Chuong 3 ton hao dien moi

9,229 views

Published on

Published in: Education
1 Comment
1 Like
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total views
9,229
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
104
Comments
1
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Chuong 3 ton hao dien moi

  1. 1. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3Chương 3. TỔN HAO ĐIỆN MÔI 3.1 Khái niệm. 3.1.1 Góc tổn hao điện môi. Là góc phụ δ của góc lệch pha ϕ giữa véctơ dòng điện I và điện áp U trong điện môi. IC I δ ϕ IR U Góc tổn hao là tham số quan trọng của điện môi. Góc tổn hao càng lớn tổn hao càng lớn. Thông thường gía trị tgδ được cho trước. tgδ ở điện môi chất lượng cao có giá trị khoảng 0,001 thậm chí bằng 0,0001 dùng để sử dụng ở tần số cao. Còn ở vật liệu chất lượng kém hơn thì tgδ ở hàng phần trăm hoặc cao hơn nữa dùng ở tần số thấp. 3.1.2 Công thức để tính tổn hao toàn phần và tổn hao riêng trong điện môi. Ta có: P = U.I R = U.I C. tgδ (3.1) I ⇒ tgδ = R IC I C = U.ϖ.C P = U 2 .ϖ.Ctgδ C = ε.ε o λ P = U 2 .ϖ.ε.ε o λ.tgδ (3.2) ϖ = 2πf 1 εo = .10 −9 36µ P = U 2 .f .λ.5,56.10 −11.tgδ ⇒ (3.3) = 5,56.10 −11.fλ.U 2 .tgδ P- công suất tổn hao toàn phần. λ- hệ số hình học đặc trưng cho tụ điện. 3.1.3 Tổn hao riêng của điện môi. Là tổn hao công suất trên một đơn vị thể tích 3.1.4 Sơ đồ thay thế điện môi có tổn hao. Khi nghiên cứu tổn hao điện môi ở điện áp xoay chiều, tốt nhất là thay thế điện môi bằng một điện môi không có tổn hao và một điện trở thuần nối song song với điện môi hoặc nối tiếp. 32
  2. 2. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 CS Cn Rn RS U U IR I UR IC UC δ δ ϕ ϕ U I U U R = IR n IR = RS I UC = I C = UϖC S ϖC n IR 1 UR tgδ = = tgδ = = ϖC n R n I C ϖC S R S UC U2 U2 P = U ϖC S tgδ = 2 P= Rn RS Z2 U2 tgδ P=  1  Cnϖ 2 R2 + n  ϖC    c  U 2 ϖC n tgδ P= tgδ = U 2 ϖC n ( R n ϖC n ) + 1 2 1 + tg 2 δ Quan hệ giữa CS, Cn, RS, Rn khi chuyển từ sơ đồ mắc song song sang sơ đồ mắc nối tiếp: PS = Pn (3.4) ( C n = C S 1 + tg 2 δ ) R S tg 2 δ (3.5) Rn = 1 + tg 2 δ để xác định quan hệ giữa Rn và RS ta sử dụng phép biến đổi sau: tgδ tgδ tgδR S tgδ = ϖC n R n ⇒ R n = = = ϖC n ϖC S (1 + tg δ ) ϖC S R S (1 + tg 2 δ ) 2 (3.6) tg 2 δR S Rn = (1 + tg 2 δ) Gía trị tgδ không phụ thuộc vào sơ đồ thay thế được lựa chọn. Hệ số điện môi phức. Điện môi có tổn hao có thể xem như điện môi có hệ số điện môi là đại lượng phức. ε * = ε − jε " (3.7) 33
  3. 3. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 C * = C − jC " (3.8) ⇒ ε * C = ε C 0 − jε " C 0 (3.9) C0- điện dung chân không. * Y = ωC − jωC (3.10) C = ε C 0 Mà: C" = ε"C 0 I r = ωC " U = ωε " C 0 U Nên: I C = ωC U = ωε C 0 U I r ε" tgδ = = IC ε (3.11) ⇒ ε = ε tgδ " Vì: ε " ≈ tgδ Nên: ε " − gọi là hệ số tổn thất điện môi. 3.2 Bản chất vật lý của tổn hao điện môi. Nếu ta đặt điện áp một chiều lên điện môi thì điện kế sẽ chỉ sự thay đổi của dòng điện theo thời gian t, và được tính từ thời gian đặt điện áp lên điện môi. Ta có đường cong quan hệ như sau: i IhtG K U i∝ Dòng điện có thể được chia thành 2 thành phần: dòng không đổi i∝ và dòng giảm dần iht Ở thời gian ổn định (dòng điện xuyên thấu): t i∝ =U/Rcd (3.12) Dòng hấp thụ được tính: t − i ht = U.s.e τ (3.13) s- điện dẫn hấp thụ. τ - thời gian khi dòng hấp thụ giảm đi e lần so với thời điểm ban đầu t=0. Sự xuất hiện của dòng điện hấp thụ do các nguyên nhân sau:  Do sự định hướng của các phần tử lưỡng cực làm tiêu tốn một phần năng lượng và biến thành năng lượng nhiệt.  Ở điện môi không cực xuất hiện sự mất đồng nhất trong điện môi gây nên sự phân bố lại các điện tích trong thể tích của điện môi. Trong thực tế sự mất 1đồng nhất trong C1 R U γđiện môi luôn1luôn tồn tạiUdo có bọt khí, độ ẩm, tác động của ánh sáng... 10 1 ε Ví dụ: Có hai lớp điện môi: ε,ρ, C, R không phụ thuộc điện áp. γ2 ε2 C2 R2 U20 34
  4. 4. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 Gọi U là điện áp đặt lên điện môi: C2 U10 = U C1 + C 2 C1 U 20 = U C1 + C 2 Khi quá trình quá độ kết thúc, lúc đó chỉ còn dòng điện xuyên thấu và điện áp tỷ lệ với điện trở. R1 U 1∞ = U R1 + R 2 R2 U 2∞ = U R1 + R 2 Ở thời kỳ đầu quá độ: C1 C 2 Q10 = Q 20 = C1 U10 = C 2 U 20 = U C1 + C 2 Ở thời kỳ cuối quá độ: C1 R 1 Q1∞ = C1 U 1∞ = U R1 + R 2 C2R 2 Q 2u = C 2 U 2 ∞ = U ∞ R1 + R 2 Sự thay đổi điện tích ở mỗi lớp trên thời gian chu kỳ quá trình quá độ: C1 R 1 − C 2 R 2 ∆3 u ∆Q1 = Q1∞ − Q10 = UC1 ∆+ C ( R 1 + R 2 )( C1 2 u 2 ) ∆Q 2 = Q 2 ∞ − Q 20 = UC 2 ∆1C 2 R 2 − C1R 1 u ( R 1 + R 2 )( C1 + C 2 ) t Qúa trình qúa độ khi ∆Q1 = ∆Q 2 = 0 sẽ không có điện tích chuyển dịch nếu điện môihòan tòan đồng nhất ε, ρ ở mọi nơi trong thể tích điện môi là như nhau. Hay: C1R1 = C2R2. i Bây giờ ta đưa cách tính dòng điện hấp thụ khi đặt điện môi dưới điện áp một chiều vàsau đó tính ở dòng xoay chiều. Giả sử ở thời gian t= x1, t=∆3... điện áp thay đổi đột biến ở mức x2, i∆ 1 U, ∆ 2 U... ∆i 2 ∆1i 35 x1 x2 x3 t
  5. 5. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 Mỗi một lần đột biến điện áp lên ∆ n u thì sẽ có dòng điện hấp thụ bị đột biến ∆ n i , và sauđó giảm dần theo thời gian. t −x n − ∆ n i = ∆ n U.s.e τ Theo lý thuyết xếp chồng thì tất cả các dòng điện riêng sẽ được cộng lại, và vì thế dòngđiện có hình thang. Để cho bất kỳ một khoảng thời gian nào, dòng điện hấp thụ tổng qua điệnmôi sẽ bằng: t −x n − i ht = ∑ ∆ n i = ∑ ∆ n U.s.e τ Trong trường hợp sự thay đổi điện áp u thì vế phải của phương trình chuyển thành tíchphân: t x −t − i ht = s. ∫ e τ ∆u −∞ t x −t du − i ht = s. ∫ e τ dx −∞ dx du U = U m . sin ωx ⇒ = ω.U m . cos ωx dx t x −t − i ht = U m .ωs. ∫ cos ωx.e τ dx −∞ Khi điện môi hoạt động ở điện áp xoay chiều thì dòng điện hấp thụ cũng là dòng điệnhình sin. Và có hai thành phấn: Thành phần tích cực: ω 2 .τ 2 I ht = U.s. 2 2 ω .τ + 1 Thành phần phản kháng: ϖτ I ht I ht = U.s. 2 2 = ω .τ + 1 ωτ Dựng bằng thực nghiệm quan hệ i(t) khi mắc điện môi vào điện áp một chiều (tìm ra cácgiá trị R, s, τ) và chúng ta có thể tính được độ lớn và pha của dòng điện hấp thụ khi điện môiđược đặt dưới điện áp xoay chiều. 36
  6. 6. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 Dựng biểu đồ vectơ khi đặt điện môi dưới điện áp xoaychiều hình sin. a) Dòng điện dung: có độ dịch pha sớm hơn so với pha của điện áp 900. I C = U. ω C âm . Ixt Cđm- điện dung hình học của điện môi. b) Dòng điện hấp thụ: gồm hai thành phần I’ht và I”ht và I như vậy là: I’ht Iht ϕ tgψ = τ.ω c) Dòng điện dẫn: U I”ht IC I cd = = UG cd R cd Như vậy là sự có mặt của dòng điện hấp thụ dẫn tới tăng điện dẫn của điện môi. Dòng tích cực:  ω 2 .τ 2  I a = I ht + I xl = U s. 2 2  ω .τ + 1 + G cd     Dòng phản kháng:  .τ 2  I b = I ht + I c = U.ω "  C + s. 2 2   ω .τ + 1  Tổn hao tgδ của điện môi: I ω 2 τ 2 ( G cd + s ) + G cd tgδ = a = [ ] I b ω s.τ + C( ω 2 .τ 2 + 1) Hấp thụ điện môi dẫn đến sự tồn tại của điện tích dư trong tụ điện, khi tụ điện nạp điệnsau đó được xả ngắn mạch, nhưng thời gian xả không lâu thì hiện tượng phục hồi điện tích trongtụ sẽ gây nguy hiểm cho người làm việc với thiết bị cao áp. Chất lượng hấp thụ được đánh gí bằng hệ số hấp thụ Ka- là tỷ số giữa điện áp còn lạitrong tụ điện so với điện áp ban đầu. Hệ số hấp thụ các tụ điện có điện môi không cực nhỏ hơn tụcó điện môi có cực. U Ka = 2 U1 Ví dụ hệ số Ka ở điều kiện nhiệt độ bình thường. T1- thời gian nạp điện. T2- thời gian xả. T3- thời gian tụ điện được để hở mạch. U1- điện áp ban đầu. U2- điện áp còn lại. U1 U2 3.3 Quan hệ giữa tgδ với các yếu tố khác nhau. t1 t t3 3.3.1 Quan 2hệ tgδ với tần số. Phân tích quan hệ này chúng ta dựa trên cơ sở của công thức: 37
  7. 7. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 I a ω τ ( G cd + s ) + G cd 2 2 tgδ = = [ I b ω s.τ + C( ω 2 .τ 2 + 1) ] lim tgδ = 0 ω→∞ lim tgδ = ∞ ω→0 Ý tưởng vật lý của các giới hạn ω = ∞, ω = 0 thì công suất tổn hao cũng có một giới hạn tổn hao nào đó khi ω → 0 thì tổn hao công suất được tính theo công thức: U2 P= R cd Theo công thức trên thì tgδ sẽ có một giá trị cực đại ở một tần số nào đó. Bằng cách lấy đạo hàm theo ω và cho bằng 0 sẽ cho một giá trị ω k nào đó tương ứng với tgδ cực đại. Giả sử ta xét trường hợp đặc biệt, khi mà dòng điện xuyên thấu rất nhỏ (điện trở suất của điện môi ở điện áp một chiều cực lớn) và tổn thất chủ yếu là do tích thóat, khi đó Ixt <<I’ht. Trong trường hợp này Gcd << s. Đặt vào công thức trên Gcd=0 và ta có biểu thức đơn giản của ωk và tgδmax: 1 s ωk = + τ 2 C.τ τ.s tgδ max = τ.s 2.C 1 + C Điều này cho ta thấy ở tần số ω k là sự tổn thất năng lượng lớn nhất để xoay chuyển các lưỡng cực khi đặt điện môi trong điện trường. tgδ tgδ max ω ωk 1 Nếu: s << τ ⇒ ω k = ⇔ ω k τ = 1 . Và đây là điều kiện cực đại của tổn hao τ2 điện môi có cực trong một nhiệt độ xác lập nào đó. Bây giờ ta xét một điện môi và tổn hao chỉ thuần túy điện dẫn, khi đó tổn thất công suất được tính theo công thức: U2 P= R cd Tổn thất công suất không hề phụ thuộc vào tần số, trong trường hợp này γ = γa, và ta cũng có phương trình: f .ε.tgδ.ρ = 1,8.1010 1,8.1010 Hay: tgδ = f .ε.ρ Tổn hao tgδ tỷ lệ nghịch với tần số. Dầu cách điện lọai siêu sạch có tính chất tgδ theo công thức trên. Tuy nhiên, nếu áp cho nhựa PE, Politraftoretilen và một số điện môi 38
  8. 8. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 không cực khác thì không đúng lắm. Do trong điện môi không cực có thể tồn tại phân cực kết cấu và có thêm tổn hao. Điện môi không cực rất nhạy cảm với tạp chất, các tạp chất làm tăng tgδ và thay đổi quan hệ theo tần số. τ.s CT = C + 2 2 ω .τ + 1 Như đã biết điện dung của tụ điện giảm khi tần số tăng, giá trị điện dung lớn nhất khi ω = 0. C 0 = C + S.τ Điện dung của tụ điện có giá trị nhỏ nhất khi ω = ∞ : C∞ = C C C0 S.τ C∝ tgδ ω tgδ max ω ωk Tương ứng với giá trị C0 và C∝ thì điện môi trong tụ điện có giới hạn hệ số điện môi. 3.3.2 Quan hệ tgδ với độ ẩm. Ở vật liệu bị ẩm giá trị tgδ tăng rất nhanh khi độ ẩm tăng lên. tgδ 10 1 0,1 Tuy nhiên hàng loạt trườn4 g 8 % hợp tgδ có quan hệ với điện áp là một đường là quan hệ giữa tgδ vớỞđộ ẩm trong giấy cách điện ở tần số 1 MHz. Như vậy Đây cong như hình bên. i tgδ điệnẩáp làm giảmU0 thì tgδhhầu t tgδ của điện môi. độ m nhỏ hơn mạnh tín chấ như không 3.3.3 đổi theohệ tgδ áp. i Khin áp. thay Quan điện vớ điệ B giá trị vượt quá U0 thì ng tăng rấ Trong nhiều trườtgδ hợp tgδt hầu như không phụ thuộc vào điện áp đặt, trong khi nhanh. Điểm An môi P lạg tăng tỷ lệ thuận với bình phương điện áp đặt. đó tổn hao điệ của đườn i cong gọi là điện áp ion hóa. A 39 Umin U
  9. 9. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 3.3.4 Quan hệ tgδ với nhiệt độ. Theo nguyên tắc tgδ tăng rất nhanh khi nhiệt độ tăng. Như vậy tgδ gia tăng là do giảm điện trở suất ρ, và khi tgδ tăng lên thì dòng điện xuyên thấu cũng tăng lên, đồng thời tăng điện dẫn hấp thụ S. Tổn hao điện môi là do tồn tại các phân tử lưỡng cực và có giá trị max ở nhiệt độ TK nào đó. Thực chất là tổn hao do ma sát khi các lưỡng cực định hướng theo điện trường. Khi nhiệt độ tăng lên thì mức độ định hướng của lưỡng cực tăng, mặt khác lại giảm năng lượng do ma sát vì độ nhớt giảm xuống. Yếu tố đầu tiên làm tăng công suất tổn hao, và dẫn đến tgδ tăng lên. Yếu tố thứ hai lại làm giảm các đại lượng trên. Do vật chất có cực ngoài tổn hao lưỡng cực còn có tổn hao điện dẫn, loại tổn hao điện dẫn tăng theo nhiệt độ. Trên thực tế tgδ có thể được quan sát ở dạng đường cong có cực trị như hình dưới đây: 0.0 3 tgδ 0.0 2 0.01 0 -200 -160 -120 -80 -40 0 40 80 toC 3.4 Tổn hao điện môi trong chất khí. Các chất khí ở điều kiện bình thường có tổn hao rất bé. Vì vậy chất khí trong trường hợpnày xem như là điện môi lý tưởng. Tổn hao điện môi của chất khí trở nên đáng kể khi bắt đầuxuất hiện quá trình ion hóa các phân tử khí. Nguồn tổn hao điện môi trong chất khí do điện dẫn là chủ yếu, vì sự xoay chuyển cáclưỡng cực khi phân cực không gây tổn hao năng lượng. Tất cả các chất khí có điện dẫn rất thấp, và vì thế tgδ cũng nhỏ. Ở tần số cao tgδ có thể 1,8.1010xác định theo công thức tgδ = . f .ε.ρ Ở điện áp cao và trường không đồng nhất, khi cường độ điện trường ở từng vị trí khácnhau đạt một giá trị tới hạn nào đó, các phân tử bị ion hóa. Vì thế trong chất khí xuất hiện tổnhao ion hóa. 3.5 Tổn hao điện môi trong chất lỏng. Trong các điện môi lỏng trung tính chỉ tồn tại tổn hao do điện dẫn nếu chúng không chứatạp chất. Điện dẫn của điện môi lỏng trung tính rất nho do đó tổn hao điện môi cũng sẽ rất nhỏvào cỡ 10-4. Các chất lỏng có cực tính tùy thuộc vào điều kiện bên ngoài (nhiệt độ, tần số,...) cóthêm tổn hao do phân cực. Tổn hao điện môi của những chất lỏng có cực tính đặc biệt phụ thuộcvào độ nhớt. Ở tần số cao tổn hao điện môi trong các chất lỏng rất nhớt lớn đáng kể so với tổnhao do điện dẫn. 40
  10. 10. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 Nếu độ nhớt quá lớn, các phân tử không kịp thay đổi hướng theo sự thay đổi của điệntrường bên ngoài, tổn hao do phân cực sẽ nhỏ. Trong trường hợp độ nhớt quá bé thì tổn hao dophân cực cũng rất nhỏ bởi vì các phân tử lưỡng cực định hướng dễ dàng không bị lực cản. Tổn hao điện môi của các chất lỏng phụ thuộc rất mạnh vào hàm lượng và thành phần tạpchất ví dụ nước, các dạng hợp chất của S, N2. tgδ 0,08 tgδ t1 t2 0,06 0,04 50Hz 10Hz t1>t2 0,02 40 60 80 100 120 140 Hàm lượng H2O% 0 t0C 3.6 Tổn hao điện môi trong chất rắn. 3.6.1 Điện môi có cấu trúc phân tử. Sự phụ thuộđiện môi rắnutrungkamifon vàhao điện môi rất nhỏ. Những điện môi này gồm Trong các c tgδ của dầ tẩm tính , tổn o nhiệ polime tần số khá như polietilen, polistrirol... nguyêntgδ của dầu máy biếtổn p vàoparafin, cátcđộ ở các trung tính c nhau. Sự phụ thuộc nhân chủ yếu gây n á hao làđiện dẫn của điện môi. hàm lượng nước ở các nhiệt độ khác nhau. Các điện môi rắn có cực tính như giấy, carbon, các polime cực tính, thủy tinh hữu cơ,poliamid, vật liệu cao su (ebonil) ... có thêm tổn hao do phân cực. Ví dụ tổn hao của vật liệu giấyphụ thuộc vào nhiệt độ: tgδ 0,04 0,03 10kHz 100kHz 0,02 0,01 -160 -120 -80 -40 0 40 80 -200 t0C 3.6.2 Điện môi có cấu trúc ion. Các điện môi này bao gồm nhiều hợp chất tgδ thể vô cơ được sử dụng để sản xuất sứ ví tinhdụ mulit, sircol ... Trong các điện môi này số ít ion tham gia vào quá trình phân cực càng tăngkhi nhiệt độ tăng do đó không tồn tại điểm cực đại trên đồ thị tgδ phụ thuộc vào nhiệt độ và códạng hàm mũ. 41 T
  11. 11. Bài giảng: Vật Liệu kỹ Thuật Điện Chương 3 Tổn hao điện môi của thủy tinh vô cơ gây bởi quá trình điện dẫn và quá trình phân cực.Trong thủy tinh sạch tổn hao không phụ thuộc vào nhiệt độ và tăng tỷ lệ với tần số (tgδ khôngphụ thuộc vào tần số). 3.6.3 Xecnhet điện. Tổn hao điện môi trong xecnhet điện lớn hơn tổn hao trong các điện môi khác. Ở nhiệt độcao hơn nhiệt độ Curie TC phân cực tự phát bị triệt tiêu vì vậy tổn hao điện môi của xecnhet điệnít bị thay đổi ở vùng nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ TC và giảm rất nhanh ở vùng nhiệt độ lớn hơn TC. tgδ TC T Sự phụ thuộc tgδ vào nhiệt độ của xecnhet điện 42

×