CHƯƠNG 1: 2. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện: 2. Khái niệm chất điện môi: a. Điện dẫn của điện môi: Khi đặt điện môi vào điện trường E, điện áp U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi ta thấy dòng điện biến thiên theo thời gian.
Dòng điện đi trong điện môi gồm 2 thành phần là dòng điện rò ( Irò ) và dòng điện phân cực ( Iphân cực). I = Iro + Iphân cực Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong thời gian quá trình quá độ hay khi đóng 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 điển rò để đánh giá chất lượng của của vật liệu cách điện.
Nếu dòng 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 của vật liệu cách điện được xác định qua điện dẫn suất ( ) hay điện trở suất ( ) 1 = Điện trở cách điện của khối điện môi R cđ là: Rcđ = U I ro Trong đó: U – điện áp một chiều. Điện môi rắn có rất nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hóa học, nguồn gốc và mức độ lẫn các tạp chất bụi bẩn… do vậy điện dẫn của điện môi rắn rất phức tạp. Điện dẫn trong điện môi rắn được tạo nên là so 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 của các điện tử tự do. Để đánh giá chất lượng của điện môi người ta thường xác định điện dẫn suất khối hay điện trở suất khối. Đối với điện môi rắn có 2 khái niệm: Điện trở suất khối v và điện trở suất mặt s. Trang 25 - Điện trở suất khối: Là điện trở của khối lập phương có cạnh bằng 1cm, hình dung cắt ra từ vật liệu khi dòng điện đi qua hai mặt đối diện khối lập phương đó ; đơn vị đo bằng ( .cm ) h Trong đó: Rv - Điện trở khối của mẫu; S - Diện tích của điện cực đo; h - Chiều dày khói điện môi; - Điện trở suất mặt : Là điện trở của một hình vuông bề mặt vật liệu khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện: d s = Rs l Trong đó: Rs - Điện trở mặt của mẫu vật liệu.
d - Chiều dài điện cực. l - Khoảng cách giữa hai cực. 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 được xác định bởi trạng thái của chất lỏng, khí, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ của môi trường.
Điện dẫn của điện môi khí: Trong điện môi khí luôn xảy ra quá trình ion hóa tự nhiên, khi điều kiện môi trường không thay đổi trong các chất khí bao giờ cũng tồn tại một số lượng điện tích tự do nhất định. Sở dĩ có hiện tượng này là vì trong điện môi khí tồn tại quá trình tái hợp song song với quá trình ion hóa, đó là quá trình tích hợp giữa các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa. Trạng thái cân bằng của điện môi đạt được khi khi số điện tích xuất hiện do ion hóa cân bằng với số điện tích bị tái hợp. Dưới tác dụng của điện trường bé, các điện tích được sinh ra bởi quá trình ion hóa tự nhiên sẽ chuyển động và tạo nên dòng điện dẫn trong điện môi khí.
Dòng điện dẫn này thường được gọi là “điện dẫn không tự duy trì”. Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi khí đủ lớn, những điện tích có trong điện môi nhận được năng lượng và tăng tốc độ chuyển động, khi va chạm với phân tử trung hòa sẽ gây nên ion hóa ( ion hóa do va chạm). Số lượng điện tích được tạo nên bởi quá trình ion hóa do va chạm sẽ tăng lên theo Trang 26 hàm số mũ làm cho dòng điện dẫn tăng. Điện dẫn của chất khí trong trường hợp này gọi là “ điện dẫn tự duy trì”.
Hình 8Mối quan hệ giữa dòng điện trong điện môi khi điện áp đặt vào điện môi thay đổi Để thấy rõ mối quan hệ gữa dòng điện trong điện môi khi điện áp dặt vào điện môi thay đổi, ta có Hình vẽ. Hình trên biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của chất khí hay còn gọi là đặc tính Von – Ampe. Với đặc tính trên ta có thể giải thích như sau: - Vùng 1: Đoạn đầu của vùng cong, điện áp được tăng từ 0 cho đến UA Tương ứng với miền của định luật ôm, trong chất khí có thể xem số lượng ion âm và dương không đổi. Khi điện áp đặt lên hai điện cực tăng thì cường độ điện trường (E= U/S) cũng tăng.
Lực điện trường tác dụng lên các điện tích cũng tăng ( F=qE ), do đó tốc độ chuyển động của các điện cũng tăng và dòng điện sẽ tăng khi tuyến tính với điện áp tuân theo định luật Ôm. - Vùng 2: Ứng với khu vực điện trường có dòng điện bão hòa. Khi điện áp tăng cao, cường độ điện trường đủ lớn, tốc độ chuyển động của các điện tích lớn, các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo đến các điện cực. Điều đó có nghĩa là: có bao nhiêu điện tích sinh ra thì có bấy nhiêu điện tích đi về các điện cực trung hòa.
Nhưng số lượng điện tích sinh ra bởi số ion hóa tự nhiên không đổi, cho nên dòng điện đạt tới trị số bão hòa, măc dù điện áp vẫn tăng lên nhưng không làm cho dòng điện tăng – ứng với đoạn nằm ngang của đồ thị. Đối với không khí ở điều kiện bình thường với khoảng cách giữa các điện cực là 10mm và cường độ điện trường khoảng 0,0006V/mm thì dòng điện đạt trị số bão hòa với mật động dòng điện khoảng 10-21 A/mm2. Vì thế có thể xem không khí là điện môi tốt khi chưa có các điều kiện đưa đến ion hóa va chạm. - Vùng 3: Ứng với khu vực có cường độ dòng điện mạnh.
Ở khu vực này dòng điện Trang 27 bắng đầu tăng nhanh không tuân theo định luật Om. Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm khi cường độ điện trường đặt trên điện môi có trị số lớn. Khi mật độ điện tích lớn sẽ gây nên phóng điện tạo thành dòng plazma nối liền giữa hai điện cực; chất khi trở thành vât liệu dẫn điện ; dòng điện tăng lên theo hàn số mũ. Song theo nguyên lý bảo toàn năng lượng và do công suất nguồn có hạn, để duy trì dòng điện phóng điện, điện áp sẽ không tăng mà giảm tới điện áp tự duy trì.
Điện dẫn của điện môi lỏng: + Điện dẫn ion của các điện môi lỏng: Khác với điện môi không khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất. Trên hình vẽ biểu diễn quan hệ giữa dòng điện và điện áp của điện môi lỏng. Đường cong “a” là đặc tính Von Ampe của điện môi lỏng có chứa tạp chất. Trong đồ thị này không có phần đồ thị bão hòa, dòng điện tăng tuyến tính với điện áp đến giá trị Uth (điện áp tới hạn), sau đó xuất hiện quá trình ion hóa va chạm, điện tích tăng lên theo hàm số mũ, dòng điện cũng tăng lên và dẫn tới dẫn điện trong điện môi lỏng.
Tuy nhiên đối với các điện môi tinh khiết mà được điều chế trong phòng thí nghiệm, thì trên đường đặ tính Von – Ampe còn xuất hiện một đoạn nhỏ như đoạn bão hòa trong điện môi khí. Những chất lỏng như vậy được gọi là chất lỏng sạch giới hạn (tinh khiết). Điện môi lỏng cực tính bao giờ cũng có điện dẫn suất cao hơn điện môi lỏng trung tính. Khi hằng số điện môi tăng thì điện dẫn suất cũng tăng lên.
Những điện môi lỏng cực tính mạnh có điện dẫn cao tới mức có thể xem chúng không phải là cách điện mà là vật dẫn có điện dẫn ion. Nước là một dạng tạp chất phổ biến nhất trong các điện môi lỏng. Nước từ môi trường bên ngoài có thể xâm nhập vào các chất lỏng trong khi vận chuyển hay khi cất giữ và vận hành. Nước tồn tại trong điện môi lỏng ở ba dạng sau: nước hào tan, nước huyền phù hay còn gọi là nhũ tương và nước lắng đọng.
Thông thường đầu máy biến áp, dầu tụ điện hay cáp điện có tỉ trọng nhỏ hơn ( 0,86 ÷ 0,88 ) lần so với nước, mà tỉ trọng của nước là 1000kg/m3. Nước ở trong điện môi lỏng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác là tuỳ thuộc vào nhiệt độ. Trang 28 Khi nhiệt độ tăng, một phần nước lắng đọng chuyển sang dạng nhũ tương, hoặc chuyển từ dạng nhũ tương sang hòa tan. Khi nhiệt độ giảm thì quá trình xảy ra ngược lại.
Điện dẫn ion của điện môi lỏng 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 lỏng có sự giãn nở nhiệt, lực liên kết giữa các phân tử giảm đi, độ nhớt sẽ giảm, mức độ phân ly các phân tử do nhiệt sẽ tăng lên và làm tăng điện dẫn điện môi lỏng. Trong thực tế khi phạm vi nhiệt độ thay đổi không lớn lắm thì quan hệ giữa điện dẫn suất của điện môi lỏng với nhiệt độ được biểu diễn bằng công thức sau: = 0 et Trong đó: 0 là điện dẫn của điện môi lỏng đo ở nhiệt độ bình thường (20 0 C) : Là hệ số mũ đối với chất lỏng đã cho; t: Là nhiệt độ đo bằng 0 C. n0 q 2 Từ trong công thức 0 = ta thấy rằng khi nhiệt độ tăng, độ nhớt điện môi l lỏng giảm, điện dẫn sẽ tăng lên.
Đối với chất lỏng cực tính ( ví dụ dầu gai ) thì tích . hầu như không biến đổi ở các nhiệt độ khác nhau. Nhưng với dầu máy biến áp, độ dẫn điện được xác định bởi chuyển động của các ion tạo chất, mức độ phân ly các ion này tăng theo nhiệt độ, vì thể tích . của dầu máy biến áp cũng tăng theo nhiệt độ.