Bài giảng vật liệu điện đh phạm văn đồng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ   BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Bậc học: TCCN GV: Trần Thị Ánh Duyên Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Công nghệ Quảng Ngãi, năm 2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC PHẠM VĂN ĐỒNG KHOA KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ   BÀI GIẢNG VẬT LIỆU ĐIỆN Bậc học: TCCN (30 tiết) GV: Trần Thị Ánh Duyên Bộ môn: Điện - Điện tử Khoa: Kỹ thuật Cơng nghệ Quảng Ngãi, năm 2015 LỜI NĨI ĐẦU Bài giảng “Vật liệu điện” thời lượng 30 tiết biên soạn dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên bậc TCCN qui ngành Điện cơng nghiệp dân dụng, trường đại học Phạm Văn Đồng Bài giảng trình bày lý thuyết môn vật liệu điện, gồm phần bản: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn vật liệu cách điện Nội dung giảng biên soạn theo đề cương chi tiết môn học trường đại học Phạm Văn Đồng ban hành Bài giảng gồm chương, đó: Phần VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Chương Những vấn đề chung Chương Kim loại, hợp kim đặc tính chúng Chương Kim loại hợp kim có điện dẫn suất lớn Chương Lưỡng kim loại Chương Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện Phần VẬT LIỆU BÁN DẪN Chương Chất bán dẫn dùng kỹ thuật điện Phần VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Chương Những hiểu biết kỹ thuật cách điện Chương Tính chất vật liệu cách điện Trong trình biên soạn giảng, tác giả cố gắng trình bày nội dung ngắn gọn dễ hiểu Ngoài ra, cuối chương có câu hỏi ôn tập nhằm giúp sinh viên dễ dàng hệ thống lại kiến thức học Tuy nhiên, q trình biên soạn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận góp ý nội dung giảng để giảng ngày hoàn thiện Các ý kiến đóng góp bạn đọc xin gởi địa chỉ: Bộ môn Điện - điện tử, Khoa Kỹ thuật công nghệ, Trường Đại Học Phạm Văn Đồng Tác giả xin chân thành cảm ơn Tác giả Mục lục Chương Những vấn đề chung Trang 1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện 1.2 Phân loại .1 1.3 Các đặc tính vật liệu dẫn điện .2 1.4 Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ Chương Kim loại, hợp kim đặc tính chúng 2.1 Khái niệm chung 2.2 Cấu tạo kim loại 2.3 Cấu tạo hợp kim 2.4 Tính chất chung kim loại hợp kim 10 2.5 Một số phương pháp thử kim loại hợp kim 12 Chương Kim loại hợp kim có điện dẫn suất lớn 15 3.1 Đồng (Cu) 15 3.2 Hợp kim đồng .18 3.3 Nhôm (Al) 20 3.4 Kẽm (Zn) 24 3.5 Sắt (Fe) .25 3.6 Vonfram (W) 27 3.7 Chì (Pb) 29 3.8 Thủy ngân (Hg) 30 3.9 Bạc (Ag) .31 Chương Lưỡng kim loại .33 4.1 Khái niệm lưỡng kim loại 33 4.2 Dây dẫn lưỡng kim thép – đồng 33 4.3 Nhiệt lưỡng kim 34 Chương Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện 36 5.1 Các yêu cầu chung vật liệu dùng làm tiếp điểm điện 36 5.2 Sức bền tiếp điểm yếu tố ảnh hưởng đến sức bền 36 Chương Chất bán dẫn dùng kỹ thuật điện 39 6.1 Khái niệm chung 39 6.2 Chất bán dẫn 39 6.3 Chất bán dẫn tạp 40 6.4 Chất bán dẫn điện dùng kỹ thuật điện 40 Chương Những hiểu biết kỹ thuật cách điện .45 7.1 Khái niệm chung 45 7.2.Tổn hao điện môi 47 7.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi .50 7.4 Sự hóa già vật liệu cách điện .50 Chương Tính chất vật liệu cách điện 53 8.1 Phân loại vật liệu cách điện 53 8.2 Tính chất vật liệu cách điện thể khí .54 8.3 Tính chất vật liệu cách điện thể lỏng 54 8.4 Tính chất vật liệu cách điện thể rắn .56 8.5 Sự phóng điện điện mơi 57 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… Bài giảng Vật liệu điện Phần I VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Chương NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1.1 Khái niệm vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện loại vật chất mà trạng thái bình thường tồn điện tử tự Nếu đặt vật liệu vào điện trường, điện tích chuyển động theo hướng định tạo thành dòng điện Chiều dòng điện qui ước ngược chiều chuyển động điện tử tự (hay chiều chuyển động điện tích dương điện trường) * Chứng minh tồn trực tiếp điện tử tự phát năm 1913 Đó tồn tượng quán tính Nếu dây dẫn kim loại nằm không gian che chắn toàn với điện từ trường nguồn, cho dây dẫn chuyển động thật nhanh sau dừng lại đột ngột điện tử cịn chuyển động theo quán tính Đồng hồ thị nối với đầu dây có thị đột biến giây lát Ngồi ra, thí nghiệm kết luận rằng: Tỉ số điện tích điện tử khối lượng m cho tất kim loại e = 1,602.10-19 C, me = 9,1.10-31 kg , suy ra: e  1,759.10 11 (C / kg ) giống me cho tất kim loại Vật liệu dẫn điện tồn trạng thái rắn, lỏng khí 1.2 Phân loại Vật liệu dẫn điện phân thành hai loại: - Vật liệu với tính dẫn điện tử hay vật dẫn loại (còn gọi vật dẫn kim loại) - Vật liệu với tính dẫn ion hay vật dẫn loại (cịn gọi vật dẫn điện phân) a) Vật dẫn với tính dẫn điện tử: Là loại vật dẫn mà hoạt động điện tích khơng làm biến đổi thực thể làm nên vật dẫn Bao gồm: kim loại, hợp kim trạng thái rắn hay lỏng số chất kim loại ( than) Kim loại hợp kim có tính dẫn điện tốt chế tạo thành dây dẫn điện, dây cáp, dây để quấn máy điện khí cụ điện,… Kim loại hợp kim có điện trở suất lớn sử dụng khí cụ điện dùng để sưởi, để đốt nóng, đèn chiểu sáng biến trở,… b) Vật dẫn với tính dẫn ion: Là loại vật dẫn mà cho dòng điện qua tạo nên biến đổi hóa học vật dẫn Thơng thường dung dịch (có sở nước) axit, bazơ muối Đặc biệt, khí có cường độ điện trường lớn có tính tính dẫn điện tử tính dẫn ion Trang Bài giảng Vật liệu điện 1.3 Các đặc tính vật liệu dẫn điện a) Điện trở R Là quan hệ hiệu điện không đổi đầu dây dẫn cường độ dịng điện chiều tạo nên dây dẫn Theo định luật Ohm, ta có: R U I Trong đó: R: điện trở đoạn mạch (Ω) U: điện áp đầu đoạn mạch (V) I: cường độ dòng điện chạy qua đoạn mạch (A) b) Điện dẫn G Là đại lượng nghịch đảo điện trở Kí hiệu: G G R Đơn vị G: S (Simen) c) Điện trở suất ρ Là điện trở dây dẫn có chiều dài đơn vị chiều dài tiết điện đơn vị diện tích Đơn vị ρ theo hệ SI là: Ω.m Thơng thường tính theo đơn vị Ω.mm2/m số trường hợp tính μΩ.cm - Theo hệ CGS - Theo hệ MKSA : ρ (Ω.cm) : ρ (Ω.m) Ωcm = 104 Ω.mm2/m = 106 μΩ.cm = 10-2 Ωm d) Điện dẫn suất γ: Là đại lượng nghịch đảo điện trở suất   1.4 Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ Xét chất vật lý: Điện trở vật dẫn biểu mức độ va chạm điện tử với nguyên tử, phân tử vật dẫn Nó phụ thuộc vào chiều dài, tiết diện chất vật liệu vật dẫn (điện trở suất) R   l (Ω) S Trong đó: R: điện trở (Ω) Trang Bài giảng Vật liệu điện ρ: điện trở suất l : chiều dài dây dẫn (m) S: tiết diện dây dẫn (m2) Vậy điện trở vật dẫn tỉ lệ thuận với điện trở suất, với chiều dài dây dẫn tỉ lệ nghịch với tiết diện dây dẫn * Sự phụ thuộc điện trở vào nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng lên, phần tử cấu thành vật chất kim loại gia tăng mức độ chuyển động nhiệt nên điện tử kim loại di chuyển khó khăn hơn, va chạm nhiều Do điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ - Chú ý: Cacbon dung dịch chất điện ly có điện trở suất giảm nhiệt độ tăng Thông thường điện trở suất kim loại tăng theo nhiệt độ theo quy luật sau:  t   (1  t  t  t  ) Ở nhiệt độ t2, điện trở suất tính tốn xuất phát từ nhiệt độ t1 theo công thức:  t   t1 1  (t  t ) Với α hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ loại vật liệu tương ứng Đối với khoảng nhiệt độ chênh lệch (t2 – t1) hệ số α trung bình là:   t   t1  t1 (t  t ) Thiết lập cơng thức tính điện trở vật dẫn nhiệt độ thay đổi: - Giả sử nhiệt độ t1, điện trở vật dẫn r1 - Tại nhiệt độ t2, điện trở vật dẫn r2 => Khi nhiệt độ thay đổi lượng t  t  t điện trở thay đổi lượng r  r2  r1 Lập tỉ số: r r2  r1   .t r1 r1 Trong đó: α hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ loại vật liệu tương ứng (tra bảng)  r1 .t  r2  r1 Hay r2  r1 (1  t ) Ở gần nhiệt độ tuyệt đối (00K), điện trở suất kim loại tinh khiết giảm đột ngột, chúng thể hiện tượng siêu dẫn Về phương diện lý thuyết, 00K kim loại tinh khiết khơng cịn điện trở 00 K = - 2730 C Trang Bài giảng Vật liệu điện Năm 1891, nhà bác học người Hà Lan Kamerlingh Onnes nghiên cứu tính dẫn điện thủy ngân siêu nhiệt độ cực thấp (nhiệt độ hóa lỏng Hêli ), phát rằng, hạ nhiệt độ tới giá trị T0K đó, khoảng 4,150K = - 268,750C điện trở suất thủy ngân giảm xuống đột ngột đến giá trị cực nhỏ, thực tế Trạng thái khơng bình thường vật chất nhiệt độ cực thấp gọi tượng siêu dẫn Dây dẫn có khả chuyển trạng thái nhiệt độ cực thấp gọi dây siêu dẫn Ở nhiệt độ bình thường, Cu Al dẫn điện tốt khơng có trạng thái siêu dẫn Ngun tố có tính siêu dẫn nhiệt độ cao Niobi (Nb), đạt trạng thái siêu dẫn nhiệt độ + 9,40K ( - 263,60K) - Chú ý: Khi nóng chảy, điện trở suất kim loại biến đổi, thông thường giá trị tăng (ngoại trừ ăngtimoan, gali, bitmut: nóng chảy điện trở suất ρ giảm) Bảng 1.1 Bảng đặc tính số vật liệu dẫn điện Tên vật liệu Điện trở suất 200C ( mm / m ) Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (1 / C) khoảng nhiệt độ thay đổi từ -> 1000C Bạc 0,016 0,004 Đồng 0,0175 0,004 Vàng 0,022 0,0035 Nhôm 0,029 0,004 Vônfram 0.056 0,004 Thủy ngân 0,952 0,0009 Ví dụ 1.1: Xác định điện trở dây dẫn nhôm dài 50 km, tiết diện 100mm2 nhiệt độ -50C + 400 C Giải: - Xác định điện trở dây dẫn nhiệt độ tiêu chuẩn, t0 = 200C, ta có: R  0 l 50.10 3  0,029.10   14,5 () S 100.10  với  điện trở suất nhôm nhiệt độ 200C - Xác định điện trở dây dẫn nhiệt độ t1 = - 50C, ta có: R  R (1  t )  R 1  (t  t )  14,51  0,004(5  20)  13,05() - Xác định điện trở dây dẫn nhiệt độ t2 = + 400C, ta có: R  R (1  t )  R 1  (t  t )  14,51  0,004(40  20)  15,66() Trang Bài giảng Vật liệu điện Ví dụ 1.2: Xác định điện trở dây dẫn nhôm biết nhiệt độ 200C có điện trở 1,2  , cịn nhiệt độ xét có điện trở 1,44  Giải: Áp dụng công thức: Trong đó: r2  r1  .t  .( t  t ) r1 r2 = 1,44(  ) r1 = 1,2(  ) t1 = 200C   0,004(1 / C) Suy ra: t  r2  r1 1,44  1,2  t1   20  70 C r1 1,2.0,004 Vậy nhiệt độ dây đẫn thời điểm xét 700C Ngoài điện trở vật liệu phụ thuộc vào thông số khác như:  Hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất Khi kéo nén đàn hồi, điện trở suất kim loại biến đổi theo công thức:    (1  k) Trong đó: (+): ứng với biến dạng kéo (-) : ứng với biến dạng nén δ : ứng suất khí mẫu KG/mm2 k : hệ số thay đổi điện trở suất theo áp suất  Ảnh hưởng từ trường ánh sáng ρ - Điện trở suất kim loại có biến đổi đặt từ trường - Điện trở suất số vật liệu biến đổi tác dụng ánh sáng Câu hỏi chương 1 Trình bày khái niệm vật liệu dẫn điện Phân loại vật liệu dẫn điện Ví dụ minh họa Phân tích thay đổi điện trở nhiệt độ thay đổi Xác định điện trở dây dẫn đồng dài 50 km, tiết diện 100mm2 nhiệt độ -50C + 400 C Nhận xét Xác định điện trở dây dẫn nhơm biết nhiệt độ 200C có điện trở 1,2  , nhiệt độ xét có điện trở 1,44  Trang Bài giảng Vật liệu điện Câu hỏi chương Trình bày đặc tính loại chất bán dẫn sử dụng phổ biến ngành kỹ thuật điện Phân loại chất bán dẫn sở cấu tạo chúng Vì thực tế, bán dẫn tạp sử dụng phổ biến bán dẫn Phân loại bán dẫn tạp Trình bày nguyên lý tạo thành bán dẫn tạp loại n (hay cịn gọi bán dẫn điện tử) Trình bày nguyên lý tạo thành bán dẫn tạp loại p (hay gọi bán dẫn lỗ trống) Trang 43 Bài giảng Vật liệu điện Phần III VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Chương NHỮNG HIỂU BIẾT CƠ BẢN TRONG KỸ THUẬT CÁCH ĐIỆN 7.1 Khái niệm chung Mục đích cách điện trì khả cách điện vật liệu cách điện đặt điện trường Muốn không để xảy tượng sau đây: - Phóng điện vật liệu cách điện - Đánh thủng toàn phần phận bên vật liệu cách điện - Phóng điện bề mặt bề mặt tiếp xúc hai vật liệu Hiện tượng phóng điện xảy điện áp lớn trị số đặc trưng vật liệu cách điện Trị số gọi điện áp phóng điện Điện áp mà bắt đầu có phóng điện gọi điện áp ngưỡng phóng điện Để phân biệt tượng đánh thủng với tượng phóng điện bề mặt, quan sát hai điện cực sau: Phóng điện bề mặt U Đánh thủng Hình 7.1 Hiện tượng đánh thủng phóng điện bề mặt Khi tăng điện áp hai điện cực, xảy hai tượng: - Một là: cách điện không chịu nỗi điện áp nhiều chỗ điện tích chạy từ điện cực sang điện cực xuyên qua cách điện Tấm cách điện bị đánh thủng Hiện tượng gọi tượng đánh thủng - Hai là: điện áp tăng đến mức cạnh mép điện cực xuất vầng quang, phát triển thành tia lửa điện bò loằn ngoằn bề mặt cách điện Điện áp tăng tia lửa điện dài cuối nối với cạnh biên cách điện, hồ quang điện phóng bề mặt cách điện từ điện cực sang điện cực kia, gọi tượng phóng điện bề mặt Đối với vật liệu cách điện thể lỏng thể khí xảy tượng đánh thủng, cách điện thể rắn xảy tượng đánh thủng tượng phóng điện bề mặt Trang 44 Bài giảng Vật liệu điện Phóng điện đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng vật liệu, cách điện thể khí thể lỏng bị xuyên thủng giây lát, cịn cách điện thể rắn bị phá hủy vĩnh viễn, khơng sử dụng lại Phóng điện bề mặt thường khơng gây hậu nghiêm trọng phóng điện đánh thủng Nhiệt độ hồ quang điện gây rạn nứt bề mặt cách điện thường không làm hư hỏng đến mức không sử dụng hồn tồn khơng địi hỏi phải thay cách điện Trên bề mặt cách điện rắn, tượng phóng điện bề mặt xảy lặp lại mà không gây hư hỏng trầm trọng thêm Xét phương diện tính liên tục vận hành có khác phóng điện đánh thủng phóng điện bề mặt Cách điện bị phóng điện đánh thủng địi hỏi phải sửa chữa ngay, việc vận hành bị gián đoạn Ngược lại, phóng điện bề mặt gây nên cố thời gian ngắn, ngun nhân phóng điện bề mặt khơng cịn tồn cách điện tiếp tục làm việc bình thường  Điện áp đánh thủng (Uđt): Là điện áp làm cho cách điện có bề dày định bị đánh thủng  Điện áp phóng điện bề mặt (Upđ): Là điện áp làm sinh phóng điện bề mặt bề mặt cách điện Điều kiện làm việc cách điện là: U < Upđ < Uđt U: điện áp định mức cách điện a ñt  a pñ  Uñ t : hệ số an tồn đánh thủng U U pđ U : hệ số an tồn phóng điện bề mặt Ở số vật liệu cách điện, điện áp đánh thủng tăng tỷ lệ thuận với bề dày cách điện phần lớn vật liệu cách điện khơng có quan hệ tỉ lệ thuận vậy, có nghĩa bề dày tăng, ví dụ gấp đơi, điện áp đánh thủng không tăng gấp đôi mà tăng với tỉ lệ nhỏ Điều có nghĩa điện áp đánh thủng tăng chậm bề dày cách điện Điện áp tính cm bề dày cách điện đo theo hướng đường sức điện trường gọi phụ tải điện cách điện (V/cm) Độ bền cách điện: Là điện áp đánh thủng tính cách điện có bề dày cm, đặt điện trường đồng (kV/cm) Hằng số điện môi: D = ε.ε0.E Trong đó: D : mật độ điện tích (A.s/cm2), thường gọi dịch chuyển E : điện trường (V/cm) ε0 : số điện môi chân không Trang 45 Bài giảng Vật liệu điện 0  A.s ( )  0,0886.10 12 (A.s ) 11 V.cm 4..9.10 V.cm ε : số điện môi tương đối, gọi số điện môi Trong chân không: D = ε0.E Trong môi trường có số điện mơi ε: D = ε.ε0.E Khi đặt hai điện cực cách điện có khác điện trường khơng khí điện trường cách điện Trong khơng khí, số đường sức điện trường số đường dịch chuyển (mật độ điện tích) nhau, điện trường E bằng: E = D/ε0 +  1  1 _- 3 A C B Hình 7.2 Sự biến đổi điện trường cách điện Trong cách điện C có số điện mơi ε, điện trường giảm tỷ lệ nghịch với ε Hình 1 7.2 cho thấy cách điện C có ε = 3, số đường sức điện trường  số  đường sức khơng khí Điện tích chuyển động đến bề mặt cách điện C số bị giữ lại, cịn số điện tích tự chuyển động qua cách điện, số điện tích tự tạo điện trường cách điện Dịch chuyển cách điện C giữ không đổi (D không đổi) Gọi E0 điện trường không khí thì: D = ε0.E = E0 (ε0=1) Cịn cách điện C với số điện mơi ε điện trường giảm ε lần: E E0 (D = ε0.ε.E = ε.E0)  7.2 Tổn hao điện môi Khi cho dịng điện xoay chiều qua tụ điện C có số điện mơi ε, ta thấy điện mơi nóng lên, tỏa nhiệt môi trường xung quanh Phần lượng không sinh công, gọi tổn hao điện môi Trang 46 Bài giảng Vật liệu điện Xét dòng điện xoay chiều có tần số ω = 2πf qua tụ điện C, lúc dịng điện tích điện cho tụ It có thành phần: - Dịng tích điện thực Ic, sớm pha 900 so với điện áp, mang tính chất điện dung: Ic  U  Xc U C.  U.C. (A) Trong đó:   2f  2 với f tần số dao động điện áp (rad/s) T C: điện dung tụ điện (Fara) U: điện áp (V) - Dòng IR gây tổn hao, làm nóng điện mơi, đồng pha với điện áp U It IC   IR Hình 9.3 Phân tích dịng điện qua điện mơi Dịng tích điện It dịng tổng hợp thành phần vng góc với này: I t  I C2  I 2R Trong đó: IC = cosδ.It : dịng điện dung (dịng điện vơ cơng) IR = sinδ.It : dịng điện gây tổn hao (dịng điện hữu cơng) Tỉ lệ hai thành phần: tg  IR với δ góc tổn hao IC Vậy IR = IC.tgδ = ω.C.U.tgδ Tổn hao điện môi: Pd = U.IR = ω.U2.C.tgδ (W) Với C = C0.ε Với C0 điện dung tụ điện với cách điện khơng khí Khi thay khơng khí điện mơi có số điện mơi ε điện dung tụ tăng lên ε lần Tổn hao điện môi là: Pd = ω.C0.U2.ε.tgδ (W) Trang 47 Bài giảng Vật liệu điện Điện dung C tụ điện có điện tích điện cực A (cm2), cách a (cm) là: C0  0 A A  11 a 4..9.10 a Tổn hao điện môi là: Pd   A U .tg 11 4..9.10 a Với ω=2.π.f A U .f tg 11 18.10 a A a  U .f tg 11 18.10 a a Pd  Với E  U A  d a  Pd  A.a.E .f tg 11 18.10 Với A.a thể tích V lớp điện mơi => tổn hao điện mơi trung bình tính cm3 là: Pd  Pd  E .f tg ( W cm ) 11 V 18.10 Tổn hao điện mơi trung bình trường hợp E = 1V/cm gọi số tổn hao điện môi: K .f tg 18.1011 W cm W  v cm ( v cm) Vậy p d  K.E ( W cm ) Trong tất chất điện môi thể rắn, tác dụng điện áp xoay chiều, có tượng điện mơi xảy dẫn đến hệ quan trọng: a) So với điện dung có điện mơi khơng khí, điện dung điện môi tăng lên ε lần, ε số điện môi, thông số đặc trưng chất điện môi, phụ thuộc vào tần số nhiệt độ điện môi b) Trong điện môi sinh tổn hao, làm nóng bên điện mơi, tổn hao tỉ lệ thuận với điện áp, với bình phương cường độ điện trường điện trường đồng nhất, tỉ lệ thuận với tần số, với hệ số tổn hao tgδ Tgδ tỉ số thành phần dịng điện hữu cơng so với dịng vơ cơng, thơng số đặc trưng điện môi * Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện mơi: - Tần số dịng điện - Nhiệt độ làm việc điện môi - Độ ẩm điện môi môi trường Trang 48 Bài giảng Vật liệu điện - Trị số điện áp hay cường độ điện trường tác dụng lên điện môi 7.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi - Tần số dòng điện - Nhiệt độ làm việc điện môi - Độ ẩm điện môi môi trường - Trị số điện áp hay cường độ điện trường tác dụng lên điện mơi 7.4 Sự hóa già vật liệu cách điện Tính chất vật liệu cách điện, chủ yếu vật liệu cách điện hữu cơ, thời gian vận hành, chất lượng bị giảm sút liên tục; vật liệu cách điện hóa già, lão hóa Đến lúc đó, tính chất vật liệu giảm sút đến mức khơng thể hồn thành chức cách điện chi tiết kim loại mang điện điện khác Đó q trình già hóa vật liệu Vật liệu cách điện có tuổi thọ ngồi yếu tố chất vật liệu, cịn điều kiện vận hành định Q trình hóa già thực chất kết biến đổi hóa chất xảy nhanh chậm điều kiện vận hành tác động Tất yếu tố ảnh hưởng đến phản ứng hóa học xảy vật liệu cách điện có tác động đến hóa già vật liệu cách điện 7.4.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến hóa già - Nhiệt độ, phụ tải nhiệt Tốc độ phản ứng hóa học tăng với nhiệt độ theo hàm mũ, chí cịn lớn Sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng mạnh phụ tải tăng - Trên sở quan hệ hóa già phản ứng hóa học vật liệu, hiểu tác dụng hóa học từ bên ngồi trực tiếp gián tiếp có ảnh hưởng lớn đến hóa già vật liệu Những tác dụng hóa học tác dụng đến vật liệu cách điện phát sinh từ: + Những vật liệu cách điện gần, sơn tẩm, dầu,… + Môi trường bao quanh vật liệu cách điện, như: chất bẩn thể khí, sản phẩm sinh từ phóng điện vầng quang, khí ozon, khơng khí ẩm, … Những tác dụng hóa học từ bên ngồi làm giảm làm tăng tuổi thọ vật liệu cách điện Ví dụ: số hóa chất làm tăng tuổi thọ dầu biến chúng ngăn cản q trình oxy hóa dầu, cách điện từ giấy độ ẩm làm giảm tuổi thọ cách điện, tuổi thọ vật liệu cách điện dùng để bọc dây dẫn chịu ảnh hưởng từ vật liệu chế tạo dây dẫn,… - Những tác động học trình chế tạo, trình vận hành ảnh hưởng đến hóa già vật liệu 7.4.2 Những q trình hóa học chủ yếu gây nên hóa già vật liệu cách điện - Sự oxy hóa: Oxy làm cho thành phần cấu tạo vật liệu cách điện bị oxy hóa Những tác dụng bên ngồi đẩy nhanh q trình oxy hóa (như O3, sản phẩm sinh từ q trình phóng điện mơi trường cách điện, số chất xúc tác…) có trường hợp làm chậm lại q trình oxy hóa với chất tẩm phù hợp Trang 49 Bài giảng Vật liệu điện Oxy hóa làm cho vật liệu cách điện sinh hóa chất mang tính axit, hóa chất làm suy giảm tính chất điện cách điện đẩy nhanh trình hóa già xúc tác - Sự trùng hợp: Chủ yếu nhựa tổng hợp, trùng hợp tiếp tục xảy q trình hóa già Theo ngun lý tính chất điện nhờ mà cải thiện tính chất học bị suy giảm mạnh (vật liệu trở nên dịn), từ thông số điện bị suy giảm theo - Sự khử trùng hợp: Quá trình khử trùng hợp xảy nhiệt độ cao, gây nên đứt vụn dây chuyền phân tử Do thơng số điện vật liệu cách điện bị suy giảm nhanh chóng Sự khử trùng hợp xảy diện oxy khơng có oxy - Sự thủy phân: Những phân tử nước làm cho cấu trúc phân tử bị lỏng lẻo, vật liệu chịu đựng tác dụng hóa học dễ bị khử trùng hợp - Sự bay hơi: Những sản phẩm làm mềm dễ bay vật liệu thoát làm cho vật liệu bị dịn, bị co ngót, dẫn đến tính chất bị suy giảm 7.4.3 Tuổi thọ Sự hóa già vật liệu cách điện kết biến đổi hóa học bên vật liệu Dựa vào định luật phản ứng hóa học, xác định quy luật hóa già, qua hệ tốc độ hóa già với nhiệt độ Biểu thức Montsinger cho biết quan hệ tuổi thọ nhiệt độ L   L  (   ) / b 0 Trong đó: L : tuổi thọ nhiệt độ θ (0C) L0 : tuổi thọ nhiệt độ so sánh θ0 (0C), ví dụ nhiệt độ ứng với cấp chịu nhiệt b = ÷ 12 số vật liệu Câu hỏi chương Phân biệt tượng phóng điện đánh thủng tượng phóng điện bề mặt Nêu điểm giống khác tượng Khái niệm độ bền cách điện Mô tả mối quan hệ điện áp cách điện bề dày cách điện Thiết lập biểu thức tính tổn hao điện mơi tụ điện có điện dung C, điện trở tụ R Trang 50 Bài giảng Vật liệu điện Chương TÍNH CHẤT VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 8.1 Phân loại vật liệu cách điện Có nhiều tiêu chí phân loại vật liệu cách điện khác a) Phân loại theo trạng thái vật lý Vật liệu cách điện thể rắn, lỏng khí Vật liệu cách điện thể khí lỏng luôn phải sử dụng với cách điện thể rắn hình thành cách điện phần tử kim loại khơng thể giữ chặt khí Vật liệu cách điện thể rắn phân thành nhiều loại: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng Vật liệu cách điện thể rắn thể lỏng có loại trung gian, gọi thể mềm nhão vật liệu có tính bơi trơn, loại sơn tẩm,… b) Phân loại theo thành phần hóa học: gồm vật liệu cách điện hữu vật liệu cách điện vô + Vật liệu cách điện hữu cơ: gồm nhóm, nhóm nguồn gốc thiên nhiên nhóm nguồn gốc nhân tạo Nhóm nguồn gốc thiên nhiên sử dụng chất thiên nhiên giữ nguyên thành phần hóa học như: vải sợi, sơn vecni, giấy, bitum…hoặc biến đổi thành phần hóa học như: cao su, xenlulơit, lụa… Nhóm nhân tạo thường gọi nhựa nhân tạo, gồm: nhựa phenol, aminô, polieste, poliamit, vinyl, poliurêtan, nhựa epoxi, silicon, polietilen… + Vật liệu cách điện vơ cơ: gồm chất khí, chất lỏng khơng cháy, loại vật liệu rắn gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng… c) Phân loại theo tính chịu nhiệt Đây kiểu phân loại Khi lựa chọn vật liệu, phải biết vật liệu có tính chịu nhiệt theo cấp bảng 8.1 Cấp chịu nhiệt Nhiệt độ cho phép 0C Các vật liệu cách điện chủ yếu Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, cao su, gỗ vật liệu tương tự, không tẩm nhựa Các loại nhựa polyetylen, PVC, polystirol, anilin, cacbimit,… A 105 Giấy, vải sợi, lụa dầu; nhựa polyeste, cao su nhân tạo, loại sơn cách điện có dầu làm khơ,… E 120 Nhựa tráng polyvinylphocman, polyamit, epoxi Giấy ép vải ép có nhựa phenolphocmandeh (gọi chung bakelit giấy) Nhựa melaminfocmandehit có chất độn xenlulo Vải có thấm polyamit Nhựa polyamit, nhựa phenol, … B 130 Nhựa polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn Trang 51 Bài giảng Vật liệu điện Sơn cách điện có dầu làm khơ, dùng phận khơng tiếp xúc với khơng khí Sơn cách điện từ nhựa phenol Các loại sản phẩm mica Nhựa epoxy, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiang, mica thủy tinh có chất độn,… P 155 Sợi amiang, sọi thủy tinh có chất kết dính H 180 Silicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính C > 180 Mica khơng có chất kết dính, thủy tinh, sứ,… 8.2 Tính chất vật liệu cách điện thể khí Vật liệu cách điện thể khí có tính chất sau đây: - Điện môi gần 1, số - Điện trở cách điện lớn phụ thuộc điện áp - Hệ số tổn hao phụ thuộc vào điện áp - Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều vào áp suất, thơng số hình học điện cực, thời gian tác động điện áp,… Vật liệu cách điện thể khí sử dụng phổ biến khơng khí Nó sử dụng làm cách điện đường dây tải điện không, thiết bị làm việc mơi trường khơng khí, dùng để phối hợp với cách điện rắn, lỏng Ngoài người ta cịn sử dụng cách điện thể khí khí nitơ N2, khí hydro H2, khí cacbonat CO2,… Hiện cách điện thể khí dùng chủ yếu hợp chất halogen, chúng có cường độ cách điện cao hẳn so với khơng khí, như: - Florua lưu huỳnh (SF6) hay cịn gọi khí Êlêgaz có độ bền cách điện khơng khí khoảng 2,5 lần - Khí Frêơn (CCl2F2) có độ bền cách điện gần khí Êlêgaz Trong kỹ thuật điện, khí hidro khí nhẹ, có tính dẫn nhiệt tốt nên dùng làm mát thay cho khơng khí máy điện công suất lớn nhằm làm giảm công suất tổn hao ma sát rơto với chất khí ma sát quạt gió gây Ngồi ra, người ta cịn sử dụng khí trơ argon, nêon, hêli,…cũng thủy ngân để làm dụng cụ chân khơng bóng đèn… 8.3 Tính chất cách điện thể lỏng Vật liệu cách điện thể lỏng sử dụng phổ biến máy biến áp thiết bị đóng ngắt a) Vật liệu cách điện thể lỏng sử dụng nhiều dầu máy biến áp Dầu máy biến áp có chức sau: - Lấp đầy khoảng trống dây dẫn cuộn dây, cuộn dây cuộn dây, cuộn dây vỏ máy làm nhiệm vụ cách điện Trang 52 Bài giảng Vật liệu điện - Làm mát, tăng cường nhiệt tổn hao cơng suất dây quấn tổn hao lõi thép máy biến áp gây * Các tính chất dầu biến áp: - Dầu biến áp có độ bền cách điện cao, đạt 200 – 250kV/cm Các chất bẩn độ ẩm làm giảm nhiều độ bền cách điện dầu Vì trước cho dầu vào máy, người ta phải làm dầu kỹ sấy chân không - Hằng số điện môi dầu ε = 2,2 – 2,5, gần số điện môi cách điện thể rắn - Điện trở suất dầu biến áp lớn lại giảm nhanh nhiệt độ tăng - Nhiệt độ làm việc dài hạn 90 – 95 0C dầu không bị hóa già nhiều - Đồng chất xúc tác tốt q trình oxy hóa dầu, không để dầu tiếp xúc trực tiếp với dầu * Ưu điểm dầu biến áp: - Có độ bền cách điện cao, đạt 160kV/cm lớn tùy thuộc vào chất lượng dầu - Hằng số điện môi lớn, khoảng 2,2 - > 2,5 - Sau bị đánh thủng, khả phục hồi cách điện dầu lớn sau nhiều lần bị đánh thủng phần dầu bị cháy bị phân hủy hóa học - Có thể thâm nhập vào khe rãnh vừa có tác dụng cách điện, vừa có tác dụng làm mát trường hợp có dịng chảy mạnh - Có thể sử dụng môi trường dập tắt hồ quang máy cắt điện * Nhược điểm dầu máy biến áp: - Các chức dầu biến áp biến đổi lớn dầu bị bẩn - Dầu biến áp nhạy cảm với độ ẩm, lớp dầu bề mặt dầu có tính hút ẩm mạnh Dầu biến áp nhạy cảm với độ ẩm lớp dầu bề mặt có tính chất hút ẩm - Ở nhiệt độ cao cịn giới hạn cho phép, dầu có thay đổi hóa học gây nên việc tạo bọt khí dầu làm cho khả cách điện khả làm mát giảm Đó hóa già dầu - Dầu biến áp dễ cháy, cháy phát sinh khói đen, dầu bốc lên hịa lẫn với khơng khí làm thành hỗn hợp nổ Trong trình làm việc, dầu máy biến áp thiết bị già hóa, tốc độ già hóa phụ thuộc vào yếu tố sau: + Khi có khơng khí lọt vào + Nhiệt độ làm việc tăng, có tác dụng ánh sáng + Khi có tác dụng điện trường cao + Khi có tiếp xúc dầu với số kim loại b) Ngoài ra, cịn có cách điện lỏng khác sử dụng phổ biến như: dầu tụ điện, dầu cáp điện… Trang 53 Bài giảng Vật liệu điện 8.4 Tính chất vật liệu cách điện thể rắn Vật liệu cách điện thể rắn đóng vai trị quan trọng kỹ thuật cách điện, khơng thể làm cách điện cho thiết bị điện mà không cần dùng vật liệu cách điện thể rắn Có nhiều chủng loại vật liệu cách điện thể rắn khác nhau, có cấu tạo lý hóa khác nhau, thơng số tính chất điện khác Do ngồi hiểu biết tính chất quy luật khái quát, cần phải hiểu biết chi tiết loại vật liệu mà muốn sử dụng Thông thường vật liệu gồm nhiều loại vật liệu khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu tỉ lệ thành phần vật liệu khác mà thơng số tính chất cách điện biến thiên phạm vi rộng Ngoài đặc tính điện, ta cần phải biết đặc tính cách điện Phân loại vật liệu cách điện thể rắn: gồm hợp chất hữu cao phân tử hợp chất vô a) Các hợp chất hữu cao phân tử (hay cách điện rắn hữu cơ) - Nhựa cách điện: gồm loại: + Nhựa tổng hợp + Nhựa thiên nhiên Nhựa tổng hợp như: nhựa phenol, cao su silicon, nhựa melamin,… Nhựa thiên nhiên gồm: + Cánh kiến: số côn trùng phát + Nhựa thông (hay colofan): nhựa thông + Nhựa copan - Dầu thực vật: Là chất lỏng nhớt thu từ hạt loại thực vật khác dầu gai, dầu trẩu, dầu thầu dầu,….Dưới tác dụng nhiệt độ, ánh sáng, khơng khí yếu tố khác…, dầu chuyển sang trạng thái rắn - Sơn hợp chất cách điện: chúng thường dạng lỏng q trình chế tạo, sau đơng rắn lại - Nhựa đường: Dựa vào nguồn gốc, người ta phân nhựa đường thành loại: + Nhựa đường nhân tạo ( nguồn gốc dầu mỏ): sản phẩm nặng chưng cất dầu mỏ + Nhựa đường thiên nhiên ( tồn dạng khoáng sản): thường gọi nhựa đường Atfan - Vật liệu xơ: Được chế tạo từ phân tử nhỏ dài giấy, gỗ, cát tông, vải, sợi,…có nhiều thuận lợi như: rẻ tiền, độ bền độ dẻo cao, sản xuất dễ dàng,… độ bền điện tính dẫn nhiệt khơng cao, độ hút ẩm lớn,… - Chất đàn hồi: cao su thiên nhiên, cao su lưu hóa (cho cao su tác dụng với lưu huỳnh), cao su tổng hợp ( dùng rượu, cồn, dầu mỏ khí thiên nhiên làm nguyên liệu để sản xuất cao su tổng hợp thay cho cao su thiên nhiên) b) Các cách điện rắn vô (điện môi vô cơ) - Thủy tinh - Vật liệu gốm, sứ Trang 54 Bài giảng Vật liệu điện - Meca - Amiăng - Xét nhét - Cách điện oxit, cách điện Florua: cách điện oxit thường sử dụng oxit bề mặt nhôm(Al2O3) 8.5 Sự phóng điện điện mơi Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt giới hạn xảy tượng phóng điện chọc thủng điện môi * Yêu cầu chung cách điện thể khí: - Phải khí trơ, nghĩa khơng gây phản ứng hóa học với cách điện khác kết cấu, với kim loại thiết bị - Có cường độ cách điện cao nhằm giảm kết cấu cách điện - Nhiệt độ hóa lỏng thấp để sử dụng chúng trạng thái áp suất cao - Tản nhiệt tốt - Rẻ tiền, dễ sử dụng chế tạo * Các dạng phóng điện khác cách điện thể khí tùy thuộc vào cơng suất nguồn, áp suất khí,…gồm: - Phóng điện tỏa sáng: Ứng dụng làm đèn nêon, đèn quảng cáo, trang trí, ống phát sáng,… xảy áp suất khí thấp - Phóng điện tia lửa: Xảy áp suất lớn, thường tia nhỏ nối điện cực Ứng dụng: làm thiết bị đốt lị gas, đánh lửa budi xe máy, ơtơ,… - Phóng điện hồ quang: Xảy cơng suất lớn, thời gian dài áp suất cao Ứng dụng: hàn hồ quang - Phóng điện vầng quang: Đây dạng phóng điện khơng hồn tồn tia lửa điện khơng nối dài điện cực * Yêu cầu chung cách điện thể lỏng: Ở điều kiện bình thường, điện mơi lỏng có cách điện lớn nhiều so với điện mơi khí Q trình phóng điện điện mơi khí xảy phức tạp sau lần phóng điện sinh tạp chất muội khói chất lỏng bị cháy * Yêu cầu chung cách điện thể rắn: Đối với điện mơi rắn, xảy q trình phóng điện: phóng điện đánh thủng phóng điện bề mặt tùy thuộc vào điện áp đặt vào cách điện Câu hỏi chương Nêu tiêu chí để phân loại vật liệu cách điện Trình bày chất cách điện thể khí sử dụng phổ biến thực tế Nêu đặc tính chúng Yêu cầu chung cách điện thể khí Phân tích Trang 55 Bài giảng Vật liệu điện Nêu công dụng dầu máy biến áp Các yếu tố ảnh hưởng đến hóa già dầu Hãy phân tích ưu nhược điểm dầu biến áp Phân loại chất cách điện thể rắn Các chất cách điện thể rắn vô sử dụng thực tế Trình bày cách điện rắn hữu sử dụng thực tế Nêu đặc tính chúng Trang 56 Bài giảng Vật liệu điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Xuân Phú, Vật liệu kỹ thuật điện, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, 1996 [2] Vụ giáo dục chuyên nghiệp, Giáo trình vật liệu điện, NXB Giáo dục [3] Dương Vũ Văn, Vật liệu điện - điện tử, NXB Đại học Quốc gia Thành phố HCM Trang 57 ... môn vật liệu điện, gồm phần bản: vật liệu dẫn điện, vật liệu bán dẫn vật liệu cách điện Nội dung giảng biên soạn theo đề cương chi tiết môn học trường đại học Phạm Văn Đồng ban hành Bài giảng. .. thép - đồng với dây dẫn đồng Trang 34 Bài giảng Vật liệu điện Chương VẬT LIỆU DÙNG LÀM TIẾP ĐIỂM ĐIỆN 5.1 Các yêu cầu chung vật liệu dùng làm tiếp điểm điện Vật liệu dùng làm tiếp điểm điện phải... 8.4 Tính chất vật liệu cách điện thể rắn .56 8.5 Sự phóng điện điện môi 57 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………… Bài giảng Vật liệu điện Phần I VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Chương NHỮNG