Mã bài: CIE 01 13 02
Giới thiệu:
Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện. Chúng được dùng để tạo ra cách điện bao bọc quanh những bộ phận dẫn điện trong các thiết bị điện và để tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau. Nhiệm vụ của cách điện là chỉ cho dòng điện đi theo những con đường trong mạch điện đã được sơ đồ qui định. Rõ ràng là nếu thiếu vật liệu cách điện sẽ không thể chế tạo được bất kỳ thiết bị điện nào kể cả loại đơn giản nhất. Vật liệu cách điện có ý nghĩa quan trọng như vậy nhưng ḿn sử dụng đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi người cơng nhân phải am hiểu về tính chất, các đặc tính kỹ thuật của từng loại vật liệu cách điện. Nội dung bài học này nhằm trang bị cho người học những kiến thức cơ bản của vật liệu cách điện và ứng dụng của nó.
Mục tiêu thực hiện:
Học xong bài học này, học viên có năng lực:
Nhận dạng các loại vật liệu cách điện, đạt chính xác 90% trong mọi trường hợp.
Phân loại các loại vật liệu cách điện có trong xưởng trường, đạt chính xác 90% theo cách phân loại do giáo viên đưa ra.
Trình bày các đặc tính của các loại vật liệu cách điện có trong xưởng trường theo nội dung bài đã học.
Sử dụng thành thạo các loại vật liệu cách điện có trong xưởng trường đúng yêu cầu kỹ thuật.
Xác định các dạng hư hỏng ở các loại vật liệu cách điện có trong xưởng, chính xác 90% theo các trường hợp do giáo viên đưa ra.
Xác định các nguyên nhân gây ra hư hỏng ở các loại vật liệu cách điện có trong xưởng, chính xác 100% theo các trường hợp do giáo viên đưa ra.
Tính chọn/thay thế vật liệu cách điện ở các thiết bị có trong xưởng trường đúng u cầu kỹ tḥt.
Nợi dung chính:
3.1.Khái niệm vật liệu cách điện.
3.2.Tính chất chung của vật liệu cách điện. 3.3.Ti êu chuẩn lựa chọn.
3.4.Một số vật liệu cách điện thông dụng.
48
Hoạt động 1: Học trên lớp
3.1. Khái niệm vật liệu cách điện:
Phần điện của các thiết bị có phần dẫn điện và phần cách điện. Phần dẫn điện là tập hợp các vật dẫn khép kín mạch để cho dòng điện chạy qua. Để đảm bảo mạch làm việc bình thường, vật dẫn cần được cách ly với các vật dẫn khác trong mạch, vật dẫn của mạch khác hoặc vật dẫn nào đó trong khơng gian. Ngoài ra còn phải cách ly vật dẫn với các nhân viên làm việc với mạch điện. Như vậy vật dẫn phải được bao bọc bởi các vật liệu cách điện.
Vật liệu cách điện còn được gọi là điện môi. Điện môi là những vật liệu làm cho dòng điện đi đúng nơi qui định.
3.2. Tính chất của vật liệu cách điện:
Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đới với kỹ thuật điện hơn nữa vật liệu cách điện có nhiều chủng loại khác nhau và ngay trong mỗi loại, do đặc tính kỹ tḥt và cơng nghệ chế tạo cũng có nhiều vật liệu cách điện khác nhau. Trong quá trình lựa chọn vật liệu cách điện để sử dụng vào một mục đích cụ thể, cần phải chú ý tới tính chất cách điện của nó trong những điều kiện bình thường và xem xét tới độ ổn định của những tính chất như tính chất hóa học, lý học, cơ học, độ bền nhiệt, hệ số giản nở nhiệt, khả năng chớng ăn mòn hóa học, thời gian lão hóa của vật liệu v v...Vì vậy ở bài học này chỉ tìm hiểu những tính chất chung của các loại vật liệu cách điện để tạo ra nhưng thiết bị chất lượng cao đảm bảo làm việc lâu dài và đem lại hiệu quả kinh tế cao. Tính chất của vật liệu cách điện được thể hiện qua các tính chất:
3.2.1. Tính dẫn điện của điện môi.
1. Khái niệm chung về dẫn điện của điện môi
- Độ dẫn điện của điện của vật liệu cách điện xác định bởi trạng thái của chất khí, lỏng hoặc rắn và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ của môi trường. Cường độ điện trường khi tiến hành đo cũng gây một số ảnh hưởng đối với điện dẫn của điện môi.
- Khi làm việc lâu dài dưới điện áp, dòng điện đi qua trong điện mơi rắn và lỏng có thể tăng hoặc giảm theo thời gian do nguyên nhân là tạp chất của điện môi giảm dần.
2. Điện dẫn của điện môi: Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn người ta chia
điện dẫn thành ba loại:
- Điện dẫn điện tử: thành phần của loại điện dẫn này chỉ là các điện tử tự do chứa trong điện môi.
49
- Điện dẫn ion: thành phần của loại điện dẫn này là các ion dương và âm. Các ion sẽ chuyển động đến điện cực khi có điện trường tác động, tại điện cực các ion sẽ được trung hòa về điện và tích lũy dần trên bề mặt điện cực giớng như quá trình điện phân. Vì vậy điện dẫn ion còn gọi là điện dẫn điện phân.
3. Điện dẫn của điện mơi khí:
- Trong điện mơi khí ln xảy ra q trình ion hóa tự nhiên, khi điều kiện mơi trường không thay đổi trong các chất khí bao giờ cũng tồn tại một sớ lượng điện tích tự do nhất định. Sở dĩ có hiện tượng này là vì trong điện mơi khí tồn tại q trình tái hợp song song với q trình ion hóa, đó là q trình kết hợp giữa các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa. Trạng thái cân bằng của điện môi đạt được khi số điện tích xuất hiện do ion hóa cân bằng với sớ điện tích bị tái hợp.
4. Điện dẫn của điện môi lỏng
- Điện dẫn ion của các điện môi lỏng: Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thì chuyển động nhiệt các phân tử điện mơi lỏng sẽ tăng, điện mơi lỏng có sự giãn nở nhiệt, lực liên kết giữa các phân tử giảm đi, độ nhớt sẽ giảm, mức độ phân ly các phân tử do nhiệt sẽ tăng lên và làm tăng điện dẫn điện môi lỏng.
- Điện mơi lỏng thường chứa các tạp chất, do có hạt keo, các sợi, bụi bẩn…lơ lửng ở bên trong, do có q trình chuyển động nhiệt, các chất này ma sát với phân tử điện môi lỏng và chúng bị nhiễm điện.
Dưới tác dụng của điện trường các khới điện tích dương và âm của tạp chất sẽ chuyển động: khới điện tích dương đi về cực âm, khới điện tích âm đi về cực dương, chúng tạo nên dòng điện dẫn điện .
5. Điện dẫn của điện môi rắn
- Điện dẫn trong điện môi rắn được tạo nên là do sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi rắn cũng như các ion tạp chất dưới tác dụng của điện trường. Điện mơi rắn có cấu tạo rất đa dạng và tính dẫn điện của chúng rất khác nhau. Tuy nhiên chúng được chia thành những loại sau:
+ Nhóm 1: Điện mơi rắn có cấu trúc phân tử: Giấy, gỡ, nhựa PVC, PE và các hợp chất hữu cơ khác.
+ Nhóm 2: Vật rắn có cấu trúc ion: tinh thể NaCl + Nhóm 3: Vật rắn khơng định hình: thủy tinh vơ cơ + Nhóm 4: Vật rắn vơ cơ: Sành, sứ, gốm.
6. Điện dẫn mặt của điện môi rắn
Điện dẫn mặt thường gây nên do bề mặt của vật liệu bị ẩm. Sự hấp thụ hơi ẩm trên bề mặt điện mơi có quan hệ chặt chẽ với độ ẩm tương đới của mơi trường xung quanh. Theo điện dẫn mặt có thể phân tích các vật liệu thành một sớ nhóm * Điện môi không hòa tan trong nước:
- Các điện mơi trung tính và cực tính yếu khơng bị thấm nước: Parafin, hổ phách, lưu huỳnh.
- Các điện mơi cực tính bị thấm nước: bao gồm một số loại gốm.
Tất cả các vật liệu của nhóm này có đặc điểm là điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường xung quanh. Nhưng đối với điện mơi cực tính
50
chỉ có thể nhận được điện trở suất mặt cao trong môi trường khi nào bề mặt của nó hồn tồn khơng bẩn.
* Các điện mơi hòa tan một phần trong nước: Nhóm này bao gồm phần lớn các thủy tinh kỹ thuật. Loại vật liệu này có điện trở suất mặt thấp hơn và phụ thuộc nhiều vào độ ẩm.
* Điện mơi có cấu tạo xốp: Loại điện môi này bao gồm các vật liệu sợi (hữu cơ và vô cơ): đá hoa, clorit hoạt thạch và đa số các chất dẻo. Do cấu tạo xốp, trong mơi trường ẩm các vật liệu này có điện dẫn suất mặt lớn.
3.2.2. Sự phân cực của điện môi
Khái niệm về sự phân cực
- Khi đặt một thanh điện môi trong điện trường E, trong điện mơi xảy ra q trình phân cực: trên bề mặt điện mơi phía cực dương xuất hiện các điện tích âm và ngược lại, trên bề mặt điện mơi phía điện cực âm xuất hiện các điện tích dương trái dấu với điện cực bên ngồi. Vì vậy ta có định nghĩa về sự phân cực như sau: - Phân cực được xác định bởi sự chuyển dịch của các điện tích c dưới tác dụng của lực điện trường. Khi xảy ra phân cực, trên bề mặt điện mơi xuất hiện các điện tích trái dấu với dấu của điện cực bên ngồi. Như vậy điện mơi sẽ tạo thành một tụ điện, với điện dung là C, điện tích là Q
Q = C.U ( U: điện áp đặt vào tụ điện) b. Hằng số điện môi:
Hằng số điện môi để đánh giá chất lượng của điện mơi: ký hiệu ɛ Ta có
ɛ = C/Co
Co: điện dung của tụ điện khi giũa các điện cực là chân không
Như vậy hằng sớ điện mơi bất kỳ có thể xác định bằng tỉ sớ giữa điện dung tụ điện của điện mơi đó với điện dung của tụ điện cùng kích thước điện cực khi điện môi là chân không.
3.2.3. Tổn hao điện môi
1. Khái niệm: “Tổn hao điện môi là phần năng lượng phát sinh ra trong điện môi,
trong một đơn vị thời gian làm cho điện mơi nóng lên khi có điện trường bên ngồi tác động”.
- Dòng tạo tổn hao:
+ Với U 1 chiều: Trong ĐM khơng có sự phân cực theo chu kỳ nên năng lượng tiêu hao chỉ do I rò gây nên, nghĩa là chất lượng của vật liệu được xác định bằng điện trở suất của vật liệu đó.
+ Với U xoay chiều: Ngoài I rò trong ĐM còn có I fc gây nên, do đó phải dùng các đặc tính khác để xác định chất lượng vật liệu cách điện
- Công suất tổn hao điện môi : + Với điện áp 1 chiều: P = RI2
+ Với điện áp xoay chiều: P = U.I.cos = U.I = U.I .tgδ = U. .tgδ = U .ω.C.tgδ P = U .ω.C.tgδ
51
+ Khi điện mơi có tổn hao điện mơi lớn thì nhiệt độ phát nóng trong điện mơi tăng dần lên, đến một lúc nào đó vượt quá mức cho phép sẽ làm cho điện môi bị phân huỷ nhiệt và điện mơi bị mất tính chất cách điện, mà ta gọi là phóng điện do nhiệt gây nên.
+ Nếu điện áp đặt lên điện môi không đủ lớn để tạo nên độ nóng quá mức cho phép do tổn hao điện mơi gây ra thì trong trường hợp này tổn thất điện môi vẫn đưa đến những tác hại nghiêm trọng, ví dụ làm tăng điện dẫn của điện mơi, các tham số của vật liệu thay đổi, sơ đồ mạch điện cũng thay đổi.
3. Các nguyên nhân gây nên tổn hao điện môi
+ Do dòng điện rò + Do dòng phân cực
+ Do ion hố các chất khí ở điện áp cao, nên khi chế tạo thiết bị điện áp cao cần phải loại trừ các bọt khí bên trong vật liệu cách điện
+ Do tạp chất, cấu tạo khơng đồng nhất. Do vậy trong q trình cơng nghệ sản xuất vật liệu cần phải giữ đúng quy trình hạn chế tới mức thấp nhất sự tồn tại tạp chất trong vật liệu.
3.2.4. Sự phóng điện trong điện môi
1. Khái niệm
- Khi đặt U lên 2 đầu ĐM, vượt quá một giới hạn nào đó sẽ xảy ra phóng điện chọc thủng ĐM, khi đó ĐM bị mất hồn tồn tính chất cách điện, Hiện tượng đó chính là sự phóng điện chọc thủng của ĐM hay là sự phá huỷ độ bền ĐM.
- Phóng điện chọc thủng còn gọi là đánh thủng ĐM hay phóng điện xun qua ĐM. Trị sớ điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng ĐM được gọi là điện áp đánh thủng (Uđt) trị số tương ứng của cường độ điện trường là cường độ đánh thủng hay cường độ điện trường cách điện của ĐM (Eđt). đt đt h U E
- Cường độ điện trường cách điện của ĐM “E” = Eđt chính là điện áp đánh thủng ĐM trên 1 mm chiều dày ĐM. Khi tính tốn để chọn chiều dày ĐM của một thiết bị làm việc ở điện áp định mức nào đó (Uđm), cần tính đến hệ sớ an tồn K đm đt . U h K E
- Thực tế có rất nhiều yếu tớ ảnh hưởng tới E cách điện của ĐM: dạng điện trường, dạng điện áp, thời gian tác dụng của điện áp, điều kiện môi trường như áp suất, nhiệt độ, độ ẩm,..
2. Yêu cầu chung đối với các chất khí cách điện
- Phải là loại khí trơ, tức là khơng gây ra phản ứng hố 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. Sử dụng cách chất khí có cường độ cách điện cao sẽ giảm được kích thước kết cấu cách điện và của thiết bị.
- Nhiệt độ hoá lỏng thấp, để có thể sử dụng chúng ở trạng thái áp suất cao - Phải rẻ tiền, dễ tiềm kiếm và chế tạo.
- Tản nhiệt tớt. Ngồi nhiệm vụ cách điện của chất khí còn có nhiệm vụ làm mát (trong máy điện) thì còn u cầu dẫn nhiệt tớt.
52
- Các chất khí chủ yếu là khơng khí thường được dùng làm chất cách điện của các thiết bị điện làm việc trong khơng khí và của đường dây tải điện trên khơng. - Vì vậy đặc tính cách điện của chất khí có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật điện cao áp. Khi chúng mất khả năng cách điện sẽ gây nên hiện tượng ngắn mạch và dẫn đến các sự cố trong các thiết bị điện và hệ thống điện .
- Trong nội bộ các điện môi rắn và lỏng cũng thường tồn tại các bọt khí, đó là các điểm cách điện suy yếu vì cách điện của các điện môi này bị hư hỏng thường bắt nguồn từ các q trình phóng điện của bọt khí.
- Vì vậy nghiên cứu q trình phóng điện trong điện mơi khí với mục đích khắc phục và loại trừ sự cố trong các thiết bị và hệ thống điện.
3.2.5.Tính chất cơ-lý-hóa của VLCĐ
* Tính chất cơ học:
Các chi tiết bằng vật liệu cách điện trong các thiết bị điện khi vận hành ngoài sự tác động của điện trường còn phải chịu tác động của phụ tải cơ học nhất định. Vì vậy khi chọn vật liệu cách điện cần phải xem xét tới độ bền cơ của các vật liệu và khả năng chịu đựng của chúng mà không bị biến dạng.
- Độ bền chịu kéo, chịu nén, chịu uốn:
Các dạng đơn giản nhất của phụ tải tĩnh cơ học: nén, kéo và uốn được nghiên cứu trên cơ sở quy luật cơ bản ở giáo trình sức bền vật liệu. Ngồi ra độ bền cơ phụ thuộc diện tích tiết diện ngang và nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì độ bền giảm. - Tính dòn: nhiều vật liệu dòn tức là trong khi có độ bền tương đới cao đới với phụ tải tĩnh thì lại dễ bị phá hủy bởi lực tác động bất ngờ đặt vào. Để đánh giá khả năng của vật liệu chống lại tác động của phụ tải động người ta xác định ứng suất