Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện - Chương 4: Phá huỷ điện môi

Chương 4 PHÁ HUỶ ĐIỆN MÔI Dưới tác động của điện trường ngoài, trong điện môi sẽ xảy ra các hiện tượng phân cực, dẫn điện và tổn hao. Khi điện áp đặt càng cao thì dòng điện rò càng lớn, dòng điện dung cũng tăng theo (trong trường hợp điện môi hoạt động ở điện áp xoay chiều), tổn hao năng lượng trong điện môi cũng tăng theo tương ứng. Nhưng ở các phần trước đã nêu các giả thiết rằng khi tăng điện áp đặt lên điện môi không làm cho điện môi thay đổi tính chất cách điện. Tuy nhiên tính cách điện của điện môi không thể giữ được điện áp vô hạn mà không thay đổi tính chất. Nếu như chúng ta tăng điện áp đặt lên cách điện tới một mức nào đó thì sẽ xảy ra phá huỷ chọc thủng điện môi. Trong trường hợp này dòng điện dẫn qua cách điện sẽ tăng một cách mạnh mẽ. P U I Uct Đặc tính Volt-Ampe của cách điện Khi xảy ra chọc thủng sẽ hình thành kênh dẫn chọc thủng mà trên thực tế là ngắn mạch giữa hai điện cực. Điện áp lớn nhất Uct đặt lên điện môi ở thời điểm chọc thủng được gọi là điện áp chọc thủng. Điện áp chọc thủng cách điện phụ thuộc vào độ dày của điện môi, độ dày của lớp điện môi càng lớn thì điện áp chọc thủng càng cao. Điện môi khác nhau có cùng độ dày sẽ có điện áp chọc thủng khác nhau. Điều này là cơ sở để đưa ra các tham số của vật liệu cách điện và xác định khả năng chịu chọc thủng. Độ bền điện Ect. Độ bền điện của điện môi có thể được xem như cường độ chọc thủng của điện trường hay ta có cường độ điện trường trong điện môi tại vị trí và thời điểm chọc thủng. Như đã biết, giá trị Ect của vật liệu phụ thuộc vào độ dày h, Uct tăng theo độ dày không phải theo tỷ lệ thuận. Câu hỏi còn trở nên phức tạp hơn khi xác định Ect ở điện trường không đồng nhất. Cũng như các tham số khác Ect có thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác: nhiệt độ, độ ẩm, tần số của điện áp, thời gian đặt điện áp... Để thiết bị điện làm việc dưới điện áp có độ tin cậy cao thì điện áp làm việc Up phải nhỏ hơn điện áp chọc thủng. Hệ số Uct /Up được gọi là hệ số dự trữ của độ bền cách điện. Phá huỷ điện môi khí. Không khí là môi trường cách điện của những thiết bị điện, điện tử khác nhau. Trong những trường hợp khi những thiết bị làm việc gần bề mặt trái đất, thì các quá trình vật lý trong không khí xảy ra ở điều kiện áp suất bình thường. Tuy nhiên trong kỹ thuật điện, điện tử thường xuyên xảy ra điều kiện làm việc ở áp suất cao, hoặc rất thấp. Diễn biến chung của quá trình phóng điện. Ion hoá chất khí. Mọi quá trình phóng điện trong chất khí đều được bắt nguồn từ hiện tượng ion hoá các phần tử khí trung tính. Đó là hiện tượng phân ly phân tử thành ion dương và điện tử hay nói cách khác là hiện tượng tách điện tử ra khỏi phân tử. Để giải thoát điện tử ra khỏi phân tử phải cung cấp điện tử một năng lượng đủ lớn theo điều kiện: WI- năng lượng ion hoá. Lý thuyết phóng điện trong chất khí được xây dựng trên cơ sở các dạng ion hoá sau đây: Ion hoá va chạm: Là hiện tượng ion hoá gây nên bởi va chạm, chủ yếu là va chạm của điện tử với phân tử khí. Khi đặt điện môi trong điện trường E dưới tác dụng của lực điện trường F=q.E thì điện tử di chuyển ngược chiều với chiều của điện trường: W=q.E.x x- quảng đường di chuyển. Sự ion hoá xảy ra khi: Ion hoá quang: Là hiện tượng ion hoá mà năng lượng của điện tử nhận được từ các bức xạ quang học. Nếu gọi là bước sóng và tần số của bức xạ quang học. Năng lượng của bức xạ quang học: c- tốc độ ánh sáng. h- hằng số Plank. h=6,5.10-27Hz/s. Điều kiện ion hoá được viết dưới dạng: Nếu nhìn nhận ánh sáng dưới dạng hạt thì ion hoá quang cũng là một dạng ion hoá va chạm với các hạt phôton. Ion hoá bề mặt: Là hiện tượng giải thoát điện tử bề mặt các điện cực kim loại. Năng lượng cần thiết để tiến hành ion hoá bề mặt được gọi là công thoát Wth. Trị số` công thoát phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực. Trong phóng điện chất khí ion hoá bề mặt được thực hiện chủ yếu bởi sự bắn phá bề mặt âm cực của các ion dương và phôton mà các hạt này là sản phẩm của quá trình ion hoá va chạm và ion hoá quang nêu trên. Diễn biến của phóng điện. Ion hoá va chạm là nhân tố cơ bản của quá trình phóng điện trong chất khí. Nhằm đơn giản hoá trong tính toán đã sử dụng một số giả thiết sau đây: Điện tử sau mỗi lần va chạm với phân tử khí dù có hay không gây ra ion hoá đều mất đi toàn bộ năng lượng. Trước khi bị ion hoá các phân tử khí đều ở trạng thái bình thường , như vậy ta không xét khả năng ion hoá các phân tử khí đã bị kích thích. Quỹ đạo của điện tử là đường thẳng và có phương ngược chiều với phương điện trường. Không xét khả năng gây ion hoá va chạm của ion dương do đoạn đường tự do của chúng quá ngắn so điện tử. Hệ số ion hoá va chạm của điện tử- hệ số a Khả năng gây ion hoá của các phân tử khí do va chạm của điện tử được đặc trưng bởi hệ số ion hoá va chạm đó là số lần gây ion hoá va chạm của điện tử khi nó đi đoạn đường 1cm trong môi trường khí có mật độ phân tử N/cm3 dưới tác dụng của điện trường E. Có thể dễ dàng nhận thấy hệ số a được xác định bởi tích số giữa số lần va chạm của điện tử với các phân tử khí với xác suất để các va chạm đó gây ion hoá phân tử khí. Xác định số lần va chạm: Xem điện tử và phân tử khí như là một khối cầu có bán kính re và r. Trên mặt phẳng để có va chạm giữa điện tử với các phân tử khí thì khoảng cách giữa các tâm của chúng phải bằng hoặc bé hơn tổng các bán kính. Như vậy những phân tử khí nào có tâm điểm nằm trong hình tròn có diện tích p(re + r)2 sẽ phát sinh va chạm với điện tử và khi điện tử di chuyển trên đoạn đường 1cm thì mọi phân tử khí có tâm nằm trong hình trụ có đáy là hình tròn diện tích p(re + r)2 và chiều cao 1cm sẽ phải va chạm với phân tử đó. r re 1cm a Số lượng các phân tử khí này được xác định bởi: Do re<<r nên: Có thể nhận thấy S cũng là số lần va chạm của điện tử với phân tử khí khi nó đi đoạn đường 1cm và từ đó sẽ xác định được đoạn đường tự do(khoảng cách giữa hai lần va chạm kế tiếp nhau) trung bình của điện tử: Thay thế mật độ phân tử N của chất khí bởi: P- áp suất khí. T- nhiệt độ tuyệt đối (oK). k- hằng số Boltzman, k=1,37.10-16arg/oK. Thì số lần va chạm và đoạn đường tự do trung bình sẽ được biểu thị theo: được xem là hằng số khi không xét đến sự biến thiên của nhiệt độ. Công thức trên cho thấy số lần va chạm tăng theo áp suất trong khi đó độ dài đoạn đường tự do trung bình lại giảm khi áp suất tăng cao. Phân bố của đoạn đường tự do: Đoạn đường tự dothực có thể dài hơn hoặc ngắn hơn đoạn đường tự do trung bình được xác định theo các công thức trên. Để xác định luật phân bố hãy xét ví dụ sau: - - - - - + Giả thiết tại x=0 (cực âm) có no điện tử: dưới tác dụng của điện trường chúng sẽ bay xuyên qua lớp khí có mật độ N phân tử/cm3 để tới cực dương. Khi bay như vậy chúng sẽ phát sinh va chạm với các phân tử khí. Dễ dàng nhận thấy càng đi xa khỏi cực âm thì số điện tử đã va chạm với phân tử khí sẽ tăng và ngược lại số điện tử chưa từng va chạm với phân tử khí sẽ giảm dần. Nếu ở toạ độ x số điện tử chưa bị va chạm là n số này có đoạn đường tự do > x thì vi phân dn trên đoạn đường dx tiếp theo sẽ là: Phương trình vi phân trên cho kết quả: hoặc viết: Công thức trên một mặt biểu thị phân bố của số điện tử chưa bị va chạm mặt khác còn xác định sự phân bố của độ dài đoạn đường tự do: Từ đó có thể xác định được xác suất ion hoá va chạm đó là xác suất để đoạn đường tự do có độ dài ³ xI : Cuối cùng hệ số ion hoá va chạm được xác định bởi: Hoặc viết dưới dạng tổng quát: P a amax Pm 0 a E 0 A.P Quan hệ khi p=const được trình bày như hình trên. Hệ số a tăng theo điện trường là do điện tử tích luỹ được năng lượng cao và đặc biệt khi điện trường đủ lớn thì mọi va chạm đều gây ion hoá phân tử khí và hệ số a đạt giá trị tới hạn: Hình thành và phát triển của thác điện tử: Kết quả của các lần ion hoá va chạm là làm xuất hiện các điện tử mới (và các ion dương), những điện tử này sẽ phải chiụ lực tác dụng của điện trường... di chuyển và tích luỹ năng lượng và khi đạt được điều kiện W³WI hoặc x³xI sẽ gây ion hoá các phần tử khí khác. Dưới đây sẽ khảo sát qui luật tăng của số điện tích trong khe hở giữa hai điện cực và phân bố của chúng trong không gian. Giả thiết lúc ban đầu có tồn tại một điện tử ở khu vực cực âm. Điều này không trái với thực tế vì như đã nêu ở trên do quá trình ion hóa quang tự nhiên trong lớp khí quyển luôn có điện tử tự do. Điện tử nói trên được gọi là điện tử khởi đầu vì là điện tử đầu tiên gây ra ion hóa các phân tử khí. Nếu n là số điện tử ở tọa độ x thì vi phân dn sẽ được xác định bởi: _ E e x n 0 _ x Từ đó ta được: Và số ion dương sẽ bằng: n-1. Các ion dương và điện tử được sản sinh từ quá trình ion hoá sẽ phân bố trong một miền xác định gọi là thác điện tử. Ei Ee x Ei Ee x x s s 0 0 E E+EI+Ee + _ a b c E E Điện tử tự do nhẹ nên khuếch tán dễ dàng trong không gian rộng lớn ở đầu thác. Còn ion dương với khối lượng nặng nề sẽ di chuyển chậm chạp và giới hạn trong miền hẹp ở đuôi thác. Các điện tích không gian của thác sẽ tạo nên các điện trường phụ: điện trường Ee của điện tử và điện trường EI của ion dương. Dưới tác dụng của điện trường thác sẽ phát triển chẳng những về kích thước hình học mà còn về số lượng điện tích chứa bên trong. Khi thác tiếp cận với cực dương thì số lượng điện tích sẽ đạt tới giá trị nhưng đây cũng là lúc mà thác điện tử triệt tiêu do các điện tích sẽ được trung hoà ở các điện cực khác nhau. Sự hình thành của phóng điện: Hiện tượng phóng điện chỉ xảy ra khi có nhiều thác điện tử và phải sao cho các thác mới xuất hiện trước khi các thác cũ bị triệt tiêu. Như đã nêu ở trên nguồn các điện tử khởi đầu của thác mới sẽ là quá trình ion hoá quang và ion hoá bề mặt gây nên bởi photon được sản sinh ở khu vực đầu và sau đầu các thác cũ. Một nguồn thác cũng rất quan trọng là các quá trình ion hoá bề mặt do sự bắn phá của ion dương vào bề mặt cực âm. Khi áp suất khí thấp thì điện tử khởi đầu được sản sinh chủ yếu là do quá trình ion hoá bề mặt của ion dương và phôton vì các hạt này có thể dễ dàng bay tới cực âm mà không bị các phân tử khí ngăn cản, hấp thụ. Ngược lại, khi áp suất khí trong khe hở tăng cao lớp dày đặc các phân tử khí sẽ chặn không cho các ion dương và phôton bay tới cực âm và nguồn sản sinh điện tử khởi đầu chỉ có thể là quá trình ion hoá quang, xảy ra ở các khu vực đầu và sau đầu thác cũ. Do tác dụng của điện trường và tác dụng lẫn nhau chúng sẽ liên kết lại để hình thành plasma có mật độ điện tích lớn nối liền các điện cực. Môi trường trong khe hở lúc này mất hẳn khả năng cách điện và trở thành môi trường dẫn điện như một khối kim loại. Tuy nhiên, các điện tích khác dấu trong dòng plasma có thể kết hợp với nhau để trở thành các phần tử trung tính... và như vậy để duy trì tính dẫn điện của plasma phải đảm bảo có quá trình ion hoá liên tục nhằm sản sinh các điện tích mới bù trừ cho số điện tích đã tham gia quá trình kết hợp. Phóng điện trong điện trường đồng nhất và gần đồng nhất. Như đã nêu ở trên, nhân tố cơ bản của quá trình phóng điện trong chất khí là ion hoá va chạm và tham số có ý nghĩa quyết định đối với phóng điện là hệ số ion hoá va chạm a. Trong điều kiện áp suất và nhiệt độ giữ không đổi thì hệ số này chỉ phụ thuộc vào trị số của cường độ điện trường E. Vì cường độ điện trường không những được xác định bởi điện áp mà còn bị ảnh hưởng bởi phân bố trường trong khe hở do đó cần nghiên cứu phóng điện trong các trường hợp khác nhau của phân bố trường. Trong điện trường đồng nhất, trường phân bố đều tại khắp nơi nên: Trong thực tế rất khó đạt được trường đồng nhất mà chỉ có thể là điện trường gần đồng nhất. Để có khái niệm cụ thể xét phân bố trường trong tụ điện hình trụ có điện cực là hình trụ đồng trục: E(x) E x r R Cường độ điện trường tại điểm cách tâm khoảng cách x (r £ x £ R) Từ công thức trên sẽ xác định được điện trường cực đại xuất hiện tại điểm A. còn điện trường cực tiểu trong khe hở là tại điểm B: Phân bố trường được xem như gần đồng nhất là khi mà các giá trị Emax, Emin chênh lệch nhau không nhiều. Như trong trường hợp của tụ điện hình trụ thường qui định Emax /Emin £2. Từ đó ta được: R £ 2r Phóng điện trong điện trường không đồng nhất. Đặc điểm trong điện trường không đồng nhất là sự phân bố không đều của cường độ điện trường trong không gian giữa hai điện cực. Diễn biến của phóng điện: Phóng điện trong điện trường không đồng nhất có các đặc điểm sau: Do sự tăng cục bộ của điện trường ở lân cận điện cực có bán kính cong bé (mũi nhọn) nên tại đó dễ xảy ra ion hoá và tiếp theo đó là sự hình thành thác điện tử và dòng plasma. Đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện trong điện trường không đồng nhất thấp hơn nhiều so với điện áp phóng điện trong điện trường đồng nhất ở khe hở khí có cùng khoảng cách a. _ E e x n 0 _ x Phóng điện ở điện áp xung. Ở các phần trên ta đã nghiên cứu phóng điện trong chất khí khi điện áp tác dụng là điện áp một chiều và xoay chiều. Trong thực tế điện áp tác dụng còn có thể ở dạng xung gây nên bởi phóng điện sét vào đường dây trên không hoặc vào các trạm biến áp ngoài trời của hệ thống điện. t u to t1 t2 ttk tht Uo ts tds 0,3 0,5 1 0,9 0 t u/U tp ts- độ dài sóng. tds- thời gian đầu sóng. ttk- thời gian chậm trễ thống kê. tht- thời gian hình thành phóng điện. Ở đầu sóng điện áp tăng nhanh từ 0 tới trị số cực đại U và sau đó ở đuôi sóng điện áp giảm chậm Dạng sóng xung được biểu thị bởi tỷ số . Thời gian tác dụng củ điện áp quá ngắn (trên dưới 1%) đã gây ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phóng điện. Ảnh hưởng của điện áp đối với thời gian hình thành phóng điện được thể hiện bởi hệ số ion hoá va chạm tăng theo điện trường khiến cho các quá trình ion hoá hình thành thác điện tử và dòng plasma được phát triển thuận lợi và nhanh chóng hơn nhiều. Sự phụ thuộc của thời gian hình thành phóng điện vào điện áp hay nói cách khác sự thay đổi của giá trị điện áp phóng điện theo thời gian phóng điện trong điều kiện áp suất, nhiệt độ và khoảng cách cực giữ không đổi dẫn đến việc xuất hiện một đặc tính rất quan trọng của cách điện ở điện áp xung- đặc tính "Volt-giây"(V-s). Đó là quan hệ giữa biên độ điện áp tác dụng với thời gian phóng điện. tds 0 t t1 t u t4 t1 t2 t3 t4 t3 t2 u 0 Đặc tính (V-s) được xác định tương ứng một dạng sóng thống nhất và biên độ tăng dần nếu phóng điện xảy ra ở đuôi sóng thì điện áp phóng điện sẽ lấy bằng biên độ của điện áp tác dụng còn khi phóng điện xảy ra ở đầu sóng thì sẽ lấy theo giá trị tức thời. Do tính tản mạn của thời gian phóng điện sẽ nhận được từ thực nghiệm không phải là một đường mà là một miền đặc tính V-s. t u 8¸10m t1 t2 u50 0 ui 2 1 Phóng điện dọc theo bề mặt điện môi rắn. Khi điện môi rắn được đặt trong không khí thì quá trình phóng điện men theo bề mặt điện môi rắn - nơi tiếp xúc với không khí sẽ xảy ra trước tiên với trị số điện áp phóng điện bé hơn rá6t nhiều so với điện áp chọc thủng khe hở khí cũng như so với điện áp chọc thủng điện môi rắn. s a c b Phá huỷ điện môi lỏng. Chất cách điện lỏng khi sạch có độ bền điện rất cao hàng trăm kV/cm. Tuy nhiên khi có tạp chất thì độ bền điện giảm sút rất nhanh và diễn biến của quá trình phóng điện chọc thủng khác hẳn so với khi chất lỏng sạch. Vì mật độ phân tử trong chất lỏng rất lớn so với trong chất khí nên đoạn đường tự do của điện tử rất ngắn và do đó để có thể gây ion hoá va chạm thì điện trường và điện áp tác dụng phải có trị số cao hơn nhiều so với số liệu về phóng điện trong chất khí. Khi chất lỏng có chứa tạp chất như các bọt khí, ẩm, sợi tơ... phóng điện được giải thích bởi sự hình thành các cầu nối dẫn điện giữa các điện cực. Xét trường hợp khi chất lỏng có chứa bọt khí giả thiết có hình cầu. Do hằng số điện môi của chất khí bé hơn so với của chất lỏng nên cường độ điện trường trong bọt khí tăng cao, dẫn đến quá trình ion hoá các phân tử khí. Sự di chuyển của các điện tích trái dấu trong bọt khí do tác dụng của điện trường sẽ kéo theo sự biến dạng bọt khí từ hình cầu trở thành hình elip... và sự liên kết giữa nhiều bọt khí elip sẽ dẫn đến sự hình thành cầu dẫn điện nối giữa các điện cực. Lý thuyết phóng điện nêu trên được minh hoạ bằng các kết quả thực nghiệm sau đây: Độ bền điện của dầu biến áp sạch có thể đạt tới 20-25 kV/mm nhưng chỉ cần lượng ẩm trong dầu vượt quá giới hạn 0,05% thì độ bền điện chỉ có 4 kV/mm tức là giảm từ 5 đến 6 lần. Ở điện áp xung độ bền điện hầu như không thay đổi cho dù trong dầu có tạp chất. Điều đó được giải thích bởi các cầu dẫn điện không được hình thành trong khoảng thời gian tác dụng của điện áp xung. Sự biến thiên của điện áp chọc thủng theo nhiệt độ được biểu thị như hình dưới: Đối với dầu sạch điện áp chọc thủng hầu như không thay đổi theo nhiệt độ khi nhiệt độ không quá 80oC. khi dầu bị ẩm điện áp phóng điện chọc thủng biến thiên như đường số 2 và có giá trị cực đại ở nhiệt độ mà tại đó các hạt nước chuyển sang trạng thái hoà tan trong dầu. P toC 1 Uct -40 0 40 60 120 1 2 Phá huỷ điện môi rắn. Cơ chế phóng điện trong điện môi rắn khác nhau tuỳ thuộc vào các hoàn cảnh cụ thể và được phân loại như sau: Phóng điện do điện trong điện môi đồng nhất. Phóng điện do điện trong điện môi không đồng nhất. Phóng điện do n