Bài giảng vật liệu điện nghề điện công nghiệp

Hướng dẫn về vật liệu kỹ thuật điện, lựa chọn vật liệu trong quá trình sữa chữa, chế tạo thiết bị điện. Bảo quản tốt thiết bị điện. 1. Vật liệu dẫn điện: kim loại, hợp kim 2. Vật liệu cách điện 3. Vật liệu từ

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

- Giỏo trỡnh Vật liệu điện – Nguyễn Đỡnh Thắng – NXB Giỏo Dục

VI Nội dung mụn học:

Gồm 3 chơng:

- Chơng 1: Vật liệu dẫn điện

- Chơng 2: Vật liệu cách điện

- Chơng 3: Vật liệu từ

Ch ơng 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,

dẫn điện 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

Sơ đồ phân bố mức năng lợng riêng biệt và của vật rắn phi kim loại nh sau:

Điện môi Bán dẫn Vật dẫn

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

Vùng các mức năng lượng tự do

2-Vùng đầy điện tử.

3-Mức năng lượng kích thích

của nguyên tử 4-Vùng tự do.

5-Vùng cấm

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

+Vật liệu cú 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 loại 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 c ờng độ điện trờng vợt quá trị số tới hạn)

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 ờng 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 phơng

b

a

a a

F- Lục giác Hình hộp

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

1.3.1Tính dẻo:

Khi tác động một lực đủ lớn lên miếng kim loại hoặc 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

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

1.4 Các yếu tố ảnh h ởng đến điện dẫn của kim lo ại :

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

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

Tantan Thuỷ ngân Thiếc (trắng)

7,2 4,48 4,15 3,7

Nhôm Môlipđen Kẽm Titan

1,2 1 0,88 0,4

1.4.3 Nhiệt dẫn suất (λ):

Nhiệt dẫn suất có liên quan đến điện dẫn suất của vật dẫn Vật liệu dẫn điện tốt thì cũng dẫn nhiệt tốt Liên quan giữa chúng: = aT

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

Cơ chế dẫn điện và nhiệt cùng phụ thuộc mật độ và chuyển động của các điện tử

1.4.4 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,

1.5 Nhận dạng các Vật liệu c ú 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 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 (4000C) Trong các trờng hợp có liên quan đến hàn thì không cho phép dùng đồng có lẫn O2

- 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

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

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

- 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

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:

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

- 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 Tuy nhiên lớp ôxit tự nhiên này rất mỏng nên khả năng chống ăn mòn kém Ngời ta tạo ra lớp màng ôxit dày hàng chục micrômet(μm) 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 Kết quả là dây nhôm

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

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 2000C tức là đảm bảo độ ổn định của điện trở rôto trong quá trình làm việc (điện trở suất khoảng 0,03 Ωmm2/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 - 9000C 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 cú 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 - 5500C 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

t-ơng 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 g/cm 3

Hàm lợng tro,%

Giới hạn bền nén, kg/cm 2

Giới hạn bền kéo, kg/cm 2

Điện trở suất,

Ωmm2 /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, đến

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

d Bạch kim (Platin):

Là kim loại không kết hợp với O2 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

Ch ơng 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 đ-ờng 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, H2, O2, N2

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

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

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 tr-

ng 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)

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

Đặc biệt ở nhiệt độ (30 ữ 400C) 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, ngời ta phủ lên 1 loại dầu không dính nớc

Đối với vật liệu hút ẩm mạnh thì việc xác định độ ẩm rất quan trọng để tính toán chính xác số lợng vật liệu.

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

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

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 sấy

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 có ý nghĩa thực tế lớn

a Độ bền đứt, nén, uốn:

Một số vật liệu (chất nhiệt dẻo) đợc đặc trng bởi khả năng biến dạng khi tác

động lâu dài phụ tải cơ (hiện tợng chảy dẻo hay chảy nguội)

Sự chảy dẻo rất tai hại nếu vận hành yêu cầu phải duy trì lâu dài hình dáng và kích thớc của vật

Độ bền cơ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ và thờng giảm khi nhiệt

độ tăng Độ bền của vật liệu hút ẩm phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm

Khi nhiệt độ tăng lên và gần đến nhiệt độ làm mềm thì sự chảy dẻo của vật liệu tăng lên mãnh liệt

d Độ nhớt:

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 Độ nhớt động học:

ρ

η

=

ν (ρ là mật độ của chất lỏng) Tất cả các chất không bị biến đổi hoá học khi nung nóng có độ nhớt giảm nhiều khi nhiệt độ tăng

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

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

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

Ngoài ra còn liên quan đến các biện pháp phòng cháy và phòng nổ

Phân loại vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng đối với máy điện, máy biến áp và thiết bị (nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép)

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 h-ởng đến độ bền của vật liệu với xung nhiệt

d Sự giãn nở nhiệt của điện môi:

Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ:

dt

dll

1

α [độ-1] Những vật liệu có hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ nhỏ thờng có độ bền chịu nóng cao và ngợc lại

Điện môi hữu cơ có αl rất cao so với điện môi vô cơ vì vậy các chi tiết chế tạo từ

điện môi vô cơ có kích thớc ổn định cao khi nhiệt độ thay đổi

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

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

2.3 Các yếu tố ảnh h ởng 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 ờng 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

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 10-7 ữ 10-8s

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

- 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

Trong trờng không đồng nhất thì độ ẩm của không khí có ảnh hởng đáng kể

- 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

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

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

- 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 tác dụng của màn chắn có hiệu quả nâng cao điện áp đánh thủng

b Điện môi rắn:

Khi điện áp tăng đến 1 trị số nào đó, thì xuất hiện tia lửa điện trên bề mặt tấm cách điện Điện áp càng tăng thì tia lửa điện càng dài và cuối cùng 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

- Độ ẩm môi trờng

- Thời gian tác động của điện áp …

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…

Phóng điện ở điện áp xung:

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

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

áp xung dạng sóng

Hiện nay các máy phát điện áp xung đã có thể tạo đợc điện áp cao tới 8MV.

a Thời gian phóng điện:

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, 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 quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời gian cần thiết gọi là thời gian phóng điện Đối với điện áp xung, 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 hởng rất lớn đến trị số điện áp phóng điện

b Phóng điện xung kích

Đối với phóng điện xung 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

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

- 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 tợng 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

* 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