Giáo trình Vật liệu điện - điện tử: Phần 2 - CĐ Giao thông Vận tải

Tiếp nội dung phần 1, Giáo trình Vật liệu điện - điện tử: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Quá trình vật lý của chất cách điện; Tính chất của chất cách điện; Các yếu tố ảnh hưởng đến tính cách điện; Các khái niệm cơ bản về vật liệu từ; Ảnh hưởng của nhiệt độ đến từ tính của sắt từ;...

CHƯƠNG 4

VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

4.1 Quá trình vật lý của chất cách điện

4.1.1 Sự phân cực của điện môi

Tính chất quan trọng bậc nhất của điện môi là khả năng phân cực của nó dưới tác dụng của điện trường ngoài Hiện tượng phân cực là sự thay đổi vị trí trong không gian của những thành phần mang điện và hình thành moment điện

Trạng thái của điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài có thể biểu thị qua

-Ở điện môi dị hướng: quan hệ giữa P và E ở dạng tenxơ

-Ở điện môi không tuyến tính (như xec-nhet điện) không có tỉ lệ tuyến tính giữa

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 85

→

Giá trị D ở mọi điểm trong điện môi là như nhau ( D có cùng đơn vị với P là C/m2) Tham số xác định khả năng hình thành điện dung là hệ số điện môi ε , ε phản ánh tính chất của vật chất trong một khối lượng (thể tích) đủ lớn, nhưng không phản ánh tính chất của từng nguyên tử hay phân tử của vật chất

4.1.1.1 Bản chất vật lý của sự phân cực điện môi

Phân tử của bất kỳ vật chất nào của điện môi cũng có cấu tạo từ những thành phần riêng biệt (nguyên tử, ion), mỗi thành phần có điện tích xác định dương hoặc âm Lực liên kết giữa các điện tích xác định tính chất cơ học của vật chất Tổng đại số của tất

cả các điện tích trong phân tử của bất kỳ vật chất nào đều bằng 0, nhưng vị trí không gian điện tích trong phân tử của vật chất khác nhau sẽ khác nhau Nếu

thay tất cả các điện tích dương và điện tích âm bằng một điện tích dương và một điện tích âm tương đương và vị trí trọng tâm của từng điện tích dương riêng và âm riêng thì trọng tâm của các điện tích dương và âm này có thể trùng nhau hoặc không trùng nhau.(H3.2)

Hình 4.2: Trọng tâm điện tích dương và âm có thể trùng nhau

hoặc không trùng nhau

Phân tử, trong đó tâm của các điện tích dương và điện tích âm trùng nhau gọi là không phân cực Phân tử, trong đó tâm của các điện tích dương và âm không trùng nhau mà cách nhau một khoảng cách l gọi là phân cực (hay lưỡng cực)

Ví dụ: CH4 là phân tử không phân cực; CH3Cl là phân tử phân cực.(H3.3) Các phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi moment lưỡng cực

p = Q l

→

Tính có cực có thể đánh giá theo cấu tạo hóa học của phân tử Ngược lại bằng thực nghiệm có thể xác định được p, từ đó đưa ra kết luận về cấu trúc của phân tử Những phân tử gồm một nguyên tử He, Ne, Ar hoặc 2 nguyên tử giống nhau (H2,

N2, Cl2) là không phân cực Còn liên kết ion gồm 2 hay nhiều loại như KCl, HCl là loại

có cực tính mạnh

Vậy: phân cực là sự sắp xếp có trật tự trong không gian của các điện tích Dưới tác dụng của điện trường ngoài các điện tích chuyển động có giới hạn trong điện môi và hình thành momen điện ở tất cả thể tích điện môi

4.1.1.2 Phân loại điện môi

Điện môi có thể chia làm 3 loại:

+Loại điện môi có cực (lưỡng cực): là điện môi gồm các phân tử lưỡng cực +Loại điện môi không cực (trung hòa): là điện môi gồm các phân tử không phân cực

+Loại xec-nhet điện (chất sắt điện): Là điện môi có tính phân cực tự phát Nó có cấu trúc miền (đômen): gồm những miền lớn có phân cực tự phát, xuất hiện do ảnh hưởng của các quá trình trong điện môi Hướng của các momen điện của các miền khác nhau và tổng phân cực trong điện môi bằng 0

4.1.1.3 Sự phân cực chuyển dịch và phân cực định hướng trong

4.1.1.3.1 Chất khí

*Phân cực chuyển dịch

Là sự phân cực trong đó có sự chuyển dịch các điện tử so với hạt nhân của nguyên tử dưới tác động của điện trường ngoài (còn gọi là phân cực điện tử) Sự chuyển dịch này có tính chất đàn hồi, có sự biến dạng các lớp vỏ điện tử của nguyên tử và ion Thời gian xác lập các phân cực điện tử không đáng kể 10-15s, nên được coi là tức thời Khả năng phân cực của các điện tử không phụ thuộc vào nhiệt độ, nhưng lại giảm khi nhiệt độ tăng vì sự giãn nở nhiệt của điện môi và do số lượng các hạt trong đơn vị thể tích bị giảm

* Phân cực định hướng:

Phân tử lưỡng cực nằm trong dao động nhiệt hỗn loạn một phần được định hướng dưới tác dụng của điện trường ngoài Phân cực định hướng có thể xảy ra nếu lực phân

tử không cản trở lưỡng cực định hướng theo điện trường

Tăng nhiệt độ thì lực phân tử giảm làm tăng phân cực lưỡng cực Tuy nhiên khi nhiệt độ quá cao sẽ làm tăng chuyển động nhiệt của phân tử tức là làm giảm ảnh hưởng định hướng của trường

Sự phụ thuộc của hệ số điện môi ε vào nhiệt độ T trong trường hợp phân cực chuyển dịch và phân cực định hướng được trình bày trên hình vẽ sau:

Hình 4.4: Phân cực chuyển dịch và phân cực định hướng

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 87

4.1.1.3.1 Hiện tượng phân cực trong chất lỏng và chất rắn

* Hiện tượng phân cực trong chất lỏng

Sự xoay chuyển của lưỡng cực theo hướng của điện trường E trong môi trường có

độ nhớt cần phải vượt qua một số cản trở Vì thế phân cực lưỡng cực trong chất lỏng gắn liền với tổn thất năng lượng Trong môi trường có độ nhớt cao, sự cản trở đối với

sự xoay của phân tử lớn tới nỗi khi điện trường biến thiên nhanh, các lưỡng cực không thể xoay kịp theo hướng của nó và phân cực lưỡng cực khi tần số gia tăng hoàn toàn biến mất

* Hiện tượng phân cực trong chất rắn

Phân cực một cách tức thời, đàn hồi, không phát tán năng lượng

-Phân cực điện tử (hay phân cực chuyển dịch) quan sát thấy ở mọi điện môi, hoàn thành trong thời gian ngắn 10-15s (có thể so sánh với chu kỳ ánh sáng)

-Phân cực ion: Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn hồi các ion liên kết Thời gian xác lập của phân cực ion là 10-13 s Khi nhiệt độ tăng, khoảng cách giữa các ion tăng, lực đàn hồi yếu đi làm phân cực ion tăng

Phân cực tăng giảm một cách chậm chạp kèm theo sự phát tán năng lượng

-Phân cực lưỡng cực chậm: Các phân tử lưỡng cực ở trạng thái chuyển động

nhiệt hỗn loạn được định hướng một phần dưới tác dụng của điện trường, do đó đưa đến sự phân cực Khi nhiệt độ tăng, trị số phân cực tăng đến khi chuyển động nhiệt hỗn loạn trở nên mạnh hơn thì phân cực giảm

-Phân cực ion chậm: Các ion có liên kết yếu, trong khi dịch chuyển theo

chuyển động nhiệt hỗn loạn còn nhận thêm các dịch chuyển thừa theo hướng của điện trường Tăng dần theo nhiệt độ

-Phân cực điện tử chậm: Xuất hiện do các điện tử thừa bị kích thích bởi nhiệt

độ

-Phân cực kết cấu: Xảy ra trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất, xuất

hiện ở tần số thấp, gây tổn thất năng lượng lớn

-Phân cực tự phát: Tồn tại ở điện môi xec-nhet điện, vật chất có từng vùng với momen điện riêng khi không có điện trường Đặc điểm là đạt giá trị bão hòa, gây tổn thất năng lượng lớn, hệ số điện môi phụ thuộc vào điện trường.(H3.5)

Hình 4.5: Hệ số điện môi phụ thuộc vào cường độ điện trường,

4.1.2 Sự dẫn điện của điện môi

Khi một mẫu điện môi đặt trong điện áp nào đó sẽ xuất hiện những dòng điện

rất nhỏ Bao gồm:

-Dòng điện rò (I r ): do một số điện tích tự do chuyển dịch gây nên

-Dòng điện phân cực (Ipc): do sự chuyển dịch của các điện tích ràng buộc khi

có

phân cực điện tử hay phân cực ion, nó có thời gian tồn tại rất ngắn không thể

đo

được

-Dòng điện dung (I c ): do sự dịch chuyển của các điện tử trong các dạng

phân cực khác của điện môi Đối với điện áp một chiều dòng I c chỉ có khi đóng hoặc ngắt điện Đối với điện áp xoay chiều nó tồn tại liên tục

Vậy tổng dòng điện trong điện môi: I = I r + I c

Độ dẫn điện của điện môi còn phụ thuộc vào trạng thái điện môi: khí, lỏng, rắn

và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc lâu dài dưới điện áp

4.1.2.1 Tính dẫn điện của điện môi khí

Khi điện trường yếu chất khí có độ dẫn điện rất bé, dòng điện chỉ xuất hiện khi trong chất khí có các ion hoặc điện tử tự do Có 2 nguyên nhân chính dẫn đến sự ion hóa các phân tử khí:

-Khi điện trường đủ mạnh, các hạt mang

điện va chạm với các phân tử khí tạo ra các

ion

-Các yếu tố bên ngoài như tia cực tím,

tia phóng xạ, nhiệt độ sẽ gây nên hiện tượng

ion hóa các phân tử khí, phân tích thành ion

âm và ion dương,dưới điện áp đặt vào sẽ di

chuyển tạo thành dòng điện Khi điện

trường quá lớn sẽ xảy ra hiện tượng thác

J (A/m2)

E (V/m) điện tử và dòng điện tăng mãnh liệt tới khi

đó

Độ dẫn điện của điện môi lỏng liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của chất

Trong chất lỏng không cực, độ dẫn điện phụ thuộc

vào sự có mặt của các tạp chất phân ly (kể cả nước)

Trong chất lỏng có cực, độ dẫn điện còn phụ thuộc

vào sự phân ly của các phân tử bản thân chất lỏng Vì

vậy điện môi lỏng có cực bao giờ cũng có độ dẫn lớn

hơn so với điện môi lỏng không cực

Khi hằng số điện môi tăng thì độ dẫn cũng tăng

Khử các tạp chất có chứa trong điện môi lỏng sẽ làm

ζ(Ω−.1

m−.1 )

E(V/m)

giảm độ dẫn điện và tăng điện trở suất của nó

Khi nhiệt độ tăng, độ linh hoạt của các ion tăng,

mức độ phân ly tăng nên điện dẫn suất của điện môi

lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ, nó tăng theo

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 89

Aexp (-a/T) với a, A là hằng số phụ thuộc vào điện môi

Trong điện trường mạnh E =100 MV/m, theo thực nghiệm dòng điện không tăng tuân theo định luật Ohm nữa, do số ion chuyển động đến điện cực tăng lên mạnh mẽ

4.1.2.3 Tính dẫn điện của điện môi rắn

Độ dẫn điện trong điện môi rắn là do có sự dịch chuyển các ion bản thân điện môi, ion tạp chất và do các điện tử tự do Trong điện môi rắn có cấu tạo ion, độ dẫn điện được xác định chủ yếu do sự di chuyển của các ion đã được giải phóng bởi ảnh hưởng của dao động nhiệt.Nếu dòng điện là sự chuyển dịch của nhiều ion thì:

ζ = ∑ A exp(-E/kT)

(4.5)

Hình 4.8: Quan hệ của độ dẫn điện trong điện môi rắn với nhiệt độ

Ở đó: Ei là tổng các năng lượng để giải phóng ion và năng lượng di chuyển nó

từ một trạng thái này sang trạng thái khác;

A: hằng số

Với lượng tạp chất N khác nhau, điện dẫn suất của chúng cũng khác

nhau.(Hình4.8)

* Tính dẫn điện mặt của điện môi rắn

Nguyên nhân do sự tồn tại trên bề mặt điện môi độ ẩm hay bụi bẩn Nước là một điện môi lỏng có cực tính, điện trở suất thấp nên một lớp màng cực mỏng trên bề mặt điện môi làm cho điện dẫn suất mặt của điện môi tăng nhanh Độ ẩm tương đối của môi trường là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng tới điện dẫn suất mặt của điện môi ( tăng mạnh khi độ ẩm tương đối vượt quá 70%)

Điện môi có cực hòa tan trong nước một phần sẽ tạo điều kiện cho tạp chất bẩn bám lên bề mặt điện môi làm điện dẫn suất mặt tăng Điện môi có cực có điện dẫn suất

mặt cao hơn nhiều so với điện môi không cực bề mặt không bám nước So sánh sự phân cực và sự dẫn điện của điện môi:

-Khi phân cực có sự chuyển dịch liên kết với một phân tử của vật chất, không thể đi quá giới hạn của phân tử đó Còn sự dẫn điện là sự chuyển động của các điện tích trên khoảng cách dài xuyên thấu qua độ dày điện môi từ điện cực này đến điện cực kia

-Phân cực có vị trí trong tất cả các phân tử các phần tử của điện môi Sựdẫn điện là do một lượng tạp chất không lớn tham gia Nếu điện môi cực sạch thì sự dẫn điện rất yếu Phân cực là sự chuyển dịch trong không gian một số lượng

R v: điện trở khối ; R s: điện trở mặt

lớn điện tích nhưng trên khoảng cách cực ngắn

-Sự chuyển dịch các điện tích trong phân cực có thể xem như là dịch chuyển

của điện tích có đàn hồi Nếu ngừng tác động của điện áp lên điện môi thì các

điện tích có xu hướng quay về trạng thái ban đầu còn sự dẫn điện thì không

có hiện tượng này

-Dòng điện dẫn tồn tại trong suốt thời gian đặt điện áp 1 chiều lên điện môi,

còn dòng điện do phân cực (dòng điện dung ) chỉ tồn tại ở thời điểm đóng ngắt

điện áp 1 chiều Dòng điện dung chỉ tồn tại lâu dài khi điện áp xoay chiều tác

động lên điện môi

4.1.3 Tổn hao điện môi

Là phần năng lượng tản ra trong điện môi làm nó nóng lên trong điện trường Khác

với dây dẫn, phần lớn các điện môi có tổn thất công suất phụ thuộc vào tần số,

điện

áp đặt vào, tổn hao công suất ở điện áp xoay chiều lớn hơn so với điện áp một

chiều và tăng rất nhanh khi tăng tần số và điện áp

Giá trị tổn hao công suất trong điện môi gọi là tổn hao điện

môi

Pr = U2 / R (4.6)

4.1.3 1 Tổn hao điện môi với điện áp một chiều

Đặt điện áp một chiều lên một đoạn cách điện, sau khoảng thời gian đủ lớn sẽ

có dòng điện rò ( I r ) chảy qua điện môi, bao gồm :dòng điện rò khối ( I v ) và

dòng điện rò mặt ( I s ) chảy trên bề mặt điện môi:

I r = I v + I s = U/ R v + U/ R s = U/R (4.7)

Trong đó : 1 = 1 + 1 ;

R R v R s

Điện trở khối của điện môi được xác định bởi: R v = ρ v l/S ( Ω ) (4.8)

Điện trở mặt của điện môi được xác định bởi: R s = ρ s l/L ( Ω ) (4.9)

ρ v : Điện trở suất khối của điện môi ( Ω m)

ρ s : Điện trở suất mặt của điện môi ( Ω )

l: Chiều dài đoạn cách điện (m)

S: Tiết diện đoạn cách điện (m 2

) L: Chu vi của tiết diện (m)

Tổn hao điện môi: Pr = U.Ir =I2r .R = U2 /R (4.10)

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 91

0

0

4.1.3 2 Tổn hao điện môi với điện áp xoay chiều

Để xét khả năng tiêu tán năng lượng ta sử dụng giá trị tg δ = Ir / Ic ở đó góc δ là góc tổn hao điện môi

δ và tg δ đặc trưng cho tổn hao điện môi đối với dòng điện xoay chiều

Góc δ càng lớn tổn hao sẽ càng lớn Thông thường giá trị tg δ được cho trước trong tham số của vật liệu

Điện môi chất lượng cao có tg δ = 10-4 đến 10-3 tương đối nhỏ

Điện môi chất lượng kém có tg δ ≥ 10−2 dễ bị nóng và phá hủy

4.1.3 3 Các dạng tổn hao điện môi

+Tổn hao điện môi là hiện tượng không tốt của vật liệu

-Tổn hao điện môi do phân cực: thấy rõ ở các chất có sự phân cực chậm, điện môi có cấu tạo lưỡng cực, điện môi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ

-Tổn hao điện môi do dòng điện rò: thường thấy ở điện môi có điện dẫn khối hoặc điện dẫn mặt lớn đáng kể

-Tổn hao điện môi do ion hóa: có trong các điện môi ở trạng thái khí, tổn thất này thường biểu hiện trong các trường không đồng nhất khi cường độ điện trường vượt quá trị số bắt đầu ion hóa của khí đó

-Tổn hao điện môi do cấu tạo không đồng nhất (gây nên bởi các tạp chất) -Tổn hao điện môi trong chất lỏng không phân cực: điện dẫn suất loại này rất

bé nên tổn hao điện môi cũng rất bé Nếu là chất lỏng phân cực thì có thể có thêm tổn hao điện môi do các phân tử lưỡng cực gây nên

+Các phân tử có cực, các vật liệu trên cơ sở xenlulo như giấy, cactong, thủy tinh hữu cơ có tg δ ≈ 0,01 Tổn hao điện môi rất lớn

+Khi cách điện cao áp cần chọn điện môi có tg δ nhỏ

(4.11) (4.12)

(4.13)

(4.14)

4.1.4 Phá huỷ điện môi (đánh thủng điện môi)

4.1.4 1 K h á i n i ệ m

Đặt điện môi trong điện trường, trong điện môi có sự phân cực, dẫn điện, tổn hao

điện môi Nếu trường xoay chiều thì dòng cách điện Ir tăng đồng thời dòng điện dung Ic cũng tăng, tổn hao điện môi cũng tăng theo Nếu điện trường quá lớn sẽ xảy

ra sự phá hủy điện môi (đánh thủng điện mội), điện môi bị chọc thủng, dòng điện

sẽ tăng vọt Tại điểm P

( dI

dU

= ∞ ) hình thành trong điện môi kênh dẫn chọc I

thủng điện môi (ngắn mạch giữa 2 cực) Sau đó điện

áp được giảm xuống do điện trở cách điện giảm

Hình 4.9: Quan hệ của dòng điện qua

cách điện với điện áp

- 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 10-7 10-8s

- 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:

2,3

kV.U

Trong trường có nhiệt độ và áp suất không đổi thì cường độ điện trường đánh thủng chất khí phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực: ở khoảng cách nhỏ điều kiện dẫn đến sự ion hoá của khí là khó khăn nên Eđt tăng ở khoảng cách lớn hơn thì khả năng ion hoá do va chạm cũng sẽ lớn lên, dễ gây ion hoá hơn nên Eđt giảm

- Phụ thuộc vào điện áp đặt vào khoảng khí:

- Điện áp đặt vào khoảng khí càng lớn sự đánh thủng càng phát triển nhanh

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 93

- 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 kk < 70% thì không ảnh hưởng Khi kk tăng thì Uđt tăng lên do các phân tử nước 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 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 Uđt 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

4.1.4.3 Đánh thủng 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 (kk 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

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 95

- Hình dáng của điện cực và sự phân bố của trường: trong trường đồng nhất Uđt giảm 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 ds và độ dài sóng s

Do phần đầu của đầu sóng tăng rất chậm và

không có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng điện

Hình 4.10: Sự phối hợp về đặc tính giây trong bảo vệ cách điện

a) Cách điện để bảo vệ an toàn

b) Cách điện không được bảo vệ

s1

s2

U

t (a)

s1

s2

U

t (b)

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 ds Độ dài sóng s tính tới khi điện áp giảm

xuống chỉ còn một nửa trị số biên độ

Hình 4-11: Sóng xung kích

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/s  30 % và độ dài sóng 50/s  20 % (ký hiệu sóng  = 1,2/50) ở

Liên xô dùng sóng tiêu chuẩn với độ dài đầu sóng 1,5/s và độ dài sóng 40/s (ký hiệu

là sóng 1,5/40)

Dạng sóng cắt: là 1 thành phần của toàn sóng với độ dài sóng ts = 2  6 s

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 -

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 s nghĩa là xấp xỉ với

U max

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 97

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 U0 điều kiện phóng điện tự duy trì được thực hiện Trước thời điểm t 1 và ngay cả ở t1 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 t3 = 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

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 4-12: Các thành phần của thời gian phóng điện

tht

ttk

U0

t1 t2 t3 t

U

tp

Hình 4-13: 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

Hình 1.14: Dạng phóng điện xung kích

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):

- 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 (610)s

- 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 (1030)%

- 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

Hình 4.15: Đặc tính vôn giây khi trường đồng nhất và không đồng

U

t

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 99

vậy đường đặc tính vôn - giây sẽ có dạng phẳng ngang

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

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

4.1.4.4 Đánh thủng 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

Hình 4.16: Sự phối hợp về đặc tính giây trong bảo vệ cách điện a) Cách điện để bảo vệ an toàn b) Cách điện không được bảo vệ

vôn-s1

s2

U

t (a)

s1

s2

U

t (b)

- 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 Ebđ  4KV/mm; sau khi lọc sạch cẩn thận

có E bđ 20  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  40cm và bán kính điện cực trụ > 2,5cm

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

* 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

4.2 Tính chất của chất cách điện

4.2.1 Tính chất hóa học

Khi điện môi làm việc lâu dài, nó không được phép bị phá hủy, không gây ra ăn mòm kim loại tiếp xúc với nó, không liên kết với các vật chất khác như không khí, nước, kiềm, axit…Độ bền vững dưới tác động của tất cả các ảnh hưởng môi

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 101

trường ở mỗi điện môi rất khác nhau: vật chất có cực dễ hòa tan trong chất lỏng có cực, còn vật chất không cực dễ hòa tan trong chất lỏng không cực Vật chất có cấu trúc đường thẳng hòa tan dễ dàng hơn vật chất có cấu trúc không gian

4.2.2 Sự hóa già

Tính chất của vật liệu cách điện (chủ yếu của vật liệu hữu cơ) trong thời gian vận hành bị giảm sút liên tục, ta nói vật liệu cách điện bị hóa già Quá trình hóa già thực chất là kết quả của những sự biến đổi hóa chất xảy ra nhanh hoặc chậm do điều kiện vận hành tác động

Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự hoá già là:

-Nhiệt độ: tốc độ của phản ứng hoá học tăng với nhiệt độ theo hàm mũ, sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng

-Những tác dụng hóa học tác động lên vật liệu cách điện phát sinh từ những vật liệu cách điện gần bên (như sơn tẩm, dầu…) từ môi trường bao quanh vật liệu cách điện (như chất bẩn thể khí, ozôn, ẩm ….) từ vật liệu điện cực và các quá trình hóa học khác (oxy hóa, bay hơi… )

-Những tác động cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành

Sự hóa già có thể thể hiện qua tuổi thọ

Những vật liệu cách điện có gốc gốm sứ và khoáng sản, cũng như thủy tinh không biểu hiện sự hóa già Trong trường hợp vận hành gián đoạn thì có thể vượt quá nhiệt độ ứng với cấp chịu nhiệt mà tuổi thọ không bị suy giảm

Những quá trình hóa học chủ yếu gây nên sự hóa già của vật liệu cách điện có thể là:

sự oxy hóa, sự trùng hợp, sự khử trùng hợp, sự thủy phân, bay hơi

- Sự oxy hóa: làm cho trong vật liệu cách điện sinh ra những chất mang

tính chất axit, chúng làm suy giảm tính chất điện của vật liệu cách điện và đẩy nhanh quá trình hóa già bằng tác dụng xúc tác

- Sự trùng hợp: ( chủ yếu trong nhựa tổng hợp) làm giảm tính chất cơ học, vật

liệu cách điện trở nên giòn, từ đó những thông số điện bị suy giảm theo

- Sự thủy phân: những phân tử nước làm cấu trúc phân tử bị lỏng lẻo

- Sự bay hơi: những sản phẩm làm mềm hoặc dễ bay hơi thì thoát đi sẽ làm

vật liệu cách điện bị giòn, co ngót, tính chất cơ bị suy giảm

4.2.3 Tính chất cơ học

Độ bền cơ học là khả năng của vật liệu không bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học

4.2.3.1 Độ bền kéo dãn, nén và uốn: Ở vật liệu cách điện có cấu tạo dị

hướng (lớp, sợi…) độ bền cơ học phụ thuộc vào hướng tác động lực Ở thủy tinh, gốm, sứ, nhựa….độ bền nén cao hơn so với độ bền kéo dãn và độ bền uốn Độ bền của thủy tinh tăng lên khi đường kính sợi thủy tinh giảm xuống, nhiệt độ tăng thì độ bền cơ học của điện môi giảm xuống

4.2.3.2 Tính giòn: Là khả năng bị phá hủy của vật liệu mà không bị biến dạng

Độ giòn còn phụ thuộc vào cấu trúc của điện môi và điều kiện thử Trong một số trường hợp cần kiểm tra khả năng của vật liệu không bị phá hủy (ở thời gian dài) với độ rung, thử độ rung rất quan trọng cho các vật liệu cách điện dùng cho máy bay

4.2.3.3 Lực cơ học tác động lên điện môi trong điện trường

Sự phân cực điện môi trong điện trường gắn liền với lực tác động trong điện môi

Rõ ràng các điện cực của tụ điện nằm dưới điện áp phải kéo lẫn nhau và tạo ra lực

cơ học trên điện môi của tụ điện

F = dW / dh (4.18) Trong đó: h: bề dày điện môi

W = CU2/ 2: năng lượng điện trường tích lũy trong điện môi Trường hợp một cầu điện môi có bán kính r, làm từ vật liệu có ε1

trường có ε2

Nếu ε2 > ε1 : cầu hướng tới vùng có cường độ điện trường lớn

Nếu ε2 < ε1 : cầu bị đẩy xa khỏi vùng có điện trường lớn

Lực cơ học tác động lên điện môi có xu hướng làm biến dạng điện môi Hiện tượng này gọi là hiện tượng điện giảo

là thang thập phân quy ước của độ cứng (trong đó hoạt thạch được chọn làm đơn vị đo

và xếp theo độ cứng tăng dần như sau:

Hoạt thạch - 1; thạch cao - 1,4; CaCO3 - 10; Florit(CaF2)- 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

Là đặc tính quan trọng của vật liệu cách điện lỏng và nửa lỏng

Độ nhớt động lực học  hay còn gọi là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 103

Tất cả các chất không bị biến đổi hoá học khi nung nóng có độ nhớt giảm nhiều khi nhiệt độ tăng theo hàm số mũ: kT

w

Ae



 (4.21) A: 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

4.2.4 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

4.2.4.1 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: 100%

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

Đặc biệt ở nhiệt độ (30  400C) và khi kk có trị số cao  98  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  của giọt nước đổ lên bề mặt phẳng của vật liệu

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  khi hút ẩm (đường 1) và khi sấy khô (đường 2)

Hình 4.18: Sự biến đổi độ ẩm

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 cb thì độ ẩm của mẫu sẽ giảm xuống cho đến giá trị cb

- Giá trị cb tương ứng với độ ẩm tương đối kk của không khí

Trị số độ ẩm cân bằng cb của những mẫu vật liệu khác nhau ở cùng 1 độ ẩm tương đối 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

(1)

(2)

C

t



Khoa KT Điện- Điện tử Trang 105

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

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, tg 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

4.2.4.3 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:

t h

S P P

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)

: 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

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

4.2.5 Tính chịu lạnh của vật liệu cách điện

Là khả năng cách điện ở nhiệt độ thấp (60 0C đến 70 0C): ở nhiệt độ thấp tính cách điện tốt hơn ở nhiệt độ thường, nhưng cách điện trở nên giòn, cứng Thử cách điện dưới nhiệt độ thấp thường đi kèm với tác động của độ rung

4.2.6.Tính dẫn nhiệt của vật liệu cách điện

Là một trong những dạng chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn dẫn đến sự cân bằng với nhiệt độ Tính dẫn nhiệt ảnh hưởng đến độ bền khi có phá hủy nhiệt điện được biểu thị bằng hệ số nhiệt dẫn Ë

4.2.7 Sự nở nhiệt của vật liệu cách điện

Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ:

dt

dl l

Điện môi hữu cơ có 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

Vật liệu 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

Bảng 4.1: Hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ

4.2.8 Tính chịu tác động của bức xạ năng lƣợng 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

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 107

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

Dưới 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

4.2.8.9 Chọn vật liệu cách điện

Khi cần chọn lựa vật liệu cách điện, người ta căn cứ vào các tiêu chuẩn sau đây:

+ Độ cách điện: Tùy vào điện áp làm việc của thiết bị, người ta chọn loại vật liệu có bề dày thích hợp, sao cho vật liệu làm việc an toàn mà không bị đánh thủng

+ Độ bền cơ: Tùy vào điều kiện làm việc của thiết bị mà ta chọn vật liệu cách điện có độ bền cơ thích hợp

+ Độ bền nhiệt: Căn cứ vào sự phát nóng khi thiết bị làm việc, người ta sẽ chọn các loại vật liệu cách điện có nhiệt độ cho phép phù hợp

Ví dụ: Các vật liệu cách điện các dụng cụ đốt nóng (bàn ủi, nồi cơm điện)

thường dùng vật liệu từ cấp B trở lên

Ở điện môi có cực, khi tần số tăng, giá trị ε thoạt tiên vẫn giữ giá trị không đổi nhưng tới một tần số giới hạn f0 nào đó chúng phân cực không kịp, ε bắt đầu giảm xuống Khi tăng mãi tần số thì ε giảm tới tới hạn ε∞ Do tần số đủ lớn không làm các lưỡng cực xoay kịp theo tần số và nó trở nên bất động và ε = const Có thể tính được tần số tới hạn theo công thức sau:

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 109

Ở điện môi có cực: ở vùng tần số thấp sự định hướng của phân tử phần lớn các trường hợp không thực hiện được Khi nhiệt độ tăng lên, khả năng định hướng của

các phân tử dễ dành hơn và dẫn đến ε tăng Nhưng khi tiếp tục tăng nữa thì tăng dao động nhiệt của phân tử, sự định hướng khó hơn, ε giảm xuống Đuờng cong ε theo nhiệt độ có điểm cực đại

4.3.3 Ảnh hưởng của áp suất

Hệ số điện môi tăng khi áp suất tăng do sự tăng mật độ vật chất

Đối với chất khí ε = 1 + A.p Trong đó: A: Hằng số ; p: áp suất

Hệ số điện môi của chất khí không cực tăng tuyến tính với áp suất

4.3.4 Ảnh hưởng của độ ẩm

Ở điện môi hút nước ( ε của điện môi nhỏ hơn ε của nước), ε tăng rất nhanh khi độ ẩm tăng lên Điện dung của tụ điện khi làm ẩm tăng, nhưng khi đó điện trở suất, tổn hao điện môi lại tăng lên

4.3.5 Ảnh hưởng của điện áp

Ở điện môi tuyến tính, hầu hết các trường hợp ε không phụ thuộc điện áp Ở chất khí hay chất lỏng có cực có thể thấy hiện tượng bão hòa và ε ở trường cao nhỏ hơn đôi chút so với ε ở trường yếu

áp, công suất v.v làm cho vật liệu cách điện giảm tuổi thọ hoặc bị đánh thủng

- Hư hỏng do bị già hóa của vật liệu cách điện: trong quá trình làm việc các loại vật liệu cách điện đều bị ảnh hưởng của các diều kiện của môi trường như nhiệt độ, độ

ẩm và hơi nước v.v Làm cho các vật liệu cách điện giảm tính chất cách điện của chúng đi và dễ bị đánh thủng

- Hư hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: các vật liệu cách điện khi bị lực tác động từ bên ngoài có thể làm hư hỏng ví dụ lớp emay trên các dây điện từ có đường kính tương đối lớn nếu bị uốn cong với bán kính nhỏ sẽ làm lớp cách điện bằng bị vỡ hoặc khi vào dây không cẩn thận làm lớp cách điện bị trầy xước hoặc là khi lót cách điện không cẩn thận làm gãy hoặc rách cách điện v.v

- Hư hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận: các chi tiết khi làm việc tiếp xúc và

có sự chuyển động tương đối với nhau thì sẽ bị hư hỏng do sự mài mòn và dễ bị đánh thủng v.v

4.4 Phân loại vật liệu cách điện

4.4.1 Phân loại theo trạng thái vật lý

- Vật liệu cách điện thể khí

- Vật liệu cách điện thể lỏng

- Vật liệu cách điện thể rắn: có thể phân thành các nhóm cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng Giữa thể lỏng và thể rắn có một thể trung gian (thể mềm nhão) như các loại sơn tẩm

4.4.2 Phân loại theo thành phần hóa học

- Vật liệu cách điện hữu cơ: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên như cao su, xenlulo, nhóm nhân tạo như phenol, vinyl…

- Vật liệu cách điện vô cơ: các chất khí, chất lỏng không cháy, sứ, gốm, mica, thủy tinh…

4.4.3 Phân loại theo tính chịu nhiệt

Khi chọn Vật liệu cách điện phải biết Vật liệu cách điện có tính chịu nhiệt

theo cấp nào Y, A, E…

Cấp

cách

điện

Nhiệt độ cho phép (0C)

Các vật liệu cách điện chủ yếu trong từng cấp

Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, cao su…không được tẩm sơn hay

ngâm trong chất cách điện lỏng

A 105 Gồm các điện môi cấp Y nhưng tẩm sơn hoặc ngâm

trong dầu để giảm tác động hóa già của điện môi

E 120 Các loại nhựa hữu cơ có chất phụ gia chịu nhiệt như :

nhựa Hetinac, Epoxi, Polieste…

B 130 Các vật liệu có chứa các thành phần vô cơ như: amian,

vật liệu thủy tinh có kết cấu với các vật liệu hữu cơ tẩm bằng các vật liệu có tính chịu nhiệt như sợi vải thủy tinh, nhựa epoxi với các phụ gia

F 150 Các vật liệu mica, sản phẩm từ sợi thủy tinh không lớp

đệm hoặc các lớp đệm bằng vật liệu vô cơ

H 180 Nhựa silic hữu cơ có tính chịu nhiệt đặc biệt cao

- Vật liệu cách điện thiên nhiên: có thể có nguồn gốc thực vật hoặc động vật như: xenlulo, caosu, protein, enzym

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 111

- Vật liệu cách điện tổng hợp: được sản xuất từ những loại monome bằng phản ứng trùng ngưng, trùng hợp như các loại polyolephin, polyvinylclorit, nhựa

phenolfomandehit, polyamit

4.5 Vật liệu cách điện ở thể rắn

4.5.1 Chất cách điện hữu cơ (điện môi hữu cơ cao phân tử)

Trong các vật liệu cách điện được sử dụng trong kỹ thuật điện thì vật liệu hữu cơ cao phân tử có vị trí rất lớn và tầm quan trọng đặc biệt

Vật liệu hữu cơ có cấu tạo là các chất của các bon (C) với các nguyên tử khác C có khả năng tạo ra một số lớn các hợp chất hoá học với nhiều loại cấu trúc khác nhau Trong tự nhiên chúng ta gặp một số vật liệu thuộc loại các vật liệu cao phân tử với tầm quan trọng rất lớn trong kỹ thuật, ví dụ như xenlulôza, tơ tằm, cao su… Dựa theo nguồn gốc ta chia ra làm 2 loại:

Loại 1: là những loại vật liệu nhân tạo, được sản xuất chế biến hoá hoạc những chất cao phân tử có sẳn trong thiên nhiên Ví dụ như xenlulôza chế biến thành estexenlulooza

Loại 2: có tầm quan trọng lớn hơn trong kỹ thuật cách điện và các ngành khác,

đó là vật liệu cao phân tử tổng hợp được sản xuất ra bằng cách tổng hợp các chất thấp phân tử

Về mặt hoá học đa số các liên kết cao phân tử thuộc loại vật liệu trùng hợp, đó là những vật liệu mà phân tử của nó tạo thành bởi sự tổng hợp một lượng lớn các nhóm nguyên tử có cấu trúc giống nhau Phản ứng tạo thành polime từ mônôme được gọi là trùng hợp (khi đó khối lượng phân tử tăng lên, nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng lên, cũng như độ nhớt tăng Có thể chuyển từ khí lỏng sang trạng thái đặc và sang cả rắn làm độ hoà tan giảm hẳn) Có các loại vật liệu cách điện hữu cơ sau:

4.5.1.1 Nhựa cách điện

Nhựa là tên gọi của một nhóm các vật liệu có nguồn gốc và bản chất khác nhau nhưng có một số đặc điểm giống nhau về bản chất hoá học cũng như tính chất vật lí Ở nhiệt độ thấp, nó là những chất vô định hình như dạng thuỷ tinh với một độ giòn nhất định Khi ở nhiệt độ cao nhựa mềm ra, trở thành dẻo và sau đó hoá lỏng Như vậy nhiệt

độ nóng chảy của nhựa không thể hiện rõ rệt

Phần lớn nhựa không hoà tan trong nước và ít hút ẩm, nhưng chúng hoà tan trong dung môi hữu cơ thích hợp Thông thường nhựa có tính kết dính và khi chuyển trạng thái từ lỏng sang rắn nhựa sẽ gắn chặt vào vật rắn tiếp xúc với nó Theo nguồn gốc thì có nhiều loại nhựa: nhựa thiên nhiên, nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp

Nhựa tổng hợp

Nhựa nhân tạo và tổng hợp gần đây trở nên rất quan trọng đối với kỹ thuật cách điện Dựa theo bản chất hoá học, nhựa tổng hợp được chia nhỏ thành nhựa trùng hợp và nhựa trùng ngưng Đa số các loại nhựa là loại nhiệt dẻo, còn các loại nhựa trùng ngưng (ngưng tụ) có thể là loại nhiệt cứng (ví dụ: nhựa polimit, nhựa nôvôlac…) Về mặt cách

điện nhựa ngưng tụ có nhược điểm là ki hoá cứng sẽ sinh ra nước và các chất phân tử thấp lẫn trong nhựa làm cho tính chất cách điện kém đi Gồm có các loại nhựa tổng hợp sau:

Nhựa tổng hợp nhiệt dẻo: nhựa pôliamit, pôliurêtan…

Nhựa fênol fomanđehyt Nhựa Pôlisete

Nhựa êpoxi

Nhựa silic hữu cơ (silicon)

Ete xenlulo…

Nhựa thiên nhiên

Nhựa thiên nhiên là những chất do nột số động vật (như cánh kiến) hoặc những loại cây có nhựa (nhựa thông tiết ra

Cánh kiến: Loại nhựa này do một số côn trùng tiết ra trên các cành cây ở các sứ nóng thuộc vùng nhiệt đới Người ta thu lượm cánh kiến theo kiểu thủ công và làm sạch bẩn và nấu chảy Đây là những lớp dạng vảy cá mỏng và giòn, màu vàng nhạt hoặc màu nâu Thành phần chủ yếu của cánh kiến là những axít hữu cơ phức tạp Cánh kiến dễ hoà tan trong rượu, cồn nhưng không hoà tan trong hydrocacbon Cánh kiến có điện dẫn suất từ 1015-1016Ωcm, điện áp đánh thủng 20-30kV/mm Ở 50-600C cánh kiến trở nên dễ uốn và ở nhiệt độ cao hơn thì trở nên dẻo và nóng chảy ra Khi đung nóng kéo dài thì nó được nung kết, đồng thời trỏ nên không nóng chảy và không hoà tan, nhiệt độ càng cao thì thời gian nung kết càng giảm Trong kỹ thuật điện cánh kiến được sử dụng

ở dạng sơn dán chế tạo micanít Khi không có cánh kiến người ta thay thế bằng nhựa gliptan và các loại nhựa tổng hợp khác

Nhựa thông (colofan): Colofan là một loại nhựa giòn có màu vàng hoặc nâu được sản xuất từ nhựa thông bằng cách chưng cất dầu thông Colofan có điện dẫn suất từ 1014-1015Ωcm, điện áp đánh thủng 10-15kV/mm Nhiệt độ hoá dẻo của các loại colofan từ 500-700C, colofan oxi hoá từ từ trong không khí, khi đó nhiệt độ hoá dẻo của

nó tăng lên nhưng độ hoà tan giảm đi Colofan hoà tan trong dầu mỏ được dùng vào ngâm tẩm cáp, ngoài ra nó cũng được dùng để sản xuất ra rezinat là chất làm khô cho sơn dầu

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 113

Nhựa côpan: Là loại nhựa khó nóng chảy, có đặc điểm là bóng, rất cứng và tương đối khó hoà tan Người ta dùng nhựa côpan làm chất phụ gia cho sơn dầu nhằm tăng độ cứng màng sơn Hổ phách thuộc về loại côpan được khai thác trong thiên nhiên,

hổ phách dùng để làm đầu vào của các thiết bị cần có điện trở rất cao

4.5.1.2 Dầu thực vật

Dầu thực vật rất quan trọng trong kỹ thuật cách điện, đó là những chất lỏng nhớt thu được từ hạt của các loài thực vật khác nhau Trong đó có một số dầu khô, vì dưới tác dụng của nhiệt độ, ánh sáng và oxi… nó chuyển sang trạng thái rắn

Dầu gai: là một chất lỏng, màu vàng thu được từ các hạt gai

Dầu trẩu: người ta thu được từ các hạt cây trẩu Dầu trẩu không ăn được (cũng như dầu gai) và còn độc hơn dầu gai Dùng để chế tạo sơn cách điện

Dầu thầu dầu: người ta thu được từ các hạt cây thầu dầu, dùng để tẩm tụ điện giấy

4.5.1.3 Nhựa đường: là hổn hợp phức tạp của các hyđrocácbon có chứa thêm oxi và

lưu huỳnh đó là những chất không định hình với những chất đặc trưng phức hợp Chúng

có màu đen hay màu sẫm

Nhựa đường nhân tạo (gốc dầu mỏ) là sản phẩm nặng khi chưng cất dầu mỏ Nhựa đường thiên nhiên (khoáng sản) thường gọi là nhựa đường atfan

4.5.1.4 Vật liệu cách điện sáp

Vật liệu sáp được sử dụng trong kỹ thuật điện là những chất rắn, dễ nóng chảy, màu trắng hay màu vàng tươi có độ bền cơ và ít hút ẩm Vật liệu sáp dùng vào việc ngâm tẩm

Sơn tẩm: dùng để tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là chất cấch điện dạng xơ (giấy, bìa, sợi, vải, cách điện của dây quấn máy điện)

Sơn phủ: dùng để tạo ra trên bề mặt của vật liệu một lớp màn nhẵn bóng, chịu ẩm và có độ bền cơ học Người ta dùng sơn phủ để quét lên chất cách điện rắn xốp

đã được tẩm sơ bộ nhằm cải thiện đặc tính cách điện (làm tăng điện áp phóng điện, điện trở bề mặt ngoài…cũng như làm đẹp sản phẩm) Có một số loại sơn phủ (emay) không dùng để quét lên chất cách điện rắn mà để quét trực tiếp lên kim loại (cách điện emay, lá tôn silíc của máy điện và thiết bị điện

Men màu: cũng được xem như sơn phủ, nhưng chúng có thêm các thành phần sắc tố

Có các loại sơn: sơn bakêlit, sơn gliptan, sơn silic hữu cơ, sơn policlovinyl, sơn polistirol, sơn cánh kiến, sơn xenlulo, sơn dầu, sơn dầu nhựa…

Hợp chất cách điện:

Có hai loại: dùng để tẩm và dùng để ngâm

Hợp chất tẩm (chất tẩm cáp) dùng để tẩm cách điện giấy cáp được chế tạo

từ dầu mỏ thường cho thêm dầu thông hoặc nhựa gốc tổng hợp vào để tăng độ nhớt

Hợp chất rót (chất rót vào cáp) dùng để rót vào các hộp nối, các hộp phân nhánh và phần đầu cáp Nhằm để tránh ẩm, tăng điện áp đánh thủng

* 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 sơn tẩm, sơn dán, màng sơn của nó bền về cơ học nhưng kém dẻo và hóa già vì 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

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 115

+ 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

4.5.1.6 Màng dẻo

Được làm từ polime hữu cơ có độ bền điẹn và cơ học cao, được sản xuất thành từng

cuộn Màng dẻo dùng để làm chất cách điện cho máy điện, dây cáp, dây quấn, làm điện

môi của tụ điện và nhiều trường hợp khác

Giấy và các tông

+ Giấy và các tông là những vật liệu hình tấm hoặc quấn lại thành cuộn có cấu tạo bằng xơ ngắn, thành phần chủ yếu là xenlulo

Giấy cáp: được dùng làm cách điện của cáp điện lực

Giấy cáp điện thoại: là giấy được chế tạo với bề dày 0,05mm và các màu khác nhau dùng để làm chất cách điện cáp điện thoại và chất đệm trong việc sản xuất mica

Giấy tụ điện: dùng làm điện môi cho tụ điện

Giấy băng mica: dùng làm sản xuất băng mica cách điện

+ Các tông cách điện, có 2 loại:

Loại để ngoài không khí cứng và đàn hồi dùng làm cách điện trong không khí (máy điện, cuộn dây…)

Loại dùng trong dầu có cấu trúc xốp và mềm hơn, được dùng chủ yếu trong dầu máy biến áp

+ Phíp: khi cho giấy mỏng đi qua dung dịch clorua kẽm nóng rồi quấn vào tang quay bằng thép để có bề dày cần thiết Sau đó cắt giấy ra khỏi tang quay đem rửa cẩn thận bằng nước và ép thu được gọi là phíp

Vật liệu dệt

Người ta sử dụng sợi tết để làm cách điện cho dây dẫn vad dây cáp mềm bằng phương pháp quấn và tết Vải còn dùng vào việc sản xuất vải sơn cách điện và chất dẻo nhiều loại, ống lồng cách điện trong máy biến áp cao áp…

+ Vải và băng bằng sợi bông

+ Lụa tơ tằm tự nhiên

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, tg 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

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 117

4.5.1.9 Vật liệu đàn hồi: cao su thiên nhiên, cao su lưu hoá, cao su tổng hợp

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

+ 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  3% S) có khả năng chịu kéo và tính đàn hồi cao Còn cao su rắn (30  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

Khi nung nóng cao su Butađiên tới 200  300 0 C thì được escapon là 1 chất có đặc tính

cơ gần giống êbônit nhưng có độ bền nhiệt cao hơn Đặc tính cách điện:  = 2,7 - 3; tg

= 5.10 -4 ; s = 10 16

+ 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

tg rất nhỏ

4.5.2 Chất cách điện vô cơ (điện môi vô cơ)

4.5.2.1 Thuỷ tinh: là chất vô cơ không định hình và là hệ phức tạp của nhiều loại oxít

khác nhau Ngoài thành phần chính SiO2, B2O3 còn có các loại oxít khác Na2O, K2O, CaO, PbO, ZnO,Al2O3, BaO, thuỷ tinh silicát có thành phần chủ yếu là SiO2.

Thuỷ tinh tụ điện: dùng làm điện môi cho tụ điện

Thuỷ tinh định vị: dùng để chế tạo các chi tiết định vị (thuỷ tinh cách điện, điện thoại…)

Men thuỷ tinh: dùng bao phủ các dụng cụ hay sản phẩm

Thuỷ tinh có chất độn: kết hợp với mi ca – gọi là thuỷ tinh mi ca

Xơ thuỷ tinh: thuỷ tinh được kéo thành sợi nhỏ, dài mềm dùng để sản xuất ra vật liệu dệt, làm nền cho vật liệu cách điện

Thuỷ tinh kiềm: không có oxit nặng cao được dùng kính quang học và thuỷ tinh cách điện

Thuỷ tinh vô kiềm: chủ yếu dùng trong kính quang học, và các mục đích khác

4.5.2.3 Mica và các vật liệu trên cơ sở của mica

Mi ca là vật liệu cách điện vô cơ có tính năng đặc biệt đó là độ bền điện và độ bền

cơ cao, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt, khá dẻo khi có độ dày mỏng nên được dùng làm cách điện ở vị trí quan trọng Ví dụ như cách điện của các máy điện cao áp công suất lớn (máy phát điện tua bin hơi và tua bin nước cở lớn, động cơ điện dùng trong tàu điện, tàu thuỷ…) và làm điện môi trong một số tụ điện

Mi ca được xếp vào chất cách điện cấp C – cấp chịu nóng cao Khi đạt tới nhiệt độ khá cao nào đó thì nước trong thành phần cấu tạo trong mi ca bắt đầu thoát ra, lúc này

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 119

mi ca không còn trong suốt nữa, chiều dày của nó tăng lên, đặc tính cơ và điện giảm xuống Mi ca bị nấu chảy ở 1250-13000

C

Loại mi ca được sử dụng rộng rãi làm chất cách điện trong máy điện, trong công nghiệp điện và công nghiệp radio là mi ca ở dạng lá, được dập khuôn theo hình chữ nhật trong các tụ điện, các chi tiết định hình dập theo khuôn dùng cho đèn điện tử và đèn thắp sáng, các vòng đệm dập bằng mi ca trong các loại khí cụ khác nhau

Micamit: là loại vật liệu được sản xuất thành từng tấm hoặc từng cuộn do những cánh mi ca dán lại với nhau bằng sơn dán hoặc bằng nhựa khô, đôi khi còn dùng thêm lớp nền bằng xơ giấy hoặc xơ bông đê dán những cánh mi ca lên một mặt hay cả hai mặt của nó Mi ca mít có một lượng lớn là mi ca, mi ca mít được sử dụng:

Mi ca dùng cho vành góp

Mi ca dùng để lót

Mi ca dùng để tạo hình

Micanit mềm, có thể uốn được ở nhiệt độ thường

Sludinit: có đặc tính giống mica nhưng ưu việc hơn là toàn bộ bề mặt lá vật liệu chỗ nào cũng có những tính chất giống nhau, bề dày đồng đều Nhưng chịu ẩm, độ dãn nhỏ hơn mi ca mit

+ 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

nếu có lẫn nước và tạp chất Khi sấy khô đúng mức thì độ bền điện được phục hồi

Đối với thiết bị có

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 đúng chất cản hoá cho phép tăng thời gian vận hành của dầu lên vài lần Tuy nhiên độ bền điện của dầu đã vận hành thấp hơn ở dầu mới

Cũng có thể tái sinh dầu bằng cách dùng chất hấp phụ để hút nước và những chất cực tính (là sản phẩm của sự hoá già ở trong dầu trung tính)

Tốc độ hoá già dầu tăng lên trong các trường hợp sau:

+ Khi có ôxy lọt vào Đặc biệt nó tiến triển mạnh khi tiếp xúc với ôzon + Khi nhiệt độ tăng

+ Khi có sự tiếp xúc của dầu với 1 số kim loại (đồng, sắt, chì ) và các chất khác là xúc tác của hiện tượng hoá già

Các đặc tính của dầu tụ điện giống dầu biến áp Đặc biệt dầu tụ điện được làm sạch cẩn thận bằng chất hấp phụ

4.6.1.3 Dầu cáp

Dùng để tẩm lớp giấy cách điện của cáp làm tăng độ bền điện dùng cho cáp điện lực Có nhiều loại dầu cáp khác nhau

Khoa KT Điện- Điện tử Trang 121

Để tẩm cáp có chứa dầu loại vỏ chì hoặc nhôm làm việc ở điện áp rất cao ( 110 KV) người ta dùng dầu ít nhớt và được tẩy sạch Nhất là giải phóng các khí đã hoà tan vào dầu

Dầu có độ nhớt cao để tẩm cáp chứa dầu có áp suất cao (khoảng 15 at) trong ống thép

Loại dầu mỏ nhớt hơn ( dầu Braistôc) dùng cho cáp điện lực có chất tẩm quánh làm việc ở điện áp < 35 KV Có thể tăng độ nhớt bằng cách cho thêm dầu Colofan

Xôvôn và xôvtôn không dùng được trong các máy cắt chứa chất lỏng vì khi dập hồ quang thì trong xôvôn có bồ hóng thoát ra cùng với hơi có tính độc và tính ăn mòn Khi làm việc cần chú ý không để dính vào da và đảm bảo thông gió tốt

Nếu thay dầu mỏ bằng Xôvôn trong việc sản xuất tụ điện giấy động lực sẽ làm giảm khối lượng của tụ 2 lần Khi làm việc trong điện trường mạnh xôvôn ổn định hơn dầu mỏ nhưng nhược điểm của tụ tẩm xôvôn là điện dung giảm nhiều khi nhiệt độ <

00C

4.6.2 2 Chất lỏng Silic hữu cơ

Có  nhỏ, độ hút ẩm nhỏ, độ bền nhiệt cao Có thể dùng tẩm tụ điện nhưng đắt tiền và độ bền cơ thấp

4.6.2.3 Chất lỏng Flo hữu cơ

Có tổn hao điện môi rất nhỏ, độ hút ẩm nhỏ không đáng kể và độ bền nhiệt cao

Độ nhớt nhỏ, tương đối dễ bay hơi, khả năng đảm bảo thoát nhiệt ra khỏi dây quấn và lõi

từ của chất lỏng Flo hữu cơ mạnh hơn nhiều so với dầu mỏ

Ưu điểm: Không cháy được, có độ bền chịu hồ quang cao nhưng đắt tiền

* Ngoài các chất lỏng cách điện được nghiên cứu trên khác hẳn dầu mỏ về thành phần hoá học và các đặc tính còn có những chất lỏng tổng hợp có thành phần hyđrocacbon Những chất không cực tính này gần giống dầu mỏ cách điện về mặt tính chất và có những đặc tính tốt hơn dầu mỏ

VD: poliizobutilen với mức trùng hợp tương đối thấp (khoảng 10 - 20) ở dạng lỏng tẩm cho tụ giấy sẽ tăng điện trở cách điện của tụ lên khoảng 10 lần so với khi tẩm bằng dầu

tụ điện hay vazơlin