, Hanội, 1972 Chương

Ngày đăng: 20/01/2014, 09:20

Từ khóa liên quan

Mục lục

  • VËt liÖu Kü thuËt ®iÖn & cao ¸p

  • Slide 2

  • Slide 3

  • Slide 4

  • Slide 5

  • Slide 6

  • Slide 7

  • Slide 8

  • Slide 9

  • Slide 10

  • Slide 11

  • Slide 12

  • Slide 13

  • Slide 14

  • Slide 15

  • Slide 16

  • Slide 17

  • Slide 18

  • Slide 19

  • Slide 20

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan