CHươNGư9
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

11/08/15

Page 1

VậTưLIệUưCáCHưđIệNưTHểưKHí

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.

11/08/15

Page 2


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 7,5 MV/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 dới 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.
11/08/15

Page 3


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.

11/08/15

Có nhiều chất khí có thể đợc sử dụng làm vật liệu cách điện

Page 4


VậTưLIệUưCáCHưđIệNư

Vật liệu cách
điện thể khí

Vật liệu cách
điện thể lỏng

các chất khí đơn giản nh không khí, hydro H2, heli He, oxy 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)
11/08/15

Page 5

Hexafluoroethane CF3CF3 (Freon 116)

Vật liệu cách
điện thể răn


9.2.2

Các tính chất cơ bản

Khí

11/08/15

độ ở 0oC Hệ số dẫn Phân tử gam Nhiệt độ sôi, Độ bền điện
Thành phần Mật
và 0,1MPa
nhiệt,
o
hoá học
C
so với N2
kg/m3

W/m.oC

Không khí

N2+O2

1.2929

0,0257

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

Page 6

28,952

-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 Clausius-Mosot

n e
r = 1+
o

11/08/15

Page 7


Hằng số điện môi của chất khí

Khí


11/08/15

Page 8

Thành
phần hoá
học

Bán kính
phân tử,
10-10m

số điện
Hằng số điện Hằng
môi
t
ơng
đối
môi tơng đối
ở
sóng
ở tần số thấp
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

Dichlorodifluoromethane

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

n=


p
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 :

11/08/15

Page 9

3816,44
lg p h = 23,19
T 46,13



KhÝ

11/08/15

Page 10

Thµnh
phÇn ho¸
häc

0,1MPa

2MPa

4MPa

10MPa

Kh«ng khÝ

N2+O2

1,00058

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

-


-

1,0108

1,0218

1,0549


Điện dẫn và tổn hao điện môi
Điện dẫn của điện môi khí rất nhỏ trong điện trờng yếu
J

j = E với = nj.qj.àj

Trong không khí ở điều kiện bình thờng

II

I

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 10 9-1010 m-3
Độ linh hoạt của các điện tích dơng (ion dơng) à+=1,3.104
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 tngion 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

11/08/15

Page 11


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.

11/08/15

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.

Page 12


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

11/08/15

Page 13


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
11/08/15


Page 14


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

15,4 15,6 12,1 11,5 13,8 12,6 12,1

Kr
14

Ar

Ne

He


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

11/08/15

Page 15

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)
11/08/15

Page 16


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

U ct = a0

p
pd
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

E ct =
11/08/15

Page 17


U ct
p
p
= 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 m 0,38
kd là hệ số không đống nhất

Trờng hợp hi điện cực hình trụ đồng trục

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

11/08/15

Page 18


Quan hệ điện áp phóng điện của không khí phụ thuộc khoảng cách điện cực (3-8)

1, 2, 3, 4 cầu cầu đờng kính 70, 50, 25, 12,5cm
5 mũi nhọn mặt phẳng
11/08/15

Page 19


Quan hÖ cwêng ®é ®iÖn trêng phãng ®iÖn cña khÝ SF6 phô thuéc ¸p suÊt khÝ (3-11)

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

11/08/15

Page 20


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

11/08/15

Page 21


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

11/08/15

Page 22

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 m 0,38
kd là hệ số không đống nhất

Trờng hợp hi điện cực hình trụ đồng trục

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

11/08/15

Page 23


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 800 C

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

11/08/15

Page 24


Độ bền điện của một số chất khí và hỗn hợp của
chúng với SF6

Khí

75

50

25

114

111

108

104

SO2

102

111


116

108

Dichlorodifluoromethane

CCl2F2

100

108

107

106

Hexafluoroethane

CF3CF3

81

88

90

95

Chlorotrifluoromethane


CClF3

58

78

88

95

Chlorodifluoromethane

CHClF2

43

84

92

97

CF4

43

63

78


89

N2+O2

37

78

85

94

N2

37

77

88

95

CO2

32

65

80


91

Ô xit lu huỳnh

Carbon tetrafluoride
Không khí
Nitơ
Page 25

Phần trăm với SF6, %

Không
trộn

CF3CF2

Chloropentaflouroethane

11/08/15

Công thức

Ô xit carbon