đề tài 9 vật liệu sử dụng cách điện ngày nay

Khái niệm điện môi, phân cực và dẫn điện trong điện môi: Khái niệm điện môi: Là môi trường vật chất đặt dưới tác dụng của điện trường, đó có thể là chất cách điện hoặc dẫn điện hay bán

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM



Môn Học: Vật liệu điện - điện tử

ĐỀ TÀI 9:

VẬT LIỆU SỬ DỤNG CÁCH ĐIỆN NGÀY NAY

GVHD: Ths Ph1m Xuân Hô

NHÓM: 9

HỌ TÊN SV: Trần Minh Khôi - 19142181 Ph1m Duy Khánh -19142178

Nguyễn Quốc Khánh -19142004

Lớp thứ 5, tiết 10-12 HỌC KÌ II – NĂM HỌC 2021-2022

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, các nghành công nghiệp điện- điện tử càng phát triển thì bên cạnh đó cũng kéo theo đó là sự phát triển của các ngành công nghiệp chất cách điện Việc tìm ra các vật liệu dẫn tốt

và siêu dẫn thì chúng ta cũng đang phát triển cách vật liệu cách điện làm cho các vật liệu ấy ngày càng bền hơn, nhẹ hơn và hiện đại hơn là có thể chống cháy Mặc dù xung quanh chúng ta có rất nhiều hợp chất, vật liệu cách điện, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm tòi để phát triển được nghành công nghiệp cách điện Chính vì sự phát triển ấy đã kích thích sự đam mê tìm tòi của bọn em, nên bọn em quyết định chọn đề tài cho bài tiểu luận và cũng như thuyết trình của mình là “ VẬT LIỆU SỬ DỤNG CÁCH ĐIỆN NGÀY NAY ” để cùng phân tích và tìm hiểu những vật liệu cách điện đang được sử dụng hiện nay.

NỘI DUNG

I Giới thiệu:

1 Khái niệm điện môi, Phân cực và dẫn điện trong điện môi

2 Ý nghĩa thực tế cách điện

3 Tổ hao và phá hủy điện môi

II Các vật liệu sử dụng để cách điện:

1 PVC:

2 COMPOSIT:

3 Các sản phẩm cách điện dùng cho máy điện (MBA, MÁY ĐIỆN QUAY)

I Giới thiệu:

1 Khái niệm điện môi, phân cực và dẫn điện trong điện môi:

 Khái niệm điện môi:

Là môi trường vật chất đặt dưới tác dụng của điện trường, đó có thể là chất cách điện hoặc dẫn điện hay bán dẫn

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

 Phân cực và dẫn điện trong 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

Khác với hiện tượng điện hưởng ở vật dẫn kim loại, các điện tích xuất hiện ở chỗ nào trên bề mặt thanh điện môi sẽ định xứ ở đó, không di chuyển được Đó là các điện tích liên kết

Các điện tích liên kết sẽ gây ra trong lòng thanh điện môi một điện trường phụ làm cho điện trường ban đầu trong thanh điện môi thay đổi Điện trường tổng hợp trong điện môi khi điện môi bị phân cực là:

+

 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 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

Độ dẫn điện của chất khí, các chất khí có độ dẫn hiện tại tương đối thấp Nó có thể xảy ra với sự có mặt của các hạt tích điện tự do, do tác động của các yếu tố bên ngoài và bên trong, điện tử và ion: bức xạ tia

X và các loại phóng xạ, sự va chạm của các phân tử và hạt tích điện, yếu tố nhiệt

Độ dẫn điện của chất điện môi lỏng, các yếu tố phụ thuộc: cấu trúc phân tử, nhiệt độ, tạp chất, sự hiện diện của điện tích lớn của các electron và ion

Chất điện môi rắn Độ dẫn điện của chúng được gây ra bởi sự chuyển động của các hạt tích điện của chất điện môi và tạp chất Trong các trường mạnh của dòng điện, tính dẫn điện được phát hiện

2 Ý nghĩa thực tế cách điện:

 Chất cách điện là gì:

Chất cách điện là một đối tượng hoặc loại vật liệu chống l1i hoặc không cho phép dòng điện ch1y qua chúng Chất cách điện có điện

trở suất rất lớn (khoảng 106 - 1015 Ω m ) Chất cách điện không phép

dòng điện đi qua do sự liên kết các nguyên tử trong chất cách

điện rất m1nh và bão hòa khiến các electron không có khả năng di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Chất cách điện phần lớn là chất rắn trong tự nhiên Một số chất cách điện phổ biến nhất hiện nay là thuỷ tinh, nhựa, cao su, sứ, chất dẻo…

Chất cách điện thường được dùng để chế tạo các vật cách điện, các

bộ phận cách điện trong các dụng cụ điện giúp ngăn chặn dòng điện,

đảm bảo độ an toàn cho người sử dụng

 Các lo1i vật liệu cách điện:

Cách điện rắn:

Tính chất chung của các vật liệu cách điện chất rắn là hằng số điện môi rất cao và chỉ xảy ra hiện tượng phóng điện bề mặt ở các vật liệu thể rắn Chúng chủ yếu được chia thành 4 nhóm sau đây:

 Các loại men, sơn cách điện

 Các chất dẻo tổng hợp: cao su, nhựa tổng hợp

 Chất vô cơ: xi măng, mica, sợi thuỷ tinh

 Chất hữu cơ thiên nhiên: giấy, vải, lụa

Trong đó, mica là chất cách điện tốt nhất, được dùng nhiều trong các máy có điện áp cao, tuy nhiên có giá thành khá cao Do đó, các vật liệu cách điện có sợi dẫn nhiệt kém, hút ẩm, cách điện kém như giấy, vải, sợi,… được sử dụng phổ biến hơn vì chúng có độ bền cơ học tốt, mềm, rẻ tiền Khi làm dây dẫn cách điện sợi phải được sấy tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện

Cao su là loại vật liệu cách điện hữu hiệu hàng đầu

Cách điện lỏng:

Một số vật liệu cách điện chất lỏng như dầu mỏ, dầu biến thế, dầu cáp đặc, dầu cáp loãng, dầu silicon Một ứng dụng phổ biến thường gặp là máy biến áp người ta dùng dầu biến thế làm vật liệu cách điện và làm mát

Yếu tố quan trọng để đánh giá một vật liệu cách điện là cường độ điện trường đánh thủng khả năng cách điện thường được phục hồi trở lại Khi cường độ điện trường đặt lên vật liệu vượt quá giá trị cho phép thì

sẽ xuất hiện sự phóng điện (quá điện áp), phá hủy vật liệu và vật liệu mất đi đặc tính cách điện vốn có

Cách điện khí:

Không khí dùng làm cách điện chủ yếu của các đường dây tải điện trên không, cách điện của thiết bị điện làm việc trong không khí hoặc phối hợp với các chất cách điện rắn và lỏng

Khí Hydro là khí nhẹ có đặc tính truyền dẫn nhiệt tốt, nên được ứng dụng để làm mát cho các máy phát nhiệt điện và các máy bù đồng bộ công suất lớn, nó sẽ làm giảm tổn thất công suất do ma sát của rôto với chất khí và do quạt gió gây ra

Khí Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất , khí không màu, không mùi, không vị Được dùng trong sản xuất các linh kiện điện

tử như tranzitor, điốt, và m1ch tích hợp (IC) hoặc sản xuất thép không gỉ (inox)

Ngày nay còn dùng khí trơ như: argon, ne-on hơi thủy ngân để làm các dụng cụ điện chân không và bóng đèn Khí trơ có độ bền điện thấp

Điện trở cách điện thể khí rất lớn và phụ thuộc vào điện áp Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều áp xuất, hình dạng và tiết diện của điện cực, thời gian tác dụng của điện áp Chất khí phổ biến này luôn có sẵn trong tự nhiên, không mùi không vị, một số loại không độc, không gây phản ứng với đồng, thép…

3 Tổ hao và phá hủy điện môi:

 Tôn hao điện môi là gì?

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

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

Khi cách điện cao áp cần chọn điện môi có tgδ nhỏ

 Các d1ng tôn hao trong ĐM

1 Tôn hao điện môi do dòng điện rò

- Trong ĐM kỹ thuật luôn chứa các điện tích và điện tử tự do Có E

→Irò

- Trong ĐM rắn có Irò đi trên bề mặt và trong khối ĐM, còn ĐM khí

và lỏng chỉ có dòng điện khối

- Nếu Irò lớn thì tổn hao trong ĐM có trị số đáng kể và được xác định:

tgδ = tgδ giảm theo quy luật hyperbolic khi tần số tăng

Khi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của ĐM sẽ tăng theo quy luật hàm số

mũ, vậy nên tổn hao điện môi cũng tăng lên theo quy luật này

P t = P e 0 αt

2 Tôn hao điện môi do phân cực

• Dạng này thể hiện rõ ở các chất có phân cực chậm: trong các ĐM có cấu tạo lưỡng cực và ĐM có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ

• Tổn hao ĐM do phân cực chậm được gây nên bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các phần tử dưới tác động của E Sự phá huỷ này làm phát sinh năng lương tiêu tán và điện môi bị phát nóng

3 Tôn hao điện môi do ion hoá

• Xảy ra trong các điện môi ở trạng thái khí Dạng tổn hao này xuất hiện trong các điện trường không đồng nhất khi cường độ điện trường cao hơn trị số bắt đầu ion hoá của loại khí đó Ví dụ: không khí ở xung quanh dây dẫn của đường dây tải điện trên không, điện áp cao, đầu cực của các thiết bị cao áp, bọt khí trong điện môi rắn hoặc lỏng khi chịu điện áp cao

• Công thức tính: P i = A.f(U – U ) 0 3

Chú ý: Trong không khí có chứa khí O Khi bị ion hoá O thành O ,2 2 3

nó kết hợp vơi nitơ và nước thành axits nitơric (HNO ) Nếu quá3

trình ion hoá liên tục thì nồng độ axít HNO tăng lên, có thể gay nên3

sự ăn mòn hoá học của vật liệu và làm cho thời gian phục vụ (tuổi thọ) của vật liệu giảm đi

3 Tổn hao điện môi trong các sơ đồ thay thế

- Khi đặt U lên ĐM trong ĐM thường xuất hiện 3 loại đòng điện + Dòng điện rò (I ) rò

+ Dòng điện chuyển dịch do phân cực nhanh (I ) cd

+ Dòng điện hấp thụ do phân cực chậm (I ) ht

Vậy: I = I + I + I rò cd ht

Với U 1 chiều thì I chỉ xảy ra khi đóng hay ngắt nguồn điện, cho nênfc

tổn hao điện môi chủ yếu là do Iro gây nên

Với U xoay chiều thì I và I có suất trong thời gian đặt U nên tổnfc ro

hao điện môi do 2 dòng này gây nên

4 Tôn hao điện môi do cấu t1o không đồng nhất: gây nên bởi các

tạp chất

5 Tôn 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

 Phá hủy điện môi:

Sự phá hủy điện môi là hiện tượng dòng điện trong điện môi đột ngột tăng khi đặt điện môi dưới tác dụng điện trường mà điện áp tới giới hạn gọi là điện áp đánh thủng

 Các lo1i phá hủy điện môi:

Phá hủy điện môi khí: Sự phá hủy điện môi khí phụ thuộc

vào thành phần hóa học của chất khí và áp suất, nhiệt độ, khoảng cách giữa 2 điện cưc, kích thước và hình dáng điện cực Nguyên nhân là do hiện tượng ion hóa va chạm và ion hóa quang Nếu điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng xảy ra đột ngột

Phá hủy điện môi lỏng: Điện môi lỏng thường là dầu mỏ

cách điện, chúng là hỗn hợp của các điện môi có cực và điện môi không cực có nguồn gốc cácbon

Phá hủy điện môi rắn: Các dạng chủ yếu là phá hủy điện và

phá hủy nhiệt

 Phá hủy điện: Xảy ra ở nơi có điện trường tập trung mạnh, xảy ra đột ngột và có tính chất cục bộ

 Phá hủy nhiệt điện: Xuất hiện khi năng lượng nhiệt thoát

ra từ điện môi lớn hơn năng lượng có khả năng phân tán Khi đó có sự phá vỡ về sự cân bằng nhiệt, làm vật liệu nóng lên tới nhiệt độ làm nóng chảy hay đốt nóng điện môi

II Các vật liệu sử dụng để cách điện:

Vật liệu cách điện phải có độ bền điện cao, độ dẫn nhiệt tốt, chịu

ẩm, chịu được hóa chất và có độ bền cơ nhất định Độ bền vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây dẫn và do đó quyết định tải của nó

1 PVC

 Nhựa PVC là gì?

Nhựa PVC có tên đầy đủ Polyvinyl Clorua được tạo ra sớm nhất trong lịch sử ngành nhựa từ việc tổng hợp nhân tạo vinylClorua khi được phơi dưới ánh nắng mặt trời

 Tính chất vật lý của nhựa PVC.

Nhựa PVC có dạng bột màu trắng hoặc vàng

Tồn t1i với 2 d1ng là:

Huyền phù (PVC.S – PVC Suspension) với kích thước hạt lớn từ 20 –

150 micron

Nhũ tương (PVC.E – PVC Emulsion) có độ mịn cao

Nhựa PVC không độc, chỉ độc khi thêm các phụ gia

Chịu lựa kém, để tăng tính va đập PVC sẽ được trộn thêm MBS, ABS

PVC cách điện tốt, khi dùng PVC làm vật liệu cách điện thường được thêm tính mềm dẻo để dễ gia công, tạo độ dai

 Nhựa PVC cứng

Là nhựa PVC được tổng hợp từ dạng bột với các chất phụ gia chất ổn định nhiệt, chất bôi trơn, và được nung đến nhiệt độ khoảng 160 đến

180 độ C

 Ứng dụng của PVC.

Nhựa PVC được ứng dụng để làm ống nhựa Ống nhựa PVC thường dùng để làm ống dẫn nước, dẫn các chất lỏng, từ hộ gia đình nhỏ đến các tổ chức lớn đều sử dụng Và từ tính chất của PVC nên ống nhựa được chia làm 2 loại :

Ống nhựa cứng được gọi là uPVC không chứa chất làm dẻo Ống nhựa mềm PVC được trộn thêm chất làm dẻo như là DOP

 Dây và cáp điện.

Nhựa PVC thường được sử dụng nhiều để làm dây cáp, tùy theo sự phân loại dây cáp mà nhựa PVC được trôn thêm một số loại phụ gia theo từng mức độ chịu nhiệt khác nhau

Như dây sử dụng trong điện dân dụng thường có nhiệt độ khoảng 70

độ C

Từ 90 đến 100 độ C thì sử dụng trong các ngành công nghiệp Nhựa PVC sử dụng làm dây cáp thường được trộn thêm các phụ gia chống cháy để tăng tính an toàn

 Màng nhựa PVC

Bao gồm có màng cứng, màng bán cứng và màng mềm tùy thuộc vào hàm lượng hóa dẻo có trong nhựa PVC như :Hexamoll DINCH, DOP

Màng nhựa PVC được sử dụng làm đóng gói sản phẩm, bao bì, áo mưa

 Thanh uPVC

Còn được gọi là Unplasticized PVC bao gồm các chất như Polymers Arylic tạo độ bền, các chất ổn định để chịu nhiệt và chống tia UV, chất sáp làm bóng bề mặt

Là loại nhựa chịu nhiệt cao, nhiệt độ nóng chảy là 1000 độ C, chịu nhiệt cao nhưng không cháy

Dùng làm tấm nhựa PVC, vách ngăn PVC, cửa sổ, tấm nhựa Arylic

…

2 COMPOSITE

*Khái niệm

Compsite còn gọi là Vật liệu tông hợp Vật liệu,

compozit,hay composite là vật liệu được tông hợp từ hai hay nhiều

loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu

việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu Vật liệu composite bao gồm vật liệu nền và cốt Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại

với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính nguyên

khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt bền hoá , và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao

*Ưu điểm của vật liệu composite

Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học,

sự phân bố và các vật liệu thành phần đẻ tạo ra một vật liệu mới có độ

bền theo mong muốn Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại ( như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000 C,…) chỉ cóo

composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới

*Nhược điểm của vật liệu composite

Bên cạnh những điểm ưu việt của vật liệu composite, chúng ta vẫn cần biết đến những nhược điểm của loại vật liệu này để ứng dụng phù hợp:

 Khó tái chế, tái sử dụng khi hư hỏng hoặc là phế phẩm trong quá trình sản xuất

 Giá thành nguyên liệu thô tương đối cao, phương pháp gia công tốn thời gian

 Phức tạp trong phân tích cơ, lý, hóa tính của mẫu vật

 Chất lượng vật liệu bị phụ thuộc nhiều vào trình độ của công nhân

*Ứng dụng vật liệu composite

Vật liệu composite được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực để tạo ra các

sản phẩm phục vụ đời sống, sản xuất khắc phục những nhược điểm

mà những loại vật liệu khác có, góp phần nâng cao hiệu suất, hiệu quả, chất lượng công việc và đời sống con người, ví dụ như:

 Vỏ động cơ tên lửa

 Vỏ tên lửa, máy bay tàu vũ trụ,

 Bình chịu áp lực cao

 Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp (Sử dụng công nghệ cuốn ướt của Nga và các tiêu chuấn sản xuất ống dẫn xăng, dầu)