Giáo Trình Vật Liệu Điện Nghề Thí Nghiệm Điện Trình Độ Cao Đẳng

Giáo trình vật liệu điện cho nghề thí nghiệm điện trình độ cao đẳng cung cấp kiến thức chuyên sâu và ứng dụng thực tiễn trong ngành điện.

• Tác giả: Phan Kim Ngân
• Trường học: Trường Cao Đẳng Dầu Khí
• Chuyên ngành: Thí Nghiệm Điện
• Đề tài: Giáo Trình Vật Liệu Điện
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Bà Rịa - Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• LỜI GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
• 2. CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU DẪN TỪ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Vật Liệu Điện Cao Đẳng

Giáo trình Vật liệu điện cho nghề thí nghiệm điện cao đẳng là tài liệu quan trọng, cung cấp kiến thức nền tảng về các loại vật liệu điện. Tài liệu này được biên soạn nhằm đáp ứng nhu cầu học tập và giảng dạy trong lĩnh vực điện. Nội dung giáo trình bao gồm các khái niệm cơ bản về vật liệu điện, phân loại và ứng dụng của chúng trong thực tiễn.

1.1. Khái niệm về Vật Liệu Điện

Vật liệu điện là những chất liệu có khả năng dẫn điện, cách điện hoặc từ tính. Chúng được phân loại thành ba nhóm chính: vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ.

1.2. Tầm quan trọng của Giáo Trình

Giáo trình này không chỉ giúp sinh viên hiểu rõ về vật liệu điện mà còn trang bị cho họ những kỹ năng cần thiết để áp dụng trong thực tế, từ đó nâng cao chất lượng đào tạo nghề.

II. Những Thách Thức trong Việc Dạy và Học Vật Liệu Điện

Việc giảng dạy môn Vật liệu điện gặp nhiều thách thức, từ việc cập nhật kiến thức mới đến việc áp dụng thực tiễn. Sinh viên thường gặp khó khăn trong việc hiểu rõ các khái niệm phức tạp và ứng dụng của chúng trong thực tế.

2.1. Khó Khăn trong Việc Hiểu Biết

Nhiều sinh viên gặp khó khăn trong việc nắm bắt các khái niệm cơ bản về vật liệu điện, dẫn đến việc áp dụng sai trong thực tế.

2.2. Thiếu Tài Nguyên Học Tập

Thiếu tài liệu tham khảo và thiết bị thực hành cũng là một trong những nguyên nhân khiến việc học tập trở nên khó khăn hơn.

III. Phương Pháp Giảng Dạy Hiệu Quả Về Vật Liệu Điện

Để nâng cao hiệu quả giảng dạy môn Vật liệu điện, cần áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực và hiện đại. Việc kết hợp lý thuyết với thực hành sẽ giúp sinh viên dễ dàng tiếp thu kiến thức.

3.1. Sử Dụng Phương Pháp Tích Cực

Áp dụng phương pháp giảng dạy tích cực như thảo luận nhóm, thực hành sẽ giúp sinh viên hiểu rõ hơn về vật liệu điện.

3.2. Kết Hợp Lý Thuyết và Thực Hành

Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực hành sẽ giúp sinh viên có cái nhìn tổng quan và thực tế hơn về vật liệu điện.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Vật Liệu Điện trong Ngành Điện

Vật liệu điện có ứng dụng rộng rãi trong ngành điện, từ việc sản xuất thiết bị điện đến việc xây dựng hệ thống điện. Việc hiểu rõ về các loại vật liệu này sẽ giúp sinh viên có thể áp dụng vào công việc sau này.

4.1. Ứng Dụng trong Thiết Bị Điện

Các loại vật liệu điện được sử dụng trong sản xuất thiết bị điện như dây dẫn, tụ điện, và các linh kiện điện tử khác.

4.2. Ứng Dụng trong Hệ Thống Điện

Vật liệu điện cũng được sử dụng trong việc xây dựng và bảo trì hệ thống điện, đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc cung cấp điện năng.

V. Kết Luận và Tương Lai của Giáo Trình Vật Liệu Điện

Giáo trình Vật liệu điện cho nghề thí nghiệm điện cao đẳng không chỉ là tài liệu học tập mà còn là nền tảng cho sự phát triển nghề nghiệp trong lĩnh vực điện. Tương lai của giáo trình này sẽ tiếp tục được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường lao động.

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Giáo Trình

Cần thường xuyên đánh giá và cập nhật giáo trình để đảm bảo tính hiệu quả và phù hợp với thực tiễn.

5.2. Hướng Phát Triển Tương Lai

Giáo trình sẽ được mở rộng với nhiều nội dung mới, giúp sinh viên có thêm kiến thức và kỹ năng cần thiết cho nghề nghiệp trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Vật liệu điện (Mã môn học: KTĐ19MH64) được biên soạn theo chương trình đào tạo nghề Thí nghiệm điện ở trình độ Cao đẳng, ban hành kèm theo Quyết định số 188/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Nhóm tác giả biên soạn gồm Phan Kim Ngân (Chủ biên), Lê Thị Thu Hường và Nguyễn Xuân Thịnh.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo, môn học nằm ở khối Môn học cơ sở ngành (nhóm II.1), có thời lượng 30 giờ (bao gồm 28 giờ lý thuyết và 2 giờ kiểm tra định kỳ, tương đương 2 tín chỉ). Môn học được bố trí giảng dạy sau môn An toàn lao động (hoặc An toàn điện), học song song với các môn Vẽ điện và Khí cụ điện. Đây là môn học tiền đề nhằm cung cấp cơ sở lý thuyết vật liệu phục vụ cho các mô đun chuyên môn nghề tiếp theo như Đo lường điện, Bảo vệ rơ le, Thí nghiệm khí cụ điện, Thí nghiệm máy cắt điện, Thí nghiệm thiết bị đo lường điện, Thí nghiệm thiết bị trạm biến áp và Thí nghiệm thiết bị điện quay.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ trên ba phương diện:

• Về kiến thức: Nhận dạng, phân loại các nhóm vật liệu điện thông dụng và trình bày chính xác đặc tính cơ, lý, hóa cũng như đặc tính điện của từng nhóm vật liệu.
• Về kỹ năng: Xác định các dạng hư hỏng, cơ chế lão hóa và phân tích nguyên nhân gây sự cố ở vật liệu điện trong quá trình vận hành thiết bị.
• Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tác phong cẩn thận, chính xác và chủ động trong việc kiểm tra, lựa chọn và sử dụng vật liệu kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình gồm 1 bài mở đầu và 3 chương chuyên đề: Bài mở đầu: Khái niệm về vật liệu điện; Chương 1: Vật liệu cách điện; Chương 2: Vật liệu dẫn điện; Chương 3: Vật liệu dẫn từ. Cách tiếp cận của giáo trình đi từ bản chất vật lý vi mô (cấu tạo nguyên tử, liên kết hóa học, cấu trúc mạng tinh thể và lý thuyết phân vùng năng lượng) đến các tính chất vĩ mô và phạm vi ứng dụng thực tế trong thiết bị điện.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Toàn bộ nội dung giáo trình được phân bổ theo 4 phần trọng tâm:

1. Bài mở đầu: Khái niệm về vật liệu điện (Thời lượng: 2 giờ lý thuyết) Trình bày cấu tạo nguyên tử theo mô hình Bohr, điện tích $q = 1,6 \cdot 10^{-19}\text{ C}$, tương tác lực Coulomb giữa hạt nhân và electron ($f_1 = q^2/r^2$), lực ly tâm ($f_2 = m v^2/r$) và mức năng lượng ion hóa $W_i$. Giới thiệu ba dạng liên kết phân tử cơ bản: liên kết đồng hóa trị (ví dụ phân tử $\text{Cl}_2$), liên kết ion (muối halogen của kim loại kiềm) và liên kết kim loại. Mô tả ba dạng mạng tinh thể kim loại: lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt và lục giác xếp chặt. Phân tích các dạng khuyết tật mạng tinh thể và sự biến đổi tính chất điện do sai hỏng cấu trúc. Phân loại vật liệu dựa trên độ rộng vùng cấm $\Delta W$ và từ tính (nghịch từ $\mu < 1$, thuận từ $\mu > 1$, dẫn từ $\mu \gg 1$).

2. Chương 1: Vật liệu cách điện (Thời lượng: 9 giờ - 8 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra) Tập trung nghiên cứu bản chất chất điện môi: dòng điện rò ($I_{\text{rò}}$), dòng điện phân cực ($I_{\text{phân cực}}$), điện dẫn suất khối ($\gamma_v$), điện trở suất khối ($\rho_v = R_v \cdot S / h$), điện trở suất mặt ($\rho_s = R_s \cdot d / l$). Phân tích cơ chế dẫn điện trong chất khí (đặc tính Volt-Ampere với 3 vùng: tuân theo định luật Ohm, dòng bão hòa $10^{-21}\text{ A/mm}^2$, và ion hóa do va chạm dẫn đến phóng điện plasma); cơ chế dẫn điện ion và điện dẫn điện di (molion) trong chất lỏng. Khảo sát hiện tượng phân cực điện môi, hằng số điện môi tương đối $\varepsilon = C/C_0$, công suất tổn hao điện môi ($P = U^2 \omega C \text{ tg}\delta$), góc tổn hao $\delta$, và biểu đồ quan hệ $Q-U$. Khảo sát độ bền điện môi, điện áp đánh thủng $U_{\text{đt}}$, cường độ trường đánh thủng $E_{\text{đt}} = U_{\text{đt}}/h$, tính toán bề dày cách điện $h = K \cdot (U_{\text{đm}} / E_{\text{đt}})$, và 4 dạng phóng điện trong chất khí (tỏa sáng, tia lửa, hồ quang, vầng quang). Phân loại cấp chịu nhiệt theo tiêu chuẩn IEC (Bảng 1: Cấp Y, A, E, B, F, H, C) và nghiên cứu các vật liệu cách điện cụ thể: thể khí (không khí, $\text{N}_2$, $\text{SF}_6$, Frêon $\text{CCl}_2\text{F}_2$, hydro $\text{H}_2$), thể lỏng (dầu máy biến áp, dầu tụ điện, dầu cáp điện) và thể rắn (sứ cách điện tráng men, thủy tinh silicat, gỗ kỹ thuật, phíp xử lý qua dung dịch $\text{ZnCl}_2$, mica và các biến thể micanit).

3. Chương 2: Vật liệu dẫn điện (Thời lượng: 10 giờ - 9 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra) Trình bày đặc tính dẫn điện của kim loại, điện trở suất và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của kim loại nguyên chất và hợp kim (Bảng 3). Khảo sát tính chất cơ - lý và phạm vi sử dụng của đồng, nhôm, các hợp kim đồng (đồng thanh thiếc - Bảng 4, đồng thanh nhôm - Bảng 5), vật liệu dẫn điện điện trở cao dùng cho phần tử đốt nóng và biến trở.

4. Chương 3: Vật liệu dẫn từ (Thời lượng: 9 giờ lý thuyết) Khảo sát các chất dẫn từ có $\mu \gg 1$ phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài (sắt, niken, coban, pherit và các hợp kim từ tính). Phân tích chu trình từ trễ, tổn hao do dòng điện xoáy (Foucault), tổn hao từ trễ, và ứng dụng chế tạo lõi thép máy biến áp, máy điện quay.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết cốt lõi bao gồm:

• Lý thuyết phân vùng năng lượng: Xác lập ranh giới vật lý giữa ba nhóm vật liệu dựa trên năng lượng vùng cấm: Điện môi ($\Delta W > 1,5\text{ eV}$), Bán dẫn ($\Delta W = 0,2 - 1,5\text{ eV}$), và Vật dẫn ($\Delta W < 0,2\text{ eV}$ hoặc vùng dẫn chồng lấn lên vùng hóa trị).
• Hệ thống nguyên lý điện môi: Mô hình phân cực lưỡng cực, cơ chế dịch chuyển điện tích tự do/ràng buộc, bản chất tổn hao nhiệt trong điện môi xoay chiều thông qua hệ số $\text{tg}\delta$, cùng mô hình toán học biểu diễn sự phụ thuộc của độ dẫn điện môi lỏng vào nhiệt độ: $\gamma = \gamma_0 e^{\alpha t}$.
• Hệ thống phân cấp tiêu chuẩn kỹ thuật: Tiêu chuẩn hóa nhiệt độ làm việc tối đa theo phân cấp IEC từ cấp Y ($90^\circ\text{C}$), cấp A ($105^\circ\text{C}$), cấp E ($120^\circ\text{C}$), cấp B ($130^\circ\text{C}$), cấp F ($155^\circ\text{C}$), cấp H ($180^\circ\text{C}$) đến cấp C ($> 180^\circ\text{C}$).

Kỹ năng phát triển

Nội dung giáo trình hình thành các năng lực kỹ thuật và thực hành cụ thể:

• Kỹ năng nhận diện và tra cứu thông số: Nhận dạng chính xác các dạng vật liệu cách điện rắn (sứ treo, sứ đỡ, sứ xuyên, micanit vành góp, micafon, phíp), lỏng (dầu biến áp) và khí ($\text{SF}_6$, Frêon, $\text{H}_2$); tra cứu và tính toán điện trở suất, điện dẫn suất, hằng số điện môi.
• Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Xác định chiều dày cách điện an toàn cho thiết bị dựa vào điện áp định mức và cường độ trường đánh thủng định trước ($h = K \cdot U_{\text{đm}} / E_{\text{đt}}$).
• Kỹ năng phân tích nguyên nhân hư hỏng: Xác định các tác nhân gây suy giảm cách điện như độ ẩm (nước hòa tan, nhũ tương, lắng đọng trong dầu), bọt khí gây ion hóa vầng quang dưới điện áp cao, hiện tượng hóa già dầu biến áp do tiếp xúc với oxy, ánh sáng, nhiệt độ và kim loại xúc tác (Cu, Fe, Pb).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp sư phạm

Giáo trình định hướng phương pháp giảng dạy tích cực kết hợp giữa diễn giảng lý thuyết, phương pháp đàm thoại (vấn đáp) nhằm củng cố khả năng ghi nhớ, và dạy học giải quyết vấn đề. Giảng viên được hướng dẫn bố trí thời lượng giải bài tập tại lớp, tổ chức cho người học nhận dạng mẫu vật liệu thực tế, hướng dẫn và chỉnh sửa sai sót kỹ thuật tại chỗ.

Điều kiện thực hiện và học liệu

Để triển khai giảng dạy môn học, cơ sở đào tạo yêu cầu trang bị đầy đủ danh mục máy móc và vật tư kỹ thuật chuyên dụng:

• Thiết bị đo kiểm và nguồn điện: Tủ sấy điều khiển nhiệt độ; thiết bị thử độ bền cách điện; biến áp tự ngẫu điều chỉnh tinh (điện áp vào 220V, điện áp ra $0 \div 400\text{ V}$).
• Mô hình và thiết bị gia dụng phục vụ quan sát: Thiết bị cấp nhiệt (nồi cơm điện, bàn ủi, máy nước nóng, lò nướng); hệ thống tủ lạnh, máy điều hòa nhiệt độ; thiết bị gia dụng (quạt điện, máy bơm nước, survolteur, ổn áp tự động).
• Học liệu và vật tư tiêu hao: Bảng gắn khí cụ điện, dây dẫn điện, đầu cốt các cỡ, trạm nối dây; giấy cách điện, ghen cách điện, sứ, thủy tinh cách điện; chì hàn, nhựa thông, giấy nhám; hóa chất tẩm sấy máy biến áp (véc-ni cách điện, chất keo đóng rắn); tranh vẽ, bản vẽ và máy chiếu vật thể 3 chiều.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Kết quả học tập môn học được đánh giá qua hai hình thức:

• Kiểm tra định kỳ (2 bài kiểm tra): Sử dụng hình thức trắc nghiệm hoặc tự luận.
  • Bài kiểm tra số 1 (thực hiện ở Chương 1): Đánh giá kiến thức Bài mở đầu và Chương 1.
  • Bài kiểm tra số 2 (thực hiện ở Chương 2): Đánh giá kiến thức Chương 2 và Chương 3.
• Kiểm tra kết thúc môn học: Đánh giá bằng hình thức trắc nghiệm khách quan toàn bộ chương trình.

Hướng dẫn tự học cho sinh viên

Người học cần chủ động chuẩn bị bài trước khi đến lớp, hoàn thành các câu hỏi thảo luận và bài tập củng cố được biên soạn ở cuối mỗi chương. Ví dụ, sau Bài mở đầu, người học phải trả lời hệ thống câu hỏi tự luận về cấu tạo nguyên tử/phân tử, so sánh đặc điểm các mối liên kết hóa học, phân tích tác động của khuyết tật mạng tinh thể đến tính chất dẫn điện và phân loại vật liệu theo lý thuyết vùng năng lượng.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Cung cấp dữ liệu vật lý và bảng tra cứu định lượng: Giáo trình tích hợp các bảng tra cứu kỹ thuật chuẩn xác phục vụ trực tiếp cho tính toán, bao gồm: Bảng 1 (Phân cấp vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng theo IEC), Bảng 2 (So sánh đặc tính của không khí với các chất khí $\text{N}_2, \text{CO}_2, \text{H}_2$), Bảng 3 (Điện trở suất và hệ số thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ của kim loại), Bảng 4 và Bảng 5 (Tính chất cơ lý, công dụng của đồng thanh thiếc và đồng thanh nhôm).
• Cập nhật các vật liệu khí cách điện chuyên dụng: Trình bày chi tiết đặc tính kỹ thuật của khí êlêgaz ($\text{SF}_6$) có độ bền điện gấp 2,5 lần không khí, nặng hơn không khí 5 lần, nhiệt độ sôi $-64^\circ\text{C}$ (209 K), chịu áp suất lên đến 20 at mà không hóa lỏng, không phân hủy ở $800^\circ\text{C}$, ứng dụng trong máy cắt và thiết bị đóng cắt cao áp. Cập nhật nhóm hydrocacbon flo hóa ($\text{CF}_4, \text{C}_2\text{F}_6, \text{C}4\text{F}{10}$) có độ bền điện gấp 6-10 lần không khí.
• Gắn kết chặt chẽ với công nghệ vận hành và thí nghiệm thiết bị: Phân tích cụ thể hiện tượng phóng điện khô và phóng điện ướt của sứ cách điện (trong điều kiện mưa nhân tạo cường độ $4,5 \div 5,5\text{ mm/phút}$, góc nghiêng $45^\circ$, cho thấy điện áp phóng điện ướt giảm $30 \div 40%$ so với phóng điện khô); cơ chế làm mát máy phát điện công suất lớn bằng khí hydro ($\text{H}_2$); và quy trình duy trì áp suất $1 \div 3\text{ at}$ trong cáp dầu cao thế 110-220 kV nhằm triệt tiêu sự hình thành bọt khí.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên và người học: Dùng làm tài liệu học tập chính thức cho sinh viên trình độ Cao đẳng nghề chuyên ngành Thí nghiệm điện, đồng thời phù hợp làm tài liệu cơ sở cho sinh viên các khối ngành Kỹ thuật điện, Vận hành nhà máy điện và Trạm biến áp, Điện công nghiệp và dân dụng.
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức cơ bản về An toàn vệ sinh lao động (Mã môn: ATMT19MH01) hoặc An toàn điện (Mã môn: KTĐ19MH1) trước khi bắt đầu môn học này.
• Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng làm căn cứ chuẩn hóa đề cương bài giảng, thiết lập ngân hàng câu hỏi kiểm tra định kỳ/kết thúc môn, chuẩn bị thiết bị thí nghiệm và xây dựng kế hoạch giảng dạy lý thuyết 28 giờ theo đúng phân bổ của chương trình khung.
• Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Dùng làm tài liệu tra cứu các thông số cơ - lý - hóa, cấp chịu nhiệt và phân loại vật liệu cách điện, dẫn điện, dẫn từ phục vụ công tác bảo dưỡng, sửa chữa và thí nghiệm định kỳ thiết bị điện tại hiện trường.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên theo học trình độ Cao đẳng nghề Thí nghiệm điện và giảng viên giảng dạy môn Vật liệu điện tại Trường Cao đẳng Dầu khí cũng như các trường đào tạo khối ngành kỹ thuật điện.

2. Cần kiến thức nền nào để học môn này?

Người học cần trang bị trước kiến thức về an toàn lao động và an toàn điện (môn An toàn vệ sinh lao động mã ATMT19MH01 hoặc An toàn điện mã KTĐ19MH1), đồng thời có kiến thức vật lý đại cương về điện học và cấu tạo nguyên tử.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu khác là gì?

Giáo trình tập trung vào phân loại định lượng và đặc tính công nghệ thực tế (điện dẫn, tổn hao, cấp nhiệt, phóng điện, lão hóa dầu, khí $\text{SF}_6$) gắn trực tiếp với công tác bảo dưỡng và thí nghiệm các thiết bị điện công nghiệp, giảm tải các suy diễn lý thuyết hàn lâm không cần thiết.

4. Làm sao để học tập và tự học giáo trình hiệu quả?

Người học cần nghiên cứu trước nội dung từng bài, bám sát các công thức tính toán ($P = U^2 \omega C \text{ tg}\delta$, $h = K \cdot U_{\text{đm}} / E_{\text{đt}}$), giải các câu hỏi củng cố cuối chương và quan sát trực tiếp các mẫu vật liệu/thiết bị thực tế tại phòng học chuyên môn hóa.

5. Giáo trình có danh mục tài liệu tham khảo nào đi kèm?

Giáo trình trích dẫn 6 tài liệu tham khảo chuyên ngành tiêu biểu:

1. Công nghệ chế tạo và tính toán sửa chữa máy điện 1, 2, 3 - Nguyễn Trọng Thắng (NXB Giáo Dục, 2000).
2. Máy điện 1, 2 - Trần Khánh Hà (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2004).
3. Quấn dây, sử dụng và sửa chữa động cơ điện xoay chiều và một chiều thông dụng - Nguyễn Xuân Phú chủ biên (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2000).
4. Kỹ Thuật Điện - Đặng Văn Đào (NXB Giáo dục, 2004).
5. Thực hành kỹ thuật cơ điện lạnh - Trần Thế San, Nguyễn Đức Phấn (NXB Đà Nẵng, 2001).
6. Khí cụ Điện - Kết cấu, sử dụng và sửa chữa - Nguyễn Xuân Phú (NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2002).

---

Kết luận

Giáo trình Vật liệu điện của Trường Cao đẳng Dầu khí hệ thống hóa toàn diện các kiến thức nền tảng về ba nhóm vật liệu kỹ thuật điện cốt lõi: vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện và vật liệu dẫn từ. Nội dung tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết vi mô, các công thức định lượng đặc tính điện môi và hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật thực tế (tiêu chuẩn IEC, các bảng thông số kim loại và chất khí).

Tài liệu thiết lập mắt xích mở đầu quan trọng trong tiến trình đào tạo nghề Thí nghiệm điện, tạo tiền đề để người học tiếp thu các mô đun chuyên sâu về khí cụ điện, máy điện, đo lường và thí nghiệm trạm biến áp. Để mở rộng kiến thức, người học được khuyến nghị kết hợp nghiên cứu các tài liệu tham khảo chuyên ngành về Máy điện, Khí cụ điện và Công nghệ chế tạo sửa chữa thiết bị điện đã được liệt kê trong danh mục học liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: 2. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện: 2. Khái niệm chất điện môi: a. Điện dẫn của điện môi: Khi đặt điện môi vào điện trường E, điện áp U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi ta thấy dòng điện biến thiên theo thời gian.

Dòng điện đi trong điện môi gồm 2 thành phần là dòng điện rò ( Irò ) và dòng điện phân cực ( Iphân cực). I = Iro + Iphân cực Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong thời gian quá trình quá độ hay khi đóng ngắt điện. Đối với điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt thời gian đặt điện áp. Dựa vào trị số của dòng điển rò để đánh giá chất lượng của của vật liệu cách điện.

Nếu dòng rò có trị số bé thì cách điện tốt, nếu trị số lớn thì tính chất cách điện của vật liệu kém. Như vậy tính chất của vật liệu cách điện được xác định qua điện dẫn suất (  ) hay điện trở suất (  ) 1  =  Điện trở cách điện của khối điện môi R cđ là: Rcđ = U I ro Trong đó: U – điện áp một chiều. Điện môi rắn có rất nhiều loại, chúng đa dạng về cấu trúc, thành phần hóa học, nguồn gốc và mức độ lẫn các tạp chất bụi bẩn… do vậy điện dẫn của điện môi rắn rất phức tạp. Điện dẫn trong điện môi rắn được tạo nên là so sự chuyển dịch các ion của bản thân điện môi rắn cũng như của các ion tạp chất dưới tác dụng của điện trường.

Ở một số vật liệu tính dẫn điện của chúng còn có thể do sự chuyển động của các điện tử tự do. Để đánh giá chất lượng của điện môi người ta thường xác định điện dẫn suất khối hay điện trở suất khối. Đối với điện môi rắn có 2 khái niệm: Điện trở suất khối  v và điện trở suất mặt  s. Trang 25 - Điện trở suất khối: Là điện trở của khối lập phương có cạnh bằng 1cm, hình dung cắt ra từ vật liệu khi dòng điện đi qua hai mặt đối diện khối lập phương đó ; đơn vị đo bằng ( .cm ) h Trong đó: Rv - Điện trở khối của mẫu; S - Diện tích của điện cực đo; h - Chiều dày khói điện môi; - Điện trở suất mặt : Là điện trở của một hình vuông bề mặt vật liệu khi dòng điện đi qua hai cạnh đối diện: d  s = Rs l Trong đó: Rs - Điện trở mặt của mẫu vật liệu.

d - Chiều dài điện cực. l - Khoảng cách giữa hai cực. Điện dẫn toàn phần tương ứng với điện trở cách điện Rcđ của điện môi rắn bằng tổng các điện dẫn khối và mặt. Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất lỏng, khí, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ của môi trường.

Điện dẫn của điện môi khí: Trong điện môi khí luôn xảy ra quá trình ion hóa tự nhiên, khi điều kiện môi trường không thay đổi trong các chất khí bao giờ cũng tồn tại một số lượng điện tích tự do nhất định. Sở dĩ có hiện tượng này là vì trong điện môi khí tồn tại quá trình tái hợp song song với quá trình ion hóa, đó là quá trình tích hợp giữa các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa. Trạng thái cân bằng của điện môi đạt được khi khi số điện tích xuất hiện do ion hóa cân bằng với số điện tích bị tái hợp. Dưới tác dụng của điện trường bé, các điện tích được sinh ra bởi quá trình ion hóa tự nhiên sẽ chuyển động và tạo nên dòng điện dẫn trong điện môi khí.

Dòng điện dẫn này thường được gọi là “điện dẫn không tự duy trì”. Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi khí đủ lớn, những điện tích có trong điện môi nhận được năng lượng và tăng tốc độ chuyển động, khi va chạm với phân tử trung hòa sẽ gây nên ion hóa ( ion hóa do va chạm). Số lượng điện tích được tạo nên bởi quá trình ion hóa do va chạm sẽ tăng lên theo Trang 26 hàm số mũ làm cho dòng điện dẫn tăng. Điện dẫn của chất khí trong trường hợp này gọi là “ điện dẫn tự duy trì”.

Hình 8Mối quan hệ giữa dòng điện trong điện môi khi điện áp đặt vào điện môi thay đổi Để thấy rõ mối quan hệ gữa dòng điện trong điện môi khi điện áp dặt vào điện môi thay đổi, ta có Hình vẽ. Hình trên biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của chất khí hay còn gọi là đặc tính Von – Ampe. Với đặc tính trên ta có thể giải thích như sau: - Vùng 1: Đoạn đầu của vùng cong, điện áp được tăng từ 0 cho đến U A Tương ứng với miền của định luật ôm, trong chất khí có thể xem số lượng ion âm và dương không đổi. Khi điện áp đặt lên hai điện cực tăng thì cường độ điện trường (E= U/S) cũng tăng.

Lực điện trường tác dụng lên các điện tích cũng tăng ( F=qE ), do đó tốc độ chuyển động của các điện cũng tăng và dòng điện sẽ tăng khi tuyến tính với điện áp tuân theo định luật Ôm. - Vùng 2: Ứng với khu vực điện trường có dòng điện bão hòa. Khi điện áp tăng cao, cường độ điện trường đủ lớn, tốc độ chuyển động của các điện tích lớn, các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo đến các điện cực. Điều đó có nghĩa là: có bao nhiêu điện tích sinh ra thì có bấy nhiêu điện tích đi về các điện cực trung hòa.

Nhưng số lượng điện tích sinh ra bởi số ion hóa tự nhiên không đổi, cho nên dòng điện đạt tới trị số bão hòa, măc dù điện áp vẫn tăng lên nhưng không làm cho dòng điện tăng – ứng với đoạn nằm ngang của đồ thị. Đối với không khí ở điều kiện bình thường với khoảng cách giữa các điện cực là 10mm và cường độ điện trường khoảng 0,0006V/mm thì dòng điện đạt trị số bão hòa với mật động dòng điện khoảng 10-21 A/mm2. Vì thế có thể xem không khí là điện môi tốt khi chưa có các điều kiện đưa đến ion hóa va chạm. - Vùng 3: Ứng với khu vực có cường độ dòng điện mạnh.

Ở khu vực này dòng điện Trang 27 bắng đầu tăng nhanh không tuân theo định luật Om. Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm khi cường độ điện trường đặt trên điện môi có trị số lớn. Khi mật độ điện tích lớn sẽ gây nên phóng điện tạo thành dòng plazma nối liền giữa hai điện cực; chất khi trở thành vât liệu dẫn điện ; dòng điện tăng lên theo hàn số mũ. Song theo nguyên lý bảo toàn năng lượng và do công suất nguồn có hạn, để duy trì dòng điện phóng điện, điện áp sẽ không tăng mà giảm tới điện áp tự duy trì.

Điện dẫn của điện môi lỏng: + Điện dẫn ion của các điện môi lỏng: Khác với điện môi không khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện không chỉ do ion hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất. Trên hình vẽ biểu diễn quan hệ giữa dòng điện và điện áp của điện môi lỏng. Đường cong “a” là đặc tính Von Ampe của điện môi lỏng có chứa tạp chất. Trong đồ thị này không có phần đồ thị bão hòa, dòng điện tăng tuyến tính với điện áp đến giá trị Uth (điện áp tới hạn), sau đó xuất hiện quá trình ion hóa va chạm, điện tích tăng lên theo hàm số mũ, dòng điện cũng tăng lên và dẫn tới dẫn điện trong điện môi lỏng.

Tuy nhiên đối với các điện môi tinh khiết mà được điều chế trong phòng thí nghiệm, thì trên đường đặ tính Von – Ampe còn xuất hiện một đoạn nhỏ như đoạn bão hòa trong điện môi khí. Những chất lỏng như vậy được gọi là chất lỏng sạch giới hạn (tinh khiết). Điện môi lỏng cực tính bao giờ cũng có điện dẫn suất cao hơn điện môi lỏng trung tính. Khi hằng số điện môi tăng thì điện dẫn suất cũng tăng lên.

Những điện môi lỏng cực tính mạnh có điện dẫn cao tới mức có thể xem chúng không phải là cách điện mà là vật dẫn có điện dẫn ion. Nước là một dạng tạp chất phổ biến nhất trong các điện môi lỏng. Nước từ môi trường bên ngoài có thể xâm nhập vào các chất lỏng trong khi vận chuyển hay khi cất giữ và vận hành. Nước tồn tại trong điện môi lỏng ở ba dạng sau: nước hào tan, nước huyền phù hay còn gọi là nhũ tương và nước lắng đọng.

Thông thường đầu máy biến áp, dầu tụ điện hay cáp điện có tỉ trọng nhỏ hơn ( 0,86 ÷ 0,88 ) lần so với nước, mà tỉ trọng của nước là 1000kg/m3. Nước ở trong điện môi lỏng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác là tuỳ thuộc vào nhiệt độ. Trang 28 Khi nhiệt độ tăng, một phần nước lắng đọng chuyển sang dạng nhũ tương, hoặc chuyển từ dạng nhũ tương sang hòa tan. Khi nhiệt độ giảm thì quá trình xảy ra ngược lại.

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 môi lỏng sẽ tăng, điện môi 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. Trong thực tế khi phạm vi nhiệt độ thay đổi không lớn lắm thì quan hệ giữa điện dẫn suất của điện môi lỏng với nhiệt độ được biểu diễn bằng công thức sau:  =  0 et Trong đó:  0 là điện dẫn của điện môi lỏng đo ở nhiệt độ bình thường (20 0 C)  : Là hệ số mũ đối với chất lỏng đã cho; t: Là nhiệt độ đo bằng 0 C. n0 q 2 Từ trong công thức  0 = ta thấy rằng khi nhiệt độ tăng, độ nhớt điện môi l lỏng giảm, điện dẫn sẽ tăng lên.

Đối với chất lỏng cực tính ( ví dụ dầu gai ) thì tích  . hầu như không biến đổi ở các nhiệt độ khác nhau. Nhưng với dầu máy biến áp, độ dẫn điện được xác định bởi chuyển động của các ion tạo chất, mức độ phân ly các ion này tăng theo nhiệt độ, vì thể tích  . của dầu máy biến áp cũng tăng theo nhiệt độ.