2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN:
2.3.1. Những hư hỏng thường gặp
- Tớnh dẫn điện của chỳng giảm đi đỏng kể sau thời giam là việc lõu dài
- Hay bị gĩy hoặc bị biến dạng do chịu tỏc dụng của lực cơ khớ, lực điện động và nhiệt độ cao gõy ra
- Bị ăn mũn húa học do tỏc dụng của mụi trường hoặc của cỏc dung mụi
2.3.2. Cỏch chọn vật liệu dẫn điện
Chọn vật liệu dẫn điện phải đảm bảo được cỏc yếu cầu về tớnh chất lý húa, phỉ phự hợp cho việc sử dụng vật liệu, thụng thường phải đảm bảo được cỏc yờu cầu sau:
- Độ dẫn điện phải tốt
- Cú sức bền cơ khớ, đảm bảo được điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt - Cú khả năng kết hợp được với cỏc kim loại khỏc thành hợp kim
- Phải đảm bảo được tớnh chất lý học như: tớnh núng chảy, tớnh dẫn nhiệt, tớnh dĩn nở nhiệt - Đảm bảo được tớnh chất húa học: tớnh chống ăn mũn do tỏc dụng của mụi trường và cỏc dung mụi gõy ra.
- Đảm bảo được tớnh chất cơ học
2.4. MỘT SỐ VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN THễNG DỤNG
Kim loại cú điện trở suất nhỏ (hay điện dẫn suất lớn) là vật dẫn điện tốt. Đồng, nhụm, sắt, kẽm, vàng, bạc...và hợp kim của chỳng là những chất dẫn điện tốt.
2.4.1. Đồng và hợp kim của đồng
1. Đồng (Cu)
Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả cỏc vật liệu dẫn điện dựng trong kỹ thuật điện vỡ nú cú những ưu điểm nổi trội so với cỏc vật liệu dẫn điện khỏc
- Đặc tớnh chung:
- Là kim loại cú màu đỏ nhạt sỏng rực
- Điện trở suất Cu nhỏ (chỉ lớn hơn so với bạc Ag nhưng do bạc đắt tiền hơn nờn ớt được dựng so với đồng).
- Cú sức bền cơ giới đủ lớn.
- Trong đa số trường hợp cú thể chịu được tỏc dụng ăn mũn (cú sức đề khỏng tốt đối với sự ăn mũn).
- Dễ gia cụng: cỏn mỏng thành lỏ, kộo thành sợi. - Dễ uốn, dễ hàn.
- Cú khả năng tạo thành hợp kim tốt.
- Là kim loại hiếm chỉ chiếm khoảng 0,01% trong lũng đất
Đồng dựng trong kỹ thuật điện phải được tinh luyện bằng điện phõn, tạp chất lẫn trong đồng dự một lượng rất nhỏ thỡ tớnh dẫn điện của nú cũng giảm đi đỏng kể.
Qua nghiờn cứu, người ta thấy rằng: nếu trong đồng cú 0,5% Zn, Ni hay Al thỡ điện dẫn suất của nú (Cu) giảm đi 25% 40% và nếu trong đồng cú 0,5% Ba, As, P, Si thỡ cú thể giảm đến 55%.
Vỡ vậy để làm vật dẫn, thường chỉ dựng đồng điện phõn chứa trờn 99,9% Cu.
- Điện trở suất và cỏc yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất
Đồng được tiờu chuẩn húa trờn thị trường quốc tế ở 200C cú: - = 1,7241.10-6(.cm)
- = 0,58.106 (1/.cm) - = 0,00393 (1/0C)
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất : - ảnh hưởng của cỏc tạp chất - ảnh hưởng của gia cụng cơ khớ
ĐỒN MINH KHOA [ 35]
- ảnh hưởng của quỏ trỡnh sử lý nhiệt Nhỡn chung cỏc ảnh hưởng trờn đều giảm điện dẫn suất của đồng.
-Phõn loại:
- Đồng khi kộo nguội được gọi là đồng cứng: nú cú sức bền cao, độ giĩn dài nhỏ, rắn và đàn hồi (khi uốn).
- Đồng được nung núng rồi để nguội gọi là đồng mềm: nú ớt rắn hơn đồng cứng, sức bền cơ giới kộm, độ giĩn khi đứt rất lớn và cú điện dẫn suất cao.
- Đồng được sử dụng trong cụng nghiệp là loại đồng tinh chế, nú được phõn loại trờn cơ sở cỏc tạp chất cú trong đồng tức là mức độ tinh khiết, bảng 2.4
Bảng 2.4
Ký hiệu CuE Cu9 Cu5 Cu0
Cu% 99,95 99,90 99,50 99,00
Trong kỹ thuật người ta sử dụng đồng điện phõn CuE và Cu9 để làm dõy dẫn điện. - Tớnh chất cơ học và cỏc yếu tố ảnh hưởng:
- ảnh hưởng của chất thờm vào : Cỏc kim loại thờm vào : Al, Zn, Ni, … sẽ làm tăng sức bền cơ khớ. Do đú người ta sử dụng nhiều hợp kim của đồng.
- ảnh hưởng của gia cụng cơ khớ:
+/ ở trạng thỏi ủ nhiệt ( mềm) độ bền đứt khi kộo: k = 22kG/cm2 +/ Khi kộo thành sợi (nguội ): k = 45kG/cm2
Vỡ vậy, để dễ dàng khi sử dụng nờn gia nhiệt vật liệu đồng
Lưư ý: Vỡ sức bền cơ khớ của đồng giảm khi nhiệt độ 770C từ 45kG/cm2 xuống 35kG/cm2 sau khoảng thời gian là 80 ngày, nờn những quy định về phương diện kỹ thuật phải làm sao cho giới hạn nung núng bỡnh thường của dõy dẫn trần sao cho nhiệt độ của chỳng khụng vượt quỏ 700C.
- Cỏc đặc tớnh húa học và sự đề khỏng đối với sự ăn mũn:
- ở nhiệt độ thường , đồng là vật liệu cú sức đề khỏng tốt với sự ăn mũn ( do Đồng cú điện húa lớn +0,340 so với H là +0,000)
- Đồng cú khả năng đố khỏng tốt với tỏc động của nước và những khi thời tiết xấu và cú tạo thành lớp ụxit đồng cú tỏc dụng bảo vệ.
- Ứng dụng:
- Đồng cứng được dựng ở những nơi cần sức bền cơ giới cao, chịu được mài mũn như làm cổ gúp điện, cỏc thanh dẫn ở tủ phõn phối, cỏc thanh cỏi cỏc trạm biến ỏp, cỏc lưỡi dao chớnh của cầu dao, cỏc tiếp điểm của thiết bị bảo vệ...
- Đồng mềm được dựng ở những nơi cần độ uốn lớn và sức bền cơ giới cao như: ruột dẫn điện cỏp, thanh gúp điện ỏp cao, dõy dẫn điện, dõy quấn trong cỏc mỏy điện.
Bảng2.5 Cỏc tớnh chất vật lý húa học chớnh của đồng điện phõn
Đặc tớnh Đơn vị đo lường Chỉ tiờu Trọng lượng riờng
Điện trở suất ở nhiệt độ 200C
- Dõy mềm
- Dõy cứng
- Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ ( ở 00 C- 1500C )
- Nhiệt dẫn suất
- Nhiệt độ núng chảy
- Nhiệt lượng riờng trung bỡnh ở 250C - Điểm sụi ở 760mm cột thủy ngõn
- Hệ số giĩn nở dài trung bỡnh ở 200C Kg/dm3 mm2/m - - 1/0C W/cm.grd Calo/cm.s.grd 0C 0 C Kcal/kg.grd 0 C 1/độ ( grd) 8,90 0,01748 0,01786 0,00393 3,92 0,938 1083 0,0918 2325 16,42.10-6
ĐỒN MINH KHOA [ 36]
- Nhiệt độ kết tinh lại
- Modun đàn hồi, E
- Sức bền đứt khi kộo
- Dõy mềm
- Dõy cứng
Thế điện húa so với H
0 C kG/mm2 kG/mm2 V 200 13000 21 45 +0,34 2. Hợp kim của đồng
Hợp kim trong đú vật liệu đồng là thành phần cơ bản, cú đặc điểm là sức bền cơ khớ lớn, độ cứng cao, cú độ dai tốt, màu đẹp và cú tớnh chất dễ núng chảy.
Hợp kim của đồng cú thể đỳc thành cỏc dạng bỡnh phức tạp; người ta dễ dàng gia cụng trờn mỏy cụng cụ và cỏ thể phủ lờn bề mặt của cỏc kim loại khỏc theo phương phỏp mạ điện. Những hợp kim chớnh của đồng được sử dụng trong kỹ thuật điện là: Đồng thanh, đồng thau, cỏc hợp kim dựng làm điện trở.
Ngồi việc dựng đồng tinh khiết để làm vật dẫn, người ta cũn dựng cỏc hợp kim của đồng với cỏc chất khỏc như: thiếc, silic, phốtpho, bờrili, crụm, mangan, cadmi..., trong đú đồng chiếm vị trớ cơ bản, cũn cỏc chất khỏc cú hàm lượng thấp. Căn cứ vào lượng và thành phần cỏc chất chứa trong đồng, người ta chia hợp kim của đồng thành cỏc dạng chủ yếu :
- Đồng thanh (đồng đỏ):
Đồng thanh là một hợp kim của đồng, cú thờm một số kim loại khỏc để tăng cường độ cứng, sức bền và dễ núng chảy.
Tuỳ theo cỏc vật liệu thờm vào, người ta phõn biệt:
o Đồng thanh với thiếc.
o Đồng thanh với thiếc và kẽm.
o Đồng thanh với nhụm.
o Đồng thanh với Bờrili.
Đồng thanh được dựng để chế tạo cỏc chi tiết dẫn điện trong cỏc mỏy điện và khớ cụ điện; để gia cụng cỏc chi tiết nối và giữ dõy dẫn, cỏc ốc vớt, đai cho hệ thống nối đất, cổ gúp điện, cỏc giỏ đỡ và giữ,...
Bảng2…. Tớnh chất vật lý của đồng thanh
Đặc tớnh Đơn vị đo lường Chỉ tiờu
-Trọng lượng riờng
-Điện trở suất ở nhiệt độ 200C -Điện dẫn suất
- Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ - Nhiệt dẫn suất
- Nhiệt độ núng chảy bỡnh thường - Nhiệt lượng riờng trung bỡnh ở 250C - Hệ số giĩn nở dài trung bỡnh 0-1000C - Nhiệt độ xử lý nhiệt ( ủ)
- Modun đàn hồi, E - Sức bền đứt khi kộo
- Độ dĩn dài riờng khi kộo đứt
Kg/dm3 cm.10-6 -1cm-1.106 - 1/0C W/cm.grd 0 C Kcal/kg.grd 1/độ ( grd) 0 C kG/mm2 kG/mm2 % 7,2- 8,9 1,92-11,1 0,52-0,09 0,004 0,54- 0,43 900-1200 0,10 16,6.10-6 630-750 9000-13000 50 - 85 3-30
Bảng2…. Cỏc đặc tớnh cơ của đồng thanh- Nhụm đựoc sử dụng trong kỹ thuật điện
Ký hiệu Mức độ cứng Sức bền khi Kộo:Kg/mm2 (tối thiểu) Đỗ dẫn dài tương đối Khi đứt % (tối thiểu) Độ cứng Brinell HB (tối thiểu) Trọng lương riờng Kg/cm2 BzAl5 - Mềm - ẵ cứng 35-45 42-45 30 15 70 110 8,2 8,2
ĐỒN MINH KHOA [ 37]
- Cứng 50-63 8 140 7,6
- Đồng thau:
Đồng thau là một hợp kim đồng với kẽm, trong đú kẽm khụng vượt quỏ 46%. Ở nhiệt độ cao, sức bền của đồng thau đối với sự ăn mũn do oxyt húa sẽ giảm. Tốc độ oxyt húa của đồng thau càng nhỏ (so với đồng tinh khiết) khi tỷ lệ phần trăm của kẽm càng lớn.
Nếu tỷ lệ phần trăm của kẽm lớn hơn 25%, thỡ lớp bảo vệ của oxyt kẽm tạo nờn trờn bề mặt của vật liệu càng nhanh khi nhiệt độ càng lớn.
Cũn nếu tỷ lệ phần trăm của kẽm nhỏ thỡ trờn bề mặt của vật liệu sẽ tạo một lớp màu hơi đen giàu oxyt đồng. Tớnh chất này của đồng thau với tỷ lệ lớn hơn 25% kẽm tạo thành một lớp bảo vệ ở 3000C và đụi khi được sử dụng để bảo vệ cỏc chi tiết chống lại sự ăn mũn của khụng khớ cú Amụniac nếu khụng sử dụng một phương phỏp bảo vệ nào khỏc.
Để tăng sức đề khỏng đối với sự ăn mũn điện hoỏ, người ta thường tẩm thiếc hay trỏng kẽm khi đồng thau cũn núng
Đồng thau được dựng trong kỹ thuật điện để gia cụng cỏc chi tiết dẫn dũng như ổ cắm điện, cỏc phớch cắm, đui đốn, cỏc đầu nối đến hệ thống tiếp đất, cỏc ốc, vớt...
2.4.2. Nhụm và hợp kim của nhụm 1. Nhụm (Al)
- Đặc tớnh chung:
Sau đồng, nhụm là vật liệu dẫn điện quan trọng thứ hai được sử dụng trong kỹ thuật điện.Là kim loại màu trắng bạc, rất mềm, rất ớt đề khỏng khi va chạm và xõy xỏt, cú trọng lượng riờng nhỏ ( nhẹ). Chiếm 7,5% trong vỏ trỏi đất ( nhiều nhất trong cỏc kim loại)
- Cú điện dẫn suất và nhiệt dẫn cao, chỉ sau Ag và Cu - Gia cụng dễ dàng khi núng và khi nguội
- Cú sức bền đối với sự ăn mũn do cú lớp oxit rất mỏng tạo ra khi tiếp xỳc với khụng khớ.
- Sức bền cơ khớ tương đối bộ
- Lớp oxit cú điện dẫn lớn nờn khi khú khăn cho việc tiếp xỳc
Bảng2…. Cỏc hằng số vật lý húa học chớnh của dõy dẫn nhụm( 99,5%Al)
Đặc tớnh Đơn vị đo lường Chỉ tiờu
-Trọng lượng riờng ở 200C -Điện trở suất ở nhiệt độ 200C -Điện dẫn suất ở 200C
- Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ ở
200C
- Nhiệt dẫn suất
- Nhiệt độ núng chảy bỡnh thường
- Nhiệt lượng riờng trung bỡnh ở 250C - Điểm sụi ở 760mm cột thủy ngõn
- Hệ số giĩn nở dài trung bỡnh 20-1000C - Nhiệt độ xử lý nhiệt ( ủ)
- Modun đàn hồi, E
- Sức bền đứt khi kộo
- Độ dĩn dài riờng khi kộo đứt
Kg/dm3 cm.10-6 -1cm-1.106 - 1/0C W/cm.grd 0 C Kcal/kg.grd 0 C 1/độ ( grd) 0 C kG/mm2 kG/mm2 % 2,7 2,94 0,34 0,004 2,1 93 0,2259 2270 23,81.10-6 630-750 9000-13000 50 - 85 3-30
- Điện trở suất và cỏc yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất
Điện trở suất của nhụm ở 200C là 2,941.10-6(.cm). Hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ = 0,004- 0,0049 (1/0C) tựy thuộc vào mức độ tinh khiết, điện dẫn suất = 0,34.106 (1/.cm)
So sỏnh với đồng, nhụm cú tớnh chất cơ và điện ớt thuận lợi hơn. Trọng lượng nhẹ (trọng lượng Al nhỏ hơn Cu 3,5 lần), tớnh dẻo cao. So với đồng, nhụm kộm hơn về cỏc mặt điện và
ĐỒN MINH KHOA [ 38]
cơ. Với dõy dẫn cú cựng tiết diện và độ dài thỡ dõy bằng nhụm cú điện trở lớn hơn đồng khoảng 0,0295/0,0175 = 1,68 lần. Do đú nếu cú hai dõy dẫn bằng nhụm và đồng cú điện trở như nhau thỡ dõy nhụm phải cú tiết diện lớn hơn 1,669 lần so với dõy đồng (hay đường kớnh của dõy nhụm lớn hơn do với dõy đồng là 1,68= 1,3 lần).
Vỡ vậy, nếu bị ràng buộc bởi kớch thước thỡ khụng thể thay đồng bằng nhụm được. Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến điện trở suất : - ảnh hưởng của cỏc tạp chất
- ảnh hưởng của gia cụng cơ khớ - ảnh hưởng của quỏ trỡnh sử lý nhiệt Nhỡn chung cỏc ảnh hưởng trờn đều làm tăng điện trở suất và thay đổi hệ số của nhụm.
Bảng2….ảnh hưởng phụ của sắt và Silic đối với điện trở suất của nhụm
Nhụm đĩ được xử lý
(ủ nhiệt)
Cỏc chất thờm vào, % Điện trở suất ở
200C
Hệ số thay đổi điện trở
suất theo nhiệt độ ở 200C Fe Si -Nhụm tinh khiết - Al 99,5% - AL 99,0% - Al 98,5% 0,0005 0,34 0,56 0,96 0,0023 0,1 0,32 0,41 2,63 2,767 2,78 2,835 4,33.10-6 4,10.10-6 4,13.10-6 4,10.10-6 -Phõn loại:
Nhụm dựng trong cụng nghiệp được phõn loại trờn cơ sở tỷ lệ phần trăm của kim loại tinh khiết và tạp chất. Nhụm được sử dụng làm dõy dẫn điện trong kỹ thuật điện thường phải đảm bảo tinh khiết, tối thiểu 99,5% Al, cỏc tạp chất khỏc như sắt, silic tối đa là 0,45%, đồng và kẽm tối đa là 0,05%.
Ở nhiệt độ thường, khi để trong khụng khớ, nhụm sẽ được bọc một lớp mỏng, chắc nịt oxit, lớp này cú điện trở lớn và nú ngăn ngừa việc oxyt húa tiếp tục, do vậy nú đảm bảo là một lớp bảo vệ tốt đối với sự ăn mũn, ngay cả trong điều kiện mụi trường khớ hậu ẩm ướt và hay thay đổi. Song trong trường hợp tồn tại cỏc khớ khỏc trong khớ quyển như CO2, NH3, SO2...và độ ẩm lớn cú thể phỏt sinh ăn mũn điện húa. Hiện tượng ăn mũn điện húa cú thể xảy ra ở mối tiếp xỳc giữa kim loại cơ bản và tuỳ theo tỡnh hỡnh cụ thể, cú thể dẫn đến sự liờn hệ từng phần tử nhỏ của chỳng. Trong sự tồn tại của độ ẩm và cỏc tạp chất cú trong khụng khớ sẽ tạo lờn hàng loạt những phần tử điện Ganvanic bộ nhỏ dẫn đến sự ăn mũn dõy dẫn. Những liờn hệ ấy cú thể làm mất tớnh tinh khiết của nhụm và do đú dễ dàng tạo nờn sự ăn mũn nhanh,
đặc biệt ở những vị trớ tiếp xỳc trong quỏ trỡnh lắp đặt điện.
Thụng qua cỏc thớ nghiệm thực hiện trờn bờ biển trong khụng khớ với giú mạnh, bụi cỏt và khụng khớ ẩm của biển, đối với dõy dẫn nhụm cú độ tinh khiết khỏc nhau, người ta thấy rằng: nhụm với độ tinh khiết 99,5% được gia cụng và lắp rỏp dự cho sự chăm súc cẩn thận nú vẫn bị ăn mũn nhiều hơn đồng.
Đặc biệt trong kỹ thuật điện hay phải nối điện đồng với nhụm. Nếu chỗ tiếp xỳc bị ẩm thỡ ở đấy sẽ cú một sức điện động cú chiều đi từ nhụm sang đồng, do đú phần nhụm ở chỗ tiếp xỳc bị ăn mũn rất nhanh. Vỡ vậy chỗ tiếp xỳc giữa nhụm và đồng cần được chỳ ý bảo vệ