Giáo trình vật liệu điện

Khoa học công nghệ ngày một phát triển mạnh mẽ trên thế giới và nước ta hiện nay. Chúng ta cần cung cấp những kiến thức khoa học công nghệ cho công nhân trẻ, những người mong muốn được học tập và nghiên cứu để tiép tục phát triển nền công nghiệp Việt Nam Để đáp ứng nhu cầu cần thiết trên cuốn giáo trình Vật Liệu Kỹ thuật Điện này được biên soạn với sự giúp đỡ, tạo điều kiện của Ban Giám Hiệu và các phòng tổ chuyên môn trong nhà trường Nội dung chính nhằm trình bày những kiến thức cơ bản về vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu từ. Những ứng dụng chủ yếu của vật liệu kỹ thuật điện trong thiết bị, máy điện, khí cụ điện …. và trong các lĩnh vực truyền tải, phân phối và sử dụng máy điện Cuốn giáo trình này trình bày khá chi tiết về các đặc tính của vật liệu kỹ thuật điện, tính chất: cơ lý hoá và các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất này và công nghệ sản xuất, gia công để đạt được những yêu cầu cơ bản của vật liệu kỹ thuật điện và phạm vi ứng dụng cùng với những ưu khuyết điểm của chúng Chúng tôi hi vọng giáo trình này sẽ được sử dụng hữu ích trong việc phát triển khả năng nghề của các học viên tại môi trường làm việc công nghiệp đích thực Trong quá trình biên soạn chắc không tránh khỏi những sai sót. Chúng tôi mong nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc để cuốn giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn. Các ý kiến xin gửi về Khoa Điện Điện tử

Lời nói đầuKhoa học công nghệ ngày một phát triển mạnh mẽ trên thế giới

và nớc ta hiện nay Chúng ta cần cung cấp những kiến thức khoahọc công nghệ cho công nhân trẻ, những ngời mong muốn đợc họctập và nghiên cứu để tiép tục phát triển nền công nghiệp ViệtNam

Để đáp ứng nhu cầu cần thiết trên cuốn giáo trình Vật Liệu Kỹthuật Điện này đợc biên soạn với sự giúp đỡ, tạo điều kiện của BanGiám Hiệu và các phòng tổ chuyên môn trong nhà trờng

Nội dung chính nhằm trình bày những kiến thức cơ bản vềvật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu bán dẫn và vật liệu

từ Những ứng dụng chủ yếu của vật liệu kỹ thuật điện trongthiết bị, máy điện, khí cụ điện … và trong các lĩnh vực truyềntải, phân phối và sử dụng máy điện

Cuốn giáo trình này trình bày khá chi tiết về các đặc tínhcủa vật liệu kỹ thuật điện, tính chất: cơ lý hoá và các yếu tố ảnhhởng đến tính chất này và công nghệ sản xuất, gia công để đạt

đợc những yêu cầu cơ bản của vật liệu kỹ thuật điện và phạm viứng dụng cùng với những u khuyết điểm của chúng

Chúng tôi hi vọng giáo trình này sẽ đợc sử dụng hữu ích trongviệc phát triển khả năng nghề của các học viên tại môi trờng làmviệc công nghiệp đích thực

Trong quá trình biên soạn chắc không tránh khỏi những sai sót.Chúng tôi mong nhận đợc các ý kiến đóng góp của bạn đọc đểcuốn giáo trình ngày càng hoàn thiện hơn Các ý kiến xin gửi vềKhoa Điện - Điện tử

Chơng 1

Khái niệm về vật liệu điện

Mục đích chơng này nhằm đa ra một số kiến thức mangtính chất cơ sở, cơ bản về cấu tạo vật chất của vật liệu trớc khinghiên cứu những vật liệu kỹ thuật điện cụ thể

1 Khái niệm về vật liệu điện

ủi qua chuựng dửụựi taực duùng cuỷa ủieọn aựp moọt chieàu coựtớnh chaỏt khaực haỳn so vụựi daõy daón Khoõng theồ coự moọtmaùch ủieọn naứo duứ ủụn giaỷn nhaỏt cuừng khoõng theồ thửùchieọn ủửụùc neỏu khoõng coự daõy daón vaứ chaỏt caựch ủieọn.Coõng duùng cuỷa chaỏt caựch ủieọn laứ khoõng cho doứng ủieọn

ủi qua nhửừng con ủửụứng maứ sụ ủoà ủieọn khoõng cho pheựp

Moọt vaứi chuùc naờm trửụực ủaõy veà vieọc lửùa choùn vaọt lieọucaựch ủieọn cho thieỏt bũ raỏt ủụn giaỷn Thoõng thửụứng vaọtlieọu caựch ủieọn ủửụùc sửỷ duùng laứ vaọt lieọu thieõn nhieõn: goó,giaỏy, daàu thửùc vaọt, cao su thieõn nhieõn, nhửùa thieõnnhieõnv.v…

Nhửừng naờm gaàn ủaõy yeõu caàu cuỷa vaọt lieọu ủieọn tửỷ ngaứy caứng khaột khe hụn Vieọc taờng ủieọn aựp laứmvieọc cho maựy moực thieỏt bũ, taờng coõng suaỏt,…laứm cho kớchthửụực cuỷa caựch ủieọn taờng theo, ủoàng thụứi taờng coõngsuaỏt treõn ủụn vũ theồ tớch ẹieàu naứy raỏt quan troùng cho caựcthieỏt bũ chuyeồn ủoọng Trong trửụứng hụùp khaực laùi taờngnhieọt ủoọ laứm vieọc cuỷa caựch ủieọn Ngoaứi ra trong kyừ

ủieọn-thuaọt ủieọn tửỷ ụỷ taàn soỏ cao caàn chớnh xaực vaứ oồn ủũnhtheo taàn soỏ cuỷa vaọt lieọu caựch ủieọn Raỏt nhieàu trửụứnghụùp khaực thieỏt bũ ủieọn laùi hoaùt ủoọng ụỷ nhieọt ủoọ raỏtthaỏp hoaởc nhieọt ủoọ laứm vieọc cuỷa thieỏt bũ thay ủoồi ủoọtngoọt, lửùc taực ủoọng cụ hoùc cao, aựp suaỏt lụựn hay coự nhieàutia bửực xaù cao,…Nhửừng taực ủoọng gaõy ra laứm xaỏu tớnhcaựch ủieọn cuỷa thieỏt bũ vaứ ủaồy chuựng vaứo ủieàu kieọnhoaùt ủoọng khoự khaờn hụn daón ủeỏn vieọc tỡm kieỏm, cheỏ taùocaực vaọt lieọu coự tớnh chaỏt toỏt hụn, ủieàu naứy ủoứi hoỷi coõngngheọ cheỏ taùo caực vaọt lieọu coự tớnh chaỏt toỏt hụn, ủieàu naứyủoứi hoỷi coõng ngheọ cheỏ taùo vaọt lieọu mụựi Theo caực coõngtrỡnh nghieõn cửựu caực vaọt lieọu caựch ủieọn coự tớnh chaỏt toỏtnhaỏt laứ caực vaọt lieọu toồng hụùp nhaõn taùo-vaọt lieọu polymecao phaõn tửỷ Ngoaứi ra coứn sửỷ duùng moọt soỏ vaọt lieọu voõ

cụ nhử thuỷy tinh, goỏm sửự,… ẹeồ cheỏ taùo vaọt lieọu ủieọntrong soỏ ủoự coự baựn daón vaứ ủieọn moõi, trong thụứi gianhieọn nay sửỷ duùng nhieàu phửụng phaựp khaực nhau hoaởc ủieàucheỏ hoựa hoùc hay gia coõng nhieọt, ủieọn phaõn,…ủaừ taùo ranhửừng vaọt lieọu mụựi coự caỏu truực raỏt ủa daùng vaứ coựnhửừng tớnh chaỏt cửùc kyứ quớ baựu ẹeồ coự theồ hieồu bieỏt caởnkeừ hụn veà tớnh chaỏt cuỷa vaọt lieọu, ủaàu tieõn chuựng ta phaỷinghieõn cửựu hieọn tửụùng vaọt lyự trong ủieọn moõi dửụựi taựcduùng cuỷa ủieọn trửụứng cuứng caực tham soỏ khaực cuỷa ủieọnmoõi Ngoaứi tớnh chaỏt ủieọn cuỷa vaọt lieọu caàn hieồu bieỏt veàtớnh chaỏt cụ hoùc, tớnh chaỏt hoựa lyự, tớnh chũu nhieọt, tớnh huựtaồm vaứ tớnh beàn vửừng cuỷa vaọt lieọu vụựi dung dũch hoựa hoùcvaứ caực tiabửực xaù,…

Nghieõn cửựu tớnh chaỏt cuỷa vaọt lieọu vaứ caỏu taùo hoựahoùc cuỷa vaọt lieọu laứ cụ sụỷ ủeồ cheỏ taùo nhửừng vaọt lieọumụựi coự tớnh chaỏt caựch ủieọn hoaởc daón ủieọn toỏt hụn

1.2 Cấu tạo nguyên tử của vật liệu

Nh chúng ta đã biết mọi vật chất đợc cấu tạo từ nguyên tử vàphân tử Nguyên tử là phần tử cơ bản nhất của vật chất

Theo nguyên tử Bor nguyên tử đợc cấu tạo bởi các hạt nhânmang điện tích dơng ( gồm proton p và nơtron n) và các điện tử

mang điện tích âm(electron - e) chuyển động xung quanh hạtnhân theo quỹ đạo nhất định.

Hạt nhân nguyên tử đợc tạo nên từ các hạt proton và nơtron.Nơtron là hạt nhân không mang điện tích, còn protron mang

điện tích dơng

q - điện tích của điện tử e (qe = 1,6.10- 19 C)

Prôtron có khối lợng bằng 1,67.10- 27 kg

me = 9,1.10-31 kg

ở trạng thái bình thờng nguyên tử đợc trung hoà về điện, tức

là trong nguyên tử có tổng số các điện tích dơng của hạt nhânbằng tổng các điện tích âm của các điện tử, nếu vì một lý donào đó nguyên tử bị mất đi một hay nhiều điện tử thì sẽ trởthành điện tích dơng(ta thờng gọi là iôn dơng) ngợc lại nếunguyên tử trung hoà nhân thêm điện tử thì trở thành iôn âm

Để có khái niệm về năng lợng của điện tử ta xét

nguyên tử của Hyđrô (H), nguyên tử này đợc cấu tạo

từ một prôton và một điện tử e (Hình 1-1)

Khi điện tử chuyển động trên quy đạo tròn bánkính

r xung quanh hạt nhân thì giữa hạt nhân và điện

tử e có 2 lực:

Lực hút (lực hớng tâm): f1 = 22

r q

Lực ly tâm: f2 =

r

mv2

Trong đó: m - là khối lợng của điện tử

v - là tốc độ chuyển động của điện tử

ở trạng thái trung hoà, hai lực này sẽ cân bằng nhau

cho điện tử để nó trở thành trạng thái tự do gọi là năng lợng ionhoá (Wi)

Để tách một điện tử trở thành trạng thái tự do thì phải cầnmột năng lợng Wi  We Khi Wi We chỉ kích thích dao động trongmột khoảng thời gian rất ngắn, các nguyên tứau đó lại trở về trạngthái ban đầu

Năng lợng ion hoá cung cấp cho nguyên tử có thể là năng lợngnhiệt, năng lợng điện trờng hoặc do va chạm, năng lợng tia tửngoại, tia cực tím, phóng xạ

Ngợc lại với quá trình ion hoá là quá trình kết hợp

Nguyên tử + e  ion (-)

Ion (+) + e  nguyên tử, phân tử trung hoà

Trong quá trình chuyển động, điện tử có một động năng và mộtthế năng

1.3 Cấu tạo phân tử

Phân tử đợc tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liênkết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau

a Liên kết đồng hoá trị:

Liên kết đồng hoá trị đợc đặc trng bởi sự dùng chung những

điện tử của các liên kết nguyên tử trong phân tử, khi đó mật độ

đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà, liên kếtphân tử bền vững

Ví dụ: Ta lấy cấu trúc của phân tử clo (Cl2): gồm 2 nguyên tửClo, mỗi nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử hoá trị ởlớp ngoài cùng Hai nguyên tử này đợc liên kết bền vững với nhaubằng cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗinguyên tử đợc bổ xung thêm một điện tử của hai nguyên tử kia

Hình 1-2: Liên kết đồng hoá trị trong phân tử cloPhân tử có trọng tâm của các điện tích dơng và âm trùngnhau là phân tử trung tính Các chất đợc tạo nên từ các phân tử

trung tính gọi là chất trung tính.

Phân tử có trọng tâm là các điện tích dơng và điện tích

âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng là “a” nào đó đợc

gọi là phân tử cực tính hay còn gọi là lỡng cực Phân tử cực

độ nóng chảy cao

Các nguyên tử cho bớt điện tử lớp ngoài cùng trở thành ion

d-ơng (cation) hoặc thêm điện tử để điền đầy lớp ngoài cùng vàtrở thành ion âm (anion)

Hình 1-3 mô tả liên kết ion giữa Li và F để tạo thành LiF

Nguyên tử Li cho một điện tử để trở thành Li+

Nguyên tử F nhận một điện tử để trở thành F – Kết quả tạothành chất LiF

c Liên kết kim loại.

Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn Kim loại đợcxem nh là một hệ thống cấu tạo từ các ion dơng nằm trong môi tr-ờng các điện tử tự do Lực hút giữa các ion dơng và các điện tửtạo nên tính nguyên tử khối của kim loại, chính vì vậy liên kết kimloại là liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độnóng chảy cao

Liên kết kim loại thờng đợc tạo thành giữa các nguyên tố cónhiều điện tử hoá trị với các nguyên tố có ít điện tử hoá trị Cácoxyt kim loại (Al2O3, MgO, CaO, NiO,

Hình 2-3 là mạng tinh thể lập phơng (cơ bản) của kim loại,năng lợng liên kết là tổng hợp lực đẩy và lực hút tĩnh điện giữacác ion dơng và mây điện tử tự do

Hình 1-4: Mạng tinh thể cơ bản của kim loại

d Liên kết Van dec – Vanx

Liên kết đồng hoá trị cho phép giải thích sự tạo thành phận

tử nh nớc (H2O) hoặc polyetylen (C2H4)n nhng không cho phép lýgiải sự tạo thành một số vật rắn từ những phân tử trung hoà nh n-

ớc đá, polymer,

7

Khoa Điện  Giáo trình: Vật Liệu điện

Trong nhiều phân tử có liên kết đồng hoá trị, do sự khácnhau về tính âm điện của nguyên tử, trọng tâm điện tích dơng

và điện tích âm không trùng nhau, ngẫu cực điện sẽ tao thànhphân tử phân cực Liên kết Vandec – Vanx là liên kết do hiệu ứnghút nhau giữa các nguyên tử hoặc phân tử bị phân cực ở trạngthái rắn

Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thểphân tử không bền vững Do vậy những chất liên kết phân tử làliên kết Vandec – Vanx có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ họcthấp

Ví dụ: Nh Parafin

1.4 Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn

Các khuyết tật trong cấu tạo vật rắn đợc chia thành khuyếttật điểm, đờng, mặt và khối

+ Các kích thớc của khuyết tật điểm vào cỡ khoảng cách giữacác nguyên tử

+ Các khuyết tật đờng có chiều dài lớn hơn chiều rộng vàibậc

+ Các khuyết tật mặt có chiều dầy nhỏ hơn chiều rộng vàdài hơn bề dầy vài bậc

+ Các khuyết tật khối (lỗ rỗ, vết nứt) có kích thớc dáng kểtheo cả ba chiều đo

1.5 Lý thuyết phân vùng năng lợng vật chất

Lý thuyết phân vùng năng lợng để giải thích, phân loại vậtliệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (chấtcách điện)

Sơ đồ phân bố vùng năng lợng của vật rắn ở nhiệt độ tuyệt

đối OoK

2

13

Vùng tự do (vùng dẫn)

Vùng cấm

Vùng đầy (vùng hoá

trị)ΔW

W

Mỗi điện tử đều có mức năng lợng nhất định Các điện tửhoá trị của lớp ngoài cùng ở nhiệt độ OoK chúng tập trung lại thànhmột vùng gọi là vùng hoá trị hay vùng đầy (1).

Các điện tử tự do có mức năng lợng cao hơn tập hợp lại thànhdải tự do gọi là vùng tự do hay vùng dẫn (2)

Giữa vùng đầy và vùng tự do có một vùng trống gọi là vùngcấm(3)

Để một điện tử hoá trị ở vùng đầy trở thành trạng thái tự docần cung cấp cho nó một năng lợng nhất định W đủ để vợt quavùng cấm:

W ΔW (ΔW: năng lợng vùng cấmKhi điện tử từ vùng đầy vợt qua vùng cấm sang vùng tự do nótham gia vào dòng điện dẫn Tại vùng đầy sẽ xuất hiện các lỗ trống(hình dung nh một điện tích dơng) do điện tử nhảy sang vùng tự

do tạo ra Các lỗ trống tiếp tục thay đổi vì khi một điện tử củamột vị trí bứt ra tạo thành một lỗ trống thì một điện tử củanguyên tử ở vị trí lân cận lại nhảy vào lấp đầy lỗ trống đó và lạitạo ra một lỗ trống khác …cứ nh vậy dẫn đến các lỗ trống liên tục

đợc thay đổi tạo thành những cặp “điện tử lỗ” trong vật chất.Khi có tác động của điện trờng các lỗ sẽ chuyển động theo chiều

điện trờng giống nh các điện tích dơng, còn các điện tử sẽchuyển độngtheo chiều ngợc lại Cả hai chuyển động này hìnhthành tính dẫn điện của vật chất

Số lợng điện tử trở thành trạng thái tự do tuỳ theo mức độnăng lợng từ cao xuống thấp

a Đối với vật liệu cách điện.

Vùng dẫn (2) rất nhỏ, vùng cấm (3) rộng tới mức ở điều kiệnbình thờng các điện tử hoá trị tuy đợc cung cấp thêm năng lợngcủa chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng dẫn (2)

để thành tự do

Năng lợng W của vùng (3) lớn, WCĐ = 1,5 – vài eV

Nh vậy trong điều kiện bình thờng vật liệu có điện dẫnbằng không(hoặc nhỏ không đáng kể)

b Đối với vật liệu bán dẫn:

Có vùng hoá trị (1) nằm sát hơn vùng dẫn (2) so với vật liệu

cách điện (hình vẽ 2) Năng lợng vùng cấm (3) lớn hơn so với vậtliệu cách điện:

WBD = 0,2 – 1,5 eV

ở điều kiện bình thờngmột số điện tử hoá trị trong vùng (1)với sự tiếp sức của chuyển động nhiệt đã có thể chuyển tới vùng(2) đề hình thành tính dẫn điện của vật liệu

c Đối với vật liệu dẫn điện:

Có vùng hoá trị (1) năm sát hơn vùng (2) so với vật liệu bándẫn, với mức năng lợng vùng cấm: WDĐ < 0,2 eV

Các điện tử hoá trị trong vùng (1) có thể di chuyển một cáchkhông điều kiện tới vùng (2) và do đó loại vật liệu này có điệndẫn rất cao.

 Vật liệu dẫn điện tốt: W  0

 Vật liệu siêu dẫn: W < 0

* Chú ý: Vật liệu điện không phải cố định hoàn toàn chúng

có thể chuyển đổi từ vật dẫn sang bán dẫn hoặc cách điện vàngợc lại… tuỳ thuộc vào năng lợng tác động giữa chúng hay phụthuộc vào điều kiện tác động của môi trờng.ở điều kiện này cóthể là vật cách điện nhng ở điều kiện khác nó lại trở thành vậtdẫn điện

Theo từ tính ngời ta phân thành các loại sau:

không phụ thuộc vào cờng độ từ trờng bên ngoài Loại này gồm có

O2, NiO, muối sắt, các muối coban và niken, kim loại kiềm, nhôm,bạc

từ trờng ngoài Loại này gồm có: Sắt, niken, và các hợp kim củachúng, hợp kim crôm và mangan…

Câu hỏi ôn tập chơng

1 Cấu tạo nguyên tử và các dạng liên kết nguyên tử

2 Cơ sở để phân loại vật liệu kỹ thuật điện

th-điều kiện bình thờng chất cách điện là chất không dẫn điện

Điện môi là vật liệu cách điện (phi kim loại) có cấu trúc lỡngcực điện tự nhiên hoặc nhân tạo ở mức độ phân tử hoặc nguyêntử

1.2 Phân loại vật liệu cách điện

a Phân loại theo trạng thái vật lý.

Vật liệu cách điện đợc phân loại theo trạng thái vật lý có:

cách điện vì các phần tử kim loại không thể giữ chặt đợc trongkhông khí.

- Vật liệu cách điện ở thể rắn còn đợc phân thành cácnhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng

- ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi làthể mền nhão nh: các vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm

b Phân loại theo thành phần hoá học.

Theo thành phần hoá học, nhời ta phân ra: Vật liệu cách

điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ

- Vật liệu cách điện hữu cơ: Chia thành hai nhóm có nguồngốc trong thiên nhiên và nhân tạo

* Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các hợp chấtcơ bản có trong thiên nhiên hoặc giữ nguyên thành phần hoá họcnh: cao su, lụa, phíp, xenlulôit

* Nhóm nhân tạo thờng đợc gọi là nhựa nhân tạo gồm có:polyetylen, vinyl, polyamin…

- Vật liệu cách điện vô cơ: Gồm có các chất khí, các chấtlỏng không cháy, các loại vật liệu rắn nh gốm sứ, thuỷ tinh, mica,amiăng…

c Phân loại theo tính chịu nhiệt.

Phân loại theo tính chịu nhiệt là sự phân loại cơ bản, phổbiến vật liệu cách điện dùng trong kỹ thuật điện Khi lựa chọn vậtliệu cách điện, đầu tiên cần biết vật liệu có tính chịu nhiệt theocấp nào Ngời ta đã phân vật liệu theo tính chịu nhiệt nh bảng

Cấp

cách điện

Nhiệt độcho phép

Các vật liệu cách điện chủ

yếu

các vật liệu tơng tự không tẩmnhựa, các loại nhựa polyetylen,anilin

polyeste, cao su nhân tạo, các loạisơn cách điện có dầu làm khô

E 120 Nhựa tráng

Polyvinylphocman, poliamit, epoxi,giấy ép hoặc vải ép, có nhựaphendfocmandehit có chất độngxenlulo Vải có tẩm them polyamit

thuỷ tinh có chất độn Sơn cách

điện có dầu làm khô dùng ỏ các bộphận tiếp xúc với không khí, sơncách điện alkit, sơn cách điện từnhựa phenol, nhựa epoxi, sợi thuỷtinh…

2 Tính chất chung của vật liệu cách điện.

Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải chú ý đếnkhông những các phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xemxét tính ổn định của những phẩm chất này dới tác dụng cơ học,hoá lý học, tác dụng của môi trờng xung quanh… Gọi chung là các

điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện Dới tác

động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện

bị giảm sút liên tục, ngời ta gọi đó là sự bão hoà vật liệu cách

điên Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhautrong những điều kiện khác nhau

2.1 Tính hút ẩm của vật liệu cách điện.

Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút

ẩm đều có thể hút ẩm ( hút hơi nớc từ môi trờng không khí) vàthẩm thấu ( cho hơi nớc xuyên qua)

Nớc là loại điện môi có cực tính mạnh, hằng số điện môi tơng

đối  = 80 – 81 nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩmchất cách điện bị giảm xút trầm trọng

0 30 40 50

2030

-10

5040

t (0C)

60

6010

mmax

Hình 3-4: Quan hệ giữa độ ẩm bão hoà mmaxtheo nhiệt độ

Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngng tụ trên bề mặt

điện môi, đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bềmặt ngoài có trị số rất thấp so với điện áp đánh thủng

a Độ ẩm của không khí.

Trong không khí luôn chứa hơi ẩm, lợng ẩm trong không khí

đợc xác định bởi tham số gọi là độ ẩm không khí Độ ẩm gồm có

độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tơng đối

* Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối là khối lợng hơi nớc trong một thể tích khôngkhí(g/m3) ở nhiệt độ xác định, độ ẩm tyuệt đối không thể vợtqua mmax (mmax đợc gọi là độ ẩm bão hoà) Nếu khối lợng nớc nhiềuhơn giá trị mmax thì hơi nớc sẽ rơi xuống dới dạng xơng

Quan hệ giữa độ ẩm bão hoà và nhiệt

Nh vậy, từ các số liệu độ ẩm tơng đối và nhiệt độ củakhông khí có thể xác định đợc độ ẩm tuyệt đối m (bằng cáchtính toán hoặc tra bảng, đồ thị….)

Theo quy ớc quốc tế, điều kiện khí hậu chuẩn của không khí

l-Khi đặt mẫu vật cách điện trong môi trờng không khí có độ

ẩm ϕ% và nhiệt độ (t0C) thì sau một thời gian nhất định, độ ẩmcủa vật liệu ψ sẽ đạt tới giới hạn đợc gọi là độ ẩm cân bằng (ψcb )

Nếu mẫu vật liệu vốn khô dáo đợc đặt trong môi trờngkhông khí ẩm (vật liệu có độ ẩm ban đầu ψ < ψcb ) thì vật liệu sẽ

bị ẩm, nghĩa là nó hút hơi ẩm trong môi trờng không khí khiếncho độ ẩm sẽ tăng dần tới trị số cân bằng ψcb nh đờng 1 trên hìnhvẽ

- Ngợc lại, khi mẫu vật liệu đã bị ngấm ẩm trần trọng(có độ

ẩm ban đầu ψ > ψcb) thì độ ẩm mẫu sẽ bị giảm tới trị số ψcb nh ờng 2 trên hình vẽ

đ-2.2 Tính chất cơ học của vật liệu cách điện.

ψ

0

ψcb

t(h)

2 (vật liệu sấy khô)

1 (vật liệu ngấm ẩm)

Trong nhiều trờng hợp thực tế, vật liệu cách điện còn phảichịu tải cơ học, do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện cần xét

đến tính chất cơ học của nó

Khác với vật liệu dẫn điện kim loại còn có độ bền kéo, nén

và uốn hầu nh bằng nhau, còn vật liệu cách điện các tham số trênthờng chênh lệch nhau khá xa, Căn cứ vào độ bền này ngời ta tínhtoán chế tạo cách điện cho phù hợp với khả năng chịu lực tốt nhấtcủa nó

* Ví dụ: Thuỷ tinh có độ bền nén = 2.104 kG/cm2 trong khi

độ bền kéo = 5.102 kG/cm2 Vì thế thuỷ tinh thờng đợc dùng vậtliệu cách điện đỡ

Ngoài ra, khi chọn vật liệu cách điện cũng cần phải xét đếnkhả năng chịu va đập, độ rắn, độ giãn nở theo nhiệt độ của vậtliệu đặc biệt chú ý khi gắn các loại vật liệu cách điện với nhaucần phải lựa chọn vật liệu có hệ số giãn nở vì nhiệt gần bằngnhau

2.3 Tính chất hoá học của vật liệu cách điện.

Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải chú ý đếnkhông những các phẩm chất cách điện của nó mà cần phải xemxét tính ổn định của phẩm chất này dới tác dụng cơ học, hoá lýhọc, tác dụng của môi trờng xung quanh….gọi chung là các điềukiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện Dới tác động của

điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sútliên tục, ngời ta gọi đó là sự lão hoá vật liệu cách điện Do vậy,tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhau trong những điềukiện khác nhau

Bởi thế cần phải nghiên cứu về tính chất cơ lý hoá, nhiệt củavật liệu cách điện đề có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nângcao tuổi thọ của vật liệu cách điện

2.4 Hiện tợng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện.

* Khái niệm về điện trờng.

Vật lý học học hiện đại đã nghiên cứu và cho thấy rằng xungquanh điện tích có một môi trờng vật chất gọi là điện trờng Mộttính chất cơ bản của điện trờng là khi có một điện tích đặttrong điện trờng thì điện tích đó chịu tác dụng của lực điện.Nhờ có điện trờng mà hai điện tích tác dụng đợc vào nhau Tác

dụng ấy xẩy ra nh sau: mỗi điện tích có xung quanh nó một điệntrờng và điện trờng của điện tích này tác dụng vào điện tích kiamột lực.

+ Điện trờng

Là dạng vật chất tồn tại xung quanh điện tích và tác dụnglực điện lên điện tích khác đặt trong nó

+ Cờng độ điện trờng.

Để đặc trng cho sự mạnh yếu của điện trờng, ngời ta đa rakhái niệm

Cờng độ điện trờng tại một điểm là đại lợng vật lý đặc trngcho điện trờng về phơng diện tác dụng lực, đợc đo bằng thơng

số của lực điện trờng tác dụng lên một điện tích thử đặt tại

điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó

E = F q (V/m)Trong đó: F lực điện tích tác dụng lên điện tích thử tại

điểm ta xét (N)

q điện tích thử dơng (C)

Mục đích của cách điện là duy trì khả năng cách điện của vậtliệu cách điện đặt trong điện trờng Muốn vậy, không đợc đểxẩy ra những hiện tợng nh sau:

Phóng điện trong vật liệu cách điện

Đánh thủng toàn bộ hoặc bộ phận trong vật liệu cách điện

Phóng điện bề mặt ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu

U

Đánh

điện bề mặt

Giữa hai điện cực có tấm cách điện mà cạnh biên của nó nhú rangoài điên cực rất nhiều Nếu chúng ta tăng điện áp giữa hai

điện cực thì sẽ xẩy ra các hiện tợng sau:

* Hiện tợng 1: Tấm cách điện không chịu nổi điện áp và ở

một hoặc nhiều chỗ điện tích chạy từ điện cực này qua điệncực kia xuyên qua tấm cách điện Hiện tợng đó gọi là hiện tợng

đánh thủng

* Hiện tợng 2: Khi điện áp đợc tăng cao đến một trị số nào

đó, thì ở cạnh mép của điện cực xuất hiện vầng quang, rồi pháttriển thành những tia lửa điện bò loằn ngoằn trên bề mặt tấmcách điện, điện áp càng tăng cao thì tia lửa điện càng dài vàcuối cùng nối liền nhau ở cạnh biên của tấm cách điện hồ quang

điện phóng trên bề mặt của tấm cách điện từ cực này đến cựckia Hiện tợng này gọi là hiện tợng phóng điện bề mặt

* Trong trờng hợp cách điện là thể khí hoặc thể lỏng thìchỉ có thể xẩy ra hiện tợng đánh thủng, nếu cách điện thể rắnthì hoặc xẩy ra hiện tợng đánh thủng xuyên qua cách điện hoặcxẩy ra hiện tợng phóng điện bề mặt

a Điện môi đặt trong điện trờng.

Khác với vật dẫn, trong điện môi hầu nh không có điện tích

tự do, mọi electron đều liên kết chặt chẽ với nguyên tử Tuy vậy, do

điện môi có cấu tạo bởi các hạt nhân mang điện (e và hạt nhânp) trong phân tử thờng đối xứng, các trọng tâm điện tích dơng

và điện tích âm trùng nhau Ngời ta gọi các phân tử đó là loạiphân tử không phân cực

Khi đặt điện môi thuộc loại phân tử không phân cực trong

điện trờng, điện trờng sẽ chuyển các phân tử thành các lỡng cực

điện, các lỡng cực điện đầu dơng hớng về phía cực âm của

điện trờng Kết quả là trong điện môi hình thành điện trờng mớigọi là điện trờng phân cực Ep, ngợc chiều với điện trờng ngoài C-ờng độ điện trờng phân cực EP nhỏ hơn cờng độ điện trờngngoài Eng nên cờng độ điện trờng tổng hợp E trong chất điện môi

có chiều cùng với chiều của điện trờng ngoài và có trị sô cờng độ

điện trờng nhỏ hơn cờng độ điện trờng ngoài cho trớc

+

-+-

+-+-

+-

+-

+-+-

+-

+-

+-+-

+-

đặt trong điện môi vào cờng độ điện trờng ngoài sẽ là:

Trong điện môi có lẫn tạp chất có khả năng tạo ra một số

điện tử tự do, trong điều kiện bình thờng độ dẫn điện của

điện môi rất thấp, dòng điện qua điện môi gọi là dòng điện dò,trị số rất bé

Khi cờng độ điện trờng đủ lớn, lực tĩnh điện tác dụng lên

điện tử, có thể bứt ra khỏi mối liên kết với hạt nhân trở thành

điện tử tự do Độ dẫn điện của điện môi tăng, dòng điện qua

điện môi tăng đột ngột, điện môi trở thành vật dẫn Đó gọi làhiện tợng đánh thủng cách điện

Cờng độ điện trờng đủ để gây ra hiện tợng đánh thủng

điện môi gọi là cờng độ đánh thủng Eđt Điện môi có Eđt càng lớnthì độ bền cách điện càng tốt Vì thế cờng độ đánh thủng đợcgọi là độ bền cách điện

Cờng độ đánh thủng của điện môi phụ thuộc vào trạng tháicủa vật liệu cách điện nh: độ ẩm, nhiệt độ, tác dụng của các tiabức xạ…

Để đảm bảo cho điện môi làm việc tốt, cờng độ điện trờng

đặt vào điện môi không vợt quá trị số giới hạn cho phép Ecp

Eđt = katEcp

Trong đó: kat là hệ số an toàn, thờng lấy từ 2-3Căn cứ vào độ dày cách điện(d) của điện môi có thể xác

định trị số điện áp đánh thủng Uđt và điện áp cho phép Ucp củathiết bị

* Giải: Tra bảng ta có cờng độ điện trờng đánh thủng củatấm cáctông cách điện lấy trung bình Eđt = 100kV/cm

Tacó điện áp đánh thủng Uđt =Eđt d = 100 0,15 =15kV

điện áp cho phép Ucp = Uđt/kat = 15/3 = 5kV

2.5 Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện.

Tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện là khả năng chịu tácdụng của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ Mỗiloại vật liệu cách điện chỉ chịu đợc một nhiệt độ nhất định ( tức

là độ bền chịu nhiệt độ nhất định) Độ bền chịu nhiệt đợc xác

định theo nhiệt độ làm thay đổi tính năng của vật liệu cách

điện

Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền chịu nhiệt đợc biểuthị băng nhiệt độ mà nó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt cácphẩm chất cách điện nh tổn hao tăng, điện trở cách điện giảmsút…

Đối với vật liệu cách điện hữu cơ, độ bền chịu nhiệt là nhiệt

độ gây nên các biến dạng cơ học, những biến dạng này đơngnhiên sẽ dẫn đến sự suy giảm các phẩm chất cách điện của nó

2.6 Tính chọn vật liệu cách điện

2.7 H hỏng thờng gặp

* Chủ yếu là nhiệt, phụ tải nhiệt: Tốc độ của phản ứng hoá họctăng với nhiệt độ theo hàm số mũ, thậm chí còn lớn hơn, sự giảmsút tính chất cách điện gia tăng mạnh khi nhiệt độ tăng

* Trên cơ sở quan hệ giữa sự hoá già và những phản ứng hoá họctrong vật liệu, có thể hiểu rằng những tác dụng hoá học từ bênngoài hoặc trực tiếp, gián tiếp có ảnh hởng đến quá trình hoágià của vật liệu cách điện

Những tác dụng hoá học tác động đến vật liệu cách điện có thểphát sinh từ:

- Những vật liệu cách điện gần bên(ví dụ sơn tẩm, dầu máybiến áp )

- Môi trờng bao quanh vật liệu cách điện (ví dụ: chất bản thểkhí, sảm phẩm sinh ra từ phóng điện vầng quang, khí ozon,ẩm… )

* Những tác dụng cơ học: trong quá trình chế tạo, quá trình vậnhành cũng làm ảnh hởng đến sự già hoá của vật liệu cách điện

* Những tác dụng hoá học:

- Sự oxy hoá: Oxy làm cho những thành phần cấu tạo vật liệucách điện bị oxy hoá, những tác dụng từ bên ngoài thúc đẩy mạnhquá trình oxy hoá (ví dụ: khí ozon, sản phẩm sinh ra từ sự phóng

điện trong môi trờng của cách điện, hoặc một số chất súc tác)

- Sự khử trùng hợp: Quá trình chỉ xẩy ra mạnh hơn ở nhiệt độcao, nó gây nên sự đứt vụn của những dây chuyền phần tử, do

đó những thông số điện và cơ của vật liệu bị suy giảm nhanhchóng Nhiệt độ nóng chảy của cách điện giảm, tính chịu nhiệtcủa cách điện giảm Sự khử trùng hợp đều có thể xẩy ra với sựhiện diện của oxo và cả khi không có oxy

- Sự thuỷ phân: Những phân tử nớc làm cho cấu trúc củaphân tử lỏng lẻo, nh vậy vật liệu sẽ kém chịu đựng hơn đối vớinhững tác dụng hoá học và dễ bị khử trùng hợp

- Sự bay hơi: Những sảm phẩm làm mền hoặc dễ bay hơicòn lại trong vật liệu khí thoát đi sẽ làm cho vật liệu bị mòn, bị congót do đó tính chất cơ bị giảm sút

3 Một số vật liệu cách điện thông dụng

3.1 Vật liệu sợi

Là vải (bông hoặc lụa) đợc tẩm bằng sơn dầu, vải có tác dụng

bề mặt cơ, còn sơn có tác dụng về mặt cách điện Vải sơn đợcdùng để cách điện trong các máy điện, các thiết bị khác vàcáp…

3.2 Giấy và các tông

* Giấy: Theo công dụng của giấy trong kỹ thuật điện ngời ta

chia ra làm hai loại nh sau:

+ Giấy tụ điện: Là loại giấy dùng làm điện môi trong tụ điệngiấy thờng làm việc ở cờng độ cao và nhiệt độ khoảng 70 – 1000C+ Giấy cáp: Thờng có độ dầy khoảng 0,08 – 0,17 mm dùng làmcách điện của cáp điện lực, cáp thông tin…

* Các tông: ding trong kỹ thuật điện và cũng đợc chế tạo từ sợi

thực vật nh giấy nhng có độ dày lớn hơn Có hai loại giấy các tông

+ Loại giấy dùng trong không khí có độ rắn và đặc tính cao,

đợc sử dụng lót các rãnh máy điện, vỏ cuộn dây, tấm đệm

+ Loại dùng trong dầu: mền hơn các tông dùng trong không khí

và có thể them dầu, tuỳ theo độ dày yêu cầu của các loại các tôngnày mà đợc chế tạo thành cuộn (0,1 – 0,8 mm) hoặc thành tấm (1– 3mm)

3.3 Phíp

3.4 Amiăng, xi măng amiăng

Amiăng là nhóm vật chất có cấu trúc sợi, loại amăng thông dụng

có tên gọi Crizotin có thành phần hoá học: 3MgO.2SiO2.2H2O, mầutrắng hoặc xanh lá cây Amiăng có u điểm so với vật liệu sợi hữucơ là tính chịu nhiệt cao

Từ amiăng ngời ta điều chế ra các loại vải, giấy, cát tông và cácsản phẩm có tính chịu nhiệt, độ bền cơ học và tính chất cách

điện cao ứng dụng trong lĩnh vực khác nhau

Giấy mica-amian bằng cách dán mica lên giấy amian, đợc sởdụng trong trờng hợp không đòi hỏi độ bền cơ học cao mà chỉ

đòi hỏi tính chịu nhiệt và cách điện cao nh cuộn dây điện trở,phần tử đốt nóng, đệm ở nắp hộp khí cụ phân phối điện

Ximăng-amian còn gọi là ximăng manhezi cứng có đặc tính cơ,chịu nhiệt tốt, dợc ép thành tấm hoặc ở hình dạng mong muốndùng là buông dập hồ quang trong các máy cắt điện và làm cách

điện ở những nơi có nhiệt độ cao kể cả trong dầu nóng

3.5 Vải sơn và băng cách điện

+ Vải sơn: Là vải (bông hoặc lụa) đợc tẩm bằng sơn dầu, vải

có tác dụng bề mặt cơ, còn sơn có tác dụng về mặt cách điện.Vải sơn đợc dùng để cách điện trong các máy điện, các thiết bịkhác và cáp…

3.6 Chất dẻo

3.7 Nhựa cách điện

Nhựa là nhóm vật liệu có nguồn gốc và tính chất khác nhau rấtnhiều Chúng là một hỗn hợp hữu cơ phức tạp, chủ yếu ở dạng caophân tử

Nhựa đợc sử dụng trong kỹ thuật điện là loại nhựa không hoàtan trong nớc, ít hút ẩm Theo nguồn gốc của nhựa ngời ta chia ralàm hai loại:

a Nhựa thiên nhiên: Là sản phẩm của một số loại động vật và

b Nhựa nhân tạo: Là sản phẩm của sự trùng hợp, chúng là hỗn

+ Nhựa polyester: Là loại nhựa đợc chế tạo từ sự trùng hợp, ngng

tụ của các loại rợu, cồn có nhiều hoá trị (Etylenglycol, gryxerin ) vàaxit hữu cơ khác nhau Nhựa này có độ bám tốt, chịu đợc ẩm, dầu

và chịu đợc tác dụng của hồ quang điện nên đợc dùng để tẩmcách điện động cơ và các thiết bị điện khác

+ Nhựa Polyetylen (PE): Là loại nhựa có đặc tính cơ điện tốt,chịu ẩm, chịu đợc tác dụng của axit và bazơ, dễ chế tạo, giáthành hạ, nhiệt độ làm việc đến 750C thờng đợc dùng sử dụng làmcách điện cho cáp điện lực cao áp, hạ áp và trung áp

+ Nhựa Polyvininclo (PVC): Là loại nhựa cách điện dẻo, đàn hồi,chịu ẩm, kiềm, axit loãng có đặc tính cơ điện tốt Thờng đợc

sử dụng cách điện ở điện áp đến 600V và nhiệt độ làm việc cực

đại 600C, PVC có thể đợc sử dụng để làm vỏ bọc cáp, cách điệndây điện thoại và các loại dây dẫn khác, chế tạo sơn, sợi nhân tạo,các chất dẻo và các vật liệu có đặc tính giống nh cao su

3.8 Dầu cách điện