Đề cương ôn tập vật liệu kỹ thuật điện

Tích số điện trở cách điện của điện môi với điện dung của tụ điện được gọi Điện dẫn điện môi Khi có một điện trường đặt vào dây dẫn trong một thể tích hình trụ làm mẫu thì sẽ có các điệ

Câu 1: Khái niệm chung về điện dẫn của điện môi

Khái niệm chung về điện dẫn của điện môi

Khi đặt điện môi trong điện trường E, điện áp là u, đo trị số dòng điện đi qua điện môi ta thấy dòng điện biến thiên theo thời gian và được biểu diễn ở hình sau

dòng điện đi qua điện môi gồm 2 thành phần là dòng điện rò (Irò) và dòng điện phân cực (Iph.c)

I = Irò + Iph.c

Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong thời gian quá trình quá độ khi đóng hay ngắt điện Đối với điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt thời gian đặt điện áp

Dựa vào trị số của dòng điện rò để đánh giá chất lượng của vật liệu cách điện Nếu dòng điện rò có trị số bé thì cách điện tốt, nếu trị số lớn thì tính chất cách điện của vật liệu kém Như vậy tính chất cuả vật liệu cách điện được xác định qua điện dẫn suất (γ) hay điện trở suất ρ γ=1/ρ

Điện trở cách điện cuả khối điện môi Rcđ là: Rcđ = U/Irò trong đó u là điện áp một chiều

Đối với điện môi rắn có 2 khái niệm: điện trở suất khối ρv và điện trở suất mặt ρs

Điện trở suất khối là điện trở của khối lập phương có cạnh bằng 1 cm, hình

dung cắt ra từ vật liệu khi dòng điện đi qua hai mặt đối diện khối lập phương đó; đơn vị đo bằng (Ω.cm)

ρv = Rv S/ h [Ω.cm] Trong đó: Rv- điện trở khối của mẫu, [Ω] S- điện tích của điện cực đo, [cm2] h- chiều dày khối điện môi, [cm]

Điện trở suất mặt là điện trở của một hình vuông bề mặt vật liệu khi dòng

điện đi qua hai cạnh đối diện: ρs = Rs .d/ l trong đó Rs - điện trở mặt của mẫu vật liệu, [Ω]; d- chiều dài điện cực, [cm] l- khoảng cách giữa hai cực, [cm] Tương ứng với ρv có điện dẫn suất khối γv = 1/ρv , [Ω.cm]-1 ; Ứng với ρs có điện dẫn suất mặt

γs =1/ρs , [Ω]-1 hay còn có đơn vị đo là S (simen)

Điện dẫn toàn phần tương ứng với điện trở cách điện Rcđ của điện môi rắn bằng tổng các điện dẫn khối và mặt

Độ dẫn điện của vật liệu cách điện xác định bởi trạng thái của chất khí, lỏng hoặc rắn và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệu độ của môi trường Cường độ điện

trường khi tiến hành đo củng gây một số ảnh hưởng đối với điện dẫn của điện môi

Khi làm việc lâu dài dưới điện áp, dòng điện đi qua trong điện môi rắn và lỏng có thể tăng hoặc giảm theo thời gian do nguyên nhân là tạp chất của điện môi giảm dần

Tích số điện trở cách điện của điện môi với điện dung của tụ điện được gọi

Điện dẫn điện môi

Khi có một điện trường đặt vào dây dẫn trong một thể tích hình trụ làm mẫu thì sẽ có các điện

tích trong vật dẫn đó

tổng các điện tích chuyển động: Q=nqv = nqsv’=I; n: mật độ điện tích; q: điện tích phân tử

I: dòng điện, J mật độ dòng điện

Điện dẫn điện tử: chỉ có các điện tử tự do trong điện môi

Điện dẫn Ion : thành phần gồm các Ion + và –

điện dẫn điện di: hay còn gọi la điện dẫn môliôn Thành phần của dòng điện này là các nhóm phân tử hay tạp chất được tích điện tồn tại trong điện môi, chúng tạo nên bởi ma sát trong quá trình chuyển động nhiệt

Câu 2: Điện dẫn của điện môi khí và lỏng

a) Điện dẫn của điện môi khí

Trong điện môi khí luôn luôn xãy quá trình Ion hoá tự nhiên, dưới tác dụng dòng điện bé các điện tích sinh ra trong quá trình ion hoá tự nhiên sẽ chuyễn động tạo nên dòng điện dẫn trong chất khí gọi là điện dẫn không duy trì: Quan hệ dòng điện và điện áp như hình vẽ sau:

gồm 3 vùng

vùng I: điện trường tác dụng lên điện tích tăng j tốc độ chuyễn động của các

điện tích tăng và dòng điện tăng tuyến tính với điện áp theo định luật Ôm

vùng II: khi cường độ điện trường đủ lớn, tốc độ chuyển động của các điện

tích cũng lớn các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo về điện cực; có bao nhiêu điện tích sinh ra có bấy nhiêu điện tích kéo về điện cực trung hoà, nhưng số điện tích sinh ra ion tự nhiên la không đổi, dòng điện đạt trị số bảo hoà

ở trạng thái bảo hoà: I= 10-2 A/mm2

vùng III: khi mật độ điện tích lớn ứng với điện trường mạnh gây nên hiện

tượng phóng điện tạo thành dòng điện plasma Nó nối liền giữa 2 điện cực, chất khí trở nên dẫn điện và dòng điện tăng theo hàm số mủ, điện áp đó gọi

là điện áp tự duy trì

b) Điện dẫn của điện môi lõng

Dòng điện trong điện môi lỏng được xác định bởi sự chuyển động các ion hay các phần tử mang điện tích.Trong điện môi lõng tồn tại 2 loại điện dẫn: điện dẫn ion và điện dẫn điện di

Điện dẫn ion của các điện môi lỏng

Trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion hoá tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phần tử của chính bản thân chất lỏng

và tạp chất do đó sinh ra mối quan hệ của dòng điện và điện áp của điện môi lỏng

đồ thị

đường 1 là đặc tính von-ampe của điện môi lỏng có tạp chất

đường 2 là đặc tính von-ampe của điện môi lỏng tinh khiết

tạp chất ảnh hưởng lớn đến điện môi lỏng là nước ( vd nước trong dầu của mba) qua vận chuyển, cất giữ bảo hành ( tỷ trọng của nước: 1000kg/m3 ; điện môi: 0,86 – 0,88 tỷ trọng của nước )

Điện dẫn của điện môi phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng thì chuyển động nhiệt các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng, điện môi lõng có sự dãn nở nhiệt, lực liên kết giữa các phần tử giảm đi, độ nhớt sẽ giảm, mức độ phân ly các phần tử do nhiệt sẽ tăng lên và sẽ làm tăng điện dẫn điện môi lỏng

Quan hệ giữa điện dẫn suất và nhiệt đọ biểu diễn bằng công thức: γ= γ0.eαtvới: γ- điện dẫn suất ở t0 : 200 C; α - hệ số với mổi chất lỏng; t : t0

mặt khác ta có công thức: γ = (n0q2)/(l.ŋ); n0: mật độ ion; q: điện tích; l: khoảng cách giữa các điện cực; ŋ: độ nhớt

khi nhiệt độ tăng làm cho độ nhớt giảm đi và điện dẫn tăng

đường đặc tính biểu diễn mối quan hệ t0-γ là một đường tương đối thẳng Điện dẫn điện di: còn có tên gọi là điện dẫn môlion

là điện dẫn tạo nên sự chuyển động có hướng của các phần tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trường bên ngoài

Dưới tác dụng của các khối điện tích dương và âm của tạp chất sẽ chuyển động: khối điện tích dương đi về cực âm, khối điện tích âm đi về cực âm, chúng tạo nên dòng điện dẫn điện di thực chất dòng điện này là sự chuyển động của các khối mang điện tích dưới tác dụng của điện trường

với điện môi lỏng người ta thường sử dụng điện trở suất khối

điện trở suất khối và hằng số điện môi một số chất (bảng)

Tên chất lỏng | Đặc điểm cấu tạo | điện trở suất ρv [Ω.cm] đo ở t= 20oC | Hằng số điện môi ε

Benzen | Trung tính | 1013-1014 | 2,2

Dầu biến áp | Trung tính | 1012-1015 | 2,2

Xăng | Trung tính | 1012-1015 | 2,0

Xô vôn | Cực tính yếu | 1010-1012 | 4,5

Thầu dầu | Cực tính yếu | 1010-1012 | 4,6

Axêtôn | Cực tính mạnh | 106-107 | 22

Rượu êtilic | Cực tính mạnh | 106-107 | 33

Nước cất | Cực tính mạnh | 105-106 | 82

ta thấy điện dẫn tăng khi hằng số điện môi tăng

Câu 3: Điện dẫn của điện môi rắn

Điện dẫn của điện môi rắn

Điện môi rắn có rất nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hoá học, nguồn gốc và mức độ lẫn các tạp chất bụi bẩn… do vậy điện dẫn của điện môi rất phức tạp Điện dẫn trong điện môi rắn được tạo nên là do sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi rắn cũng như của các ion tạp chất dưới tác dụng của điện trường Ở một số vật liệu tính dẫn điện của chúng còn có thể do sự chuyển động tự do Để dánh giá chất lượng của điện môi

người ta thường xác định điện dẫn suất khối ( γ v) hay điện trở suất khối (ρv):

Điện dẫn còn phụ thuộc vào hoá trị 1 của các ion đó tinh thể ion hoá trị một

có điện dẫn lớn hơn các tinh thể ion nhiều hoá trị

các điện môi có cấu tạo phân tử như lưa huỳnh, pôlietylen, parafin có điện dẫn suất rất nhõ, chỉ phụ thuộc vào số lượng các tạp chất chứa trong điện môi

giá trị điện trở suất khối của thuỷ tinh

(bảng) Tên gọi thủy tinh | Điện trở suất khối ρv đo ở t = 20oC(Ωcm)

Pirêch natri (thủy tinh chiu nhiệt) | 2.108

Pirêch Kali | 8.1011

thuỷ tinh chì | 2.1012

Điện trở suất của một số chất khác (điện trở suất chất rắn xốp)

Tên vật liệu | Điện trở suất khối ρ,Ω.cm

Ở độ ẩm tương đối 0% và t=1000C 1010-1011

*) Điện dẫn mặt của điện môi rắn

Điện dẫn mặt gây ra do bề mặt bị ẩm, tạp chất,bụi bẩn bám vào chất cách điện làm cho sứ cách điện và chất cách điện trở nên dẫn điện

Điện dẫn suất mặt càng thấp khi bề mặt điện môi càng sạch và nhãn đồng thời khi cực tính của vật liệu yếu và độ ẩm là yếu tố quyết định đến điện dẫn suất mặt

theo tính chất hoà tan ta phân vật liệu thành 3 nhóm

+ Điện môi không hoà tan trong nước: vd parafin, hổ phách, gốm

+ điện môi hoà tan 1 phần trong nước: vd thuỷ tinh kỹ thuật

+ điện môi rắn có cấu tạo xốp

vất liệu vô cơ và hữa cơ, đá hoa 1 số chất dẽo…

điện trở suất mặt có mối quan hệ với độ ẩm như trên hình vẽ sau:

tên điện môi | ρs khi bề mặt chưa làm sạch Ω | ρs sau khi làm sạch bề mặt Ω kính cữa sổ | 2.108 |1.1011

Phân cực XĐ bởi sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích ràng buộc hoặc sự định hướng của các phần tử lưỡng cực dưới td của lực điện trường Khi có sự phân cực điện môi lại tạo thành một tụ điện với điện dung C và điện tích là Q và ta có công thức : Q= C U

Q gồm 2 thành phần: Q = Q0 + Q’

Q0 : Điện tích khi giữa cực là chân ko

Q : Điện tích khi có phân cực

*Hằng số điện môi

ĐN: Hs điện môi là tỉ số giữa điện tích Q của tụ điện ứng với điện môi nhất định & Q0 là điện tích khi điện môi là chân ko dưói 1 điện áp nhất định

Є = Q/Q0 = (Q0+Q’)/Q0 = 1+ Q’/Q0 > 1

Hs điện môi của bk chất nào cung >1

-Hs điện môi tương đối : Là một trong những đặc tính quan trọng nhất của

điện môi Trong đơn vị CGSF : є = 1

SI: є = 1/36 π 109 [F/m]

Q= є.Q0 = C U= C0.є U

C0: Lµ điện dung của tụ khi giữa điện cực là chân ko Æ Є= C/C0

Câu 5: Hằng số điện môi của chất lỏng và chất khí

*Hằng số điện môi của chất khí:

- Hằng số điện môi của chất khí trung tính được tồn tại dưới dạng phân cực điện tử nhanh và có giá trị є= 1 + (N.αenh)/ є0

N: Mật độ phân tử khí

α: Hệ số phân cực

αenh: 4πє0R3

R: Bán kính

Có giá trị gần bằng bình phương của hệ số khúc xạ ánh sáng є = ν2

N= P/KT : Hs điện môi fụ thuộc vào P&T

tgβ = Nm2 /3є0K

m0 = {(3є0Ktgβ)/N}1/2

*Hằng số điện môi của chất lỏng

-Hs điện môi của chất lỏng trung tính : Nó là phân cực điện tử nhanh: є = ν2 Phương trình Claudius є -1/ є+2 = N αenh/3α0

Hằng số điện môi của chất lổng trung tính fụ thuộc vào nhiệt độ và tần số -Hs điện môi của chất lỏng cực tính: Có hai dạng phân cực là điện tử nhanh

& lưỡng cực

Phương trình Claudius: є -1/ є+2 = N/3є0(αenh+ m02/3KT)

vd như: Rượu, nước , nó cũng fụ thuộc vào nhiệt độ, fụ thuộc vào tần số khi

t0=const

Tần số giới hạn : f0 = 1/2pt0 ; τ0: thời gian phân cực

VD: Hs điện môi của chất lỏng cực tính : є

Tên | є (200C, f= 50Hz)

Thầu dầu | 4,5

Xovon | 5

Xovoton | 3,2

Câu 7: Khái niệm về tổn hao điện môi và các dạng tổn hao điện môi

Khái niệm tổn hao điện môi

Khi điện trường tác động lên điện môi, trong điện môi xảy ra quá trình dịch chuyển các điện tich tự do và điện tích ràng buộc Như vậy trong điện môi xuất hiện dòng điện dẫn và dòng điện phân cực, chúng tác đọng đến điện môi làm cho điện môi nóng lên, toả nhiệt và truyền nhiệt vào môi trường Phần năng lượng này không sinh ra công, nên người ta thường gọi là tổn hao điện môi

Các dạng tổn hao điện môi

Hao tổn điện môi đặc trưng bởi công suất , phụ thuộc vào nhiệt độ Pt=P0eαt

Pt : Tổn hao công suất ở nhiệt độ t

Pt : Tổn hao công suất ở nhiệt độ 200c

Α: phụ thuộc vào vật liệu

Tỏn hao do phân cực

Do tác động của diện trường tạo ra sự chuyển động nhiệt của các phân tử phá huỷ chất điện môi phát sinh năng lượng tiêu tán và điện môi bị phát nóng Tổn hao điện môi tăng theo tần số Nhưng nhìn chung tổn hao điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ

Tổn hao điện môi trong các điẹn môi cực tính tăng theo tần số của điện đặt lên điện môi và thể hiện rõ ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao Khi ở các tần số cao tổn hao điện môi có trị số lớn tới mức phá huỷ vật liệu., do vậy không nên dùng điện môi cực tính mạnh ở các tần số cao trong kĩ thuật điện Quan hệ của tgδ vowis nhiệt độ của các điện môi cực tính có giá trị cực đại

ở một nhiệt độ nào đó đặc trưng cho mỗi loậi vật liệu Ở nhiệt độ này thời gian phân cực chậm cuẩ phân tử điện môi gần trùng với chu kì 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 kì biến đổi điện

áp xoay chiều một cách đáng kẻ, thì chuyển động nhiẹt của phân tử sẽ yếu đi

và tổn hao điẹn môi giảm Nếu nhiệt độ có trị số sao cho thời gian phân cực lưỡng cực nhỏ hơn thời gian nửa chu kìbiến đổi của điện áp xoay chiềumột cách đáng kể thì cường độ chuyển động nhiệt sẽ lớn, mối lien kết giữa các phân tử giảm, do đó tổn hao điện môi cũng giảm

Trong tổn hao điện môi do phân cực có tổn hao điện môi do cộng hưởng biểu hiện ở tần số ánh sáng Trong hiện tượng này nhiệt độ không ảnh hưởng đến giá trị cực đại của tổn hao điện môi

Tổn hao điện môi do ion hoá

chỉ xảy ra trong các điện môi khí, trên đường dây điện áp cao , trên đầu cực của các thiết bị cao áp, bọt khí ở đầu cực.Giá trị tổn hao điện môi được tính theo công thức : Pi= A.f(U-U0)3 A: hằng số phụ thuộc vào chất khí f: tần số điện trường; U: điện áp; U0: điện áp ứng với điểm bắt đầu ion hoá

Trị số của điện áp ion hoá U0của các chất khí khác nhau thì khác nhảutị số này phụ htuộc vào áp suất chất khí , khi áp suất tăng thì trị số điện áp bắt đầu ion hoá tăng

Quá trình ion hoá các phần tử khí sẽ tiếp thu một năng lượng điện trường làm cho nhiệt độ điện môi khí tăng sinh ra tổn hao 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 chúng góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn

Hiện tượng ion hoá xảy ra trong không khí , biến oxy trong không khí thành Ozon , kết hợp với nước và nitơ tạo ra axitnittơric tạo nên ăn mòn hoá học làm giảm tuổi thọ của vật liệu

Do cấu tạo không đồng nhất

Bản thân vật liệu cách điện có thể chế tạo không đồng nhất vè vật liệu hoặc trong vật liệu cách điện có hai vật liệu nối tiếp hoặc song song với nhau nó

sẽ tạo ra các tụ điện hoặc điện trở tiếp xúc gây nên tổn hao điện môi

Câu 8: Hằng số điện môi của chất rắn và tổ hợp của chất rắn

Hằng số điện môi của chất rắn

Hằng số tổn hao điện môi của chất rẳn trung tính

Trong các điện môi rắn trung tính (Kim cương, băng phiến, paraphin )chỉ tồn tại phân cực điện tử nhanh(α=αenh) Do vậy hằng số điện môi rắn trung tính co trị số bằng bình phươnghệ số khúc xạ ánh sang: ε2=v2

Để tính hằng số điện môi của chất rắn trung tính ta sử dụng phương pháp Claudiut-Môxốtchi: (ε-1)/(ε+2)=N.αenh/3 ε0

hệ số nhiệt của hằng số điện môi được xác định theo công thức :

Hằng số điện môi của chất rắn có kết cấu tinh thể ion

Trong điện môi rắn kết cấu tinh thể ion là liên kết mạnh(liên kết chặt chẽ )có phân cực điện tử nhanh với hằng số điện môi nằm trong phạm vi rộng Hệ số nhiệt của điện môi các chất này trong một số trường hợp có giá trị dươngvới

lí do: khi mật độ tăng không chỉ có mật độ phân tử giảm mà còn xảy ra khả năng tăng phân cực của các ion, ảnh hưởng tăng này mạnh hơn nhiều so với

sự giảm mật độ

đối với các điện môi có kết cấu tinh thể ion không chắc chắn ngoài phân cực điện tử ion nhanh còn phân cực ion chậm Trong nhiều trường hợp các chất này có hằng số điện môi không cao nhưng hệ số nhiệt dương có trị số lớn Trị số ε và TKε của các tinh thể ion muối mỏ: 6 Al2O3: 10 TiO2: 110

CadiO2: 150

Hằng số điện môi của thuỷ tinh vô cơ

Phụ thuộc vào kết cấu và công nghệ (ε-1)/(ε+2)=N(αe-αi)/3ε0

αi : Hệ số phân cực chậm

các chất thuỷ tinh silic có chứa chất kiềm (thạch anh nóng chảy : 4,5; thuỷ tinh kiềm: 6,5; thuỷ tinh baric : 10) Nhìn chung các chất điện môi đều có các

hệ số nhiệt độ biểu thị sự biến thiên của các hệ số phân cực

Hằng số điện môi của chất rắn hữu cơ cực tính

gồm các chất xenlulo, giấy bong, vải sợi, bìa cáttông, ebôxit, sáp ngoài phân cực nhanh còn có phân cực lưỡng cực chậm Hằng số điện môi có thể

có giá trị âm, quan hệ của hằng số điẹn môi và nhiêt độ có thể biểu diễnbăng đường đặnc tính giữa nhiệt độ và hằng số điện môi

Hằng số điện môi của tổ hợp chất rắn

Trong thực tế ki thuật điện thường gặp tổ hợp cách điện của các chất cách điện khác nhau Một bài toán đặt ra là cần xác định hăng số điện môi của một tổ hợp cách điện, khi biết hằng số điện môi và tỉ lệ tương đối của các điện môi thành phần Lixteniker đã đưa ra công thức tính hằng số điện môi của tổ hợp cách điện của hai chất với hằng số điện môi là ε1 và ε2 tỉ lệ tương đối của các thành phần tương đối là: X1 và X2 với điều kiện X1+X2=1; Công thức tổng quát để tính hằng số điện môi của tổ hợp hai chất điện môi như sau: εk=X1εk1+X2εk2; Trong đó k: là hệ số mũ nối nên đặc điểm sắp xếp của các thành phần:

a- nếu hai điện môi đặt vuông góc với phương truyền của các điện

trường(mắc nối tiếp) thì k=-1 Ta có:1/ε=X1/ε1+X2/ε2

b-nếu hai điện môi đặt song song với phương của điện trường(mắc song song) thì k=1 Ta có: ε= X1ε1+ X2ε2

c-Nếu hai chất trộn đều vào nhau thì k→0 Khi đó : lnε=X1lnε1+X2lnε với hai chất cách điện như vậy, công thức xác định hệ số nhiệt của hằng số điện môi của tổ hợp này như sau: TKε=X1TKε1+X2TKε2 Dựa vò biểu thức này ta có thể chỉ ra được quan hệ của hằng số điện môicủa tổ hợp cách điện với nhiệt độ

Câu 8: Tổn hao điện môi trong sơ đồ thay thế

Khi đặt điện áp lên điện môi, trong điện môi thường xuất hiện ba loại dòng điện: dòng điện rò (Irò), dòng điện chuyển dịch do phân cực nhanh (Icd), dòng điện hấp thụ do phân cực chậm (Iht) Như vậy I = Irò + Icd + Iht

Khi điện môi đặt dưới điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ xảy ra khi đóng, ngắt nguồn điện, cho nên tổn hao điện môi chủ yếu là do dòng điện rò gây nên

Khi điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực và dòng điện rò có suốt trong thời gian đặt điện áp Khi đó tổn hao điện môi vừa do dòng điện rò và vừa

do dòng điện phân cực gây nên

Dựa vào tính chất đó, ta có thể thay thế điện môi bằng sơ đồ mắc song song điện trở và diện dung

Do yêu cầu và mục đích tính toán, điện môi có tổn hao có thể biểu diễn bằng các sơ đồ thay thế song song hoặc nối tiếp một tụ điện với một điện trở

tương đương Trong thực tế: khi có điện áp cần phải tính dòng diện IR và IC

ta dùng sơ đồ song song, khi có dòng điện cần tính điện áp UR và UC ta dùng

sơ đồ nối tiếp