BÀI GIẢNG: KỸ THUẬT ĐIỆN VÀ CAO ÁP VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

VËT LIÖU C¸CH ®IÖN

VËt liÖu
c¸ch ®iÖn
thÓ khÝ

VËt liÖu
c¸ch ®iÖn
thÓ láng

VËt liÖu
c¸ch ®iÖn
thÓ r¨n


CHơNG 9

VậT LIệU CáCH đIệN THể KHí

9.2.

Giới thiệu cách điện thể khí

9.2.2

Các tính chất cơ bản

9.2.3

Các tính chất lý hoá

9.2.4

Lĩnh vực sử dụng


9.2. Giới thiệu cách điện thể khí

Để một điện môi khí có thể dùng làm vật liệu cách điện thì chỉ độ bền điện tốt
cũng cha đủ, mà còn cần phải kể đến các tính chất hoá lý khác cũng nh giá thành
và ảnh hởng sinh thái của chúng

Điện môi khí đầu tiên đợc sử dụng nh là vật liệu cách điện là không khí mà trong
thành phần cơ bản là N2 và O2

Do mật độ phân tử trong các chất khí rất thấp nên chúng có hằng số điện môi bé
nhất trong số các điện môi với điện trở suất tơng đối cao, tổn hao điện môi rất
nhỏ và đặc biệt các chất khí có đặc tính không bị già cỗi hoá.


Tuy vậy các vật liệu cách điện thể khí có độ bền điện tơng đối thấp so với các vật
liệu cách điện thể lỏng hoặc rắn

. Ví dụ độ bền điện của không khí ở điều kiện bình thờng chỉ đạt 3 MV/m, của
SF6 là 7,5MV/m tức là thấp hơn một bậc so với các chất rắn. Khi mà yêu cầu về độ
bền điện là chỉ tiêu cao nhất để lựa chọn cách điện khí, thì chỉ tiêu này có thể
đạt đợc bằng cách sử dụng khí nén ví dụ nh không khí dới áp suất 2-3 MPa, hay SF6 d
ới 0.4 MPa.

Một trong những tính chất đặc biệt của các vật liệu cách điện thể khí là khả
năng phục hồi các tính chất cách điện sau khi xaỷ ra phóng điện. Tính chất này

đợc sử dụng để chế tạo các loại máy cắt không khí hoặc máy cắt dùng SF6...

Các tính chất quan trọng khác của các chất khí là mật độ phân tử bé, hằng số
điện môi nhỏ, điện trở suất cao, góc tổn hao điện môi rất nhỏ và đặc biệt là
không biến tính theo thời gian.


Trong số các vật liệu cách điện thể khí đợc dùng đầu tiên là không khí
Không khí đợc sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện trong các thiết bị điện, trong
một số trờng hợp nó là loại cách điện chủ yếu (ví dụ cách điện của các đờng dây
tải điện trên không).
Trong các kết cấu cách điện thể rắn hoặc thể lỏng (cách điện máy biến áp, tụ
điện, cáp điện), nếu quá trình sấy tẩm không đợc kỹ sẽ còn những bọt khí
Điều đó có tác dụng không tốt vì có thể dẫn đến phóng điện cục bộ trong các bọt
khí ngay ở điện áp làm việc
Chính vì vậy trong rất nhiều trờng hợp, để hạn chế sự tồn tại của các bọt khí nh
vậy, ngời ta tiến hành sấy tẩm trong chân không
Nhợc điểm lớn nhất của không khí là độ bền điện không cao và do vậy đòi hỏi các
chất khí có các đặc tính tốt hơn tăng không ngừng.
Có nhiều chất khí có thể đợc sử dụng làm vật liệu cách điện


VậT LIệU CáCH đIệN

Vật liệu
Vật liệu
Vật liệu
cách điện
cách điện
cách điện

thể
khí
thể lỏng
các
chất
khí đơn giản nh không
khí, hydro H2, heli He,thể
oxy răn
O2
các oxit nh CO2, SO2
các hydrocarbon nh methane, ethane, propane, butane, hexane
các khí âm điện
Sulfure hexafluoride SF6 (elegaz)
Dichlorodifluoromethane CCl2F2 (Freon 12, Genetron 12)
Chlorotrifluoromethane CClF3 (Freon 13)
Carbon tetrafluoride CF4 (Freon 14)
Chlorodifluoromethane CHClF2 (Freon 22)
Hexafluoroethane CF3CF3 (Freon 116)


9.2.2

Các tính chất cơ bản

Thành
phần hoá
học

Mật độ ở
0oC và

0,1MPa
kg/m3

Không khí

N2+O2

1.2929

Hydro

H2

0.0899

0,175

2,0156

-252,8

0.51

Nitơ

N2

1.2506

0,0269

28,016

-195,8

1.00

Hexafluore lu huỳnh

SF6

6.700

0,0146

146.06

-63,8

2.90

Dichlorodifluoromethane

CCl2F2

6.33

-

120,93

-29.79

2.46

Tetrafluore methane

CF4

7.62

-

88.01

-127,96

1.06

Hexaflore ethane

C2F6

9,01

-

138,02

-78,2

2.02

Methane

CH4

0,7168

0,0325

16.04

-161,33

-

Helie

H2

0.1785

0,1423

4,0026

-268.78

0.24

Khí

Hệ số
dẫn
nhiệt,
W/m.oC

Phân tử
gam

0,0257 28,952

Độ bền
Nhiệt độ
điện so với
sôi, oC
N2

-194,0

0.94


Hằng số điện môi
Hằng số điện môi của hầu hết các chất khí đợc chấp nhận bằng 1 dù giá trị
thực của chúng lớn hơn một chút
Ví dụ r của SF6 bằng 1,002, của nitơ và tetrafluororide carbon bằng 1,0006
Hầu hết các chất khí sử dụng trong kỹ thuật điện là trung tính
Hằng số điện môi của các chất khí đợc xác định bởi phơng trình ClausiusMosotti

n e
r = 1+
o


Hằng số điện môi của chất khí

Khí

Thành
phần hoá
học

Bán
kính
phân
tử,
10-10m

Hằng số
điện môi t
ơng đối ở
tần số thấp

Hằng số
điện môi t
ơng đối ở
sóng
30mm

Hệ số
khúc xạ
ánh sáng,
n

n2

1.00035

1,00070

Helie

H2

1,12

1.000072

Hydro

H2

1,35

1.00027

1,00036

1.00014

1,00028

Oxy

O2

1,82

1,00055

1,00053

1,00027

1,00054

Nitơ

N2

1,91

1.00058

1,00059

1.00030

1,00060

Không khí

N2+O2

-

1.00059

Oxyt carbon

CO2

2,30

1.00096

1,00099

1,00050

1,00100

Hexafluore lu huỳnh

SF6

3,07

1.00191

-

1.000783

1,00157

Dichlorodifluoromethan
e

CCl2F2

-

1.0016

-

-

-

Carbon tetrafluoride

CF4

-

1.0006

-

-

-

Octaflocyclobutan

C4f8

-

1,00034

Amiak

NH3

-

1,0066

1,00058

-

1,000375

1,00075

sự phụ thuộc của hằng số điện môi vào nhiệt độ và áp suất khí liên quan đến
mật độ phân tử hay nguyên tử qua quan hệ

p
n=
kT
Hằng số điện môi của không khí có độ ẩm tơng đối % (do nớc là điện môi cực
tính mạnh, hằng số điện môi của hơi nớc có trị số cao) có thể xác đinh,theo công
thức

p h
p
r = 1 + 28 +
T
p

135

0,0039

T


p là áp suất khí, Pa
T nhiệt độ tuyệt đối của khí
ph : áp suất của hơi nớc bão hoà :

lg p h = 23,19

3816,44
T 46,13


Thµnh
phÇn ho¸
häc

0,1MPa

2MPa

4MPa

Kh«ng khÝ

N2+O2

1,00058

1,0108

1,0218

Hydro

H2

1,00058

1,0109

-

1,055

Oxyt carbon

CO2

1,00098

1,020

1,050

-

Hexafluore lu huúnh

SF6

1,0019

1,0622

-

-

KhÝ

10MPa
1,0549


Điện dẫn và tổn hao điện môi
= E với = nj.qj.àj
Điện dẫn của điện môi khí rất nhỏ trong điện trờngjyếu
J

Trong không khí ở điều kiện bình thờng

I

II

III

E

số điện tích sản sinh do quá trình ion hoá tự
nhiên nằm trong khoảng 106-108 m-3s-1
mật độ điện tích tự do của không khí 109-1010
m-3
Độ linh hoạt của các điện tích dơng (ion dơng)
à+=1,3.10-4 m/s và điện tích âm : à-= 1,8.10-4
m/s
Điện trở suất của không khí bằng 2,4.10-13 1/m.

Mật độ dòng điện bão hoà Jbh= 10-14 A/m2 với
khoảng cách d = 1cm

Điện dẫn của điện môi khí trong điện trờng mạnh tăng rất nhanh do có hiện t
ợngion hoá va chạm. Trong các loại khí nén dới áp suất cao, mật độ dòng điện
trong giai đoạn tiền phóng điện có thể đạt 10-7 A/m2
Trong các loại khí nén dới áp suất cao, mật
độ dòng điện trong giai đoạn tiền phóng
điện có thể đạt 10-7 A/m2


Tổn hao điện môi trong các chất khí rất nhỏ và chỉ xác định bởi điện dẫn.

Trong trờng có cờng độ nhỏ hơn điện trờng ion hoá va chạm, tổn hao điện môi
của các chất khí có tg xác định theo biểu thức sau

1,810
. 10
tg =
f r

Nếu lấy điện trở suất =1013m, f=50 Hz và r=1 ta có tg của không khí 3.6.10-5.

Tổn hao điện môi của SF6 giống nh của các chất khí khác rất nhỏ, ở điều kiện
bình thờng tg của nó nhỏ hơn 2.10-5.


Tổn hao điện môi trong các chất khí rất quan trọng đối với các đờng dây tải
điện cao áp và siêu cao áp.

Do vầng quang xuất hiện xung quanh dây dẫn và dòng điện dẫn, dạng tổn thất
năng lợng này có thể so sánh với tổn thất trên điện trở của dây dẫn khi làm việc
bình thờng


Độ bền điện
Quá trình phóng điện trong các chất khí đã đợc trình bày kỹ trong chơng 7
Độ bền điện cao của các chất khí phụ thuộc vào nguồn gốc, cấu tạo phân tử và
nhiều yếu tố khác
độ đồng nhất của điện trờng (kích thớc hình học, khoảng cách giữa các
điện cực...),
bản chất và trạng thái bề mặt các điện cực sử dụng để thí nghiệm
quy trình thử nghiệm, thời gian tác dụng của điện áp
điều kiện môi trờng (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm),
độ nhiễm bẩn của vật liệu (khuyết tật, tạp chất
điện áp xoay chiều, một chiều và điện áp xung
Các chất khí âm điện có độ bền điện cao hơn cả.
Các chất khí có phân tử gam càng lớn, độ bền điện càng cao. Tuy nhiên khi
phân tử gam tăng thì nhiệt độ sôi của chất khí cũng tăng. Điều này dẫn
đến các chất khí chuyển sang trạng thái lỏng ở ngay nhiệt độ bình thờng


Trong cùng điều kiện nh nhau, các chất khí có năng lợng ion hoá lớn hơn có độ bền
điện cao hơn
Chất khí
Wi, eV

H2

N2

O2

Cl2

CO2 H2O

Xe

Kr

Ar

Ne

He

15,4 15,6 12,1 11,5 13,8 12,6 12,1 14 15,8 21,6 24,6

Nếu nhiệt độ không đổi, điện áp phóng điện của các các chất khí phụ thuộc vào
tích pd (áp suất với khoảng cách giữa hai đnện cực d). - Đinh luật Pashen
Trong điện trờng đồng nhất, điện áp phóng điện của các các chất khí có điểm
cực tiểu. Trị số điện áp phóng điện bé nhất phụ thuộc vào vạt liệu điện cực (âm
cực)
Chất khí
N2
N2
H2
H2

Cathode
Pt
Na
Pt
Na

Pd, Pa.cm
100
80
166
133

Uct, V
275
200
295
175


Quá trình phóng điện trong các chất khí trong điện trơng gần đồng dựa trên
định luật Pashen đợc mô tả dới dạng định luật đồng dạng về phóng điện
Uct = f(pd, R/r)


Điện áp phóng điện của các chất khí trong khoảng tích pd = 100 Pa.cm có thể xác
định bởi biểu thức sau

p
pd
U ct = a0 d + b0

p0
p0
p là áp suất khí, Pa
p0 là áp suất khí ở điều kiện bình thờng, Pa
ao và b0 là các hệ sô
Chất khí

KK

H2

N2

O2

SF6

Ar

Ne

He

a0, MV/m

2,45

1,26

2,35

2,60

8,93

0,57

0,201

0,57

b0, MV/m1/2

0,064

0,0437

0,0955

0,0635

0

0,226

0,0157

0,0153

Độ bền điện của các chất khí trong có thể xác định bởi biểu thức sau

U ct
p
p
E ct =
= a0
+ b0
d
p0
p0d


Quá trình cục bộ ion khi có phóng điện vầng quang chỉ xuất hiện trong khu vực
điện trờng tăng (điện trờng không đồng nhất)
Nếu tiếp tục tăng điện áp, phóng điện vầng quang sẽ phát triển thành dạng
streamer hoặẳô các khoảng cách phóng điện lớn thành dạng phóng điện tiên đạo
Điện áp xuất hiện phóng điện vầng quang xác định bởi công thức kinh nghiêm

Uvq = a0


kd


c

d 1 +
0,38
( r )

áp suất tơng đối của khí
d là khoảng cách giữa các điện cực
R là bán kính của điện cực cong bé
C là hệ số phụ thuộc khí và điện cực : với không khí và điện cực hình trụ c =
0,0013 m0,38
kd là hệ số không đống nhất

Trờng hợp hi điện cực hình trụ đồng trục

R ) 1
(
k = r
ln(R )
r
d


Quan hệ điện áp phóng điện của không khí phụ thuộc khoảng cách điện

1, 2, 3, 4 cầu cầu đờng kính 70, 50, 25, 12,5cm
5 mũi nhọn mặt phẳng


Quan hÖ cwêng ®é ®iÖn trêng phãng ®iÖn cña khÝ SF6 phô thuéc ¸p suÊt

2, 4 – phãng ®iÖn tÇn sè c«ng
nghiÖp, diÖn tÝch ®iÖn cùc 10
vµ 100 cm2
1, 3 - phãng ®iÖn xung kÝch,
diÖn tÝch ®iÖn cùc 10 vµ 100

cm2


Quan hệ điện áp phóng điện của hỗn hợp khí SF6 và nitơ so với
nitơ theo tỷ lệ pha trộn (3-12)


Các chất khí có độ bền điện cao
Các chất khí có độ bền điện cao là các khí âm điện
Điện áp phóng điện càng cao nếu phân tử gam càng lớn
Nhng các chất khí có độ bền điện cao, phân tử gam lớn lại không đủ bền vững hoá
học và độc hại các sản phẩm xuất hiện khi có phóng điện nh là clo và flo
Khí

Công thức

Phân tử
gam

Nhiệt độ
sôi

Độ bền điện
so với không
khí

Hexafloride lu huỳnh

SF6

146

-63,8

2.9

Dichlorodifluoromethane

CCl2F2

129

-30

2.4

Hexafluorocyclobutane

C4F6

162

-5

3.9

Hexafluorobutyronitryl

C3F7CN

195

1

5.8

Dekafluorocyclopentane

C5F10

250

22

4.3

Oktafluorocyclopentane

C5F8

212

25

5.5


Quá trình cục bộ ion khi có phóng điện vầng quang chỉ xuất hiện trong khu vực
điện trờng tăng (điện trờng không đồng nhất)
Nếu tiếp tục tăng điện áp, phóng điện vầng quang sẽ phát triển thành dạng

streamer hoặẳô các khoảng cách phóng điện lớn thành dạng phóng điện tiên đạo
Điện áp xuất hiện phóng điện vầng quang xác định bởi công thức kinh nghiêm

Uvq = a0


kd


c

d 1 +
0,38
( r )

áp suất tơng đối của khí
d là khoảng cách giữa các điện cực
R là bán kính của điện cực cong bé
C là hệ số phụ thuộc khí và điện cực : với không khí và điện cực hình trụ c =
0,0013 m0,38
kd là hệ số không đống nhất

Trờng hợp hi điện cực hình trụ đồng trục

R ) 1
(
k = r
ln(R )
r
d

Trong các cách điện khí, SF6 đợc sử dụng nh là điện môi khí có độ bền điện
cao. Khí SF6 nặng hơn không khí 5 lần, có độ bền điện cao hơn không khí 2,5
lần. SF6 thuần khiết là một khí trơ về mặt hoá học và sinh thái.

Nó không cháy, không có màu và không có mùi, không bị phân huỷ ở nhiệt độ
cao đến 800C

Nhng dới tác dụng của hồ quang điện, SF6 bị phân hoá thành các hợp chất SF2,
SF4 và ở nhiệt độ này tạo ra các nguyên tử lu huỳnh và flo. Khi nhiệt độ hồ quang
giảm, các nguyên tử lu huỳnh và flo hình thành lại phân tử SF6

Tuy nhiên quá trình này chỉ xảy ra trong môi trờng SF6 tinh khiết

Trong thực tế, sự có mặt của các tạp chất nh hơi nớc lại làm xuất hiện các sản
phẩm ăn mòn mạnh nh HF, SF2, SO2