CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU 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: 2. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện 2. Phân loại vật liệu cách điện 2. Tính chất chung của vật liệu cách điện 2.
Tính hút ẩm của vật liệu cách điện 2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện 2. Tính chất hóa học của vật liệu cách điện 2. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện 2.
Tính chọn vật liệu cách điện 2. Hư hỏng thường gặp 2. Một số vật liệu cách điện thông dụng 2. Vật liệu sợi 13 2.
Giấy và các tông 2. Amiăng, xi măng amiăng 2. Vải sơn và băng cách điện 2. Nhựa cách điện 2.
Dầu cách điện 2. Sơn và các hợp chất cách điện 2. Chất đàn hồi 2. Điện môi vô cơ 2.
Vật liệu cách điện bằng gốm sứ 2. Mica và các vật liệu trên cơ sở mica 1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 1. Khái niệm: Vật liệu cách điện là vật liệu ở t0 thường không cho dòng điện truyền qua.Chất cách điện là các chất dẫn điện kém, có điện trở suất rất lớn (khoảng 106 - 1015 Ωm).
Các vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong đời sống, nhằm mục đích ngăn chặn sự tiếp xúc của dòng điện với người hoặc với các dòng điện khác. Nhiều chất cách điện là các chất điện môi, tuy nhiên cũng có những môi trường cách điện không phải là chất điện môi (như chân không). Phân loại vật liệu cách điện: Các loại vật liệu cách điện gồm có:cách điện rắn (ví dụ:gỗ,nhựa, vỏ bọc dây diện), cách điện lỏng (ví dụ: dầu máy biến áp), cách điện khí (không khí, khí SF6). TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 2.
Tính hút ẩm của vật liệu cách điện: Hút hơi ẩm từ môi trường xung quanh Độ ẩm tuyệt đối:là lượng hơi nước tính trên một đơn vị thể tích % Độ ẩm tương đối: % .100% max Mẫu vật liệu để trong môi trường, sau 1 thời gian, vật liệu đạt ϕcb Cấu tạo của vật chất ảnh hưởng lớn đến tính hút ẩm => Thực hiện sơn phủ trên bề mặt điện môi. Nhưng chỉ hạn chế bớt ảnh hưởng của độ ẩm môi trường. Tác hại: tăng dòng điện rò, tổn hao điện môi và giảm điện áp phóng điện Tính thấm ẩm: cho hơi nước xuyên qua vật liệu Khối lượng hơi nước xuyên qua diện tích S: ( p1 p 2 ).t m h với p1 p 2 là hiệu áp suất trong và ngoài điện môi Π :hệ số thấm ẩm [s] Tác hại tương tự như tính hút ẩm => thực hiện tẩm các vật liệu có tính hút ẩm cao. Tính dính ướt: 15 Khả năng hình thành màng ẩm trên bề mặt vật liệu khi vật liệu đặt trong môi trường có độ ẩm cao.
Tác hại: khi bề mặt vật liẹu bị dính ướt, tạo ra số lượng lớn điện tích trên bề mặt vật liệu làm cho tăng dòng rò mặt và giảm đáng kể điện áp phóng điện mặt của điện môi. Để hạn chế tính dính ướt của vật liệu, ta thực hiện sơn phủ bề mặt vật liệu bằng những vật liệu có tính dính ướt kém. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện: Độ bền kéo dãn, nén và uốn: Độ bền là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài mà không bị phá Pmax hỏng.Khi có lực tác dụng lực kéo lên vật liệu: đut (kg / cm 2 ) A0 Pmax là lực kéo lớn nhất mà không đứt A0: là tiết diện Độ bền nén: là khả năng chống lại tác dụng của lực nén bên ngoài. ( Pmax ) nen nen A0 Độ bền uốn: chống lại tác dụng của lực uốn ( Pmax ) uon uon A0 Tính giòn: là vật liệu có độ bền cao với tải tĩnh nhưng rất dễ bị phá huỷ bởi tải động bất ngờ đặt vào.
δvd [kGcm / cm2] 16 Độ cứng: là khả năng chịu lún bề mặt tại chỗ ấn vật cứng mẫu,lớp bề mặt của vật liệu chống lại biến dạng gây bỡi lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ Độ nhớt : là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng, có ảnh hưởng đến sự làm mát, sự dính ướt khi tẩm Một lượng thể tích V của chất lỏng có độ nhớt η chảy trong thời gian τ dưới tác dụng của áp lực P qua ống mao dẫn dài l bán kính r theo định luật passen 1 . Tính chất hóa học của vật liệu cách điện: - Độ tin cậy của điện môi thể hiện ở chỗ khi làm việc lâu dài, điện môi không bị phân huỷ để giải thoát ra các sản phẩm phụ và không bị ăn mòn khi kim loại tiếp xúc với nó, không phản ứng với các chất khác như nước, axit,. - Khi sản suất các chi tiết có thể dùng các hoá chất khác như: Chất kết dính, chất hoà tan, trong các điện môi khác nhau. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện: Hiện tượng đánh thủng điện môi: là hiện tượng phóng điện chọc thủng hay là sự phá hủy độ bền điện của điện môi khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó Độ bền điện của điện môi: Cường độ điện trường tương ứng với điện áp đánh thủng tại vị trí và thời điểm đánh thủng gọi là cường độ điện trường đánh thủng hay là độ bền điện của điện môi, kí hiệu là Eđt.
Eđt được xác định bằng tỷ số giữa điện áp tại thời điểm đánh thủng Uđt (kV) và bề dày điện môi tại vị trí đánh thủng h(m) U đt E đt (kV / mm) d 17 Eđt là độ bền điện ( Ebđ) V/mm, kV/mm, V/cm Uđt là điện áp đánh thủng d là chiều dày điện môi ở chỗ bị đánh thủng Eđt phụ thuộc vào các yếu tố: - Nhiệt độ độ ẩm, tầng số và thời gian đặt U. - Eđt phụ thuộc phi tuyến theo bề dày của điện môi - Eđt phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm điện môi Sau đây là Eđt của một số điện môi: TT Tên vật liệu Eđt (MV/m) 1 Mica 100-300 2 Cao su 30-50 3 Dầu biến áp 15-25 4 Không khí ở điều kiện thường áp suất và nhiệt 2-5 độ Nhận xét: Khi điện môi rắn đặt giữa 2 điện cực thì tình trạng phóng điện bề mặt diễn ra trước. ới điện môi rắn xốp có chứa nhiều bọt khí hơn so với không chứa lỗ xốp. Nếu điện môi xốp được tẩm bằng điện môi lỏng hoặc rắn sẽ cải thiện nhiều Ví dụ: cáp giấy không tẩm Ect=3-5MV/m khi tẩmbằng dầu nhựa thông Ect=40- 80MV/m => để điện môi làm việc với độ tin cậy cao thì điện áp làm việc Up<Uct.
k=Up/Uct được gọi là hệ số dữ trữ độ bền cách điện 18 2. Độ bền nhiệt: Độ bền chịu nóng: khả năng chịu đựng không bị hư trong thời gian ngắn cũng như dài dưới tác dụng của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột nhiệt độ - Đối với điện môi vô cơ, độ bền nhiệt là nhiệt độ bắt đầu có sự biến đổi tính chất điện - Đối với điện môi hữu cơ, độ bền nhiệt là nhiệt độ bắt đầu có sự biến dạng cơ học khi kéo, uốn Đối với dầu máy biến áp người ta đưa ra 2 khái niệm: nhiệt độ chớp cháy và nhiệt độ cháy: - Nhiệt độ chớp cháy: là nhiệt độ mà nếu nung nóng dầu đến nhiệt độ đó thì hỗn hợp hơi của dầu và không sẽ bốc cháy khi đưa ngọn lửa vào gần. - Nhiệt độ cháy: là nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chớp cháy mà khi đưa ngọn lửa lại gần bản thân chất lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy. Loại cách điện Tmax Y(vải sợi, xenlulô,len,giấy gỗ nhưng không tẩm hoặc ngâm trong chất 90 lỏng) 105 A( là cách điện cấp Y nhưng được tẩm hoặc ngâm trong dầu cách 120 điện) 130 E(nhựa hữu cơ+phụ gia như: fenolformandehic, Hetinac, testolit, 155 epoxi, Polieste) 180 B(chứa thành phần vô cơ:amian,thuỷ tinh và vật liệu được tẩm bằng thuỷ tinh) >180 F(mica và sản phằmt sợi thuỷ tinh, vật liệu hữu cơ tẩm với vl chịu hiệt cao) 19 H(nhựa silic hữu cơ có tính chịu nhiệt đặc biệt cao) C( vật liệu vô cơ không chứa thành phần tẩm hoặc kết dính gồm: mica, thuỷ tinh, amian, politetraftoretilen) Tính chịu lạnh của điện môi:Đây là khả năng chịu đựng của cách điện ở nhiệt độ thấp (60 70 0 C ) ).
Độ dẫn nhiệt: mức độ chuyển nhiệt xuyên qua bề dày lớp cách điện ra môi trường xung quanh. T Phương trình Furier: PN N .S l ΔPN : công suất dòng nhiệt qua diện tích ΔS T gradient nhiệt độ l 0 TT Tên vật liệu N ( W/cm. C) 1 Không khí (trong khe hở nhỏ) 0,00025 2 Nhựa đường 0,0007 3 Giấy 0,001 4 Vải sơn 0,0013 5 Nước 0,0058 6 Thạch anh nhóng chảy 0,0125 7 Sứ 0,016 8 Thạch anh kết tinh 0,125 9 Oxit nhôm 0,3 Sự giãn nở nhiệt: 20 1 dl Hệ số giãn nở dài l . (1 / đô ) l dt Vật liệu có l nhỏ =>độ bền chịu nóng cao và ngược lại Vật liệu hữu cơ có hệ số giãn nở dài cao hơn vô cơ => kích thước vật liệu vô cơ ổn định khi nhiệt độ thay đổi 2.
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, ngƣời 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, ngƣời 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.