Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học Vật liệu điện (Mã môn học: KTĐ19MH64) do Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) biên soạn và ban hành kèm theo Quyết định số 187/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 3 năm 2020 tại Bà Rịa - Vũng Tàu. Đội ngũ biên soạn gồm tác giả Phan Kim Ngân (Chủ biên) cùng các thành viên Lê Thị Thu Hường và Nguyễn Xuân Thịnh.

Tài liệu được thiết kế giảng dạy cho nghề Lắp đặt thiết bị điện ở trình độ Cao đẳng, thuộc nhóm Môn học/mô đun cơ sở nghề (ký hiệu II.1). Môn học có khối lượng 2 tín chỉ với tổng thời lượng 30 giờ (bao gồm 28 giờ lý thuyết và 2 giờ kiểm tra định kỳ). Trong tiến trình đào tạo, môn học được bố trí sau môn An toàn lao động (ATMT19MH01) hoặc An toàn điện (KTĐ19MH1), đồng thời được tổ chức giảng dạy song song với môn Vẽ điện chuyên ngành (KTĐ19MĐ66) và Khí cụ điện (KTĐ19MĐ15).

Mục tiêu học tập của giáo trình tập trung vào ba chuẩn đầu ra chính:

  1. Về kiến thức: Nhận dạng, phân loại chính xác các loại vật liệu điện thông dụng và trình bày chi tiết đặc tính cơ - lý - hóa - điện - từ của từng nhóm vật liệu.
  2. Về kỹ năng: Xác định chính xác các dạng hư hỏng và phân tích nguyên nhân gây suy giảm phẩm chất vật liệu trong quá trình thiết bị vận hành.
  3. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện tính cẩn thận, chính xác, tính kỷ luật và sự chủ động trong môi trường làm việc kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình bao gồm Bài mở đầu cùng 3 chương chuyên đề:

  • Bài mở đầu: Khái niệm về vật liệu điện (2 giờ lý thuyết)
  • Chương 1: Vật liệu cách điện (9 giờ: 8 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra)
  • Chương 2: Vật liệu dẫn điện (10 giờ: 9 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra)
  • Chương 3: Vật liệu dẫn từ (9 giờ lý thuyết)

Phương pháp tiếp cận của giáo trình đi từ việc giải thích bản chất vật lý - hóa học ở cấp độ nguyên tử, phân tử và phân vùng năng lượng, sau đó quy nạp thành các thông số kỹ thuật, quy chuẩn phân loại công nghiệp và ứng dụng thực tế trong hệ thống thiết bị điện.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

  • Bài mở đầu: Khái niệm về vật liệu điện (2 giờ lý thuyết): Khảo sát cấu tạo nguyên tử theo mô hình Bohr, các hạt cơ bản (proton, neutron, electron), điện tích $q = 1{,}6 \cdot 10^{-19}\text{ C}$, khối lượng hạt và năng lượng ion hóa $W_i$. Phân tích ba kiểu liên kết phân tử: liên kết đồng hóa trị (ví dụ phân tử $\text{Cl}_2$), liên kết ion (muối halogen kim loại kiềm), và liên kết kim loại gắn với các cấu trúc mạng tinh thể (lập phương tâm khối, lập phương tâm mặt, lục giác xếp chặt). Khảo sát các dạng khuyết tật trong vật rắn (tạp chất lạ, áp lực cơ học, phonon dao động đàn hồi, mặt tinh thể phụ, khe rãnh, lỗ xốp). Trình bày lý thuyết phân vùng năng lượng (vùng đầy/hóa trị, vùng cấm $\Delta W$, vùng tự do/dẫn) để phân loại chất dẫn điện ($\Delta W < 0{,}2\text{ eV}$), chất bán dẫn ($\Delta W = 0{,}2 - 1{,}5\text{ eV}$) và điện môi ($\Delta W > 1{,}5\text{ eV}$). Phân loại vật liệu theo từ tính thành chất nghịch từ ($\mu < 1$), thuận từ ($\mu > 1$) và dẫn từ ($\mu \gg 1$). Hệ thống hóa các chỉ tiêu cơ tính (độ bền $\sigma$, độ cứng, độ giãn dài tương đối $\delta%$, độ dai va chạm $a_k$, độ bền mỏi chu kỳ $10^7$), lý tính (khối lượng riêng $\rho = m/V$, nhiệt độ nóng chảy, tính giãn nở nhiệt, dẫn nhiệt, dẫn điện, từ tính), hóa tính (tính chịu ăn mòn, chịu nhiệt, chịu axit) và tính công nghệ (tính đúc, rèn, hàn).

  • Chương 1: Vật liệu cách điện (9 giờ): Trình bày toàn diện về chất điện môi. Khảo sát điện dẫn của điện môi khí (quá trình ion hóa tự nhiên, tái hợp, ion hóa do va chạm và đặc tính Vôn - Ampe qua 3 vùng: vùng định luật Ohm, vùng dòng bão hòa $10^{-21}\text{ A/mm}^2$, vùng phóng điện plasma); điện dẫn điện môi lỏng (cơ chế phân ly ion phụ thuộc hàm mũ nhiệt độ $\sigma = \sigma_0 e^{\alpha t}$, điện dẫn điện di molion, ảnh hưởng của tạp chất nước ở dạng hòa tan, nhũ tương và lắng đọng); điện dẫn điện môi rắn (điện trở suất khối $\rho_v$ đơn vị $\Omega\cdot\text{cm}$ và điện trở suất mặt $\rho_s$ đơn vị $\Omega$). Phân tích hiện tượng phân cực điện môi ($Q = C \cdot U$), xác định hằng số điện môi tương đối $\varepsilon = C/C_0$. Tính toán tổn hao công suất điện môi ở điện áp xoay chiều qua công thức $P = U^2 \omega C \text{ tg}\delta$ và góc tổn hao $\text{tg}\delta = I_R / I_C = P/Q$. Khảo sát cơ chế phóng điện chọc thủng điện môi ($E_{đt} = U_{đt}/h$, công thức tính bề dày cách điện $h = K \cdot U_{đm} / E_{đt}$). Khảo sát các dạng phóng điện trong chất khí: phóng điện tỏa sáng, phóng điện tia lửa, phóng điện hồ quang và phóng điện vầng quang. Phân loại cấp chịu nhiệt theo tiêu chuẩn IEC (Bảng 1: Cấp Y $90^\circ\text{C}$, A $105^\circ\text{C}$, E $120^\circ\text{C}$, B $130^\circ\text{C}$, F $155^\circ\text{C}$, H $180^\circ\text{C}$, C $> 180^\circ\text{C}$). Trình bày chi tiết tính chất và ứng dụng của các vật liệu cách điện thể khí (không khí, $\text{N}_2$, $\text{SF}_6$ / Elegaz có độ bền điện gấp 2,5 lần không khí, Freon $\text{CCl}_2\text{F}_2$, hydrocacbon flo hóa $\text{CF}_4, \text{C}_2\text{F}_6, \text{C}4\text{F}{10}$, khí làm mát $\text{H}_2$), thể lỏng (dầu máy biến áp có tỉ trọng $0{,}87 - 0{,}89\text{ g/cm}^3$, dầu tụ điện, dầu cáp áp suất $1 - 3\text{ at}$), và thể rắn (sứ cách điện đường dây treo $> 35\text{ kV}$, sứ đỡ trạm biến áp, thủy tinh silicat, gỗ tẩm, phíp ngâm dung dịch $\text{ZnCl}_2$, mica và micanit vành góp, lót, tạo hình, micafon, micanit mềm, băng mica).

  • Chương 2: Vật liệu dẫn điện (10 giờ): Nghiên cứu các kim loại dẫn điện cao (đồng, nhôm), hợp kim của đồng (đồng thanh thiếc theo Bảng 4, đồng thanh nhôm theo Bảng 5), kim loại có điện trở suất cao dùng làm dây đốt nóng và biến trở, cùng quy luật thay đổi điện trở suất theo nhiệt độ (Bảng 3).

  • Chương 3: Vật liệu dẫn từ (9 giờ): Phân tích các vật liệu sắt từ, đường cong từ hóa, tổn hao do từ trễ và dòng điện xoáy (Foucault), phân loại vật liệu từ mềm và từ cứng (thép kỹ thuật điện, hợp kim Fe-Ni, ferit, gadolinit).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết vật lý chất rắn: Mô hình nguyên tử Bohr, lực liên kết tĩnh điện $f_1 = q^2/r^2$ cân bằng với lực ly tâm, mức năng lượng ion hóa $W_i$, cấu trúc vùng năng lượng biểu diễn sự dịch chuyển electron giữa vùng hóa trị và vùng dẫn.
  • Quy luật trường điện từ và suy hao: Phương trình dòng điện tổng trong điện môi $I = I_{rò} + I_{phân cực}$; định luật dẫn điện ion trong chất lỏng theo nhiệt độ $\sigma = \sigma_0 e^{\alpha t}$; phương trình tính công suất tổn hao điện môi $P = U^2 \omega C \text{ tg}\delta$; quan hệ giữa điện tích và điện áp ($Q-U$) dạng elip hoặc từ trễ trong điện môi xécnhet.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật định lượng: Chuẩn hóa hệ thống phân cấp vật liệu chịu nhiệt theo IEC; công thức xác định chiều dày cách điện $h$ dựa trên điện áp định mức $U_{đm}$, cường độ điện trường đánh thủng $E_{đt}$ và hệ số an toàn $K$.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Xác định điện trở cách điện $R_{cđ}$, điện dung $C$, góc tổn hao $\text{tg}\delta$, tính toán tổn hao công suất phát nhiệt $P$ và tính chọn bề dày cách điện cho thiết bị làm việc ở các cấp điện áp cụ thể.
  • Kỹ năng tra cứu và phân loại: Sử dụng thành thạo các bảng tra cứu kỹ thuật về độ bền chịu nhiệt IEC, bảng thông số điện trở suất kim loại, bảng tính chất cơ lý của đồng thanh thiếc/đồng thanh nhôm, phân biệt các dạng vật liệu cách điện thể khí, lỏng, rắn.
  • Kỹ năng phân tích hư hỏng: Nhận diện cơ chế suy giảm chất lượng vật liệu (hiện tượng hóa già của dầu biến áp do oxy hóa nhiệt độ cao, hiện tượng hút ẩm của phíp và gỗ, phóng điện vầng quang trên đường dây cao thế, hiện tượng phá hủy mỏi của kim loại dưới tải trọng chu kỳ $10^7$).

Phương pháp giảng dạy và học tập

  • Phương pháp sư phạm của giảng viên: Giáo trình quy định giảng viên áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực bao gồm diễn giảng, vấn đáp, đàm thoại và dạy học theo vấn đề (problem-based learning). Giảng viên cần chuẩn bị đầy đủ mô hình trực quan, hướng dẫn sinh viên nhận dạng trực tiếp các mẫu vật liệu, bố trí thời lượng giải bài tập kỹ thuật và sửa sai tại chỗ cho người học.
  • Hệ thống bài tập và tình huống thực tiễn: Chương trình tích hợp hệ thống câu hỏi củng cố cuối mỗi bài (ví dụ 5 câu hỏi ôn tập sau Bài mở đầu về cấu trúc nguyên tử, mối liên kết, khuyết tật vật rắn, phân vùng năng lượng và phân loại vật liệu điện). Các bài tập tình huống tập trung vào việc tính toán chiều dày cách điện an toàn $h = K \cdot (U_{đm} / E_{đt})$, so sánh tổn thất điện môi giữa các chất có $\varepsilon$ và $\text{tg}\delta$ khác nhau, và phân tích hiện tượng phóng điện bề mặt của sứ cách điện trong điều kiện thử nghiệm khô và thử nghiệm ướt dưới mưa nhân tạo ($4{,}5 - 5{,}5\text{ mm/phút}$, góc nghiêng $45^\circ$).
  • Phương pháp kiểm tra và đánh giá:
    • Đánh giá thường xuyên: Kiểm tra hỏi miệng đầu giờ đối với các mục tiêu kiến thức.
    • Kiểm tra định kỳ (2 bài): Bài kiểm tra số 1 đánh giá nội dung Bài mở đầu và Chương 1; Bài kiểm tra số 2 đánh giá nội dung Chương 2 và Chương 3 (hình thức tự luận hoặc trắc nghiệm).
    • Kiểm tra kết thúc môn học: Đánh giá toàn diện bằng hình thức thi trắc nghiệm khách quan.
    • Đánh giá năng lực tự chủ: Đánh giá mức độ chuyên cần, ý thức chuẩn bị bài trước khi đến lớp và tính chính xác, cẩn thận trong việc thực hiện các bài tập kỹ thuật.
  • Hướng dẫn tự học đối với sinh viên: Người học phải nghiên cứu trước nội dung giáo trình theo từng bài học, chuẩn bị đầy đủ tài liệu, hoàn thành các câu hỏi thảo luận/bài tập tình huống cá nhân hoặc nhóm và nộp đúng hạn, đồng thời chủ động đối chiếu kiến thức với 6 tài liệu tham khảo chuyên ngành được chỉ định.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Chuẩn hóa phân loại theo tiêu chuẩn quốc tế IEC: Giáo trình cập nhật hệ thống phân cấp vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) gồm 7 cấp rõ ràng: 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 ($180^\circ\text{C}$), và Cấp C ($> 180^\circ\text{C}$). Mỗi cấp nhiệt đều được gắn liền với danh mục cấu tạo vật liệu tương ứng (vật liệu sợi xenlulô, nhựa epoxy, vật liệu gốc silicon, mica, thủy tinh, gốm sứ).
  • Cập nhật dữ liệu về các môi chất cách điện hiện đại: Trình bày chi tiết đặc tính hóa lý của khí Elegaz ($\text{SF}_6$) với độ bền điện gấp 2,5 lần không khí, khối lượng nặng hơn không khí 5 lần, nhiệt độ sôi $-64^\circ\text{C}$ và chịu nhiệt đến $800^\circ\text{C}$ dùng trong máy cắt điện cao áp; các hợp chất hydrocacbon flo hóa ($\text{CF}_4, \text{C}_2\text{F}_6, \text{C}4\text{F}{10}$) có độ bền điện cao gấp 6 đến 10 lần không khí.
  • Tích hợp ứng dụng kỹ thuật trong ngành dầu khí và công nghiệp nặng: Cung cấp thông số vận hành của dầu biến áp (tỉ trọng $0{,}87 - 0{,}89\text{ g/cm}^3$, khả năng tỏa nhiệt gấp 28 lần không khí), kỹ thuật duy trì áp suất dầu $1 - 3\text{ at}$ trong cáp điện lực $110 - 220\text{ kV}$ để triệt tiêu bọt khí; giải pháp làm mát bằng khí Hydro ($\text{H}_2$) trong các máy phát nhiệt điện và máy bù đồng bộ; việc sử dụng thủy tinh hữu cơ (polimetyl metacrilat) thay thế phíp để dập hồ quang trong các thiết bị chống sét ống.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và trình độ đào tạo: Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Lắp đặt thiết bị điện, sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Điện công nghiệp, Tự động hóa, và Bảo trì thiết bị điện trong các xí nghiệp, khu chế xuất và công trình dầu khí.
  • Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành môn An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01) hoặc An toàn điện (KTĐ19MH1); nắm vững kiến thức vật lý đại cương về điện từ học, cấu tạo nguyên tử và mạch điện cơ sở.
  • Giảng viên và cơ sở đào tạo: Giáo viên chuyên ngành sử dụng tài liệu để thiết kế giáo án lý thuyết, biên soạn ngân hàng câu hỏi kiểm tra trắc nghiệm/tự luận, đồng thời chuẩn bị cơ sở vật chất phòng học chuyên môn hóa theo quy định (tủ sấy điều khiển nhiệt độ, thiết bị thử độ bền cách điện, biến áp tự ngẫu điều chỉnh $0 - 400\text{V}$, bảng gắn khí cụ điện, hóa chất tẩm sấy vẹc-ni).
  • Kỹ thuật viên và kỹ sư vận hành: Dùng làm tài liệu tham khảo tra cứu tại chỗ về các thông số cơ lý hóa của vật liệu (bảng điện trở suất kim loại, cấp cách nhiệt IEC, hệ số tổn hao điện môi) phục vụ công tác kiểm tra, nghiệm thu và bảo dưỡng thiết bị điện công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giáo trình này phù hợp với ai?
    Giáo trình được biên soạn chuẩn hóa cho học sinh, sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Lắp đặt thiết bị điện theo chương trình đào tạo của Trường Cao đẳng Dầu khí, đồng thời là tài liệu tham khảo cho giảng viên và kỹ thuật viên ngành kỹ thuật điện.

  2. Cần kiến thức nền nào để học môn học này?
    Người học cần hoàn thành các môn học chung và môn cơ sở trước đó gồm An toàn lao động, Mạch điện cơ bản, cùng kiến thức vật lý đại cương về cấu tạo nguyên tử, trường tĩnh điện và hóa học đại cương về liên kết phân tử.

  3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu vật liệu học đại cương?
    Giáo trình tập trung chuyên biệt vào các vật liệu ứng dụng trong kỹ thuật điện (cách điện, dẫn điện, dẫn từ), chuẩn hóa phân loại theo tiêu chuẩn quốc tế IEC, tích hợp công thức tính toán độ bền điện trường ($E_{đt}$), hệ số an toàn ($K$), tổn hao công suất ($P = U^2 \omega C \text{ tg}\delta$), và gắn liền với các thiết bị cao áp thực tế (máy biến áp, máy cắt, cáp $110 - 220\text{ kV}$, sứ chuỗi treo $> 35\text{ kV}$).

  4. Làm sao để tự học giáo trình này đạt hiệu quả?
    Người học cần đọc trước nội dung từng chương, ghi chép có hệ thống các công thức và định nghĩa, giải toàn bộ các câu hỏi củng cố cuối bài học, thực hành tra cứu các bảng thông số kỹ thuật (Bảng 1 đến Bảng 5) và liên hệ với các mẫu thiết bị thực tế trong xưởng thực hành.

  5. Có những tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?
    Giáo trình dẫn xuất 6 tài liệu tham khảo chuyên ngành tiêu chuẩn bao gồm:

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

Kết luận

Giáo trình Vật liệu điện của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng và chuyên ngành về 3 nhóm vật liệu cốt lõi: vật liệu cách điện, vật liệu dẫn điện và vật liệu dẫn từ. Nội dung tài liệu liên kết chặt chẽ giữa cấu trúc vật chất vi mô với các thông số kỹ thuật định lượng (độ bền cơ, điện trở suất, hằng số điện môi, góc tổn hao, độ bền đánh thủng và cấp chịu nhiệt IEC).

Khối lượng kiến thức trong giáo trình đóng vai trò bản lề, tạo tiền đề để sinh viên tiếp thu các mô đun chuyên môn tiếp theo trong chương trình đào tạo nghề Lắp đặt thiết bị điện, bao gồm: Khí cụ điện (KTĐ19MĐ15), Đo lường điện (KTĐ19MĐ14), Máy điện cơ sở (KTĐ19MĐ35), Trang bị điện 1 & 2 (KTĐ19MĐ57, KTĐ19MĐ58), Lắp đặt mạng điện và thiết bị điện dân dụng - công nghiệp.

Quá trình học tập được hỗ trợ đồng bộ bởi hệ thống thiết bị phòng thí nghiệm (tủ sấy, thiết bị thử độ bền cách điện, biến áp tự ngẫu) và danh mục 6 tài liệu tham khảo chuyên ngành đã được thẩm định.