Chương 4 : Vật liệu cách điện

 Vật liệu cách điện rắn được dùng làm cách điện chính trong các thiết bị điện như: cáp điện lực, máy phát điện, máy biến áp đo lường..  Khi kết hợp với cách điện lỏng và khí, vật liệu [r]

Chương IV: Vật liệu cách điện

 Tính chất và phân loại vật liệu cách điện

 Vật liệu cách điện khí

 Vật liệu cách điện rắn

 Vật liệu cách điện lỏng

I Tính chất và phân loại vật liệu cách điện

1) Tính chất cơ, lý, hóa của điện môi (đọc tài liệu)

 Định nghĩa: khả năng của vật liệu cách điện chịu đựng không bị hư

hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột nhiệt độ

 Độ bền nhiệt của điện môi vô cơ: là điểm bắt đầu biến đổi tính chất

điện (ví dụ: tan tăng rõ rệt hay điện trở suất giảm )

 Độ bền nhiệt của điện môi hữu cơ: là điểm bắt đầu biến dạng cơ học

kéo hoặc uốn hoặc theo độ lún sâu của kim loại dưới áp lực khi nung nóng điện môi

 Độ bền nhiệt của điện môi lỏng: được xác định bằng nhiệt độ chớp cháy là nhiệt độ của chất lỏng mà khi nung nóng đến nhiệt độ đó, hỗn

a) Độ bền nhiệt (oC)

 Theo tiêu chuẩn IEC, vật liệu cách điện được phân theo 7 cấp độ chịu nhiệt

Ký hiệu cấp chịu nhiệt Nhiệt độ làm việc lớn nhất

b) Độ dẫn nhiệt (W/m.K)

 Đặc trưng cho khả năng tải

nhiệt của vật liệu cách điện

 Độ dẫn nhiệt lớn (nhiệt

lượng tỏa ra do hiệu ứng

Joule, do tổn hao lõi thép, do

tổn hao điện môi): Nhiệt

lượng dễ dàng truyền qua vật

liệu cách điện

 Độ dẫn nhiệt thấp: nhiệt

lượng tỏa ra do các tổn hao

khó truyền qua vật liệu cách

điện  quá nhiệt  phóng

T k

2) Tính chất điện của vật liệu cách điện

 Độ bền điện (kV/mm): khả năng chịu đựng cường độ điệntrường lớn nhất của vật liệu mà không bị phóng điện đánh thủng

 Tổn hao điện môi

 Hằng số điện môi

 Điện trở suất khối

3) Phân loại vật liệu cách điện

 Theo trạng thái vật chất: khí, lỏng và rắn (thông dụng)

 Theo bản chất hóa học: vật liệu cách điện hữu cơ và vô cơ Kết hợp giữa hữu cơ và vô cơ  vật liệu composite

II Vật liệu cách điện khí

 Vật liệu cách điện khí phổ biến và dễ tìm thấy nhất là không khí

 Ứng dụng của không khí:

- Cách điện chủ yếu của các đường dây truyền tải trên không

- Cách điện của các thiết bị điện làm việc trong không khí

- Phối hợp với các chất cách điện rắn và lỏng

* Chú ý: tuy nhiên sự xuất hiện bọt khí trong cách điện rắn làm phát sinh phóng điện cục bộ  phá hủy cách điện từ từ

 Một số chất khí khác được sử dụng làm chất cách điện như: N2,

CO2, SF6…

- SF6 (khí điện âm) được dùng phổ biến trong máy cắt trung thế và cao thế (GIS)

Khả năng làm mát, giảm ma sát cao

Khả năng chống cháy và chống oxy

hóa cao

Rẻ tiền, dễ kiếm

 Độ bền điện của chất khí tăng theo áp suất

III Vật liệu cách điện rắn

 Vật liệu cách điện rắn được dùng làm cách điện chính trong cácthiết bị điện như: cáp điện lực, máy phát điện, máy biến áp đolường

 Khi kết hợp với cách điện lỏng và khí, vật liệu cách điện rắn còndùng để:

- Làm vật liệu kết cấu trong đường dây truyền tải trên không,máy biến áp điện lực và máy cắt

- Vỏ cách điện chứa chất lỏng hoặc khí

- Màn chắn cách điện trong chất lỏng và khí

1) Giới thiệu

Paper wrap around copper wire

 Kết cấu cách điện trong của máy biến áp điện lực

o Sử dụng giấy cách điện và giấy ép cách điện kết hợp với dầu cách điện

o Cách điện chính: kết cấu màn chắn cách điện

 Yêu cầu của vật liệu rắn làm cách điện:

o Không giải phóng khí độc khi cháy

 Các chất cách điện rắn thông dụng: polymer (nhựa), thủy tinh, gốm (sứ) và giấy tẩm dầu

 Phân loại chất cách điện rắn

Polymer tổng hợp Nhựa nhiệt

dẻo

Nhựa nhiệt cứng

2) Polymer

 Polymer là những hợp chất mà phân tử của chúng gồm nhữngnhóm nguyên tử được nối với nhau bằng liên kết hoá học và lặp di lặp lại nhiều lần tạo thành những mạch dài và có khốilượng phân tử lớn

 Polymer có nguồn gốc tự nhiên (cao su, cellulose, …) hoặc

tổng hợp (PVC, PE…)

a) Phân loại polymer

 Đặc tính của polymer (nhựa):

o Khả năng kháng hóa chất cao

o Độ bền cơ cao hơn kim loại nếu được gia cường

o Dễ đúc khuôn với nhiều hình dáng khác nhau

 Phân loại nhựa: nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt cứng (rắn)

o Nhựa nhiệt dẻo: sẽ hóa dẻo khi gia nhiệt và dễ dàng gia côngbằng phương pháp đúc khuôn hoặc ép đùn (PE, PP, PS vàPVC)

o Nhựa nhiệt cứng: đặc trưng bằng quá trình đóng rắn nhờ gia nhiệt hoặc các phản ứng hóa học Sau khi đóng rắn, nhựa

không bị hóa dẻo khi gia nhiệt lần nữa (Phenolics, epoxies, polyesters không bão hòa, polyurethanes)

 Polymer = poly (nhiều) + mer (phần, đơn vị).

 Đơn vị nhỏ gọi là monomer

 Tổng số đơn vị nhỏ gọi là độ polymer hóa (n)

b) Cấu trúc polymer

 Polymer được điều chế bằng phản ứng trùng hợp hoặc trùng ngưng (có tạo ra chất mới-ví dụ như nước)

 Trùng hợp từ 1 loại monomer gọi là homopolymer

 Trùng hợp từ 2 loại monomer gọi là copolymer  tính chất polymer phụ thuộc vào các monomer và sự sắp xếp các

monomer

d) Nhựa nhiệt dẻo (Thermal plastic)

 VD: PE, PVC, PP…

 Các mạch phân tử được sắp xếp vào các vùng tinh thể và các vùng vô định hình

 Trong vùng vô định hình, các mạch phân tử sắp xếp không

theo trật tự nhất định được liên kết với nhau bằng các lực thứ cấp yếu (Van der waal)  Nhựa nhiệt dẻo bị chảy khi gia nhiệt

và được tạo hình mới

 Trong vùng tinh thể, các mạch phân tử sắp xếp theo một trật

tự nhất định và được liên kết với nhau bằng các lực thứ cấp mạnh hơn lực trong vùng vô định hình

PE

 Tính chất nhiệt

Tg: nhiệt độ thủy tinh hóa

Ts (TP, Tm): nhiệt độ nóng chảy

A: polymer vô định hình B: polymer bán tinh thể C: polymer tinh thể

-Thể tích riêng tăng khi nhiệt độ tăng

- Thể tích riêng phụ thuộc mức độ tinh thể hóa của polymer

Rắn

Cấu trúc giống cao su

 Tính chất cơ (đường cong ứng

suất-độ giãn dài tương đối)

Chảy nguội

Phá hủy

Độ bền của polymer

d) Nhựa đàn hồi nhiệt dẻo (Elastomer)

 Thể hiện tính đàn hồi giống cao su

 Giống nhựa nhiệt dẻo khi tồn tại các chuỗi phân tử dài

 Khác nhựa nhiệt dẻo ở điểm là có chứa một số liên kết ngang giữa các chuỗi phân tử

 Không bị chảy lỏng khi gia nhiệt, chỉ chuyển sang trạng thái mềm

 Do có liên kết ngang nên các chuỗi phân tử khó trượt lên nhau khi gia nhiệt  Độ bền nhiệt cao

 VD: XLPE (cách điện cáp điện lực), silicone rubber (sứ treo), ethylene-propylene rubber (cách điện đường dây trên không)

* XLPE (crosslinked polyethylene- PE liên kết ngang)

Liên kết ngang

 Đặc tính điện của XLPE tương tự PE

 Độ bền nhiệt của XLPE cao hơn PE

Bảng 1 So sánh cáp XLPE và cáp PE

 Độ chịu mài mòn cao

 Điện trở suất mặt cao ở

môi trường ô nhiễm

 Độ bền nhiệt cao

 Ứng dụng: cáp điện lực,

sứ treo

 Trọng lượng riêng thấp hơn nước

 Khả năng kháng corona (kháng ozone)

 Ứng dụng: cáp điện lực, cách điện trên không

Ethylene Propylene

Diene

Thuộc tính Cao su silicone EPDM

E) Nhựa nhiệt cứng

* Keo epoxy ( Keo AB )

 Bao gồm 2 thành phần: nhựa epoxy và chất đóng rắn

 Nhựa epoxy (epoxy resins) là một loại polymer ở dạng lỏng mà trên mạch có các nhóm " epoxy" ở cuối mạch, khi được khâu mạng bằng chất đóng rắn thì chúng là một loại nhựa “nhiệt rắn”

 Tỉ lệ chất đóng rắn càng cao thì thời gian đóng rắn càng ngắn, độ cứng của hỗn hợp sau đóng rắn càng cao và dễ nứt

 Đặc tính cách điện tương đối tốt, độ bền cơ cao, khả năng chống thấm khá

 Ứng dụng: keo dán, sơn phủ (tẩm), lớp phủ bên ngoài cuộn dây máy

mạch phân tử nhựa epoxy

Chất đóng rắn

Keo epoxy

Máy biến áp khô

epoxy khi nối cáp

* Polyesters

 Mạch phân tử có chứa nhóm chức ester

 Chia làm 2 loại: bão hòa (chỉ chứa nối đơn) và không bão hòa (có chứa nối đôi)

 Polyester bão hòa : sản xuất sợi (dệt vải, đan thành tấm cách điện ) và tạo màng mỏng ( lớp emay của dây điện từ)  nhiệt dẻo

 Polyester không bão hòa : đặc tính tương tự epoxy , rẻ hơn epoxy nhưng co ngót khoảng 6-8% khi đóng rắn (làm nhựa nền cho vật liệu

* Bakelite

 Là sản phẩm trùng ngưng của phenol và formaldehyde

 Tên gọi “dân gian”: phíp nhựa

 Điện trở suất cao , chịu nhiệt tốt, chống mài mòn tốt

 Ứng dụng: vỏ khí cụ điện, cách điện tại các vị trí có nhiệt độ cao….

3) Thủy tinh và sứ cách điện

 Ứng dụng: cách điện ngoài trời, cách điện ngoài của sứ xuyên

 Cách điện ngoài trời phải có khả năng chịu đựng tác động của:

 Thủy tinh và sứ cách điện có một số đặc điểm giống nhau:

o Được sản xuất từ các loại oxít vô cơ khác nhau (SiO2, Al2O3,

Na2O…)

o Cần nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất (700-1200oC)

o Độ bền cơ cao, cứng và giòn

o Khả năng kháng thời tiết tốt

o Đặc tính cách điện tốt

o Độ bền nhiệt cao

Đặc điểm Thủy tinh Sứ

Quá trình sản xuất Định hình bằng quá

trình cán, ép và thổi

ở nhiệt độ nóng chảy

Định hình trong khuôn và liên kết các phần tử bằng quá trình Sintering hoặc quá trình nóng chảy của các hợp chất tạo pha rắn giữa các phần tử

Cấu trúc Vô định hình, đồng

nhất, trong suốt

Tinh thể siêu nhỏ, không đồng nhất, nhiều pha

 Đặc điểm khác nhau:

 Quá trình sintering: quá trình thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn

nhiệt độ nóng chảy  khuyếch tán nguyên tử (atomic diffusion)

 nguyên tử khuyếch tán qua mặt phân cách giữa các hạt  liên kết các phần tử rời rạc thành một vật rắn

 Nhược điểm của Thủy tinh và Sứ cách điện

 Nhóm oxit kiềm (Na2O, K2O) làm tăng độ dẫn điện của thủy tinh

 Đối với thủy tinh dùng trong cách điện cao áp, nồng độ các oxitnày được hạn chế dưới 0,8%

 Thủy tinh có độ bền cơ cao, tuy nhiên khi bị kéo, có thể xuất hiệncác vết rạn nứt bắt nguồn từ các điểm bất thường trên bề mặt thủy tinh cường lực được sử dụng

 Thủy tinh cường lực được sản xuất bằng cách đun nóng ở nhiệt độcao (700oC) và làm lạnh nhanh bề mặt  bề mặt kính sẽ trở nêncứng trong khi phần bên trong kính còn ở thể dẻo Phần bên trong

sẽ từ từ nguội và co lại  sinh lực nén lên bề mặt ngoài và lực kéobên trong  hạn chế phát sinh vết nứt

 Khi lực kéo tác động lên thủy tinh chịu lực, bề mặt của nó vẫn cóthể chịu nén trong khi phần bên trong chịu kéo  khi bị vỡ,Kính vùng

thường Kính chịu

Thông số Thủy tinh Sứ cách điện

Bảng 2 Các thông số của thủy tinh và sứ cách điện

Kính thường Kính chịu

lực

 Thủy tinh loại E (alumino-borosilicate glass với nồng độ kiềm < 2%) được sử dụng để sản xuất sợi thủy tinh nhằm gia cường cho vật liệu composite

 Khi thủy tinh bị kéo sợi, độ bền cơ của sợi tăng nhanh với độgiảm đường kính sợi

 Trong vật liệu composite, sợi thủy tinh được xử lý bề mặt vớisilane (SiH4) để bám chặt vào nền polymer

 Nguyên lý gia cường polymer bằng sợi thủy tinh:

o Xem như sự gắn kết giữa sợi thủy tinh và nhựa nền là hoànhảo

o Độ giãn dài tương đối () dưới tác động của ứng suất kéo ()

sẽ như nhau cho cả sợi và nhựa nền

o Theo định luật Hook:



  E

Module đàn hồi

g g

g p

E

E E

o Tạo hình: ép đùn, đổ khuôn, tiện mặt ngoài…

o Sấy khô để loại nước

o Tráng men

o Nung thiêu kết: fenspat bị nóng chảy tạo pha thủy tinh sẽ lấp kín các lỗ trống giữa các hạt đất sét và thạch anh và liên kết chặt chẽ các hạt đó lại với nhau

 Ở nhiệt độ cao, đặc tính cách điện của sứ kém đi nhiều vì pha thủy

4) Mica

 Phần lớn Mica dùng để cách điện có nguồn gốc vô cơ tự nhiên

(K2O.3Al2O3.6SiO2.H2O)

 Mica có thể tách thành bản mỏng một cách dễ dàng theo chiềusong song giữa các bề mặt thớ

 Mica là vật liệu có những tính năng đặc biệt như: độ bền điện

và độ bền cơ cao, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt, tổn hao điệnmôi thấp, kháng phóng điện cục bộ tốt

 Mica tổng hợp có thể được sản xuất với các thành phần tương

tự như mica tự nhiên

 Ứng dụng: cách điện cho máy điện có điện áp cao và công suấtlớn (máy phát, động cơ…), cách điện cho các phiến đồngtrong cổ góp máy điện…

 Mica vụn và bột mica được sử dụng làm chất độn trong thủytinh hoặc epoxy để tăng độ bền điện, độ bền nhiệt và giảm tổnhao điện môi

 Mica được tạo hình dưới dạng ống, tấm và băng…

Băng

mica

Thông số Tự nhiên Nhân tạo

Bảng 3 Các thông số của mica

5) Giấy tẩm dầu

 Giống thủy tinh và sứ, giấy là vật liệu cách điện truyền thống

 Ưu điểm:

o Dễ dàng quấn quanh dây dẫn có hình dáng bất kỳ

o Dưới dạng giấy ép, giấy cách điện có thể được sản xuất vớichiều dày lớn và nhiều hình dạng

o Dễ tẩm dầu

o Tương thích với dầu khoáng

o Đặc tính điện, cơ và nhiệt tốt (chọn lựa duy nhất choMBA)

o Rẻ tiền

 Nhược điểm:

o Cần quá trình tẩm dầu

o Nối cáp phức tạp

o Đặc tính điện bị suy giảm bởi hơi ẩm

o Tổn hao điện môi giới hạn điện áp của cáp giấy-dầu ở mức

500 kV

 Giấy cách điện có nguồn gốc từ cellulose và phổ biến dưới tênthương mại là Kraft paper

 Do giấy cách điện rất háo nước nên phải sấy và tẩm dầu

 Giấy cách điện được sản xuất dưới dạng giấy cuộn, bìa ép và bìacứng (chứa nhựa epoxy)

 Ứng dụng: cáp giấy tẩm dầu, tụ điện giấy tẩm askarel, máy biến

Một đơn vị của

mạch phân tử

cellulose

IV Vật liệu cách điện lỏng

1) Các loại chất lỏng cách điện

 Dầu mỏ cách điện (dầu máy biến áp, dầu tụ điện, dầu cáp điện)

 Các loại chất lỏng cách điện khác (dầu silicone, ester tổng hợp và ester tự nhiên)

c) Yêu cầu về đặc tính của dầu

 Dầu máy biến áp được trích lọc từ dầu thô qua nhiều côngđoạn xử lý vật lý và hóa học

 Dầu máy biến áp được cấu thành từ ba nhóm phân tửHydrocarbon chính

o Alkanes: paraffins mạch thẳng hoặc nhánh

o Naphthenes: Alkanes vòng có một hoặc nhiều vòng bão hòa được tạo từ 5, 6 hoặc 7 nguyên tử carbon

o Aromatics or Polyaromatics: Hydrocarbon thơm có một

hoặc nhiều nhân benzen

 Tỉ lệ giữa Alkanes và Naphthenes trong phân tử dầu phụ thuộc vào vị trí địa lý của các mỏ dầu thô

d) Các thành phần chính của phân tử dầu

e) Cấu hình carbon trong phân tử dầu

f) Cấu trúc phân tử dầu điển hình

 Thành phần Paraffinic và Naphthenic chi phối tính chất vật lý củadầu (tỷ trọng, độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ cháy)

 Thành phần Aromatic chi phối đặc tính hóa học và điện (khả năng

g) Phân loại dầu thô

h) Các thành phần

phân tử điển hình

của dầu máy biến áp

i) Đặc tính vật lý

 Độ nhớt

o Thông số quan trọng để tính toán truyền nhiệt

o Quyết định khả năng thẩm thấu vào giấy cách điện hoặc khả năng điền đầy dầu vào các khe hở

 Nhiệt độ đông đặc: dưới nhiệt độ này thì dầu không chuyển động được

 Nhiệt độ chớp cháy: nhiệt độ cao nhất mà hơi dầu tự bốc cháy khi đem ngọn lửa lại gần

 Độ nhớt tỉ lệ nghịch với nhiệt độ

j) Đặc tính hóa học

 Khả năng chống oxi hóa

o Nếu dầu bị Oxi hóa  tạo cặn bao phủ cuộn dây, lõi thép, vỏ máy, khe dẫn dầu  ngăn cản chuyển động dầu đối lưu  giảm hiệu suất truyền nhiệt  gây quá nhiệt  tăng quá trình tạo cặn và axít  thúc đẩy quá trình lão hóa dầu và cách điện rắn  gây phóng điện  MBA bị hư

sớm.

o Yêu cầu: khả năng chống oxi hóa cao

 Tác hại của axít hữu cơ

o Gây ăn mòn và tăng thoái hóa cách điện rắn

 Tác hại của lưu huỳnh hoặc axít sulphuric

o Ăn mòn cuộn dây và lõi thép

 Tác hại của nước

o Do sự hấp thụ nước của dầu và đặc biệt là giấy cách điện  Giảm độ

 Nồng độ Aromatic tối ưu  5-10%

k) Đặc tính điện

 Độ bền điện (khả năng chịu được giá trị cường độ điện trường lớn nhất mà không bị phóng điện, kV/mm)

- Thông số đặc trưng cho chức năng cách điện của dầu

 Hệ số tổn hao điện môi và điện trở suất

- Hai thông số đặc trưng cho chức năng là điện môi của dầu

(tan  0,05 tại 25o C,   106 m)

 Hệ thống điện cực dùng để đo điện áp phóng điện theo tiêu chuẩn ASTM D877

 Tiêu chuẩn độ bền điện của dầu máy biến áp

Điện áp làm việc (kV)

Điện áp phóng điện trên khe hở 2,5 mm

Dầu mới Dầu đang vận hành

l) Chất phụ gia

 Chất chống oxi hóa: cải thiện khả năng chống oxi hóa của dầu (ví dụ: Butyl phenol)

 Chất hạ nhiệt độ đông đặc:

o Ngăn cản sự hình thành sáp tại nhiệt độ thấp do khi sáp

hình thành sẽ ngăn cản sự chuyển động của dầu