Hiện tượng đánh thủng điện môi là gì


Chất khí là chất cách điện bên ngoài không thể tránh được trong

nhiều loại kết cáu kỹ thuật điện, trong máy điện, máy biến áp, tụ điện, trên

đường dây tải điện.

Cường độ cách điện của không khí trong những điều kiện bình

thường không lớn lắm so với nhiều lọai điện môi rắn và lỏng.

Một lượng không lớn các ion âm, dương và điện tử chứa trong khí

cũng ở trạng thái chuyển động nhiệt hôn loạn như các phân tử khí trung hòa.

Khi có điện trường tác dụng, chúng nhận thêm một tốc độ nào đó và bắt

đầu chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều điện trường tùy theo dấu của

điện tích. Khi đó hạt mang điện nhận thêm năng lượng bổ sung.

W = qU λ



trong đó q- điện tích, U λ -điện áp giáng trên đoạn đường tự do.

Nếu điện trường đồng nhất thì có thể viết:

U λ = Eλ



trong đó E- cường độ trường; λ - khoảng cách trung bình mà hạt mang điện

đã đi qua không gặp va chạm.

Từ đó:

W = Eq λ



Năng lượng bổ sung của hạt tích điện được truyền cho các phân tử

bò ion hóa mà nó chạm phải. Nếu năng lượng này đủ lớn, phân tử bò ion hóa

tức là bò phân ly thành các điện tử và ion dương hoặc bò kích thích do điện tử

chuyển sang quỹ đạo xa hạt nhân hơn.

Điều kiện xác đònh khả năng ion hóa là

W  Wi



trong đó W bao gồm cả năng lượng của chuyển động nhiệt, thường

không lớn ở nhiệt độ thường.

Eq λ  Wi



Năng lượng ion hóa Wi thường đặc trưng bởi điện thế ion hóa.

Ui =



Wi

q



Điện thế ion hóa của các khí khác nhau nằm trong giới hạn từ 4 25 V, tương ứng với năng lượng ion hóa từ 4- 25 eV.



74



Ở trò số áp suất và nhiệt độ cho trước củamột chất khí sự ion hóa

va chạm bắt đầu ở cường độ trường xác đònh vì đối với mỗi loại khí thì q và

λ là không đổi. Cường độ trường E đó được gọi là cường độ trường ban đầu.

Trong thực tế sự đánh thủng chất khí thường xảy ra tức thời;

khoảng thời gian chuẩn bò đánh thủng khí khi độ dài khoảng cách bằng 1cm

là 10-7 - 10-8 s.

Điện áp đặt vào khoảng khí càng lớn, sự đánh thủng càng có khả

năng phát triển nhanh.

Nếu khoảng thời gian tác động của điện áp rất nhỏ, thì điện áp

đánh thủng sẽ phải tăng lên. Sự tăng lên này thường đặc trưng bởi hệ số

xung

β=



U dt

U dt 50



trong đó Udt -điện áp đánh thủng bởi điện áp xung

Udt50 - điện áp đánh thủng khi điện áp là một chiều hoặc xoay chiều ( tần số

50 Hz ).

Hệ số xung trong những điện trường rất không đồng nhất có thể

đạt đến 1,5.

Hiện tượng đánh thủng chất khí phụ thuộc vào mức độ đồng nhất

của điện trường, trong đó xảy ra sự đánh thủng.

Độ bền điện của chất khí phụ thuộc rất nhiều vào mật độ của nó,

tức là phụ thuộc vào áp suất, nếu nhiệt độ không đổi.

Thực nghiệm đã xác đònh rằng điện áp đánh thủng của chất khí

phụ thuộc vào tích số áp suất và khoảng cách giữa các điện cực . Quan hệ

này gọi là đònh Pasen.

12.3.Đánh thủng trong chất lỏng

Các điện môi lỏng có đặc điểm là trong những điều kiện bình

thường chúng có độ bền điện cao hơn chất khí rất nhiều.

Rất khó tìm thấy chất lỏng hoàn toàn tinh khiết. Tạp chất thường

xuyên trong chất lỏng là nước, khí và các hạt cơ học rất nhỏ. Sự tồn tại của

tạp chất làm cho hiện tượng đánh thủng điện môi lỏng rất phức tạp và việc

xây dựng lý thuyết chính xác về sự đánh thủng các chhất này rất khó khăn.

12.4.Đánh thủng chất rắn

Người ta phân biệt bốn dạng đánh thủng điện môi:

1. Đánh thủng điện các điện môi vó mô đồng nhất:

Dạng đánh thủng có đặc điểm là phát triển rất nhanh. Nó xảy ra

trong khoảng thời gian nhỏ hơn 10-7- 10-8 s và không phải do năng lượng

nhiệt, mặc dù độ bền điện khi đánh thủng điện phụ thuộc vào nhiệt độ trên

một mức độ nào đó.

2.Đánh thủng điện các điện môi không đồng nhất:

75



Sự đánh thủng này đặc trưng cho các điện môi kỹ thuật mà trong

hầu hết các trường hợp có chứa taạp chất khí.

3.Đánh thủng điện hóa:

Sự đánh thủng điện hóa các vật liệu cách điiện có ý nghóa đặc

biệt quan trọng khi nhiệt độ và độ ẩm không khí cao. Dạng đánh thủng này

có thể thấy ở điện áp một chiều và xoay chiều tần số thấp, khi quá trình

điện phân phát triển trong vất liệu làm cho điện trở cách điện bò giảm và

không hồi phục được. Hiện tượng này thường được gọi là sự hóa già điện

môi trong điện trường, bởi vì nó làm cho độ bền điện giảm dần và cuối cùng

điện môi bò đánh thủng ở cường độ trường thấp hơn rất nhiều so với cường

dộ đánh thủng khi làm thí nghiệm.

4.Đánh thủng nhiệt các điện môi rắn:

Hiện tượng đánh thủng điện nhiệt ( gọi tắt là đánh thủng 'nhiệt' )

mà thực chất là sự nung nóng vật liệu trong điện trường đến nhiệt độ làm

vật liệu bò nứt, phồng, hoặc các dạng phá hủy nhiệt khác, liên quan với sự

phát triển quá mức điện dẫn rò hoặc tổn thất điện môi. Trò số điện áp xảy

ra đánh thủng nhiệt và cường độ đánh thủng trung bình của điện trường tính

theo điện áp đó không chỉ đặc trưng cho bản thân chất điện môi ở mức độ

cao hơn trò số này trái với đánh thủng điện khi cường độ đánh thủng chỉ đặc

trưng cho bản thân vật liệu.

Điện áp đánh thủng trong hiện tượng đánh thủng nhiệt liên quan

với một loạt yếu tố: tần số của trường, điều kiện làm mát, nhiệt độ môi

trường xung quanh v.v...Ngoài ra điện áp đánh thủng nhiệt còn phụ thuộc

vào tính chòu nhiệt của vật liệu. Cũng có những điều kiện ngoài như nhau thì

các điện môi hữu cơ có điện áp đánh thủng nhiệt thấp hơn các điện môi vô

cơ chỉ vì độ bền nhiệt của chúng nhỏ hơn.



76



CHƯƠNG 13

VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

Vật liệu cách điện có ý nghóa cự kỳ quan trọng đối với kỹ thuật

điện. Chúng được dùng để tạo ra cách điện bao quanh những bộ phận dẫn

điện trong các thiết bò điện và để tách rời các bộ phận có điện thế khác

nhau. Nhiệm vụ của cách điện là chỉ cho dòng điện đi theo những con đường

trong mạch điện đã được sơ đồ quy đònh. Rõ ràng là nếu thiếu cách điện sẽ

không thể chế tạo được một thiết bò điện nào, kể cả loại đơn giản nhất. Vật

liệu cách điện còn được dùng làm điện môi công tác trong các tụ điện. Sau

cùng phải kể đến loại vật liệu cách điện gọi là điện môi hoạt tính, tức là

những điện môi có tính chất điện điều chỉnh được (chất xenhit, chất áp điện,

điện châm v.v).

Tùy thuộc và các trường hợp sử dụng, vật liệu cách điện phải đáp

ứng được nhiều yêu cầu rất khác nhau.. Vì vậy trong những trường hợp sử

dụng khác nhau phải chọn vật liệu khác nhau.

Trong các vật liệu kỹ thuật điện nói chung thì vật liệu cách điện

là một nhóm gồm nhiều loại nhất; số lượng các loại vật liệu cách điện cụ

thể dùng trong công nghiệp điện hiện đại tính ra có tới hàng ngàn. Trong

chương này chúng ta không thể đề cập đến tất cả các loại đó được. Vì vậy

nhiệm vụ chủ yếu là đưa ra những khái niệm làm cơ sở cho sự phân loại hợp

lý các vật liệu cách điện và những đặc tính chung đối với từng nhóm vật

liệu một dựa theo các quy luật đã được xét ở phần trên. Chúng ta cũng sẽ

nghiên cứu một số loại vật liệu cách điện cụ thể điển hình nhất và phổ biến

trong thực tế, và những số liệu về các đặc tính và về sự phụ thuộc của

chúng vào các yếu tố khác nhau sẽ được dùng để minh họa những quy tắc

chung của sự nghiên cứu về các điện môi.

Trước hết có thể dựa theo trạng thái của vật chất để chia vật liệu

cách điện thành các loại khí, lỏng và rắn. Vật liệu hóa rắn có thể được phân

vào một nhóm đặc biệt. trạng thái ban đầu khi đưa vào sản xuất của cách

điện thì chúng là chất lỏng, nhưng sau đó khi đã chế tạo xong thì chúng rắn

lại và trong quá trình dùng làm của cách điện thì chúng là của rắn (ví dụ

như sơn và các của hỗn hợp).

Việc phân loại vật liệu cách điện theo bản chất hóa học thành vật

liệu cách điện hữu cơ và vô cơ cũng có tầm quan trọng thực tiễn lớn lao.

Danh từ chất hữu cơ dùng để chỉ những hợp chất chứa cacbon ( C ); thông

thường chúng còn chứa hydro ( H ) ; ôxy ( O), nitơ ( N ) hoặc các nguyên tố

khác. Các chất khác được coi là vô cơ; trong đó có nhiều chất chứa silic ( Si

), nhôm ( Al ) và các kim loại khác, oxy v.v



77



Nhiều vật liệu cách điện hữu cơ có tính chất cơ học đáng q, có

tính dẻo và tính đàn hồi; chúng được chế tạo thành dạng sợi, màng mỏng và

các sản phẩm có hình dạng khác nhau. Vật liệu cách điện hữu cơ có độ bền

nhiệt tương đối thấp.

Trong đa số trường hợp, vật liệu cách điện vô cơ không có tính

dẻo và tính đàn hồi, chúng thường giòn; công nghệ chế tạo chúng khá phức

tạp. Tuy nhiên các vật liệu cách điện vô cơ thường có độ bền nhiệt cao hơn

nhiều so với các vật liệu cách điện hữu cơ, do đó chúng được dùng trong

những trường hợp chất cách điện phải làm việc ở nhiệt độ cao.

Trong những năm gần đây xuất hiện những vật liệu có tính chất

trung gian giữa những tính chất của vật liệu hữu cơ và vật liệu vô cơ. Đó là

các vật liệu hữu cơ nhưng ngoài những nguyên tử cacbon, trong phân tử của

chúng còn có các nguyên tố khác thường không gặp trong thành phần các

chất hữu cơ và đặc trưng cho vật liệu vô cơ nhiều hơn như Si, Al, P và các

nguyên tố khác .

Vì trò số nhiệt độ làm việc cho phép của cách điện có ý nghóa thực

tiễn rất quan trọng nên những vật liệu cách điện và các tổ hợp của chúng

(những hệ thống cách điện của máy điện, của thiết bò điện v.v) thường

được phân cấp theo độ bền nhiệt .

Cần chú ý rằng các đặc tính cách điện cũng như các đặc tính cơ,

nhiệt, độ ẩm và các đặc tính khác của vật liệu cách điện thay đổi một cách

đáng kể tùy thuộc vào công nghệ sản xuất và chế biến vật liệu, sự có mặt

của các tạp chất, điều kiện thử nghiệm v.v vì vậy trong nhiều trường hợp ta

chỉ coi những số liệu về các vật liệu được nêu ở chương này như là các trò số

gần đúng.

Những vật cách điện rắn là nhóm lớn nhất , người ta phân chúng

thành các nhóm theo bản chất hóa học và kỹ thuật sử dụng làm chất cách

điện .

13.1.Vật liệu cách điện thể khí

Trong số vật liệu cách điện thể khí ta phải nhắc đến không khí.

Do tính phổ biến ở khắp nơi, ngoài cả ý muốn của chúng ta, không khí

thường tham gia vào các thiết bò điện và giữ vai trò như là vật liệu cách điện

hỗ trợ thêm cho các vật liệu cách điện rắn hoặc lỏng. Trong những bộ phận

riêng biệt của trang bò điện, ví dụ tại khoảng giữa các cột của đường dây tải

điện trên không, không khí tạo nên lớp cách điện duy nhất giữa các dây dẫn

trần của đường dây. Khi tiến hành tẩm chất cách điện của máy điện , của

cáp, của tụ điện nếu không cẩn thận thì trong cách điện ấy sẽ còn lại những

dấu vết của không khí dưới dạng bọt không khí. Những bọt này làm giảm

chất lượng cách điện vì khi chất cách điện làm việc dưới điện áp cao thì

chúng sẽ thành những ổ phát sinh vầng quang.



78