Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Phần 1 được biên soạn bởi tác giả Phạm Thành Chung có nội dung gồm 7 chương. Chương 1: Cấu tạo vật chất; Chương 2: Vật liệu dẫn điện và bán dẫn; Chương 3: Vật liệu từ; Chương 4: Tính dẫn điện của điện môi; Chương 5: Sự phân cực điện môi; Chương 6: Tổn hao điện môi; Chương 7: Đặc tính cơ, hóa, lý, nhiệt của vật liệu cách điện. Mời các bạn cùng tham khảo phần 1 bài giảng tại đây
Trường ĐHBK Hà Nội Bộ môn Hệ thống điện BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN VÀ CAO ÁP Người soạn: Phạm Thành Chung Chungpt-fee@mail.hut.edu.vn Hà Nội, tháng 10-2011 CHƯƠNG I CẤU TẠO VẬT CHẤT 1.1 NGUYÊN TỬ, PHÂN TỬ VÀ CÁC DẠNG LIÊN KẾT 1.1.1 Cấu tạo nguyên tử Như biết vật chất cấu tạo từ nguyên tử phân tử Nguyên tử thành phần vật chất Theo mơ hình nguyên tử Borh, nguyên tử cấu tạo hạt nhân mang điện tích (+) điện tử (electron) mang điện tích (-) chuyển động xung quanh hạt nhân theo quĩ đạo định Hạt nhân nguyên tử gồm: + Nơtron - khơng mang điện tích + Prơton - mang điện tích (+) với số lượng là: Q = Z.q Với Z- số lượng điện tử nguyên tử q- điện tích điện tử e (qe=1,602 10-19 ) Ở điều kiện bình thường (nhiệt độ phòng) nguyên tử trung hòa điện, tức ngun tử có tổng điện tích dương hạt nhân tổng điện tích âm điện tử + Khi điện tử: nguyên tử trở thành ion (+) + Khi nhận điện tử: nguyên tử trở thành ion (-) Năng lượng điện tử: Để có khái niêm lượng điện tử ta xét nguyên tử r e + Hydro, nguyên tử cấu tạo từ proton điện tử Khi điện tử chuyển động quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân điện tử chịu lực hút hạt nhân f1: f1 = Hình 1-1 Quỹ đạo chuyển động điện tử q2 r2 (1-1) Lực hút f1 cân với lực ly tâm trình chuyển động: f2 = mv r (1-2) Trong đó: m- khối lượng điện tử v- tốc độ chuyển động điện tử q mv = r2 r Ở điều kiện bình thường: f1 =f ⇔ Năng lượng điện tử: W=T+U (1-3) mv Động T: T = (1-4) q2 r (1-5) Thế U: U= − W= mv q q q q2 − =− = − r 2r r 2r (1-6) Nhận xét: Biểu thức (1-6) chứng tỏ điện tử nguyên tử có mực lượng định, lượng tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động điện tử Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính r xa vơ cần phải cung cấp cho lượng lớn q2 2r Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự gọi lượng ion hóa (Wi) Khi bị ion hóa (bị điện tử), nguyên tử trở thành ion dương Quá trình biến nguyên tử trung hòa thành ion dương điện tử tự gọi q trình ion hóa Trong ngun tử lượng ion hóa lớp điện tử khác khác nhau, điện tử hóa trị ngồi có mức lượng ion hóa thấp chúng cách xa hạt nhân Khi điện tử nhận lượng nhỏ lượng ion hóa chúng bị kích thích di chuyển từ mức lượng sang mức lượng khác, xong chúng ln có xu trở vị trí trạng thái ban đầu Phần lượng cung cấp để kích thích nguyên tử trả lại dạng lượng quang học (quang năng) Trong thực tế, lượng ion hóa lượng kích thích ngun tử nhận từ nhiều nguồn lượng khác nhau, ví dụ: nhiệt năng, quang năng, điện năng, lượng tia sóng ngắn như: α, β, γ hay tia rơnghen… 1.1.2 Cấu tạo phân tử Năng lượng liên kết phân tử lượng tối thiểu để tách nguyên tử chúng đưa chúng khoảng cách đủ lớn để chúng khơng cịn tương tác với Năng lượng liên kết thường biểu diễn đơn vị eV/mol kJ/mol (1kJ/mol=1.037 10-2eV/mol) Tuỳ theo vị trí bảng Mendeleev, nguyên tử liên kết với liên kết hoá trị với chất khác Theo độ mạnh yếu liên kết hoá trị người ta chia làm loại liên kết hoá trị mạnh liên kết hoá trị yếu Liên kết hoá trị mạnh bao gồm liên kết ion, liên kết cộng hoá trị liên kết kim loại Trong liên kết hố trị yếu bao gồm liên kết Van der Waals liên kết hydro Liên kết ion liên kết cộng hoá trị đặc trưng cho oxít sunphít điện môi chủ yếu tạo thành từ liên kết Van der Waals hydro Rất phân tử tạo thành từ loại liên kết nhất, chúng thường có từ hai đến ba loại liên kết có loại liên kết mạnh Ví dụ tinh thể Ga As liên kết cộng hoá trị mạnh hai lần so với liên kết ion, phân tử NaCl liên kết ion chiếm tới 94% sau đến liên kết cộng hố trị Cịn Silicum cấu tạo tuý liên kết cộng hoá trị Đặc tính loại vật chất điện, cơ, lý, hóa…do liên kết chủ yếu định Sau ta vào chi tiết loại liên kết 1.1.3 Các dạng liên kết a Liên kết đồng hoá trị Liên kết đồng hoá trị đặc trưng dùng chung điện tử nguyên tử phân tử Khi mật độ đám mây điện tử hạt nhân trở thành bão hòa, liện kết phân tử bền vững Ví dụ: Phân tử Clo (Cl2) gồm nguyên tử Clo, nguyên tử Clo có 17 điện tử, có điện tử hố trị lớp ngồi Hai ngun tử liên kết bền vững với cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ nguyên tử bổ xung thêm điện tử nguyên tử Cl + Cl Cl Cl H + Cl H Cl Hình 1-2 Liên kết đồn hóa trị phân tử Cl2 HCl Tuỳ thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hố trị trung tính hay cực tính (lưỡng cực) - Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm trùng phân tử trung tính (khơng cực tính) Các chất tạo nên từ phân tử trung tính gọi chất trung tính (chẳng hạn như: Cl2, H2…) - Phân tử có trọng tâm điện tích dương âm không trùng nhau, cách khoảng a phân tử cực tính (lưỡng cực) Các chất tạo nên từ phân tử cực tính gọi chất cực tính (chẳng hạn như: HCl…) Liên kết đồng hóa trị cịn thấy chất rắn vơ có mạng tinh thể cấu tạo từ ngun tử, ví dụ kim cương (hình vẽ 1-3) Hình 1-3: Mơ hình cấu trúc tinh thể kim cương a Sự xếp tứ diện bốn nguyên tử C xung quanh nguyên tử C trung tâm kim cương, b Tinh thể kim cương Tinh thể nguyên tử cấu tạo từ nguyên tử xếp cách đặn, theo trật tự định không gian tạo thành mạng tinh thể Ở điểm nút mạng tinh thể nguyên tử liên kết với liên kết cộng hóa trị b Liên kết ion Liên kết ion xác lập lực hút ion (+) ion (-) phân tử Lực liên kết lớn nên liên kết bền vững, có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Ví dụ: muối NaCl nguyên tử kim loại kiềm Na có điện tử lớp ngồi liên kết yếu với hạt nhân ln có xu hướng nhường điện tử để tạo thành cation Na+ ngun tử halogen Cl có lớp ngồi thiếu điện tử nên sẵn sàng nhận điện tử nguyên tử Na nhường để trở thành anion Cl- có cấu hình ổn định Liên kết ion gây lực hút Coulomb ion tích điện trái dấu từ trình cho nhận Hình 1-4: Cấu trúc liên kết ion clorua natri kể Clorua natri tạo thành tinh thể có cấu trúc cân đối lập phương Trong tinh thể này, ion clorua lớn xếp khối khép kín lập phương, ion natri nhỏ điền vào lỗ hổng bát diện chúng Mỗi ion bao quanh ion khác loại Khả tạo nên chất hợp chất mạng khơng gian phụ thuộc chủ yếu vào kích thước ngun tử hình dáng lớp điện tử hóa trị ngồi c Liên kết kim loại Dạng liên kết tạo nên tinh thể vật rắn (kim loại) Kim loại coi hệ thống cấu tạo từ ion dương nằm môi trường điện tử tự Lực hút ion dương điện tử tự tạo nên tính nguyên khối kim loại Vì liên kết bền vững, có độ bền học nhiệt độ nóng chảy cao Sự tồn điện tử tự làm cho kim loại có tính ánh kim tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao Tính dẻo kim loại giải thích dịch chuyển trượt lớp ion, kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng Hình 1-5: Mơ hình liên kết kim loại với ion dương cố định nút mạng liên kết với “biển điện tử” xung quanh d Liên kết Van der Waals Trong liên kết sơ cấp, nguyên tử có xu hướng tạo nên cấu hình điện tử ngun tử khí cách cho nhận chia sẻ điện tử Thực tế ngun tử tạo thành liên kết với mà không cần cho nhận hay chia sẻ điện tử, ví dụ nhiệt độ thấp nguyên tử khí liên kết với để tạo thành dạng dạng lỏng hay rắn Như phải có loại liên kết hình thành nguyên tử khí nhiệt độ thấp, mà ta biết cấu trúc đối xứng hoàn hảo điện tử nguyên tử khí khơng tạo điện trường bên ngồi chúng Liên kết gọi liên kết Van der Waals dạng liên kết thứ cấp Liên kết Van der Waals có mặt tất vật liệu yếu so với liên kết sơ cấp Năng lượng liên kết liên kết VdW thường nhỏ 40kJ/mol Nó nguyên nhân dẫn tới hoá lỏng hay hoá rắn khí H2, N2, O2… 1.1.4 Cấu trúc tinh thể khuyết tật cấu tạo mạng tinh thể Như tính chất vật liệu phụ thuộc lớn vào cấu trúc cỡ nguyên tử tương tác hạt nhân với điện tử, nguyên tử với điện tử nguyên tử bên cạnh với nguyên tử bên cạnh thông qua trị số khoảng cách ổn định nguyên tử, góc liên kết hay số ion liên kết với ion mốc, độ âm điện…Trong phần đề cập đến cấu trúc vật liệu cỡ lớn cỡ nguyên tử: cấu trúc vật liệu tập hợp nhiều ngun tử hay cịn gọi kích cỡ xa (long range order-LRO) Trong chất rắn nói chung nguyên tử cố định vị trí định, lí gọi chất rắn Khi chất rắn cung cấp lượng nhiệt vừa đủ, liên kết để làm nguyên tử cố định bị đứt chúng có xu hướng di chuyển cách hỗn loạn Trong trường hợp nguyên tử giữ khoảng cách tương đối gần chất rắn chuyển thành chất lỏng Nếu tiếp tục tăng nhiệt lượng cung cấp nguyên tử có khả rời xa nguyên tử di chuyển khoảng cách xa mà không va chạm với nhau, chất lỏng trở thành chất khí Ba trạng thái thay đổi cho nhiệt độ áp suất thay đổi Như cấu trúc chất rắn sở cho hiểu biết chất lỏng khí nên đề cập cách tương đối chi tiết phần để nắm khái niệm cấu trúc vật chất nói chung Chất rắn chia làm hai loại bản: loại theo quy luật xếp vị trí nguyên tử khoảng cách xa (LRO) loại không theo quy luật Loại vật liệu thứ gọi có cấu trúc tinh thể (crystal), loại thứ hai gọi cấu trúc vơ định hình (amorphous) Chất rắn vơ định hình chủ yếu thủy tinh số loại chất dẻo, phân tử chất rắn vô định hình xếp cách hỗn độn giống trạng thái lỏng, cịn gọi chẩt lỏng siêu mát (supercooled liquide) Ở chất rắn vơ định hình, điểm nóng chảy chuyển từ trạng thái rắn sang lỏng khơng có thay đổi đột ngột pha mà mềm dần tăng dần nhiệt độ đốt nóng Tính chất vật lý chất rắn vơ định hình giống hướng người ta cịn gọi có tính đẳng hướng Hơn 90% chất rắn tồn tự nhiên sản xuất nhân tạo có dạng tinh thế, kể số loại có cấu trúc tinh thể đất sét (clay), đá vơi (limestone), carbon (kim cương than chì), muối (NaCl KCl), kim loại … 1.1.4.1 Cấu trúc mạng tinh thể Cấu trúc hầu hết vật liệu cỡ nguyên tử cấu trúc tinh thể, có nghĩa nguyên tử vật liệu xếp cách có trật tự tuần hồn Trong khơng gian ba chiều có 14 cách khác để phân bố tuần hoàn điểm cho điểm có số điểm bên cạnh xếp theo khoảng cách hướng Người ta định nghĩa ô sở (unit cell) cấu trúc nhỏ cấu trúc tinh thể cho lặp lại ta dịch chuyển tinh thể Điểm mấu chốt ô sở bao hàm cấu trúc đủ tinh thể mạng tinh thể hoàn chỉnh xếp liên tiếp sở khơng gian ba chiều Mỗi hình dáng cụ thể ô sở gọi hệ tinh thể (crystal system) Coi nguyên tử hình cầu cố định cấu trúc, tùy theo khoảng cách nguyên tử ô sở không gian ba chiều (các cạnh a, b c) góc tạo cạnh, có hệ tinh thể tồn không gian bao gồm: lập phương (cubic system), trụ tù (triclinic system), trụ đứng hình thoi (monoclinic system), bát trụ (hexagonal system), tứ trụ (tetragonal system), orthorhomic system, rhombohedral system Nguyên tử đặt đặt vị trí tâm đối xứng hệ tinh thể để tạo thành 14 ô lưới (lattice) tinh thể khác hay gọi 14 lưới Bravais hệ tinh thể biến thể thành 14 ô lưới Bravais trình bày bảng 1.1 Hệ tinh Dạng ô lưới thể Cubic Dạng đơn giản (simple) Dạng đối xứng qua tâm (body centered) Dạng đối xứng qua mặt (face centered) Triclinic Monoclini c Dạng đơn giản (simple) Dạng đối xứng qua hai mặt (base centered) Hexagonal 10 Các điện môi lỏng dùng kỹ thuật thường hỗn hợp chất trung tính cực tính, ví dụ: hỗn hợp dầu nhựa thơng chất lỏng cực tính thầu dầu… Tổn hao điện mơi phụ thuộc vào độ nhớt chất điện mơi Mặt khác, điện dẫn độ nhớt chất lỏng lại phụ thuộc vào nhiệt độ Do tổn hao điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ Một điều cần ý đặc biệt điện mơi cực tính làm việc điện áp xoay chiều tần số cao có tổn hao điện mơi lớn Tổn hao phân cực lưỡng cực gây nên Dựa vào khái niệm chế phân cực lưỡng cực ta giải thích chất tổn thất chất lỏng nhớt cực tính sau: Hướng theo biến đổi điện trường, phần tử lưỡng cực quay môi trường nhớt gây nên tổn hao điện ma sát tỏa nhiệt Nếu độ nhớt chất lỏng đủ lớn để phân tử không kịp xoay theo biến đổi điện trường phân cực lưỡng cực bị đi, tổn hao điện môi nhỏ Tổn hao phân cực lưỡng cực bé độ nhớt chất lỏng nhỏ định hướng phân tử xảy khơng có ma sát Khi độ nhớt có trị số trung bính, tổn hao lưỡng cực có trị số đáng kể đạt cực đại độ nhớt Vị trí điểm cực đại xác định từ điều kiện: ω= τo (6.20) Trong đó: ω- tần số góc điện áp; τo - thời gian xác lập phân cực Thời gian phân cực chậm τo phụ thuộc vào độ nhớt chất lỏng τo phụ thuộc vào nhiệt độ Sự tăng tgδ theo độ tăng nhiệt độ giải thích độ tăng điện dẫn nhiệt độ tăng, điện dẫn gây thêm tổn hao điện môi nhiệt độ tăng tăng theo hàm số mũ Trên hình 6.7 biểu diễn mơi quan hệ tgδ P theo tần số điện môi lỏng cực tính Tổn hao điện mơi tăng theo tần số lúc phân cực theo kịp biến đổi 107 trường Khi tần số lớn đến mức phân tử khơng cịn kịp định hướng theo chiều trường tgδ giảm, tổn hao lượng P trở nên không đổi Như đặc điểm biến thiên P theo tần số không tương ứng với đặc tuyến tần số tgδ Tổn hao phân cực lưỡng cực chậm trường hợp chất lỏng có độ nhớt bé số thấp không đáng kể nhỏ tổn hao dịng điện rị Ở tần số cao tổn hao phân Hình 6.7 Quan hệ tgδ cực lưỡng cực chậm lớn so với tổn hao dong điện rị P với f chất lỏng cực tính độ nhớt có trị số bé Do chất lỏng cực tính khơng thể sử dụng trường tần số cao Trong bảng 6.1 đưa trị số tgδ hai điện môi lỏng Từ số liệu bảng 6.1 ta thấy chất lỏng trung tính có tổn hao điện môi bé nhiều so với chất lỏng cực tính Bảng 6.1 Trị số tgδ số điện môi lỏng Tên điện môi ε tgδ f=106Hz t=20oC Ghi Dầu tụ điện 2,2 ψcb : ψ giảm xuống ψcb Vật liệu sấy khô + ψ < ψcb : ψ tăng lên ψcb Vật liệu bị thấm ẩm Thông thường người ta xác định độ ẩm vật liệu cách xác định lượng nước thấm vào hay thoát khỏi vật liệu số phần trăm: M − M1 ψ vl = 100% M1 113 ψcb t (giờ) Hình 7.3 Sự biến đổi độ ẩm vật liệu (7.2) Trong đó: M1, M2- trọng lượng mẫu vật liệu trước sau hút ẩm 7.1.3 Tính thấm ẩm Là khả cho ẩm xuyên thấu qua điện môi, biểu thị độ thấm ẩm Đặc điểm quan trọng đánh giá chất lượng vật liệu dùng để sơn, phủ bảo vệ chống xâm nhập ẩm vào bên vật liệu hay chi tiết cần bảo vệ Phần lớn vật liệu thấm ẩm qua lỗ xốp nhỏ có độ ẩm đo được, song có loại vật liệu thủy tinh, kim loại, poloetilen, gốm nung kỹ… khơng thấm ẩm có độ ẩm khơng Φ= Trong đó: m.h S.τ.(P1 − P2 ) [μg/cm.h.mmHg] (7.3) m - lượng ẩm (μg) h - bề dày vật liệu cách điện (cm) S - diện tích mặt phẳng VL cách điện (cm2) τ - thời gian đặt VL cách điện vào môi trường (h) (P1 - P2) - chênh lệch áp suất phía bề mặt VL cách điện (mmHg) Đây tham số quan để đánh giá phẩm chất cách điện vật liệu Độ thấm ẩm vật liệu khác khác nhau: Parafin: Φ = 0,0007 Polistirol: Φ = 0,03 Xenlulô: Φ = Khi sử dụng lâu dài thiết bị điện điều kiện nhiệt đới, điện mơi hữu có thấy nấm móc phát triển Sự xuất nấm mốc làm cho điện trở suất mặt điện môi xấu đi, làm tăng tổn hao điện môi, làm cho độ bền học giảm gây nên ăn mòn phận kim loại tiếp xúc với 7.1.4 Sự ngưng tụ nước bề mặt điện môi Đối với vật liệu khơng thấm ẩm đặt vào mơi trường có độ ẩm cao mặt vật liệu hình thành màng ẩm hay bị ngưng tụ lớp nước Quá trình ngưng tụ nước mặt vật liệu gọi hấp phụ nước vật liệu 114 Lớp nước hấp phụ phụ thuộc vào độ ẩm, cấu trúc bề mặt loại vật liệu θ>900 θ 900 Khi bề mặt vật liệu bị hút ẩm dòng điện dẫn mặt tăng lên, tổn hao lượng tăng dễ dàng gây phóng điện bề mặt, gây nên cố thiết bị điện 7.1.5 Ảnh hưởng tính ẩm đến phẩm chất điện mơi Nước chất có cực tính mạnh: ε = 80 82, γ = 10-5 10-6 [1/Ω.cm] Do ẩm xuyên qua điện môi làm giảm điện trở cách điện điện dẫn tăng tăng tổn hao tgδ giảm điện áp chọc thủng Uct điện mơi chóng vbị phá huỷ Khi ẩm ngưng tụ bề mặt, kết hợp với bụi bẩn bề mặt tạo dung dịch điện phân tạo ion (+), ion (-) chuyển động cực làm tăng dòng điện rò bề mặt làm giảm Upđ bề mặt 7.1.6 Các biện pháp giảm tác hại độ ẩm Để hạn chế tác động độ ẩm vật liệu cách điện người ta thường sử dụng biện pháp sau đây: - Sấy khô sấy chân khơng để ẩm bên ngồi - Tẩm loại vật liệu xốp sơn cách điện - Quét lên bề mặt điện môi lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn xâm nhập ẩm vào bên điện mơi 115 - Để nâng cao điện áp phóng điện bề mặt phải tăng cường chiều dài dò điện cách đặt thêm gờ, tán sứ cách điện…Trong điều kiện cho phép làm vệ sinh tẩy rửa bụi bẩn bám bề mặt điện môi 7.2 TÍNH CƠ HỌC Các chi tiết vật liệu cách điện thiết bị điện vận hành ngồi tác động điện trường cịn phải chịu tác động phụ tải học định Vì vậy, chọn vật liệu cần phải xem xét tới độ bền học vật liệu khả chịu đựng chúng mà không bị biến dạng 7.2.1 Độ bền chịu kéo, nén, uốn (σk , σn , σu ) Phụ thuộc vào diện tích tiết diện vật liệu Được đo KG/cm2 N/m2 Ví dụ: sợi thuỷ tinh: đường kính sợi giảm dẫn đến σ tăng; Khi đường kính giảm xuống cịn 0,01mm đạt ngang độ bền dây đồng Các σ phụ thuộc vào nhiệt độ, nhiệt độ tăng σ giảm Những vật liệu hút ẩm có độ bền phụ thuộc vào độ ẩm… 7.2.2 Tính giịn Nhiều vật liệu giịn tức có độ bền tương đối cao phụ tải tĩnh lại dễ dàng bị phá hủy lực tác động bất ngờ đạt vào Để đánh giá khả vật liệu chống lại tác động người ta xác định ứng suất dai va đập A Biểu thị độ dài va đập: σ vd = S [kg.cm/cm2] (7.4) Trong đó: A - lượng để bẻ gãy mẫu vật có tiết diện S (kg.cm) S - diện tích mẫu vật (cm2) 7.2.3 Độ cứng Biểu thị khả bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây lực nén truyền từ vật liệu có kích thước bé vào Độ cứng tính theo phương pháp Brinel thường dùng sử dụng hịn bi thép tơi có đường kính D ép vào mẫu lực 116 P D h Hình 7.5 Mơ hình Brinel định P, người ta đo chiều sâu h vết lõm bi bề mặt vật liệu đường kính d vết lõm Độ cứng theo Brinel TB tìm cách chia lực P cho diện tích vết lõm: TB = Trong đó: P π.D.h (7.5) D - đường kính viên bi thép h - độ lún P - lực nén 7.3 TÍNH CHẤT NHIỆT Những tính chất nhiệt quan trọng điện môi : độ bền chịu nóng (độ bền nhiệt), độ bền chịu lạnh, độ dẫn nhiệt giãn nở nhiệt 7.3.1 Tính chịu nóng (Độ bền nhiệt) Khả chịu đựng vật liệu cách điện không bị hư hỏng tác động nhiệt độ cao thay đổi đột ngột nhiệt độ Đối với điện môi vô cơ: độ bền nhiệt biểu thị nhiệt độ mà từ có biến đổi rõ rệt phẩm chất cách điện: tgδ, Rcách điện… Đối với vật liệu hữu cơ: độ bền nhiệt nhiệt độ gây biến dạng học mà từ làm giảm phẩm chất điện mơi 117 Ký hiệu cấp Nhiệt độ làm việc lớn chịu nhiệt cho phép (0C) Y 90 A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 C >180 Từ độ bền nhiệt, người ta nhận thấy loại vật liệu cách điện chịu nhiệt độ định, vượt qua trị số tính chất cách điện bị hỏng Từ tính trên, người ta qui định nhiệt độ làm việc lớn cho phép mà vật liệu làm việc lâu dài mà không bị phá huỷ gồm cấp chịu nhiệt sau (bảng 7.1) Bảng 7.1 Các cấp chịu nhiệt vật liệu - Cấp Y: Vật liệu sợi gốc xenlulô (sợi, vải, giấy cốttông, gỗ ) chưa tẩm vật liệu cách điện lỏng - Cấp A: Là vật liệu cách điện cấp Y mà ngâm tẩm vật liệu cách điện lỏng - Cấp E: Là chất dẻo nhựa Epocxy (Cấp Y, A, E thuộc loại cấp cách điện hữu cơ) - Cấp B: sợi amiăng sợi thuỷ tinh mà có kết hợp chất liên kết hữu (nhựa Epocxy, phenol…) - Cấp F: Các sợi thuỷ tinh kết hợp với chất liên kết có độ bền chịu nóng cao (silic hữu cơ, Epocxy poliête chịu nhiệt…) - Cấp H: Tương tự cấp F kết hợp với chất có độ bền chịu nhiệt đặc biệt cao - Cấp C: Gồm vật liệu vô t, hồn tồn khơng có thành phần kết dính hay tẩm (mica, thuỷ tinh, sứ cách điện, thạch anh…) Đối với vật liệu cách điện đặc biệt giòn, dễ vỡ (thủy tinh, vật liệu gốm…) cần phải thử nghiệm độ bền xung nhiệt 7.3.2 Tính chịu băng giá Ở nước có băng tuyết, thiết bị thường làm việc trời phải chịu tác động nhiệt độ thấp, cần phải ý đến khả chịu băng giá cảu vật liệu Tính chất 118 băng giá hay độ chịu lạnh khả chất cách điện làm việc không bị suy giảm độ tin cậy vận hành nhiệt độ thấp (khoảng -60oC đến -70oC) Thường nhiệt độ thấp tính chất vật liệu cách điện điện môi thường tốt hơn, nhiều vật liệu dẻo đàn hồi điều kiện bình thường trở nên giịn cứng nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho làm việc cách điện 7.3.3 Độ dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt có ý nghĩa quan trọng nhiệt tỏa tổn thất cơng suất dây dẫn bọc cách điện lõi thép máy biên áp tổn hao điện môi chất cách điện truyền môi trường xung quanh qua nhiều lớp vật liệu khác Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng tới độ bền điện đánh thủng nhiệt vafanhr hưởng đến độ bền vật liệu xung nhiệt Độ dẫn nhiệt vật liệu đặc trưng nhiệt dẫn suất: γN = ρN (Với: ρN - nhiệt trở suất) So với kim loại nhiệt dẫn suất vật liệu cách điện nhỏ nhiều Trong bảng 7.2 đưa trị số nhiệt dẫn suất số điện môi Bảng 7.2 Nhiệt dẫn suất số điện môi γ N (W/cm.độ) Tên gọi vật liệu Khơng khí (trong khe hở nhỏ) 0.00025 Nhựa đường 0.0007 Giấy 0.0001 Vải sơn 0.0013 Nước 0.0058 Sứ 0.016 Thạch anh kết tinh 0.125 7.3.4 Sự giãn nở nhiệt Được biểu thị hệ số giãn nở dài αL, thể chiều dài vật tăng lên nhiệt độ tăng lên 10C dL αL = L dt [1/độ] (Với: L - chiều dài vật liệu) 119 Những vật liệu mà hệ số giãn nở dài nhỏ thường có độ bền chịu nóng cao ngược lại 7.4 TÍNH CHẤT HÓA HỌC VÀ KHẢ NĂNG CHỊU PHÓNG XẠ 7.4.1 Tính chất hóa học điện mơi: Bền vững mặt hố học nghĩa khơng bị phân huỷ hố học, khơng gây ăn mịn với vật liệu tiếp xúc nó, khơng gây phản ứng hố học với axit, kiềm muối Chịu gia cơng hố học: mài mịn dung dịch hố học Bền vững với xạ lượng cao: xạ mặt trời, xạ tia vũ trụ… 7.4.2 Tác động xạ lượng cao Bức xạ điện từ (hay sóng điện từ) kết hợp (nhân vector) dao động điện trường từ trường vng góc với nhau, lan truyền khơng gian sóng Sóng điện từ bị lượng tử hoá thành "đợt sóng" có tính chất hạt chuyển động gọi photon Hình 7.6 Phổ xạ điện từ 120 Xuất phất từ tính chất điện từ đặc trưng chung cho tất dạng loại lượng giống sóng này, biểu lộ bở phát sinh trường dao động điện từ sóng truyền khơng gian Ánh sáng khả kiến đại diện cho phần nhỏ phổ xạ điện từ (như phân loại hình 7.6) trải từ tia vũ trụ cao tần tia gamma, qua tia X, ánh sáng cực tím, xạ hồng ngoại, viba, sóng vơ tuyến bước sóng dài tần số thấp Trong thực tế kỹ thuật thiết bị điện làm việc lâu dài hay ngắn hạn mơi trường có xạ hạy hay sóng lượng cao Khi điều quan trọng cần phải biết mức độ bền vững vật liệu tác động xạ, mức độ trì tính chất cách điện chúng- tức độ bền xạ Khi gặp bề mặt vật liệu, lượng phóng xạ giảm theo mức độ thấm vào chiều sâu theo định luật: (7.6) Px = Po e −µx Trong đó: Po- cơng suất liều lượng vật lý khơng khí bề mặt vật liệu; x- chiều sâu µ- hệ số hiệu làm yếu tia phóng xạ vật liệu Hệ số hiệu làm yếu chất đơn giản: µ ≈ K.λ Z3 ρ Trong đó: (7.7) λ- chiều dài sóng phát xạ; ρ- nồng độ; K- hệ số tỷ lệ; Z- số thứ tự nguyên tố bảng tuần hồn Mendeleep Sự hấp thụ phóng xạ vật liệu từ biểu thức (7.7) phụ thuộc vào chất vật liệu chất lượng phóng xạ Sự khuếch tán lượng phóng xạ xảy chủ yếu ion hóa Một phần lượng tiêu tốn để tách nguyên tử ion nút, xuất “lỗ khuyết” trung tâm khuyết tật Các vật liệu bền vững xạ phải có hai thuộc tính: - Khả hấp thụ lượng mà khơng bị ion hóa lớn - Khả tạo mối liên kết kép với mức độ lớn phá hủy liên kết 121 ... emu.cm-3 G emu.cm-3, G emu (3.6) Hệ S.I T(Tesla), Wb.m-2 Am -1 Am -1 Am -1 Wb.m-2,T V.s.m, Wb.m Hệ số quy đổi từ hệ cgs sang S.I 10 -4 10 3 / 4π 10 3 10 3 / 4π π 10 -4 π 10 -1 0 emu.g -1 JT-1kg -1 G.Oe -1 Khơng... σ=5, 81. 107? ?-1 m -1 , mật độ điện tích khối n0 =1, 16 .10 29.m-3, thay số liệu vào cơng thức II .10 ta tính τ =1, 79 .10 -1 4 s Lấy giá trị điện trường E=0,32V/m (giá trị coi tương đối cao tạo mật độ dịng điện. .. < 0.2eV 14 - Bán dẫn (có vùng cắm hẹp điện mơi) ΔW =0.2 -1 . 5eV - Điện mơi (có vùng cấm lớn ΔW =1. 5-vài điện tử von (eV) 1. 2 PHÂN LOẠI VẬT CHẤT THEO ĐỘ DẪN ĐIỆN VÀ TỪ TÍNH 1. 2 .1 Phân loại vật chất