(NB) Giáo trình Vật liệu điện với mục tiêu giúp các bạn có thể nhận dạng được các loại vật liệu điện thông dụng; Phân loại được các loại vật liệu điện thông dụng; Trình bày được đặc tính của các loại vật liệu điện; Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện.
Phân loại vật liệu điện
II Chương 1.Vật liệu cách điện 9 4 4 1
1.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
2 Tính chất chung của vật liệu cách điện
3.Một số vật liệu cách điện thông dụng
III Chương 2.Vật liệu dẫn điện 10 5 4 1
1.Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện
2.Tính chất chung của kim loại và hợp kim
3.Những hư hỏng thường và cách chọn vật liệu dẫn điện
4.Một số vật liệu dẫn điện thông dụng
IV Chương 3.Vật liệu dẫn từ 8 4 4
1.Khái niệm và tính chất vật liệu dẫn từ
2.Mạch từ, tính toán mạch từ 2 2
3.Một số vật liệu dẫn từ thông dụng
Bài mở đầu Khái niệm về vật liệu điện Mục tiêu
- Nêu bật được khái niệm và cấu tạo của vật liệu dẫn điện
- Phân loại được chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
- Rèn luyện được tính chủ động và nghiêm túc trong công việc
1.Khái niệm, cấu tạo vật liệu điện
Vật liệu điện bao gồm tất cả các thành phần được sử dụng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn và phụ kiện đường dây Các loại vật liệu điện chủ yếu bao gồm vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ Để hiểu rõ bản chất dẫn điện hay cách điện của các vật liệu này, chúng ta cần nắm vững khái niệm về cấu tạo vật liệu và sự hình thành các phần tử mang điện bên trong chúng.
1.2 Cấu tạo nguyên tử của vật liệu
Mọi vật chất được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử, trong đó nguyên tử là phần tử cơ bản Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm, chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo xác định Hạt nhân được tạo thành từ prôton có điện tích dương và nơtron không mang điện Nguyên tử thường ở trạng thái trung hòa về điện, nhưng khi mất điện tử, nó trở thành ion dương, và khi nhận thêm điện tử, nó sẽ trở thành ion âm.
Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau:
Liên kết đồng hóa trị là loại liên kết mà các nguyên tử trong phân tử chia sẻ điện tử, tạo ra một mật độ đám mây điện tử bão hòa giữa các hạt nhân Nhờ đó, liên kết phân tử trở nên bền vững hơn.
Liên kết ion: Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử
Liên kết kim loại tạo ra các tinh thể rắn và được hình thành từ các ion dương trong môi trường điện tử tự do Lực hút giữa các ion dương và điện tử mang lại tính nguyên khối cho kim loại, làm cho liên kết này trở nên bền vững Nhờ đó, kim loại sở hữu độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao.
Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn:
Các tinh thể vật rắn có thể có cấu trúc đồng nhất, nhưng sự phá hủy cấu trúc này và sự hình thành các khuyết tật trong vật rắn thường xảy ra trong thực tế Những khuyết tật này có thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên hoặc được tạo ra một cách cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu.
Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn:
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, các điện tử lấp đầy một số mức năng lượng, trong khi những mức khác chỉ có thể chứa điện tử khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài, tạo ra trạng thái kích thích Nguyên tử có xu hướng trở về trạng thái ổn định, và khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích về mức năng lượng thấp nhất, nguyên tử sẽ phát ra năng lượng dư thừa.
Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0 K
2 Phân loại vật liệu điện
2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV)
Vật liệu bán dẫn có vùng cấm hẹp hơn vật liệu cách điện, cho phép sự thay đổi của vùng cấm nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài, với chiều rộng vùng cấm dao động từ 0,2 đến 1,5 eV Ngược lại, điện môi có vùng cấm lớn, khiến cho việc dẫn điện bằng điện tử không xảy ra trong điều kiện bình thường Mặc dù các điện tử hóa trị nhận được năng lượng từ chuyển động nhiệt, chúng vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn Chiều rộng vùng cấm của vật liệu cách điện nằm trong khoảng từ 1,5 đến 2 eV.
2.2 Phân loại vật liệu điện theo từ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ và dẫn từ
Vật liệu nghịch từ là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
Vật liệu dẫn từ là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể
Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện:
+ Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn
+ Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ
Vật liệu cách điện
Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
Vật liệu điện là tất cả những nguyên liệu được sử dụng để chế tạo máy điện, khí cụ điện, dây dẫn và phụ kiện đường dây, bao gồm vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ Để hiểu rõ bản chất dẫn điện hay cách điện của vật liệu, cần nắm vững cấu tạo của chúng và sự hình thành các phần tử mang điện trong vật liệu.
1.2 Cấu tạo nguyên tử của vật liệu
Mọi vật chất đều được cấu tạo từ nguyên tử, với nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử bao gồm hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm, chuyển động quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định Hạt nhân được tạo thành từ các prôton có điện tích dương và nơtron không mang điện tích Trong trạng thái bình thường, nguyên tử trung hòa điện Tuy nhiên, khi nguyên tử mất điện tử, nó trở thành ion dương, và nếu nhận thêm điện tử, nó sẽ trở thành ion âm.
Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử Trong vật chất tồn tại bốn loại liên kết sau:
Liên kết đồng hóa trị là loại liên kết được hình thành khi các nguyên tử trong phân tử chia sẻ điện tử, tạo ra mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân Sự bão hòa của mật độ này giúp hình thành liên kết phân tử bền vững.
Liên kết ion: Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử
Liên kết kim loại tạo ra các tinh thể rắn, trong đó kim loại được cấu thành từ các ion dương trong môi trường điện tử tự do Lực hút giữa các ion dương và điện tử mang lại tính nguyên khối cho kim loại, khiến cho liên kết kim loại trở nên bền vững Do đó, kim loại sở hữu độ bền cơ học cao và nhiệt độ nóng chảy lớn.
Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn:
Các tinh thể rắn có thể có cấu trúc đồng nhất, nhưng trong thực tế, sự phá hủy cấu trúc này và hình thành các khuyết tật là rất phổ biến Những khuyết tật này có thể xuất hiện một cách ngẫu nhiên hoặc được tạo ra có chủ đích trong quá trình sản xuất vật liệu.
Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn:
Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, các điện tử lấp đầy một số mức năng lượng nhất định, trong khi những mức năng lượng khác chỉ có thể chứa điện tử khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài, gọi là trạng thái kích thích Nguyên tử có xu hướng trở về trạng thái ổn định, và khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích về mức năng lượng thấp nhất, nguyên tử sẽ phát ra năng lượng dư thừa.
Hình 1.1: Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở nhiệt độ 0 0 K
2 Phân loại vật liệu điện
2.1 Phân loại vật liệu điện theo khả năng dẫn điện
Trên cơ sở giản đồ năng lượng, người ta phân loại theo vật liệu dẫn điện, vật liệu dẫn từ, vật liệu cách điện và vật liệu bán dẫn
Vật liệu dẫn điện là chất có vùng tự do nằm sát với vùng điền đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy (W 0,2eV)
Vật liệu bán dẫn có vùng cấm hẹp hơn so với vật liệu cách điện, với chiều rộng vùng cấm từ 0,2 đến 1,5 eV, cho phép sự dẫn điện xảy ra khi có tác động năng lượng từ bên ngoài Ngược lại, vật liệu cách điện có vùng cấm lớn, từ 1,5 đến 2 eV, khiến cho các điện tử hóa trị không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn, ngay cả khi được cung cấp năng lượng từ chuyển động nhiệt.
2.2 Phân loại vật liệu điện theo từ tính
Theo từ tính người ta chia vật liệu thành: nghịch từ, thuận từ và dẫn từ
Vật liệu nghịch từ là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
Vật liệu thuận từ và nghịch từ có độ từ thẩm xấp xỉ bằng 1
Vật liệu dẫn từ là những vật liệu có độ từ thẩm 1 và phụ thuộc vào từ trường bên ngoài
2.3 Phân loại vật liệu điện theo trạng thái vật thể
Theo trạng thái vật thể có vật liệu ở thể rắn, thể lỏng và vật liệu ở thể khí Ngoài ra ta cũng có thể phân loại vật liệu điện:
+ Theo công dụng: có vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ và vật liệu bán dẫn
+ Theo nguồn gốc: có vật liệu vô cơ và vật liệu hữu cơ
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 đặc tính cơ bản một số loại vật liệu cách điện thường dùng
- Sử dụng phù hợp các 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
1.1.Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
Phần điện của thiết bị bao gồm phần dẫn điện và phần cách điện Phần dẫn điện là hệ thống các vật dẫn tạo thành mạch kín cho dòng điện Để mạch hoạt động bình thường, các vật dẫn cần được cách ly khỏi những vật dẫn khác trong mạch, cũng như với các vật dẫn trong không gian và nhân viên làm việc Do đó, vật dẫn phải được bao bọc bởi các vật liệu cách điện để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
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
1.1.2.Phân loại vật liệu cách điện
Phân loại theo trạng thái vật lí:
Vật liệu cách điện, hay điện môi, tồn tại ở ba trạng thái: khí, lỏng và rắn Ngoài ra, còn có một trạng thái trung gian giữa lỏng và rắn, được gọi là thể mềm nhão, bao gồm các vật liệu có tính chất bôi trơn và 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: 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 chọn vật liệu cách điện, điều quan trọng đầu tiên là xác định khả năng chịu nhiệt của vật liệu, dựa trên bảy cấp độ chịu nhiệt được liệt kê trong bảng 1.1.
Bảng 1.1.Các cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện
Các vật liệu cách điện chủ yếu
Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương tự không được tẩm và ngâm trong chất cách điện lỏng Ngoài ra, các loại nhựa như polietilen, polistirol, vinyl clorua và anilin cũng thuộc nhóm vật liệu này.
Giấy, vải sợi, và lụa được ngâm hoặc tẩm dầu biến áp, cùng với cao su nhân tạo, nhựa polyester, và các loại sơn cách điện có dầu làm khô Ngoài ra, axetyl, tấm gỗ dán, và êmây gốc sơn nhựa dầu cũng được sử dụng trong các ứng dụng liên quan.
E 120 là loại nhựa được tạo thành từ polivinylphocman, poliamit và êboxi Nó có thể được kết hợp với giấy ép hoặc vải được tẩm nha phenolfocmandehit, thường được gọi là bakelit giấy Ngoài ra, nhựa melaminfocmandehit cũng chứa chất độn xenlulo và têctôlit, trong khi vải có thể được tẩm poliamit Các loại nhựa như poliamit, phênol - phurol và êboxi cũng có chứa độn xenlulo.
B 130 là loại nhựa polieste có chứa amiăng, mica và thủy tinh với chất độn Sơn cách điện có dầu khô được sử dụng cho các bộ phận không tiếp xúc với không khí, trong khi sơn cách điện alkit và sơn cách điện từ nhựa phênol cũng được áp dụng Các sản phẩm mica như micanit và mica màng mỏng cũng được sử dụng Nhựa phênol-phurol có chứa chất độn khoáng, cùng với nhựa epoxy, sợi thủy tinh, nhựa melamin formaldehyde, amiăng, mica hoặc thủy tinh với chất độn, đều là những vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp cách điện.
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 là các vật liệu cách điện vô cơ thuần túy, không chứa thành phần kết dính hay tẩm Các chất liệu cách điện bao gồm oxit nhôm và florua nhôm, cùng với micanit không có chất kết dính, thủy tinh và sứ Ngoài ra, còn có politetrafluoretilen, polimonoclortrifloetilen, ximăng amiăng và nhiều loại khác.
Tính chất chung, nguyên nhân gây hư hỏng của vật liệu cách điện
1.2.1 Tính hút ẩm của vật liệu cách điện:
Các vật liệu cách điện thường hấp thụ độ ẩm từ môi trường, dẫn đến hiện tượng thấm ẩm, làm giảm đáng kể các tính chất cách điện của chúng Khi được đặt trong môi trường ẩm cao, những vật liệu này không cho nước thâm nhập vào bên trong, nhưng có thể hình thành lớp ngưng tụ trên bề mặt, gây tăng dòng rò bề mặt và tiềm ẩn nguy cơ sự cố cho các thiết bị điện.
1.2.2 Tính chất cơ học của vật liệu cách điện
Khi chọn vật liệu cách điện cho thiết bị điện, cần xem xét độ bền cơ học để đảm bảo khả năng chịu đựng phụ tải cơ học mà không bị biến dạng Độ bền chịu kéo, chịu nén và uốn là các dạng phụ tải tĩnh cơ học cơ bản, được đo bằng kG/cm2 hoặc N/m2 Các vật liệu không đẳng hướng có độ bền phụ thuộc vào phương tác dụng của tải trọng, dẫn đến độ bền khác nhau theo hướng không gian Ví dụ, thủy tinh và thạch anh có độ bền chịu nén cao nhưng độ bền kéo lại thấp, do đó chúng thường được sử dụng ở vị trí đỡ Ngoài ra, độ bền cơ học còn phụ thuộc vào diện tích tiết diện ngang và nhiệt độ, với độ bền giảm khi nhiệt độ tăng.
Tính giòn của vật liệu thể hiện khả năng chịu tải tĩnh tốt nhưng dễ bị hư hỏng khi gặp lực tác động bất ngờ Để đánh giá khả năng này, người ta xác định ứng suất dai va đập, điều này đặc biệt quan trọng đối với vật liệu cách điện trong thiết bị điện của máy bay Độ cứng của vật liệu là khả năng chống lại biến dạng do lực nén từ vật nhỏ tác động lên bề mặt, và được xác định qua nhiều phương pháp khác nhau.
Độ cứng của khoáng vật được đo theo thang thập phân, trong đó hoạt thạch được quy ước là 1, thạch cao có độ cứng 1,4, apatit 4, thạch anh 1500, hoàng ngọc (topaz) 5500 và kim cương lên tới 5.000.000 Đối với các vật liệu cách điện dạng lỏng hoặc nửa lỏng như dầu, sơn và dầu biến áp, độ nhớt là một đặc tính cơ học quan trọng Độ nhớt của chất lỏng được phân loại thành ba khái niệm: độ nhớt động lực học (η), còn gọi là hệ số ma sát bên trong, và độ nhớt động học (ν), được tính bằng tỷ số giữa độ nhớt động lực học và mật độ của chất lỏng.
+ là mật độ của chất lỏng
Độ nhớt động lực học của chất lỏng, ký hiệu là + , được xác định thông qua độ nhớt tương đối theo phương pháp Angle Độ nhớt này được đo bằng tỷ số giữa thời gian chảy của 200ml chất lỏng từ nhớt kế Angle ở nhiệt độ thí nghiệm đã được quy định.
1.2.3 Tính chất hóa học của vật liệu cách điện 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.v ) Độ bền đối với tác động của các vật liệu cách điện khác nhau thì khác nhau
Trong quá trình sản xuất các chi tiết, việc gia công vật liệu có thể thực hiện qua nhiều phương pháp hóa công khác nhau, bao gồm cả việc hòa tan trong dung dịch để tạo thành sơn Độ hòa tan của vật liệu rắn được đánh giá dựa trên khối lượng vật liệu chuyển sang dung dịch trong một khoảng thời gian nhất định khi tiếp xúc với dung môi Các chất có bản chất hóa học tương thích với dung môi và chứa các nhóm nguyên tử tương tự thường có độ hòa tan cao hơn Chất lưỡng cực dễ hòa tan trong chất lỏng lưỡng cực, trong khi chất trung tính dễ hòa tan trong chất trung tính Ngoài ra, các chất cao phân tử với cấu trúc mạch thẳng có độ hòa tan tốt hơn so với các cấu trúc phức tạp hơn Cuối cùng, việc tăng nhiệt độ cũng dẫn đến sự gia tăng độ hòa tan của các chất.
1.2.4 Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện
Hiện tượng đánh thủng điện môi
Trong điều kiện bình thường, vật liệu cách điện có điện trở cao, giúp cách ly các phần mang điện Tuy nhiên, khi tiếp xúc với môi trường có điện áp cao, các liên kết bên trong vật liệu có thể bị phá hủy, dẫn đến mất tính cách điện Hiện tượng này được gọi là đánh thủng vật liệu cách điện Giá trị điện áp đánh thủng (Uđt) được xác định theo công thức cụ thể.
(1.2) Trong đó - Ebđ: độ bền cách điện của vật liệu (kV/mm)
- d: độ dày của tấm vật liệu cách điện (mm)
- Uđt : điện áp đánh thủng (kV) Độ bền cách điện
Độ bền cách điện của vật liệu là giới hạn điện áp tối đa mà nó có thể chịu đựng mà không bị hỏng Thông số này phụ thuộc vào bản chất của từng loại vật liệu Giá trị cụ thể của độ bền cách điện cho một số vật liệu được trình bày trong bảng 1.2.
Bảng 1.2.Độ bền cách điện của một số vật liệu cách điện
Vật liệu Độ bền cách điện Ebđ
Giới hạn điện áp an toàn
Để đảm bảo an toàn cho vật liệu làm việc mà không bị đánh thủng, điện áp áp dụng vào vật cần phải nhỏ hơn điện áp đánh thủng (Uđt) một số lần, tùy thuộc vào loại vật liệu khác nhau.
Tỉ số giữa điện áp đánh thủng và điện áp cho phép vật liệu còn làm việc gọi là hệ số an toàn ()
Với: - Uđt: điện áp đánh thủng (kV)
- Ucp: điện áp cho phép vật liệu làm việc kV
- : giới hạn an toàn, phụ thuộc vào bản chất vật liệu Độ bền nhiệt
Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện là khả năng chịu đựng của chúng trước tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ, cả trong ngắn hạn và dài hạn Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền nhiệt thường được xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện, như sự gia tăng đáng kể của tgδ hoặc sự giảm điện trở suất Nhiệt độ xuất hiện sự biến đổi này được đo bằng độ C Trong khi đó, độ bền nhiệt của vật liệu cách điện hữu cơ thường được xác định theo điểm bắt đầu biến dạng cơ học, như kéo hoặc uốn Đối với các điện môi khác, độ bền nhiệt có thể được xác định dựa trên các đặc tính điện.
Nâng cao nhiệt độ làm việc của cách điện là rất quan trọng trong các nhà máy điện và thiết bị điện, vì nó cho phép tăng công suất mà không cần thay đổi kích thước, hoặc giảm kích thước, trọng lượng và giá thành trong khi giữ nguyên công suất Theo quy định của IEC (Hội Kỹ thuật Điện Quốc Tế), các vật liệu cách điện được phân loại theo các cấp chịu nhiệt khác nhau.
Bảng 1.3 Phân cấp vật liệu cách điện theo độ bền nhiệt
Ký hiệu cấp chịu nhiệt
Nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép (0C)
Ký hiệu cấp chịu nhiệt
Nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép (0C)
* Các vật liệu cách điện tương ứng với các cấp chịu nhiệt được cho trong bảng + Sự giản nở nhiệt:
Sự giản nở nhiệt của vật liệu cách điện cũng như các vật liệu khác cũng thường được quan tâm khi sử dụng vật liệu cách điện
Bảng 1.4 Hệ số dãn nở dài theo nhiệt độ
Tên vật liệu l.106 (độ-1) Ghi chú
- Thủy tinh 0,55 Chất vô cơ
- Phênolfoocmalđêhit và các chất dẻo có độn khác
- Tấm chất dẻo clorua polivinyl 70
Các điện môi vô cơ có hệ số giản nở dài theo nhiệt độ thấp, giúp các chi tiết chế tạo từ vật liệu này duy trì kích thước ổn định khi nhiệt độ thay đổi Ngược lại, vật liệu cách điện hữu cơ có hệ số giản nở dài cao hơn nhiều, gấp hàng trăm lần so với vật liệu vô cơ Do đó, khi sử dụng vật liệu cách điện trong điều kiện nhiệt độ biến động, cần lưu ý đến tính chất này để tránh các sự cố không mong muốn.
1.2.5 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 của thiết bị phụ thuộc vào điện áp làm việc, do đó cần lựa chọn vật liệu có bề dày phù hợp để đảm bảo an toàn và tránh hiện tượng đánh thủng.
Ta áp dụng công thức (2.2) và (2.3) để tính toán
+ 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 của vật liệu cách điện được xác định dựa trên mức độ phát nóng trong quá trình hoạt động của thiết bị Do đó, việc lựa chọn vật liệu cách điện phải phù hợp với nhiệt độ cho phép để đảm bảo hiệu suất và an toàn.
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
Một số vật liệu cách điện thông dụng
Vật liệu cách điện sợi được sản xuất từ các nguyên liệu hữu cơ như gỗ, giấy, phíp, vải bông và các nguyên liệu vô cơ như amiăng, sợi thủy tinh Với đặc điểm xốp, vật liệu cách điện hữu cơ có thể tích lỗ xốp chiếm từ 40% đến 50%, dẫn đến độ ngấm ẩm cao Để cải thiện hiệu suất cách điện, việc sấy khô và tẩm dầu cách điện là cần thiết.
Vật liệu cách điện thường được chế tạo từ các tấm hoặc cuộn có cấu trúc xơ ngắn, chủ yếu là xenlulô Những vật liệu này được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện như máy điện, máy biến áp và khí cụ điện Ngoài ra, giấy và cáctông cũng được sản xuất từ các sợi hữu cơ như gỗ, bông vải và tơ lụa, cùng với các vật liệu vô cơ như amiăng và thủy tinh.
1.3.3.Giấy cáp: Được dùng làm cách điện của cáp điện lực, có các ký hiệu sau:
K - 080; K - 120; K - 170; KM - 120; KB - 030; KB - 045; KB - 080; KB - 120; KBY - 015 KBY- 120; KBM - 080 KBM - 240
Trong ký hiệu: K thuộc về cáp;
Còn các con số là định mức chiều dày
Cáp có chất cách điện tẩm chất nhớt bị hóa già chỉ thích hợp sử dụng lâu dài trong điện trường có cường độ thấp từ 3 đến 4 kV/mm.
Giấy tụ điện là loại giấy được tẩm làm điện môi cho tụ điện, bao gồm hai loại chính: giấy KOH dùng cho tụ điện thông thường và giấy silicon cho tụ động lực Giấy tụ điện thường được sản xuất dưới dạng cuộn với chiều rộng từ 12 đến 750mm Đặc tính của giấy tụ điện có độ dày 15μm được trình bày trong bảng 1.5.
Bảng 1.5 Đặc tính của giấy làm tụ điện có chiều dầy 15m
Các đặc tính Loại và nhãn hiệu giấy
KOH - I KOH - II Silicon - 0,8 Silicon - 1 Silicon - 2 Điện áp đánh thủng của giấy khô, (V) không nhỏ hơn
Tg của giấy khô không quá: Ở 600C Ở 1000C
Số lượng điểm có tạp chất dẫn điện trên 1m2
Các tông cách điện: có hai loại cáctông được sử dụng:
+ Loại để ngoài không khí cứng và đàn hồi dùng làm cách điện ở trong không khí (lót vào rãnh của máy điện, các lõi cuộn dây, các vòng đệm v.v )
+ Loại dùng trong dầu có cấu trúc xốp và mềm hơn được dùng chủ yếu trong dầu máy biến áp
Phíp là loại giấy được chế tạo bằng cách ngâm trong dung dịch clorua kẽm (ZnCl2) nóng, sau đó quấn quanh tang quay bằng thép để đạt độ dày cần thiết Sau khi ép và gia công, phíp trở thành một vật liệu mịn và thuần nhất, chủ yếu được sử dụng để sản xuất các chi tiết cách điện có hình dạng phức tạp.
Màu của phíp có thể là đen, nâu, đỏ v.v đó là màu của giấy dùng để sản xuất ra phíp
Tính chất cơ của phíp khá tốt: kéo= (550 0750) kG/cm2, nén= (1500
2000) kG/cm2, uốn= (800 1000)kG/cm2 ứng suất dai va đập vào khoảng (20
30) kGcm/cm2 Phíp dễ gia công, cưa, cắt, bào, tiện, ren, vít được Ngâm phíp vào nước nóng nó sẽ mềm đến mức có thể định hình được Tỉ trọng của phíp là (1 1,5) G/cm2, tỉ trọng của phíp càng cao thì đặc tính cơ và tính cách điện càng cao Nhược điểm của phíp là độ háo nước cao (50 60)% Khi độ ẩm môi trường xung quanh cao thì các chi tiết làm bằng phíp dễ bị biến dạng và khi đó sẽ tạo ra điện dẫn điện phân lớn Để giảm độ háo nước của phíp có thể tẩm phíp bằng dầu biến áp hoặc prafin v.v
Amiăng là một nhóm khoáng vật có cấu trúc xơ, nổi bật với khả năng chịu nhiệt độ cao Trong khi các sợi hữu cơ khác bị phá hủy hoàn toàn, amiăng vẫn giữ được độ bền và tính linh hoạt Tuy nhiên, khi nhiệt độ đạt từ 300 đến 400 độ C, amiăng sẽ mất đi độ bền cơ học của nó.
Amiăng có tính thấm nước cao, vì vậy cần phải được tẩm trước khi sử dụng Loại amiăng thông thường, hay còn gọi là crizotin, có khả năng hòa tan trong axit, ngoại trừ một số loại hiếm có tính kháng axit Mặc dù amiăng có tính cách điện, nhưng không đủ cao để được sử dụng trong các ứng dụng điện cao thế và cao tần Điện trở suất của amiăng đạt khoảng 10^10.
Ximăng amiăng là loại vật liệu xây dựng chủ yếu được cấu thành từ các chất vô cơ, trong đó amiăng đóng vai trò là chất độn và ximăng là chất kết dính Sản phẩm này được sản xuất nhằm đáp ứng nhu cầu trong ngành xây dựng.
Các sản phẩm như tấm, ống và các hình mẫu khác có độ bền cơ học không cao, nhưng lại có khả năng chịu nhiệt tốt và chống lại sự phóng điện của hồ quang Tuy nhiên, chúng có tính cách điện thấp và dễ hút ẩm Những sản phẩm này thường được sử dụng làm bảng phân phối và tấm chắn ngăn cách các buồng dập hồ quang.
1.3.7 Vải sơn và băng cách điện
Băng cách điện thường được làm từ vải lụa và amiăng mạ tráng thủy tinh, được sử dụng để bảo vệ các cuộn dây máy điện Băng amiăng, được chế tạo từ sợi amiăng đàn hồi chứa oxít sắt, thích hợp cho các cuộn dây có điện áp từ 6 kV trở lên Trước khi sử dụng, các loại băng này cần được tẩm sơn, tuy nhiên, độ chịu nhiệt sẽ giảm sau khi tẩm Trong khi đó, băng thủy tinh có khả năng chịu nhiệt và độ ẩm tốt hơn so với băng amiăng.
Vải sơn cách điện là loại vải bông, lụa, thủy tinh có tẩm sơn, được sử dụng để cách điện cho các máy điện có điện áp thấp và cao Đối với máy điện áp cao, vải sơn được dùng ở đầu dây quấn và giữa các cuộn dây, đồng thời còn cho các bộ phận uốn cong Độ bền điện của vải sơn bông khoảng 35-50 kV/mm và của vải tơ là 55-90 kV/mm Vải sơn cách điện thường được sản xuất dưới dạng cuộn rộng từ 700 đến 1000 mm, với độ dày từ 0,15 đến 0,24 mm Gần đây, có xu hướng thay thế vải sơn và giấy sơn cách điện bằng vật liệu cách điện dẻo như màng dẻo.
Chất dẻo là vật liệu phổ biến trong kỹ thuật và đời sống, nổi bật với khả năng định hình dưới áp lực để sản xuất các sản phẩm Trong lĩnh vực điện, chất dẻo được sử dụng làm vật liệu cách điện và cấu trúc Hêtinắc, sản xuất từ giấy tẩm nhựa bakêlít, có khối lượng riêng từ 1,25 đến 1,4 G/cm3 và độ bền điện khoảng 20-25 kV/mm, được ứng dụng trong chế tạo thiết bị điện cao áp và hạ áp, cũng như trong kỹ thuật thông tin Téctôlít, cũng từ vải tẩm nhựa bakêlít, có độ bền kéo và ứng suất dai va đập thấp hơn Hêtinắc nhưng lại sở hữu độ bền nhiệt cao hơn.
Trong những năm gần đây, nhiều loại chất dẻo nhiều lớp với đặc tính cách điện, độ bền cơ và khả năng chịu nhiệt cao đã được phát triển Các chất kết dính được sử dụng bao gồm nhựa polieste, êpoxi, nhựa poliimít, nhựa silíc hữu cơ và các loại nhựa khác Tổ hợp cách điện compozit này có đặc tính cách điện và độ bền cơ rất cao, đồng thời chịu được độ ẩm, nên được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện cao áp Các đặc tính của Hêtinắc, Téctôlít và Téctôlít thủy tinh được trình bày trong bảng 1.6.
Bảng 1.6 Đắc tính của Heetinăc ,téctôlít
Các đặc tính Hêtinắc Téctôlít Téctôlít thủy tinh
Giới hạn bền kéo theo chiều dọc, kG/cm2, không nhỏ hơn
Giới hạn bền uốn theo chiều thẳng góc với lớp cách điện, kG/cm2, không nhỏ hơn
1000 1300 1200 1100 Ứng suất dai va đập theo chiều thẳng góc với lớp cách điện, kG/cm2, không dưới
13 20 25 50 Độ bền nhiệt 0C không thấp hơn 150 150 125 185 Điện trở suất khối V (.cm) không dưới
Nhựa là một nhóm vật liệu có nguồn gốc và bản chất khác nhau, nhưng đều có những đặc điểm hóa học và vật lý tương đồng Ở nhiệt độ thấp, nhựa tồn tại dưới dạng vô định hình, trong khi ở nhiệt độ cao, nhựa trở nên dẻo và có thể hóa lỏng Nhiệt độ hóa lỏng của nhựa không rõ ràng, và hầu hết các loại nhựa kỹ thuật cách điện không hòa tan trong nước, ít hút ẩm nhưng hòa tan trong các dung môi hữu cơ Nhựa có tính kết dính mạnh mẽ, gắn chặt vào các vật rắn khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn Trong kỹ thuật cách điện, nhựa là thành phần quan trọng trong sơn, hỗn hợp, chất dẻo, và các vật liệu xơ nhân tạo, xơ tổng hợp Nhựa được phân loại thành nhựa tự nhiên, nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp dựa trên nguồn gốc của chúng.
Nhựa tự nhiên là những chất do một số động vật (cánh kiến) hoặc các loại cây có nhựa (nhựa thông) tiết ra
