Giáo trình Vật liệu điện

I. Vị trí và nhiệm vụ môn học: Môn học Vật liệu kỹ thuật điện là môn hỗ trợ cho các môn học chuyên ngành trong ngành điện, nhằm giúp cho sinh viên và các cán bộ kỹ thuật trong ngàng điện hiểu biết về vật liệu kỹ thuật điện, trên cơ sở đó lựa chọn và sử dụng thích hợp các vật liệu trong quá trình chế tạo và sửa chữa thiết bị điện đồng thời còn đề ra được các biện pháp sử dụng và bảo quản tốt các thiết bị điện. II. Yêu cầu môn học: Nắm được các hiện tượng, bản chất các hiện tượng xảy ra trong vật liệu điện khi sử dụng chúng vào những mục đích khác nhau. Biết được tính chất của các vật liệu điện để sử dụng chúng 1 cách thích hợp, đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và phù hợp với điều kiện vận hành. Biết cách bảo quản vật liệu điện, bảo quản các thiết bị điện nhằm tăng tuổi thọ của chúng. III. Tính chất môn học: Môn học Vật liệu kỹ thuật điện giúp cho sinh viên giải thích được lý do sử dụng các loại vật liệu kỹ thuật điện trong các thiết bị điện và đánh giá được ưu nhược điểm của các vật liệu tác dụng đó. IV. Quan hệ với các môn học khác: Môn học Vật liệu kỹ thuật điện có liên quan trực tiếp với những môn học có nội dung thiết kế, chế tạo các chi tiết, các bộ phận và các kết cấu thiết bị điện. V. Các sách tham khảo: Vật liệu Kỹ thuật điện – NXB KHKT 1975 Dịch từ nguyên bản tiếng Nga. N.P Bôgôrôdixki, V.V Paxưncôv, B.M Tarêep. Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp – Khoa ĐHTC 1972. Vật liệu Kỹ thuật điện – NXB KHKT 2001– Nguyễn Xuân Phú và Hồ Xuân Thanh. Vật liệu Kỹ thuật điện – NXB KHKT 2004– Nguyễn Đình Thắng.

Giới thiệu môn học

I Vị trí và nhiệm vụ môn học:

Môn học Vật liệu kỹ thuật điện là môn hỗ trợ cho các môn học chuyên ngành trong ngành điện, nhằm giúp cho sinh viên và các cán bộ kỹ thuật trong ngàng điện hiểu biết về vật liệu kỹ thuật điện, trên cơ sở đó lựa chọn và sử dụng thích hợp các vật liệu trong quá trình chế tạo và sửa chữa thiết bị điện đồng thời còn đề ra đợc các biện pháp sử dụng và bảo quản tốt các thiết bị điện

II Yêu cầu môn học:

- Nắm đợc các hiện tợng, bản chất các hiện tợng xảy ra trong vật liệu điện khi sử dụng chúng vào những mục đích khác nhau

- Biết đợc tính chất của các vật liệu điện để sử dụng chúng 1 cách thích hợp, đáp ứng đợc yêu cầu kỹ thuật và phù hợp với điều kiện vận hành

- Biết cách bảo quản vật liệu điện, bảo quản các thiết bị điện nhằm tăng tuổi thọ của chúng

III Tính chất môn học:

Môn học Vật liệu kỹ thuật điện giúp cho sinh viên giải thích đợc lý do sử dụng các loại vật liệu kỹ thuật điện trong các thiết bị điện và đánh giá đợc u nhợc

điểm của các vật liệu tác dụng đó

IV Quan hệ với các môn học khác:

Môn học Vật liệu kỹ thuật điện có liên quan trực tiếp với những môn học có nội dung thiết kế, chế tạo các chi tiết, các bộ phận và các kết cấu thiết bị điện

V Các sách tham khảo:

- Vật liệu Kỹ thuật điện – NXB KHKT - 1975 - Dịch từ nguyên bản tiếng Nga N.P Bôgôrôdixki, V.V Paxncôv, B.M Tarêep

- Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp – Khoa ĐHTC -1972

- Vật liệu Kỹ thuật điện – NXB KHKT - 2001– Nguyễn Xuân Phú và Hồ Xuân Thanh

- Vật liệu Kỹ thuật điện – NXB KHKT - 2004– Nguyễn Đình Thắng

Chơng 1: Vật liệu dẫn điện 1.1 Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện

Tất cả các vật thể tuỳ theo tính chất điện của nó có thể nằm trong nhóm điện

môi, điện dẫn hoặc bán dẫn Sự khác nhau giữa chúng có thể chỉ ra trên đồ thị năng

lợng theo lý thuyết phân vùng năng lợng của vật rắn

Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng

các nguyên tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lợng xác định khác nhau

Khi nguyên tử ở trạng thái bình thờng không bị kích thích thì mỗi lớp vỏ điện tử

ứng với một trạng thái năng lợng xác định (1 số trong các mức năng lợng đợc các

điện tử lấp đầy) còn ở các mức năng lợng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt

khi nguyên tử nhận năng lợng từ bên ngoài (trạng thái bị kích thích nếu nguồn kích

2-Vùng đầy điện tử.

3-Mức năng lượng kích thích

của nguyên tử 4-Vùng tự do.

5-Vùng cấm

Do sự phân vùng năng lợng mà tạo nên tính chất điện của vật chất.

+ Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng lợng tự do nằm kề nhau hoặc chồng lên nhau một phần Vì vậy chỉ cần một tác

động rất nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái

Nguồn kích thích có thể là năng lợng của chuyển động nhiệt, năng lợng ánh sáng (quang năng), năng lợng cơ học (cơ năng), năng lợng của các tia sóng ngắn hay tia Rơnghen hoặc điện năng.

Số lợng các điện tử tự do hoặc các lỗ hổng trong một chất tăng lên sẽ làm tăng độ dẫn điện, tăng cờng độ dòng điện, xuất hiện cờng độ điện trờng.

Vật liệu dẫn điện có thể là vật rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định

có thể là thể khí

- Kim loại là vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm:

Vật liệu điện dẫn cao: Dùng làm dây dẫn, cáp, dây quấn máy biến áp

Vật liệu điện trở cao: Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: Biến trở,

đèn sợi đốt, điện trở mẫu

- Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Các kim loại nóng chảy và các dung dịch điện phân

- Vật liệu dẫn điện ở thể khí: Tất cả khí và hơi, nếu cờng độ điện trờng vợt quá trị số tới hạn đủ để ion hoá do va chạm thì có thể trở thành vật dẫn

* Phân theo tính chất:

- Vật dẫn loại 1: Có điện dẫn bằng điện tử (kim loại rắn và lỏng)

- Vật dẫn loại 2: Có điện dẫn bằng ion (dung dịch điện phân)

- Vật dẫn loại 3: Có điện dẫn bằng điện tử và ion (khí và hơi kim loại khi ờng độ điện trờng vợt quá trị số tới hạn)

c-1.2 Cấu tạo kim loại và hợp kim

Các nguyên tố kim loại đều là những nguyên tố d và f một số các nguyên tố s và

p Chiếm 84 nguyên tố trong 107 nguyên tố ở bảng hệ thống tuần hoàn

Đa số các nguyên tố kim loại có số electron hoá trị là 1,2,3,4 nên nguyên tử dễ nhờng electron để trở thành cation

Kim loại đợc xem nh 1 hệ thống cấu tạo từ các ion (+) nằm trong môi trờng các

điện tử tự do chung Lực hút giữa các ion (+) và điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại

Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại đợc giải thích bằng sự dịch chuyển và trợt lên nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng.

Đa số các kim loại hoá trị đơn đợc kết tinh thành mạng lục giác hoặc lập

ph-ơng.

1.3 Các tính chất chung của kim loại và hợp kim:

1.3.1 Tính dẻo

Khi tác động một lực đủ lớn lên miếng kim loại và hợp kim nó bị biến dạng Sự biến dạng này là do các cation trong kim loại trợt lên nhau, nhng không rời nhau vì giữa chúng có lực liên kết tĩnh điện giữa các electron tự do và các cation trong mạng kim loại hoặc hợp kim

1.3.2 Tính dẫn điện

Nối một đoạn dây kim loại hoặc hợp kim với một nguồn điện, các electron đang chuyển động hỗn loạn trở nên chuyển động thành dòng trong dây dẫn Đó là sự dẫn

điện trong kim loại và hợp kim

Khi nhiệt độ kim loại hay hợp kim càng cao thì tính dẫn điện càng kém

Những kim loại, hợp kim khác nhau thì tính dẫn điện cũng khác nhau chủ yếu là do mật độ các electron tự do của chúng không giống nhau

VD: Tính theo độ dẫn điện của Hg thì Ag là 49; Cu là 46; Au là 35,5; Al là 26;Trong cùng một điều kiện kim loại nguyên chất dẫn điện tốt hơn hợp kim của chúng

b

a a

a

a a

F- Lục giác Hình hộp

Các tính chất chung trên của kim loại và hợp kim chủ yếu là do các electron tự

S: tiết diện của vật dẫn

I = n0.S.u.E.e => J = n0.u.E.e = γ.E

γ = n0.u.e là điện dẫn suất của vật dẫn

- Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất là điện trở suất của vật dẫn điện

Một số kim loại khi chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng có điện trở suất tăng lên, nhng cũng có vài kim loại lại giảm điện trở khi nóng chảy (Bitmút, Gali và ăng ti moan)

Điện trở suất của kim loại nóng chảy sẽ tăng lên nếu thể tích của chúng ở trạng thái nóng chảy lớn hơn ở thể rắn và ngợc lại Biến dạng dẻo thờng làm tăng

điện trở suất của kim loại vì nó làm xô lệch mạng tinh thể Biến dạng nén sẽ làm giảm điện trở suất Với hợp kim: tạp chất và sự phá hoại cấu trúc kim loại đều làm tăng điện trở suất

Nếu vật dẫn có tiết diện không đổi S và độ dài l thì: ρ = R.S/l (Ω.mm2/m)

Với [S] = mm2 và [l] = m Trong hệ SI: [ρ] = Ω.m

1Ω.m = 10 6Ω.mm 2 /m = 10 6 àΩ.m

1.4.2 Tính siêu dẫn:

ở nhiệt độ thấp điện trở suất của kim loại trở nên rất nhỏ Theo lý thuyết thì

điện trở suất của kim loại thuần khiết có thể coi bằng 0 ở nhiệt độ không tuyệt đối (O0K = - 2730C), khi đó chúng đạt tới trạng thái siêu dẫn Nhng ở 1 số kim loại và hợp kim đến gần nhiệt độ không tuyệt đối điện trở của chúng giảm mạnh và ở nhiệt

độ cao hơn độ không tuyệt đối chúng chuyển sang trạng thái siêu dẫn

Nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn Các nguyên tố T 0 K Các nguyên tố T 0 K

Nhôm Môlipđen Kẽm Titan

1,2 1 0,88 0,4

Mặt khác: Tồn tại 1 trị số tới hạn của từ trờng phá hoại hiệu ứng siêu dẫn mà với kim loại thuần khiết trị số này không lớn

Đã chế tạo đợc 1 số kim loại có nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn

t-ơng đối cao mà vẫn giữ đợc tính siêu dẫn ngay trong từ trờng mạnh và khi dòng

điện lớn chạy qua Điều đó mở ra khả năng chế tạo nam châm kích thớc nhỏ có ờng độ từ trờng lớn khi ngâm vào Hêli lỏng (4,2 0 K)

Với a: hệ số thực nghiệm (2,1.10-8 ữ 2,8.10-8); γ: điện dẫn suất

Thuyết điện tử cho rằng: Khi trao đổi điện tử giữa các phần kim loại nóng và lạnh mà không có điện trờng sẽ có quá trình truyền động năng từ phần vật dẫn nóng sang phần vật lạnh hơn Nghĩa là có hiện tợng dẫn nhiệt Nh vậy cơ chế dẫn

điện và nhiệt cùng phụ thuộc mật độ và chuyển động của các điện tử.

1.4.4 Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt điện động:

Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc giữa chúng phát sinh hiệu điện thế tiếp xúc

Nguyên nhân là do công thoát điện tử của các kim loại khác nhau và mật độ điện

tử khác nhau.

Trong đó: UA và UB là điện thế tiếp xúc kim loại A và B

noA và n0B là nồng độ điện tử trong kim loại A và B

Nếu nhiệt độ của 2 kim loại bằng nhau thì tổng hiệu điện thế trong mạch kín bằng 0 Nhng nếu nhiệt độ của chúng là T1 và T2 thì sẽ phát sinh sức nhiệt điện

động:

UAB = ( )

oB

oA 2

1

n

nlne

TT

n

nlne

kT

+ U A - U B +

oA

oB 2

n

nlnekT

= ( )

oB

oA 2

1

n

nlne

TT

Ngời ta dùng 2 dây dẫn có sức nhiệt điện động lớn và có

quan hệ tuyến tính với nhiệt độ để đo nhiệt độ tạo thành cặp

nhiệt ngẫu

Trong các dụng cụ đo nên sử dụng kim loại và hợp kim có sức nhiệt điện động nhỏ

so với đồng để không gây sai số khi đo.

1.4.5 Tính chất cơ học của vật dẫn:

Là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên kim loại Đặc trng bởi

độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm, độ chịu mỏi

1.5 nhận dạng các Vật liệu điện dẫn cao:

Độ dẫn điện giảm nhanh khi hàm lợng tạp chất trong đồng tăng Có tạp chất làm giảm cơ tính làm xấu khả năng gia công, là nguyên nhân gây vỡ phôi khi cán nóng, nứt giòn khi biến dạng nguội Có tạp chất tơng tác với đồng làm thành hợp chất

T2

T1

mV B

A

hoá học (Ôxy) làm xấu khả năng gia công biến dạng nguội của đồng và ở nhiệt độ cao sẽ làm đồng trở nên giòn (400 0 C) Trong các trờng hợp có liên quan đến hàn thì không cho phép dùng đồng có lẫn O 2

Đồng dùng làm vật dẫn điện ở Liên xô có nhãn hiệu M1 và MO:

+ Đồng M1 có 99,9% Cu, các tạp chất khác 0,01%, lợng ôxy < 0,08%.

+ Đồng MO có 99,95% Cu, tạp chất < 0,05%, ôxy < 0,02% Loại này thu đợc nhờ chế độ nấu đặc biệt và có tính cơ học tốt hơn, có thể kéo thành sợi mảnh.

- Khi kéo nguội sẽ đợc đồng cứng (MT): Thờng dùng ở những nơi cần độ bền cơ đặc biệt cao, cứng và chống mài mòn, làm phiến góp máy điện, ở chỗ tiếp xúc làm thanh dẫn thiết bị phân phối

Đồng cứng có giới hạn bền cao, độ giãn dài nhỏ khi kéo, có độ cứng và độ đàn hồi khi uốn.

- Đồng mềm (Đồng ủ - MM): Nung nóng đến vài trăm độ sau đó làm nguội

Đồng mềm tiết diện tròn và hình chữ nhật chủ yếu làm lõi cáp và các cuộn dây là nơi không cần giới hạn bền kéo lớn

Đồng mềm tơng đối dẻo, độ cứng nhỏ, độ bền không lớn nhng độ giãn dài rất lớn và điện dẫn suất cao.

Nhợc điểm của đồng: Điện dẫn suất rất nhạy với tạp chất ở trong đồng, với gia công cơ khí và sự xử lý nhiệt

VD: 0,5% tạp chất là Zn, Cd, Ag thì điện dẫn suất giảm 5% nhng nếu tạp chất là Ni,Sn, Al thì sẽ giảm 25 ữ 40%.

Sự dát mỏng hay sự kéo nguội sẽ làm giảm điện dẫn của đồng Khi dây dẫn

có đờng kính nhỏ hơn 1mm, thì điện dẫn sẽ giảm đồng thời với sự giảm của đờng kính.

Sự thay đổi điện dẫn tuỳ theo nhiệt độ nung nóng trở lại (ủ nhiệt):nung giữa

200 - 300 0 C sẽ có điện dẫn suất nhỏ hơn nhiều so với giữa 400 - 500 0 C.

Thông thờng đồng có 2 loại ôxit tạo thành những lớp xếp chồng lên nhau: CuO có màu hơi đen ở bên ngoài và nó là 1 lớp ngăn cách điện; Cu 2 O có màu đỏ son ở ngay trên mặt đồng và là chất bán dẫn điện ôxy sẽ xâm thực vào đồng ở nhiệt độ ≥

70 0 C song lớp ngoài của đồng sẽ làm chậm sự xâm thực Sự ôxy hoá của đồng chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất cao.

b Hợp kim của đồng:

* Theo tính chất và công dụng, hợp kim đồng đợc phân thành các nhóm:

- Hợp kim đúc và hợp kim biến dạng.

Đồng đúc ít đợc sử dụng vì nó có bọt khí xuất hiện khi đúc và lỗ chỗ.

- Nhóm có thể hoá bền bằng nhiệt luyện và nhóm không có đặc điểm này

* Theo thành phần hoá học: có 2 nhóm chính

- Đồng thau (Latông): Là hợp kim đồng kẽm trong đó kẽm ≤ 46% Nó có độ giãn dài tơng đối khá cao, độ bền kéo và điện trở suất cao hơn đồng tinh khiết Đợc dùng để sản xuất mọi chi tiết dẫn điện Có thể phân thành: đồng thau dùng để đúc, dùng để cán mỏng, dùng để hàn gắn

Với Latông: ký hiệu L rồi lần lợt Cu, Zn sau đó là các nguyên tố hợp kim nếu

có Các con số đứng sau mỗi ký hiệu nguyên tố chỉ hàm lợng trung bình theo %

t-ơng ứng của nó VD: L Cu Zn40 Pb2: latông chứa 40%Zn, 2%Pb còn lại là Cu Một số nguyên tố hợp kim thông dụng: Pb, Zn, Al, Mn

Pb (chì với hàm lợng nhỏ 0,4 ữ3%): Cải thiện tính cắt gọt nhờ dễ làm gãy phôi và giảm ma sát.

Al: Nếu Al có tỷ lệ 2% sẽ làm tăng sức bền cơ khí và độ cứng đồng thời sức bền hoá học, tạo vật liệu đồng nhất.

Mn: làm tăng cơ tính và tăng khả năng chống ăn mòn.

Thiếc: làm tăng sức bền cơ và tạo sự vững bền đối với sự ăn mòn nhất là nớc biển Nếu >25% thì lớp bảo vệ của ôxit kẽm sẽ tạo nên trên mặt vật liệu càng nhanh khi nhiệt độ càng lớn.

- Đồng thanh (Brông): Là hợp kim của đồng với 1 lợng nhỏ thiếc, Si, P, Mg,

Cr Nó có độ bền cơ và điện trở suất lớn hơn đồng tinh khiết, đợc dùng để chế tạo

lò xo dẫn điện, vòng cổ góp điện, dây dẫn

Với Brông: ký hiệu B rồi lần lợt Cu, Sn sau đó là các nguyên tố hợp kim VD:

B Cu Sn4 Zn4 Pb2,5.

Cho cađimi vào sẽ làm giảm điện dẫn suất nhng độ bền cơ và độ cứng tăng nhiều Sự có mặt của ôxy làm tăng tính dễ gẫy: nếu tỷ lệ > 0,9% Cu 2 O trên bề mặt của đồng thì sẽ giảm sức bền cơ của đồng.

Đồng thanh dùng làm dây dẫn cần chịu đợc sức bền khi ăn mòn.

Với những kết cấu máy điện phải chịu quá tải điện và sực bền cơ lớn, ta dùng đồng thanh với tỷ lệ 0,3 - 0,1% Cr và 0,1% Ag.

1.5.2 Nhôm và hợp kim của nhôm:

a Nhôm:

Là kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần, có màu bạc trắng Hệ số nhiệt độ giãn nở dài của nhôm lớn hơn đồng Nhng nhôm kém đồng cả về độ bền cơ cũng nh các đặc tính điện Khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện Các tạp chất cũng làm giảm

điện dẫn của nhôm

- Nếu so sánh giữa nhôm và đồng cùng tiết diện, cùng chiều dài thì điện trở dây nhôm lớn hơn dây đồng 1,68 lần Nếu cùng chiều dài và cùng điện trở thì tiết diện dây nhôm lớn hơn đồng 1,68 lần Nếu có các đặc tính điện giống nhau, truyền dòng

điện có cờng độ nh nhau thì dây nhôm chỉ nhẹ bằng 1/2 dây đồng và bị nung nóng

ít hơn.

- Nhôm bị ôxy hoá mạnh tạo nên màng ôxy hoá mỏng có điện trở lớn Lớp màng này bảo vệ nhôm khỏi bị ăn mòn nhng tạo nên điện trở lớn ở chỗ tiếp xúc các dây nhôm và không thể hàn nhôm bằng phơng pháp thông thờng (dùng thuốc bột đặc biệt hay mỏ hàn siêu âm) Tuy nhiên lớp ôxit tự nhiên này rất mỏng (vài ăngstrôm) nên khả năng chống ăn mòn kém Ngời ta tạo ra lớp màng ôxit dày hàng chục micrônmet có khả năng bảo vệ cao nhờ kỹ thuật Anôt hoá.

- ở chỗ tiếp xúc giữa nhôm và đồng xảy ra ăn mòn điện hoá Dới tác dụng của hơi

ẩm trong vùng tiếp xúc sẽ phát sinh cặp pin cục bộ có trị số cao và có dòng điện đi

từ nhôm sang đồng Kết quả là dây nhôm có thể bị phá huỷ vì bị ăn mòn nhanh Nhôm bị tác dụng mạnh bởi Cl trong không khí tạo nên những lỗ nhỏ xung quanh lớp bọc và làm hỏng bề mặt dây dẫn điện Nớc biển có ảnh hởng xấu đến nhôm cũng nh dung dịch xút giặt quần áo.

Hợp kim nhôm đúc dùng để đúc các chi tiết có hình dạng và công dụng khác nhau

TCVN quy định hợp kim nhôm ký hiệu nh sau: bắt đầu là nhôm, các nguyên tố hợp kim chính, các nguyên tố hợp kim phụ Các con số chỉ hàm lợng % đặt sau ký hiệu

tơng ứng VD: Al Mg5 → hàm lợng MG là 5% Nếu là hợp kim đúc có thêm chữ Đ

ở cuối: Al Si12 Mg1 Cu2 Mn0,6 Đ.

Các chất Zn, Fe, Si, Cu, Mg sẽ làm tăng sức bền cơ khí khi kéo nhôm.

Xử lý nhiệt và nhiệt độ có ảnh hởng đến tính chất cơ của nhôm Mức độ ảnh hởng phụ thuộc vào độ tinh khiết của kim loại, thời gian và nhiệt độ nung nóng

ở các đờng dây dẫn điện trên không khí khoảng cách giữa các cột lớn ngời ta dùng hợp kim nhôm có độ bền cơ cao hơn nhôm tinh khiết Phổ biến là dây nhôm lõi thép

Trong ruột là lõi thép xoắn lại, bên ngoài là nhôm Loại dây này có độ bền cơ do lõi thép quyết định, còn tính dẫn điện do nhôm.

Hợp kim dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn là hợp kim của nhôm với Mg (0,3

- 0,5%); silic (0,4 - 0,7%) và sắt (0,2 - 0,3%) Dây dẫn loại này có độ bền gấp 2 lần dây nhôm thông thờng

Nhôm đúc dùng trong rôto lồng sóc đòi hỏi hợp kim với mangan vì chúng có

điện trở tăng và ổn định đến nhiệt độ quá 200 0 C tức là đảm bảo độ ổn định của

điện trở rôto trong quá trình làm việc (điện trở suất khoảng 0,03 Ωmm 2 /m).

Nối cáp nhôm có thể dùng phơng pháp đúc: 2 đầu cáp đợc đa vào 1 khuôn tháo lắp

đợc Sau đó rót nhôm nóng chảy với nhiệt độ 850 - 900 0 C khi nguội thì tháo khuôn ra.

1.5.3 Sắt:

- Thép (sắt công nghệp) là kim loại rẻ tiền, dễ kiếm nhất

Nó có độ bền cơ cao nhng điện trở suất lớn Dòng xoay chiều trong thép gây nên hiệu ứng bề mặt đáng kể Vì vậy điện trở của dây thép đối với dòng xoay chiều cao hơn đối với dòng 1 chiều Ngoài ra dòng xoay chiều còn gây ra tổn thất từ trễ.

Để làm dây dẫn thờng dùng thép mềm có 0,1 - 0,15% cácbon có điện dẫn suất nhỏ hơn đồng 6 - 7 lần Chỉ dùng làm đờng dây trên không tải công suất nhỏ.

- Thép làm vật liệu dẫn điện dới dạng thanh dẫn, đờng ray tàu điện, dây chống sét

và trang thiết bị nối đất Khi dùng làm dây dẫn hay thanh góp ở dòng 1 chiều cần phải có thật ít tạp chất vì tạp chất sẽ làm giảm điện dẫn Đối với dòng xoay chiều tỷ

lệ cácbon phải tăng hơn (0,1 - 0,15%) để giảm tổn thất

Chỉ dùng dây dẫn sắt trong trờng hợp năng lợng điện có giá thành hạ (năng lợng cấp từ nhà máy thuỷ điện) hay trong những lới điện có công suất rất bé (lới

điện nông thôn không quan trọng) vì tổn thất năng lợng nhiều.

Cũng có thể dùng để chế tạo các điện trở phát nóng với nhiệt độ đến 300 -

5000C hay làm biến trở khởi động và điều chỉnh Sắt tinh khiết (chế tạo bằng điện phân) đợc sử dụng để chế tạo các điện cực anôt (điện cực dơng) ở các chỉnh lu với

bể thuỷ ngân

Khả năng chống ăn mòn của thép yếu: ở nhiệt độ bình thờng và nhất là khi

độ ẩm cao nó bị gỉ nhanh Khi nhiệt độ cao tốc độ ăn mòn nhanh vì vậy bề mặt dây thép thờng đợc mạ 1 lớp bảo vệ (Zn).

1.5.4 Các hợp kim điện trở cao:

a Manganin: Là hợp kim gốc đồng (với 12%Mn, 2%Ni) dùng phổ biến trong các

dụng cụ đo điện và điện trở mẫu (nhiệt độ làm việc ≤ 600C với điện trở và khoảng

3000C với biến trở)

Nó là hợp kim có sắc vàng, đợc kéo thành sợi mảnh đờng kính 0,02 mm và sản xuất thành tấm mỏng 0,01 ữ 1mm rộng 10 ữ 300 mm Manganin cần chế độ nhiệt luyện đặc biệt (ủ ở nhiệt độ 350 - 550 0 C trong chân không sau đó làm nguội)

b Conxtantan:

Là hợp kim 60% đồng - 40% niken, dùng để sản xuất dây biến trở và dụng cụ

đốt nóng bằng điện có nhiệt độ làm việc không quá 4000C

Có thể kéo thành sợi và cán thành tấm nh Manganin Khi đốt nóng đến nhiệt độ tơng đối cao trên bề mặt sẽ tạo màng ôxít có tính cách điện.

c Hợp kim Crôm - Niken:

Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: thiết bị nung, lò điện, mỏ hàn Chịu đợc nhiệt độ cao, khả năng chống ôxy hoá tốt

d Hợp kim Crôm - nhôm:

Là hợp kim rẻ tiền dùng trong các thiết bị nóng bằng điện công suất lớn và lò

điện công nghiệp Hợp kim này cứng và giòn, khó kéo thành sợi và thành băng dài

1.5.5 Than kỹ thuật điện:

Dùng làm chổi than của máy điện, các điện cực đèn chiếu, điện cực các lò

điện và các bể điện phân Từ than có thể làm các điện trở có trị số cao, cái phóng

điện cho mạng thông tin và dùng cả than trong kỹ thuật chân không

Đặc tính điện cực than Loại điện

cực

Khối lợng riêng

Hàm ợng tro,

l-Giới hạn bền nén,

Giới hạn bền kéo,

Điện trở suất,

g/cm 3 % kg/cm 2 kg/cm 2 Ωmm 2 /m Than

Graphit hoá

1,5 2

5-12 0,03- 0,3

Nguyên liệu sản xuất than kỹ thuật điện có thể dùng bồ hóng, than chì hay than gầy tự nhiên Các thanh điện cực đợc chế tạo bằng cách nghiền nguyên liệu với chất dính kết - nhựa than đá hay đôi khi là thuỷ tinh lỏng - ép qua miệng phun Có thể chế tạo hình dạng phức tạp bằng khuôn ép Phôi than đi qua quá trình nung và chế độ nung sẽ quyết định dạng của cácbon trong sản phẩm ở nhiệt độ cao cacbon chuyển sang dạng Graphit, do đó quá trình này gọi là graphit hoá

Chổi than của các máy điện đợc nung ở 8000C Chổi điện Graphit hoá nung

đến 22000C Các điện cực than làm việc ở nhiệt độ cao đợc nung ở nhiệt độ rất cao,

định cao đối với tác dụng của nhiệt độ và độ ẩm.

Điều chế cácbon nhiệt phân bằng phân tích nhiệt không có ôxy (nhiệt phân) của các khí Hyđrôcacbon các loại (mêtan, benzen ) Nếu đặt sẵn các lõi điện trở bằng thuỷ tinh hoặc bằng gốm trong buồng nhiệt phân, ta sẽ có lớp cácbon bám vào và tạo thành điện trở không dây.

1.5.6 Một số kim loại khác:

a Vonfram:

Là kim loại rắn rất nặng, màu xám Nó có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong các kim loại, bị ôxy hoá ở nhiệt độ 700 0 C Sợi Vonfram mảnh có tính dẻo, càng giảm chiều dày của nó giới hạn bền kéo càng tăng Nó có thể làm việc ở nhiệt độ cao trong chân không ở điều kiện khí quyển tạo thành màng ôxit.

Dùng làm tiếp điểm Khi đó nó có u điểm: ổn định lúc làm việc, độ mài mòn nhỏ, có khả năng chống tác dụng của hồ quang, không bị dính tiếp điểm Nhợc

điểm: Khó gia công, cần áp lực tiếp xúc lớn để trị số điện trở tiếp xúc nhỏ

Cũng có thể dùng chế tạo điện trở cho các lò điện khi cần thu đợc nhiệt độ cao (16000C) Khi đó ta quấn 1 số vòng dây bằng Vonfram quanh 1 ống chịu nhiệt

đợc nung nóng bằng điện

c Vàng:

Có màu vàng sáng chói, có tính dẻo cao, đợc dùng nh vật liệu tiếp xúc để làm lớp mạ chống ăn mòn, làm điện cực của tế bào quang điện Có thể dùng hợp kim (Au + 20% Cr) làm dây dẫn ở các điện trở trong điện kế vì chúng có hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ bé

d Bạch kim (Platin):

Là kim loại không kết hợp với O 2 và rất bền vững với các thuốc thử hoá học

Nó dễ gia công cơ khí, kéo thành sợi mảnh và tấm mỏng.

Dùng để sản xuất cặp nhiệt ở nhiệt độ làm việc đến 16000C Do độ cứng thấp

nó ít dùng làm tiếp điểm nhng hợp kim của nó lại đợc dùng làm tiếp điểm (Platin- Inđi) Cũng dùng làm điện cực trong các quy trình điện phân hay mạ platin các chi tiết Nhợc điểm là đắt tiền nên chỉ dùng trong những việc quan trọng

e Thuỷ ngân:

Là kim loại duy nhất có trạng thái lỏng ở nhiệt độ bình thờng Nó đợc dùng trong các dụng cụ phóng điện chứa khí vì hơi thuỷ ngân có điện thế ion hoá thấp

Nó có tính bền hoá học tốt, chỉ bị ôxy hoá ở nhiệt độ gần nhiệt độ sôi.

Nó cũng dùng làm tiếp điểm trong các rơle, chế tạo đèn chỉnh lu thuỷ ngân, làm điện cực thuỷ ngân khi đo tính chất điện của các điện môi rắn

1.5.7 Chất hàn:

Là hợp kim đặc biệt dùng khi hàn Nó đợc chọn theo kim loại đợc hàn, theo yêu cầu độ bền cơ, độ chống ăn mòn Khi hàn các bộ phận dẫn điện phải chú ý đến

điện dẫn của chất hàn (chất hàn cứng: Đồng - kẽm, mềm là chì - thiếc)

Chất hàn mềm nhiệt độ nóng chảy đến 400 0 C;

Chất hàn cứng nhiệt độ nóng chảy đến 500 0 C;

1.5.8 Chất giúp chảy:

Là vật liệu để giúp mối hàn đợc đảm bảo

Chúng cần phải:

+ Hoà tan, khử ôxit và chất bẩn ở bề mặt kim loại đợc hàn.

+ Bảo vệ bề mặt kim loại trong quá trình hàn, cũng nh chất hàn nóng chảy khỏi bị ôxy hoá.

+ Giảm lực căng mặt ngoài chất hàn nóng chảy.

+ Cải thiện tính chảy và dính của chất hàn với bề mặt đợc nối.

Chơng 2: Vật liệu cách điện 2.1 KháI niệm chung về vật liệu cách điện

2.1.1 Tầm quan trọng của vật liệu cách điện.

Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện Chúng

đợc dùng để tạo ra cách điện bao quanh những bộ phận dẫn điện trong các thiết bị

điện và tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau Nó chỉ cho dòng điện đi theo những con đờng mà sơ đồ quy định Vật liệu cách điện còn đợc dùng làm điện môi công tác trong các tụ điện

Nếu không có vật liệu cách điện thì sẽ không thể chế tạo đợc bất kỳ 1 loại thiết bị nào

Tuỳ thuộc vào các trờng hợp sử dụng vật liệu điện phải đáp ứng đợc nhiều yêu cầu khác nhau Ngoài những tính chất về điện thì những tính chất cơ, nhiệt, lý hoá khác cũng nh khả năng gia công vật liệu để chế tạo thành những sản phẩm cần thiết cũng giữ vai trò to lớn Vì vậy trong những điều kiện khác nhau phải chọn những vật liệu khác nhau

2.1.2 Phân loại:

a Phân theo trạng thái:

Vật liệu cách điện đợc phân loại theo các dạng: Khí, lỏng, rắn Ngoài ra còn có vật liệu hoá rắn Trớc khi đa vào sản xuất chất cách điện chúng là chất lỏng, sau khi

chế tạo xong chúng là chất rắn (sơn và các chất hỗn hợp)

b Phân theo bản chất hoá học:

Vật liệu cách điện vô cơ và hữu cơ

Chất hữu cơ: Những hợp chất chứa các bon, H 2 , O 2 , N 2

Chất vô cơ: Có thể có Si, Al, các kim loại

+ Cách điện hữu cơ có tính cơ học đáng quý là tính dẻo, đàn hồi tuy nhiên chúng có độ bền nhiệt thấp

Cách điện hữu cơ đợc ứng dụng rộng rãi vì có thể tạo đợc thành dạng sợi, màng mỏng và các sản phẩm có hình dạng khác nhau.

+ Cách điện vô cơ thờng giòn, không có tính dẻo và đàn hồi Chế tạo phức tạp nhng có độ bền nhiệt cao

Tuy công nghệ chế tạo phức tạp nhng chúng đợc dùng trong những chất cách điện phải làm việc ở nhiệt độ cao.

+ Ngoài ra còn có những vật liệu có tính trung gian giữa vô cơ và hữu cơ: đó

là những vật liệu hữu cơ nhng trong phân tử của chúng có chứa cả những nguyên tố

đặc trng cho vật liệu vô cơ: Si, Al, P

c Phân theo khả năng chịu nhiệt:

vật liệu đợc phân thành các cấp Y, A, E, B, F, H, C Việc phân cấp theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép có ý nghĩa thực tiễn quan trọng

2.2 tính chất chung của vật liệu cách điện.

2.2.1 Tính hút ẩm của vật liệu cách điện:

Khi lựa chọn vật liệu cách điện với 1 mục đích cụ thể cần phải chú ý tới tính chất điện của nó trong những điều kiện bình thờng và cả độ ổn định của các tính chất ấy khi có tác động của độ ẩm, nhiệt độ và các tia phóng xạ Tuổi thọ của cách

điện trong điều kiện nhiệt đới phụ thuộc vào khả năng của các vật liệu đợc bảo vệ

về hoá học chống sự tạo thành nấm mốc, côn trùng

a Độ ẩm của không khí:

- Không khí luôn chứa 1 lợng hơi nớc nhất định

- Độ ẩm tuyệt đối của không khí: Đợc đánh giá bằng khối lợng (m) của hơi nớc chứa trong 1 đơn vị thể tích không khí (m3)

Độ ẩm tuyệt đối cần thiết để gây bão hoà không khí tăng mạnh theo nhiệt độ tức là áp suất của hơi nớc tăng lên.

ứng với mỗi nhiệt độ xác định, không khí không thể chứa 1 lợng nớc lớn hơn vì nó

sẽ rơi xuống dới dạng sơng.

- Tác động của độ ẩm làm giảm tính chất điện của điện môi

Đặc biệt ở nhiệt độ (30 ữ 40 0 C) và khi ϕkk có trị số cao ≈ 98 ữ 100% làm cho

điều kiện vận hành của các máy điện và thiết bị điện trở nên nặng nề.

Độ ẩm cao của không khí làm ảnh hởng đến điện trở bề mặt của điện môi

Để bảo vệ chống tác động của độ ẩm cho điện môi rắn cực tính ngời ta phủ lên chúng 1 loại dầu không dính nớc Khả năng dính nớc hoặc chất lỏng khác của

điện môi đợc đặc trng bởi góc biên dính nớc θ của giọt nớc đổ lên bề mặt phẳng của vật liệu.

Mẫu vật liệu cách điện để trong điều kiện độ ẩm và

nhiệt độ nhất định của môi trờng xung quanh sau 1 thời

gian dài không hạn định sẽ đạt đến 1 trạng thái cân bằng độ

ẩm nào đó Hình vẽ biểu sự biến đổi độ ẩm của mẫu vật

liệu ψ khi hút ẩm (đờng 1) và khi sấy khô (đờng 2)

Nếu mẫu vật liệu tơng đối khô thì nó sẽ hút ẩm của môi trờng và độ ẩm tăng dần cho đến khi cân bằng độ ẩm của môi trờng (đờng 1) Nếu mẫu vật liệu có độ

ẩm lớn hơn độ ẩm ψcb thì độ ẩm của mẫu sẽ giảm xuống cho đến giá trị ψcb

- Giá trị ψcb tơng ứng với độ ẩm tơng đối ϕkk của không khí

Trị số độ ẩm cân bằng ψcb của những mẫu vật liệu khác nhau ở cùng 1 độ ẩm tơng đối ϕkk của không khí có thể rất khác nhau.

Việc xác định độ ẩm của vật liệu cách điện rất quan trọng để chọn những

điều kiện thử nghiệm các tính chất điện của vật liệu

Đối với vật liệu hút ẩm mạnh mà thu nhận và giao hàng lại tiến hành theo trọng lợng thì việc xác định độ ẩm rất quan trọng để tính toán chính xác số lợng vật liệu.

Đối với vật liệu dệt còn dùng khái niệm độ ẩm quy ớc tơng ứng với độ ẩm cân bằng của vật liệu khi để nó trong không khí ở điều kiện bình thờng.

Cấu tạo và bản chất hoá học có ảnh hởng quyết định đến tính hút ẩm của vật liệu: Các vật liệu xốp nhiều, đặc biệt là các vật liệu sợi, hút ẩm mạnh hơn vật liệu cấu tạo đặc

Việc xác định độ hút ẩm theo sự tăng trọng lợng của mẫu không phản ánh hoàn toàn mức độ biến đổi tính chất điện của vật liệu đó khi bị ẩm.

θ > 90 0

θ < 90 0

(1 )

(2 )

ψC

B

t

ψ

Nếu hơi ẩm hút vào tạo nên sợi và màng mỏng theo chiều dày cách điện mà lớp màng và sợi này có thể xuyên qua toàn bộ hay 1 phần đáng kể của khoảng cách giữa các điện cực thì chỉ cẩn 1 lợng hơi ẩm rất nhỏ hút vào cũng làm xấu tính chất

điện đi rất nhiều Nếu hơi ẩm phân bố theo thể tích vật liệu dới dạng tạp chất nhỏ riêng biệt không nối với nhau thì ảnh hởng của hơi ẩm đến tính chất điện ít hơn nhiều.

Khi điện áp là xoay chiều, tgδ tăng lên rõ rệt khi vật liệu bị ẩm, hằng số điện môi cũng tăng theo nhng ít nhạy hơn Vì thế ngời ta thờng đoán về tính hút ẩm theo

độ tăng của điện dung của mẫu dới tác dụng của hơi ẩm

c Tính thấm ẩm:

Là khả năng cho hơi nớc đi qua của vật liệu cách điện Đặc điểm này rất quan trọng khi đánh giá chất lợng của các vật liệu dùng để sơn phủ bảo vệ Phần lớn các vật liệu đều thấm ẩm qua các lỗ xốp rất nhỏ và có độ ẩm đo đợc:

h

SPP

m = Π 1 − 2 Với: m: Lợng hơi ẩm (microgam)

t: Thời gian (giờ)S: Diện tích mặt phẳng (cm2)h: Chiều dày lớp vật liệu cách điện (cm)

P1, P2: áp suất ở 2 phía của vật liệu (mmHg)

Π: Độ thấm ẩm của vật liệu đang xét

Riêng có thuỷ tinh, gốm đã nung kỹ và kim loại là có độ thấm ẩm thực tế = 0.

d Cải thiện sự thấm ẩm và hút ẩm:

Để làm giảm độ thấm ẩm và hút ẩm của vật liệu cách điện xốp ngời ta dùng biện pháp tẩm

Việc tẩm chỉ làm sự hút ẩm của vật liệu cách điện chậm lại bởi các phân tử của chất tẩm có kích thớc rất lớn so với kích thớc phân tử nớc nên không có khả năng bịt kín các lỗ xốp đợc, còn với các lỗ nhỏ nhất của vật liệu thì các phân tử chất tẩm lại không chui vào đợc.để khắc phục vấn đề này ngời ta dùng phơng pháp tẩm sấy chân không.

ở các điện môi hữu cơ thờng có nấm mốc phát triển và huỷ hoại Nấm mốc làm xấu điện trở suất mặt của điện môi, tăng tổn thất và giảm độ bền cơ của chất cách

điện, gây ăn mòn các bộ phận kim loại tiếp xúc với nó.

Để chống nấm mốc ngời ta thêm vào thành phần của các vật liệu cách điện hữu cơ chất Fungixit hoặc phủ lên chất cách điện lớp sơn chứa Fungixit

2.2.2 Tính chất cơ học của điện môi:

Các chi tiết bằng vật liệu cách điện luôn luôn chịu tác động của phụ tải cơ học nên độ bền cơ của vật liệu và khả năng không bị biến dạng bởi các lực cơ học

Sự chảy dẻo rất tai hại nếu vận hành yêu cầu phải duy trì lâu dài hình dáng

Phơng pháp đánh giá khả năng của vật liệu chống lại tác động của phụ tải

động là thí nghiệm uốn va đập (xác định ứng suất dai va đập) Trong nhiều trờng hợp ngời ta thờng kiểm tra khả năng vật liệu cách điện chịu tác động rung lâu dài tức là những dao động lặp lại có tần số và biên độ xác định Cách kiểm tra này th- ờng tiến hành cho các thành phẩm.

đơn vị đo và xếp theo độ cứng tăng dần nh sau:

Hoạt thạch - 1; thạch cao - 1,4; CaCO 3 - 10; Florit(CaF 2 )- 27; Apatit - 44; Thạch anh - 1500; Kim cơng - 5.000 000)

Độ cứng có thể xác định theo độ chống xớc của nó: chất có độ cứng <2 có thể làm xớc bằng móng tay; độ cứng <5 - bằng dao thờng; độ cứng <7 - bằng dũa.

Đối với vật liệu hữu cơ: Xác định bằng phơng pháp Brinel và phơng pháp con lắc của Cuznexôp Phơng pháp Brinel hay dùng nhất là dùng một lực nhất định P ép một hòn bi thép đã tôi có đờng kính D vào mẫu Đo vết lõm đợc chiều sâu h hoặc đ- ờng kính d của vết lõm Độ cứng tìm đợc là:

2D

PDh

P

−

−π

Là đặc tính quan trọng của vật liệu cách điện lỏng và nửa lỏng

Độ nhớt động lực học η hay còn gọi là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng

w

Ae

=η

A: Hằng số đặc trng cho chất lỏng: 3

fl

kT6

A =

f: tần số giao động nhiệt của phân tử = 1012 - 1013 s-1

l: khoảng cách giữa các phân tử

W: Năng lợng kích thích tính bằng công chuyển phân tử từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác

T: Nhiệt độ

2.2.3 Tính chất nhiệt của điện môi:

a Tính chịu nóng: Độ bền chịu nóng là khả năng của vật liệu và các chi tiết chịu

đựng không bị h hại trong 1 thời gian ngắn cũng nh lâu dài tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ

Đối với điện môi vô cơ: Độ bền chịu nóng đợc xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện (tgδ tăng hay điện trở suất giảm) Nó đợc đánh giá bằng trị

số nhiệt độ (0 0 C) xuất hiện sự biến đổi này.

Đối với điện môi hữu cơ: Độ bền chịu nóng xác định theo điểm bắt đầu biến dạng cơ học khi nung nóng điện môi.

Cũng có thể xác định độ bền chịu nóng theo các đặc tính điện.

Nhiệt độ chớp nháy: Là nhiệt độ của chất lỏng mà khi nung nóng chất lỏng

đến nhiệt độ đó hỗn hợp hơi của nó với không khí sẽ bốc cháy khi đa lửa vào gần

Nhiệt độ cháy: Là nhiệt độ cao hơn mà khi đa ngọn lửa lại gần bản thân chất lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy

Điều này cần chú ý khi đánh giá chất lợng của dầu MBA và các dung môi

để sản xuất sơn cách điện.

Nhiệt độ làm việc cho phép cao nhất đợc giải quyết trên cơ sở độ bền chịu nóng của vật liệu có chú ý đến hệ số dự trữ Hệ số này phụ thuộc vào điều kiện làm việc, mức độ an toàn cần thiết và tuổi thọ chất cách điện.

Sự giảm xấu chất lợng cách điện chỉ có thể phát hiện đợc khi nhiệt độ cao tác

động lâu dài do các quá trình hoá học diễn ra một cách chậm chạp gọi là sự hoá già nhiệt chất cách điện VD: ở màng sơn và xen lu lô: tăng độ rắn và giòn, tạo thành vết nứt Ngoài ra, tốc độ hoá già còn chịu ảnh hởng của áp suất không khí, nồng độ ôxy, các chất phản ứng hoá học làm nhanh hoặc chậm quá trình hoá già.

Khả năng nâng cao nhiệt độ làm việc của chất cách điện rất quan trọng trong thực tế Trong máy điện và thiết bị điện, việc nâng cao nhiệt độ cho phép nhận đợc công suất cao hơn khi kích thớc không đổi, hoặc nếu giữ nguyên công suất thì có thể giảm kích thớc, trọng lợng và giá thành của thiết bị

Nâng cao nhiệt độ làm việc đặc biệt quan trọng đối với các động cơ kéo và cầu trục, với các thiết bị điện trên máy bay mà nhiệm vụ giảm kích thớc và trọng lợng

đặt lên hàng đầu Ngoài ra còn liên quan đến các biện pháp phòng cháy và phòng

Cấp Y: bao gổm các vật liệu sợi gốc xenlulô và tơ(vải, sợi, giấy, gỗ )cha dợc ngâm tẩm trong vật liệu cách điện lỏng.

Cấp A: Là các vật liệu cấp Y đã đợc ngâm tẩm (giấy tẩm, vải tẩm, nhựa pôlyamit ).

Cấp E: Các loại Y, A, E gồm chủ yếu là vật liệu thuần tuý hữu cơ: 1 số vật liệu cách điện hữu cơ (cao su, polystyrol ) có độ bền chịu nóng còn thấp hơn loại Y không đợc đa vào phân loại VD: Với loại Y gồm các vật liệu gốc xenlulô và tơ nếu chúng không đợc ngâm tẩm; nhng nếu chúng đợc ngâm tẩm chúng sẽ thuộc loại A Các loại có độ bền chịu nóng cao hơn chứa thành phần vô cơ nhiều hơn: VD loại C gồm các vật liệu vô cơ thuần tuý, không có thành phần kết dính hoặc tẩm:

ôxy nhôm, mi ca

b Tính chịu băng giá: (độ bền chịu lạnh)

Là khả năng chất cách điện làm việc không bị giảm độ tin cậy vận hành ở nhiệt độ thấp (-60 ữ -70oC)

Thờng ở nhiệt độ thấp tính chất điện của vật liệu cách điện tốt hơn nhng cũng có nhiều vật liệu dẻo và đàn hồi sẽ trở nên giòn và cứng ở nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho sự làm việc của chất cách điện.

c Độ dẫn nhiệt:

Đặc trng bởi nhiệt dẫn xuất γN và có ý nghĩa quan trọng vì nhiệt toả ra do tổn thất công suất trong chất cách điện đợc truyền ra môi trờng xung quanh qua nhiều lớp vật liệu khác nhau Độ dẫn nhiệt ảnh hởng đến độ bền điện khi xuyên thủng nhiệt và ảnh hởng đến độ bền của vật liệu với xung nhiệt

So với kim loại thì trị số γN của vật liệu cách điện rất nhỏ Vật liệu cách điện xốp có lẫn tạp chất không khí có γN nhỏ nhất Điện môi kết tinh có γN cao hơn điện môi không định hình γN phụ thuộc 1 phần vào nhiệt độ.

d Sự giãn nở nhiệt của điện môi:

Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ:

dt

dll

Fenolfomandehit và các chất dẻo có độn khác

Tấm chất dẻo clorua polivinyl Poliêtylen

25 - 70

70 100

Hữu cơ

2.2.4 Tính chất hoá học của điện môi:

Đây là tính chất rất đáng chú ý vì độ tin cậy của vật liệu phải đợc đảm bảo khi làm việc lâu dài

Không bị phân huỷ để giải thoát ra những sản phẩm phụ và không ăn mòn các kim loại tiếp xúc với nó Không phản ứng với các chất khác.

Khi sản xuất các chi tiết có thể gia công vật liệu bằng các phơng pháp hoá công khác nhau: dính đợc, hoà tan đợc trong dung dịch thành sơn

Độ hoà tan của vật liệu rắn đánh giá bằng khối lợng vật liệu chuyển sang dung dịch trong 1 đơn vị thời gian từ 1 đơn vị diện tích tiếp xúc giữa vật liệu với dung môi Ngoài ra có thể đánh giá theo nồng độ của dung dịch bão hoà

Dễ hoà tan nhất là các chất có bản chất hoá học gần với dung môi và chứa các nhóm nguyên tử giống nhau trong phân tử VD: chất lỡng cực dễ hoà tan trong chất lỏng lỡng cực Chất trung hoà dễ tan trong chất lỏng trung hoà

Khi tăng mức trùng hợp thì độ hoà tan giảm.

Khi tăng nhiệt độ thì độ hoà tan thờng tăng lên.

2.2.5 Tính chịu tác động của bức xạ năng lợng cao:

Trong kỹ thuật hiện đại có thể gặp những điều kiện sử dụng thiết bị điện mà trong đó thiết bị chịu tác động của bức xạ hạt nhân hoặc sóng năng lợng cao Khi

đó điều quan trọng là phải biết độ bền bức xạ.

Độ bền bức xạ là mức độ bền vững của vật liệu đối với tác động bức xạ, mức

độ duy trì tính chất điện và cơ của chúng

Bức xạ năng lợng cao có thể sử dụng trong quá trình công nghệ để tạo ra vật liệu mới có những tính chất quý giá đối với thực tế, VD: nâng cao độ chịu nóng hoặc đối với việc tổng hợp các vật liệu mới

Sự hấp thụ phóng xạ trong vật liệu phụ thuộc vào bản chất vật liệu và chất ợng của chính sự phóng xạ Khi gặp bề mặt vật liệu năng lợng phóng xạ giảm theo mức độ thấm vào chiều sâu vật liệu.

l-Sự khuyếch tán năng lợng phóng xạ xảy ra chủ yếu do ion hoá (hiệu ứng quang bên trong) và kích thích các nguyên tử khi năng lợng rất lớn do sự biến đổi hạt nhân Một phần năng lợng tiêu tốn để tách các nguyên tử hoặc ion giữa các nút, làm xuất hiện trong mạng các lỗ khuyết và các trung tâm khuyết tật.

Tác động của bức xạ có thể dẫn đến hàng loạt các biến đổi phân tử và phản ứng hoá học Khi bức xạ lâu dài hoặc với cờng độ rất mạnh các chất bị bức xạ đều

bị phân huỷ

Các vật liệu bền vững với bức xạ phải có 2 thuộc tính:

+ Khả năng hấp thụ năng lợng mà không bị ion hoá 1 cách quá đáng

+ Khả năng tạo mối liên kết kép với mức độ lớn hơn phá huỷ mối liên kết đó

Dới tác dụng của bức xạ chất trùng hợp có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái cấu tạo khác.

Thực tế cho thấy tất cả các tính chất điện, cơ, hoá, lý đều có thể bị biến đổi do bức xạ Độ bền điện của điện môi dới ảnh hởng của bức xạ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo các quá trình diễn ra trong vật liệu

2.3 Các yếu tố ảnh hởnh đến độ cách điện

2.3.1 Khái niệm về sự đánh thủng điện môi: Mỗi điện môi nằm trong điện trờng

sẽ mất thuộc tính cách điện nếu cờng độ điện trờng vợt quá trị số giới hạn cho phép gọi là hiện tợng đánh thủng điện môi hay còn gọi là hiện tợng phá huỷ độ bền điện của nó

Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi đợc gọi là điện áp đánh thủng và trị số tơng ứng của cờng độ điện trờng gọi là cờng độ điện trờng đánh thủng hoặc cờng độ cách điện của điện môi

h là chiều dày điện môi (cm, mm)

Đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng Vật liệu cách điện thể khí hoặc thể lỏng chỉ bị xuyên thủng trong giây lát, còn cách điện thể rắn bị phá huỷ vĩnh viễn, không sử dụng lại đợc.

ở 1 số vật liệu cách điện, điện áp đánh thủng tăng tỷ lệ thuận với chiều dày cách

điện Nhng ở phần lớn vật liệu cách điện thì không có quan hệ tỷ lệ thuận, mà điện

áp đánh thủng tăng chậm hơn bề dày Nói cách khác, cách điện mỏng hơn thì chịu

đợc điện áp lớn hơn hay cách điện càng dày thì độ bền cách điện càng nhỏ.

2.3.2 Những yếu tố ảnh hởng đến độ bền cách điện.

a Điện môi khí

- Thực tế sự đánh thủng chất khí thờng xảy ra tức thời Khoảng thời gian chuẩn bị

đánh thủng khí khi độ dài khoảng khí bằng 1 cm là 10-7ữ 10-8s

*) Phụ thuộc vào hình dạng điện cực và khoảng cách giữa chúng.

+ Độ bền cách điện của không khí đối với bán kính của điện cực trong điện trờng hình trụ, theo biểu thức Peeck: E = 21 + 7/ r , KV/cm với r là bán kính điện cực, cm Còn các dạng điện cực khác đợc biểu diễn theo các đờng cong quan hệ

+ Trờng hợp điện cực nhọn đối với điện cực mặt phẳng, tính theo biểu thức Mikhailốp: U = 3,5a + 10 KV đối với điện áp xoay chiều;

U = 5a + 40 KV đối với điện áp xung 1/50;

Trong đó: a là khoảng cách điện cực (cm) và a>10cmThực tế có thể dùng quy tắc sau: đối với điện áp xoay chiều, tần số 50Hz, cứ 1cm khoảng cách không khí có thể chịu đợc 3,2 - 3,5 KV Khoảng cách điện cực a cần thiết để khỏi bị đánh thủng là:

2,3

kV.U

*) Phụ thuộc vào điện áp đặt vào khoảng khí:

- Điện áp đặt vào khoảng khí càng lớn sự đánh thủng càng phát triển nhanh

*) Phụ thuộc vào thời gian tác động:

- Nếu khoảng thời gian tác động của điện áp càng nhỏ thì điện áp đánh thủng sẽ phải tăng lên

*) Phụ thuộc vào độ ẩm không khí:

- Độ ẩm không khí: ít ảnh hởng đến trị số Uđt trong trờng đồng nhất Nhng trong ờng không đồng nhất thì độ ẩm của không khí có ảnh hởng đáng kể: Khi ψkk < 70%

tr-thì không ảnh hởng Khi ψkk tăng thì Uđt tăng lên do các phân tử nớc bắt giữ các

điện tử trong không gian đang di chuyển làm giảm khả năng gây ion hoá

*) Phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trờng

- Hiện tợng đánh thủng khí phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trờng trong

đó xảy ra sự đánh thủng

*) Phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí

Độ bền điện của chất khí phụ thuộc vào mật độ phân tử của nó tức là phụ thuộc vào áp suất nếu nhiệt độ không đổi Khi áp suất cao khí sẽ có mật độ cao, khoảng cách giữa các phân tử nhỏ, do đó độ dài đoạn đờng chuyển động tự do của

điện tử giảm xuống, vì vậy muốn xảy ra hiện tợng đánh thủng cờng độ điện trờng phải lớn hơn Khi áp suất giảm trớc hết cờng độ cách điện giảm xuống; khi áp suất giảm đến 1 giới hạn nào đó nhỏ hơn áp suất khí quyển cờng độ cách điện lại bắt đầu tăng Sự tăng này đợc giải thích bởi số phân tử khí trong 1 đơn vị thể tích giảm xuống khi độ loãng cao và khả năng va chạm của điện tử với các phân tử giảm

ở độ chân không cao hiện tợng đánh thủng là hiện tợng bứt các điện tử ra khỏi bề mặt của điện cực (phát xạ nguội) vì vậy cờng độ cách điện đạt trị số rất cao phụ thuộc vào vật liệu, trạng thái bề mặt của các điện cực.

Trong kỹ thuật thờng ứng dụng để chế tạo các dụng cụ điện chân không sử dụng ở

điện áp lớn và tần số cao.

Nếu nhiệt độ khoảng khí không đổi thì cờng độ đánh thủng của chất khí phụ thuộc vào áp suất: áp suất tăng, độ bền điện của khí tăng do quãng đờng dịch chuyển tự do của điện tích nhỏ nên để xảy ra sự phóng điện thì cờng độ điện trờng phải lớn lên Ngợc lại, khi độ bền của chân không lớn do điện tích di chuyển không gặp sự va chạm nào thì sự ion hoá gần nh không xảy ra

Thực nghiệm chứng tỏ rằng điện áp đánh thủng của chất khí phụ thuộc vào tích số áp suất chất khí và khoảng cách giữa các điện cực (theo định luật Pasen)

Vậy có thể tăng áp suất khí để nâng cao điện áp phóng điện (mức cách điện)

Biện pháp để nâng cao trị số điện áp đánh thủng trong trờng không đồng nhất:

Trong kỹ thuật điện cao áp những thiết bị có cách điện là chất khí không cho phép xảy ra phóng điện chọc thủng hay phóng điện bề mặt Nếu không sẽ phá huỷ thiết bị gây thiệt hại kinh tế và quá trình vận hành hệ thống điện ở áp suất khí quyển, điện trờng phóng điện trong trờng đồng nhất khoảng 30 kV/cm, trờng không

- Sử dụng màn chắn:

Màn chắn làm bằng vật liệu cách điện mà độ bền điện của nó không quan trọng lắm, nó đặt trong khoảng giữa mũi nhọn và mặt phẳng Hiệu quả của màn chắn là làm thay đổi sự phân bố của điện tích không gian và của điện trờng Vị trí của màn chắn cũng ảnh hởng nhiều đến trị số của điện áp đánh thủng

Tóm lại: tác dụng của màn chắn đều có hiệu quả nâng cao điện áp đánh thủng kể cả khi mũi nhọn có cực tính (-) với khoảng cách s’ = (0,75 - 0,8)s Nhng hiệu qủa rõ nhất khi mũi nhọn có cực tính (+) Trong trờng xoay chiều, để nâng cao

Uđt ta vẫn dùng màn chắn (dùng trong thiết bị cao áp có thể tăng cờng cách điện và giảm kích thớc)

Sự phân bố của trờng khi có màn chắn:

+ Khi mũi nhọn có cực tính (+): các ion (+) di chuyển khỏi vầng quang về phía cực bản sẽ bị giữ lại và phân bố trên màn chắn Sự phân bố càng đều khi màn chắn đặt càng xa mũi nhọn Hình thành trờng đồng nhất giữa màn chắn và cực bản vì thế Uđt

tăng lên

+ Khi mũi nhọn có cực tính (-): các ion (-) sẽ phân bố trên màn chắn tạo nên trờng

đồng nhất giữa màn chắn và cực bản Nhng nếu đặt ở vị trí s’ nhỏ thì màn chắn lại làm giảm Uđt so với khi không có màn chắn

Do mũi nhọn và cực bản có mật độ điện tích lớn gần nh dẫn điện, màn chắn

nh là điện cực âm, giữa màn chắn và cực bản có khoảng cách bé

- Biện pháp hạn chế phóng điện: nén áp suất cao dùng trong trờng không đồng nhất hoặc hút chân không

b Điện môi rắn:

Khi điện áp tăng đến 1 trị số nào đó, thì ở cạnh mép của điện cực xuất hiện vầng quang rồi phát triển thành những tia lửa điện bò loằng ngoằng trên bề mặt tấm cách điện Điện áp càng tăng thì tia lửa điện càng dài và cuối cùng nối liền với nhau ở cạnh biên của tấm cách điện, hồ quang điện phóng trên bề mặt của tấm cách điện từ cực này đến cực kia Hiện tợng này là phóng điện bề mặt

Các yếu tố ảnh hởng đến phóng điện bề mặt:

- Tình trạng bề mặt của điện môi rắn.

- Nhiệt độ, áp suất khí (nhiệt độ cao, áp suất giảm thì Upđbm giảm)

- Độ ẩm môi trờng (ψkk tăng thì Upđbm giảm)

- Thời gian tác động của điện áp (thời gian ngắn thì Upđbm tăng) Điều này không chỉ

đúng với bề mặt mà đúng với cả khoảng khí

- Hình dáng của điện cực và sự phân bố của trờng: trong trờng đồng nhất Uđt giảm Trong trờng không đồng nhất Uđt cũngphụ thuộc vào hình dáng điện cực và sự phân

bố của trờng Có 2 dạng phân bố của trờng:

+ Trờng phân bố theo phơng tiếp tuyến (h.a)

+ Trờng phân bố theo phơng pháp tuyến (h.b)

Khi cờng độ điện trờng phân bố pháp tuyến lớn khả năng xuất hiện sự phóng

điện bề mặt sớm hơn so với khi E phân bố theo phơng tiếp tuyến

Trên vùng mép của điện cực khi trờng phân bố theo phơng pháp tuyến lớn ngời ta thấy xuất hiện vầng quang sớm Xuất hiện tia lửa từ điện cực đến cách điện Khi điện áp tăng thì kéo dài tia lửa ra đến vùng điện cực đối diện

* Biện pháp để nâng cao trị số điện áp phóng điện:

- Làm sạch và nhẵn bề mặt

- Tăng chiều dài phóng điện bề mặt và chiều dài rò điện

- Đối với trờng theo phơng tiếp tuyến lớn ngời ta sử dụng cực ngầm Bằng cách này làm cho trờng sẽ tập trung về phía cực ngầm, làm tăng điện áp phóng điện mặt ngoài

- Đối với trờng theo phơng pháp tuyến lớn ngời ta sơn 1 lớp sơn bán dẫn ở khu vực phân bố trờng theo phơng pháp tuyến lớn làm đẳng thế giữa các lớp sơn nên làm giảm trờng phân bố theo phơng pháp tuyến

*) Phóng điện ở điện áp xung:

Thực tế cách điện còn có thể phải chịu tác dụng của loại điện áp xung kích

nh quá điện áp khí quyển gây bởi các phóng điện sét lên đờng dây trên không hoặc khi sét đánh gần khu vực đờng dây Phóng điện xung kích có thể tác động trực tiếp

đến cách điện của thiết bị hoặc có thể lan truyền trên đờng dây đến cách điện của trạm Cờng độ và biên độ của sét khá lớn có thể gây ra sự phóng điện giữa các đờng dây, giữa đờng dây với đất và trên cách điện đầu vào của thiết bị Có thể làm ngắn mạch hoặc gây nên ngắn mạch của hệ thống hoặc h hại đến cách điện bên trong của thiết bị Loại điện áp này có dạng sóng xung kích:

Điện áp tăng nhanh từ không đến trị số cực đại (đầu sóng) và sau đó giảm chậm đến trị số không (đuôi sóng) Hình vẽ cho thấy dạng sóng xung kích và cách xác định độ dài đầu sóng τds và độ dài sóng τs

Do phần đầu của đầu sóng tăng rất chậm và

không có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng

điện nên nó đợc thay thế bằng đầu sóng nghiêng

đẳng trị xác định bởi đờng xiên góc qua các điểm có

tung độ 0,3Umax và 0,9Umax, giao điểm của đờng xiên

này với trục hoành và đờng nằm ngang qua biên độ

cho độ dài đầu sóng τds Độ dài sóng τs tính tới khi

điện áp giảm xuống chỉ còn một nửa trị số biên độ

Quy định này xuất phát từ kết quả thực nghiệm, khi điện áp đã giảm tới mức 50% trị số biên độ sẽ không còn khả năng gây nên phóng điện do đó có thể không cần chú ý đến tình hình ở phần sau của sóng Trị số điện áp phóng điện xung kích phụ thuộc vào dạng sóng - đặc trng bởi độ dài đầu sóng và độ dài sóng - cho nên khi dùng điện áp xung kích để thử nghiệm cách điện cần tiến hành theo dạng sóng thống nhất

Để thử điện áp phóng điện xung kích cho cách điện thì ta dùng 1 thiết bị phát

điện áp xung kích dạng sóng của máy phát tạo ra đợc tiêu chuẩn trên toàn thế giới:

độ dài đầu sóng 1,2/às ± 30 % và độ dài sóng 50/às ± 20 % (ký hiệu sóng τ = 1,2/50) ở Liên xô dùng sóng tiêu chuẩn với độ dài đầu sóng 1,5/às và độ dài sóng 40/às (ký hiệu là sóng 1,5/40).

Dạng sóng cắt: là 1 thành phần của toàn sóng với độ dài sóng ts = 2 ữ 6 às

Trong các phòng thí nghiệm thờng dùng máy phát điện áp xung để tạo nên

điện áp xung kích mà nguyên lý làm việc của nó dựa trên các quá trình nạp và phóng của tụ điện Để có điện cao áp xung kích có thể tiến hành bằng cách dùng nhiều tụ điện, chúng đợc nạp điện song song nhng khi phóng điện lại phóng nối tiếp làm cho điện áp tăng cao theo kiểu nối cấp

Nh vậy nếu dùng n cấp để các tụ điện trong giai đoạn phóng đợc ghép nối tiếp nhau qua các khe hở KH 1 KH 2 thì điện áp xung kích ở đầu máy phát có thể đạt tới mức nU Hiện nay các máy phát điện áp xung kích đã có thể tạo đợc điện áp cao tới 8MV.

a Thời gian phóng điện:

0,5U max

0,1U max

U max

Khi dùng điện áp một chiều hay xoay chiều thì trị số điện áp phóng điện không phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp Bởi vì bản thân quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời gian cần thiết gọi là thời gian phóng điện

Nó rất nhỏ so với chu kì của dòng điện xoay chiều nên thời gian tác dụng của điện

áp (một chiều và xoay chiều) không ảnh hởng tới trị số điện áp phóng điện

Đối với điện áp xung kích, trị số điện áp phóng điện phụ thuộc rất nhiều vào thời gian tác dụng của điện áp, thời gian này càng bé thì điện áp phóng điện càng tăng Nguyên nhân là do bản thân quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời gian cần thiết gọi là thời gian phóng điện Đối với điện áp xung kích, thời gian tồn tại của nó rất ngắn nh loại quá điện áp khí quyển chỉ trong khoảng mấy chục às nghĩa là xấp xỉ với thời gian phóng điện, do đó thời gian tồn tại của điện áp ảnh h-ởng rất lớn đến trị số điện áp phóng điện

Ví dụ: cho tác dụng lên khe hở điện áp có dạng nh trên hình vẽ và giả thiết tại mức điện áp U 0 điều kiện phóng điện tự duy trì đợc thực hiện Trớc thời điểm t 1

và ngay cả ở t 1 cũng cha có thể phóng điện vì trớc hết phải có xuất hiện ít nhất một

điện tử tác dụng ở khu vực âm cực, từ đó tạo nên thác điện tử thứ nhất Điện tử này

có thể đợc tạo nên do sự bắn phá âm cực của các ion dơng luôn có sẵn trong không khí hoặc do các nhân tố ion hoá bên ngoài

Nh vậy quá trình phóng điện không thể bắt đầu

từ thời điểm t 1 mà phải từ thời điểm t 2 = t 1 + t tk trong

đó t tk là thời gian chờ đợi xuất hiện điện tử tác dụng

đầu tiên Vì thời gian này có thể nhanh chậm khác

nhau và chỉ có thể xác định bằng phơng pháp thống kê

nên gọi là thời gian chậm trễ thống kê Quá trình phóng

điện đợc hoàn thành ở thời điểm t 3 = t 2 + t ht trong đó t ht

là thời gian hình thành phóng điện, trong khoảng thời

gian này thác điện tử sẽ phát triển thành dòng để nối

liền khoảng cực và hoàn thành quá trình phóng điện.

Tổng hợp ba thành phần thời gian nói trên sẽ đợc thời gian phóng điện:

tp =t1 +ttk +tht

Hình 4-11: Các thành phần của thời gian phóng điện

tp

Sau đây sẽ xét đến từng thành phần của thời gian phóng điện và các yếu tố

ảnh hởng đến chúng.

b Phóng điện xung kích.

Đối với phóng điện xung kích không

thể biểu thị điện áp phóng điện bằng trị số cố

định mà biểu thị bởi đặc tính vôn - giây -

quan hệ giữa biên độ điện áp tác dụng với

thời gian phóng điện Đặc tính này đợc xác

định bằng thực nghiệm theo sơ đồ:

Nguồn điện áp là máy phát điện xung áp và dùng máy hiện sóng để đo điện áp

và thời gian phóng điện (máy hiện sóng không thể đo trực tiếp mà phải qua bộ phân áp) Xây dựng đặc tính vôn - giây rất công phu và phức tạp Phải dùng dạng sóng nhất định và do tính tản mạn của thời gian phóng điện nên phải tiến hành thí nghiệm nhiều lần cho mỗi cặp trị số U(t).

Hình trên cho kết quả thực nghiệm và cách xây dựng đặc tính vôn - giây của cách điện Hình (a) ứng với các trờng hợp phóng điện xảy ra ở giai đoạn đầu sóng khi điện áp có biên độ lớn còn hình (b) là biên độ bé phóng điện xảy ra ở đuôi sóng ứng với mỗi trị số biên độ điện áp sẽ có nhiều trị số của thời gian phóng điện

và ngợc lại cho nên đặc tính vôn - giây là một khu vực tập hợp nhiều điểm (hình c) Thực tế thờng biểu thị theo đờng cong trung bình có kèm theo giới hạn sai số so với đờng trung bình ấy.

Trong phóng điện xung kích khả năng phóng điện mang tính tản mạn, đợc biểu thị bằng xác suất về số lần phóng điện, phụ thuộc rất nhiều vào biên độ điện áp tác dụng: biên độ càng lớn thì xác suất phóng điện càng cao Trong thực tế thờng dùng các trị số điện áp phóng điện theo các xác suất phóng điện để biểu thị mức cách điện xung kích (khi không xây dựng đợc đặc tính vôn - giây):

MHS KH

t U

- Trị số điện áp phóng điện xung kích 50%, còn gọi là điện áp phóng điện bé nhất (ký hiệu U50 %), là biên độ sóng xung kích khi cho tác dụng nhiều lần sẽ có 50% số lần xảy ra phóng điện Trị số này ứng với đoạn nằm ngang của đờng đặc tính vôn - giây và có thời gian phóng điện khoảng (6ữ10)às.

- Cờng độ xung kích đảm bảo: là giới hạn an toàn của cách điện với xác suất phóng điện bằng không thờng bé hơn điện áp thí nghiệm xung kích khoảng (10ữ30)%

- Cần chú ý là các đờng đặc tính và tham số nói trên có phân biệt theo cực tính của sóng (sóng có cực tính âm hay dơng) Đờng đặc tính vôn - giây cũng có dạng khác nhau khi trờng là đồng nhất hoặc không đồng nhất

Trong trờng không đồng nhất, thời gian phóng điện tăng khi điện áp giảm vì tốc độ hình thành phóng điện giảm thấp do đó đờng đặc tính vôn giây có độ dốc lớn (đờng a)

Trong trờng đồng nhất, thời gian phóng điện

tăng khi điện áp giảm chủ yếu là do thời gian chậm

trễ thống kê tăng, do đó nếu khe hở đợc đặt ngoài

không khí (các điện tử tự do luôn có sẵn do tác dụng

của các nhân tố ion hoá bên ngoài) hoặc có các biện

pháp thích hợp, thời gian chậm trễ thống kê sẽ đợc

rút ngắn vì vậy đờng đặc tính vôn - giây sẽ có dạng

phẳng ngang (đờng b).

Đờng đặc tính vôn - giây có ý nghĩa rất quan trọng trong việc phối hợp cách

điện giữa thiết bị điện và thiết bị bảo vệ cho nó

ở hình vẽ: đặc tính vôn - giây của thiết bị (của cách điện) biểu thị bằng đờng s1

và của thiết bị bảo vệ bằng đờng s2

Có thể nhận thấy ở hình (a) thiết bị

điện sẽ đợc bảo vệ an toàn vì khi có điện

áp tác dụng, thiết bị bảo vệ (s 2 ) sẽ đảm bảo

phóng điện trớc tiên, còn ở hình (b) khi

đ-ờng s 1 có giao chéo với đờng s 2 , hoặc đờng

s 1 lại nằm phía dới đờng s 2 thì thiết bị điện

sẽ không đợc bảo vệ

(a) (b)

Đặc tính vôn giây khi trường

đồng nhất và không đồng nhất a) Trường không đồng nhất b) Trường đồng nhất

U

t

Sự phối hợp về đặc tính vôn-giây trong

bảo vệ cách điện a) Cách điện để bảo vệ an toàn.

s1

s2

U

t (b)

Do đó để bảo đảm an toàn cho cách điện, thiết bị bảo vệ cần phải có đờng

đặc tính vôn - giây hoàn toàn nằm dới đờng đặc tính vôn - giây của cách điện và có dạng phẳng ngang để không xảy giao chéo ở khoảng thời gian bé, thực tế thờng dùng các biện pháp làm đều điện trờng để thiết bị bảo vệ có đặc tính vôn - giây theo yêu cầu trên

c Điện môi lỏng:

Điện môi lỏng ở điều kiện bình thờng có độ bền điện cao hơn chất khí rất nhiều Sự tồn tại tạp chất (nớc, khí, bụi bẩn, các hạt cơ học rất nhỏ ) làm cho hiện tợng đánh thủng chất lỏng rất phức tạp và việc xây dựng lý thuyết chính xác về sự đánh thủng chất lỏng rất khó khăn Sau mỗi lần phóng điện

sẽ sinh ra các tạp chất là muội khói do chất lỏng bị đốt cháy.

* Để giải thích cơ chế đánh thủng chất lỏng ngời ta đa ra 2 lý thuyết:

- Lý thuyết nhiệt: (áp dụng với các điện môi lỏng kỹ thuật) gắn sự đánh thủng điện môi lỏng với sự quá nhiệt cục bộ và sự sôi cục bộ trong chất lỏng và sự nổi bọt ở những chỗ có lợng tạp chất nhiều nhất dẫn đến việc tạo thành 1 cầu bằng khí giữa các điện cực

Khi điện áp tác dụng tăng lên thì lúc đầu sẽ có sự ion hoá trong các bọt khí,

ở phần bọt khí có nhiệt độ và độ dẫn điện tăng, dới tác dụng của trờng nó

sẽ bị kéo dài ra và gây nên phóng điện giữa 2 cực.

- Đối với chất lỏng đã lọc sạch tạp chất ta áp dụng lý thuyết đánh thủng ion hoá nh đối với chất khí Do mật độ phân tử chất lỏng cao hơn nên độ bền của chất lỏng cao hơn chất khí vì trong chất lỏng chiều dài đoạn đờng tự do của điện tử giảm

đi nhiều

- Lý thuyết đánh thủng điện thuần tuý: (điện môi lỏng tinh khiết) gắn hiện ợng đánh thủng với sự bứt các điện tử ra khỏi điện cực kim loại hoặc với sự phân huỷ bản thân phân tử của chất lỏng dới tác dụng của điện trờng mạnh

t-VD: dầu máy biến áp không sạch có E bđ ≈ 4KV/mm; sau khi lọc sạch cẩn thận có E bđ ≈ 20 ữ 25 KV/mm

* Xác định điện áp đánh thủng:

+ Trờng hợp điện trờng đồng nhất hoặc gần đồng nhất (2 điện cực phẳng hoặc điện cực trụ và điện cực phẳng): Uđt = 40a + 25, KV với a là khoảng cách giữa

2 điện cực Biểu thức này đúng với a = 3 ữ 40cm và bán kính điện cực trụ > 2,5cm

+ Trờng hợp điện trờng rất không đồng nhất (giữa 2 điện cực nhọn):

Uđt = 403 a , KV.2

+ Trờng hợp điện cực nhọn và điện cực phẳng:

Uđt = 19.a43, KV với a = 3 ữ 20 cm

* Các yếu tố ảnh hởng đến sự đánh thủng điện môi lỏng:

+ Tạp chất: có ảnh hởng lớn đến độ bền điện của điện môi lỏng, lọc sạch tạp chất độ bền điện tăng rõ rệt Với điện áp xung thì tạp chất ít ảnh hởng tới trị số điện

áp phóng điện vì thời gian tác động của điện áp quá ngắn

Nớc có thể ở trạng thái nhũ tơng (bọc nớc) hay hoà tan: ở trạng thái hoà tan thì cờng độ cách điện giảm không nhiều nhng ở trạng thái nhũ tơng hay tạp chất là các sợi rắn thì điện áp phóng điện giảm nhiều vì các sợi và bọc nớc tạo điều kiện làm cầu nối cho sự phóng điện sớm hơn.

+ Khi nhiệt độ làm việc < 800C thì độ bền điện không phụ thuộc nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng cao điện môi lỏng bị giãn nở nhiệt làm điện áp phóng điện giảm

+ áp suất: điện môi lỏng bình thờng không phụ thuộc áp suất, nếu có chứa bọt khí thì cờng độ cách điện sẽ tăng khi áp suất tăng

+ Thời gian tác động của điện áp tăng thì độ bền điện sẽ giảm Chất lỏng chứa nhiều tạp chất thì càng suy giảm mạnh

Trong quá trình vận hành dới tác dụng của điện trờng, nhiệt độ, ôxy dầu biến áp mất dần tính cách điện ban đầu Nó đổi màu, nồng độ axit tăng Khi vận hành ở nhiệt độ và điện áp càng cao thì khả năng lão hoá càng nhanh Sau mỗi lần thí nghiệm cờng độ cách điện sẽ giảm vì sau mỗi lần phóng điện sẽ sinh ra muội khói trong mẫu thử.

d Sự đánh thủng điện hoá:

Có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi nhiệt độ và độ ẩm không khí cao Dạng

đánh thủng này có thể thấy ở U1c và Uxc tần số thấp khi quá trình điện phân phát triển trong vật liệu làm cho điện trở cách điện bị giảm và không hồi phục đợc Hiện tợng này gọi là sự hoá già điện môi Nó làm cho độ bền điện giảm dần và cuối cùng

điện môi bị đánh thủng ở cờng độ thấp hơn rất nhiều so với khi thí nghiệm

Trớc đây sự hoá già đợc coi là chỉ có ở điện môi hữu cơ (giấy tẩm, cao su) trong đó sự già hoá là do quá trình ion hoá các bọt khí còn lẫn trong nó Quá trình này gắn liền với sự giải thoát khí ôzôn và ô xít nitơ làm cho chất cách điện bị phân huỷ hoá học dần dần Gần đây ngời ta cho rằng hiện tợng hoá già còn có thể xảy ra

ở 1 số điện môi vô cơ (Gốm Titan )

Quá trình phát triển của sự đánh thủng điện hóa cần thời gian dài vì nó liên quan tới hiện tợng dẫn điện Hiện tợng này làm cho 1 lợng nhỏ các hoạt chất hoá học thoát ra hoặc hình thành nên các hợp chất bán dẫn

Trong gốm chứa các ô xít kim loại có hoá trị biến đổi (TiO 2 ) sự đánh thủng

điện hoá thờng gặp hơn trong gốm có các ô xít nhôm, silic, magiê

Sự có mặt của các ôxit kiềm trong gốm nhôm silicat tạo điều kiện để đánh thủng điện hoá và hạn chế nhiệt độ làm việc cho phép Vật liệu chế tạo điện cực có tác dụng lớn đối với hiện tợng đánh thủng điện hoá quan sát ở điện áp 1 chiều và xoay chiều tần số thấp trong điều kiện nhiệt độ cao hay không khí có độ ẩm cao

Bạc có khả năng khuếch tán vào gốm làm cho sự đánh thủng điện hoá thêm

dễ dàng Vàng thì ngợc lại.

2.3.3 Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hởng đến sự hoá già của vật liệu cách

điện:

- Chủ yếu là nhiệt, phụ tải nhiệt Tốc độ của phản ứng hoá học tăng với nhiệt

độ theo hàm số mũ, thậm chí còn lớn hơn Sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng

- Tác dụng của những tác dụng hoá học từ bên ngoài hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp có ảnh hởng đến qúa trình hoá già của vật liệu cách điện Những tác dụng hoá học tác động đến vật liệu cách điện có thể phát sinh từ:

+ Những vật liệu cách điện gần bên (sơn tẩm, dầu ) hay vật liệu điện cực.+ Môi trờng bao quanh vật liệu cách điện (chất bẩn thể khí, sản phẩm sinh ra

từ phóng điện vầng quang, khí ôzon, ẩm )

Tác dụng hoá học có thể làm giảm mà cũng có thể làm tăng tuổi thọ của vật liệu cách điện VD: 1 số hoá chất có thể làm tăng tuổi thọ của dầu biến áp, vì chúng ngăn cản quá trình ôxy hoá của dầu Vật liệu tẩm sấy ảnh hởng rất lớn đến tuổi thọ của cách điện Tuổi thọ của cách điện bọc dây dẫn cũng chịu ảnh hởng của vật liệu dây dẫn: cách điện emay bọc dây nhôm có tuổi thọ cao gấp nhiều lần so với emay bọc dây đồng.

- Những tác dụng cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành cũng ảnh hởng đến sự hoá già của vật liệu cách điện

* Những quá trình hoá học chủ yếu gây nên sự hoá già của vật liệu cách điện:

- Sự ôxy hoá: ôxy hoá làm cho trong vật liệu cách điện sinh ra những hoá

chất mang tính axit, những chất này làm suy giảm tính chất điện của cách điện và

đẩy nhanh quá trình hoá già bằng tác dụng xúc tác Những sản phẩm của quá trình

ôxy hoá dễ bay hơi sinh ra, và khi chúng thoát đi thì gây nên sự co ngót của cách

điện

- Sự trùng hợp: Chủ yếu trong nhựa tổng hợp Sự trùng hợp tiếp tục xảy ra cả

trong quá trình hoá già, tính chất điện nhờ đó đợc cải thiện nhng tính cơ học lại giảm mạnh (vật liệu giòn hơn) từ đó những thông số điện bị suy giảm theo

- Sự khử trùng hợp: chỉ xảy ra mạnh ở nhiệt độ cao Nó gây nên sự đứt vụn

của những dây chuyền phân tử, làm cho những thông số điện và cơ của vật liệu bị suy giảm nhanh chóng Nhiệt độ nóng chảy của cách điện bị giảm sự khử trùng hợp

có thể xảy ra khi có và không có ôxy

- Sự thuỷ phân: những phân tử nớc làm cho cấu trúc của phân tử bị lỏng lẻo,

vật liệu sẽ kém chịu đựng hơn đối với những tác dụng hoá học và dễ bị khử trùng hợp

- Sự bay hơi: Những sản phẩm làm mềm hoặc dễ bay hơi còn lại trong vật

liệu khi thoát đi sẽ làm cho vật liệu bị giòn, bị co ngót, do đó tính chất cơ bị suy giảm

- Sự đánh thủng nhiệt: Sự đánh thủng điện nhiệt (đánh thủng nhiệt) thực

chất là sự nung nóng vật liệu trong điện trờng đến nhiệt độ làm vật liệu bị nứt phồng hoặc phá huỷ nhiệt, liên quan tới sự tăng quá mức điện dẫn rò hoặc tổn thất điện môi

Trị số điện áp xảy ra đánh thủng nhiệt và cờng độ đánh thủng trung bình của

điện trờng tính theo điện áp đó có thể đặc trng cho vật cách điện chế tạo từ điện môi đó.

Trái với đánh thủng điện vì cờng độ đánh thủng chỉ đặc trng cho bản thân vật liệu.

- Trị số Uđt nhiệt liên quan tới tần số của trờng, điều kiện làm mát, nhiệt độ môi ờng xung quanh và phụ thuộc vào tính chịu nhiệt của vật liệu

tr-Cùng điều kiện ngoài nh nhau thì điện môi hữu cơ có U đt nhiệt thấp hơn điện môi vô cơ vì độ bền nhiệt của chúng nhỏ hơn.

Để cho nhiệt độ của vật cách điện không vợt quá trị số tới hạn (nếu cao hơn vật cách điện sẽ bị phân huỷ nhiệt) cần phải xác định đúng đắn điện áp cho phép

Có rất nhiều cách để xác định tuy nhiên các phơng pháp tính toán nhiệt theo phơng pháp phân tích trong hàng loạt trờng hợp không phản ánh hết các quy luật phức tạp xác định quá trình toả nhiệt trong điện môi và toả ra môi trờng xung quanh.

2.4 Chất điện môi

2.4.1 Điện môi khí:

Trớc tiên ta cần phải nhắc đến không khí Nó thờng tham gia vào các thiết bị

điện và giữ vai trò nh vật liệu cách điện hỗ trợ thêm cho các vật liệu cách điện rắn hoặc lỏng Hay là tạo nên 1 lớp cách điện duy nhất giữa các dây dẫn trần của đờng dây tải điện trên không.

Khi tiến hành tẩm chất cách điện nếu không cẩn thận thì trong cách điện ấy sẽ

có những bọt không khí, làm giảm chất cách điện vì khi chất này làm việc ở điện áp cao thì chúng sẽ thành những ổ phát sinh vầng quang.

Trong những điều kiện nh nhau (nhiệt độ, áp suất, hình dáng của điện cực, khoảng cách giữa chúng ) các chất khí khác nhau có độ bền khác nhau Ngoài không khí ra ngời ta còn dùng N2, H2, khí trơ làm chất cách điện

Ta xét tới số chất khí khác đáng đợc quan tâm trong việc ứng dụng vào

kỹ thuật điện Khi so sánh đặc tính của không khí và các khí khác ta quy ớc lấy đặc tính của không khí làm đơn vị.

H2 là 1 chất khí nhẹ Dùng làm mát thay không khí trong các máy điện sẽ giảm đợc tổn thất công suất do ma sát của rôto với chất khí và do quạt gió gây ra

Do không có tác dụng ôxy hoá (vì không có ôxy) nên dùng H2 làm chậm sự hoá già chất cách điện hữu cơ trong dây quấn máy điện và loại trừ khả năng hoả hoạn trong trờng hợp bị ngắn mạch bên trong máy điện Do vậy dùng H2 làm mát cho phép tăng công suất và hiệu suất của máy điện Tuy nhiên để tránh không khí lọt vào máy (H2 hỗn hợp với O2 của không khí theo tỷ lệ nhất định sẽ gây nổ) phải duy trì

áp suất trong máy cao hơn áp suất khí quyển

N2 đôi khi đợc dùng thay cho không khí để lấp đầy tụ điện khí vì có đặc tính

điện gần giống không khí

Khí điện (êlêga-SF6) có độ bền điện lớn hơn không khí 2,5 lần Nó không

độc, chịu đợc tác dụng hoá học, không phân huỷ khi đốt nóng tới 800oC Đặc biệt ở

áp suất cao êlêga có những u điểm rất lớn Chỉ 1 lợng nhỏ êlêga lẫn vào không khí cũng làm tăng độ bền điện của nó lên rất nhiều, điều đó đợc ứng dụng vào 1 số thiết

bị điện cao áp

Ngoài ra còn có các loại khí trơ nh neon, acgon cũng nh hơi thuỷ ngân có

độ bền điện thấp đợc dùng để lấp đầy các dụng cụ chứa khí, các bóng đèn Một số khí là các hyđrôcacbon flo hoá (CF4, C2F6 - hecxafloetan) cũng có độ bền điên cao hơn không khí

2.4.2 Điện môi rắn

- Kết cấu:

Vật liệu hữu cơ cao phân tử có tầm quan trọng đặc biệt Đó là các hợp chất của các bon (C) với các nguyên tố khác.

Các bon có khả năng tạo ra các hợp chất hoá học với nhiều loại cấu trúc phân

tử rất khác nhau Nó tham gia vào sự tạo thành các chất có khung phân tử hình chuỗi xích, hình nhánh hoặc mạch vòng Khung ấy chỉ gồm có các nguyên tử các bon hoặc là có các nguyên tố khác dính vào giữa các nguyên tử các bon đó.

Cấu trúc phân tử có ảnh hởng chính đến những tính chất của các chất hữu cơ Một số vật liệu cách điện hữu cơ là những chất thấp phân tử (số nguyên tử hình thành phân tử là 1 vài đến hàng trăm) VD: các hyđrôcacbon của dầu mỏ, Xôvôn Đa

số là chất cao phân tử: số lợng nguyên tử rất lớn (1 phân tử có hàng chục ngàn nguyên tử) VD: các polime

Khối lợng phân tử của các chất này rất lớn và kích thớc hình học của chúng lớn

đến mức không hoà tan đợc hoặc hoà tan thì dung dịch cũng giống hệ keo.

có loại không thể hoà tan đợc Chúng cũng không thể tạo ra sợi dệt và màng mỏng

đợc

* Theo tính chất nhiệt:

- Loại nhiệt dẻo: khi nhiệt độ thấp thì ở trạng thái rắn, khi bị nung nóng thì hoá dẻo và dễ biến dạng Khi nguội đi chúng rắn trở lại và không gây nên sự biến

đổi không phục hồi tính chất của chúng Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp Vật liệu nhiệt dẻo thờng là các pôlime mạch thẳng

- Loại nhiệt cứng: khi bị nung nóng thì biến đổi tính chất không phục hồi đợc

nh trở nên rắn lại, không hoá dẻo và không hoà tan Vật liệu nhiệt cứng thờng là các pôlime không gian hoặc polime chuyển sang cấu trúc không gian khi bị đốt nóng

* Theo tính hút ẩm và các tính chất điện:

- Loại có phân tử trung hoà: ít hút ẩm, tgδ bé, độ bền cơ học không cao

- Loại có phân tử cực tính: tính hút ẩm nhiều hơn, tính chất điện kém hơn

nh-ng độ bền cơ cao hơn

2.4.3 Điện môi lỏng:

- Đợc dùng nhiều trong kỹ thuật điện Nó có công dụng chính:

+ Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây và giữa cuộn dây với vỏ máy biến áp, làm tăng độ bền

điện của lớp cách điện lên rất nhiều

+ Tăng cờng sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép MBA sinh ra

+ Ngoài ra còn dùng trong các máy cắt dầu cao áp

Ngời ta dập hồ quang điện giữa các đầu tách rời nhau trong dầu hoặc trong khí có

áp suất cao (khí này cũng do dầu sinh ra do tác dụng của nhiệt độ cao của hồ quang) làm nguội dòng hồ quang và nhanh chóng dập tắt nó.

Thông thờng nhựa có tính kết dính và khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn nhựa sẽ gắn chặt vào vật rắn tiếp xúc với nó Nhựa là thành phần quan