Giáo trình Vật liệu điện lạnh: Phần 1

Giáo trình Vật liệu điện lạnh: Phần 1 cung cấp đến các bạn những kiến thức về khái niệm chung về vật liệu cách điện; các yếu tố ảnh hưởng đến độ cách điện; chất điện môi; điện môi lỏng; nhận dạng các vật liệu cách điện; cấu tạo kim loại và hợp kim; đặc tính cơ bản của vật liệu dẫn điện; tính chất cơ học của vật dẫn; nhận dạng các vật liệu điện dẫn cao.

Giới thiệu môn học

I Vị trí và nhiệm vụ môn học:

Môn học Vật liệu kỹ thuật điện l nh là môn hỗ trợ cho các môn học chuyên ngành trong ngành điện l nh, nhằm giúp cho sinh viên và các cán bộ kỹ thuật trong ngành điện l nh hiểu biết về vật liệu kỹ thuật điện l nh, 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 l nh đồng thời còn đề ra đ−ợc các biện pháp sử dụng và bảo quản tốt các thiết bị điện l nh

II Yêu cầu môn học:

- Nắm đ−ợc các hiện t−ợng, bản chất các hiện t−ợng xảy ra trong vật liệu điện l nh khi

sử dụng chúng vào những mục đích khác nhau

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

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

III Tính chất môn học:

Môn học Vật liệu kỹ thuật điện l nh giúp cho sinh viên giải thích đ−ợc lý do sử dụng các loại vật liệu kỹ thuật điện l nh trong các thiết bị điện và đánh giá đ−ợc −u

nh−ợc điểm của các vật liệu tác dụng đó

IV Quan hệ với các môn học khác:

Môn học Vật liệu kỹ thuật điện l nh 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

- Giỏo trỡnh k thu t l nh cơ s -Nguy n Đ c L i - Ph m Văn Tựy

- 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

Chương 1: Vật liệu cách điện

1 KháI niệm chung về vật liệu cách điện

1.1 khỏi niệm và 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

được 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 đường mà sơ đồ quy định Vật liệu cách điện còn được dùng làm điện môi công tác trong các tụ điện

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

Tuỳ thuộc vào các trường hợp sử dụng vật liệu điện phải đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau Ngoài những tính chất về điện thì những tính chất cơ, nhiệt, lý hoá khác cũng như 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

a Phân loại:

- Phân theo trạng thái:

Vật liệu cách điện được phân loại theo các dạng: Khí, lỏng, rắn Ngoài ra còn có vật

liệu hoá rắn Trước khi đưa 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)

- 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 được ứng dụng rộng rãi vì có thể tạo được thành dạng sợi, màng mỏng và các sản phẩm có hình dạng khác nhau

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

Tuy công nghệ chế tạo phức tạp nhưng chúng được 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 nhưng trong phân tử của chúng có chứa cả những nguyên

tố đặc trưng cho vật liệu vô cơ: Si, Al, P

- Phân theo khả năng chịu nhiệt:

vật liệu được 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

1.2 tính chất chung của vật liệu cách điện

a 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 thường 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 được bảo vệ

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

- Độ ẩm của không khí:

- Không khí luôn chứa 1 lượng hơi nước nhất định

- Độ ẩm tuyệt đối của không khí: Được đánh giá bằng khối lượng (m) của hơi nước 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 nước tăng lên

ứng với mỗi nhiệt độ xác định, không khí không thể chứa 1 lượng nước lớn hơn vì

nó sẽ rơi xuống dưới dạng sương

- Độ ẩm tương đối của không khí:

%100m

m

%

max

kk =ϕ

Điều kiện bình thường của không khí được lấy bằng độ ẩm (60 ữ 70)% ở nhiệt độ (20 ± 5)0

C

- 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 ϕ kk 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 hưởng đến điện trở bề mặt của điện môi

Để bảo vệ chống tác động của độ ẩm cho điện môi rắn cực tính người ta phủ lên chúng 1 loại dầu không dính nước Khả năng dính nước hoặc chất lỏng khác của điện môi được đặc trưng bởi góc biên dính nước θ của giọt n ước đổ lên bề mặt

θ càng nhỏ sự dính nước càng mạnh Khi trong điện môi có các lỗ xốp hở hơi ẩm sẽ đi vào bên trong vật liệu

- Độ ẩm của vật liệu:

Các vật liệu cách điện với mức độ nhiều hay ít đều hút ẩm tức là có khả năng hút vào trong nó hơi ẩm từ môi trường xung quanh và thấm ẩm tức là có khả năng cho hơi nước xuyên qua

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

nhiệt độ nhất định của môi trường 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 (đường 1) và khi sấy khô (đường 2)

Nếu mẫu vật liệu tương đối khô thì nó sẽ hút ẩm của môi trường và độ ẩm tăng dần cho đến khi cân bằng độ ẩm của môi trường (đường 1) Nếu mẫu vật liệu

có độ ẩm lớn hơn độ ẩm ψ cb thì độ ẩm của mẫu sẽ giảm xuống cho đến giá trị ψ cb

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

Trị số độ ẩm cân bằng ψ cb của những mẫu vật liệu khác nhau ở cùng 1 độ ẩm tương đối ϕ kk 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 lượng thì việc xác định độ ẩm rất quan trọng để tính toán chính xác số lượng vật liệu

Đối với vật liệu dệt còn dùng khái niệm độ ẩm quy ước tương ứng với độ ẩm cân bằng của vật liệu khi để nó trong không khí ở điều kiện bình thường

Cấu tạo và bản chất hoá học có ảnh hưởng 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 lượng của mẫu không phản

ánh hoàn toàn mức độ biến đổi tính chất điện của vật liệu đó khi bị ẩm

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 lượng 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 dưới dạng tạp chất nhỏ riêng biệt không nối với nhau thì ảnh hưởng 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 nhưng ít nhạy hơn Vì thế người ta thường đoán về tính hút ẩm theo độ tăng của điện dung của mẫu dưới tác dụng của hơi ẩm

- Tính thấm ẩm:

Là khả năng cho hơi nước đi qua của vật liệu cách điện Đặc điểm này rất quan trọng khi đánh giá chất lượng 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 được:

h

SPP

m = Π 1 ư 2

Với: m: Lượng 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

- Cải thiện sự thấm ẩm và hút ẩm:

Để làm giảm độ thấm ẩm và hút ẩm của vật liệu cách điện xốp người 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 thước rất lớn so với kích thước phân tử nước nên không có khả năng bịt kín các lỗ xốp được, còn với các lỗ nhỏ nhất của vật liệu thì các phân tử chất tẩm lại không chui vào được.để khắc phục vấn đề này người ta dùng phương pháp tẩm sấy chân không

Để chống nấm mốc người 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

b Tính chất cơ học của ch t cỏch điện:

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

Phương 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 trường hợp người ta thường 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 thường tiến hành cho các thành phẩm

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

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

Đối với vật liệu hữu cơ: Xác định bằng phương pháp Brinel và phương pháp con lắc của Cuznexôp Phương pháp Brinel hay dùng nhất là dùng một lực nhất định P ép một hòn bi thép đã tôi có đường kính D vào mẫu Đo vết lõm được chiều sâu h hoặc

đường kính d của vết lõm Độ cứng tìm được là:

TB =

dDD

2D

PDh

P

ư

ưπ

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

wAe

=ηA: Hằng số đặc trưng 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 lượng kích thích tính bằng công chuyển phân tử từ trạng thái ổn

định này sang trạng thái ổn định khác

T: Nhiệt độ

c Tính chất nhiệt của ch t cỏch điện:

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

đựng không bị hư hại trong 1 thời gian ngắn cũng như 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 được xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện (tgδ tăng hay điện trở suất giảm) Nó được 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 đưa lửa vào gần

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

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

để sản xuất sơn cách điện

Nhiệt độ làm việc cho phép cao nhất được 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 lượng cách điện chỉ có thể phát hiện được 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 hưởng 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 được công suất cao hơn khi kích thước không đổi, hoặc nếu giữ nguyên công suất thì có thể giảm kích thước, trọng lượng 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 thước và trọng lượng đặt lên hàng đầu 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)

Loại cách điện Y A E B F H C

Nhiệt độ (C 0) 90 105 120 130 155 180 >180

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

Cấp A: Là các vật liệu cấp Y đã được 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 được đưa vào phân loại VD: Với loại Y gồm các vật liệu gốc xenlulô và tơ nếu chúng không được ngâm tẩm; nhưng nếu chúng được 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

- 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 -70o

C)

Thường ở nhiệt độ thấp tính chất điện của vật liệu cách điện tốt hơn nhưng 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

- Độ dẫn nhiệt:

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

So với kim loại thì trị số γ N của vật liệu cách điện rất nhỏ Vật liệu cách điện xốp có lẫn tạp chất không khí có γ N nhỏ nhất Điện môi kết tinh có γ N cao hơn

điện môi không định hình γ N phụ thuộc 1 phần vào nhiệt độ

- Sự gi∙n nở nhiệt của điện môi:

Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ:

dt

dll

1

l =

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

Điện môi hữu cơ có α l rất cao so với điện môi vô cơ vì vậy các chi tiết chế

Hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ:

Thuỷ tinh thạch anh

Sứ cao tần

0,55 4,5

Vôcơ

Fenolfomandehit và các chất dẻo có độn khác

Tấm chất dẻo clorua polivinyl Poliêtylen

25 - 70

70

100

Hữu cơ

c Tính chất hoá học của ch t cỏch điện:

Đây là tính chất rất đáng chú ý vì độ tin cậy của vật liệu phải được 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 phương pháp hoá công khác nhau: dính được, hoà tan được trong dung dịch thành sơn

Độ hoà tan của vật liệu rắn đánh giá bằng khối lượng 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 lưỡng cực dễ hoà tan trong chất lỏng lưỡng 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 thường tăng lên

d Tính chịu tác động của bức xạ năng lượng 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 lượng 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 lượng 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 lượng của chính sự phóng xạ Khi gặp bề mặt vật liệu năng lượng phóng xạ giảm theo mức độ thấm vào chiều sâu vật liệu

Sự khuyếch tán năng lượng phóng xạ xảy ra chủ yếu do ion hoá (hiệu ứng quang bên trong) và kích thích các nguyên tử khi năng lượng rất lớn do sự biến đổi hạt nhân Một phần năng lượng 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 cường 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 lượng 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 D

ưới 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 dưới ảnh hưởng của bức xạ có thể tăng hoặc giảm tuỳ theo các quá trình diễn ra trong vật liệu

1.3 Các yếu tố ảnh hưởnh đến độ cách điện

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

trường sẽ mất thuộc tính cách điện nếu cường độ điện trường vượt quá trị số giới hạn cho phép gọi là hiện tượng đánh thủng điện môi hay còn gọi là hiện tượng phá huỷ độ bền điện của nó

Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi được gọi là điện áp đánh thủng và trị số tương ứng của cường độ điện trường gọi là cường độ điện trường

đánh thủng hoặc cường độ cách điện của điện môi

h

U

Edt = dtVới: Uđt là điện áp đánh thủng (KV)

Eđt là cường độ đánh thủng (KV/cm, KV/mm, V/m)

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

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

điện Nhưng 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

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

1.3.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cách điện

a Điện môi khí

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

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

s

*) 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 trường 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 được biểu diễn theo các đường cong quan hệ

+ Trường 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>10cm Thực 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 được 3,2 - 3,5 KV Khoảng cách điện cực a cần thiết để khỏi bị đánh thủng là: 3,2 .kV

*) 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 hưởng đến trị số Uđt trong trường đồng nhất Nhưng trong trường không đồng nhất thì độ ẩm của không khí có ảnh hưởng đáng kể: Khi ψkk <

70% thì không ảnh hưởng Khi ψkk tăng thì Uđt tăng lên do các phân tử n ước 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 trường

- Hiện tượng đánh thủng khí phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trường 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 đường chuyển động tự do của

điện tử giảm xuống, vì vậy muốn xảy ra hiện tượng đánh thủng cường độ điện trường phải lớn hơn Khi áp suất giảm trước hết cường độ cách điện giảm xuống; khi áp suất giảm đến 1 giới hạn nào đó nhỏ hơn áp suất khí quyển cường độ cách

điện lại bắt đầu tăng Sự tăng này được 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 tượng đánh thủng là hiện tượng bứt các điện tử ra khỏi

bề mặt của điện cực (phát xạ nguội) vì vậy cường độ cách điện đạt trị số rất cao phụ thuộc vào vật liệu, trạng thái bề mặt của các điện cực

Trong kỹ thuật thường 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 cường độ đánh thủng của chất khí phụ thuộc vào áp suất: áp suất tăng, độ bền điện của khí tăng do quãng đường dịch chuyển tự do của điện tích nhỏ nên để xảy ra sự phóng điện thì cường độ điện trường phải lớn lên Ngược lại, khi độ bền của chân không lớn do điện tích di chuyển không gặp sự va chạm nào thì sự ion hoá gần như 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 trường 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

không đồng nhất là 20 kV/cm khi mũi nhọn có cực tính (-) và khoảng 7,5 kV/cm khi mũi nhọn có cực tính (+)

Để nâng cao U đt trong trường không đồng nhất thực tế là cải thiện sự phân bố điện trường sao cho nó đồng nhất hơn Dùng màn chắn nhằm ngăn cản sự dịch chuyển của điện tích không gian

- 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 trường Vị trí của màn chắn cũng ảnh hưởng 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 Nhưng hiệu qủa rõ nhất khi mũi nhọn có cực tính (+) Trong trường xoay chiều, để nâng cao Uđt ta vẫn dùng màn chắn (dùng trong thiết bị cao áp có thể tăng cường cách

điện và giảm kích thước)

Sự phân bố của trường 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 trường 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 trường

đồng nhất giữa màn chắn và cực bản Nhưng 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 như dẫn điện, màn chắn như 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 trường 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 tượng này là phóng điện bề mặt

Các yếu tố ảnh hưởng 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 trường (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 trường: trong trường đồng nhất Uđtgiảm Trong trường không đồng nhất Uđt cũngphụ thuộc vào hình dáng điện cực và

sự phân bố của trường Có 2 dạng phân bố của trường:

+ Trường phân bố theo phương tiếp tuyến (h.a)

+ Trường phân bố theo phương pháp tuyến (h.b)

Khi cường độ điện trường phân bố pháp tuyến lớn khả năng xuất hiện sự phóng điện bề mặt sớm hơn so với khi E phân bố theo phương tiếp tuyến

Trên vùng mép của điện cực khi trường phân bố theo phương pháp tuyến lớn người 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 trường theo phương tiếp tuyến lớn người ta sử dụng cực ngầm Bằng cách này làm cho trường sẽ tập trung về phía cực ngầm, làm tăng điện áp phóng điện mặt ngoài

- Đối với trường theo phương pháp tuyến lớn người ta sơn 1 lớp sơn bán dẫn ở khu vực phân bố trường theo phương pháp tuyến lớn làm đẳng thế giữa các lớp sơn nên làm giảm trường phân bố theo phương 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 như quá điện áp khí quyển gây bởi các phóng điện sét lên đường dây trên không hoặc khi sét đánh gần khu vực đường dây Phóng điện xung kích có thể tác động trực tiếp đến cách điện của thiết bị hoặc có thể lan truyền trên đường dây đến cách

điện của trạm Cường độ và biên độ của sét khá lớn có thể gây ra sự phóng điện giữa các đường dây, giữa đường 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 hư 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 được thay thế bằng đầu sóng nghiêng

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

tung độ 0,3Umax và 0,9Umax, giao điểm của đường

xiên này với trục hoành và đường 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 trưng 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 được tiêu chuẩn trên toàn thế giới:

độ dài đầu sóng 1,2/μs ± 30 % và độ dài sóng 50/μs ± 20 % (ký hiệu sóng τ =

1,2/50) ở Liên xô dùng sóng tiêu chuẩn với độ dài đầu sóng 1,5/μs và độ dài sóng 40/μs (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 μs

Trong các phòng thí nghiệm thường 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 được nạp điện song song nhưng khi phóng điện lại phóng nối tiếp làm cho điện áp tăng cao theo kiểu nối cấp

Như vậy nếu dùng n cấp để các tụ điện trong giai đoạn phóng được 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 được điện áp cao tới 8MV

U max

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 hưởng 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 như loại quá điện áp khí quyển chỉ trong khoảng mấy chục μs nghĩa là xấp xỉ với thời gian phóng điện, do đó thời gian tồn tại của điện áp ảnh hưởng rất lớn đến trị số điện áp phóng điện

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

t 1 và ngay cả ở t 1 cũng chưa có thể phóng điện vì trước 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 được tạo nên do sự bắn phá âm cực của các ion dương luôn có sẵn trong không khí hoặc do các nhân tố ion hoá bên ngoài

Như 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 phương pháp thống kê nên gọi

là thời gian chậm trễ thống kê Quá trình phóng điện

được 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 được thời gian phóng điện:

tp =t1 +ttk +tht

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

tht

ttk

U0

t1 t2 t3 t

U

t p

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

ảnh hưởng 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 được 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 trường 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 ngược lại cho nên đặc tính vôn - giây là một khu vực tập hợp nhiều điểm (hình c) Thực tế thường biểu thị theo đường cong trung bình có kèm theo giới hạn sai số so với đường trung bình ấy

Trong phóng điện xung kích khả năng phóng điện mang tính tản mạn, được 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 thường 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 được đặc tính vôn - giây):

MHS KH

- 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 đường đặc tính vôn - giây và có thời gian phóng điện khoảng (6ữ10)μs

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

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

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

Trong trường 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 được 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 được

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

phẳng ngang (đường b)

Đường 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 đường s1

và của thiết bị bảo vệ bằng đường s2

Có thể nhận thấy ở hình (a) thiết bị

điện sẽ được bảo vệ an toàn vì khi có điện

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

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

đường s 1 có giao chéo với đường s 2 , hoặc

đường s 1 lại nằm phía dưới đường s 2 thì

thiết bị điện sẽ không được 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 b) Cách điện không được bảo vệ

s1

s 2

U

t (a)

s 1

s 2

U

t (b)

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

đặc tính vôn - giây hoàn toàn nằm dưới đường đặc tính vôn - giây của cách điện và

có dạng phẳng ngang để không xảy giao chéo ở khoảng thời gian bé, thực tế thường dùng các biện pháp làm đều điện trường 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 thường có độ bền điện cao hơn chất khí rất nhiều Sự tồn tại tạp chất (nước, khí, bụi bẩn, các hạt cơ học rất nhỏ ) làm cho hiện tượng 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 người ta đưa 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 lượng 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, dưới tác dụng của trường 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 như 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 đường tự do của điện tử giảm đi nhiều

- Lý thuyết đánh thủng điện thuần tuý: (điện môi lỏng tinh khiết) gắn hiện tượng 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 dưới tác dụng của điện trường mạnh

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:

+ Trường hợp điện trường 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

+ Trường hợp điện trường rất không đồng nhất (giữa 2 điện cực nhọn):

Uđt = 403 a , KV 2

+ Trường hợp điện cực nhọn và điện cực phẳng:

Uđt = 19 4

3

a , KV với a = 3 ữ 20 cm

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

+ Tạp chất: có ảnh hưởng 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 hưởng tới trị số

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

Nước có thể ở trạng thái nhũ tương (bọc nước) hay hoà tan: ở trạng thái hoà tan thì cường độ cách điện giảm không nhiều nhưng ở trạng thái nhũ tương hay tạp chất là các sợi rắn thì điện áp phóng điện giảm nhiều vì các sợi và bọc nước 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 thường không phụ thuộc áp suất, nếu có chứa bọt khí thì cường 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 dưới tác dụng của điện trường, 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 cường 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 được Hiện tượng 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 cường độ thấp hơn rất nhiều so với khi thí nghiệm

Trước đây sự hoá già được 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 người ta cho rằng hiện tượng hoá già còn có thể xảy

Quá trình phát triển của sự đánh thủng điện hóa cần thời gian dài vì nó liên quan tới hiện tượng dẫn điện Hiện tượng này làm cho 1 lượng 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 thường 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 tượng 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 ngược lại

1.3.3 Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng 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 hưởng 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 trường 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 hưởng rất lớn đến tuổi thọ của cách điện Tuổi thọ của cách điện bọc dây dẫn cũng chịu ảnh hưởng 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 hưởng 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 được cải thiện nhưng 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 nước 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 trường 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

Cùng điều kiện ngoài như 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 vượt 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 phương pháp tính toán nhiệt theo phương pháp phân tích trong hàng loạt trường hợp không phản ánh hết các quy luật phức tạp xác định quá trình toả nhiệt trong điện môi và toả ra môi trường xung

1.4 Chất điện môi

1.4.1 Điện môi khí:

Trước tiên ta cần phải nhắc đến không khí Nó thường tham gia vào các thiết bị

điện và giữ vai trò như 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 đ

ường 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 như 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 người ta còn dùng N2, H2, khí trơ làm chất cách điện

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

kỹ thuật điện Khi so sánh đặc tính của không khí và các khí khác ta quy

áp suất trong máy cao hơn áp suất khí quyển

N2 đôi khi được 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 được tác dụng hoá học, không phân huỷ khi đốt nóng tới 800oC Đặc biệt

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

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

có độ bền điện thấp được 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

1.4.2 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 hưởng 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 lượng nguyên tử rất lớn (1 phân tử có hàng chục ngàn nguyên tử) VD: các polime

Khối lượng phân tử của các chất này rất lớn và kích thước hình học của chúng lớn

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

tầm quan trọng rất lớn đối với kỹ thuật cách điện

* Theo cấu trúc phân tử:

- Pôlime đường thẳng: cấu trúc phân tử hình chuỗi xích Loại này khá mềm,

co giãn tốt Khi nhiệt độ tăng lên vừa phải thì chúng hoá dẻo sau đó nóng chảy Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp, có khả năng tạo ra các sợi mảnh, dẻo và bền có thể tạo ra các sản phẩm dệt và màng mỏng

- Pôlime không gian: cấu trúc phân tử phát triển theo nhiều hướng khác nhau Chúng chỉ hoá dẻo ở nhiệt độ cao và có khi chưa đạt tới nhiệt độ hoá dẻo thì nhiều loại đã bị phá huỷ về mặt hoá học (cháy, phồng lên ), khó hoà tan trong dung môi,

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

được

- 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 thường là các pôlime mạch thẳng

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

được như trở nên rắn lại, không hoá dẻo và không hoà tan Vật liệu nhiệt cứng thường 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 nhưng độ bền cơ cao hơn

1.4.3 Điện môi lỏng:

- Được 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 cường 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

Người 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

1.5 Một số vật liệu cách điện thể rắn

1.5.1 Nhựa:

Nhựa là tên gọi của một nhóm rất rộng các vật liệu có nguồn gốc và bản tính rất khác nhau nhưng có 1số đặc điểm rất giống nhau về bản chất hoá học cũng như

1 số tính chất vật lý chung Đó là hỗn hợp của các chất hữu cơ, chủ yếu là những

chất cao phân tử với mức độ trùng hợp khác nhau

ở nhiệt độ khá thấp nó là những chất vô định hình có dạng nh ư thuỷ tinh khá giòn Khi đốt nóng thì nhựa mềm ra, thành dẻo và hoá lỏng Phần lớn các loại nhựa dùng trong kỹ thuật cách điện không tan trong nước và ít hút ẩm nhưng lại tan trong các dung môi hữu cơ thích hợp về bản chất điện

Thông thường 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 trọng của nhiều loại sơn, chất dẻo, xơ tổng hợp Theo nguồn gốc nhựa có thể phân thành 3 loại: Nhựa tự nhiên, nhựa nhân tạo, nhựa tổng hợp

a Nhựa nhân tạo:

Gồm ete xenlulo và este xenlulo Chúng được tạo ra từ việc xử lý hoá học các xenlulo tự nhiên Chúng thuộc loại nhiệt dẻo, kém chịu nóng được dùng chế tạo vật liệu dệt, màng mỏng, sơn, chất dẻo

tin, cáp điện lực tính chịu nhiệt của nó bị hạn chế (Thuộc vật liệu nhiệt dẻo: ở

nhiệt độ 105 - 135 0 C nó đã chảy mềm) và nếu đốt nóng độ bền cơ sẽ giảm nhanh

Để nâng cao độ bền nhiệt người ta cho nó chịu bức xạ ion hoá khi đó nó sẽ có thêm tính đàn hồi nóng

CH3 CH3

- CH2 C CH2 C

H H

Là 1 chất nhiệt dẻo có nhiều triển vọng Rất dẻo, tính cách điện

ngang polyêtylen nhưng độ bền nhiệt cao hơn (nhiệt độ hoá dẻo của nó: 165 -

Thu được bằng cách trùng hợp styrol (là sản phẩm phụ khi chưng khô than

đá) Tuỳ theo cách trùng hợp mà thu được polystyrol dạng khối hoặc dạng nhũ

tương (hạt nhỏ) Dạng nhũ tương có tính cách điện và chịu nhiệt thấp hơn dạng khối Nhược điểm: Giòn ở nhiệt độ thấp, kém chịu nóng Polystyrol nhũ tương được dùng để sản xuất bột ép, sơn

Những chất vừa nghiên cứu trên là những điện môi không cực tính có tính cách điện rất cao còn tính hút ẩm lại rất thấp

* Têtrafloetylen: Là êtylen mà phân tử của nó có cả 4 nguyên tử H2 thay bằng nguyên tử Flo Có thể gọi là nhựa Teflon - 4, là điện môi trung tính

Có độ bền nhiệt rất cao, bền về hoá học 1 cách đặc biệt hơn cả vàng và bạch kim Không cháy, không hút ẩm, không dính nước và các chất lỏng khác Chỉ có thể làm dính nó khi xử lý mặt ngoài bằng dung dịch Natri kim loại trong Amôniac (dung dịch này rất nguy hiểm về mặt cháy, nổ, độc và khó huỷ phân dung dịch thừa không dùng đến)

Nó là vật liệu hữu cơ duy nhất đ−ợc xếp loại cách điện cấp C, dùng sản xuất màng dẻo, cách điện cao tần

Còn nếu dây emay cách điện dùng sơn dầu thì chỉ đ−ợc dùng làm dây quấn khi đã đ−ợc bọc thêm bằng sợi bông hoặc 1 loại sợi nào đó để tránh cho lớp emay khỏi hỏng vì cơ

* Nhựa Polimetylmetacrilat (thuỷ tinh hữu cơ):

* Nhựa Flo hữu cơ:

Đ−a thêm nguyên tố Flo có tính hoạt động hoá học khá mạnh vào thành phần

1 số điện môi làm cho chúng có những tính chất rất quý

- Teflon - 3: Cấu tạo không đối xứng do kích thước nguyên tử Cl2 lớn hơn nguyên tử

F (3F - 1Cl) Là điện môi cực tính, độ bền hoá học thấp hơn teflon - 4 nhưng độ bền bức xạ cao hơn

* Nhựa tổng hợp nhiệt dẻo:

Nhựa Polyamit có các phân tử hình xích do 1 số nhóm - CH2 - và 1số nhóm peptit - CO - NH - lặp đi lặp lại nhiều lần (4 ữ 8) tạo thành Có độ bền cơ và độ dẻo rất cao Chỉ hoà tan trong 1 số điện môi lỏng (phenol nóng chảy) Dùng để chế tạo màng dẻo, chất dẻo và sợi tổng hợp

Nếu khi nấu nhựa có phenol và formandehit mà dùng xúc tác axit (HCl) thì

được Novolac là chất nhiệt dẻo được dùng để sản xuất chất dẻo

* Nhựa Epoxi: Đặc trưng bởi sự có mặt của nhóm epoxi trong phân tử của nó:

Nó là chất lỏng nhớt, có thể hoà tan trong axeton và các dung môi khác Khi cho thêm chất làm rắn vào thì epoxi cứng lại rất nhanh, tạo ra khối cách điện có độ không thấm nước cao, chịu nóng khá tốt

và có lực bám dính vào các vật liệu khác rất cao Dùng nhựa epoxi

để sản suất keo dán, sơn, hợp chất dùng làm đầy (hộp nối cáp)

Nhiều loại nhựa Epoxi cùng với chất làm rắn có tác dụng gây bệnh ngoài da Nếu đã hoá cứng thì không độc

e Nhựa thiên nhiên:

Là những chất do một số động vật (cánh kiến) hoặc những loại cây có nhựa (nhựa thông) tiết ra Người ta khai thác chúng ở dạng sẵn có trong tự nhiên và chỉ cần tẩy sạch, nấu chảy

* Cánh kiến:

O

H 2 C CH-