Bài giảng Vật liệu điện và cao áp: Chương 7 - Ngô Quang Ước Chương 7 "Vật liệu cách điện" trong bài giảng Vật liệu điện và cao áp do giáo viên Ngô Quang Ước biên soạn, giới thiệu đến các bạn khái niệm về phân loại vật liệu cách điện, vật liệu cách điện thể khí, vật liệu cách điện thể lỏng,... Đây là tài liệu tham khảo hữu ích cho các bạn đang học chuyên ngành Điện - Điện tử.
Chương VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 7.1 KHÁI NIỆM VỀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN - Chúng dùng để tạo cách điện bao quanh phận dẫn điện thiết bị điện để tách rời phận có điện khác - Nhiệm vụ cách điện là: cho dòng điện theo đường mạch điện sơ đồ quy định - Phân loại: + Theo trạng thái vật chất có: Thể khí, lỏng, rắn + Theo chất hố học vật liệu có: Vật liệu cách điện hữu vơ + Ngồi cịn có loại vật liệu trung gian tính chất vật liệu hữu vô 7.2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ a Khơng khí - Nó làm cách điện chủ yếu đường dây tải điện không, cách điện thiết bị điện làm việc khơng khí phối hợp với chất cách điện rắn lỏng - Nhiệt độ sơi 1at -194,5 0C - Là chất khí phổ biến, có sẵn tự nhiên, khơng độc, khơng gây phản ứng với đồng, thép - Có cường độ điện trường cách điện trường đồng 32 kV/cm b Khí nitơ (N2) - t0 sơi 1at : -195,8 0C, Nitơ chiếm khoảng 78% khí Trái Đất , khí khơng màu, khơng mùi, khơng vị trơ tồn dạng phân tử N2 - Nitơ phi kim , với độ âm điện 3,04, Nó hóa lỏng nhiệt độ 77 K (-196 °C) điều kiện áp suất khí - Eđt = 33 kV/cm (ở trường đồng nhất) - Khơng phản ứng hóa học với đồng , thép, chì… - Ứng dụng: + N2 dùng thay cho khơng khí để lấp đầy tụ điện khí hay thiết bị điện khác có đặc tính gần giống với khơng khí lại khơng chưa O2, chất gây ơxy hố vật liệu tiếp xúc với + sản xuất linh kiện điện tử tranzito, điốt, mạch tích hợp (IC) + sản xuất thép không gỉ (Thép không gỉ hay gọi inox dạng hợp kim sắt chứa tối thiểu 10,5% crôm số chất khác Nito, niken… ( Ni tơ (N) tạo ổn định cho thép không gỉ nhiệt độ âm (môi trường lạnh) ) c SF6 (Sulphur hexafluoride) hay khí êlêgaz -Eđt = 80 kV/cm (ở trường đồng nhất) - Nặng khơng khí lần, - nhiệt độ sơi - 640C - Có thể nén tới 20at khơng hố lỏng Khơng độc, khơng màu, khơng mùi chịu tác dụng hố học, khơng bị phân huỷ bị đốt nóng tới 8000C - Dùng tụ điện, cáp điện, máy cắt - Tại nhiệt độ cao ( từ 500oC trở lên) gặp hồ quang điện SF6 tách thành nguyên tử lưu huỳnh Flo Phần lớn chúng kết hợp lại với tạo trình làm mát (thu nhiệt) phục hồi trở lại thành SF6 Một số nguyên tử, sản phẩm q trình phân hủy khơng kết hợp lại với chúng bị hấp thụ lọc phân tử Bộ lọc phân tử đặt khoang máy cắt (và thiết bị sử dụng SF6) tuổi thọ lọc tính toán hết thời gian sử dụng thiết bị Phần dẫn dịng phía Tiếp điểm dập hồ quang tĩnh Tiếp điểm dập hồ quang động Phần khoang chứa SF6 dập hồ quang Phần dẫn dịng phía Ống thổi SF6 Tiếp điểm tĩnh làm việc Tiếp điểm động Khoang chứa SF6 dập hồ quang 10 Van điền lại SF6 11 Piston Khoang cắt Sứ cách điện Trụ đỡ Bộ truyền động Lò xo cắt Ống khí SF6 Đồng hồ giám sát áp suất SF6 Điểm nối tiếp địa Thanh truyền động 10 Cờ thị trạng thái máy cắt d Khí frêơn (CCl2F2) (R-12) - Có Eđt = 68 kV/cm (E đều) - t0 sôi = -28 0C - chịu nén tới 6at Khí ăn mịn số vật liệu hữu thể rắn - dùng tủ lạnh, máy điều hoà, máy lạnh - Ngày hay dùng gas R22 (CHClF ), R134a (CH2FCF3) R410A - Hiệp định KYOTO tháng 12/1997 nước phát triến phải giảm thiểu hiệu ứng phá hủy tầng Ozon để bảo vệ môi trường; thời hạn lệnh cấm sử dụng ga R22 có hiệu lực nước phát triển Việt Nam năm 2045 - R410A hỗn hợp CH2F2 (R-32 hay HFC32) CHF2CF3(R-125 hay HFC125) thay cho R22 - Ga R410A chọn để dùng cho điều hòa chạy biến tần 7.4.2 Điện môi vô 7.4.2.1 Thuỷ tinh Thành phần SiO2, B2O3 số khác như; Na2O,, K2O, CaO, BaO, PbO, ZnO, Al2O3,… Những đặc tính thuỷ tinh: - Khối lượng riêng: 2÷8,1 g/cm3 Thuỷ tinh nặng thuỷ tinh có hàm lượng chì cao (pha lê, thuỷ tinh flin), thuỷ tinh silicát có khối lượng riêng 2,5 g/cm3 - Độ bền nén lớn nhiều so với độ bền kéo: nén σn = 6000 ÷ 21 000kG/cm2; kéo σk = 100 ÷300kG/cm2 - Ở điều kiện bình thường có tính giòn, dễ bị vỡ chịu tải trọng động - Có nhiệt độ nóng chảy khơng ổn định Nhiệt độ hố dẻo 400÷16000C - Hệ số giản nở dài αL = 0,55.10-3 ÷15.10-16 (độ-1) - Bình thường khơng có màu tức suốt Nếu cho chất phụ vào có màu sắc đinh: CaO – màu xanh; Cr2O3 – màu xanh cây; MnO2 – mày tím nâu… - Thuỷ tinh silicát chịu tác dụng axít HF lại bền chất kiềm Loại thuỷ tinh đặc biệt B2O3 Al2O3 chịu natri Tính chất cần cho dụng cụ thắp sáng điện - Ở t0 thường ρ = 108 ÷ 1017 Ω.cm, ε = 3,8÷ 16,2; tgδ = 0,0002 ÷ 0,01 - Điện dẫn bề mặt phụ thuộc vào tình trạng bề mặt thuỷ tinh, tăng lên mặt thuỷ tinh bị nhiễm bẩn, độ ẩm môi trường xung quanh tăng lên điện dẫn mặt ngồi tăng - Eđt phụ thuộc vào thành phần cấu tạp, mà chủ yếu phụ thuộc vào lượng bọt khí thuỷ tinh Thuỷ tinh có độ bền điện lớn, điện áp điện chiều điện trường đồng đạt tới 50kV/mm Khi tần số cao xảy đánh thủng điện - nhiệt Các loại thuỷ tinh a) Thuỷ tinh tụ điện: sử dụng làm điện môi cho tụ điện dùng lọc cao thế, máy phát xung, mạch dao động thiết bị cao tần Loại ε cao tgδ nhỏ tốt b) Thuỷ tinh định vị: Dùng để chế tạo chi tiết định vị; thuỷ tinh cách điện (điện thoại, ăng ten, đỡ, xuyên, chuỗi…) c) Thuỷ tinh bóng đèn: Dùng làm bóng chân đèn thắp sáng nhiều ống điện tử khắc d) Men thuỷ tinh loại thuỷ tinh đục dễ nóng chảy, dùng để phủ lên mặt ngồi nhiều loại sản phẩm khác đ) thuỷ tinh có chất độn: chất dẻo ép nóng thuỷ tinh bột mica, gọi thuỷ tinh mica e) Xơ thuỷ tinh thuỷ tinh kéo thành sợi nhỏ dài mềm dùng để sản xuất vật liệu dệt, làm cho vật liệu cách điện compozít • Xét theo thành phân hố học thuỷ tinh silicát dùng cho kỹ thuật chia thành nhóm: - Thuỷ tinh kiềm khơng có ơxít nặng: gồm có thuỷ tinh làm cửa kính, chai lọ … - Thuỷ tinh kiềm có hàm lượng ơxít nặng cao gồm: thuỷ tinh flin (chứa PbO) thuỷ tinh crơn (chứa BaO) dùng làm kính quang học thuỷ tinh cách điện loại có độ điện dẫn tgδ nhỏ - Thuỷ tinh vô kiềm: dùng vào mục đích quang học, cách điện nhiều mục đích đặc biệt khác 7.4.2.2 Vật liệu cách điện gốm , sứ Sứ cách điện - Vật liệu chế tạo: Dùng loại đất sét đặc biệt cao lanh , loại đất trắng tinh khiết có chất lượng cao loại đất dẻo chịu lửa; Cùng với khoáng thạch anh (SiO2) fenspat ( - AlSi3O8) để chế tạo sứ cách điện - Công nghệ chế tạo: Lọc tạp chất khỏi tất thành phần hợp thành sứ, nghiền nhào kỹ với nước thành chất đồng Để tạo hình dáng dùng gia cơng: đùn ép qua áp lực, tiện mặt ngoài, ép hay đổ vào khn thạch cao… Sau đem sấy khơ loại thừa ra, tráng men nung - Lớp men + Lớp men bao mặt sứ ngăn không cho ẩm thấm vào lỗ xốp, làm giảm độ háo nước sứ, nhờ sứ cách điện chịu nước làm việc trời, chịu mưa chất lắng khác khơng khí + Men cịn tăng thêm vẻ đẹp sứ + Men làm cho sứ nhẵn nên bụi chất bẩn khác bám vào mưa sửa bề mặt sứ + Giảm độ rò điện theo bề mặt tăng điện áp phóng điện bề mặt sứ + Loại bỏ vết nứt nhỏ bề mặt sứ đầu mối phá huỷ sứ chịu tải trọng học + Tráng men ta nhúng sứ chế tạo xong vào bình có trộn bột men thời gian ngắn hay tráng phương pháp lăn - Nung: + Là nguyên cơng để làm cho sứ có độ bền học cao, chịu nước có đặc tính cách điện tốt + Thời gian nung từ 20 ÷ 70 tuỳ theo kích thước chiều dày sứ Giai đoạn nung nhiệt độ cao (đối với sứ định vị 1300 ÷ 13500C, sứ cao áp 1330 ÷ 14100C) chiếm thời gian ngắn, trình nung lại dài cần phải để sản phẩm nguội dần thời gian dài để tránh xuất ứng suất nhiệt vết nứt trước lấy khỏi lò + Được đốt dầu mazút, khí gaz hay than + Nhiệt độ hố dẻo đất sét làm bao nung không thấp 17000C + Lị nung có loại: Kiểu nung gián đoạn lò nung hầm tunel liên tục + Do tượng co ngót nung nên tạo hình cho sứ cách điện phải làm theo kích thước lớn để cuối nhận thành phẩm gần với u cầu.(sai lệch ÷ 5%) - Tính chất sứ nung: + Khối lượng riêng 2,3 ÷ 2,5 g/cm3 + Hệ số dãn nở nhiệt dài 34,5.10-6 (độ-1) + Giới hạn bền nén lớn từ 4000 ÷ 6000kg/cm2 sản phẩm mỏng có giới hạn bền nén lớn loại dày + Giới hạn bền kéo sứ có tráng men 300 ÷ 500 kg/cm2 cịn khơng tráng men 200 ÷ 300 kg/cm2 + Giới hạn bền uốn 80÷100 kg/cm2 + Sứ giòn thuỷ tinh hai loại bị vỡ va chạm + Rất bền nhiều phản ứng hoá học, nên dùng chế tạo dụng cụ hoá nghiệm cốc , chén nung + Độ bền điện Eđt = 10 ÷ 30 kV/mm + ρ = 1014 ÷ 1015 Ω.cm + ε = 67; tgδ = 0,015 ữ 0,02 ng dng ca s ã S đường dây gồm có sứ treo dùng cho điện áp cao 35kV, sứ đứng dùng cho điện áp thấp • Sứ trạm điện loại sứ đõ sứ xuyên • Sứ dùng cho thiết bị loại sứ tham gia vào kết cấu cảu thiết bị sứ puli, linh kiện đui đèn, công tắc, cầu chì, cầu dao, phích cắm, sứ thơng tin… - Trị số điện áp phóng điện hai điện cực đặc tính điện quan trọng Do chiều dày nên khó xảy phóng điện chọc thủng sứ mà thường diễn phóng điện bề mặt sứ - Điện áp phóng điện bề mặt gồm loại: Điện áp phóng điện khơ điện áp phóng điện ướt thử nghiệm sứ + Điện áp phóng điện khơ trị số điện áp phóng điện mà ta thu thử nghiệm sứ điều kiện bình thường + Điện áp phóng điện ướt trị số điện áp phóng điện mà ta thu thử nghiệm sứ mưa nhân tạo với cường độ từ 4,5 5,5 mm/phút, mưa rơi theo góc 450 so với mặt phẳng ngang sứ - Điện áp đánh thủng sứ phải lớn điện áp phóng điện khô Xác đinh nhúng sứ vào dầu cách điện, sứ treo điện áp đánh thủng xác định cho bát sứ một, điện áp khơ xác định cho tồn chuỗi sứ Điện mơi gốm • Sứ sứ dụng rộng rải kỹ thuật điện, thiết bị đường dây có điện áp cao dịng điện lơn Tuy nhiên sứ có nhược điểm là: góc tổn hao điện mơi lơn, tổn hao điện môi lại tăng nhanh nhiệt độ cao gây trở ngại cho việc dùng sứ làm chất cách điện tần số cao nhiệt độ cao • Gốm cao tần hoàn toàn khác hẳn với sứ thành phần cấu tạo Đi xét mốt số vật liệu tiêu biểu: a Sứ cao tần cải tiến tiếp sứ siêu cao tần - Là loại vật liệu mà gốc sứ cách điện có thêm chất phụ gia khác ơxít bari BaO+ Tgδ = 0,003, cịn siêu cao tần 0,001 - Sứ siêu cao tần có độ bền học lớn sứ thơng thường nhiều b Aluminoxít - Gồm có ơxít nhơm Al2O3 chủ yếu Cơng nghệ chế tạo phức tạp phải nung nhiệt độ cao (tới 17500C) Nhưng lại có: + Tính chịu nóng cao (tới 16000C) + Điện trở suất cao, tgδ nhỏ + Rất bền học + Hằng số điện môi ε = 10 + Nhiệt dẫn suất lớn sứ cách điện vào khoảng 10 - 20 lần c Steatít + Là gốm sản xuất sở khoáng hoạt thạch 3MgO.4SiO2.2H2O Như gốm thơng thường chủ yếu silicát nhơm, cịn gốm steatít silicát magiê + Dùng làm chất cách điện cao tần có tgδ nhỏ đặc tính tốt + Có độ co ngót nhỏ nung, nên thu kích thước xác + Nó khơng cần thiết phải tráng men có cấu trúc chặt chẽ mài bóng + Dùng vật liệu cách điện định vị thiết bị vô tuyến điện d Gốm dùng làm tụ điện - Là loại có hàng số điện mơi lớn, dùng làm điện môi tụ điện gọn, kích thước nhỏ - Thành phần cấu tạo rutin (titan oxit, bột titan tráng) TiO2 e Gốm xétnhét - Là nhóm vật liệu đặc biệt có số điện môi cao lại biến đổi nhiều nhiệt độ thay đổi - Có nhiều đặc tính quan trọng (tính phi tuyến - số điện môi biến đổi tuỳ theo điện áp đặt vào) - Chất có ý nghĩa lớn nhóm vật liệu titanat bari BaTiO2 Có thể làm thay đổi đặc tính cách thêm vật liệu khác - Dùng phương pháp đúc rót nóng nguyên liệu gốm dạng bột với chất dính kết tạm thời, chất dính kết bị thải ngồi thời gian nung -Tuỳ theo công dụng, người ta sản xuất loại vật liệu gốm sau: + A - Vật liệu gốm cao tần dùng cho tụ điện + B- Vật liệu gốm thấp tần dùng cho tụ điện + C- Vật liệu gốm cao tần dùng làm linh kiện định vị linh kiện khác dùng kỹ thuật radio - Tuỳ theo nhiệt độ chia theo bậc sau: + Bậc thứ nhất: từ -60 ÷ + 850C + Bậc thứ hai: từ -60 ÷ + 1250C + Bậc thứ ba: từ -60 ÷ + 1550C + Bậc thứ tư: từ -60 ÷ + 3000C .. .7. 2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ a Khơng khí - Nó làm cách điện chủ yếu đường dây tải điện không, cách điện thiết bị điện làm việc khơng khí phối hợp với chất cách điện rắn lỏng - Nhiệt... cụ điện chân khơng bóng đèn Khí trơ có độ bền điện thấp 7. 3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ LỎNG 7. 3.1 Dầu mỏ cách điện - Dầu biến áp có hai chức chính: + Làm nhiệm vụ cách điện tăng độ bền cách điện. .. công suất hệ thống điện - Khi sử dụng cách điện giấy tụ điện tẩm dầu điện trở cách điện độ bền điện tăng lên; giảm kích thước, trọng lượng giá thành tụ điện - Điều chế từ dầu mỏ - Đặc tính giống