Tài liệu vật liệu điện

Độ dẫn điện của điện môi lỏng có liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của chất lỏng. Nhiệt độ, nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể tới điện dẫn của điện môi lỏng. Dòng điện trong chất lỏng có thể xác định được bởi sự chuyển dịch của các ion hoặc hạt mang điện tương đối lớn ở dạng keo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN

Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI

1 Cấu tạo nguyên tử

Mọi vật chất đều cấu tạo từ các hạt cơ bản là Proton, nơtron và điện tử Hạt nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và nơtron mang điện tích dương và bao quanh hạt nhân là các điện tử mang điện tích âm cân bằng với điện tích dương của hạt nhân Thông qua các dạng liên kết cơ bản mà hình thành nên vật chất

Mô hình nguyên tử của Bohr

Trong nguyên tử điện tử chỉ có thể chuyển động trên những

quỹ đạo xác định, có bán kính nhất định, khi quay trên những quỹ

đạo đó năng lượng được bảo toàn

Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định, quỹ đạo ở gần hạt nhân

có mức Nlượng nhỏ và ngược lại

Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc giải phóng năng lượng

Theo cơ học lƣợng tử: chuyển động của các điện tử được mô tả bởi một hàm

sóng Đối với một nguyên tử biệt lập thì hàm số này có tính đối xứng cầu, do đó điện tích của điện tử phân bố tản và tạo thành một đám mây

-c Liên kết kim loại:

Dạng liên kết này tạo nên tinh thể rắn Kim loại được xem như 1 hệ thống cấu tạo từ các ion (+) nằm trong môi trường các điện tử tự do chung Lực hút giữa các ion (+) và điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại

Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện dẫn nhiệt cao Tính dẻo của kim loại được giải thích bằng sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng

Hình 0.1: Các lớp e trong nguyên tử Si

d Liên kết Vanđecvan:

Dạng liên kết này yếu, được tạo nên nhờ lực hút giữa các phân tử trung hòa, mạng tinh thể không vững chắc Thường có ở những chất có nhiệt độ nóng chảy thấp như: Parapin

3 Phân loại vật liệu

a Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng năng lƣợng trong vật rắn:

Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lượng xác định, khác nhau Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, mỗi lớp vỏ điện tử ứng với một trạng thái năng lượng xác định (1 số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy) còn ở các mức năng lượng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài Khi mất kích thích nguyên tử trở về trạng thái ban đầu và phát ra năng lượng thừa

Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể của vật rắn, do

sự tương hỗ giữa chúng lamg phân chia các

mức năng lượng, dẫn đến sự xuất hiện nhiều

mức năng lượng mới nắm gần nhau trong

phạm vi một lớp Các mức năng lượng đó tạo

nên các dải năng lượng khác nhau Trong đó

người ta quan tâm đến hai dải chính đó là “dải

hóa trị” (vùng điền đầy các điện tử) và “dải

dẫn” (các điện tử được tự do ở vùng này),

giữa hai dải này được ngăn cách bởi “dải cấm”

Người ta dựa vào chiều rộng của dải cấm, để phân chia vật liệu

Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn

điện bằng điện tử không xảy ra Chiều rộng vùng cấm của điện môi trong khoảng từ 1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10-19

J)

Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm khá nhỏ có thể khắc phục nhờ nguồn

năng lượng bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV

Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng

lượng tự do nằm kề nhau hoặc chồng lên nhau một phần Vì vậy chỉ cần một tác động rất nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái

b Phân loại theo từ tính: 3 loại

Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm  < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài Ví dụ: Cu, Ag, Au, H2, khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, …

Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm  > 1 ( 1) và không phụ thuộc vào cường

độ từ trường ngoài VD, muối sắt, các muối Côban và Niken,kim loại kiềm

Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm  >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường ngoài Ví dụ: Fe, Ni, Coban và các hợp kim của chúng

Hình 0.2: Mô hình dải năng lượng của nguyên tử (a), và của vật rắn (b)

PHẦN 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG

Khi đặt vật liệu cách điện vào trong điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện trường (mạnh hay yếu, 1 chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số của điện trường ), thời gian tác động của điện trường cũng như các yếu tố môi trường: độ

ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà trong điện môi xảy ra những hiện tượng với bản chất vật lý rất khác nhau Trong đó có hai hiện tượng cơ bản là hiện tượng dẫn điện và hiện tượng phân cực điện môi

Hiện tượng phân cực: Là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực

Trong quá trình phân cực tạo nên dòng phân cực, và thường được đánh giá bằng hằng số điện môi  và góc tổn thất điện môi  (nếu quá trình phân cực kèm theo phân tán năng lượng sẽ làm cho điện môi nóng lên)

Do trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng có điện tích tự do nên dưới tác động của điện áp trong nó sẽ xuất hiện dòng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày điện môi và theo bề mặt của nó Dòng điện rò, kết hợp với dòng phân cực tạo nên tính dẫn điện của điện môi

Do trong điện môi xuất hiện dòng dẫn nên gây nên tổn thất điện môi, làm cho điện môi nóng lên Tổn thất điện môi được đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện môi, tg

Mỗi điện môi ứng với chiều dày nhất định chỉ chịu được một giá trị điện áp nhất định Khi điện áp vượt quá giá trị tới hạn đó điện môi sẽ bị đánh thủng, vật liệu mất hoàn toàn các thuộc tính cách điện Được đánh giá thông qua độ bền điện Eđt Trong quá trình vận hành ngoài tác động của điện trường, điện môi còn chịu tác động của các yếu tố môi trường và các tác động cơ, nhiệt khác… Sau một thời gian các tính chất cơ, lí, hoá và điện của điện môi bị thay đổi (thường là kém đi) -

đó là sự hoá già điện môi

Chương I

SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI

1.1 SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI

1 Sự phân cực điện môi

Xét 1 điện môi đặt giữa 2 bản cực nối vào 1 mạch

điện

Dưới tác dụng của điện trường ngoài, các điệntích của

điện môi dịch chuyển về các điện cực cùng chiều hoặc ngược chiều điện trường tuỳ theo dấu của chúng

Hình 1.1 Hiện tượng phân cực điện môi

Các phân tử lưỡng cực (nếu có) sẽ định hướng theo hướng điện trường

Khi điện trường càng tăng mật độ di chuyển càng lớn, sự phân cực càng mạnh Khi điện trường giảm sự phân cực giảm dần cho đến khi điện trường ngoài = 0 thì các điện tích trở về trạng thái ban đầu

Kết quả của quá trình phân cực: tại bề mặt tiếp giáp của điện môi với các điện cực xuất hiện các lớp điện tích trái dấu Trong điện môi xuất hiện điện trường phụ

E’ ngược chiều với điện trường ngoài

Khi điện môi được đặt giữa 2 điện cực và nối vào mạch điện thì có thể xem như 1 tụ điện và điện tích Q của tụ được xác định:

Q = C.U với C: Điện dung của tụ

U: Điện áp đặt vào tụ Điện lượng Q ở giá trị điện áp xác định có 2 thành phần: Q = Q0 + Q’ (1.1)

Q0: Điện tích của tụ có cùng kích thước, nhưng giữa 2 điện cực là chân không Q’: Điện tích tạo bởi sự phân cực điện môi

2 Hằng số điện môi

Để đánh giá mức độ phân cực của điện môi, người ta đưa ra khái niệm hằng

số điện môi tương đối, ký hiệu là , gọi tắt là “Hằng số điện môi” Nó được dùng để đặc trưng cho chất lượng điện môi và không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị

0 0

0

'Q1Q

QQQ



Hằng số điện môi là tỷ số giữa điện tích của tụ chứa điện môi ấy khi có điện

áp xác định với điện tích của tụ cùng kích thước cùng điện áp nhưng giữa các cực là chân không

1.2 CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MÔI

1 Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có 2 dạng phân cực

2 Các cơ chế phân cực

Một số cơ chế phân cực có thể thấy ở nhiều điện môi khác nhau, trong một

loại điện môi có thể thấy tồn tại đồng thời nhiều cơ chế phân cực khác nhau

a Phân cực điện tử nhanh

Là sự chuyển dịch đàn hồi và sự biến dạng các lớp vỏ điện tử của nguyên tử hoặc ion Thời gian xảy ra rất nhanh (t  10-15s) do đó sự phân cực điện tử được coi

là tức thời Sự phân cực điện tử có ở tất cả các loại điện môi và không gây tổn thất năng lượng

Hệ số phân cực điện tử phụ thuộc vào bán kính phân tử R0:  = 4..0R03 (1.5)

b Phân cực ion nhanh

Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn hồi của các ion liên kết Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng Thời gian xác lập phân cực này: t  10-13s

Hệ số phân cực:  = 4..0(a/2)3 (1.6) Với a là khoảng các giữa các ion (+) và (-) khi E0

c Phân cực Lƣỡng cực chậm

Xảy ra ở các điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực Các phân tử lưỡng cực ở trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn được định hướng 1 phần dưới tác dụng của điện trường gây nên sự phân cực Quá trình định hướng của các phân tử phải thắng được lực của chuyển động nhiệt và vì vậy có kèm theo tổn hao năng lượng

Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực và nhiệt độ:



 (1.7) Với: m0 - mômen lưỡng cực trung bình; K =1,38 10-23J/0K – hằng số Bônzơmal; T- nhiệt độ tuyệt đối

d Phân cực ion chậm

Xảy ra trong các điện môi có cấu tạo ion mà mối liên kết ràng buộc giữa các ion không chặt chẽ Các ion liên kết yếu của chất trong khi chuyển động nhiệt hỗn loạn còn nhận thêm các chuyển dịch thừa theo hướng điện trường

Thường quan sát thấy ở thuỷ tinh vô cơ và 1 số chất vô cơ mà tinh thể ion ràng buộc không chặt

Sau khi loại bỏ điện trường sự định hướng của các ion yếu dần theo quy luật hàm số mũ

Sự phân cực ion chậm tăng cùng với sự tăng của nhiệt độ

e Phân cực điện tử chậm

Đặc trưng cho các điện môi có hệ số khúc xạ cao, trường bên trong lớn và có tính dẫn điện - điện tử Nói cách khác: là các điện môi có các điện tử khuyết tật thừa hoặc các lỗ hổng được kích thích bằng nhiệt năng

Hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ và có 1 vài điểm cực đại thậm chí cả khi nhiệt độ âm

f Phân cực cấu kết cấu

Xảy ra trong vật rắn có cấu tạo không đồng nhất và khi có tạp chất Sự phân cực này biểu hiện ở tần số thấp kèm theo tổn hao năng lượng đáng kể Nguyên nhân của sự phân cực này là do các chất dẫn điện và bán dẫn lẫn trong điện môi kỹ thuật,

sự tồn tại của các lớp có độ dẫn điện khác nhau

g Phân cực tự phát

Dạng phân cực này tồn tại ở dạng điện môi đặc biệt Xec-nhit kèm theo khuếch tán năng lượng đáng kể (có toả nhiệt)

 của phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện trường và đặc trưng bởi điểm cực đại ở 1 nhiệt độ xác định

*) Sơ đồ đẳng trị (Sơ đồ thay thế) của điện môi mà trong đó xảy ra đầy đủ các cơ chế phân cực được chỉ ra trên hình vẽ

Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị của điện môi

Trong đó: U là điện áp nguồn

Nhánh 1: Điện dung C0 và điện tích Q0 của tụ khi điện môi là chân không Nhánh 2÷ 8: Điện dung và điện tích của các cơ chế phân cực: Phân cực điện

tử, phân cực ion, phân cực lưỡng cực chậm, phân cực ion chậm, điện tử chậm, phân cực tự phát và phân cực cấu (kết cấu)

Nhánh 9: RCĐ là điện trở cách điện hay còn gọi là điện trở thật của điện môi Nhánh này đặc trưng cho dòng điện rò qua điện môi

1.3 HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN

1 Hằng số điện môi của điện môi khí

Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ do đó sự phân cực của chất khí không đáng kể và hằng số điện môi của chất khí  = 2  1

Bảng 1.1: Hằng số điện môi của 1 số điện môi khí

Tên khí Hêli Hyđro Ô xi Agon Nitơ Cacbonic

2

P N

* Với điện môi khí trung tính:

Chỉ tồn tại cơ chế phân cực điện tử nhanh, nên  = e=4..0R03

Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử càng lớn, hằng số điện môi càng lớn Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P), tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2

Để đánh giá ảnh hưởng của  vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt của hằng

số điện môi:

dt

d1

T dT

d TK

0 2

2 0 0

.

.

1 ) (

m P T

2 Hằng số điện môi của điện môi lỏng

Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng được phân thành hai nhóm: Điện môi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) và điện môi lỏng cực tính (Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …)

* Hằng số điện môi của điện môi lỏng trung tính

Điện môi của chất lỏng trung tính được đặc

trưng bởi phân cực điện tử nhanh

do vậy  22÷ 2,5 và chỉ phụ thuộc vào

nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất và tần số

Hình 1.3 Quan hệ giữa  của chất lỏng trung hoà với nhiệt độ và tần số

Về trị số tuyệt đối TK của chất lỏng trung tính gần bằng hệ số giãn nở thể tích của chất lỏng  (nhưng ngược dấu)

v

TKdT

dTK

(độ-1) (1.14)

với TKv =

dT

dVV

1

là hệ số nhiệt của thể tích

* Hằng số điện môi của chất lỏng cực tính

Chất lỏng cực tính tồn tại đồng thời phân cực điện tử và phân cực lưỡng cực chậm (chủ yếu)

Có nhiều thuyết đưa ra để tính  của điện môi cực tính, nói chung việc tính 

của chất lỏng cực tính rất phức tạp Mỗi công thức trên đều kèm giả thiết nên đều có tính chất gần đúng Thường dùng phương trình Clauđiút-Môxốtchi:

e

33

ở đó  tăng nhanh ứng với khi đó chất lỏng có độ nhớt

giảm đột ngột  phân tử lưỡng cực có khả năng tự định

hướng tạo nên sự phân cực phụ của điện môi

Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì  giảm do chuyển

động nhiệt của phân tử tăng lên, cản trở sự định hướng

theo chiều điện trường

Bảng 1.2: Hằng số điện môi của 1 số điện môi lỏng

Tªn chÊt

láng Điện môi lỏng trung tính Điện môi lỏng cực tính yếu

Dầu biến áp Ben zen Tuluen Thầu dầu Xôvôn Xôvtôn

 (200c ,

50hz)

2,2 2,218 2,294 4,5 5,0 3,2

3 Hằng số điện môi của điện môi rắn

Đặc điểm của điện môi rắn là rất đa dạng về cấu trúc và thành phần, do vậy hằng số điện môi có giá trị lớn và nằm trong một dải rộng

a Hằng số điện môi của điện môi rắn trung hoà

Điện môi này cấu tạo từ các phân tử trung hoà và chỉ có phân cực điện tử:

=2, là loại có  bé nhất Quan hệ của  theo nhiệt độ được xác định bởi sự biến đổi

số phân tử trong 1 đơn vị thể tích

Hệ số nhiệt của hằng số điện môi vẫn có thể tính theo công thức (1.14)

b Hằng số điện môi của điện môi rắn có kết cấu tinh thể ion

Điện môi rắn là các tinh thể ion mà các hạt được ràng buộc chặt chẽ có phân cực điện tử và ion nhanh Có hằng số điện môi nằm trong 1 phạm vi rộng

Khi nhiệt độ tăng không phải chỉ có mật độ của vật chất bị giảm mà còn xảy

ra hiện tượng tăng khả năng phân cực của các ion nên hệ số nhiệt độ của  có thể có giá trị dương

Điện môi rắn là các tinh thể ion có kết cấu ion

không chặt chẽ ngoài phân cực điện tử và ion nhanh còn

có phân cực ion chậm Trong nhiều trường hợp đặc trưng

bằng  không cao và hệ số nhiệt độ dương có trị số lớn

Hình 1.5: Quan hệ =f(t 0 ) của sứ cách điện

Hình 1.4: =f(t 0 ), f 1 <f 2 <f 3

c Hằng số điện môi của điện môi rắn hữu cơ cực tính

Điện môi này có phân cực lưỡng cực chậm ở trạng thái rắn (Xenlulo, và các sản phẩm của nó như: Giấy, bông vải, sợi, bìa cattong Ngoài ra còn các chất nhựa hữu cơ được trùng hợp như: phenol focmađêhyt, golovac ) và cả nước đá Hằng số điện môi của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện áp đặt vào giống ở các chất lỏng lưỡng cực

d Hằng số điện môi của điện môi rắn có cấu tạo không đồng nhất

Điện môi loại này là hỗn hợp của các thành phần có hằng số điện môi khác nhau  của điện môi phức tạp này có thể tính gần đúng theo công thức tổng quát: x

= 11x + 22x (1.16a) Trong đó: , 1, 2 là hằng số điện môi của hỗn hợp và của từng thành phần; 1, 2 là nồng độ theo thể tích của các thành phần: 1 + 2 = 1

x là hằng số đặc trưng cho sự phân bố các thành phần, có giá trị từ 1  -1 Khi mắc song song các thành phần (các điện môi đặt song song với phương của điện trường nghĩa là mắc nối tiếp 2 tụ): x = +1  = 11 + 22 (1.16b) Khi mắc nối tiếp các thành phần (các điện môi đặt vuông góc với phương của điện trường nghĩa là mắc song song 2 tụ): x = -1 

2 2 1 1

Hệ số nhiệt của  của tổ hợp cách điện: TK = TK11 + TK22 (1.17)

e Hằng số điện môi của điện môi Xenhit:

 rất lớn và phụ thuộc rõ rệt vào cường độ điện trường và nhiệt độ

Đặc điểm nổi bật của điện môi Xenhit là hiện tượng điện trễ (cảm ứng điện biến đổi chậm sau cường độ điện trường)

Nhiệt độ mà ở đó  đạt trị số cực đại gọi là điểm Quyri Với nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Quyri thuộc tính Xenhit của vật liệu không còn nữa  không phụ thuộc cường độ điện trường nữa

Bảng 1.3: Hằng số điện môi của 1 số điện môi rắn

2 O

3 )

Rutin (TiO

2 )

Muối Xéc -nhét

Barimetatitanat Barimetatitanat

có thêm chất phụ gia

TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI

2.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

Trước khi ổn định và đạt được trạng thái cân bằng

quá trình phân cực và chuyển dịch các điện tích ràng buộc

trong vật sẽ tạo nên dòng phân cực hoặc chuyển dịch trong

điện môi

Mặt khác: trong các điện môi kỹ thuật luôn tồn tại điện tích

tự do làm xuất hiện các dòng điện ròcó trị số nhỏ

*) Tóm lại: Khi đặt điện môi trong điện trường E,

điện áp là U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi, ta thấy

dòng biến thiên theo thời gian và: i = irò+ipc (2.1)

Quan hệ của dòng điện qua điện môi theo thời gian, hình

2.2

Từ đồ thị ta thấy: Khi đặt điện áp 1 chiều sau khi quá trình phân cực hoàn

thành chỉ còn dòng điện rò chạy qua điện môi Ở điện áp xoay chiều nó tồn tại trong

suốt thời gian có điện áp

Cần chú ý, người ta thường dựa vào trị số dòng điện dò để đánh giá chất lượng của vật liệu cách điện

Điện trở thật của điện môi Rcđ tính như sau: RCĐ =



 ipci

U

(2.2)

i: Dòng điện đo được; U: Điện áp đặt vào

iPC: Tổng các dòng điện do các cơ chế phân cực chậm gây nên

Việc xác định các dòng phân cực gặp khó khăn nên điện trở của điện môi thường được tính: '

I

U

R CĐ (2.3) Với I’ là dòng đo được sau 1 phút kể từ lúc đóng điện áp một chiều

Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất khí, lỏng, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường xung quanh

Hình 2.1

Hình 2.2

Để so sánh, đánh giá các vật liệu khác nhau ta có thể dùng điện trở suất khối

v và điện trở suất mặt s

Về trị số điện trở suất khối v bằng điện trở của khối lập phương có cạnh bằng 1 cm khi dòng điện chạy qua 2 mặt đối diện của khối đó (cm) Với mẫu vật liệu phẳng và điện trường đồng nhất ta có: v RvS

h

  (cm) (2.4) (với: Rv là điện trở khối của khối mẫu (), S là diện tích điện cực (cm2), h là chiều dày khối mẫu (cm)) Điện dẫn suất khối vv 1 (-1

cm-1)

Về trị số điện trở suất mặt s bằng điện trở của 1 hình vuông trên bề mặt của vật liệu khi dòng điện chạy qua 2 cạnh đối diện của hình vuông đó () Có thể tính điện trở suất mặt s theo công thức:

)

2.2 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ

Trong các chất khí luôn tồn tại các điện tử tự do, các ion dương va ion âm Những điện tích này được tạo nên nhờ quá trình ion hóa và kết hợp tự nhiên

Quá trình ion hóa là quá trình tách các điện tử ra khỏi phân tử hoặc ion khi phân tử hoặc ion nhận được năng lượng tác động từ bên ngoài (bức xạ mặt trời, các tia phóng xạ, điện trường ) Quá trình ion hóa tự nhiên là quá trình ion hóa xảy ra dưới tác động của các yếu tố tự nhiên

Ngược lại, quá trình tái hợp là quá trình kết hợp các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa, khi đó năng lượng được giải phóng dưới dạng các photon

Số lượng điện tích xuất hiện trong quá trình ion hóa tự nhiên là rất nhỏ, do vậy điện dẫn của điện môi khí là rất bé, hầu hết các chất khí ở một điều kiện nào đó

là những điện môi tốt Nếu vì l do nào đó quá trình ion

hóa phát triển mạnh thì lượng điện tích trong điện môi khí

tăng nhanh và điện dẫn cũng tăng lên đáng kể

Đặc tính Von-Ampe (V-A) của điện môi khí được

thể hiện như hình vẽ 2.3

Ở đoạn đầu đường cong quan hệ dòng và áp là tuyến

tính

Khi điện áp đạt giá trị U1 các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo về các điện cực

và bị trung hoà trên các điện cực (dòng bão hoà)

Khi điện áp đạt giá trị U2 (giới hạn thứ hai) điện dẫn tự duy trì xuất hiện làm cho dòng trong chất khí lại tăng

Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm khi cường độ điện trường đặt lên điện môi có trị số lớn sẽ gây nên phóng điện tạo

Hình 2.3

thành dòng Plasma nối liền giữa 2 điện cực, chất khí trở nên dẫn điện, dòng tăng lên theo hàm số mũ

2.3 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI LỎNG

Độ dẫn điện của điện môi lỏng có liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của chất lỏng Nhiệt độ, nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể tới điện dẫn của điện môi lỏng Dòng điện trong chất lỏng có thể xác định được bởi sự chuyển dịch của các ion hoặc hạt mang điện tương đối lớn ở dạng keo

2.3.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng

Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do quá trình ion hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất

Trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng tồn tại một số lượng

tạp chất nhất định Thông thường các phân tử tạp chất rễ bị phân

ly hơn các phân tử của chính điện môi đó Do vậy điện dẫn của

điện môi lỏng bao gồm điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn

của tạp chất

Trên hình vẽ biểu diễn mối quan hệ giữa dòng và áp của

điện môi lỏng

Đường (1): Đặc tuyến V-A của điện môi lỏng có chứa

nhiều tạp chất Trên đồ thị ta không thấy dòng điện bão hòa,

dòng điện tăng tuyến tính với

Hình 2.4: Đặc tính V-A của điện môi lỏng

điện áp đến giá trị Uth, sau đó xuất hiện quá trình ion hóa va chạm, điện tích tăng theo hàm mũ, I tăng nhanh và dẫn tới phóng điện trong điện môi lỏng

Đường (2): Các chất lỏng tinh khiết (Được điều chế trong phòng thí nghiệm), trên đường đặc tuyến V-A vẫn xuất hiện một đoạn nhỏ giống như đoạn bão hòa của điện môi khí

Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng, lực liên kết giữa các phân tử giảm, độ nhớt cũng giảm theo, mức độ phân ly của các phân tử do nhiệt sẽ tăng lên và làm tăng điện dẫn của điện môi lỏng

Bảng 2.1: Giá trị điện trở suất khối (v ) và hằng số điện môi () của một số điện môi lỏng

Chất lỏng Cấu tạo Điện trở suất khốiv

Thầu dầu Cực tính yếu

10 10 - 10 12

10 10 - 10 12

4,5 4,6

Dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích này sẽ chuyển động (Khối điện tích + sẽ chuyển động về phía bản cực – và ngược lại), chúng tạo nên dòng điện dẫn điện di Thực chất dòng điện này là sự chuyển động của khối mang điện tích dưới tác dụng của điện trường Đối với điện áp một chiều, sẽ xảy ra hiệu ứng lam sạch điện môi, với điện áp xoay chiều thì không có

Ngoài những yếu tố trên thì điện dẫn của điện môi lỏng còn phụ thuộc vào tính chất cực tính của điện môi Điện dẫn của điện môi sẽ tăng lên nếu () lớn

2.4 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI RẮN 2.4.1 Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc mạng lưới nguyên tử phân tử

Trong các điện môi có mạng lưới nguyên tử hoặc phân tử tính dẫn điện chỉ tồn tại khi có tạp chất

Trong các chất kết tinh có mạng phân tử (lưu huỳnh, parafin ) điện dẫn xuất nhỏ và được xác định chỉ bởi tạp chất

Điện dẫn của các chất không định hình liên quan trước hết đến thành phần của chúng Các chất hữu cơ cao phân tử có điện dẫn suất phụ thuộc mạnh vào các yếu tố: thành phần hoá học, các tạp chất, mức độ trùng hợp, mức độ lưu hoá Các thuỷ tinh vô cơ hợp thành 1 nhóm lớn các chất không kết tinh Độ dẫn điện của nó liên quan chặt chẽ tới thành phần hoá học, cho phép nhận được điện dẫn xuất theo yêu cầu định trước

Nếu đưa vào thành phần của thuỷ tinh những axít kim loại kiềm sẽ làm điện dẫn suất tăng mạnh, độ tăng phụ thuộc vào bán kính của các ion: bán kính nhỏ thì điện dẫn suất tăng nhiều hơn Nếu đưa vào các a xít kim loại nặng (bari, chì ) sẽ

làm giảm đáng kể điện dẫn suất của thuỷ tinh

Điện dẫn suất của các điện môi rắn xốp khi bị hút ẩm với 1 lượng không đáng kể cũng tăng lên rất mạnh

Điện dẫn của nhóm điện môi này phụ thuộc nhiều vào độ ẩm không khí

Bảng 2.2: Ảnh hưởng của độ ẩm không khí (%), và nhiệt độ tới v của điện môi rắn xốp

2.4.2 Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion

Trong điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion độ dẫn điện được xác định chủ yếu

do sự chuyển dịch các ion đã được giải phóng bởi ảnh hưởng dao động của chuyển động nhiệt

Ở nhiệt độ thấp các ion chuyển dịch là các ion liên kết yếu (ion của tạp chất)

Ở nhiệt độ cao cả 1 số ion của mạng tinh thể cũng được giải phóng

Trên đây ta nghiên cứu độ dẫn điện của vật rắn khi cường độ điện trường tương đối thấp Khi cường độ điện trường có trị số lớn cần phải tính đến khả năng xuất hiện dòng điện từ trong điện môi tinh thể Dòng này sẽ tăng nhanh khi cường

độ điện trường tăng

2.4.3 Điện dẫn bề mặt của điện môi rắn

Khi điện môi rắn đăt trong môi trường khí hoặc lỏng, trên bề mặt điện môi rắn tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn hay lớp nước gây nên Các điện tích này sẽ tạo nên dòng điện dẫn bề mặt

Điện dẫn này phụ thuộc chủ yếu vào bề dày của lớp ẩm, lượng tạp chất, tình trạng bề mặt và bản chất của điện môi

Trị số độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh là yếu tố quyết định đối với điện dẫn suất mặt của điện môi Khi độ ẩm tương đối > 60  80% thì điện dẫn suất mặt tăng rõ rệt

Điện dẫn suất mặt càng thấp khi cực tính của vật liệu càng yếu, bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn

Theo điện dẫn mặt có thể phân tích vật liệu thành 3 nhóm:

+ Điện môi không hoà tan trong nước: Các điện môi trung hoà và cực tính yếu không bị nước thấm ướt (parafin, polystirol ) Các điện môi có cực tính bị nước thấm ướt (1 số loại gốm) Loại này có điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc độ ẩm của môi trường xung quanh (điện môi cực tính chỉ có thể có điện trở suất bề mặt cao trong môi trường ẩm nếu bề mặt không bẩn)

+ Điện môi hoà tan 1 phần trong nước (thuỷ tinh kỹ thuật): có điện trở suất mặt thấp hơn và phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm

+ Điện môi có cấu tạo xốp (sợi, chất dẻo, đá hoa ): Trong môi trường ẩm loại này có điện dẫn suất mặt lớn

*) Nhận xét: Muốn nâng cao điện trở suất mặt người ta dùng phương pháp

làm sạch bề mặt: Rửa bằng nước, bằng các chất hoà tan, xấy khô trong chân không (ở 600  7000C) sau đó ngâm trong sơn tẩm hoặc dầu, sử dụng sơn quét hoặc tráng men, thường xuyên vệ sinh thiết bị nếu có thể, cũng có thể đun lâu trong nước cất với những vật liệu không thấm nước

Chương 3 TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

3.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

*) Khái niệm: Tổn thất điện môi là phần năng lượng tản

ra trong điện môi trên 1 đơn vị thời gian làm cho điện môi

nóng lên khi có điện trường tác động

Đối với điện áp 1 chiều tổn thất điện môi chủ yếu do

dòng điện rò: P = R.I2 (3.1)

Đối với điện áp xuay chiều tổn thất do cả dòng điện rò và dòng phân cực gây nên PU I.cos (3.2a)

Từ hình vẽ 3.1 ta thấy P tt U.I cosU.I R U.I C.tgU2 C..tg (3.2b) Với





.

1

C R I

I tg

và mất tính chất cách điện, người ta gọi đó là hiện tượng phóng điện vì nhiệt

Tổn thất điện môi liên quan chặt chẽ với hằng số điện môi, thông thường nếu hằng số điện môi lớn thì tổn thất điện môi cũng lớn

Công thức (2.2b) có thể viết PU2 .C0..tg (3.2c)

Ngoài ra tổn thất điện môi còn có thể được xác định thông qua “suất tổn hao”,

đó là giá trị công suất tản trong 1 đơn vị thể tích hoặc suất tổn hao

3.2 CÁC DẠNG TỔN THẤT ĐIỆN MÔI 3.2.1 Tổn thất điện môi do điện dẫn rò

trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng chứa các điện tích và điện tử tự do Dưới tác dụng của điện trường chúng tạo nên dòng rò Trong điện môi rắn có dòng điện

rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉ có dòng điện khối Nếu dòng rò lớn thì tổn hao có giá trị đáng kể







10.8,

1 12

f

tg  (3.4)

Hình 3.1

Tổn thất dạng này tỷ lệ nghịch với tần số của điện trường, hằng số điện môi và tăng theo nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ: t

0



 (3.5) Với 0 là điện dẫn suất ở 250C và P= 1 at,  - hệ số mũ, t - Nhiệt độ (0C)

3.2.2 Tổn thất điện môi do phân cực

Thấy rõ ở các chất có phân cực chậm, trong các điện môi có cấu tạo lưỡng cực

và các điện môi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ

Tổn thất điện môi do phân cực chậm được gây bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các hạt dưới ảnh hưởng của cường độ điện trường Sự phá huỷ này làm năng lượng tiêu tán và điện môi bị nóng lên Tổn thất phân cực chậm tăng theo tần

số của điện áp đặt (Rõ nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao)

Quan hệ của tg=f(t0) của các điện môi cực tính có giá trị cực đại ở nhiệt độ nào đó, đặc trưng cho mỗi loại

3 Tổn thất do ion hoá

Dạng tổn thất thấy rõ trong điện môi khí hoặc trong các điện môi lỏng và rắn nhưng có tồn tại các bọt khí Trong quá trình ion hóa, các phân tử khí tiếp thu năng lượng điện trường và gây tổn thất điện môi Khi bị ion hoá trong chất khí có thêm điện tích và điện tử tự do làm cho điện dẫn khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn

Tổn hao có thể tính theo công thức: Pi = A.f (U - U0)3 (3.6)

Với UU0, A - Hằng số, f - Tần số điện trường

U, U0: Điện áp đặt vào và điện áp ứng với điểm bắt đầu ion hoá

4 Tổn thất điện môi do tính không đồng nhất của điện môi

Loại tổn hao này có rất nhiều trong thực tiễn, gây bởi các tạp chất ngẫu nhiên hoặc các thành phần riêng biệt được chủ định đưa vào điện môi để làm biến đổi theo yêu cầu định trước các thuộc tính của nó Do đặc điểm cấu tạo nên không có công thức chung để tính tổn thất

VD: Giấy tẩm, chất dẻo có lớp độn, chất cách điện xốp có chứa không khí và tạp chất ẩm

Đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng 2 lớp nối tiếp nhau Sơ đồ thay thế có thể gồm 2 tụ điện mắc nối tiếp nhau Trị số tg của

điện môi nhiều lớp khi đó có thể tính:

2 1

2 1 1 2

CC

tgCtg

Ctg

3.3 SƠ ĐỒ THAY THẾ VÀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

3.3.1 Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ

Bất kỳ một khối điện môi nào đều có thể thay thế bằng một tụ điện mắc nối tiếp hoặc song song với một điện trở (hình 3.2), sao cho khi thay thế phải không làm thay đổi bản chất vật lý của các quá trình diễn ra trong điện môi Nghĩa là công suất tổn thất phải bằng công suất thực và góc tổn thất  không đổi

3.3.2 Cách xác định tổn thất điện môi

*) Sơ đồ nối tiếp

1 ) (

.

.

1

cos

.

2 2

C R tt

C R

tg C U tg C I tg U I U I I

s s C

R

C R I



tg R

R s  n  (3.10) Công thức (3.10) cho ta mối quan hệ thông số mạch song song và nối tiếp

3.4 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tổn thất điện môi, trong đó có bốn yếu tố quan trọng nhất, đó là: Nhiệt độ, tần số điện trường, độ ẩm không khí, và giá trị điện áp

1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tổn thất điện môi

Nhiệt độ được xem là yếu tố quan trọng nhất, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho các tính chất của điện môi thay đổi

Đối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện rò gây nên, hệ số tổn thất có thể tính theo công thức sau:

t t

e A e

0

0 0

.

.

4

  (F/m) hằng số điện môi tuyệt

đối của chân không,  Hằng số điện môi đo ở tần số

cao vô cùng,  tần số góc,  và 0 - điện dẫn suất tại

nhiệt độ t và tại t0 =250C, P=1 at,  - hệ số mũ

Từ (3.11) ta nhận thấy, khi  là hằng số, tg =f(t0) có dạng đường số (1) hình 3.3

I

Hình 3.3: tg = f(t 0 ) Hình 3.2 Sơ đồ thay thế

và đồ thị véc tơ

Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng phân cực gây nên, tg có thể tính theo

công thức (3.12)

2

2

).

Với bđ – Hằng số điện môi đo ở tần số thấp (một

chiều),  - Thời gian tích thoát năng lượng, nó tăng

tuyến tính với thời gian và ngược lại Do vậy tg =f(t0), khi  là hằng số có dạng đường số (2) hình 3.3

Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn cao, tổn thất điện môi do cả dòng rò và dòng phân cực gây nên tg=f(t0) khi  là hằng số có dạng đường số (3)=(1)+(2), hình 3.3

2 Ảnh hưởng của tần số điện trường tới tổn thất điện môi

Đối với điện môi trung tính hoặc cực yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện rò gây nên, tg có thể xác định theo (3.11), khi t0 là hằng số thì  cũng là hằng

số, do vậy tg =f() có dạng đường số (1) hình 3.4

Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ tổn thất điện môi chủ yếu do dòng phân cực gây nên, ở miền tần số thấp các phân tử lưỡng cực được định hướng hoàn toàn, nhưng ở miền tần số cao các phân tử lưỡng cực không kịp định hướng theo hướng điện trường do vậy tổn thất điện môi giảm từ (3.12) ta thấy khi

t0 là hằng số, tg =f() có dạng đường số (2) hình 3.4

Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn lớn, ở vùng tần số thấp tổn thất điện môi chủ yếu do dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu do dòng phân cực, khi tần số quá cao các phân tử không kịp định hướng nên tg giảm

tg=f() khi t0 là hằng số có dạng đường số (3)=(1)+(2), hình 3.4

3 Ảnh hưởng của độ ẩm không khí

Khi điện môi đặt trong môi trường có độ ẩm %,

sau một thời gian điện môi sẽ bị ngấm ẩm, hoặc hấp phụ

một lớp hơi nước trên bề mặt, điều đó làm tăng điện dẫn

khối và điện dẫn mặt của vật liệu và làm tổn thất điện

môi tăng khi % tăng Mối quan hệ tg=(%) có dạng

hình 3.5

4 Ảnh hưởng của điện áp tới tổn thất điện môi

Ở vùng điện áp thấp tổn thất điện môi gần như ít

phụ thuộc vào điện áp, nhưng khi điện áp tăng cao quá

trình ion hóa trong các chất khí nói chung và trong các

điện môi lỏng và rắn có chứa các bọt khí, sẽ phát triển

mạnh làm tổn thất điện môi tăng nhanh Khi điện áp quá

cao thì điện dẫn của chất khí tăng cao làm cho sụt áp

Hình 3.4: tg=f()

Hình 3.5: tg=f(%)

Hình 3.6: tg=f(U)

trên nó giảm đi, do vậy tổn thất điện môi lại giảm Mối quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6

3.5 TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG CHẤT KHÍ

Các chất khí ở điều kiện bình thường và trong điện trường thấp có tổn hao rất

bé, vì vậy có thể xem chất khí là điện môi l y tưởng Nguyên nhân gây nên tổn thất điện môi khí chủ yếu là do dòng điện dò, còn sự định hướng của các phân tử lưỡng cực ít kèm theo năng lượng Do vậy tg có thể xác định theo công thức (3.4)

Ở điện áp cao và điện trường không đồng nhất,khi cường độ điện trường vượt quá trị số tới hạn các phân tử khí sẽ bị ion hóa và có thể tính theo công thức (3.6), Mối quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6

Ở tần số cao hiện tượng ion hoá và tổn thất năng lượng trong chất khí tăng đến mức làm cho các vật có khí cách điện bị cháy và phá huỷ nếu điện áp vượt trị số ion hoá

3.6 TỔN THẤT TRONG ĐIỆN MÔI LỎNG

Trong các chất lỏng trung tính: tổn thất điện môi chỉ do dòng điện rò gây nên nếu như chất lỏng không chứa tạp chất có các phân tử lưỡng cực Điện dẫn suất của điện môi lỏng trung tính tinh khiết vô cùng bé nên tổn thất điện môi cũng bé, tg có thể tính theo công thức (3.4)

Các điện môi có cực tính tuỳ theo điều kiện (nhiệt độ, tần số) ngoài tổn thất do điện dẫn còn có tổn thất do sự phân cực lưỡng cực chậm gây nên Các điện môi dùng trong kỹ thuật là hỗn hợp của 2 loại trên

Ở điện môi lỏng lưỡng cực tổn thất điện môi phụ thuộc vào độ nhớt Tổn hao trong các chất lỏng nhớt khi điện áp xoay chiều đặc biệt là khi tần số cao lớn hơn tổn thất do điện dẫn gây nên rất nhiều Đó là tổn thất phân cực lưỡng cực chậm Tổn thất phân cực lưỡng cực chậm trong chất lỏng có độ nhớt bé và tần số thấp không đáng kể và có thể nhỏ hơn tổn thất do điện dẫn rò ở tần số cao tổn thất phân cực lưỡng cực chậm sẽ rất lớn so với tổn thất do điện dẫn ngay cả khi độ nhớt

bé Vì vậy chất lỏng lưỡng cực không sử dụng trong trường hợp có tần số cao

3.7 TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN MÔI RẮN

3.7.1 Tổn thất điện môi trong điện môi có cấu tạo phân tử

Phụ thuộc vào loại phân tử:Trong các chất trung tính khi không có tạp chất thì tổn thất điện môi nhỏ không đáng kể, chúng được dùng làm điện môi cao tần VD: Parafin, lưu huỳnh, các chất cao phân tử không phân cực: polietylen, chất dẻo chứa flo

Khi điện môi cấu tạo từ những phân tử cực tính: do sự phân cực lưỡng cực chậm nên có tổn thất lớn đặc biệt ở tần số vô tuyến Tổn thất điện môi trong các điện môi này có liên quan tới nhiệt độ

VD: Các vật liệu dựa trên cơ sở xenlulo như giấy, các tông, các chất cao phân

tử cực tính, các vật liệu cao su: êbônit

Ở 1 vài trị số nhiệt độ tổn thất có giá trị cực đại và cực tiểu, sau điểm cực tiểu tổn thất tăng lên do sự tăng của tổn thất điện dẫn

3.7.2 Tổn thất điện môi của chất rắn có cấu tạo ion

Liên quan đến đặc điểm sắp xếp các ion trong mạng

Các chất cấu tạo tinh thể có các ion ràng buộc chặt chẽ: khi không có tạp chất thì tổn thất điện môi rất nhỏ Ở nhiệt độ cao sẽ xuất hiện tổn thất do điện dẫn Chỉ cần 1 lượng tạp chất rất nhỏ gây biến dạng mạng lưới tinh thể cũng làm tăng tổn thất điện môi lên rất nhiều

Loại này gồm nhiều hợp chất tinh thể có ý nghĩa to lớn trong sản xuất gốm kỹ thuật hiện nay (bột đá mài nằm trong thành phần của sứ cao tần), hoặc là muối mỏ Các chất cấu tạo tinh thể có các ion không ràng buộc chặt chẽ bao gồm 1 loại chất kết tinh Chúng được đặc trưng bởi các loại phân cực chậm làm tăng tổn thất điện môi

Mulit trong sứ cách điện, khoáng siricon trong gốm chịu lửa

Tổn thất điện môi trong các chất không kết tinh có cấu tạo ion (thuỷ tinh vô cơ) liên quan với hiện tượng phân cực và sự tồn tại của điện dẫn

Yếu tố chủ yếu xác định tổn thất trong thuỷ tinh vô cơ phụ thuộc vào cách kết hợp của các ôxit chứa trong nó, vì cách kết hợp ảnh hưởng đến cấu tạo của thuỷ tinh

3.7.3 Tổn thất trong điện môi xec- nhét

Tổn thất điện môi có giá trị lớn,do đặc điểm của điện môi này là có hiện tượng phân cực tự phát phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ và có điểm cực đại ở nhiệt độ nhất định (điểm Quyri) Sau điểm Quyri phân cực tự phát mất đi, thuộc tính Xenhit cũng mất

Tổn thất trong điện môi xenhit ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự phát và giảm đột ngột sau điểm Quyri

3.7.4 Tổn thất điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất

Chất rắn dùng làm điện môi này gồm vật liệu mà trong thành phần của nó chứa không ít hơn 2 chất gốc bị xáo trộn cơ học với nhau (các chất gốm)

Một vật liệu gốm bất kỳ đều là hệ phức tạp nhiều pha Trong thành phần của gốm ta phân biệt pha tinh thể, pha thuỷ tinh, pha thể khí (khí trong các lỗ hổng kín) Tổn thất điện môi trong gốm phụ thuộc vào tỷ lượng của pha tinh thể và pha thuỷ tinh Pha thể khí trong gốm làm tăng tổn thất điện môi khi điện trường có cường độ cao hơn do sự ion hoá tăng lên

Tổn thất trong gốm tăng nếu nó chứa các tạp chất lẫn tính bán dẫn với tính dẫn điện bằng điện tử Tổn thất cũng tăng do hút ẩm khi có các lỗ xốp hở

Ngoài ra còn có giấy tẩm, mica Hiện nay người ta dùng nhiều điện môi không đồng nhất gồm chất dẻo với các chất độn khác nhau, chất dẻo nhiều lớp, vật

liệu cao su có chất độn khác nhau

CHƯƠNG 4

SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

4.1 KHÁI NIỆM VỀ SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện đánh thủng, khi đó điện môi mất hoàn toàn các thuộc tính cách điện Hiện tượng đó chính là sự phóng điện trong điện môi, hay còn gọi là hiện tượng đánh thủng điện môi

Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi được gọi là điện áp đánh thủng (Uđt), trị số cường độ điện trường tương ứng gọi là cường độ điện trường đánh thủng (Eđt) hoặc độ bền điện của điện môi

h

U

Eđt  đt (KV/mm) (4.1)

h là chiều dày điện môi (mm)

Vậy, độ bền điện chính là khả năng chịu đựng giá trị điện áp giới hạn trên một milimét chiều dày mà điện môi chưa bị đánh thủng

Khi tính toán để chọn chiều dày cách điện của một thiết bị làm việc ở điện áp định mức nào đó (Uđm), ta cần nhân thêm với hệ số an toàn

đt

đm

E

U.K

h , (mm) Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới cường độ điện trường cách điện của điện môi: Dạng điện trường, dạng điện áp, thời gian tác động của điện áp, điều kiện môi trường…

Đối với điện môi khí sự đánh thủng xảy ra do hiện tượng ion hoá do va chạm

và ion hoá quang Trong điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng khí xảy ra đột ngột, trong điện trường không đồng nhất trước khi chất khí bị đánh thủng có hiện tượng vầng quang điện

Đối với điện môi lỏng hiện tượng đánh thủng xảy ra do kết quả của quá trình nhiệt và ion hoá Một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng đánh thủng chất lỏng là do sự tồn tại của tạp chất

Đối với điện môi rắn hiện tượng đánh thủng có thể do quá trình nhiệt hoặc quá trình điện dưới ảnh hưởng của điện trường

+) Hiện tượng đánh thủng về điện liên quan đến quá trình điện tử trong điện môi nó xuất hiện ở điện trường mạnh và làm tăng mạnh mẽ, đột ngột, có tính chất cục bộ mật độ dòng điện lúc đánh thủng

+) Hiện tượng đánh thủng về nhiệt là hậu quả của sự giảm bớt điện trở tác dụng của điện môi khi nó bị đốt nóng trong điện trường Điều đó làm tăng thành phần tác dụng của dòng điện và làm cho điện môi càng bị đốt nóng cho đến khi bị phân huỷ vì nhiệt

+) Dưới tác dụng lâu dài của điện áp hiện tượng đánh thủng còn gây bởi các quá trình điện hoá xảy ra trong điện môi dưới tác dụng của điện trường

4.2 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ

4.2.1.Yêu cầu chung của các chất khí cách điện

+ Phải là khí trơ, nghĩa là không phản ứng hoá học với các chất cách điện khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với kim loại của thiết bị điện

+ Có cường độ cách điện cao để giảm kích thước của kết cấu cách điện và thiết bị

+ Nhiệt độ hoá lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái có áp suất cao + Tản nhiệt tốt

+ Phải rẻ tiền và dễ kiếm

4.2.1 Điều kiện xác định khả năng ion hoá và các dạng ion hóa chất khí

Ở điều kiện bình thường, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn dưới tác động của năng lượng nhiệt, khi đặt trong điện trường chúng nhận thêm một năng lượng

Vậy: Điều kiện để xác định khả năng ion hoá chất khí: W  Wi (4.6)

W- Bao gồm cả năng lượng của chuyển động nhiệt, Wi - Năng lượng ion hoá, vác chất khí khác nhau thì Wi cũng khác nhau và thường bằng (4÷25) ev

* Các dạng ion hoá trong chất khí

Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng cung cấp cho chất khí trong quá trình ion hoá,

có thể có các dạng ion hoá sau:

mv  (4.7)

m - khối lượng hạt, v - Tốc độ chuyển động của hạt

b Ion hoá quang:

Năng lượng cần thiết để ion hoá có thể lấy từ bức xạ sóng ngắn với điều kiện: h.f  Wi hoặc

i

W

h.c

c Ion hoá nhiệt:

Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các khả năng sau:

- Ion hoá va chạm do các phân tử, điện tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn

- Ion hoá quang do các bức xạ nhiệt gây nên

- Cả hai quá trình trên

Trên thực tế, ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có khả năng xảy ra ion hóa, chỉ có ít hay nhiều Theo Nhiệt động học, nhiệt độ cần thiết để có quá trình ion hoá được xác định theo công thức: kT Wi

2

3

W   (4.9) Với T - nhiệt độ tuyệt đối của chất khí, k =1,38.10-23 J/0K - hằng số Boltzman

4.2.3 Quá trình hình thành, phát triển thác điện tử và quá trình phóng điện trong điện môi khí:

Quá trình ion hoá chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu vực giữa 2 điện cực Nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh, khi mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tạo thành dòng Plazma nối liền giữa 2 điện cực

Chúng ta xét quá trình ion hoá chất khí giữa

hai điện cực với nguồn điện áp một chiều như hình

4.1 Giả thiết rằng ban đầu vì lý do nào đó có tồn tại

một điện tử tự do ở phía cực âm Dưới tác dụng của

điện trường E

, điện tử bay về phía cực dương

Trong quá trình chuyển động điện tử sẽ va chạm với

các phân tử khí và gây nên ion hoá với hệ số ion hoá

là  Sau mỗi lần ion hoá xuất hiện thêm điện tử tự

do và ion dương Các điện tử tự do mới được sinh ra

cũng được gia tốc, tích luỹ năng lượng và gây nên

ion hoá, đồng thời các ion dương mới được sinh ra

cũng được sinh ra sẽ chuyển động theo chiều ngược lại bay về phía cực âm cũng có thể gây ion hoá chất khí với hệ số  (thường <<)… Do đó số lượng điện tích (ion dương và điện tử tự do) trong khoảng không gian giữa hai điện cực tăng lên nhiều lần, chúng tập hợp thành thác điện tích; thường gọi là thác điện tử

Trên hình 4.1a cho ta mô hình thác điện tử khi thác phát triển tới độ dài x Do điện tử bé và nhẹ nên tốc độ lớn và dễ khuếch tán dồn về phía đầu thác và rải trên khoảng không gian rộng Còn các ion dương do có khối lượng và kích thước lớn,

Hình 4.1: Thác điện tử và sự phân bố điện tích và điện trường

nên di chuyển chậm với tốc độ chậm hơn (bằng khoảng 1/100 tốc độ của điện tử), chúng phân bố ở khu vực thân và đuôi thác Hình 4.1b cho sự phân bố điện tử tự do (ne) và ion dương (ni) Sự tồn tại các điện tích của thác điện tử sẽ tạo nên điện trường phụ do các điện tử tự do (Ee) và ion dương (Ei) gây nên (hình 4.1c) Chúng làm biến dạng điện trường tổng, đường biểu diễn trên hình 4.1d

Xét về sự biến dạng của trường (hình 4.1d) ta thấy phía đầu thác trường được tăng cường nhiều, nhưng ngay sau đầu thác trường lại giảm đột ngột, cả hai nơi này đều có khả năng bức xạ phô tôn Ở đầu thác trường được tăng cường cao hơn điện trường E bên ngoài, do vậy dẽ dàng gây nên ion hoá phần khí tiếp theo tạo nên các thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện Mặt khác, do trường tăng cao làm cho các phân tử khí ở gần sẽ bị kích thích, khi chúng trở lại trạng thái ban đầu sẽ trả lại năng lượng dưới dạng các phô tôn Còn ở phía sau đầu thác do trường giảm đột ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lại năng lượng đươi dạng phô tôn Các phô tôn này chuyển động với tốc độ tương đương tốc độ ánh sáng, nên trong khi thác ban đầu đang phát triển (giả thiết một đoạn là x) thì các phô tôn dã vượt trước thác, gây ion hóa và hình thành các thác thứ cấp phía trước thác ban đầu hoặc cũng có khả năng giải thoát các điện tử từ bề mặt điện cực góp phần tăng thêm số lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử ban đầu kểt trên

Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tích càng được phát triển đồng thời được kéo dài ra và khi tiếp cận với các điện cực các điện tích của thác điện tử sẽ trung hoà trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử Quá trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tạo nên dòng điện lưu thông liên tục giữa hai điẹn cực Như vậy để có phóng điện cần thiết phải có xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác mới, trước khi thác thứ nhất kết thúc và hình thành các thác thứ cấp ngay phía trước thác ban đầu

Trong giai đoạn tiếp theo, các thác này đuổi kịp nhau và hình thành “dòng” hướng từ cực âm đến cực dương Đồng thời hình thành dòng các điện tích dương hướng ngược lại (gọi là dòng dương) Thực tế cho ta thấy khi thác điện tích có mật

độ điện tích lớn (khoảng 1012

ion/cm3) và gần tiếp cận tới điện cực dương, toàn bộ điện áp giữa hai điện cực dồn đặt lên một khe khí hẹp ở tại đó cường độ điện trường rất lớn làm bứt các ion dương từ cực dương chuyển động theo chiều ngược lại của thác điện tử Khi chúng hoà nhập làm một sẽ gây nên phóng điện chọc thủng điện môi khí tạo thành dòng plazma, kết thúc bằng quá trình phóng điện

Thường phóng điện trong chất khí xảy ra rất nhanh gần như tức thời, nếu khe

hở khí là 1 cm thì thời gian phát triển phóng điện chọc thủng khoảng 10-8÷10-7giây

4.2.4 Các dạng phóng điện của điện môi khí

Tuỳ thuộc vào công suất nguồn, áp suất khí và dạng của điện trường, quá trình hình thành dòng Plasma có khác nhau và đưa đến các dạng phóng điện khác nhau:

*) Phóng điện toả sáng

Xảy ra khi áp suất thấp, Plasma không thể có điện dẫn lớn vì số lượng phân tử khí quá ít Phóng điện toả sáng thường chiếm toàn bộ khoảng không gian giữa các điện cực và được ứng dụng trong các ống phát sáng, đèn nêon

*) Phóng điện tia lửa

Xảy ra khi áp suất lớn, Plasma không chiếm hết toàn bộ khoảng không gian

mà chỉ là tập trung vào một khe khí hẹp nối giữa các điện cực Mật độ ion trong dòng Plasma rất lớn nên có thể dẫn được dòng điện lớn nhưng không lớn quá vì bị giới hạn bởi công suất nguồn, VD: sét

*) Phóng điện hồ quang

Tương tự như phóng điện tia lửa nhưng ở đây công suất nguồn lớn và tác dụng trong thời gian dài Dòng điện hồ quang rất lớn, đốt nóng dòng Plasma làm cho điện dẫn của nó tăng thêm và do đó dòng điện hồ quang càng tăng Dòng điện

sẽ tăng tới mức ổn định khi có sự cân bằng giữa phát nóng và toả nhiệt của khe hồ quang VD: hàn hồ quang, lò hồ quang…

*) Phóng điện vầng quang

Chỉ tồn tại trong điện trường không đồng nhất và xuất hiện trong khu vực xung quanh điện cực Dạng phóng điện này không hoàn toàn vì dòng Plasma không nối liền 2 điện cực và do đó không thể có dòng điện lớn Phóng điện vầng quang chưa làm mất hẳn tính chất cách điện của khe hở nhưng cũng không nên để phát sinh vầng quang vì nó gây nhiều tác hại khác: gây tổn thất năng lượng lớn trên đường dây truyền tải

4.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền điện của điện môi khí

a Khái quát

Độ bền điện của điện môi khí trước hết phụ thuộc vào dạng điện trường, trong

điện trường đồng nhất độ bền điện cao hơn nhiều đối với trường không đồng nhất

Điện áp đặt vào khoảng khí càng lớn sự đánh thủng càng phát triển nhanh Nếu khoảng thời gian tác động của điện áp càng nhỏ thì điện áp đánh thủng sẽ phải tăng lên

- Độ ẩm không khí: Khi độ ẩm không khí % 70%, thường ít ảnh hưởng, nhưng khi độ ẩm tăng cao sẽ làm giảm đáng kể độ bền điện của điện môi khí

b Đánh thủng chất khí trong trường đồng nhất

Trị số trường tại mọi điểm đều bằng nhau (E = const)

nên quá trình hình thành và phát triển của phóng điện không

phụ thuộc vào cực tính

Sự đánh thủng xảy ra tức thời khi điện áp đạt đến 1 trị số

nhất định tuỳ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí Nếu nguồn

áp đủ lớn giữa các bản cực xuất hiện tia lửa rồi biến thành hồ

quang

Khi nhiệt độ và khoảng cách điện cực không đổi thì độ

bền điện phụ thuộc vào áp suất chất khí (hay mật độ phân tử),

Hình 4.2 và 4.3

hình 4.2

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 hình 4.3

c Trong điện trường không đồng nhất

Sự đánh thủng khí là hiện tượng xuất hiện phóng điện 1 phần dưới dạng phóng điện vầng quang tại những chỗ mà ở đó cường độ điện trường đạt đến trị số tới hạn Hiện tượng vầng quang sẽ chuyển sang phóng điện tia lửa và hồ quang khi điện áp tăng lên

Xét dạng điện cực điển hình cho trường không đồng nhất

là đôi cực mũi nhọn (kim) - cực bản (mặt phẳng):

Sự phân bố điện trường được mô tả như hình 4.4 Do sự

tăng cường độ trường ở phía điện cực có bán kính cong bé nên

mọi quá trình ion hoá, quá trình phóng điện cũng đều bắt nguồn

từ đấy dù điện cực là dương hay âm nhưng sự khác nhau về cực

tính lại ảnh hưởng rất lớn đến các giai đoạn phát triển về sau

*) Khi mũi nhọn có cực tính dương

Mũi nhọn là khu vực có điện trường mạnh nên trước khi xuất hiện vầng quang

ở đấy đã có quá trình ion hoá và tạo nên thác điện tử Các thác này sẽ di chuyển về phía mũi nhọn và khi tới nơi các điện tử của thác sẽ đi vào điện cực để lại các ion dương tạo nên lớp điện tích không gian ở khu vực mũi nhọn, trường của điện tích không gian dương E' sẽ làm biến dạng trường tổng (hình 4.5a) và kết quả là ở bên phải nó trường được tăng cường (E' cùng phương với trường ngoài E) tạo điều kiện cho quá trình lan truyền của điện tích từ vầng quang đi ra điện cực đối diện, ngược lại ở phía bên trái tức là ở khu vực điện cực mũi nhọn trường bị giảm (E' ngược phương với E) do đó hạn chế quá trình ion hoá và gây khó khăn cho sự hình thành vầng quang Vì thế quá trình đánh thủng trong trường này rất dễ xảy ra khi điện áp tăng lên (hình 4.5b)

tính âm

Hình 4.4

*) Khi mũi nhọn có cực tính âm:

Cường độ điện trường ngoài giảm dần từ mũi nhọn đến cực bản - đường (1) Quá trình ion hoá và hình thành các thác điện tử cũng xảy ra ở khu vực điện cực mũi nhọn (cực âm) Các điện tử của thác sẽ di chuyển về phía điện cực dương (cực bản) nhưng khi bay về phía này, điện tử rơi vào khu vực trường yếu dần (phân

bố của trường ngoài E theo đường chấm trên hình 4.6a) nên ngoài 1 số bay được tới cực dương và bị hút vào đấy, số còn lại do tốc độ bị giảm dần nên dễ bị hút vào các nguyên tử ôxy, hình thành 1 lớp điện tích không gian âm ở lưng chừng khoảng giữa các điện cực (hình 4.6a)

Điện tích dương của thác sẽ di chuyển về phía mũi nhọn và hình thành 1 lớp điện tích không gian dương ở khu vực này Chúng không bị hút ngay vào cực âm vì khối lượng của chúng quá lớn nên tốc độ di chuyển bé Trường của các lớp điện tích không gian (E+- của lớp điện tích không gian dương; E- của lớp điện tích không gian âm) sẽ làm biến dạng trường chung Do mật độ của lớp điện tích không gian

âm bé hơn so với điện tích không gian dương nên tác dụng làm biến dạng trường của nó yếu hơn và do đó cường độ trường tổng ở khu vực mũi nhọn được tăng cường làm cho quá trình ion hoá cũng như phóng điện vầng quang phát triển dễ dàng, cùng lúc hình thành nhiều thác điện tử mới Thực nghiệm cũng cho thấy: điện

áp vầng quang khi mũi nhọn có cực tính dương cao hơn so với khi mũi nhọn có cực tính âm nếu cùng 1 khoảng cách điện cực

Nhưng ngay sau đó thì điện trường giảm mạnh có tác dụng ngăn cản điện tích lan truyền từ vầng quang sang phía điện cực phẳng Vì thế, sự đánh thủng là khó khăn hơn so với trường mũi nhọn có cực tính (+) (Trị số điện áp phóng điện có thể cao hơn từ 2 đến 2,5 lần) Khi điện áp tăng lên mức độ nào đó điện trường phân

bố ở phía điện cực phẳng cũng sẽ tăng cao và ở đó cũng xuất hiện sự ion hoá tạo nên quá trình phóng điện ngược có tốc độ phát triển rất nhanh (109cm/s) hình thành dòng điện có điện dẫn lớn nối liền 2 điện cực, kết thúc quá trình phóng điện (hình 4.6b)

* Biện pháp để nâng cao trị số U đt trong trường không đồng nhất:

Một trong những biện pháp tiêu biểu là 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 phụ thuộc vào vị trí của màn chắn và cực tính mũi nhọn

Hình 4.7: Tác dụng của màn chắn đối với mũi nhọn có các cực tính khác nhau

4.2.7 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 hệ thống hoặc hư hại đến cách điện bên trong của thiết bị Đặc điểm của dạng sóng này là có biên độ lớn,

độ rốc sườn trước rất rốc, thời gian tồn tại nhanh

Để thử điện áp phóng điện xung kích cho cách

điện người 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

*.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

* Lý thuyết ion hóa: 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

*.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

* Các yếu tố ảnh hưởng đến sự đánh thủng điện môi lỏng:

+ Tạp chất: Khi nồng độ tạp chất tăng lên, độ bền điện của điện môi lỏng giảm đi rõ rệt

+ Khi nhiệt độ làm việc < 800C thì độ bền điện ít phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ tăng cao độ bền điện giảm xuống, đặc biệt đối với điện môi chứa nhiều tạp chất

Hình 4.8: Dạng sóng xung kích tiêu chuẩn

+ 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

4.4 SỰ ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI RẮN

Khi nghiên cứu về phóng điện điện môi rắn ta thấy có 2 khả năng xảy ra là phóng điện đánh thủng hay còn gọi là phóng điện xuyên qua điện môi rắn và phóng điện bề mặt điện môi rắn

4.4.1 Phóng điện đánh thủng điện môi rắn

Điện môi rắn khi bị đánh thủng sẽ mất hoàn toàn tính cách điện, không khôi phục được Người ta phân biệt thành bốn dạng phóng điện sau

a Sự đánh thủng điện môi vĩ mô đồng nhất

Sự đánh thủng phát triển nhanh, xảy ra trong khoảng thời gian nhỏ 10-7  10-8s

và không phải do năng lượng nhiệt Về bản chất nó là quá trình điện tử thuần tuý khi trong chất rắn hình thành nên thác điện tử từ 1 số điện tử ban đầu

b Sự đánh thủng các điện môi không đồng nhất

Đặc trưng cho các điện môi kỹ thuật mà hầu hết đều chứa các tạp chất khí Uđtcủa điện môi không đồng nhất (trong trường đồng nhất hay không đồng nhất) thường không cao và khác nhau rất ít Hiện tượng đánh thủng cũng phát triển rất nhanh Khi tăng chiều dày mẫu thí nghiệm độ không đồng nhất của cấu trúc tăng lên, số lượng các chỗ yếu, các bọt khí tăng lên và độ bền điện trong điện trường đồng nhất hay không đồng nhất đều giảm

c Sự đánh thủng điện hoá

Có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi nhiệt độ và độ ẩm không khí cao Dạng đánh thủng này có thể thấy ở điện áp một chiều hoặc xoay chiều tần số thấp khi quá trình điện phân phát triển trong vật liệu làm cho điện trở cách điện bị giảm và không hồi phục được Hiện tượng này gọi là sự hoá già điện môi Nó làm cho độ bền điện giảm dần và cuối cùng điện môi bị đánh thủng ở cường độ thấp hơn rất nhiều so với khi thí nghiệm

* Những quá trình hoá học chủ yếu gây nên sự hoá già của vật liệu cách điện:

Sự ôxy hóa, sự rùng hợp, sự khử trùng hợp, sự thủy phân, sự bay hơi …

d Sự đánh thủng nhiệt

Sự đánh thủng điện nhiệt (đánh thủng nhiệt) thực chất là sự nung nóng vật liệu trong điện trường đến nhiệt độ làm vật liệu bị nứt phồng, cong vênh, biến màu hoặc phá huỷ nhiệt, liên quan tới sự tăng quá mức điện dẫn rò hoặc tổn thất điện môi

4.4.2 Phóng điện bề mặt điện môi rắn

Khi điện môi rắn được đặt trong môi trường khí hay dầu thì quá rình phóng điện xảy ra men theo mặt ngoài của điện môi với trị số điện áp phóng điện bé hơn nhiều so với trị số điện áp đánh thủng của khe khí hay dầu, cũng như của bản thân điện môi rắn Hiên tượng này rất phổ biến trong cách điện thiết bị điện, cách điện

đường dây điện cao áp, các phóng điện này thường không làm hư hỏng cách điện nhưng có thể dẫn tới ngắn mạch hệ thống, gây tổn hao… Do vậy ta cần hạn chế không để xảy ra

* 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

- Hình dáng của điện cực và sự phân bố của trường: trong trường đồng nhất

Uđt giảm Trong trường không đồng nhất Uđt cũng phụ thuộc vào hình dáng điện cực

và sự phân bố của trường

* Biện pháp để nâng cao trị số điện áp phóng điện:

- Sử dụng sơn quét hoặc tráng men, tạo độ bóng bề mặt và hạn chế ảnh hưởng của độ ẩm không khí

-Thường xuyên vệ sinh thiết bị

-Tăng chiều dài phóng điện bề mặt, chiều dài rò điện bằng cách tạo các gờ tán -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

Chương 5 TÍNH CHẤT CƠ - LÝ - HOÁ CỦA ĐIỆN MÔI

5.1 TÍNH HÖT ẨM CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

5.1.1 Độ ẩm của không khí

Trong không khí luôn chứa 1 lượng hơi nước nhất định

Độ ẩm tuyệt đối của không khí: Được đánh giá bằng khối lượng (mg) của hơi nước chứa trong 1 đơn vị thể tích không khí (m3

- Độ ẩm tương đối của không khí:

%100m

Các vật liệu cách điện với mức độ nhiều hay ít

đều hút ẩm tức là khi đặt mẫu vật liệu có độ ẩm vl,

trong môi trường có kk, sau một thời gian vật liệu sẽ đạt độ ẩm cân bằng cb Trên hình 5.1, nếu vl <kk, vật liệu bị ngấm ẩm (đường 1), nếu vl <kk, vật liệu bị sấy khô tự nhiên (đường 2),

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

5.1.3 Tính thấm ẩm

Là khả năng cho hơi nước đi xuyên qua bản thân vật liệu Tất cả những vật liệu có khảng cách giữa các phân tử lớn hơn kích thước một phân tử nước, đều cho hơi nước đi xuyên qua 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

Để làm giảm độ thấm ẩm và hút ẩm của vật liệu cách điện xốp người ta dùng sơn tẩm hoặc dầu

Ở các điện môi hữu cơ thường có nấm mốc phát triển và huỷ hoại Nấm mốc làm xấu điện trở suất mặt của điện môi, tăng tổn thất và giảm độ bền cơ của chất cách điện, gây ăn mòn các bộ phận kim loại tiếp xúc với nó

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

5.1.4 Sự hấp phụ hơi nước trên bề mặt điện môi

Đối với vật liệu không thấm ẩm khi đặt trong môi trường ẩm thì trên bề mặt vật liệu hình thành màng ẩm hay bị ngưng tụ lớp nước Quá trình ngưng tụ hơi nước trên bề mặt vật liệu gọi là sự hấp phụ hơi nước trên bề mặt vật liệu

Lớp hơi nước này phụ thuộc vào độ ẩm, cấu trúc bề mặt và loại vật liệu Độ

ẩm càng lớn thì bề dày của lớp hấp phụ lớn Những vật liệu có kết cấu tinh thể ion hay cực tính mạnh thì có khả năng hấp phụ mạnh, còn các vật liệu trung tính hay cực tính yếu có sự hấp phụ nhỏ

Khả năng dính nước (hoặc chất lỏng khác) của điện môi được đặc trưng bởi

“góc nghiêng dính nước”  của giọt nước đổ lên mặt phẳng của vật liệu  càng nhỏ

sự dính nước càng mạnh

Hình 5.2: Giọt chất lỏng trên bề mặt vật liệu

5.2 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐIỆN MÔI

5.2.1 Độ bền chịu kéo, nén, uốn

Mỗi vật liệu ứng với hình dạng và kích thước xác định đều có khả năng chịu kéo, chịu nén, chịu uốn nhất định Chúng được đặc trưng bởi các ứng suất cơ tới hạn, khi làm việc yêu cầu ứng suất phải nhỏ hơn giá trị tới hạn đó

 > 900

 < 900

Độ bền cơ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ và thường giảm khi nhiệt độ tăng Độ bền của vật liệu hút ẩm phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm

Đối với vật liệu hữu cơ: Xác định bằng phương pháp Brinel và phương pháp

con lắc của Cuznexôp

5.2.4 Độ nhớt

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

Độ nhớt động học:

N



  (N là mật độ phân tử của chất lỏng) (5.3) Tất cả các chất không bị biến đổi hoá học khi nung nóng có độ nhớt giảm theo hàm số mũ khi nhiệt độ tăng

5.3 TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ĐIỆN MÔI

Nhiệt độ là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn tới các tính chất về điện,

cơ của điện môi Những tính chất nhiệt quan trọng nhất của điện môi là: Độ bền

chịu nóng, độ bền chịu lạnh, độ dẫn nhiệt và giãn nở dài

5.3.1 Tính chịu nóng của vật liệu cách điện

Khả năng chịu nóng là khả năng của vật liệu và các chi tiết chịu đựng không bị

hư hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao hoặc

sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ

Đối với điện môi vô cơ: Khả năng chịu nóng được xác định bởi nhiệt độ (đo bằng oC) mà ở đó điện môi bắt đầu có sự thay đổi mạnh về tính chất điện (tg tăng hay điện trở suất giảm)

Đối với điện môi hữu cơ: Khả năng chịu nóng được xác định bởi nhiệt độ (đo bằng oC) mà ở đó điện môi bắt đầu có sự thay đổi mạnh về các tính chất cơ học: Khả năng chịu kéo giảm mạnh, độ cứng giảm hay khả năng chịu uốn giảm mạnh… Đối với điện môi lỏng cần phân biệt nhiệt độ cháy và nhiệt độ chớp cháy Nhiệt độ chớp nháy: Là nhiệt độ mà khi nung nóng chất lỏng đến nhiệt độ đó hỗn hợp hơi của nó với không khí sẽ bốc cháy khi đưa tia lửa vào gần

Nhiệt độ cháy: Là nhiệt độ cao hơn mà khi đưa ngọn lửa lại gần bản thân chất lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy

*)Độ bền chịu nóng hay nhiệt độ làm việc cao nhất cho phép, là nhiệt độ mà

khi sử dụng vật liệu ở nhiệt độ ấy trong các thiết bị thì thời gian phục vụ định trước theo các yêu cầu kinh tế và kĩ thuật của thiết bị được đảm bảo

Độ bền chịu nóng có thể được giải quyết trên cơ sở độ bền chịu nóng của vật liệu có chú ý đến hệ số dự trữ Hệ số này phụ thuộc vào điều kiện làm việc, mức độ

an toàn cần thiết và tuổi thọ chất cách điện

*) Tiêu chuẩn của Uỷ ban Kỹ thuật điện Quốc tế đã xem xét và phân loại vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng (nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép), như sau Cấp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ cho phép (oC) 90 105 120 130 155 180 >180

Cấp Y: bao gổm các vật liệu sợi gốc xenlulô và tơ(vải, sợi, giấy, gỗ )chưa được ngâm tẩm trong vật liệu cách điện lỏng

Cấp A: Là các vật liệu cấp Y đã được ngâm tẩm (giấy tẩm, vải tẩm, nhựa pôlyamit )

Cấp E: gồm các chất dẻo có chất độn hữu cơ và lớp nhựa liên kết chịu nhiệt loại Fenol focmalđêhit và các loại khác (Hêtinắc,Téctôlit )

Cấp B: mica vụn, sợi Amian, vải sơn thuỷ tinh, téctôlit thuỷ tinh

Cấp F: Micanit, Êpoxi poliête chịu nhiệt, silic hữu cơ

Cấp H: tương tự như cấp F, nhưng chất liên kết là loại nhựa silic hữu cơ có

độ bền nhiệt đặc biệt cao

Cấp C: Gồm các vật liệu vô cơ thuần túy, hoàn toàn không có thành phần kết dính hay tẩm

Các loại Y, A, E gồm chủ yếu là vật liệu thuần tuý hữu cơ, Các loại có độ bền chịu nóng cao hơn chứa thành phần vô cơ nhiều hơn

Việc phân loại các vật liệu cách điện hoặc hỗn hợp của chúng theo độ bền chịu nóng đồi hỏi phải làm thử nghiệm rất công phu và lâu dài đối với mẫu vật liệu về sự hoá già do nhiệt trong những điều kiện gần nhất với các điều kiện làm việc bình thường của vật liệu đó (như: cường độ trường, độ ẩm không khí …)

Với các vật liệu cách điện đặc biệt giòn, dễ vỡ (thuỷ tinh, vật liệu gốm ) cần phải thử nghiệm độ bền xung nhiệt

Thông thường nhiệt độ làm việc của các thiết bị điện bị giới hạn bởi nhiệt độ làm việc của vât liệu cách điện Vì vậy, khả năng nâng cao nhiệt độ làm việc của chất cách điện rất quan trọng Trong máy điện và thiết bị điện, việc nâng cao nhiệt

độ cho phép nhận được công suất cao hơn khi kích thước không đổi, hoặc nếu giữ nguyên công suất thì có thể giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của thiết bị Nâng cao nhiệt độ làm việc đặc biệt quan trọng đối với các động cơ kéo và cầu trục, với các thiết bị điện trên máy bay mà nhiệm vụ giảm kích thước và trọng lượng đặt lên hàng đầu Ngoài ra còn liên quan đến các biện pháp phòng cháy và phòng nổ

Sự giảm xấu chất lượng cách điện chỉ có thể phát hiện được khi nhiệt độ tác động lâu dài do các quá trình hoá học diễn ra một cách chậm chạp gọi là sự hoá già nhiệt chất cách điện VD: ở màng sơn và xen lu lô: tăng độ rắn và giòn, tạo thành vết nứt Ngoài ra, tốc độ hoá già còn chịu ảnh hưởng của áp suất không khí, nồng

độ ôxy, các chất phản ứng hoá học làm nhanh hoặc chậm quá trình hoá già

5.3.2 Tính chịu băng giá: (Hay độ bền chịu lạnh)

Là khả năng chất cách điện làm việc không bị giảm độ tin cậy khi vận hành ở nhiệt độ thấp (-70  -60oC)

Thường ở nhiệt độ thấp tính chất điện của vật liệu cách điện tốt hơn nhưng cũng có nhiều vật liệu dẻo và đàn hồi sẽ trở nên giòn và cứng ở nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho sự làm việc của chất cách điện

Các chất lỏng cách điện ở nhiệt độ thấp có thể đông cứng làm cho các thiết bị

có cách điện là chất lỏng khó có thể thao tác được, ví dụ: máy cắt dầu

5.3.3 Độ dẫn nhiệt

Độ dẫn nhiệt của vật liệu cách điện có ý nghĩa quan trọng vì trong quá trình làm việc, nhiệt toả ra do tổn thất công suất trong dây dẫn bọc cách điện, trong lõi thép của máy điện, tổn thất điện môi trong chất cách điện, được truyền qua môi trường xung quanh qua nhiều lớp vật liệu khác nhau Sự truyền nhiệt kém sẽ gây ra phát nóng cục bộ ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của vật liệu

5.3.4 Sự giãn nở nhiệt của điện môi:

Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ:

dt

dll

1

l 

 [độ-1] (5.4) Những vật liệu có hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ nhỏ thường có độ bền chịu nóng cao và ngược lại

5.4 TÍNH CHẤT HOÁ HỌC CỦA ĐIỆN MÔI

5.4.1- Tính chất hoá học

Phải nghiên cứu tính chất hoá học của điện môi vì hai nguyên nhân:

Độ tin cậy của vật liệu phải được đảm bảo khi làm việc lâu dài ,không bị phân huỷ để giải thoát ra những sản phẩm phụ, không ăn mòn các kim loại tiếp xúc với

nó Không phản ứng với các chất khác

Khi sản xuất các chi tiết có thể gia công vật liệu bằng các phương pháp hoá công khác nhau: dính được, hoà tan được trong dung dịch thành sơn

5.4.2 Tính chịu tác động của bức xạ năng lƣợng cao

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

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

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

Chương 6 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

6.1 TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN - PHÂN LOẠI

* Tầm quan trọng của vật liệu cách điện:

Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện Chúng được dùng để ngăn cách giữa phần mang điện và phần không mạng điện hoặc giữa những phần mang điện với nhau.Nếu không có vật liệu cách điện thì sẽ không thể chế tạo được bất kỳ một loại thiết bị nào, cho dù là đơn giản nhất

* Phân loại:

- Phân theo trạng thái: Khí, lỏng, rắn Ngoài ra còn có vật liệu hoá rắn

- Phân theo bản chất hoá học: Vật liệu cách điện vô cơ và hữu cơ

+ Cách điện hữu cơ có tính cơ học đáng quý là tính dẻo, đàn hồi tuy nhiên chúng có độ bền nhiệt thấp

+ Cách điện vô cơ thường giòn, không có tính dẻo và đàn hồi Chế tạo phức tạp nhưng có độ bền nhiệt cao

+ Ngoài ra còn có những vật liệu có tính trung gian giữa vô cơ và hữu cơ: đó

là những vật liệu hữu cơ nhưng trong phân tử của chúng có chứa cả những nguyên

tố đặc trưng cho vật liệu vô cơ: Si, Al, P

- Phân theo khả năng chịu nhiệt: vật liệu được phân thành các cấp Y, A, E, B,

F, H, C Việc phân cấp theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép có ý nghĩa thực tiễn quan trọng

6.2 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ

Trước tiên ta cần phải nhắc đến không khí Nó thường tham gia vào các thiết

bị điện và giữ vai trò như vật liệu cách điện hỗ trợ thêm cho các vật liệu cách điện rắn hoặc lỏng Hay là tạo nên 1 lớp cách điện duy nhất giữa các dây dẫn trần của đường dây tải điện trên không

1) Hiđro: H2 là 1 chất khí nhẹ Dùng làm mát thay không khí trong các máy điện sẽ giảm được tổn thất công suất do ma sát của rôto với chất khí và do quạt gió gây ra Do không có tác dụng ôxy hoá (vì không có ôxy) nên dùng H2 làm chậm sự hoá già chất cách điện hữu cơ trong dây quấn máy điện và loại trừ khả năng hoả hoạn trong trường hợp bị ngắn mạch bên trong máy điện

2) Nitơ: N2 đôi khi được dùng thay cho không khí để lấp đầy tụ điện khí vì

có đặc tính điện gần giống không khí

3) Khí Elêga: Khí điện (êlêga-SF6) có độ bền điện lớn hơn không khí 2,5 lần Nó không độc, chịu được tác dụng hoá học, không phân huỷ khi đốt nóng tới

800oC Đặc biệt ở áp suất cao êlêga có những ưu điểm rất lớn Chỉ 1 lượng nhỏ êlêga lẫn vào không khí cũng làm tăng độ bền điện của nó lên rất nhiều, điều đó được ứng dụng vào 1 số thiết bị điện cao áp

6.3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ LỎNG

1- Dầu mỏ cách điện:

a Dầu biến áp: Được dùng nhiều trong kỹ thuật điện Nó có công dụng chính:

+ Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây và giữa cuộn dây với vỏ máy biến áp, làm tăng độ bền điện của lớp cách điện lên rất nhiều

+ 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

- 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

- Độ bền điện của dầu giảm nhiều nếu có lẫn nước và tạp chất Khi sấy khô đúng mức thì độ bền điện được phục hồi

Sau một thời gian làm việc dầu bị hóa già và người ta phải lọc và tái chế lại, 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 )

+ Khi có tác dụng của ánh sáng

+ Khi có tác dụng của điện trường cường độ cao

b Dầu tụ điện: Để tẩm các tụ điện giấy, đặc biệt là các tụ động lực dùng để bù

trong các thiết bị điện Khi được tẩm dầu điện trở cách điện cũng như độ bền điện

tăng lên, làm giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của tụ điện

c 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

2 Điện môi lỏng tổng hợp:

a Xôvôn: Là chất lỏng không mầu và trong suốt, nặng hơn dầu mỏ Độ nhớt

cao hơn đầu biến áp nhiều Ở nhiệt độ bình thường và ở tần số thấp  5 (nó phụ

thuộc vào nhiệt độ và tần số theo tính quy luật đặc trưng cho các điện môi cực tính)

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

b 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

c 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

3 Dầu thực vật:Là những chất lỏng nhớt thu được từ hạt của những loại thực

vật khác nhau Cần đặc biệt chú ý tới dầu khô Nó thường dùng chế tạo sơn dầu

cách điện, vải sơn, tẩm gỗ

Có 2 loại dầu khô phổ biến là dầu gai và dầu trẩu (Thu được từ hạt gai và hạt trẩu) Dầu trẩu chóng khô hơn dầu gai

A VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN HỮU CƠ

6.4 KẾT CẤU - PHÂN LOẠI ĐIỆN MÔI HỮU CƠ

Cấu trúc phân tử có ảnh hưởng chính đến những tính chất của các chất hữu

cơ Một số vật liệu cách điện hữu cơ là những chất thấp phân tử (số nguyên tử hình thành phân tử là 1 vài đến hàng trăm) VD: các hyđrôcacbon của dầu mỏ, Xôvôn Đa

số là chất cao phân tử: số lượng nguyên tử rất lớn (1 phân tử có hàng chục ngàn nguyên tử) VD: các polime

2 Phân loại:

* Theo nguồn gốc: Tự nhiên, tổng hợp và nhân tạo

* Theo cấu trúc phân tử:

- Pôlime đường thẳng: cấu trúc phân tử hình chuỗi xích Loại này khá mềm,

co giãn tốt Khi nhiệt độ tăng lên vừa phải thì chúng hoá dẻo sau đó nóng chảy Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp, có khả năng tạo ra các sợi mảnh, dẻo và bền có thể tạo ra các sản phẩm dệt và màng mỏng

- Pôlime không gian: cấu trúc phân tử phát triển theo nhiều hướng khác nhau Chúng chỉ hoá dẻo ở nhiệt độ cao và có khi chưa đạt tới nhiệt độ hoá dẻo thì nhiều loại đã bị phá huỷ về mặt hoá học (cháy, phồng lên ), khó hoà tan trong dung môi,

có loại không thể hoà tan được Chúng cũng không thể tạo ra sợi dệt và màng mỏng được

* Theo tính chất nhiệt:

- Loại nhiệt dẻo: khi nhiệt độ thấp thì ở trạng thái rắn, khi bị nung nóng thì hoá dẻo và dễ biến dạng Khi nguội đi chúng rắn trở lại và không gây nên sự biến đổi không phục hồi tính chất của chúng Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp Vật liệu nhiệt dẻo thường là các pôlime mạch thẳng

- Loại nhiệt cứng: khi bị nung nóng thì biến đổi tính chất không phục hồi được như trở nên rắn lại, không hoá dẻo và không hoà tan Vật liệu nhiệt cứng thường là các pôlime không gian hoặc polime chuyển sang cấu trúc không gian khi

bị đốt nóng

* Theo tính hút ẩm và các tính chất điện:

- Loại có phân tử trung hoà: ít hút ẩm, tg bé, độ bền cơ học không cao

- Loại có phân tử cực tính: tính hút ẩm nhiều hơn, tính chất điện kém hơn nhưng độ bền cơ cao hơn

6.5 NHỰA CÁCH ĐIỆN

1 Khái niệm:

Là tên gọi của một nhóm rất rộng các vật liệu có nguồn gốc và bản tính rất khác nhau nhưng có 1số đặc điểm rất giống nhau về bản chất hoá học cũng như 1 số tính chất vật lý chung Ở nhiệt độ thấp thì nó cứng và giòn nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì nó trở nên dẻo, đàn hồi Nhựa không hòa tan trong nước, nhưng lại hòa tan trong một số dung môi

1 Nhựa thiên nhiên:

Là những chất do một số động vật (cánh kiến) hoặc những loại cây có nhựa (nhựa thông) tiết ra Người ta khai thác chúng ở dạng sẵn có trong tự nhiên và chỉ cần tẩy sạch, nấu chảy

* Cánh kiến:

Do 1 số côn trùng tiết ra trên các cành cây ở xứ nóng Người ta thu nhặt theo kiểu thủ công, lọc sạch bẩn và nấu chảy

Đặc tính cách điện:  =3,5;  =1015 1016.cm; tg = 0,01;Eđt= 2030 KV/mm

* Nhựa thông (Colofan):

Là loại nhựa giòn mầu vàng hoặc nâu, dùng nhựa thông hoà tan trong dầu mỏ vào việc sản xuất các hợp chất để tẩm và ngâm cáp

Đặc tính cách điện:  =10 14 10 15.cm; E đt = 1015 KV/mm;  và tg phụ thuộc nhiệt độ đặc trưng cho điện môi cực tính Nhiệt độ hoá dẻo: 5070 0 C

* Nhựa khoáng sản (điển hình là Copan):

Là loại nhựa khó nóng chảy Nó bóng, cứng, khó hoà tan Nhựa này 1 phần khai thác trong khoáng sản do các loại cây có nhựa đã sinh trưởng trước đây tách ra

1 phần thu được từ nhựa của các loại cây đang mọc hiện nay

Chúng dùng làm chất phụ gia cho sơn dầu nhằm tăng độ cứng của màng sơn

Hổ phách thuộc loại Côpan có:  = 2,8;  =1017 1019.cm và tg = 0,001 có thể dùng làm đầu vào của các thiết bị cần có điện trở cách điện rất cao

2 Nhựa nhân tạo:

Gồm ete xenlulo (Điển hình) và este xenlulo Chúng được tạo ra từ việc xử lý hoá học các xenlulo tự nhiên Chúng thuộc loại nhiệt dẻo, kém chịu nóng được dùng chế tạo vật liệu dệt, màng mỏng, sơn, chất dẻo

3 Nhựa tổng hợp:

Nhựa tổng hợp có vai trò quan trọng trong kỹ thuật cách điện Theo bản chất người ta lại chia nhựa tổng hợp ra thành nhựa trùng hợp và nhựa ngưng tụ

a Nhựa trung hoà: Êtylen, Polyêtylen (PE), Polypropylen (PP) hay Polystyrol (PS)

b Nhựa cực tính: Rượu Polyvinyl, nhựa Polimetylmetacrilat (thuỷ tinh hữu cơ),

nhựa Flo hữu cơ, nhựa tổng hợp nhiệt dẻo, nhựa Phenolfomandehit

6.6 SƠN VÀ HỢP CHẤT CÁCH ĐIỆN

1 Khái niệm:

Sơn: Là dung dịch keo của nhựa, của dầu khô, bi tum các chất ấy gọi là nền

sơn hoà tan trong dung môi dễ bay hơi Khi sơn được sấy khô thì dung môi bay hơi còn lại nền sơn thì chuyển sang trạng thái rắn và tạo thành màng sơn

Hợp chất khác với sơn ở chỗ thành phần của nó không có dung môi Nó gồm

các loại nhựa, bi tum, sáp dầu ở trạng thái đầu nếu nó là chất rắn thì trước lúc đem dùng người ta đun nóng nó lên để thu được 1 chất có độ nhớt khá thấp

2 Sơn:

* Theo cách sử dụng sơn cách điện có thể chia làm 3 nhóm chính: Sơn tẩm,

sơn phủ, sơn dán

- Sơn tẩm: Dùng để tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là cách điện ở

dạng xơ (giấy, vải, sợi, cách điện của dây quấn máy điện và thiết bị điện)

Khi được tẩm chất cách điện có điện áp đánh thủng cao hơn, độ dẫn nhiệt lớn hơn, tính thấm ẩm giảm đi, tính cơ học tốt hơn Sau khi tẩm chất cách điện hữu cơ ít

bị ảnh hưởng ôxy hoá của không khí vì vậy tính chịu nóng tăng lên

- Sơn phủ: Dùng để tạo trên bề mặt của vật được quét sơn 1 lớp màng nhẵn

bóng, chịu ẩm và bền về cơ học

Quét sơn này lên cách điện rắn xốp để cải thiện đặc tính của chất cách điện đó (tăng điện áp phóng điện bề mặt và điện trở bề mặt, chống hơi ẩm ) Có 1 số loại sơn phủ (Emay) dùng quét trực tiếp lên kim loại nhằm tạo ra trên bề mặt của nó 1 lớp cách điện (cách điện của dây emay, các lá tôn silic )

+ Men màu cũng được xếp vào loại sơn phủ

+ Sơn bán dẫn cũng là 1 loại men màu đặc biệt

- Sơn dán: Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn lại với nhau hoặc gắn vật

liệu cách điện vào kim loại Ngoài các đặc tính cần thiết cho sơn cách điện nó còn phải có lực bám dính cao

* Theo chế độ sấy sơn được chia thành 2 loại:

Sơn sấy nóng: (dùng dung môi sôi ở nhiệt độ cao) là loại sơn lâu khô ở nhiệt

độ thấp, phải sấy khô ở nhiệt độ > 1000