Giáo trình Vật liệu điện ngành Điện công nghiệp - Trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại

Dưới đây là thông tin meta tags cho bài viết 'Giáo trình vật liệu điện nghề điện công nghiệp cđ công nghiệp và thương mại': { "ai_description": "Giáo trình

• Trường học: Trường Cao đẳng Công nghiệp và Thương mại
• Chuyên ngành: Điện công nghiệp
• Đề tài: Giáo trình vật liệu điện nghề điện công nghiệp trình độ cao đẳng
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Vĩnh Phúc

Tóm tắt

I. Tổng quan về vật liệu điện và vai trò trong công nghiệp

Vật liệu điện là nền tảng của ngành công nghiệp điện hiện đại. Chúng bao gồm ba loại chính: cách điện, dẫn điện và dẫn từ. Mỗi loại vật liệu có tính chất riêng biệt, đáp ứng những yêu cầu kỹ thuật khác nhau. Sự phát triển của vật liệu điện gắn liền với tiến bộ của kỹ thuật điện. Các tính chất cơ bản như điện trở suất, độ bền cách điện, khả năng chịu nhiệt độ quyết định hiệu suất thiết bị. Chất lượng vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn, hiệu quả và tuổi thọ của các thiết bị điện. Trong công nghiệp, lựa chọn vật liệu phù hợp giảm thiểu rủi ro hư hỏng và tăng hiệu suất hoạt động. Kiến thức về vật liệu điện là yêu cầu bắt buộc cho kỹ sư và thợ điện.

1.1. Định nghĩa và cấu tạo của vật liệu điện

Vật liệu điện là chất có khả năng cách điện hoặc dẫn điện. Chúng được sử dụng trong các thiết bị điện để điều khiển dòng điện. Cấu tạo của vật liệu điện liên quan đến cấu trúc nguyên tử. Các electron tự do trong nguyên tử quyết định khả năng dẫn điện. Vật liệu có ít electron tự do hoạt động như cách điện. Vật liệu có nhiều electron tự do hoạt động như dẫn điện. Hiểu rõ cấu tạo giúp dự đoán tính chất của vật liệu.

1.2. Tầm quan trọng của việc lựa chọn vật liệu đúng

Lựa chọn vật liệu sai gây ra hư hỏng thiết bị và mất an toàn. Vật liệu phù hợp bảo vệ các bộ phận điện tế nhị và máy móc. Giá thành của thiết bị phụ thuộc vào chất lượng vật liệu sử dụng. Vật liệu kém chất lượng tăng chi phí bảo trì và sửa chữa. Vật liệu tốt kéo dài tuổi thọ thiết bị lên nhiều năm. Công nghiệp đòi hỏi vật liệu đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật cao.

II. Phân loại vật liệu điện và đặc tính riêng biệt

Vật liệu điện được chia thành ba nhóm chính theo chức năng. Vật liệu cách điện chống lại dòng điện, bảo vệ người sử dụng. Vật liệu dẫn điện cho phép dòng điện chạy qua với điện trở thấp. Vật liệu dẫn từ tập trung từ trường, dùng trong máy điện. Mỗi nhóm có những tính chất khác nhau về độ bền, khả năng chịu nhiệt, tính chống ăn mòn. Trong nhóm cách điện, có vật liệu tự nhiên và tổng hợp. Đồng, nhôm là các vật liệu dẫn điện phổ biến nhất. Thép silicon là vật liệu dẫn từ quan trọng trong máy biến áp. Sự đa dạng trong phân loại cho phép ứng dụng linh hoạt.

2.1. Vật liệu cách điện đặc điểm và phân loại chi tiết

Vật liệu cách điện có khả năng chống lại dòng điện rất tốt. Chúng bao gồm các chất lỏng như dầu máy biến áp, dầu khô. Vật liệu rắn cách điện gồm giấy, gốm sứ, sơn cách điện. Mỗi loại có độ bền cách điện khác nhau, đo bằng kV/mm. Vật liệu cách điện tự nhiên như gỗ, giấy được sử dụng lâu đời. Vật liệu tổng hợp như nhựa epoxy có hiệu suất cao hơn. Lựa chọn phụ thuộc vào môi trường làm việc và yêu cầu kỹ thuật.

2.2. Vật liệu dẫn điện tính chất vật lý và ứng dụng

Vật liệu dẫn điện có điện trở suất thấp, cho phép dòng điện dòng qua dễ dàng. Đồng là lựa chọn tốt nhất do điện dẫn suất cao và bền cơ tốt. Nhôm có giá rẻ hơn đồng, được dùng trong đường dây truyền tải. Kim loại dẫn điện phải chịu được lực cơ học và ăn mòn. Khợp kim được sử dụng để cải thiện các tính chất cơ học. Hàn và gắn kết nối phải thực hiện đúng kỹ thuật.

III. Phương pháp chọn lựa và xử lý vật liệu điện

Chọn lựa vật liệu điện yêu cầu xem xét nhiều yếu tố. Điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, hóa chất ảnh hưởng lớn. Độ bền cơ học của vật liệu phải phù hợp với tải trọng. Khả năng chống ăn mòn đặc biệt quan trọng ở môi trường khắc nghiệt. Tính chất điện như điện trở suất, độ bền cách điện là yêu cầu cơ bản. Giá thành vật liệu cần được cân bằng với hiệu suất. Kiểm tra chất lượng vật liệu trước khi sử dụng là bắt buộc. Xử lý bề mặt như phủ sơn, mạ bảo vệ vật liệu khỏi ăn mòn.

3.1. Tiêu chuẩn kiểm tra và đánh giá chất lượng vật liệu

Kiểm tra chất lượng vật liệu bao gồm nhiều phương pháp khác nhau. Độ bền cách điện kiểm tra bằng điện áp cao theo tiêu chuẩn quốc tế. Điện trở suất đo bằng ohm-mét, phải đạt các tiêu chuẩn yêu cầu. Độ bền cơ như kéo, uốn kiểm tra để đảm bảo độ bền. Sự hấp thụ ẩm của vật liệu cách điện cần giám sát. Sự quỹ biến hóa sau khi sử dụng lâu ngày phải được kiểm tra. Các phòng thí nghiệm chuyên biệt thực hiện các bài kiểm tra.

3.2. Phương pháp bảo vệ vật liệu khỏi hư hỏng và ăn mòn

Bảo vệ vật liệu bắt đầu từ lựa chọn đúng loại vật liệu. Mối tiếp xúc cố định phải dùng vật liệu có điện thế hóa học giống nhau. Phủ sơn cách điện bảo vệ bề mặt khỏi độ ẩm và hóa chất. Mạ kim loại như niken, krom tăng khả năng chống ăn mòn. Dầu cách điện được sử dụng để tẩm các linh kiện nhạy cảm. Lưu trữ vật liệu ở nơi khô ráo giảm thiểu hư hỏng. Định kỳ bảo dưỡng kéo dài tuổi thọ thiết bị.

IV. Ứng dụng thực tế và tầm quan trọng trong công nghiệp hiện đại

Vật liệu điện có ứng dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp. Máy biến áp sử dụng dầu cách điện và thép silicon. Đường dây truyền tải điện sử dụng dây đồng hoặc nhôm. Động cơ điện yêu cầu cuộn dây đồng và lõi thép silicon. Tụ điện sử dụng giấy điện môi và dầu khô. Thiết bị điện gia dụng yêu cầu cách điện an toàn. Sự phát triển của vật liệu mới tạo ra các thiết bị hiệu quả hơn. Tiết kiệm năng lượng phụ thuộc vào chất lượng vật liệu. Công nghiệp điện sẽ tiếp tục phát triển nhờ vật liệu mới.

4.1. Vật liệu điện trong các máy điện thông dụng

Máy biến áp sử dụng dầu máy biến áp như chất lỏng cách điện. Lõi từ được làm từ thép silicon laminat để giảm tổn hao xoáy. Cuộn dây được bảo vệ bằng sơn cách điện và vải dệt. Động cơ điện sử dụng dây quấn đồng trong cuộn stator. Các mối nối cần được cách điện bằng vật liệu cách điện. Dây dẫn phía ngoài được bao bọc bằng cao su hoặc nhựa. Tụ điện công suất sử dụng giấy điện môi chìm trong dầu.

4.2. Xu hướng phát triển vật liệu điện trong tương lai

Vật liệu điện mới được phát triển nhằm cải thiện hiệu suất. Vật liệu siêu dẫn giảm điện trở về gần không ở nhiệt độ thấp. Vật liệu nano có tính chất cách điện và dẫn điện ưu việt. Vật liệu composite kết hợp ưu điểm của nhiều chất khác nhau. Vật liệu thân thiện môi trường thay thế vật liệu có hại. Nghiên cứu vật liệu mới tiếp tục nhằm tăng hiệu suất thiết bị. Tiết kiệm năng lượng là mục tiêu chính của phát triển vật liệu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 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 muốn sử dụng đạt hiệu quả cao thì đòi hỏi người công 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: - 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.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện Mục tiêu: - Nhận dạng được các loại vật liệu cách điện đúng yêu cầu kỹ thuật. - Phân loại được các loại vật liệu cách điện đạt chính xác 90% 1.

Khái niệm Phần địên 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 không 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.Phân loại vật liệu cách điện Phân loại theo trạng thái vật l Vât liệu cách điện (điện môi) có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn. Ở giữa thể lỏng và thể lỏng rắn, còn có một thể trung gian, gọi là thể mềm nhão như: các vật liệu có tính chất bôi trơn, các loại sơn tẩm.

Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phần hoá học, ngưòi ta chia vật liệu cách điện thành: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ. Vật liệu cách điện hữu cơ: chia làm hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo. Vật liệu cách điện vô cơ: vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu như: sứ gốm, thủy tinh, mica, amiăng v.v… Phân loại theo tính chịu nhiệt Khi lựa chọn vật liệu cách điện, trước tiên ta phải biết vật liệu có khả năng chịu nhiệt theo cấp nào trong số bảy cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện theo bảng sau: (bảng 1.Các cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện Cấp cách Nhiệt độ Các vật liệu cách điện chủ yếu điện cho phép (0C) Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tơng tự, không tẩm và ngâm trong vật liệu cách điện lỏng. Các loại nhựa như: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin.

A 105 Giấy, vải sợi, lụa được ngâm hay tẩm dầu biến áp. Cao su nhân tạo, nhựa polieste, các loại sơn cách điện có dầu làm khô, axetyl, tấm gỗ dán, êmây gốc sơn nhựa dầu. E 120 Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi. Giấy ép hoặc vải có tẩm nha phenolfocmandehit (gọi chung là bakelit giấy).

Nhựa melaminfocmandehit có chất độn xenlulo, têctôlit. Vải có tẩm poliamit. Nhựa 11 poliamit, nhựa phênol - phurol có độn xenlulo, nhựa êboxi. B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chất độn.

Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng ở cá bộ phận không tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phênol. Các loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng). Nhựa phênol-phurol có chất độn khoáng.

Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica, hoặc thủy tinh có chất độn. F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính. Bao gồm micanit, êpoxi poliête chịu nhiệt, silíc hữu cơ. H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính, nhựa silíc hữu cơ có độ bền nhiệt đặc biệt cao.

C Trên 180 Gồm các vật liệu cách điện vô cơ thuần túy, hoàn toàn không có thành phần kết dính hay tẩm. Chất vật liệu cách điện oxit nhôm và florua nhôm. Micanit không có chất kết dính, thủy tinh, sứ. Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen, ximăng amiăng v.

Tính chất chung, nguyên nhân gây hư hỏng của vật liệu cách điện Mục tiêu: - Trình bầy được các tính chất chung và nguyên nhân gây hư hỏng, cách phòng ngừa của vật liệu cách điện Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối 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 thuật và công nghệ chế tạo cũng có nhiếu vật liệu cách điện khác nhau. Vì vậy cần 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 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 12 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 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 củ chúng mà không bị biến dạng. Độ bền chịu kéo, chịu nén và 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.

Trị số của độ bền chịu kéo (k), chịu nén (n), và uốn (n), được đo bằng kG/cm2 hoặc trong hệ SI bằng N/m2, (1 N/m2  10-5 kG/cm2). Các vật liệu kết cấu không đẳng hướng (vật liệu có nhiều lớp, sợi v.) có độ bền cơ học phụ thuộc vào phương tác dụng của tải trọng theo các hướng không gian khác nhau thì có độ bền khác nhau. Đối với các vật liệu như: thủy tinh, sứ, chất dẻo v.độ bền uốn có trị số bé. Ví dụ: thủy tinh, thạch anh có độ bền chịu nén n = 20.000 kG/cm2, còn khi kéo đứt thì chưa đến 500 kG/cm2, chính vì vậy người ta sử dụng nó ở vị trí đỡ.

Ngoài ra độ bền cơ phụ thuộc diện tích tiết diện ngang và nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì độ bền giảm. Nhiều vật liệu giòn tức là trong khi có độ bền tương đối cao đối 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 dai va đập. Polietylen có ứng suất dai va dập rất cao vđ  100kG.cm/cm2, còn với vật liệu gốm và micalếch chỉ khoảng (25) kG.

Việc kiểm tra độ giòn và độ dai va đập rất quan trọng đối với vật liệu cách điện trong trang bị điện của máy bay. Độ cứng vật liệu là khả năng của bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây nên bởi lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ vào nó. Độ cứng được xác định theo nhiều phương pháp khác nhau: 13 Theo thang khoáng vật hay là thang thập phân quy ước của độ cứng. Nếu ta quy ước hoạt thạch là một đơn vị thì thạch cao có độ cứng là 1,4; apatit là 44, thạch anh là 1500; hoàng ngọc (topa) là 5500; kim cương là 5.

Độ nhớt: Đối với vật liệu cách điện thể lỏng hoặc nửa lỏng như dầu, sơn, hỗn hợp tráng, tẩm, dầu biến áp v.thì độ nhớt là một đặc tính cơ học quan trọng. Có ba khái niệm độ nhớt của chất lỏng như sau: Độ nhớt động lực học () hay còn gọi là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng Độ nhớt động học (v) bằng tỉ số độ nhớt động lực học của chất lỏng và mật độ của nó:  v   (1.1) Trong đó: +  là mật độ của chất lỏng +  là độ nhớt động lực học của chất lỏng. Độ nhớt tương đối theo Angle: đây là độ nhớt đo bằng tỉ số giữa thời gian chảy từ nhớt kế Angle của 200ml chất lỏng (ở nhiệt độ thí nghiệm cho trước) 2. Tính chất hóa 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.