Giáo trình Vật liệu điện lạnh

Giáo trình Vật liệu điện lạnh gồm 4 chương với các nội dung vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện, vật liệu kỹ thuật lạnh, vật liệu cách ẩm và hút ẩm. Mời các bạn cùng tham khảo giáo trình để nắm chi tiết hơn nội dung nghiên kiến thức, hỗ trợ cho học tập và nghiên cứu.

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

V Tài li u tham khảo:

- 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 phẳng của vật liệu

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

ở các điện môi hữu cơ thường có nấm mốc phát triển và huỷ hoại Nấm mốc làm

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 tạo từ điện môi vô cơ có kích thước ổn định cao khi nhiệt độ thay đổi

Hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ:

Vật liệu α l 10 6 (độ -1 ) Nhận xét 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 vĩnh viễn, không sử dụng lại được

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 quyển, điện trường phóng điện trong trường đồng nhất khoảng 30 kV/cm, trường

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):

Hình 4-12: Sơ đồ nguyên lý để xác định

đặc tính (v-s) bằng thực nghiệm MPX-máy phát điện áp xung; KH-khe hở;

PA phân áp; MHS-máy hiện sóng

PA MPX

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

ra ở 1 số điện môi vô cơ (Gốm Titan )

Quá trình phát triển của sự đánh thủng điện hóa cần thời gian dài vì nó liên quan tới hiện 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 quanh

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

* Theo tính chất nhiệt:

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

đổi không phục hồi tính chất của chúng Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp Vật liệu nhiệt dẻo 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

- Polypropylen (PP): Là polyme của propylen: H2C = CH - CH3

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-

Do 1 số côn trùng tiết ra trên các cành cây ở xứ nóng Người ta thu nhặt theo kiểu thủ công, lọc sạch bẩn và nấu chảy

Là những lớp dạng vảy cá mỏng và giòn, mầu vàng nhạt hoặc hung hung đỏ

Dễ hoà tan trong rượu cồn ở 50 ữ 600C cánh kiến trở nên dễ uốn và ở nhiệt độ cao hơn nó trở thành dẻo và nóng chảy ra Khi đun nóng kéo dài nó được nung kết trở nên không nóng chảy và không hoà tan Trong kỹ thuật điện cánh kiến được dùng ở dạng sơn dán

Đặc tính cách điện: ε =3,5; ρ =10 15ữ 10 16Ω.cm; tgδ = 0,01;E đt = 20ữ30 KV/mm

* Nhựa thông (Colofan):

Sản xuất bằng cách chưng cất nhựa cây thông Colofan ôxy hoá từ từ trong không khí, khi đó nhiệt độ hoá dẻo của nó tăng nhưng độ hoà tan lại giảm

Là loại nhựa giòn mầu vàng hoặc nâu, dùng nhựa thông hoà tan trong dầu

mỏ vào việc sản xuất các hợp chất để tẩm và ngâm cáp

Đặc tính cách điện: ρ =10 14ữ 10 15Ω.cm; E đt = 10ữ15 KV/mm; ε và tgδ phụ thuộc nhiệt độ đặc trưng cho điện môi cực tính Nhiệt độ hoá dẻo: 50ữ70 0 C

* Nhựa Côpan:

Là loại nhựa khó nóng chảy Nó bóng, cứng, khó hoà tan Nhựa này 1 phần khai thác trong khoáng sản do các loại cây có nhựa đã sinh trưởng trước đây tách ra

1 phần thu được từ nhựa của các loại cây đang mọc hiện nay

Nhựa này dùng làm chất phụ gia cho sơn dầu nhằm tăng độ cứng của màng sơn

Hổ phách thuộc loại Côpan có: ε = 2,8; ρ =10 17ữ 10 19Ω.cm và tgδ = 0,001

có thể dùng làm đầu vào của các thiết bị cần có điện trở cách điện rất cao

1.5.2 Sơn:

Sơn: Sơn và hợp chất cách điện được xếp vào loại cách điện rắn Là dung dịch keo

của nhựa, của dầu khô, bi tum các chất ấy gọi là nền sơn hoà tan trong dung môi

dễ bay hơi Khi sơn được sấy khô thì dung môi bay hơi còn lại nền sơn thì chuyển sang trạng thái rắn và tạo thành màng sơn

Hợp chất khác với sơn ở chỗ thành phần của nó không có dung môi Nó gồm các

loại nhựa, bi tum, sáp dầu ở trạng thái đầu nếu nó là chất rắn thì trước lúc đem dùng người ta đun nóng nó lên để thu được 1 chất có độ nhớt khá thấp

* Theo cách sử dụng sơn cách điện có thể chia làm 3 nhóm chính: Sơn tẩm, sơn

phủ, sơn dán

- Sơn tẩm: Dùng để tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là cách điện ở dạng

xơ (giấy, vải, sợi, cách điện của dây quấn máy điện và thiết bị điện)

Khi được tẩm chất cách điện có điện áp đánh thủng cao hơn, độ dẫn nhiệt lớn hơn, tính thấm ẩm giảm đi, tính cơ học tốt hơn Sau khi tẩm chất cách

điện hữu cơ ít bị ảnh hưởng ôxy hoá của không khí vì vậy tính chịu nóng tăng lên

- Sơn phủ: Dùng để tạo trên bề mặt của vật được quét sơn 1 lớp màng nhẵn bóng,

chịu ẩm và bền về cơ học

Quét sơn này lên cách điện rắn xốp để cải thiện đặc tính của chất cách điện

đó (tăng điện áp phóng điện bề mặt và điện trở bề mặt, chống hơi ẩm ) Có

1 số loại sơn phủ (Emay) dùng quét trực tiếp lên kim loại nhằm tạo ra trên

bề mặt của nó 1 lớp cách điện (cách điện của dây emay, các lá tôn silic )

+ Men màu cũng được xếp vào loại sơn phủ

Đó là loại sơn được cho thêm sắc tố vào thành phần của chúng làm sơn có màu nhất định và độ bền cơ học, độ dẫn nhiệt, độ bám dính được cải thiện hơn

+ Sơn bán dẫn cũng là 1 loại men màu đặc biệt

Màng của loại sơn này có điện trở suất bề mặt thấp, được sử dụng trong việc chế tạo máy điện có điện áp làm việc cao

- Sơn dán: Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn lại với nhau hoặc gắn vật liệu

cách điện vào kim loại Ngoài các đặc tính cần thiết cho sơn cách điện nó còn phải

có lực bám dính cao

* Theo chế độ sấy sơn được chia thành 2 loại:

Sơn sấy nóng: (dùng dung môi sôi ở nhiệt độ cao) là loại sơn lâu khô ở nhiệt

độ thấp, phải sấy khô ở nhiệt độ > 1000C

Sơn sấy nguội: (dùng dung môi dễ bay hơi) khô khá nhanh và tốt trong không khí ở nhiệt độ trong phòng

Sau khi sấy xong sơn có nền là chất nhiệt cứng phải nung kết ở nhiệt độ cao

để thu được màng sơn có chất lượng tốt (chất nhiệt dẻo thì không cần)

* Một số loại sơn cách điện quan trọng:

- Sơn nhựa:

Là những dung dịch của nhựa tổng hợp, nhựa nhân tạo và nhựa thiên nhiên

+ Sơn Bakêlit: Là dung dịch bakêlit hoà tan trong rượu Được dùng để chế

tạo chất cách điện của thiết bị điện cao áp, sản xuất chất dẻo nhiều lớp Là loại

nhiệt 1 cách rõ rệt

+ Sơn Polyclovinyl: Rất bền với tác dụng của xăng dầu và các chất có hoạt

tính hoá học Dùng làm sơn phủ để bảo vệ cách điện làm việc trong khí quyển có hơi axit

+ Sơn Polistirol: màng có đặc tính cách điện cao, ít hút ẩm Dùng để sản

xuất các thiết bị cao tần

+ Sơn cánh kiến: Dùng làm sơn dán trong những việc lắp ráp và sửa chữa

khác nhau Muốn có màng sơn chất lượng cao phải đem nung kết

- Sơn xenlulo: Là dung dịch etexenlulo, màng của nó có tính nhiệt dẻo, phần lớn là sơn

sấy nguội VD: sơn Nitrocó màng bền về cơ tính Dùng tẩm vỏ bọc dây dẫn bằng sợi bông dùng trên ôtô và máy bay đễ giữ cho cách điện cao su khỏi bị ảnh hưởng của ôzôn, dầu, xăng

- Sơn dầu: Nền là các loại dầu khô và chứa chất làm khô và dung môi dễ bay hơi

Loại sơn này có độ nhớt cao và dùng ít thuận lợi

Khi hàm lượng chất làm khô cao ta được sơn sấy nguội nhưng màng sơn dễ bị hoá già nhiệt Khi hàm lượng chất làm khô nhỏ thì cần phải sấy nóng

- Sơn dầu nhựa: Là sơn dầu cho thêm nhựa thiên nhiên, nhựa tổng hợp vào Sử

dụng rộng rãi trong các trường hợp sau:

+ Tẩm dây quấn MBA dầu nhằm nâng cao tính chịu dầu và tăng độ bền cơ học + Tẩm dây quấn phải chịu tác dụng của hơi axit và clo

+ Tẩm vật cách điện có chứa nhựa Phenolfomandehit nhằm giảm khả năng hình thành vết

1.5.3 Hợp chất cách điện:

Gồm 2 nhóm chính là: hợp chất tẩm và hợp chất làm đầy, dùng để tẩm và làm đầy các lỗ trống giữa các chi tiết khác nhau trong thiết bị điện, giữa các mối nối nhằm bảo vệ chất cách điện chống ẩm và chống tác dụng của các chất có hoạt tính hoá học, tăng cường điện áp phóng điện, hoàn thiện điều kiện toả nhiệt có thể làm tăng công suất của các thiết bị

* Bi tum:

Là những hợp chất cách điện được sử dụng sớm nhất và được dùng rộng rãi

Nó có nhiệt độ hoá dẻo nhất định So với sơn tẩm thì bi tum tạo cho chất cách điện tính chịu ẩm và tính không thấm ẩm tốt hơn

tính cách điện, tính chịu nhiệt và chịu được tác dụng của dung môi cao hơn

Dùng bitum để tẩm dây quấn Stato của máy điện

Khi bị nóng bitum hoá dẻo nên không thích hợp để tẩm dây quấn Rôto

1.5.4 Xơ và nguồn gốc của nó:

* Xơ là vật liệu mà toàn bộ hoặc chủ yếu được cấu tạo bằng các phần tử nhỏ và dài

Độ bền cơ và độ dẻo khá cao, sản xuất thuận tiện, rẻ tiền Độ bền điện và độ dẫn

điện không cao, độ hút ẩm cao

Những tính chất của vật liệu xơ được cải thiện một cách cơ bản bằng phương pháp tẩm Vì vậy thường dùng xơ đã tẩm làm cách điện

Là vật liệu sẵn có, dễ gia công, có đặc tính cơ tương đối tốt

Đặc tính của gỗ phụ thuộc vào những yếu tố sau: Giống cây, nơi trồng, tuổi Nếu xét theo đơn vị trọng lượng thì độ bền của gỗ không nhỏ hơn của thép Độ bền theo chiều ngang nhỏ hơn theo chiều dọc Tính cách điện giảm nhiều do tính hút ẩm cao,

dễ bị cong, nứt, độ bền nhiệt kém, dễ cháy

- Nếu dùng gỗ làm cách điện thì phải tẩm cẩn thận Thường dùng để chế tạo chi tiết giá đỡ, cán cầu dao, nêm rãnh của máy điện

* Giấy và các tông:

Là những vật liệu hình tấm hoặc quấn lại thành cuộn chế tạo từ xơ ngắn Thành phần chủ yếu là xenlulô Độ bền của giấy phụ thuộc vào độ ẩm

Độ bền theo chiều dọc lớn hơn theo chiều ngang

Quá khô hay quá ẩm đều có độ bền cơ thấp

- Một số loại giấy có công dụng trong kỹ thuật điện:

+ Giấy cáp: Phải có đặc tính cơ cao

chất cách điện có đầy đủ độ bền cơ trong những điều kiện lắp ráp cáp

Với ký hiệu KBMY - 120: K- thuộc về cáp; B- điện áp cao; M- nhiều lớp; Y- được

ép chặt; 120- chiều dày định mức của giấy (từ 15-240 micronmet)

+ Giấy để quấn: Mỏng và chắc để sản xuất các dây quấn

Chiều dày định mức: 50-70 micron

+ Giấy tụ điện: Được tẩm và dùng làm điện môi cho tụ điện giấy

Chiều dày định mức: 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 15, 22 và 30 micron

Chiều dày của giấy nhỏ nên có điều kiện để tụ điện có suất điện dung cao Có thể nói gần đúng: khi điện áp làm việc thấp thì suất điện dung tỷ lệ nghịch với bình phương của chiều dày điện môi

+ Giấy để tẩm: Dùng để sản xuất lá Hêtinăc Dày 0,09; 0,11 và 0,13 micron

+ Giấy băng Mika: dày 20 ± 2 micron Chế tạo từ xơ dài, dùng làm nền trong việc sản xuất băng mika

Phíp được sản xuất thành lá, tấm, ống Có đặc tính cơ khá tốt, đặc tính cách

điện không cao lắm, dễ gia công nhưng độ háo nước rất cao Nó bị phân huỷ dưới tác dụng hồ quang và sinh ra 1 lượng khí lớn làm tắt hồ quang Vì vậy thường dùng ống phíp để chế tạo chống sét ống

cách điện trong máy điện và thiết bị điện, trong các sản phẩm cáp

Loại vải sơn cách điện làm bằng sợi tơ gọi là lụa sơn cách điện Loại vải sơn cách điện làm bằng sợi bông gọi là vải sơn cách điện Lụa sơn cách điện mỏng hơn và

có độ bền điện cao hơn, ngoài ra có vải sơn cách điện làm bằng xơ tổng hợp Cấp cách điện của chúng đều là cấp A (105 0 C)

- Vải sơn màu sáng tẩm bằng sơn dầu, khá bền với tác dụng của dung môi hữu cơ nhưng khuynh hướng hoá già vì nhiệt ở nhiệt độ cao nó có mầu sẫm lại và trở nên giòn

- Vải sơn màu đen tẩm bằng sơn bitum, có tính cách điện tốt hơn, ít háo nước hơn loại màu sáng nhưng khả năng chịu tác dụng của môi hữu cơ thấp Loại này không dùng cho MBA dầu nhưng dùng cho máy điện và các loại sản phẩm cáp đặc biệt

1.5.7 Màng dẻo:

Trong suốt và màng mỏng ≤ 0,02mm, làm bằng polyme hữu cơ, được sản xuất thành từng cuộn Nó có độ bền cơ và điện cao dùng làm cách điện cho máy

điện, dây cáp, dây quấn

Có thể nâng cao nhiệt độ hoá dẻo của màng bằng 2 cách: Cho thêm chất tăng dẻo vào vật liệu của màng trước khi tạo hình cho nó hay kéo giãn màng ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hoá dẻo của vật liệu chế tạo ra màng 1 ít

- Dùng nhiều loại màng dẻo khác nhau vào việc sản xuất tụ điện

Trong đó màng không cực tính đảm bảo cho cách điện có điện trở cao, tgδ

nhỏ, dòng điện hấp phụ nhỏ, trị số điện dung ổn định theo thời gian

Màng không cực tính thì có hằng số điện môi cao hơn, cho phép chế tạo các tụ

có kích thước nhỏ hơn

Màng bằng chất Stiroplex dùng sản xuất cáp cao tần, còn màng đặc biệt nhất là làm bằng chất Policacbonnat có triển vọng để sản xuất cáp điện lực có

điện áp siêu cao (hàng trăm KV)

Màng triaxetat xenlulo dùng làm cách điện cho các phần tử dây quấn máy điện và cách điện cho 1 số loại dây để quấn Tuy nhiên nó kém bền với tác dụng của ôzon nên gây khó khăn khi dùng trong máy điện cao áp (nhiệt độ làm việc cho phép khoảng 120 0 - cấp E)

Khi gần tới giới hạn bền kéo màng dễ bị rạn nứt và khe nứt dễ lan rộng => dùng màng dán lên các tông và thu được vật liệu hỗn hợp có độ bền điện và cơ cao dùng làm cách điện cho máy điện

Dùng nhiều chất dẻo làm vật liệu cách điện cũng như làm vật liệu kết cấu Nhiều chất dẻo có độ bền cơ cao, đặc tính cách điện tốt và khá nhẹ

Phần nhiều chất dẻo gồm 2 thành phần chính là chất kết dính và chất độn

+ Chất kết dính: Là hợp chất hữu cơ (thường là cao phân tử) có khả năng biến dạng dẻo dưới tác dụng của áp suất ngoài Đặc biệt còn có chất kết dính vô cơ (xi măng trong amiăng)

+ Chất độn: Dính kết chặt chẽ với chất kết dính Nó có thể ở dạng bột, sợi, tấm Nó làm giảm đáng kể giá thành của chất dẻo và làm đặc tính cơ tốt hơn (tăng độ bền, giảm độ giòn) Tuy nhiên tính cách điện bị giảm sút muốn chất dẻo có tính cách

điện cao thì không dùng chất độn

Tuỳ theo chất kết dính mà chia thành chất dẻo ép nóng và ép nguội Đa số chất dẻo có chất kết dính hữu cơ đòi hỏi phải ép nóng, các chất này lại chia thành chất nhiệt cứng và chất nhiệt dẻo

Sau khi ép nóng chất kết dính của chất nhiệt dẻo vẫn có khả năng hoá dẻo trở lại

và hoà tan được trong dung môi còn chất nhiệt cứng thì không Đôi khi người ta cho thêm chất tăng dẻo để tăng độ dẻo, giảm độ giòn hoặc thêm bột mầu để tạo mầu

Chất dẻo nhiều lớp:

Được dùng rộng rãi làm vật liệu kết cấu và vật liệu cách điện Trong đó có dùng 1 loại xơ mỏng nào đó làm chất độn Điển hình là Hêtinắc và Téctolít

Hêtinắc:

Sản xuất bằng cách ép nóng giấy đã tẩm Bakênit.Thường chọn loại giấy có tính bền và chịu nhiệt

Phương pháp này làm tốn 1 lượng dung dịch đắt tiền là rượu vì sấy hơi rượu thoát ra Một kỹ thuật mới là tẩm bằng nhựa phênolfomandehit lỏng ở dạng huyền phù trong n

ước Khi sấy thì nước bay hơi Giấy đã tẩm được cắt theo khuôn khổ và ép bằng máy ép thuỷ lực theo chiều dày cần thiết Bakelit trong vật liệu nóng chảy sẽ lấp kín các lỗ rỗng giữa các xơ giấy và giữa từng chồng giấy Sau đó nó được thiêu kết và hoá cứng

- Thường dùng 2 loại Hêtinăc trong các thiết bị tần số thấp với nhiệt độ môi trường xung quanh từ - 60 ữ 70o

Tectolit: Chế tạo tương tự như hêtinắc nhưng bằng vải tẩm

Những tính chất của tectolit làm bằng vải bông gần giống hêtinắc

Tectolit có ứng suất dai va đập, độ bền mài mòn và sức chịu lực tách cao

Vì giá thành cao (đắt hơn hêtinắc 5-6 lần) nên chỉ dùng trong những trường hợp

đặc biệt như đối với sản phẩm chịu tải trọng va đập hoặc bị mài mòn khi làm việc (các chi tiết của cái chuyển mạch)

Ngoài ra còn có tectolit thuỷ tinh (sản xuất từ vải thuỷ tinh) nó có độ bền nhiệt, sức chịu ẩm, độ bền cơ học và đặc tính cách điện rất cao

Cũng có thể dùng thảm thuỷ tinh thay cho vải thuỷ tinh ở đây các sợi thuỷ tinh không được dệt mà xếp chéo hoặc song song với nhau Bằng cách này làm cho chất dẻo

ép bằng thuỷ tinh rẻ đi rất nhiều

1.5.9 Vật liệu cao su:

Cao su có đặc tính đàn hồi cao, tính ít thấm ẩm và ít thấm khí

Lấy từ nhựa (mủ) của cây cao su Khi làm đông tụ mủ cao su và thải hết tạp chất thì tách riêng được cao su ra

Khi nóng lên tới 50 0 C thì cao su dẻo và dính còn ở nhiệt độ thấp thì giòn.Nó hoà tan được trong hyđrocacbon và trong cacbonđisunfua

Không dùng cao su nguyên chất vào việc sản xuất chất cách điện vì nó không chịu được nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp cũng như tác dụng của dung môi Để khắc phục nhược điểm đó người ta tiến hành lưu hoá cao su tức là nung nóng lên sau khi cho thêm lưu huỳnh vào

Cao su lưu hoá:

Sự lưu hoá cao su làm tăng tính chịu nhiệt, chịu lạnh, làm tăng độ bền cơ và

độ bền với các dung môi

Tuỳ thuộc vào lượng S cho thêm vào mà ta được cao su dẻo (1 ữ 3% S) có khả năng chịu kéo và tính đàn hồi cao Còn cao su rắn (30 ữ 35% S) hay Êbônit chịu được tải trọng va đập lớn

Cao su dùng làm chất cách điện cho dây dẫn, cáp mềm, găng tay cách điện, ủng cách điện, thảm cách điện

Nhược điểm: Độ bền nhiệt thấp (bị hoá già khi bị nung nóng, trở nên giòn và nứt) ít chịu được tác dụng của dầu mỏ (bị phồng lên) Kém bền với tác dụng của

ánh sáng (tia tử ngoại làm cao su bị hoá già nhanh)

Không cho phép đặt trực tiếp cách điện bằng cao su bình thường lên lõi bằng

đồng của các linh kiện cáp (do lượng S còn sót lại trong cao su gây tác hại cho đồng nhất là ở nhiệt độ cao) Thường dùng 1 lần lót bọc sơ qua cho đồng

Cao su tổng hợp:

- Chế tạo từ dầu mỏ, rượu cồn và khí thiên nhiên

Trong công nghiệp sản xuất cáp của Liên Xô chỉ dùng cao su tổng hợp để chế tạo vỏ cáp còn trong hợp chất cách điện thì nó cũng chiếm quá nửa

- Cao su Butađien: Sản xuất cao su dẻo và êbônit

Trùng hợp butađien H 2 C = CH - CH = CH 2 ở thể khí Muốn dùng cao su này làm cách điện phải rửa sạch chất xúc tác còn dư lại (Na) vì chất này làm giảm tính cách điện của nó

- Escapon: Có tính cách điện cao dùng làm môi cao tần

tính cơ gần giống êbônit nhưng có độ bền nhiệt cao hơn Đặc tính cách điện:

ε = 2,7 - 3; tgδ = 5 10 -4 ; ρs = 10 16Ω

- Cao su Cloropren: Dùng làm vỏ cáp, các tấm đệm chịu dầu

Thu được khi trùng hợp Cloropren H 2 C = CCl - CH = CH 2 Loại vật liệu cực tính này có đặc tính cách điện thấp nhưng bền với tác dụng của dầu, xăng và các chất

ôxy hoá khác ít bị hoá già vì nhiệt và ít thấm khí hơn cao su tự nhiên

* Trong kỹ thuật điện người ta còn sử dụng Pôlyme làm chất dẻo giống cao su Nó

là chất nhiệt dẻo và không lưu hoá được Có thể dùng làm cách điện cáp cao tần khi cần có tgδ rất nhỏ

1.6 điện môi lỏng:

1.6.1- Dầu mỏ cách điện:

a Dầu biến áp:

- 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

- Dầu biến áp được chế tạo từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất Nó phải có nhiệt độ chớp cháy cao và độ nhớt thấp

- Độ bền điện của dầu giảm nhiều nếu có lẫn nước và tạp chất Khi sấy khô

đúng mức thì độ bền điện được phục hồi

Sấy khô bằng cách nén cho dầu chảy qua giấy lọc trong máy lọc nén; Cho dầu chịu tác dụng của lực ly tâm trong máy lọc ly tâm (nước có tỷ trọng cao hơn sẽ

bị đẩy ra ngoài mép bình và được tách ra khỏi dầu) Trong quá trình làm việc dầu

bị hoá già và có mầu sẫm hơn, khi đó độ nhớt tăng, đặc tính cơ giảm đi Người

ta cho thêm chất cản hoá (chất chống ôxy hoá thường dùng là Amidopyrin - 0,3

kg cho 1 lít dầu) để chống sự hoá già dầu Sử dụng