Tổn hao điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất - Loại này thường có tổn hao cao hơn so với tổn hao điện môi của các thành phần. Điện môi không đồng nhất bao gồm vật liệu mà trong thành phần của nó chứa không ít hơn hai chất. Ví dụ: trong gốm, sứ, thuỷ tinh hay các tổ hợp cách điện khác nhau có chứa các bọt khí ở bên trong. Ở điện áp cao, các bọt khí sinh ra tổn hao điện môi do ion hoá làm ảnh hưởng tới tổn hao điện môi của điện môi đang xét. - Tổn hao điện môi trong gốm có thể tăng lên nếu trong quá trình chế tạo vật liệu có các tạp chất bán dẫn với tính dẫn điện bằng điện tử. Tổn hao trong gốm cũng tăng lên do hút ẩm khi có các lỗ xốp hở.
MỤC LỤC21 Khái quát về tổn hao điện môi1.1 Khái niệm tổn hao điện môiKhi điện trường tác động lên điện môi, trong điện môi xảy ra quá trình dịch chuyển các điện tíchtự do và điện tích ràng buộc khi đó trong điện trường xuất hiện dòng điện dẫn và dòng điện phâncực chúng tác động lên điện môi, làm cho điện môi nóng lên và truyền nhiệt vào điện môi. Nhưvậy, tổn hao điện môi là phần năng lượng tản ra trong điện môi trên 1 đơn vị thời gian làm chođiện môi nóng lên khi có điện trường tác động.1.2 Tác hại của tổn hao điện môiKhi điện môi có tổn hao điện môi lớn thì nhiệt độ phát nóng trong điện môi tăng dần lên, đếnmột lúc nào đó vượt quá mức cho phép sẽ làm cho điện môi bị phân huỷ nhiệt và điện môi bị mấttính chất cách điện, mà ta gọi là phóng điện do nhiệt gây nên.Nếu điện áp đặt lên điện môi không đủ lớn để tạo nên độ nóng quá mức cho phép do tổn haođiện môi gây ra thì trong trường hợp này tổn thất điện môi vẫn đưa đến những tác hại nghiêmtrọng như làm tăng điện dẫn của điện môi, các tham số của vật liệu thay đổi, sơ đồ mạch điệncũng thay đổi…Tổn thất điện môi liên quan chặt chẽ với hằng số điện môi, thông thường nếu hằng số điện môilớn thì tổn thất điện môi cũng lớn.Ngoài ra, tổn thất điện môi còn có thể được xác định thông qua “suất tổn hao”, đó là giá trị côngsuất tản trong 1 đơn vị thể tích hoặc suất tổn hao.1.3 Dòng tổn hao điện môi1.3.1 Tổn hao điện môi trong điện áp DCTrong điện môi không có sự phân cực theo chu kỳ, nên năng lượng tiêu hao chỉ do gây nên,nghĩa là chất lượng của vật liệu xác định bằng trở suất bề mặt và khối lượng của vật liệu đó.1.3.2 Tổn hao điện môi trong điện áp ACTrong điện áp AC thì ngoài trong điện môi còn có gây nên. Do đó phải dung các đặt tính khácđể xác định vật liệu cách điện.-Trong đó:=>Góc tổn hao � [� = 90o - φ] là tham số quan trọng của điện môi.3Góc tổn hao càng lớn thì tổn hao càng lớn. Thông thường giá trị tan� được cho trước, tan� ởchất lượng cao có giá trị khoảng 0,001 thậm chí bằng 0,0001 dùng để sử dụng ở tần số cao. Cònở vật liệu chất lượng kém hơn thì tan� ở hàng phần trăm hoặc cao hơn nữa dùng ở tần số thấp.tan� =Ta nhận thấy công suất tổn thất tỷ lệ thuận với tanδ, do vậy tanδ được gọi là “hệ số tổn thấtcông suất”.Trong trường hợp lý tưởng, sẽ sớm pha hơn một góc [không sinh ra tổn hao điện môi P cànglớn khi càng bé].1.4 Tổn hao điện môi trong các sơ đồ thay thếKhi đặt điện áp lên điện môi, trong điện môi thường xuất hiện ba loại dòng điện, đó là: dòng điệnrò [Irò], dòng điện chuyển dịch do phân cực nhanh [ Icd] và dòng điện hấp thụ do phân cực chậm[Iht]. Như vậy:I = Irò + Icd + IhtKhi điện môi đặt dưới điện áp 1 chiều, thì dòng điện phân cực chỉ xảy ra khi đóng hay ngắtnguồn điện, cho nên tổn hao điện môi chủ yếu là do dòng điện rò [Irò] gây nên. Nhưng khi điệnáp là xoay chiều, dòng điện phân cực và dòng điện rò có suốt trong thời gian đặt điện áp. Khi đótổn hao điện môi vừa do dòng điện rò và vừa do dòng điện phân cực gây nên.Dựa vào tính chất trên, trong tính toán ta có thể thay thế điện môi bằng sơ đồ mắc song song điệntrở và điện dung và biểu đồ vectơ giữa điện áp và dòng điệnDo yêu cầu và mục đích tính toán, điện môi có tổn hao có thể biểu diễn bằng các sơ đồ thay thếhoặc song, hoặc nối tiếp 1 tụ điện với 1 điện trở tương đương. Trong thực tế:••Khi có điện áp cần phải tính dòng điện IR và IC, ta dùng sơ đồ song song.Khi có dòng điện cần phải tính điện áp UR và UC, ta dùng sơ đồ nối tiếp.Iδφa] Sơ đồ thay thế điện môib] Biểu đồ vectơ giữa điện áp và dòng điệnSơ đồ thay thế điện môi gồm 2 thành phần điện dung C và điện trở R. Các sơ đồ thay thế đượcchọn phải thoả mãn 2 điều kiện:4••Công suất tổn hao trong sơ đồ phải bằng công suất tiêu hao trong điện môiGóc lệch pha giữa dòng điện và điện áp của sơ đồ phải bằng góc lệch pha trongthực tế điện môi khi có cùng điện áp và tần số.Như vậy: tan�sơ đồ = tan�thực tếTồn tại 2 sơ đồ đơn giản là sơ đồ đấu song song 2 phần tử R//, C// và sơ đồ nối tiếp 2 phần tử Cnt,RntTrong sơ đồ mắc song song R// với C// ta có:tan� = = =với: g =;b=⍵R//RntCntC//IIR = u/R//uC =IuR = IRnđIC = U⍵C//φSơ đồsong song R// với C//mắc nối tiếp Rnt với Cnt���mắcSơ đồNhư vậy ở đây tan� sẽ giảm đi khi tần số tăng lên. Công suất tổn hao đượctính:P// = U.I.cosφ = U2.g = U2.b.tan� = U2.⍵.C.tan�Ở sơ đồ mắc nối tiếp Cnt với Rnt ta có:tan� = = ⍵.Cnt.Rnt =với Xnt =Công suất tổn hao trong sơ đồ này được tính:Pnt = U2.⍵.C.tan� = I2.RntTừ điều kiện tương đương của 2 sơ đồ P // = Pnt = P và tan�sơ đồ = tan�thực tế , khi cần chuyển đổi sơđồ nối tiếp sang sơ đồ song song hay ngược lại thì các tham số điện dung và điện trở được tínhbằng công thức chuyển đổi sau:C// =vàR// = Rnt.[1 + ]φ uu52 Các nguyên nhân gây tổn hao điện môi2.1 Tổn hao điện môi do dòng điện ròTrong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng chứa các điện tích và điện tử tự do. Dưới tác dụng củađiện trường các điện tích kể trên sẽ tham gia vào dòng điện dẫn và tạo nên dòng điện rò. Trongđiện môi rắn có dòng điện rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉcó dòng điện khối. Nếu dòng điện rò lớn thì tổn hao trong điện môi có trị số đáng kể. Trị số tangcủa góc tổn hao điện môi trong trường hợp này có thể tính theo công thức:tan� =Trong đó:f - tần số của điện trường [Hz]� - điện trở suất [Ω.cm]Tổn hao dạng này phụ thuộc vào tần số của điện trường.Tan� giảm theo quy luật hyperbolic khi tần số tăngKhi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của điện môi sẽ tăng theo quy luật hàm số mũ, do vậy tổn haođiện môi cũng tăng theo quy luật này:PT = A.Trong đó A và b là các hằng số của vật liệu. Hoặc ta có:Pt = P oTrong đó:Pt - tổn hao công suất ở nhiệt độ toCPo - tổn thất ở nhiệt độ 20oC� - hằng số mũ của vật liệut - nhiệt độ [oC]2.2 Tổn hao điện môi đo phân cựcDạng tổn hao điện môi này thấy rõ ở các chất có phân cực chậm: trong các điện môi có cấu tạolưỡng cực và điện môi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ.Tổn hao điện môi do phân cực chậm được gây nên bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của cácphần tử dưới tác động của cường độ điện trường. Sự phá huỷ này làm phát sinh năng lượng tiêután và điện môi bị phát nóng.Tổn hao điện môi trong các điện môi cực tính tăng theo tần số của điện áp đặt lên điện môi vàbiểu hiện rõ rệt nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao. Khi ở các tần số cao, tổn hao điện môicó trị số lớn tới mức phá huỷ vật liệu. Do vậy, không nên dùng điện môi cực tính mạnh ở tần sốcao trong kỹ thuật điện.Quan hệ của tan� với nhiệt độ của các điện môi cực tính có giá trị cực đại ở 1 nhiệt độ nào đóđặc trưng cho mỗi loại vật liệu. Ở nhiệt độ này thời gian phân cực chậm của phân tử điện môigần trùng với chu kỳ biến đổi của điện trường xoay chiều đặt lên điện môi. Nếu nhiệt độ có trị sốcao cho thời gian phân cực chậm của phân tử lớn hơn thời gian nửa chu kỳ biến đổi điện áp xoaychiểu một cách đáng kể, thì chuyển động nhiệt của các phân tử sẽ yếu đi và tổn hao điện môi6giảm. Nếu nhiệt độ có trị số cao cho thời gian phân cực lưỡng cực nhỏ hơn thời gian nửa chu kỳbiến đổi của điện áp xoay chiều một cách đáng kể thì cường độ chuyển động nhiệt sẽ lớn, mốiliên kết giữa các phân tử giảm, do đó tổn hao điện môi cũng giảm.Tổn hao điện môi trong chất xécnhét liên quan tới hiện tượng phân cực ngẫu nhiên [phân cực tựphát]. Do đó tổn hao điện môi xécnhét có trị số đáng kể ở nhiệt độ thấp hơn điểm Quyri. Tổn haođiện môi dạng này tăng theo tần số của điện áp đặt lên điện môi. Ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri,tổn thất năng lượng trong điện môi xécnhét giảm xuống. Sự hoá già về điện theo thời gian củađiện môi xécnhét cũng làm giảm tổn hao điện môi.Trong các loại điện môi có tổn hao do phân cực cần phải kể đến hiện tượng gọi là tổn hao cộnghưởng biểu hiện ở tần số ánh sáng. Dạng tổn hao này thấy rõ trong 1 số chất khí khi ở 1 tần sốxác định có sự hấp thụ năng lượng điện trường. Tổn hao cộng hưởng cũng có thể xảy ra ở chấtrắn khi tần số dao động cưỡng bức do điện trường gây nên trùng với tần số dao động riêng củacác hạt chất rắn. Sự tồn tại điểm cực đại trong quan hệ tan� với tần số cũng đặc trưng cho cả cơchế cộng hưởng, nhưng trong trường hợp này nhiệt độ không ảnh hưởng đến vị trí điểm cực đại.2.3 Tổn hao điện môi do ion hóaTổn hao điện môi do ion hoá xảy ra trong các điệm môi ở trạng thái khí. Dạng tổn hao này xuấthiện trong các điện trường không đồng nhất khi cường độ điện trường cao hơn trị số bắt đầu ionhoá của loại khí đó.Ví dụ: không khí ở xung quanh dây dẫn của đường dây tải điện trên không điện áp cao, đầu cựccủa các thiết bị cao áp, bọt khí trong điện môi rắn hoặc lỏng khi chịu đện áp cao,...Tổn hao do ion hoá có thể tính theo công thức sau:Pi = A.f.[U - Uo]3Trong đó: A - hằng sốf - tần số của điện trườngU - điện áp đặt vàoUo - điện áp tương ứng với điểm bắt đầu ion hoáTrị số điện áp ion hoá Uo của các chất khí khác nhau thì cũng khác nhau. Trị số này phụ thuộcvào áp suất chất khí khi áp suất tăng trị số điện áp bắt đầu ion hoá tăng.Quá trình ion hoá các phân tử khí sẽ tiếp thu 1 năng lượng điện trường làm cho nhiệt độ điện môikhí tăng lên và sinh ra tổn hao ion hoá. Khi bị ion hoá trong chất khí có thêm nhiều điện tích vàđiện tử tự do làm cho điện dẫn chất khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn hao mới.Một điều đáng chú ý và quan tâm đó là trong không khí có chứa ôxy [O 2]. Khi bị ion hoá O2 biếnthành O3 [ôzôn], nó kết hợp với nitơ và nước thành axit nitric [HNO 3]. Nếu quá trình ion hoá liêntục thì nồng độ axit HNO3 sẽ tăng lên có thể gây nên sự ăn mòn hoá học của vật liệu và làm chothời gian phục vụ của vật liệu giảm đi.72.4 Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhấtLoại tổn hao này có rất nhiều ý nghĩa trong thực tế, vì vật liệu cách điện của cac thiết bị điệnthường có cấu trúc không đồng nhất. Do tính chất đa dạng về cấu trúc và thành phần của vật liệucách điện, nên không thể có 1 công thức chung để tính toán tổn hao điện môi này.Trong trường hợp đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng 2 lớp nốitiếp nhau.Trị số điện dung tương đương C1 và C2 phụ thuộc vào hằng số điện môi của các lớp này và kíchthước hình học của chúng. Điện trở R 1 và R2 được xác định bởi điện trở suất và kích thước hìnhhọc điện môi các lớp.a] Sơ đồ điện môi mắc nối tiếpb] Sơ đồ đẳng trị thay thế điện môiPhân tích sơ đồ [b] có thể chỉ ra đại lượng tan� được xác định bởi công thức:tan� =Trong đó: m = R1 + R2n=+M = C1 + C 2N= +Trong trường hợp nếu R 1, R2, C1 và C2 không phụ thuộc vàotần số, tổn hao chỉ do điện dẫn gây nên, thì sau khi lấy đạohàm tan� và cho nó bằng 0 để giải, ta được biểu thức mà từ đóthấy rõ ràng tan� có cực tiểu và cực đại trong quan hệ của tan�vào tần số. Giá trị cực đại của tan� quan sát thấy ở tần sốCực tiểu ở tần số :Trong đó:∆ = [Mn - 3Nm]2 - 4MNmnTrị số tan� của điện môi nhiều lớp khi các lớp mắc nối tiếp có thể tính bằng công thức:8tan� =Trong đó: tan – hệ số tổn hao điện môi của các lớp tương ứng với tần số đã cho.3 Hằng số điện môi3.1 Khái niệmHằng số điện môi hay còn gọi là độ điện thẩm tương đối, là một đại lượng phức.Kí hiệu:Trong đó: : là phần thực và là đại lượng phản ánh tổn hao, được tính như sau:với là độ điện thẩm của môi trường;là độ điện thẩm của chân không và bằng : phần ảo và được tính bằng:Với: là điện dẫn suất tích cực của điện môi ở điện áp xoay chiều:= ω..ε.tanδ [simen/m]f là tần số [Hz]3.2 Đặc điểmĐặc trưng cho chất lượng điện môi và cho tính chất điện của môi trường đó và là đại lượngkhông có đơn vị.Phụ thuộc vào: Nhiệt độ Áp suất Độ ẩm Tính chất của điện môi Cấu trúc tinh thể của vật liệu Cấu trúc điện tử của nguyên tử Cường độ điện trường trong điện môi…Không phụ thuộc vào:Điện trường ngoàiĐộ lớn và khoảng cách giữa các điện tích3.3 Hằng số điện môi trong chất khíCác chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ nên sự phân cực của chất khí không đáng kể và hằng sốđiện môi gần bằng 1.Từ phương trình Claudiut-Môxôpchi: suy ra được công thức sau:9ε = 1+ = 1+Trong đó:N = : mật độ phân tửP: áp suất [atm]T: nhiệt độ môi trường[oK]α: hệ số phân cựcK = 1,38.10-23 [J/oK] hằng số Boltzmann3.4 Hằng số điện môi trong chất lỏngĐiện môi lỏng trung tính: hằng số ε vào khoảng 2-2.5, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ mà không phụthuộc vào áp suất và tần số.Điện môi lỏng cực tính: thường dùng phương trình Claudiut-Môxôpchi để xác định3.5 Hằng số điện môi trong chất rắnĐiện môi rắn rất đa dạng về cấu trúc và thành phần nên hằng số điện môi có giá trị lớn và nằmtrong dải rộng.Gồm: điện môi rắn trung hòa, điện môi rắn có kết cấu tinh thể ion, điện môi rắn hữu cơ cực tính,điện môi rằn có cấu tạo không đồng nhất, điện môi xenhit…Trong đó, điện môi rắn trung hòa cóε nhỏ nhất.Hằng số điện môi của một số chất:CHẤTHẰNG SỐ ĐIỆN MÔISứ5,5Dầu thầu dầu4,5Dầu máy biến áp2,2Cao su2,3Dầu hỏa2,1Không khí1,000853.6 Quan hệ giữa hằng số điện môi và các yếu tố khác3.6.1Tần sốĐiện môi không cực: điện môi không cực có trọng tâm của các điện tích dương trùng với trọngtâm các điện tích âm.Các điện tích hoàn toàn được triệt tiêu cho nên các điện tích không chịu tácđộng của tần số.10= const.f [Hz]Điện môi có cực:••Ở vùng tần số f < f0 : ε không phụ thuộc vào tần số [ do các phần tử lưỡng cựckịp xoay theo hướng điện trường].Ở vùng tần số f > f0 : ε giảm[ do các phần tử lưỡng cực có quán tính, chúngkhông kịp xoay theo hướng điện trường.fo =trong đó: T: nhiệt độ[0K]η : độ nhớt độngr : bán kính nguyên tửK = 1,38.10-23 [J/0K] hằng số Boltzmann1fo3.6.2f [Hz]Nhiệt độHằng số điện môi được tính bằng công thức: ε = 1+Điện môi không cực: khi nhiệt độ tăng có sự dãn nở nhiệt làm chokhoảng cách giữa các phần tử tăng dẫn đến số phần tử trên một đơn vịtích giảm => ε giảm.thểTĐiện môi có cực: khi nhiệt độ tăng có sự dãn nở nhiệt nên lực liên kếtcác phần tử giảm nên sự xoay hướng của chúng dễ dàng hơn => ε tănggiá trị nhiệt độ Tk nào đó thì đạt cực đại.Nếu nhiệt độ tiếp tục tăng thêm thì ε giảm xuống do nhiệt độ cao cácphần tử lưỡng cực chuyển động nhiệt tăng lên và cản trở sự xoay hướngcủa chúng.3.6.3củađếnTTKÁp suấtHằng số điện môi được tính bằng công thức: ε = 1 + A.p [A: hằng số, p: áp suất].Điện môi không cực: theo định luật Clausisius-Mosotti: khi áp suất tăng dẫnđến mật độ phân tử tăng nên ε cũng tăng theo.P11Điện môi có cực: khi áp suất tăng có nhiều phần tử lưỡng cực xoay theo hướng điện trường làmcho ε tăng và đạt giá trị cực đại tại một giá trị pk nào đó.Nếu áp suất tiếp tục tăng sẽ làm ε giảm do mật độ phân tử quá cao, làm cản trở sự xoay chuyểncủa các phân tử.PPK3.6.4Độ ẩmKhi độ ẩm tăng lên thì ε tăng rất nhanh.Khi đó sẽ làm giảm tính chất khác của điện môi như: điện trở suất giảm, tổn hao điện môi tănglên.3.6.5Điện ápTheo lý thuyết hằng số điện môi không phụ thuộc vào điện áp. Tuy nhiên, trên thực tế người tađo được hằng số điện môi ở điện áp cao có giá trị nhỏ hơn khi đo ở điện áp thấp.4 Quan hệ giữa tan� và các yếu tố khác4.1 Quan hệ giữa tan� và nhiệt độ[1]Điện môi trung tính hoặc có cực tính yếu[2]Điện môi cực tính mạnh, điện dẫn nhỏ[3] Điện môi cực tính mạnh, điện dẫn caoĐối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện rò gâynên.Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện môi chủ yếu do dòngphân cực gây nên. Ở miền tần số thấp, các phân tử lưỡng cực được định hướng hoàn toàn,nhưng ở miền tần số cao các phân tử lưỡng cực không kịp định hướng theo hướng điệntrường do vậy tổn thất điện môi giảm.Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn cao, ở vùng tần số thấp tổn thất điện môi chủyếu do dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu do dòng phân cực, khi tần số quá cao12các phân tử không kịp định hướng nên tan� giảm.4.2 Quan hệ giữa tan� và tần số điện trường[1]Điện môi trung tính hoặc có cực tính yếu[2]Điện môi cực tính mạnh, điện dẫn nhỏ[3]Điện môi cực tính mạnh, điện dẫn caoĐối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện rò gâynên.Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng phâncực gây nên.Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn lớn, ở vùng tần số thấp tổn thất điện môi chủ yếudo dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu dòng phân cực. Khi ở tần số quá cao các phântử không kịp định hướng nên giảm.4.3 Quan hệ giữa tan� và độ ẩm không khíKhi điện môi đặt trong môi trường có độ ẩm φ%, sau một thờigian điện môi sẽ bị ngấm ẩm, hoặc hấp phụ một lớp hơi nướctrên bề mặt, điều đó làm tăng điện dẫn khối và điện dẫn mặt củavật liệu và làm tổn thất điện môi tăng khi φ% tăng.Để hạn chế sự hấp thụ và hấp thụ nước vào vật liệu cách điện,trong công nghệ chế tạo thiết bị điện thường dùng các biện phápsấy và tẩm bằng các loại vật liệu chống ẩm.tg13BAUminU4.4 Quan hệ giữa tan� và điện ápTại điểm A: Hình thành phóng điện hay vầng quangTại điểm B: Hình thành vật chất mới hay phá hủy cách điệnĐiện môi cách điện tốt khi Umin càng cao.Ở vùng điện áp thấp [U < UA] tổn thất điện môi gần như ít phụ thuộc vào điện áp.Điện áp tăng cao [UA < U < UB] quá trình ion hóa diễn ra mạnh làm tổn thất điện môi tăng nhanh.Khi điện áp quá cao [U > UB] thì điện dẫn của chất khí tăng cao làm cho sụt áp trên nó giảm đi,do vậy tổn thất điện môi lại giảm.5 Các phương pháp đo tổn hao điện môiĐo hệ số tổn hao để đánh giá tình trạng [vận hành] của thiết bị điện. Sử dụng rộng rãi bởi các kỹsư bảo trì và trong thí nghiệm để đánh giá sự nguyên vẹn của các hệ thống cách điện.5.1 Cầu đo ScheringLà loại cầu xoay chiều dùng để đo điện dung và đo tổn hao điện môi của cách điện trong cácthiết bị điện cao áp và tụ cao áp.và là tụ điện và điện trở cần đolà tụ điện tiêu chuẩnlà tụ điện biến thiênlà điện trở thuầnlà biến trởỞ điều kiện cân bằng: Z1.Z4 = Z2.Z3Thay các giá trị Z1, Z2, Z3, Z4:14Cân bằng phần thực và phần ảo:;Từ giản đồ vectơ ta có thể tính hệ số tổn hao tan�5.2 Cầu đo WagnerDo cầu Schering có nhược điểm là nhạy cảm với các nhiễu do điện dung tản với đất, nên ngườita sử dụng cầu Wagner để khắc phục nó.6 Tổn hao điện môi trong chất khíDo hai nguyên nhân là ion hóa chất khí và điện dẫn.6.1 Ion hóa chất khíP=Ai.f.[U-Uo]3Trong đó: A là hằng số đối với từng chất khí.15f là tần số điện áp đặt vào.là điện áp chọc thủng [điện áp gây ion hóa chất khí].Trị số phụ thuộc vào từng loại chất khí, nhiệt độ, áp suất làm việc. Ngoài ra còn phụ thuộc vàomức độ đồng nhất điện trường. Cùng một giá trị điện áp đặt vào nhưng điện trường đều sẽ khógây ion hóa hơn so với điện trường không đều.6.2 Điện dẫnTanδ=Trong đó: ε là hằng số điện môi.ρ là điện trở suất của khối điện môi.Tổn hao điện môi trong chất khí ở cường độ điện trường nhỏ rất nhỏ [điện môi được xem nhưđiện môi lý tưởng].Nguồn tổn hao điện môi do điện dẫn là chủ yếu vì sự xoay chuyển của các lưỡng cực khi phâncực không gây tổn hao năng lượng nhưng nếu xét trên lưới điện cao thế thì ion hóa chất khí làchủ yếu. Tất cả các chất khí có điện dẫn rất thấp.Ở điện áp cao và trường không đồng nhất, khi cường độ điện trường ở vị trí khác nhau đạt giá trịgiới hạn, phân tử bị ion hóa. Vậy trong chất khí xuất hiện tổn hao do ion hóa.Ion hóa chất khí hình thành ozon và khí NO2 để phá hủy các điện môi hữu cơ.Trên đường dây tải điện cao thế, tổn thất do ion hóa không khí ở bề mặt dây dẫn [hiện tượngvầng quang] làm giảm hiệu suất truyền tải.Hiện tượng vầng quang là một dạng phóng điện cục bộ xuất hiện như một quầng sáng xanh mờ,bao quanh các dây dẫn, đặc biệt trong màn đêm hoặc có thể nghe âm thanh như tiếng rít khi xảyra vầng quang.Hiện tượng vầng quang xảy ra kèm theo:- Vầng quang xảy ra cùng sự hình thành khí ozon và oxit NO 2. Hai chất khí này phảnứng với hơi ẩm trong không khí tạo nên axit gây ăn mòn kim loại.- Gây hư hỏng đối với cách điện trong ứng dụng cao áp hoặc trong thiết bị điện.- Gây ra các cặn muội than mà điều này có thể gây nên hồ quang điện.- Gây nhiễu đến sự truyền phát radio.Để giảm hao tổn vầng quang cần giảm cường độ điện trường, tăng tiết diện dây dẫn hoặc phândây pha thành dây nhỏ nối với nhau tạo đường kính lớn.Bên cạnh tác hại thì hiện tượng vầng quang cho ta biết đường dây truyến tải điện có sự hiện diệncủa bụi bẩn, tạp chất để người vận hành biết và tiến hành vệ sinh đường dây.167 Tổn hao điện môi trong chất lỏngTrong chất lỏng tổn hao điện môi là do dòng điện dẫn. Nếu như trong chất lỏng không chứa tạpchất là các phân tử lưỡng cực. Do diện dẫn của các chất lỏng trung tính rất bé, nên tổn hao điệnmôi có trị số rất bé.Chất lỏng có cực tùy theo điều kiện nhiệt độ và tần số ngoài tổn hao do dòng điện dẫn còn có tổnhao do phân cực lưỡng cực gây nên. Nếu điện môi là cực tính mạnh thì tổn hao lớn, tổn hao nàyphụ thuộc nhiều vào tần số và nhiệt độ.Điện môi lỏng thường được sử dụng trong kỹ thuật là điện môi hợp chất của hai điên môi có cựcvà không cực. Vì dụ: dầu nhựa thông, dầu thầu dầu, dầu xô vôn,…Ở chất lỏng có cực, tổn hao điện môi phụ thuộc vào độ nhớt. Điện dẫn suất của chất lỏng loạinày thường khoảng 10-10 ÷ 10-11 Simen/m. Tổn hao điện môi ở chất lỏng có cực lớn hơn rất nhiềutổn hao do điện dẫn. Loại tổn hao này được gọi là tổn hao lưỡng cực tích thoát.Các phân tử lưỡng cực do có sự thay đổi của điện trường, chúng được quay trong môi trường cóđộ nhớt, dẫn đến tổn hao năng lượng do tổn hao ma sát và gây tỏa nhiệt. Nếu như độ nhớt củađiện môi đủ lớn thì các phân tử không kịp định hướng theo điện trường và tổn hao lưỡng cựcthực tế biến mất, tổn hao điện môi trong trường này rất nhỏ. Nếu như độ nhớt nhỏ thì sự địnhhướng theo điện trường sẽ xảy ra ít ma sát và tổn hao trong trường này cũng nhỏ. Ở độ nhớttrung bình tổn hao lưỡng cực là đáng kể và một độ nhớt nào đó sẽ có giá trị cực đại.Khi tăng tần số tanδ max sẽ dịch chuyển về cùng có nhiệt độ cao hơn. Tần số càng cao thì cầnthời gian tích thoát càng nhỏ cần thiết để tanδ max và để giảm thời gian tích thoát cần phải giảmđộ nhớt, hay cần tăng nhiệt độ. Giá trị cực tiểu tương ứng với độ nhớt rất nhỏ và sự định hướngkhông có ma sát, tổn hao trong trường hợp này rất nhỏ. Khi nhiệt độ được tiếp tục tăng lên thìtanδ cũng tăng, điều này được giải thích là tăng điện dẫn suất trong chất lỏng.Tổn hao công suất P của phân cực lưỡng cực tích thoát trong điện môi tăng theo tần số cho tớikhi phân cực kịp định hướng theo điện trường. Khi tần số đủ lớn các phân tử lưỡng cực khôngkịp định hướng, chúng trở nên bất động và vì thế tanδ lại giảm xuống và tổn hao quay lại giốngtổn hao một chiều.Tổn hao lưỡng cực tích thoát ở điện môi lỏng có độ nhớt thấp ở tần số thấp không đáng kể vàchúng có thể nhỏ hơn tổn hao do dòng điện rò ngay cả khi độ nhớt có trị số bé. Do đó, chất lỏngcực tính không thể sử dụng trong trường tần số cao.8 Tổn hao điện môi trong chất rắnĐiện môi rắn có rất nhiều loại, đa dạng về cấu trúc và các thành phần, do đó trong điện môi rắncó thể có tất cả các loại tổn hao điện môi. Để thuận tiện cho việc nghiên cứu tổn hao điện môitrong vật rắn, có thể chia chúng ra làm 4 nhóm cơ bản sau: Tổn hao điện môi có cấu tạo phân tử. Tổn hao điện môi có cấu tạo ion.17 Tổn hao điện môi trong điện môi xecnhet. Tổn hao điện môi có cấu tạo không đồng nhất.8.1 Tổn hao điện môi có cấu tạo phân tửTổn hao điện môi trong các điện môi có cấu tạo phân tử phụ thuộc vào loại phân tử.Nếu trong điện môi có các phân tử trung tính và không có tạp chất thì tổn hao điện môi nhỏkhông đáng kể. Tổn hao điện môi của các vật liệu này do dòng điện rò gây nên; chúng đượcdùng làm cách điện ở cả tần số thấp và cao. Trong loại điện môi này có: lưu huỳnh, parafin,polietilen, politetrafloetilen; teflon-4, polistirol và các chất khác.Các điện môi có cấu tạo phân tử cực tính chủ yếu là các chất hữu cơ được sử dụng rộng rãi trongkỹ thuật. Loại này bao gồm các vật liệu dựa trên cơ sở xenlulo như giấy, bìa cactong và các chấtkhác, thủy tinh hữu cơ, poliamit, poliuretan, cao su, ebonit, bakelit và một loại vật liệu khác. Tấtcả các chất này có tổn hao lớn do phân cực lưỡng cực nhất là ở tần số vô tuyến. Cho nên chúngkhông được dùng ở tần số cao.Tổn hao điện môi trong các điện môi phân tử cực tính có liên quan tới tần số và nhiệt độ. Ở mộtvài trị số nhiệt độ tổn hao điện môi có trị số cực đại và cực tiểu, sau đó tăng lên nhiều khi nhiệtđộ cao.8.2 Tổn hao điện môi có cấu tạo ionTrong các chất có cấu tạo tinh thể ion chặt chẽ khi khôngcó tạp chất tổn hao điện môi có trị số rất nhỏ. Ở nhiệt độtăng cao trong các chất này xuất hiện tổn thất do điện dẫn.Loại này bao gồm nhiều hợp chất tinh thể vô cơ có ý nghĩarất lớn trong sản xuất gốm kỹ thuật điện hiện nay, ví dụcorunđum[ bột đá mài] nằm trong thành phần sứ cao tần.Các tinh thể muối mỏ tinh khiết có tổn hao không đáng kể,song chỉ cần một lượng tạp chất nhỏ sẽ biến dạng mạnglưới tinh thể và làm cho tổn hao điện môi tăng lên nhiều.Các điện môi có cấu tạo tinh thể ion ràng buộc không chặtchẽ bao gồm một loại chất tinh khiết, được đặc trưng bởihai loại phân cực chậm làm tăng tổn thất điện môi. Trongcác chất này có mulit là một thành phần của sứ cách điện,oxit nhôm và khoáng xilicon nằm trong thành phần củagốm chịu lửa và các chất khác nhau: gốm, sứ, thủy tinh…Đa số các loại gốm điện lượng ion tham gia vào phân cực chậm không ngừng tăng lên theo nhiệtđộ. Do đó tan tăng lên không có giá trị cực đại khi nhiệt độ tăng.Tổn hao điện môi trong các chất không kết tinh có cấu tạo ion như thủy tinh cô cơ liên quan tớihiện tượng phân cực và sự tồn tại dòng điện dẫn.18Khi nghiên cứu cơ chế tổn hao điện môi thủy tinh cần phân biệt:Tổn hao điện môi ít phụ thuộc vào nhiệt độ và tăng tỷ lệ thuận theo độ tăng củatần số [tankhông phụ thuộc vào tần số].Tổn hao tăng rõ rệt theo nhiệt độ, theo quy luật hàm số mũ và ít phụ thuộc vào tầnsố [tan giảm khi tần số tăng].Công nghệ gia công nung hoặc tôi gây ảnh hưởng rõ rệt đếngóc tổn hao điện môi của thủy tinh do cấu tạo của nó bị biếnđổi.Nếu thủy tinh có dòng điện rò càng lớn thì độ tăng của góc tổnhao điện môi sẽ thấy ở nhiệt độ càng thấp. Trên hình 3-12 chothấy sự biến thiên của góc tổn hao điện môi theo nhiệt độ đốivới thủy tinh có thành phần và điện dẫn khác nhau.Yếu tố chủ yếu xác định tổn hao điện môi trong thủy tinh vô cơphụ thuộc vào cách kết hợp của các oxit chứa trong thủy tinh,bởi vì cách kết hợp ảnh hưởng đến cấu tạo thủy tinh. Sự tồn tạioxit kiềm [Na2O, K2O] trong thủy tinh khi không có oxit củacác kim loại nặng [BaO, PbO] làm tăng đáng kể tổn hao điệnmôi của thủy tinh. Đưa oxit nặng vào làm giảm tg của thủy tinh kiềm.8.3 Tổn hao điện môi trong điện môi xecnhetTổn hao trong xecnhet cao hơn so với các điện môi khác là do có hiện tượng phân cực tự phát.Sự phân cực này có đặc điểm là phụ thuộc vào nhiệt độ và có điểm cực đại ở một nhiệt độ xácđịnh [điểm Quyri].Ở nhiệt độ cao hơn điểm Quyri, thuộc tính điện môi xecnhet mất đi và phân cực tự phát cũngmất. Tổn hao điện môi trong điện môi xecnhet ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự phátvà giảm đột ngột sau điểm Quyri.Trên hình 3-13 cho thấy sự biến thiên của góc tổn hao điện môi và hắng số điện môi theo nhiệtđộ đối với hai điện môi gốm xecnhet có thành phần khác nhau và điểm Quyri khác nhau.Hình 3-13. Quan hệ giữa hằng số điện môi và góc với nhiệt độ của điện môi xecnhet1,2-Metatitanat bari BaO.TiO2 có các chất phụ thêm khác nhau198.4 Tổn hao điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhấtThường cao hơn so với tổn hao điện môi của các thành phần. Điện môi không đồng nhất baogồm vật liệu mà trong thành phần của nó chứa không ít hơn hai chất. Ví dụ trong gốm, sứ, thủytinh hay các tổ hợp cách điện khác nhau có chứa các bọt khí ở bên trong. Ở điện áp cao các bọtkhí sinh ra tổn hao điện môi do ion hóa làm ảnh hưởng tới tổn hao điện môi của điện môi đangxét.Tổn hao điện môi trong gốm có thể tăng lên nếu trong quá trình chế tạo vật liệu có các tạp chấtlẫn bán dẫn với tính dẫn điện bằng điện tử. Tổn hao trong gốm cũng tăng lên do hút ẩm khi cócác lỗ xốp hở.Mica là vật liệu có cấu tạo nhiều lớp. Các lớp bán dẫn trong mica làm tăng tg khi ở điện áp xoaychiều tần số thấp.Giấy tẩm cũng thuộc loại điện môi có cấu tạo không đồng nhất. Loại giấy này ngoài sợi xenlulocòn chứa các chất tẩm với thành phần khác nhau. Tổn hao điện môi của giấy tẩm được xác địnhbởi thuộc tính điện của cả hai yếu tố và quan hệ về lượng của chúng.Hình 3-14 cho thấy sự biến thiên của tg theo nhiệt độ của giấy tẩm hỗn hợp dầu nhựa thông.Đường cong có hai điểm cực đại: điểm thứ nhất[ ở nhiệt độ thấp] đặc trưng cho tổn hao điện môicủa bản thân giấy[xenlulo]; điểm thứ hai[ ở nhiệt độ cao hơn] do tổn hao phân cực lưỡng cựcchậm của hỗn hợp chất tẩm.Hình 3-14. Quan hệ tg theo nhiệt độ của giấy tụ điện đã được tẩm 80 nhựa thông và 20dầu biến thếTrong kỹ thuật điện người ta còn sử dụng rất nhiều vật liệu không đồng nhất khác: chất dẻo,chất độn, micanit, các lớp cách điện khác nhau trong cáp điện và thiết bị điện… Tổ hợp các cáchđiện rất phức tạp và đa dạng, nên khi tính tổn hao điện môi cần phải xem xét từng cách điện cụthể.