CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Mã bài: MH 08 – 02 Giới thiệu: Mục đích của các điện là duy trì khả năng cách điện của vật liệu đặt trong điện trường. Vật liệu làm nhiệm vụ đó gọi là vật liệu cách điện, chúng có thể ở dạng rắn, lỏng hay khí. Cấu tạo và ứng dụng của chúng đều rất đa dạng. Trong công nghệ vật liệu ngày nay người ta có thể cải thiện tính chất cách điện của các vật liệu có sắc và chế tạo ra một số loại vật liệu khả dụng rất cao trong kỹ thuật cách điện.
Mục tiêu: - Nhận dạng, phân loại được chính xác các loại vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng; - Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện thường dùng; - Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ thể; - Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phương án thay thế khả thi các loại vật liệu cách điện thường dùng; - Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc. Nội dung chính: 1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện 1. Khái niệm Vật liệu cách điện (điện môi) là vật liệu trong đó tất cả các điện tích vi mô liên kết chặt chẽ, không thể dẫn điện được.
Vật liệu cách điện dùng để phân cách các phần mang điện với các phần khác nhằm mục đích đảm bảo an toàn và hướng dòng điện đi theo một chiều nhất định, chống tổn thất. Điện trở suất của Vật liệu cách điện: ρ > 1010 (Ω. Phân loại vật liệu cách điện 1. Theo trạng thái vật lý - Thể rắn: Nhựa, cao su, thuỷ tinh … 12 - Thể lỏng: Dầu biến áp, dầu nặng … - Thể khí: Không khí, khí trơ … 1.
Theo thành phần hoá học - Vật liệu hữu cơ: Vải, sơn, cao su… - Vật liệu vô cơ: Sứ, gốm, mi ca… 1. Theo tính chịu nhiệt Được phân chia thành 7 cấp như sau: - Cấp Y (t0 = 90): Bao gồm vật liệu sợi gốc là xenlulô và tơ (sợi vải, giấy, gỗ) nó chưa được ngâm tẩm vào trong chất cách điện lỏng; - Cấp A (t0 = 105): Bao gồm các loại vật liệu hữu cơ như trên nhưng đã được tẩm bằng sơn hoặc ngâm trong chất cách điện lỏng; - Cấp E (t0 = 120): Gồm các chất dẻo có chất độn hữu cơ và chất liên kết nhiệt cứng; - Cấp B (t0 = 130): Gồm các vật liệu vô cơ như Mica, amiăng, vải sợi thuỷ tinh, được dẫn bằng những vật liệu hữu cơ; - Cấp F (t0 = 150): Bao gồm micanít, các sản phẩm thuỷ tinh không có chất đệm hoặc có chất đệm vô cơ và dùng chất có tính chịu nhiệt cao để dán; - Cấp H (t0 = 180): Bao gồm những chất hữu cơ ở cấp F nhưng dùng chất silic hữu cơ có tính chịu nhiệt cao để dán và tẩm; - Cấp C (t0> 180): Bao gồm vật liệu thuần tuý vô cơ, không dán hoặc tẩm bằng vật liệu có thành phần hữu cơ. Ví dụ: Ôxyt nhôm, mica, thuỷ tinh, thạch anh, amiăng, micalếch, micanit chịu nhiệt (dán bằng chất vô cơ).Tính chất chung của vật liệu cách điện 2. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện Các vật liệu cách điện nói chung ở mức độ ít hay nhiều đều hút ẩm vào bên trong từ môi trường xung quanh hay thấm ẩm tức là cho hơi nước xuyên qua chúng.
Khi bị thấm ẩm các tính chất cách điện của vật liệu cách điện bị giảm nhiều. Những vật liệu cách điện không cho nước di vào bên trong nó khi đăt ở môi trường có độ ẩm cao thì trên bề mặt có thể ngưng tụ một lớp ẩm làm cho dòng rò bề mặt tăng, có thể gây ra sự cố cho các thiết bị điện. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện Là khả năng của vật liệu có thể chịu được tác động của các phụ tải cơ học gây biến dạng, đặc chưng bởi các giới hạn bền: kéo, nén, uốn, xoắn. Tính chất cơ học được xác định bằng các phương pháp thử kéo, nén, uốn, xoắn, va đập.
- Giới hạn bền kéo: σk = Pk/S0 - Giới hạn bền nén: σn = Pn/S0 - Giới hạn bền uốn: σu = [Pu.1,5 Trong đó: + σk,σn,σu là các giới hạn bền (N/cm2 hoặc MPa); + Pk, Pn, Pu là các lực kéo đứt, nén vỡ và uốn gẫy mẫu thử (N); + S0 là tiết diện ngang của mẫu thử (cm2); + l là khoảng cách giữa hai gối đỡ (thường là 100 cm); + b là chiều rộng mẫu thử (thường là 12 cm); + h là chiều cao của mẫu thử (cm). Tính chất hoá học của vật liệu cách điện. Chúng ta phải nghiên cứu tính chất hóa học của vật liệu cách điện vì: - Độ tin cậy của vật liệu cách điện cần phải đảm bảo khi làm việc lâu dài: nghĩa là không bị phân hủy để giải thoát ra các sản phẩm phụ và không ăn mòn kim loại tiếp xúc với nó, không phản ứng với các chất khác (khí, nước, axit, kiềm, dung dịch muối v. Độ bền đối với tác động của các vật liệu cách điện khác nhau thì khác nhau.
- Khi sản xuất các chi tiết có thể gia công vật liệu bằng những phương pháp hóa công khác nhau: dính được, hòa tan trong dung dịch tạo thành sơn. - Độ hòa tan của vật liệu rắn có thể đánh giá bằng khối lượng vật liệu chuyển sang dung dịch trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị thời gian tiếp xúc giữa vật liệu với dung môi. Độ hòa tan nhất là các chất có bản chất hóa học gắn với dung môi và chứa các nhóm nguyên tử giống nhau trong phân tử. Các chất lưỡng cực dễ hòa tan hơn trong chất lỏng lưỡng cực, các chất trung tính dễ hòa tan trong chất trung tính.
Các chất cao phân tử có cấu trúc mạch thẳng dễ hòa tan hơn so với cấu trúc trung gian. Khi tăng nhiệt độ thì độ hòa tan tăng. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện 2. Các hiện tượng xảy ra đối với VLCĐ (hình 2.1) 14 - Hiện tượng phóng điện bề mặt (hình 2.2): Khi điện áp đặt vào tấm cách điện tăng đến một trị số nào đó thì ở cạnh mép của điện cực xuất hiện vầng quang rồi phát triển thành những tia lửa điện nối liền nhau ở hai cạnh biên của tấm cách điện.
Hồ quang điện sẽ phóng trên bề mặt của tấm cách điện từ cực này đến cực kia (Upđ). Đánh thủng U Phóng điện bề mặt Hình 2. Các hiện tượng xảy ra đối với VLCĐ Hình 2. Phóng điện bề mặt sứ cách điện - Hiện tượng đánh thủng: Khi tấm cách điện không chịu được điện áp đặt vào.
Ở một hoặc nhiều chỗ, điện tích chạy từ điện cực này qua điện cực kia xuyên qua tấm cách điện (cho dòng điện đi qua). Ta nói tấm cách điện bị đánh thủng (Uđt). Độ bền cách điện Là điện áp đánh thủng tính trên cách điện có bề dầy một đơn vị Ebđ = U đt/a Trong đó: + U đt là điện áp đánh thủng của VLCĐ (kV); + a là bề dầy của VLCĐ (cm); + Ebđ là độ bền điện (kV/cm). Các yêu cầu đối với chất điện môi: - Độ bền cách điện cao, điện áp đánh thủng Uđt lớn; - Ổn định nhiệt cao; - Dẫn nhiệt tốt, làm việc tốt ở nơi có độ ẩm cao; - Độ bám dính tốt, ít rạn nứt, rách thủng.
Như vậy, vừa đảm bảo tăng độ làm việc tin cậy vừa giảm kích thước của máy điện. Độ bền nhiệt - Độ bền chịu nóng: Là khả năng của vật liệu không bị hư hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác dụng của nhiệt độ cao hay sự thay đổi nhiệt độ đột ngột; - Độ dẫn nhiệt: Là khả năng truyền nhiệt, chống nóng cục bộ ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu; - Sự giãn nở vì nhiệt: Là sự thay đổi hình dạng của vật liệu do bị đốt nóng hay làm lạnh. Tính chọn vật liệu cách điện Khi cần chọn lựa vật liệu cách điện, người ta căn cứ vào các tiêu chuẩn sau đây: - Độ cách điện: Tùy vào điện áp làm việc của thiết bị, người ta chọn loại vật liệu có bề dày thích hợp, sao cho vật liệu làm việc an toàn mà không bị đánh thủng; - Độ bền cơ: tùy vào điều kiện làm việc của thiết bị mà ta chọn vật liệu cách điện có độ bền cơ thích hợp; - Độ bền nhiệt: Căn cứ vào sự phát nóng khi thiết bị làm việc, người ta sẽ chọn các loại vật liệu cách điện có nhiệt độ cho phép phù hợp. Ví dụ: Các vật liệu cách điện các dụng cụ đốt nóng (bàn ủi (bàn là), nồi cơm điện) thường dùng vật liệu từ cấp B trở lên.
Hư hỏng thường gặp Các loại vật liệu cách điện được sử dụng để cách điện cho máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện lâu ngày sẽ bị hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau: Hư hỏng do điện: do các máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện khi làm việc với các đại lượng, thông số vượt quá trị số định mức như: các đại lượng về dòng điện, điện áp, công suất v.làm cho vật liệu cách điện giảm tuổi thọ hoặc bị đánh thủng; Hư hỏng do bị già hóa của vật liệu cách điện: trong quá trình làm việc các loại vật liệu cách điện đều bị ảnh hưởng của các điều kiện của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và hơi nước v. Làm cho các vật liệu cách điện giảm tính chất cách điện của chúng đi và dễ bị đánh thủng; Hư hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: các vật liệu cách điện khi bị lực tác động từ bên ngoài có thể làm hư hỏng ví dụ lớp emay trên các dây điện 16 từ có đường kính tương đối lớn nếu bị uốn cong với bán kính nhỏ sẽ làm lớp cách điện bằng bị vỡ hoặc khi vào dây không cẩn thận làm lớp cách điện bị trầy xước hoặc là khi lót cách điện không cẩn thận làm gẫy hoặc rách cách điện v. Hư hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận: các chi tiết khi làm việc tiếp xúc vàcó sự chuyển động tương đối với nhau thì sẽ bị hư hỏng do sự mài mòn và dễ bị đánh thủng v. Một số vật liệu cách điện thông dụng 3.
Vật liệu sợi - Sợi bông: Loại không tẩm chịu ẩm kém, chịu nhiệt thấp. Loại sợi ngâm (Cotopa) có khả năng chịu ẩm gấp hai lần, tính cách điện và chịu nhiệt cao hơn. Dùng cách điện cuộn dây máy biến thế, máy phát điện. - Sợi Nylon: Chịu được axit và bazơ, chịu nhiệt tốt.
Cơ tính bền, chịu ma sát.