Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên tính chất điện môi của vật liệu composite dùng trong máy biến áp điện lực640

1


2

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trong luận án này là độc lập và lần đầu tiên
được công bố ở Việt Nam.

Hà Nội, ngày 14 tháng 04 năm 2011
Nghiên cứu sinh

Nguyễn Hữu Kiên


3

LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bản luận án này nghiên cứu sinh vô cùng biết ơn sự hướng
dẫn, chỉ đạo và tận tình giúp đỡ của PGS.TS. Trần Văn Tớp, PGS.TS. Nguyễn Đình
Thắng bộ mơn Hệ thống điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Nghiên cứu sinh
xin bày tỏ sự biết ơn của mình tới TS. Phạm Hồng Thịnh, KS. Đinh Quốc Trí bộ
mơn Hệ thống điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; PGS. Bùi Chương và các
chuyên viên – Trung tâm nghiên cứu vật liệu Polyme - Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội; TS. Nguyễn Đức Hồng, Ths. Vũ Thanh Hải - phịng Nghiên cứu Kỹ thuật
điện cao áp và vật liệu cách điện - Viện Năng lượng, đã tận tình giúp đỡ và tạo điều
kiện để thực hiện bản luận án này.
Nghiên cứu sinh rất mong nhận được sự bổ sung, góp ý hồn thiện nội dung
từ các thầy cô giáo, các chuyên gia, bạn bè đồng nghiệp nhằm nâng cao tính khả
dụng của luận án này.

4

MỤC LỤC
TRANG PHỤ BÌA.......................................................Error! Bookmark not defined.
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................2
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................3
MỤC LỤC..................................................................................................................4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..........................................................................8
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .............................................................................9
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................10
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................12
1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ...............................12
1.1. Mục đích nghiên cứu............................................................................................. 14
1.2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu ................................................. 14

2.

Lý do chọn đề tài ..............................................................................................15
2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước. ........................................................................ 15
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................................... 16

3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.......................................................18
3.1. Ý nghĩa khoa học................................................................................................... 18
3.2. Ý nghĩa thực tiễn ................................................................................................... 19

4. Mục tiêu của luận án...........................................................................................19
5. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án .....................................................................19
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VLC
NỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP..........21

1.1.

Các tính chất điện môi của vật liệu cách điện...................................................... 21

1.1.1. Điện dẫn (conduction) ....................................................................................... 21
1.1.2. Phân cực điện môi (Polarisation)...................................................................... 23
1.1.3. Tổn hao điện môi (Dielectric Loss) ................................................................... 24
1.1.4. Hiện tượng đánh thủng (Breakdown) ................................................................ 24


5

1.2.

Cấu tạo và và phân loại điện môi hữu cơ............................................................. 25

1.3.

Nhựa cách điện .................................................................................................... 27

1.4.

Sơn và các hợp chất cách điện ............................................................................. 28

1.5.

Vật liệu xơ............................................................................................................ 30

1.6.

Điện môi vô cơ..................................................................................................... 33

1.7.

Cấu tạo và tính chất của vật liệu composite......................................................... 34

1.7.1. Cấu tạo và tính chất lý hố của nhựa epoxy...................................................... 37
1.7.1.1. Các tính chất lý học .................................................................................... 37
1.7.1.2. Cấu tạo hố học của nhựa epoxy ................................................................ 39
1.7.1.3. Cơ chế hình thành đóng rắn của nhựa epoxy.............................................. 40
1.7.2. Cấu tạo và tính chất lý hóa của sợi thủy tinh – khả năng liên kết giữa sợi thủy
tinh và nhựa epoxy....................................................................................................... 42
1.7.2.1. Chất tăng cường (sợi thuỷ tinh) .................................................................. 42
1.7.2.2. Trạng thái ứng suất trên bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa...................................... 49
1.7.2.3. Ứng suất trên bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa ...................................................... 51
1.7.2.4. Khả năng phủ màng của nhựa epoxy.......................................................... 52
1.7.2.5. Ảnh hưởng của môi trường làm việc đến VLC nền epoxy/cốt sợi thuỷ tinh
................................................................................................................................. 53
1.8. VLC nền nhựa epoxy cốt sợi thuỷ tinh sử dụng làm cách điện trong MBA. ........... 55
1.9. Các phương pháp kỹ thuật cơ bản chế tạo VLC ....................................................... 57
1.10. Kết luận chương 1................................................................................................... 58

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ
NGHIỆM Q TRÌNH KHUYẾCH TÁN CỦA NƯỚC VÀO VẬT LIỆU
CÁCH ĐIỆN COMPOSITE...................................................................................60
2.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................. 60
2.2. Cơ chế của quá trình khuyếch tán nước vào trong vật liệu composite. .................... 62
2.3. Mơ hình tốn học của q trình khuyếch tán nước................................................... 63
2.4. Phương pháp thí nghiệm lão hóa tăng tốc (Accelerated Experiment Method)......... 68

6

2.5. Phương pháp ngâm tẩm trong nước.......................................................................... 69
2.6. Phương pháp thí nghiệm. .......................................................................................... 70
2.7. Các phương pháp chẩn đốn khi khơng mang điện ”off-line” ................................. 72
2.7.1. Chẩn đốn bằng các tham số khơng điện từ...................................................... 72
2.7.2. Chẩn đốn dựa trên quá trình vận hành. ........................................................... 72
2.7.3. Đo điện áp hồi phục (return voltage) ................................................................ 73
2.7.4. Đo điện trở cách điện ........................................................................................ 73
2.7.5. Đo chỉ số phân cực ............................................................................................ 73
2.7.6. Đo tổn hao điện mơi tanδ .................................................................................. 73
2.7.7. Đo phóng điện cục bộ (Partial Discharge) ....................................................... 75
2.8. Chẩn đoán khi đang hoạt động “on-line”.................................................................. 75
2.8.1. Đo phóng điện cục bộ (PD) “on-line” .............................................................. 76
2.8.2. Thí nghiệm phát hiện sự cố bằng siêu âm và âm thanh ..................................... 76
2.8.3. Đo và phân tích nhiệt độ của cách điện bằng hồng ngoại ................................ 76
2.9. Phương pháp đo dòng phân cực và khử phân cực .................................................... 77
2.9.1. Sự phân cực trong điện môi rắn ........................................................................ 77
2.9.1.1. Phân cực dưới tác dụng của điện trường tĩnh ............................................. 77
2.9.1.2. Các dạng phân cực ...................................................................................... 77
2.9.1.3. Sự phân cực lưỡng cực theo thời gian ........................................................ 79
2.9.2. Sự dẫn điện trong điện mơi rắn ......................................................................... 81
2.9.3. Q trình khử phân cực trong điện môi............................................................. 83
2.10. Phương pháp đo phổ điện môi ................................................................................ 85
2.11. Kết luận chương 2................................................................................................... 86

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH ...........................88
3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................. 88
3.2. Sơ đồ thí nghiệm ....................................................................................................... 89

3.2.1. Sơ đồ đo dòng phân cực và khử phân cực. ........................................................ 89
3.2.2. Sơ đồ đo phổ điện môi ....................................................................................... 90


7

3.3.3. Sơ đồ đo điện trở suất ........................................................................................ 91
3.3. Thiết bị thí nghiệm và đo lường ............................................................................... 92
3.4. Kết quả thực nghiệm và phân tích ............................................................................ 93
3.4.1. Q trình chọn và gia công các mẫu thử........................................................... 93
3.4.2. Tác động của nhiệt độ........................................................................................ 95
3.4.3. Tác động của độ dày........................................................................................ 102
3.5.

Nhận xét ............................................................................................................. 104

3.6. Kết quả đo đạc thực nghiệm ................................................................................... 105
3.6.1. Đo điện trở suất ............................................................................................... 105
3.6.2. Đo đặc tính điện mơi........................................................................................ 106
3.6.2.1. Góc tổn hao điện mơi (tanδ) ..................................................................... 107
3.6.2.2. Hằng số điện môi tương đối ε’ và hệ số tổn hao điện môi ε’’ .................. 111
3.6.3. Tác động của độ dày........................................................................................ 123
3.6.4. Tác động của nhiệt độ ...................................................................................... 130
3.6.4.1. Kết quả thực nghiệm và phân tích ............................................................ 130
3.6.4.2. Nhận xét .................................................................................................... 138
3.7. Kết luận chương 3................................................................................................... 138

CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN ...................................................................................140
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ......................142
TÀI LIỆU THAM KHẢO:...................................................................................144

PHỤ LỤC 1: ĐẶC TÍNH KỸ THUẬT CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ........151
PHỤ LỤC 2: CÁC BIÊN BẢN THÍ NGHIỆM PHỤC VỤ LUẬN ÁN............153


8

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VLC : vật liệu cách điện composite.
MBA : máy biến áp điện lực.
GIS : Gas Insulated Substation - trạm biến áp cách điện khí.
PD : Partial Discharge – Phóng điện cục bộ.
FRA : Frequence Response Analysis - Phân tích đáp ứng tần số.
Breakdown : phóng điện chọc thủng.
FSDM : Frequence Spectroscopy Dielectric Method - phương pháp phổ điện môi
theo miền tần số.
AEM: Accelerated Experiment Method: phương pháp thí nghiệm lão hóa tăng tốc.
RVM : Response Voltage Measurement - đo điện áp phục hồi.
PDC : Polarisation and Depolarisation Current - đo dòng phân cực và khử phân cực.
MP : mơ hình Maggana – Pissis.
LFD : Low Frequency Dispersion - phân tán ở tần số thấp.
A/D : Analog Digital - chuyển đổi tương tự/số.
DP : Degree Polymer - độ polymer hóa
ISO (International Organnization for Standardization): Tổ chức Quốc tế về Tiêu
chuẩn hóa.
ASTM: American Society for Testing and Materials-Hiệp hội vật liệu và thử
nghiệm Hoa Kỳ.
IEC (International Electrotechnical Commission): Uỷ ban Kỹ thuật Điện Quốc tế.
TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam.

9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Thành phần hoá học của một vài loại sợi thuỷ tinh.
Bảng 1.2: Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp điển hình
Bảng 1.3: Tính chất của một số loại sơn cách điện.
Bảng 1.4: Các đặc tính cơ của một số loại xơ hữu cơ.
Bảng 1.5: Đặc tính kỹ thuật cơ tính và tỷ trọng của sợi thủy tinh loại E
Bảng 3.1: Hàm lượng nước ngấm vào mẫu thử tương ứng với thời gian ngâm tại 3 mức
nhiệt độ khác nhau.
Bảng 3.2: Hệ số tính toán ở 3 mức nhiệt độ.
Bảng 3.3: Các tham số điều chỉnh của 2 phương thức khuyếch tán trong mô hình MP.
Bảng 3.4: Giá trị đo đạc góc tổn hao điện môi tanδ của vật liệu khô (m=0%).
Bảng 3.5: Giá trị đo tanδ của vật liệu với hàm lượng nước (m=0,08; 0,12; 0,15%).
Bảng 3.6: Giá trị đo tanδ của vật liệu với hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà).
Bảng 3.7: Các tham số tính theo mơ hình Fouss-Kirkwood khi hệ số tổn hao được phân
tích làm ba thành phần tổn hao.
Bảng 3.8: Giá trị đo hằng số điện môi tương đối ε’ và hệ số tổn hao điện môi ε’’ của vật
liệu với hàm lượng nước (m=0,08; 0,12; 0,15%).
Bảng 3.9: Giá trị đo hằng số điện môi tương đối ε’ và hệ số tổn hao điện môi ε’’ của vật
liệu với hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà).


10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1: Vùng tiếp giáp giữa các thành phần của VLC nhìn dưới kính hiển vi lực ngun tử
(kích thước 10µm và 50µm).
Hình 2: Ảnh hưởng của nước lên mặt tiếp giáp của vật liệu composite.
Hình 1.1: Mơ tả góc tổn hao điện mơi.

Hình 1.2: Lớp vật liệu composite.
Hình 1.3 : Vật liệu composite lớp.
Hình 1.4 : Mơ hình của vật liệu composite lớp.
Hình 1.5: Mơ hình đóng rắn của nhựa epoxy.
Hình 1.6: Sợi thuỷ tinh quan sát dưới kính hiển vi điện tử.
Hình 1.7: Mặt cắt của một hệ thống cách điện trong MBA giữa cuộn dây cao áp và hạ áp.
Hình 2.1: Lượng nước hoà tan cực đại trong dầu theo nhiệt độ.
Hình 2.2 : Mơ tả lý thuyết về dung tích trống.
Hình 2.3 : Mơ tả lý thuyết về phân tử.
Hình 2.4 : Cơ chế nhảy của phân tử nước trong ma trận của vật liệu.
Hình 2.5: Mơ tả sự thay đổi động học khuyếch tán của nước vào vật liệu.
Hình 2.6: Đồ thị vectơ dịng và áp của điện mơi.
Hình 2.7: Các cơ chế phân cực và sự thay đổi của hằng số điện môi theo tần số. pe: phân
cực điện tử, pa: nguyên tử, po: phân cực lưỡng cực và pi: phân cực kết cấu.
Hình 2.8: Phân cực theo thời gian dưới tác dụng của điện trường tĩnh.
Hình 2.9: Biến thiên của dòng điện dưới tác dụng của điện trường.
Hình 2.10: Hình dạng của dịng khử phân cực.
Hình 2.10a: Hình dạng của dịng khử phân cực.
Hình 2.11: Mơ hình cơ bản của chất cách điện và biểu diễn vectơ.
Hình 3.1: Nguyên lý cơ bản đo dòng phân cực và khử phân cực.
Hình 3.1a: Nguyên lý làm việc của máy đo dịng phân cực và khử phân cực.
Hình 3.2: Sơ đồ ngun lý đo phổ điện mơi.
Hình 3.3: Sơ đồ để xác định điện trở suất khối và điện trở suất mặt của vật liệu.
Hình 3.4: Hợp bộ thiết bị thí nghiệm đo đặc tính điện mơi của vật liệu.
Hình 3.5: Các mẫu gia công để đo đạc cơ chế của việc khuyếch tán nước.
Hình 3.6: Mơ hình thí nghiệm để đo đạc cơ chế của việc khuyếch tán nước vào VLC.
Hình 3.7: Cơ chế quá trình khuyếch tán nước của 3 mẫu thử chiều dày 1mm tại nhiệt độ
550C, 850C, 980C và so sánh với định luật Fick.
Hình 3.8: Cơ chế khuyếch tán nước của vật liệu với các thời điểm đầu lúc ngâm.
Hình 3.9: Hệ số khuyếch tán D trong biểu đồ Arrhenius.

Hình 3.10: Biến đổi của 2 phương thức và đóng góp của chúng vào tiến trình khuyếch tán
tổng thể ở 550C.
Hình 3.11: Biến đổi của 2 phương thức khuyếch tán và đóng góp của chúng vào tiến trình
tổng thể ở 85°C.
Hình 3.12: Biến đổi của 2 phương thức khuyếch tán và đóng góp của chúng vào tiến trình
tổng thể ở 98°C.
Hình 3.13: Biểu đồ Arrhenius của hệ số khuyếch tán trong 2 phương thức khuyếch tán.
Hình 3.14: Cơ chế quá trình khuyếch tán nước vào mẫu VLC ở nhiệt độ 850C với 3 độ dày
khác nhau.
Hình 3.15: Điện trở suất đo ở thời gian 16 phút theo hàm lượng nước trong vật liệu.
Hình 3.16 : Đặc tính của góc tổn hao điện mơi tanδ của mẩu thử khô (m=0%).


11

Hình 3.16a: Tanδ theo tần số tại điện trường khác nhau (mẫu thử khơ).
Hình 3.17: Tác động của hàm lượng nước tới 0,15% lên tanδ (m=0; 0,08; 0,12 và 0,15%).
Hình 3.17a: tanδ theo tần số tại điện trường khác nhau (mẫu có hàm lượng nước 0,08%).
Hình 3.18: Tác động của hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà) đối với tanδ.
Hình 3.19: Đặc tính của ε’ và ε’’ của vật liệu khơ (m=0%).
Hình 3.20: Tác động của hàm lượng nước tới 0,15% lên ε’ và ε’’của vật liệu (m=0; 0,08;
0,12 và 0,15%).
Hình 3.21: Tác động của hàm lượng nước (cho tới khi bão hoà) đối với ε’ và ε’’ của vật
liệu.
Hình 3.22: Tác động của hàm lượng nước (cho tới khi bão hồ) đối với ε’’ của vật liệu.
Hình 3.23: Tác động của hàm lượng nước ở tần số 50Hz.
Hình 3.24a: Tác động của hàm lượng nước lên hằng số điện mơi ε’ của mẫu thử 1mm.
Hình 3.24b: Tác động của hàm lượng nước lên ε’’ của mẫu thử 1mm.
Hình 3.25a: Tác động của độ dày lên hằng số điện mơi ε’ của mẫu thử khơ.
Hình 3.25b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử khơ.

Hình 3.26a: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’ của mẫu thử 0,08%.
Hình 3.26b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện mơi ε’’ của mẫu thử 0,08%.
Hình 3.27a: Tác động của độ dày lên hằng số điện mơi ε’ của mẫu thử 0,12%.
Hình 3.27b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử 0,12%.
Hình 3.28a: Tác động của độ dày lên hằng số điện mơi ε’ của mẫu thử 0,15%.
Hình 3.28b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện mơi ε’’ của mẫu thử 0,15%.
Hình 3.29a: Tác động của độ dày lên hằng số điện môi ε’ của mẫu thử 0,40%.
Hình 3.29b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ của mẫu thử 0,40%.
Hình 3.30a: Tác động của độ dày lên hằng số điện mơi ε’ của mẫu thử 0,96%.
Hình 3.30b: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện mơi ε’’ của mẫu thử 0,96%.
Hình 3.31: Tác động của độ dày lên hằng số điện môi ε’ ở tần số 50Hz.
Hình 3.32: Tác động của độ dày lên hệ số tổn hao điện mơi ε’’ ở tần số 50Hz.
Hình 3.33: Tác động của nhiệt độ lên hằng số điện mơi ε’, mẫu thử khơ.
Hình 3.34: Tác động của nhiệt độ lên hệ số tổn hao điện môi ε’’, mẫu thử khơ.
Hình 3.35: Biểu đồ Arrhenius về tần số xuất hiện giá trị đỉnh của ε’’ (mẫu thử khơ).
Hình 3.36: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’với hàm lượng nước m=0,08%.
Hình 3.37: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,08%.
Hình 3.38: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ với hàm lượng nước m=0,15%
Hình 3.39: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,15%.
Hình 3.40: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ với hàm lượng nước m=0,62%
Hình 3.41: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,62%.
Hình 3.42: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ với hàm lượng nước m=0,96%
Hình 3.43: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε’’ với hàm lượng nước m=0,96%.
Hình 3.44: Ảnh hưởng nhiệt độ lên hằng số điện mơi ε’ khi mẫu thử bão hồ.
Hình 3.45: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ số tổn hao điện mơi ε’’ khi mẫu thử bão hồ.
Hình 3.46: Tác động của nhiệt độ lên hằng số điện môi ε’ ở 50Hz.
Hình 3.47: Tác động của nhiệt độ lên hệ số tổn hao điện môi ε’’ ở 50Hz.


12

MỞ ĐẦU
1. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Vật liệu composite là loại vật liệu mới ngày càng được ứng dụng rộng rãi
trong các ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng
khơng vũ trụ; đóng tàu; kỹ thuật điện; ô tô cơ khí; dầu khí; xây dựng dân dụng và
trong đời sống… nhờ kết hợp được các đặc tính cơ học và vật lý học mà bình
thường khơng thể có được với một vật liệu đơn.
Vật liệu composite điển hình là một hệ gồm hai hoặc nhiều vật liệu khác
nhau với các tính chất hỗ trợ cho nhau. Việc sử dụng vật liệu composite trong máy
biến áp ở các nước và Việt Nam là tương tự nhau. Trong ngành kỹ thuật điện cao áp
vật liệu cách điện composite được sử dụng rộng rãi là bakelit (giấy tẩm nhựa
phenoformaldehyt) làm các ống cách điện trong máy biến áp, vách ngăn trong các
buồng dập hồ quang…. Ngày nay một loại cách điện composite khác với thành
phần là nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh được sử dụng khá thông dụng làm các vách
ngăn trong máy biến áp, lõi của cách điện thanh của đường dây tải điện trên
không,…. Loại vật liệu sợi thủy tinh gia cường bằng nhựa epoxy tạo ra vật liệu
composite có những tính chất cách điện rất tốt (góc tổn hao điện môi nhỏ, điện trở
suất lớn), khả năng chịu phóng điện tốt và tăng cường tính chất cơ của vật liệu, khối
lượng nhẹ, chịu mài mòn, giá thành hạ, dễ thiết kế chế tạo, kích thước và hình dáng
đa dạng ... . Loại vật liệu composite này được sử dụng rộng rãi làm cách điện cao áp
như: cách điện xuyên trong trạm biến áp và cách điện đường dây [3], [71], cách
điện trong máy biến áp [4], [10], [58], vách ngăn trong các trạm phân phối kiểu GIS
(Gas Insulated Substation) [52], cách điện stator của máy điện quay [34], [58],
[100].
Tuy nhiên, do đặc tính composite vùng tiếp giáp [14] giữa các thành phần
luôn là vùng xung yếu do liên kết hoá học và kết cấu vật lý ở vùng này không ổn
định bằng liên kết trong bản thân từng thành phần (hình 1). Vì vậy, trong quá trình
vận hành, điều kiện làm việc các kết cấu thường xuyên chịu tác động khắc nghiệt
của nhiều tác nhân như : điện, cơ học, hóa học, nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết và môi

13

trường thay đổi làm cho các thành phần của vật liệu bị già hoá; đặc biệt là khi chịu
tác dụng của môi trường như : nhiệt và nước làm cho liên kết giữa các thành phần
tại lớp tiếp giáp bị suy yếu. Khi hấp thụ một vài phần trăm khối lượng nước, các đặc
tính điện mơi bị suy giảm mạnh: điện trở suất giảm, hằng số điện môi và tổn hao
tăng và có thể dẫn tới hiện tượng phóng điện chọc thủng (breakdown) [52].
Vì phân tử nước rất nhỏ, nó có thể dễ dàng xâm nhập vào trong vật liệu
thơng qua hiện tượng khuyếch tán, sẽ tác động mạnh lên phản ứng hoá học giữa
nhựa epoxy và nước [43], [100]. Ngoài ra, với vật liệu cách điện dùng làm tấm chắn
và thanh chèn trong máy biến áp, trong quá trình vận hành còn chịu tác động bởi
điện trường xoay chiều tần số 50Hz và tổn hao lõi từ do dòng điện chạy trong dây
quấn của máy biến áp, từ trường trong lõi thép sẽ sinh ra các tổn hao công suất và
biến thành nhiệt làm nóng các chi tiết của máy biến áp.

Hình 1: Vùng tiếp giáp giữa các thành phần của vật liệu composite nhìn dưới
kính hiển vi lực ngun tử (kích thước 10µm và 50µm).
Trong q trình vận hành, vật liệu nghiên cứu sẽ bị lão hóa và dẫn đến các
đặc tính cách điện của điện mơi bị suy giảm mạnh. Các tấm chắn và thanh chèn này
bị ngấm ẩm với các hàm lượng nước khác nhau được đem ra để phân tích. Nhiều
vấn đề được đặt ra từ kết quả này: đâu là cơ chế động học của việc khuyếch tán
nước vào trong vật liệu này, có tồn tại mối liên hệ giữa việc có nước và hiện tượng
lão hóa (suy giảm) cách điện hay khơng?


14

1.1. Mục đích nghiên cứu

Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu áp dụng một phương pháp
thí nghiệm hiện đại: phương pháp phổ điện môi trên miền tần số (FSDM) để xác
định các đặc tính điện mơi của vật liệu cách điện như: hằng số điện môi tương đối
(ε’), hệ số tổn hao điện mơi (ε’’), góc tổn hao điện môi (tanδ), điện trở cách điện,
điện trở suất khối, điện trở suất mặt trong điều kiện tại Việt Nam, xác định sự
khuếch tán của nước trong VLC khi bị tác động bởi các yếu tố nhiệt độ - độ ẩm cao
và hậu quả của nó lên tính chất điện môi của vật liệu. Những dữ liệu này rất quan
trọng vì nó khơng chỉ cung cấp các thơng tin cơ bản về cơ chế gây lão hoá của vật
liệu, ứng dụng để cải thiện nó trong q trình sản xuất mà cịn có những đóng góp
thiết thực cho việc chẩn đoán sớm hiện tượng lão hoá hay xác định ngưỡng lão hố
(critical state) để có biện pháp xử lý hay thay thế vật liệu kịp thời.
1.2. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu
a) Đối tượng nghiên cứu: là vật liệu cách điện thuộc họ composite epoxy,
được sử dụng làm cách điện trong chế tạo máy biến áp tại Công ty cổ phần chế tạo
thiết bị điện Đông Anh.
b) Phương pháp nghiên cứu: là các phương pháp thí nghiệm chẩn đốn
cách điện nói chung (phương pháp thí nghiệm lão hóa tăng tốc-Accelerated
Experiment Method-AEM; Phương pháp ngâm tẩm trong nước đã được xây dựng
với các thông số phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam), phương pháp phổ
điện mơi nói riêng cùng với phương pháp phân tích dịng phân cực và khử phân cực
được tích hợp trong thiết bị đo có tên (phân tích hàm lượng nước trong cách điện
rắn - DIRANA) và áp dụng cho đối tượng cụ thể là cách điện rắn sử dụng trong máy
biến áp điện lực (MBA) chế tạo tại Việt Nam.
c) Phạm vi nghiên cứu: bao gồm phân tích, so sánh các phương pháp để lựa
chọn phương pháp phổ điện môi trong việc xác định các đặc tính điện mơi của cách
điện; Cơ chế c ũng như mơ hình tốn học của quá trình khuyếch tán nước vào trong
VLC nhằm xác định hàm lượng nước bão hòa, thời gian vật liệu bị bão hòa nước và


15

để xác định các đặc tính điện mơi theo thời gian ngấm nước của cách điện trong
điều kiện tại Việt Nam. Luận án cũng đã phân tích, đánh giá quá trình suy giảm
cách điện dưới tác động của nhiệt độ và độ ẩm cao.
2. Lý do chọn đề tài
2.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước.
Nghiên cứu vấn đề lão hố của vật liệu composite tiến tới giải thích cơ chế
dẫn đến phóng điện chọc thủng đã được tiến hành tại nhiều cơ sở nghiên cứu và các
trường đại học trên thế giới. Đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu về vật liệu cách
điện composite đặc biệt là quá trình lão hoá và phá huỷ vật liệu (sự xâm nhập của
điện tích làm thay đổi phân bố trường, sự hình thành phóng điện cục bộ và hình
thành cây điện - electrical treeing) [53], [70], [81], [83].

mặt tiếp
giáp bị ẩm

Chất
độn
vô cơ

hình thành vết
phồn g rộp giữa
mặt tiếp giáp
vật liệu
composit
các liên
kết bị ®øt

Hình 2: Ảnh hưởng của nước lên mặt tiếp giáp của vật liệu composite
Nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng nước và nhiệt độ tới đặc tính điện mơi của vật

liệu composite, trên nhựa epoxy tinh khiết [59] và vật liệu composite nền nhựa
epoxy cốt sợi thủy tinh và mica [14], [20], [46], [54], [60], [67], [100]. Mặc dù vậy,
bản chất của q trình lão hóa vẫn chưa được hiểu biết một cách cặn kẽ. Do đó vẫn
chưa tìm ra được giải pháp hữu hiệu để chống lại quá trình lão hóa của VLC do tác
động của nước. Do điều kiện vận hành của các thiết bị điện cao áp mà các nghiên


16

cứu này thường xét đến sự ảnh hưởng của điện trường và nhiệt độ lên cách điện
[43]. Các tác nhân lão hố thường được mơ phỏng để nghiên cứu là lão hoá bởi điện
trường [82] bằng cách tác dụng lên vật liệu một số lần điện áp xung với giá trị cực
đại khoảng vài chục kV/mm [76], và tác dụng nhiệt độ [100] …
Đối với ảnh hưởng của độ ẩm thì các nghiên cứu chưa được đề cập đến nhiều
do đặc thù khí hậu của các nước này là khơ và độ ẩm thấp. Nội dung chủ yếu của
các nghiên cứu này là xét đến sự ảnh hưởng và tác động của nước lên mặt tiếp giáp
(hình 2) [4], [33], [77] làm suy giảm đặc tính cơ học, lý học và hoá học của vật liệu
composite trong điều kiện vận hành như : làm mát bằng nước [45], [58], [100], do
nước mưa [43], [71].
Như vậy có thể nhận thấy rằng : hạn chế của các nghiên cứu trên đến nay là
chỉ xét đến ảnh hưởng của điện trường và nhiệt độ hoặc sự xâm nhập của nước lên
mặt tiếp giáp vật liệu trong điều kiện đơn giản mà khơng có sự kết hợp của các tác
nhân như : nhiệt độ và độ ẩm cao. Mọi giải thích cho cơ chế lão hoá đến nay vẫn
chưa được sáng tỏ rõ ràng. Đây là vấn đề khoa học mà đề tài của nghiên cứu sinh sẽ
tiến hành nghiên cứu.
2.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, trong điều kiện hiện nay nhiều thiết bị điện cao áp (máy biến
áp, máy phát điện …) có cách điện bằng vật liệu composite : vách ngăn trong các
thiết bị đóng cắt khí, cách điện của stator máy điện quay, đường dây truyền tải,…
đã bắt đầu được sử dụng rộng rãi. Hầu hết các thiết bị này đến nay chủ yếu vẫn

được nhập từ nước ngoài. Tuy nhiên việc sử dụng vật liệu composite trong các thiết
bị với điều kiện của một nước nhiệt đới khí hậu nóng ẩm của Việt Nam thì chưa
được quan tâm.
Các cơ sở sản xuất chế tạo, trung tu, đại tu và thí nghiệm máy biến áp thường
cũng chỉ tiến hành đo đạc và kiểm tra một số các thông số như:
- Đo điện trở cách điện của máy biến áp.
- Đo đặc tính điện mơi (góc tổn hao - tanδ) ở tần số 50Hz.


17

- Đo điện dung C2/C 50 của máy biến áp.
- Thí nghiệm điện áp chịu đựng tăng cao tần số 50Hz theo thời gian.…
Ngoài các phép đo và kiểm tra trên, chúng ta chưa nhận thấy có nghiên cứu
nào đề cập tới bản chất của việc khi các kết quả đo thay đổi theo thời gian vận hành
hay chính là q trình lão hố của cách điện.
Với mục đích kiểm tra dự phòng cách điện và dự báo tuổi thọ của máy biến
áp, giúp cơng tác bảo trì, bảo dưỡng các thiết bị cao áp, nâng cao, kéo dài tuổi thọ
phương pháp phổ điện môi trên miền tần số (Frequence Spectroscopy Dielectric
Method - FSDM) là một phương pháp hiện đại khơng phá huỷ cách điện có độ nhạy
cao giúp chẩn đốn các tính chất cách điện của vật liệu khi lão hố, có thể triển khai
nhanh tại phịng thí nghiệm hay tại hiện trường [91], [100] và thậm chí có khả n ăng
cung cấp thông tin trực tuyến (online) về tình trạng hiện thời của vật liệu.
Về tình hình sử dụng VLC ở Việt Nam hiện nay, một số chủng loại VLC đã
được sử dụng trong công nghiệp tuy số lượng chưa nhiều nhưng tốc độ ngày một
tăng rất nhanh. Nhiều cơ sở nghiên cứu trong nước đã tập trung đầu tư, nghiên cứu
và triển khai ứng dụng vật liệu mới phục vụ cơng nghiệp quốc phịng, cơng nghiệp
dân sinh và đã đạt được một số thành tựu như: cách điện trong của máy biến áp
(Công ty cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh), công sự và lô cốt ngầm, vòm
chứa máy bay, bể chứa, ống dẫn nước thải bằng vật liệu composite nền nhựa

(Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội); xuồng máy, dụng cụ gia đình (Viện Khoa
Học Việt Nam); nhà lắp ghép, tàu xuồng (Viện nghiên cứu vật liệu mới – TP.HCM)
và một số sản phẩm khác của một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất khác trong nước.
Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Điện cao áp (thuộc Viện Năng
lượng – Bộ Công Thương), đang được tiến hành xây dựng và sẽ đưa vào hoạt động
trong thời gian tới với các hệ thống thiết bị thử nghiệm hiện đại có cấp điện áp cao,
cơng suất lớn, điều kiện mơi trường như phịng tạo môi trường, sẽ là cơ sở nghiên
cứu mạnh về vật liệu cách điện và thiết bị điện cao áp, nhiều nghiên cứu, nhiều thí
nghiệm, đối tượng thử nghiệm sẽ lần đầu tiên được thực hiện ở Việt Nam.


18

Vì vậy, hướng nghiên cứu của đề tài cũng tập trung vào vật liệu cách điện đã
và sẽ được sử d ụng ở Việt Nam, trong đó có vật liệu cách điện composite nền nhựa
epoxy cốt sợi thủy tinh. Độ bền cách điện và tuổi thọ của các kết cấu composite phụ
thuộc vào các vật liệu thành phần, phương pháp gia công, tải trọng tác dụng, môi
trường làm việc ... Vì vậy, tuổi thọ và q trình lão hố của vật liệu cách điện
composite cũng chưa được đề cập tới và nghiên cứu cụ thể.
Số lượng các cơng trình nghiên cứu về lĩnh vực này chưa nhiều, đặc biệt là
các nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường nhiệt độ và độ ẩm cao đến vật liệu
cách điện composite còn rất ít. Xuất phát từ những lí do trên, đề tài nghiên cứu của
luận án được hình thành. Tác giả hy vọng rằng kết quả của luận án sẽ có tác dụng và
lợi ích ít nhiều phục vụ cho việc khai thác hiệu quả phịng thí nghiệm trọng điểm
quốc gia về Điện cao áp, phục vụ cho các nhà nghiên cứu cũng như các cơ sở sản
xuất trong nước trong lĩnh vực cách điện composite và ứng dụng vật liệu mới đang
trên đà phát triển nhanh như hiện nay ở Việt Nam.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
3.1. Ý nghĩa khoa học
a) Luận án đã nghiên cứu áp dụng phương pháp phổ điện môi trong miền tần số một phương pháp hiện đại đã được sử dụng trên thế giới nhưng lần đầu tiên được áp

dụng tại Việt Nam để đo đạc xác định các đặc tính điện mơi của cách điện (góc tổn
hao điện mơi tanδ, hằng số điện môi tương đối ε’, hệ số tổn hao điện môi ε’’) trong
các trường hợp đặc biệt: có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm cao.
b) Luận án đã xây dựng được mơ hình thí nghiệm lão hóa tăng tốc với các thơng số
phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam. Tại phịng thí nghiệm, các mẫu thử có
cấu trúc khác nhau với những điều kiện lão hoá khác nhau sẽ được phân tích theo
các khía cạnh tác động mơi trường xung quanh như: nhiệt độ và độ ẩm cao.
c) Luận án đã chỉ ra rằng, cơ chế phân cực ở lớp tiếp giáp khơng thể giải thích tồn
vẹn được vấn đề, mà cơ chế phân cực điện cực mới là nguyên nhân chính gây nên
sự tăng cao của hằng số điện môi tương đối ε’ và chỉ số tổn hao điện môi ε’’ ở tần


19

số thấp. Chỉ số ε’’ đặc biệt nhạy với hàm lượng nước trong vật liệu trên toàn miền
tần số và là chỉ số tin cậy để đánh giá tình trạng cách điện.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
a) Đề tài được đặt ra xuất phát từ nhu cầu thực tế trong công tác thiết kế, chế tạo các
thiết bị điện cao áp nói chung và máy biến áp nói riêng tại Việt Nam.
b) Phịng thí nghiệm trọng điểm quốc gia về Điện cao áp (thuộc Viện Năng lượng –
Bộ Công Thương), đã được xây dựng với các hệ thống thiết bị thử nghiệm có cấp
điện áp, cơng suất, phịng tạo mơi trường phục vụ nghiên cứu và các đối tượng thử
nghiệm lần đầu tiên được trang bị ở nước ta. Các thiết bị cũng như phịng tạo mơi
trường thử nghiệm phục vụ cho nghiên cứu về vật liệu cách điện đã được trang bị
tương đối đầy đủ. Vì vậy, hướng nghiên cứu cũng như tên đề tài sẽ nhằm vào vật
liệu mới mà cụ thể là VLC nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh.
Do đó kết quả của luận án có ý nghĩa ứng dụng thiết thực trong công việc
chế tạo cũng như vận hành bảo dưỡng MBA tại Việt Nam nói chung và tại Công ty
cổ phần chế tạo thiết bị điện Đơng Anh nói riêng.
4. Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên tính chất điện mơi của vật
liệu cách điện composite dùng trong máy biến áp điện lực.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu của luận án
Trong chương đầu tiên, luận án sẽ giới thiệu tổng quan và tình hình nghiên
cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh dùng làm cách điện trong
các thiết bị điện cao áp nói chung và trong máy biến áp nói riêng. Các tính chất điện
mơi của vật liệu cách điện, cấu tạo và tính chất của vật liệu composite cũng được
nghiên cứu và phân tích rất đầy đủ.
Trong chương 2 luận án xây dựng mô hình thí nghiệm lão hóa tăng tốc
(Accelerated Experiment Method) và các phương pháp thí nghiệm với các thơng số
phù hợp với điều kiện vận hành tại Việt Nam để kiểm soát và định lượng sự xuống
cấp của vật liệu. Nghiên cứu lý thuyết và các phương pháp thí nghiệm quá trình


20

khuyếch tán nước vào trong vật liệu. Nhiều tham số ảnh hưởng đến sự khuếch tán
của nước sẽ được xem xét như : nhiệt độ, độ ẩm cao và độ dày. Các cơ chế khuếch
tán của nước vào vật liệu composite cũng sẽ được phân tích cụ thể và chi tiết.
Các phương pháp thí nghiệm chẩn đốn bắt buộc sẽ được thực hiện để đánh
giá sự xuống cấp của vật liệu cách điện cũng được thực hiện trong chương này. Mỗi
loại phương pháp thí nghiệm chẩn đốn đều có các ưu và nhược điểm riêng. Tuy
nhiên việc kết hợp các thí nghiệm này sẽ cho chúng ta biết được khá rõ bức tranh về
tình trạng nhiễm ẩm, nhiễm bẩn của cách điện rắn. Trong số các phương pháp chẩn
đoán, phương pháp phổ điện môi tần số thấp đã thu được thành công lớn trên thế
giới trong những năm gần đây bởi vì phương pháp này đặc biệt hiệu quả với các vật
liệu hỗn hợp bị lão hoá. Luận án cũng sẽ cho thấy tính hiệu quả của phương pháp
phổ điện môi trên miền tần số (Frequence Spectroscopy Dielectric Method-FSDM)
và phương pháp này lần đầu tiên được đưa vào áp dụng tại Việt Nam.
Chương 3 sẽ khai thác các kết quả đạt được trong chương 2. Áp dụng phương

pháp phổ điện môi trong miền tần số. Lần đầu tiên tại Việt Nam đã đo đạc xác định
được các đặc tính điện môi của cách điện như : hằng số điện môi tương đối ε’, hệ số
tổn hao điện môi ε’’ và góc tổn hao điện mơi tanδ trong dải tần số 10-3 Hz đến 103 Hz
trong các trường hợp đặc biệt: có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm cao.
Cụ thể các nội dung nghiên cứu của luận án như sau:
5.1. Tổng quan và tình hình nghiên cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy
dùng làm cách điện trong các thiết bị điện cao áp.
5.2. Nghiên cứu lý thuyết và phương pháp thí nghiệm q trình khuyếch tán
nước vào vật liệu cách điện composite.
5.3. Kết quả thực nghiệm đo đạc và phân tích.
5.4. Kết luận.


21

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ VLC VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VLC
NỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP
1.1. Các tính chất điện mơi của vật liệu cách điện
Điện môi (dielectric) là tất cả các vật liệu có khả năng phân cực dưới tác dụng
của điện trường bên ngoài, tồn tại ở ba trạng thái [10]: khí, lỏng, rắn. Khi đặt vào
trong điện trường, các hiện tượng vật lý cơ bản xảy ra trong điện môi là dẫn điện
(đặc trưng bởi điện dẫn suất γ hoặc điện trở suất ρ); phân cực (đặc trưng bởi hằng số
điện môi tương đối εr); tổn hao điện môi (đặc trưng bởi tang của góc tổn hao điện
mơi tanδ); hiện tượng đánh thủng điện (đặc trưng bởi độ bền cách điện hay cường
độ điện trường đánh thủng (Eđt) và thay đổi các đặc tính cơ – lý – hóa – điện dẫn
đến lão hóa.
Vật liệu cách điện là các điện mơi có các tính chất cách điện tốt, đáp ứng u
cầu dùng làm cách điện. Các tính chất điện mơi (tính chất cách điện) của vật liệu
đều phụ thuộc vào điều kiện môi trường làm việc : nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện
trường, tia sóng ngắn, tần số của điện trường, dao động cơ học….

1.1.1. Điện dẫn (conduction)
Vật liệu cách điện rắn có rất nhiều và đa dạng về thành phần hoá học cấu
trúc, về độ sạch và tạp chất... Trong vật liệu cách điện rắn các phần tử bị ràng buộc
vào điểm nút, chúng chỉ có thể dao động quanh vị trí cân bằng này. Q trình
chuyển dịch của các phần tử từ vị trí này đến vị trí khác rất khó khăn [10].
Khi đặt vật liệu cách điện trong điện trường, trong điện môi của vật liệu cách
điện xuất hiện sự di chuyển các điện tích tự do tạo thành dịng đ iện có trị số nhỏ
chạy từ bản cực này sang bản cực khác. Hiện tượng này gọi là hiện tượng dẫn điện
của điện môi.
Điện dẫn suất của vật liệu cách điện rắn rất khác nhau, khơng những bởi loại
vật liệu cách điện mà cịn bởi thành phần tạp chất và điều kiện làm việc của chúng.
Trong điện môi rắn tồn tại các điện tử tự do và các ion của bản thân điện môi
hay của các tạp chất. Do vậy điện dẫn của vật liệu cách điện rắn có thể là điện dẫn


22

điện tử, điện dẫn ion hay tổng hợp của hai loại điện dẫn này. Các điện tích tự do cịn
tồn tại trên bề mặt điện môi nhất là khi bụi, ẩm bám trên bề mặt của vật liệu cách
điện rắn.
Đối với vật liệu cách điện rắn có hai khái niệm: điện trở suất khối ρv (điện
dẫn suất khối γv) và điện trở suất mặt ρs (điện dẫn suất γs).
a. Điện trở suất của vật liệu cách điện
+ Điện trở suất khối (ρv): là điện trở suất của một khối vật liệu có dạng hình
lập phương có cạnh là 1cm khi dòng điện chạy qua hai mặt đối diện. Đơn vị của ρv
là Ω.cm.

S
h

ρ v = Rv . (Ω.cm)

(1.1)

Trong đó:
Rv : điện trở của khối điện môi đo được (Ω).
S : diện tích của bản mặt điện cực (cm2 ).
h : bề dày của khối điện môi (cm).
+ Điện trở suất mặt (ρs ) là điện trở của một phần mặt vật liệu cách điện có
dạng hình vng khi dịng điện đi qua hai cạnh đối diện, đơn vị là Ω.

L
h

ρ s = Rs . (Ω)
Trong đó:
Rs :điện trở bề mặt hình vng khối điện mơi đo được (Ω).
L : bề rộng của khối điện môi (cm).
h : chiều rộng cạnh hình vng (cm).
b. Điện dẫn suất của vật liệu cách điện
+ Điện dẫn suất khối: là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất khối.

(1.2)


23

γv =

1

ρv

(

1
)
Ω.cm

(1.3)

+ Điện dẫn suất mặt: là đại lượng nghịch đảo của điện trở suất mặt.

γs =

1

1
( )
ρs Ω

(1.4)

Điện dẫn mặt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
* Bản chất vật liệu cách điện.
* Độ ẩm môi trường xung quanh
* Bề mặt vật liệu cách điện …
1.1.2. Phân cực điện môi (Polarisation)
Trong tụ điện, môi trường giữa hai điện cực là điện môi. Khi đặt lên tụ điện
một điện áp U thì trên bản cực sẽ có một điện tích q. Giữa q và U ta có quan hệ sau :

q = C.U

(1.5)

Với C : điện dung của tụ điện.
Trong đó q gồm hai thành phần : q = q0 + q’
q0 : điện tích trên bản cực của tụ điện khi điện môi bên trong tụ là chân
không.
q’ : thành phần điện tích tăng thêm trên bề mặt bản cực do q trình phân cực
ở bên trong điện mơi tạo ra.
Từ đó người ta đưa ra tỷ số giữa q0 và q, tỷ số đó gọi là hằng số điện môi tương đối.

q q0 + q '
q'
εr =
=
= 1+
≥1
q0
q0
q0

(1.6)

Suy ra : εr của bất kỳ một chất nào cũng lớn hơn 1, trừ trường hợp điện môi là chân
không εr = 1.
Hằng số điện môi tuyệt đối : ε0 =

1
( F / m)

4.π .9.10 9


24

Từ (1.5) và (1.6) ta có :ε r=

q
C
⇒ q= ε .q 0 ⇒ C.U = ε r .C 0 .U ⇒ ε r =
q0
C0

Hằng số điện môi của một chất điện mơi nào đó được xác định bằng tỷ số
giữa điện dung tụ điện có điện mơi làm bằng chất đó và điện dung của tụ điện có
cùng kích thước nhưng điện môi là chân không.
1.1.3. Tổn hao điện môi (Dielectric Loss)
Khi đặt vật liệu cách điện trong điện trường, sẽ làm cho một phần năng
lượng điện sẽ biến thành nhiệt năng, sau một thời gian làm điện môi đốt nóng lên.
Hiện tượng này gọi là hiện tượng tổn hao điện mơi.
Góc tổn hao điện mơi là góc phụ của góc lệch pha giữa dịng điện chạy trong
điện mơi và điện áp tác dụng lên điện môi. Ký hiệu là δ; với δ = 900 - ϕ (độ).
tanδ = Ir / Ic

(1.7)

Trong đó:
- Thành phần tác dụng Ir đặc trưng cho tổn hao công suất trong điện môi cùng
pha với với điện áp U (hình 1.1).
- Thành phần phản kháng Ic vượt trước điện áp 900.

I
It
Ic
δ
ϕ

Ir

U

Hình 1.1: Mơ tả góc tổn hao điện môi
1.1.4. Hiện tượng đánh thủng (Breakdown)
Ở điều kiện nhiệt độ (t0), áp suất (P), tần số (f) nhất định, điện mơi của vật
liệu cách điện có một điện áp giới hạn, nếu ta đặt vào vật liệu cách điện đó một điện


25

áp vượt quá mức chịu đựng thì sẽ xảy ra hiện tượng đánh thủng điện mơi. Khi đó
vật liệu mất tính cách điện, trở thành dẫn điện bởi một hồ quang điện nối liền hai
điện cực. Vật liệu cách điện thể khí có khả năng phục hồi tính chất cách điện sau
khi phóng điện, Nhưng đối với vật kiệu cách điện thê rắn, sau khi đã bị phóng điện,
điện áp ngưỡng chịu đựng bị giảm hắn, nếu tiếp tục cung cấp điện áp thì vật liệu
cách điện sẽ bị phong điện đánh thủng tại vị trí cũ với điện áp thấp hơn rất nhiều.
Tại vị trí phóng điện ta có thể quan sát thấy tia lửa điện hay hồ quang, có thể gây ra
nóng chảy, làm rạn nứt vật liệu cách điện hay điện cực.
Dựa vào điện áp đánh thủng (Uđt) ta xác định được độ bền điện của điện môi
Ebđ , Ebđ là khả năng chịu đựng của vật liệu cách điện khi điện áp đặt vào mà không
bị phá hủy, nó đặc trưng bằng cường độ điện trường tại điểm chọc thủng.

Ebđ = Eđt =

U đt
h

(kV/mm)

(1.8)

Trong đó:
h : bề dày vật liệu cách điện tại điểm đánh thủng (mm),
Uct : điện áp đánh thủng phụ thuộc vào h (kV).
Eđt phụ thuộc vào các yếu tố:

1.2.

-

Phụ thuộc vào bản chất của vật liệu cách điện.

-

Nhiệt độ, độ ẩm, tần số và thời gian đặt điện áp.

-

Phụ thuộc theo bề dày vật liệu cách điện.

Cấu tạo và và phân loại điện môi hữu cơ

Vật liệu hữu cơ gọi là các hợp chất của cacsbon (C) với các nguyên tố khác,

Cácbon có khả năng tạo ra một số lớn các hợp chất hóa học với nhiều loại cấu trúc
phân tử rất khác nhau. Cụ thể là cácbon tham gia vào sự tạo thành các chất có
“khung” phân tử hình chuỗi – xích, hình nhánh hoặc mạch vịng, khung ấy hoặc chỉ
gồm có các ngun tử cácbon hoặc ngồi ngun tử cácbon cịn có các ngun tố
khác dính vào giữa các ngun tử cácbon đó.
Cấu trúc phân tử có ảnh hưởng chính đến những tính chất của các chất hữu
cơ. Một số vật liệu cách điện hữu cơ thấp phân tử có số lượng nguyên tử tham gia