Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 4 - Ngô Quang Ước

CHƯƠNG 4. TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI 4.1. Khái nhiệm về tổn hao điện môi - Khái niệm: “Tổn hao điện môi là phần năng lượng phát sinh ra trong điện môi, trong một đơn vị thời gian làm cho điện môi nóng lên khi có điện trường bên ngoài tác động”. - Dòng tạo tổn hao: + Với U 1 chiều: Trong ĐM không có sự phân cực theo chu kỳ nên năng lượng tiêu hao chỉ do Irò gây nên, nghĩa là chất lượng của vật liệu được xác định bằng điện trở suất của vật liệu đó. + Với U xoay chiều: Ngoài Irò trong ĐM còn có Ifc gây nên, do đó phải dùng các đặc tính khác để xác định chất lượng vật liệu cách điện - Công suất tổn hao điện môi : + Với điện áp 1 chiều: + Với điện áp xoay chiều: 2 P = RI2 = R (4.1) P = U.I.cos = U.IR = U.IC.tgδ = U.XC .tgδ = U2.ω.C.tgδ P = U2.ω.C.tgδ (4.2) + Trong trường hợp lý tưởng: véctơ I sẽ vượt trước véctơ IR U một góc 900( φ = 900) δ = 0 P = 0 (Không sinh ra tổn IC hao điện môi). Và P càng lớn khi φ càng bé. + Để xác định khả năng phát tán năng lượng của ĐM trong điện trường, người ta thường dùng góc tổn hao ĐM δ và tang của nó tgδ theo công thức δ I φ U + Qua (4.2) thấy giá trị tổn hao công suất tỷ lệ với tgδ khi f và U không đổi. Vì vậy, khi nghiên cứu tổn hao điện môi của điện môi nào đó người ta thường đo góc δ hay tgδ để xác định tính chất của vật liệu. + tgδ được xác định: tgδ = IR IC = P - Hệ số tổn hao điện môi ε’: 1 = U2ω 1tg1 = C01tg1 = 1tg1 2 2 2 0 2 2 2 2  `=tg + Hệ số tổn hao ĐM cho ta khái niệm chính xác hơn khả năng phát nhiệt của điện môi so với , vì ε’ cho biết khả năng phân cực của ĐM (ε) và giá trị tổn hao điện môi (tgε). - Ảnh hưởng của tổn hao tới điện môi + Khi điện môi có tổn hao điện môi lớn thì nhiệt độ phát nóng trong điện môi tăng dần lên, đến một lúc nào đó vượt quá mức cho phép sẽ làm cho điện môi bị phân huỷ nhiệt và điện môi bị mất tính chất cách điện, mà ta gọi là phóng điện do nhiệt gây nên. + Nếu điện áp đặt lên điện môi không đủ lớn để tạo nên độ nóng quá mức cho phép do tổn hao điện môi gây ra thì trong trường hợp này tổn thất điện môi vẫn đưa đến những tác hại nghiêm trọng, ví dụ làm tăng điện dẫn của điện môi, các tham số của vật liệu thay đổi, sơ đồ mạch điện cũng thay đổi. - Quan hệ Q = f(U) và cách xác định tổn hao trong vật liệu Q Q Q U U U SΞ P a) b) c) Hình 4-2. Quan hệ Q = f(U) a) Điện môi không có tổn hao; b) Điện môi cực tính; c) Điện môi xétnhét. - Các nguyên nhân gây nên tổn hao điện môi + Do dòng điện rò + Do dòng phân cực + Do ion hoá các chất khí ở điện áp cao, nên khi chế tạo thiết bị điện áp cao cần phải loại trừ các bọt khí bên trong vật liệu cách điện + Do tạp chất, cấu tạo không đồng nhất. Do vậy trong quá trình công nghệ sản xuất vật liệu cần phải giữ đúng quy trình hạn chế tới mức thấp nhất sự tồn tại tạp chất trong vật liệu. 4.2. Các dạng tổn hao trong ĐM 1. Tổn hao điện môi do dòng điện rò - Trong ĐM kỹ thuật luôn chứa các điện tích và điện tử tự do. Có E →Irò - Trong ĐM rắn có Irò đi trên bề mặt và trong khối ĐM, còn ĐM khí và lỏng chỉ có dòng điện khối. - Nếu Irò lớn thì tổn hao trong ĐM có trị số đáng kể và được xác định: tg 1,8.1012 .f. tgδ giảm theo quy luật hyperbolic khi tần số tăng. Khi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của ĐM sẽ tăng theo quy luật hàm số mũ, vậy nên tổn hao điện môi cũng tăng lên theo quy luật này pt =p0.eαt 2. Tổn hao điện môi do phân cực • Dạng này thể hiện rõ ở các chất có phân cực chậm: trong các ĐM có cấu tạo lưỡng cực và ĐM có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ. • Tổn hao ĐM do phân cực chậm được gây nên bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các phần tử dưới tác động của E. Sự phá huỷ này làm phát sinh năng lương tiêu tán và điện môi bị phát nóng. • Tổn hao ĐM trong các ĐM cực tính tăng theo tần số của U đặt lên ĐM và biểu hiện rõ rệt nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao. Khi ở các tần số cao, tổn hao ĐM có trị số lớn tới mức phá huỷ vật liệu. Do vậy, không nên dùng ĐM cực tính mạnh ở tần số cao trong kỹ thuật điện. • Quan hệ của với nhiệt độ của các ĐM cực tính có giá trị cực đại ở một nhiệt độ nào đó đặc trung cho mỗi loại vật liệu. Ở nhiệt độ này thời gian phân cực chậm của phân tử điện môi gần trùng với chu kỳ 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 kỳ biến đổi U xoay chiều một cách đáng kể, thì chuyển động nhiệt của phân tử sẽ yếu đi và tổn hao ĐM giảm. Nếu nhiệt độ có trị số sao cho thời gian phân cực lưỡng cực nhỏ hơn thời gian nữa chu kỳ biến đổi của điện áp một cách đáng kể thì cường độ chuyển động nhiệt sẽ lớn, mối liên kết giữa các phân tử giảm, do đó tổn hao ĐM cũng giảm. ... - tailieumienphi.vn