Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện công nghiệp-CĐ) - CĐ Cơ Giới Ninh Bình

Chia sẻ: Calliope09 Calliope09 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

41
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của giáo trình Vật liệu điện là giúp các bạn có thể trình bày đặc tính của các loại vật liệu điện; Nhận dạng được các loại vật liệu điện thông dụng; Phân loại được các loại vật liệu điện thông dụng. Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện công nghiệp-CĐ) - CĐ Cơ Giới Ninh Bình

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu nàyTRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI NINH BÌNH thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác nhau mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: VẬT LIỆU ĐIỆN NGHỀ: ĐIỆN CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-TCGNB ngày…….tháng….năm 2017 của Trường cao đẳng nghề Cơ giới Ninh Bình 1
LỜI GIỚI THIỆU Để đáp ứng nhu cầu học tập, nghiên cứu và tham khảo những kiến thức cơ bản về Vật liệu điện của học sinh sinh viên chuyên ngành Điện – Điện tử. Chúng tôi tổ chức biên soạn tập bài giảng ” Vật liệu điện” để phục vụ cho công tác đào tạo chung của Nhà trường. Bài giảng gồm các nội dung cơ bản sau: - Bài mở đầu. Giới thiệu về khái niệm vật liệu điện, các cách phân loại vật liệu điện theo trạng thái, theo tính dẫn điện... - Chương 1: Vật liệu cách điện. Giới thiệu và đi sâu vào các đặc tính của vật liệu cách điện. Một số vật liệu cách điện được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện và ứng dụng cụ thể của chúng. - Chương 2: Vật liệu dẫn điện. Chương này chủ yếu nêu lên những đặc điểm, tính chất và phạm vi ứng dụng của các vật liệu kim loại trong kỹ thuật điện. Cách lựa chọn vật liệu dẫn điện cho phù hợp với điều kiện làm việc và những yêu cầu cụ thể. - Chương 3:Vật liệu dẫn từ. Giới thiệu một số đặc tính của vật liệu từ. Nêu một số vật liệu dẫn từ điển hình được sử dụng trong kỹ thuật điện. Trong quá trình biên soạn bài giảng, không tránh khỏi những thiếu sót. Mong bạn đọc đóng góp ý kiến để bài giảng được hoàn thiện hơn. Người biên soạn Vũ Thị Thủy 2
MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU ............................................................................................ 2 MỤC LỤC ........................................................................................................ 3 BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN ...................................... 7 1. Khái niệm về vật liệu điện ............................................................................ 7 1.1. Khái niệm ............................................................................................... 7 1.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu. ............................................................... 7 1.3. Cấu tạo phân tử. ..................................................................................... 8 1.4. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn. ............................................................. 8 1.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn. ...................................... 9 2. Phân loại vật liệu điện .................................................................................. 9 2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện............................................................ 9 2.2. Phân loại theo từ tính. ........................................................................... 10 2.3. Phân loại theo trạng thái vật thể. ........................................................... 10 CHƯƠNG I:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN.......................................................... 11 1.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện................................................ 11 1.1.1. Khái niệm: ......................................................................................... 11 1.1.2. Phân loại VLCĐ. ............................................................................... 11 1.2. Tính chất chung của VLCĐ ..................................................................... 12 1.2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện..................................................... 12 1.2.2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện ............................................. 12 1.2.3. Tính chất hoá học của vật liệu cách điện............................................ 13 1.2.4. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện của VLCĐ. .............. 13 1.2.5. Độ bền nhiệt ...................................................................................... 14 1.2.6. Tính chọn vật liệu cách điện .............................................................. 14 1.2.7. Hư hỏng thường gặp .......................................................................... 14 1.3. Một số vật liệu cách điện thông dụng ...................................................... 15 1.3.1. Vật liệu sợi ........................................................................................ 15 3
1.3.2. Giấy và các tông ................................................................................ 15 1.3.3. Phíp ................................................................................................... 15 1.3.4. Amiăng, xi măng amiăng ................................................................... 16 1.3.5. Vải sơn và băng cách điện ................................................................. 16 1.3.6. Chất dẻo ............................................................................................ 16 1.3.7. Nhựa cách điện .................................................................................. 16 1.3.8. Dầu cách điện .................................................................................... 17 1.3.9. Sơn và các hợp chất cách điện ........................................................... 19 1.3.10. Chất đàn hồi .................................................................................... 19 1.3.11. Điện môi vô cơ ................................................................................ 20 1.3.12. Vật liệu cách điện bằng gốm sứ ....................................................... 20 1.3.13. Mica và các vật liệu trên cơ sở mica ................................................ 21 CHƯƠNG II: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN .......................................................... 22 2.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện............................................ 22 2.1.1. Khái niệm về vật liệu dẫn điện .......................................................... 22 2.1.2. Tính chất của vật liệu dẫn điện. ......................................................... 23 2.1.3. Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu. ............ 23 2.1.4. Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt động. .......................................... 24 2.2. Tính chất chung của kim loại và hợp kim ................................................ 24 2.2.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim........................................... 24 2.2.2. Các tính chất của vật liệu kim loại ..................................................... 25 2.3. Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện ..................... 25 2.3.1. Những hư hỏng thường gặp ............................................................... 25 2.3.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện ............................................................... 26 2.4. Một số vật liệu dẫn điện thông dụng. ....................................................... 26 2.4.1. Đồng và hợp kim đồng. ..................................................................... 26 2.4.2. Nhôm và hợp kim nhôm. ................................................................... 28 2.4.3. Chì và hợp kim chì ............................................................................ 29 2.4.4. Sắt (Fe). ............................................................................................. 29 4
2.4.5. Wonfram ........................................................................................... 30 2.4.6. Kim loại dùng làm tiếp điểm và cổ góp. ............................................ 30 2.4.7 Hợp kim có điện trở cao và chịu nhiệt ................................................ 32 2.4.8. Lưỡng kim ......................................................................................... 33 CHƯƠNG III:VẬT LIỆU DẪN TỪ.............................................................. 34 3.1. Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn từ ............................................... 34 3.1.1. Khái niệm. ......................................................................................... 34 3.1.2. Tính chất vật liệu dẫn từ .................................................................... 34 3.1.3.Các đặc tính của vật liệu dẫn từ .......................................................... 35 3.1.4. Đường cong từ hoá: ........................................................................... 35 3.2 Mạch từ và tính toán mạch từ ................................................................... 37 3.2.1. Các công thức cơ bản ........................................................................ 37 3.2.2. Sơ đồ thay thế của mạch từ ................................................................ 37 3.2.3. Mạch từ xoay chiều .......................................................................... 38 3.2.4. Những hư hỏng thường gặp ............................................................... 38 3.3. Một số vật liệu dẫn từ thông dụng ........................................................... 38 3.3.1. Vật liệu sắt từ mềm. ........................................................................... 39 3.3.2. Vật liệu sắt từ cứng............................................................................ 39 3.3.3. Các vật liệu sắt từ có công dụng đặc biệt ........................................... 40 5
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC Tên môn học: Vật liệu điện Mã môn học: MH 16 Thời gian môn học: 30 giờ; ( Lý thuyết:15 giờ; Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập: 13 giờ; Kiểm tra: 02 giờ) I. Vị trí, tính chất của môn học: - Vị trí: Môn học này được bố trí học sau môn học An toàn & tổ chức sản xuất và học song song với các môn học Vẽ điện, Khí cụ điện. - Tính chất: Là môn học kỹ thuật cơ sở, thuộc các môn học đào tạo nghề bắt buộc. II. Mục tiêu bài học: - Về kiến thức: Trình bày đặc tính của các loại vật liệu điện; - Về kỹ năng: + Nhận dạng được các loại vật liệu điện thông dụng; + Phân loại được các loại vật liệu điện thông dụng. + Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong công việc. III. Nội dung môn học: 6
BÀI MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Mã bài: MH 16-01 Giới thiệu: Vật liệu điện là các vật chất được sử dụng trong kỹ thuật điện với những mục đích nhất định như: dẫn điện, cách điện, dẫn từ hay làm vật liệu kết cấu. Chúng có cấu tạo tự nhiên hay được chế tạo dưới dạng tổng hợp nhằm tăng cường một số đặc tính có lợi hay hạn chế các đặc tính có hại khi sử dụng. Thông thường vật liệu điện được chia làm ba nhóm vật liệu điện cơ bản: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện, vật liệu dẫn từ. 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 về vật liệu điện 1.1. Khái niệm Vật liệu kỹ thuật điện (gọi tắt là VLĐ) là các vật liệu được dùng trong thiết bị điện, máy điện, khí cụ điện v.v.. và trong các lĩnh vực truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng. 1.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu. Nguyên tử được cấu tạo bởi hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử mang điện tích âm quay xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo nhất định (hình 1.1). Mọi vật chất đều cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phân tử cơ bản của vật chất. e Hạt nhân được cấu tạo nên từ các e hạt proton (P) mang điện tích dương và +++ nơtron (N) không mang điện. Số lượng P++N0 P = Z.q (Z là số e, q = qe = 1,6.10-19C). Trạng thái bình thường, nguyên tử e trung hoà về điện. Nếu nguyên tử mất điện tử sẽ trở thành ion dương, nhận thêm H×nh 1.1 CÊu t¹o nguyªn tö điện tử sẽ trở thành ion âm. Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để nó tách rời khỏi nguyên tử, trở thành điện tử tự do gọi là năng lượng ion hoá Wi (eV). 7
Quá trình biến nguyên tử trung hoà trở thành ion dương (làm mất điện tử) gọi là quá trình ion hoá. Điện tử nhận năng lượng di chuyển lên mức năng lượng lớn hơn, khi trở về vị trí trạng thái ban đầu, năng lượng được trả lại dưới dạng quang học. 1.3. Cấu tạo phân tử. Phân tử được tạo nên từ những nguyên tử thông qua các liên kết phân tử. * Liên kết đồng hoá trị: Đặc trưng bởi sự dùng chung những điện tử của các nguyên tử trong phân tử. Ví dụ: Liên kết trong phân tử clo – Cl CL + CL = CL CL Liên kết đồng hoá trị rất bền vững. * Liên kết ion: Được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và ion âm trong phân tử. Ví dụ: Cấu trúc của phân tử NaCl Na+ + Cl- = NaCl Liên kết ion khá bền vững. * Liên kết kim loại: Được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các điện tử tự do trong kim loại. E U * Liên kết Vandec - Vanx: Dạng liên kết yếu, có cấu trúc mạng tinh thể phân tử không bền vững. Ví dụ: Liên kết phân tử paraphin, nhựa đường, nhựa thông v.v..  Như vậy: Cấu tạo phân tử là dựa trên 4 loại liên kết phân tử. 1.4. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn. Là sự phá huỷ các kết cấu đồng nhất trong vật rắn. Những khuyết tật có thể tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình chế tạo vật liệu. Khuyết tật có thể do: - Sự có mặt của tạp chất lạ -Áp lực cơ học 8
- Sự hình thành khe rãnh, lỗ xốp. 1.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn. Các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng (mức năng lượng) khác nhau tạo thành vùng các mức năng lượng (hình 1.2). - Vùng năng lượng ở vị trí thấp nhất gọi là vùng hoá trị (1), được lấp đầy các điện tử hoá trị. 3 - Vùng có mức năng lượng cao hơn gọi là vùng tự do (3) - Vùng dẫn chứa các điện tử tự do W 2 - Vùng trung gian gọi là vùng cấm (2). Khi nguyên tử nhận năng lượng kích thích W, các điện tử hoá trị có thể vượt qua vùng cấm để lên vùng 1 dẫn làm tăng khả năng dẫn điện của vật chất. H×nh 1.2 Các mức năng lượng trong 2. Phân loại vật liệu điện vật rắn 2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện. Dựa vào giản đồ năng lượng, vật liệu điện chia thành 3 loại (hình 1.3): - Vật liệu cách điện (a): Vùng cấm có năng lượng lớn W = 1,5 đến vài eV. - Vật liệu bán dẫn (b): Vùng cấm có năng lượng trung bình W = 0,2 đến 1,5 eV. - Vật liệu dẫn điện (c): Vùng cấm có năng lượng nhỏ W < 0,2 eV W W W a) VLCĐ b) VLBD c) VLDĐ Hình 1.3 Phân loại vật liệu theo thuyết phân vùng năng lượng 9
2.2. Phân loại theo từ tính. Cách phân loại này chỉ áp dụng đối với kim loại. Độ từ thẩm  là khả năng nhận từ trường tác động từ bên ngoài. - Vật liệu nghịch từ: Độ từ thẩm < 1, không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. VD: H2, khí hiếm, đa số hợp chất hữu cơ, muối mỏ và các kim loại như: Cu, Zn, Ag, Hg ... - Vật liệu thuận từ: Độ từ thẩm > 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. VD: Sắt, Niken, Côban và các hợp kim của chúng. 2.3. Phân loại theo trạng thái vật thể. - Vật liệu dạng rắn: Xơ, sợi, kim loại rắn, thuỷ tinh ... - Vật liệu dạng lỏng: Thủy ngân, dầu biến áp, dung dịch điện phân, nhựa lỏng ... - Vật liệu dạng khí: Không khí, hơi kim loại ... 10
CHƯƠNG I:VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Mã bài: MH 16-02 Giới thiệu: Mục đích của cách điện là duy trì khả năng cách điện của vật liệu cách điện dặt trong điện trường. Vật liệu làm nhiệm vụ đó gọi là vật liệu cách điện, chúng có thể ở dạng rắn, lỏng hay khí. Cấu tạo và ứng dụng của chúng đều rất đa dạng. Trong công nghệ vật liệu ngày nay, người ta có thể cải thiện tính chất chất cách điện của các vật liệu có sẵn và chế tạo ra một số loại vật liệu khả dụng rất cao trong kỹ thuật cách điện. Mục tiêu: - Nhận dạng, phân loại được chính xác các vật liệu cách điện dùng trong công nghiệp và dân dụng; - Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số 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: 1.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện 1.1.1. Khái niệm: Vật liệu cách điện (điện môi) là vật liệu trong đó tất cả các điện tích vi mô liên kết chặt chẽ, không thể dẫn điện được. VLCĐ dùng để phân cách các phần mang điện với các phần khác nhằm mục đích đảm bảo an toàn và hướng dòng điện đi theo một chiều nhất định, chống tổn thất. Điện trở suất của VLCĐ:  > 1010 (.cm). 1.1.2. Phân loại VLCĐ. - Theo trạng thái vật lý + Thể rắn: Nhựa, cao su, thuỷ tinh … + Thể lỏng: Dầu biến áp, dầu nặng … + Thể khí: Không khí, khí trơ … - Theo thành phần hoá học: + VL hữu cơ: Vải, sơn, cao su … 11
+ VL vô cơ: Sứ, gốm, mi ca … - Theo tính chịu nhiệt: Được phân chia thành 7 cấp như sau. 0 + Cấp Y (t = 90): Bao gồm vật liệu sợi gốc là xenlulô và tơ (sợi vải, giấy, gỗ) nó chưa được ngâm tẩm vào trong chất cách điện lỏng. + Cấp A (t0 = 105): Bao gồm các loại vật liệu hữu cơ như trên nhưng đã được tẩm bằng sơn hoặc ngâm trong chất cách điện lỏng. + Cấp E (t0 = 120): Gồm các chất dẻo có chất độn hữu cơ và chất liên kết nhiệt cứng. + Cấp B (t0 = 130): Gồm các vật liệu vô cơ như Mica, amiăng, vải sợi thuỷ tinh, được dẫn bằng những vật liệu hữu cơ. + Cấp F (t0 = 150): Bao gồm micanít, các sản phẩm thuỷ tinh không có chất đệm hoặc có chất đệm vô cơ và dùng chất có tính chịu nhiệt cao để dán. + Cấp H (t0 = 180): Bao gồm những chất hữu cơ ở cấp F nhưng dùng chất silic hữu cơ có tính chịu nhiệt cao để dán và tẩm. + Cấp C (t0 > 180): Bao gồm vật liệu thuần tuý vô cơ, không dán hoặc tẩm bằng vật liệu có thành phần hữu cơ. Ví dụ: Ôxyt nhôm, mica, thuỷ tinh, thạch anh, amiăng, micalếch, micanit chịu nhiệt (dán bằng chất vô cơ) ... 1.2. Tính chất chung của VLCĐ 1.2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện Là khả năng hút hơi ẩm từ môi trường xung quanh vào vật liệu, được đặc chưng bởi độ hút ẩm tính bằng phần trăm V(%). Ga  G0 V(%) = .100 G0 Trong đó: G0, Ga là trọng lượng của mẫu thử khi sấy khô và khi đã hút ẩm bão hoà (g). Cần phải dùng các phương pháp tẩm, sấy cho VLCĐ để giảm mức độ hút ẩm và thấm ẩm cho vật liệu. 1.2.2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện Là khả năng của vật liệu có thể chịu được tác động của các phụ tải cơ học gây biến dạng, đặc chưng bởi các giới hạn bền: kéo, nén, uốn, xoắn ... Tính chất cơ học được xác định bằng các phương pháp thử kéo, nén, uốn, xoắn, va đập .v.v.. - Giới hạn bền kéo: k = Pk/S0 - Giới hạn bền nén: n = Pn/S0 - Giới hạn bền uốn: u = [Pu.l/(b.h2)].1,5 12
Trong đó : + k, n, u là các giới hạn bền (N/cm2 hoặc MPa) + Pk, Pn, Pu là các lực kéo đứt, nén vỡ và uốn gẫy mẫu thử (N) + S0 là tiết diện ngang của mẫu thử (cm2) + l là khoảng cách giữa hai gối đỡ (thường là 100 cm) + b là chiều rộng mẫu thử (thường là 12 cm) + h là chiều cao của mẫu thử (cm). 1.2.3. Tính chất hoá học của vật liệu cách điện Là khả năng của vật liệu: - Không bị phân huỷ, thoát ra các sản phẩm phụ. - Không bị già hoá. - Không gây ăn mòn các kim loại tiếp xúc. - Không phản ứng với các chất khác nhau như khí, nước, axit, kiềm, dầu mỡ, dung dịch muối ... - Có tính chịu bức xạ năng lượng cao. Đảm bảo sau khi bị bức xạ, khả năng chịu nhiệt và tính cơ học vẫn tốt, các tính chất điện không bị xấu đi. 1.2.4. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện của VLCĐ. * Hiện tượng đánh thủng điện môi Trong điều kiện bình thường, vật liệu cách điện có điện trở rất lớn nên nó làm cách ly các phần mang điện với nhau. Nhưng nếu các vật liệu này đặt vào môi trường có điện áp cao thì các mối liên kết bên trong của vạt liệu sẽ bị phá hủy làm nó mất đi tính cách điện. Khi đó, người ta nói vật liệu cách điện đã bị đánh thủng. * Độ bền cách điện: Là điện áp đánh thủng tính trên cách điện có bề dầy một đơn vị. Ebđ = Uđt/d Trong đó: + Uđt là điện áp đánh thủng của VLCĐ (kV). + d là bề dầy của VLCĐ (mm). + Ebđ là độ bền điện (kV/mm). Các yêu cầu đối với chất điện môi : - Độ bền cách điện cao, điện áp đánh thủng Uđt lớn. - ổn định nhiệt cao. - Dẫn nhiệt tốt, làm việc tốt ở nơi có độ ẩm cao. - Độ bám dính tốt, ít rạn nứt, rách thủng. Như vậy, vừa đảm bảo tăng độ làm việc tin cậy vừa giảm kích thước của máy điện. 13
1.2.5. Độ bền nhiệt Khả năng của vật liệu điện và các chi tiết chịu đựng không bị phá hủy trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ gọi là độ bền nhiệt của vật liệu cách điện. Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện vô cơ thường được xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện. Đại lượng độ bền nhiệt được đánh giá bằng trị số nhiệt độ khi vật liệu xuất hiện sự biến đổi tính chất. Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện hữu cơ thường được xác định theo điểm bắt đầu biến dạng cơ học kéo hoặc uốn. Đối với các điện môi khác có thể xác định độ bền nhiệt theo các đặc tính điện. 1.2.6. 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, người ta chọn loại vật liệu có bề dày thích hợp, sao cho vật liệu làm an toàn mà không bị đánh thủng. + Độ bền cơ : Tùy thuộc 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, người ta sẽ chọn các loại vật liệu cách điện có nhiệt độ cho phép phù hợp. 1.2.7. Hư hỏng thường gặp Các loại vật liệu cách điện được sử dụng cách điện cho máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện lâu ngày sẽ bị hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau : - Hư hỏng do diện : Do các máy điện thiết bị điện khi làm việc vượt quá các trị số định mức như : các đại lượng về dòng điện, điện áp…làm cho các vật liệu cách điện bị giảm tuổi thọ hoặc bị đánh thủng. - Hư hỏng do bị già hóa của vật liệu cách điện : Trong quá trình làm việc các loại vật liệu cách điện đều chịu ảnh hưởng từ các tác động của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm…làm cho các vật liệu giảm dần đi tính chất cách điện của chúng và dễ bị đánh thủng. - Hư hỏng do các tác động từ bên ngoài : Các vật liệu cách điện khi bị lực tác động từ bên ngoài có thể làm hư hỏng ví dụ như lớp emay trên các dây điện từ có đường kính tương đối lớn nếu bị uốn cong với bán kính nhỏ sẽ làm bong hoặc khi vào dây không cẩn thận sẽ làm lớp cách điện bị trầy xước. - Hư hỏng do mài mòn giữa các bộ phận : các chi tiết khi làm việc tiếp xúc và có sự chuyển động tương đối với nhau thì sẽ bị hư hỏng do sự mài mòn. 14
1.3. Một số vật liệu cách điện thông dụng 1.3.1. Vật liệu sợi * Sợi bông: Loại không tẩm chịu ẩm kém, chịu nhiệt thấp. Loại sợi ngâm (Cotopa) có khả năng chịu ẩm gấp hai lần, tính cách điện và chịu nhiệt cao hơn. Dùng cách điện cuộn dây máy biến thế, máy phát điện ... * Sợi Nylon: Chịu được axit và bazơ, chịu nhiệt tốt. Cơ tính bền, chịu ma sát. Dùng cho cáp điện. * Sợi thuỷ tinh: Là sợi mảnh được bện thành dây hoặc dệt thành băng. Chịu nhiệt cao, độ bền cơ và điện rất tốt. Khi cách điện thì dùng nhựa gắn với bề mặt cần cách điện. Được dùng cách điện ở vị trí có nhiệt độ làm việc cao. * Vải: Được dệt từ sợi bông tự nhiên hoặc từ các vật liệu tổng hợp thành băng, tấm, được sơn tẩm để tăng tính cách điện và sử dụng trong thiết bị có dòng điện lớn. 1.3.2. Giấy và các tông Thành phần chủ yếu là xenlulô, được chế tạo hình tấm hoặc quấn lại thành cuộn có kích thước khác nhau. Ưu điểm là rẻ tiền, độ bền cơ và độ dẻo cao, thuận tiện trong sản xuất nên được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện. Song độ bền điện và dẫn nhiệt không cao, tính hút ẩm mạnh. * Giấy cáp: Dùng làm cách điện của cáp điện lực có cường độ điện trường thấp. Các loại cáp có mã hiệu: K-100; KM-120; KB-170; KBMY-240 ... * Giấy quấn: Có ký hiệu EH-50; EH-70. Được chế tạo thành cuộn dùng để quấn lên các cuộn dây của máy điện hoặc sản xuất trụ, ống cách điện. * Giấy tụ điện: Có bề dầy từ 0,004  0,03mm Dùng để cách điện cho tụ điện giấy hoặc tụ điện giấy dầu. * Các tông cách điện: Loại dùng ngoài không khí cứng và đàn hồi, dùng để lót vào rãnh của máy điện, làm lõi cuộn dây, các vòng đệm ... Loại dùng trong dầu xốp và mềm hơn, có tính tẩm dầu tốt, dùng chủ yếu trong dầu máy biến áp. 1.3.3. Phíp Phíp: Được cấu tạo từ loại giấy không dính có thành phần sợi bông và xenlulô đến 50%. Phíp được sản xuất thành tấm có chiều dầy từ 0,6  20mm, độ bền cơ học cao, có thể gia công như khoan, bào, tiện ... Độ bền điện và điện trở suất nhỏ nên chủ yếu dùng cho các thiết bị điện hạ thế. 15
1.3.4. Amiăng, xi măng amiăng - Amiăng * Đặc tính: Là loại khoáng chất có cấu trúc xơ nhỏ. Tính chịu axit kém, độ háo nước cao. Được ứng dụng ở dạng xơ, sợi. * Công dụng: Chế tạo sợi, băng, giấy bìa cách điện và các sản phẩm cách điện khác như xi măng amiăng, chất dẻo amiăng, ... - Xi măng amiăng Được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện là một chất dẻo được ép nguội. Thành phần chủ yếu là các chất vô cơ, trong đó có chất độn là amiăng, còn chất kết dính là xi măng. 1.3.5. Vải sơn và băng cách điện - Vải sơn: Là loại vải bông, lụa , thủy tinh có tẩm sơn, có độ đàn hổi và độ mềm được dùng làm cách điện rãnh của các máy điện có điện áp thấp. Độ bền điện của loại băng sợi bông có trị số khoảng 35- 50kV/mm. Vải sơn cách điện thường được sản xuất ở dạng cuộn rộng 700- 1000mm, chiều dày của vải cách điện là 0,15-0,24mm. - Băng cách điện: Được sản xuất từ vải bông , vải thủy tinh. Băng tẩm cao su là những vải mịn có tẩm cao su, được sản xuất thành cuộn tròn và được dùng nhiều trong các thiết bị điện hạ thế. 1.3.6. Chất dẻo Chất dẻo là loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật cũng như trong đời sống. Đặc điểm của chất dẻo là dưới tác dụng của sức ép bên ngoài sẽ nhận được hình dáng đã định trước của khuôn ép để chế tạo ra các sản phẩm. Trong kỹ thuật người ta thường dùng chất dẻo để làm các vật liệu cách điện cũng như làm các kết cấu thuần túy. - Cáp rôn: vật liệu có tính chịu hồ quang cao được dùng chế tạo làm khung cuộn dây, màng và sợi cách điện. - Cáp san: vật liệu trong suốt theo dạng màng cách điện thường dùng để cách điện rãnh máy điện hạ áp và trong tụ điện. 1.3.7. Nhựa cách điện * Đặc điểm: Nhựa có trạng thái trung gian giữa VLCĐ thể lỏng và VLCĐ thể rắn. * Phân loại: - Theo nguồn gốc: Nhựa thiên nhiên và nhựa tổng hợp. - Theo tính chất: Nhựa nhiệt cứng và nhựa nhiệt mềm. 16
a/ Nhựa thiên nhiên. - Nhựa thông: Được chưng cất từ dầu thông có độ ròn cao, chịu nhiệt thấp, độ bền điện 10 - 15 kV/mm. Có thể hoà tan trong dầu mỏ để ngâm tẩm cáp điện hoặc dùng làm chất tẩy bẩn trên bề mặt vật liệu hàn. - Cánh kiến: Là nhựa do một số côn trùng tiết ra có màu vàng nhạt hoặc nâu, rất ròn, dễ mềm dẻo và nóng chảy, dễ hoà tan trong rượu, cồn. Độ bền điện từ 20 - 30 kV/mm. Cánh kiến dùng ở dạng sơn dán các tấm mi ca hoặc các sản phẩm khác. - Nhựa đường: Tồn tại trong tự nhiên ở dạng khoáng sản (atfan) hay thu được khi chưng cất dầu mỏ. Màu đen hoặc sẫm, không tan trong rượu và nước. Độ bền điện từ 10 - 25 kV/mm. Dùng nhựa đường để sản xuất sơn, hợp chất cách điện, chống gỉ, đổ vào các đầu cáp điện áp cao ... b/ Nhựa tổng hợp. - Nhựa Bakêlít: Đặc chưng cho nhựa nhiệt cứng có tính cách điện tốt, độ bền cơ học cao, ít co giãn. Dùng để chế tạo chất dẻo ép lớp hoặc tẩm gỗ và các vật liệu khác. Bột nhựa cùng các chất độn như mạt cưa, giấy, giẻ vụn, sợi thuỷ tinh ... được ép thành khung, cuộn dây, hộp, vỏ cách điện.v.v.. - Nhựa êpôxi: Là chất lỏng nhớt có thể hoà tan trong axeton và các dung môi thích hợp khác. Khi đóng rắn có độ co ngót nhỏ và lực bán dính rất cao, chịu nhiệt tốt. Dùng để sản xuất keo dán, sơn, hợp chất rót vào máy biến áp nhỏ hay các đầu nối thiết bị, hộp nối đầu cáp điện lực v.v.. - Nhựa PE (polietylen): Đặc tính cơ tốt, màu trắng hoặc xám sáng, không hoà tan trong dung môi, chịu được axit và kiềm. Nhiệt độ làm việc cho phép 55  650C. Độ bền điện từ 15  20 kV/mm. Dùng để cách điện cho cáp tần số cao và cáp điện lực điện áp cao trong môi trường ẩm. Do bền vững dưới ánh sáng mặt trời nên dùng chế tạo các chi tiết cách điện rắn, cách điện cho dây dẫn, dây súp mềm. - Nhựa PVC (polivinylclorua): Rất bền đối với tác dụng của nước, kiềm, axit loãng, dầu xăng và rượu. Dùng để sản xuất ra các chất dẻo khác nhau và các sản phẩm giống như cao su, dùng làm cách điện cho dây dẫn, cho vỏ bọc của cáp, sản xuất bình ắc quy v.v.. Ngoài ra còn có các loại nhựa khác như Polystyrol (PS), lạp san, glíptan, têflon4 dùng để chế tạo đế, màng, thanh, tấm, ống cách điện hoặc chế tạo sơn cách điện. 1.3.8. Dầu cách điện - Dầu mỏ: Bao gồm dầu biến áp, dầu cáp điện, dầu tụ điện. * Dầu biến áp: - Độ bền cách điện: Ebđ = 200  250 kV/cm. - Điện trở suất:  = 1014  1016 cm. 17
- Nhiệt độ làm việc lâu dài 90  950C. - Là chất lỏng dễ cháy, hơi dầu hoà lẫn không khí tạo thành hỗn hợp nổ. - Dễ hút ẩm, chất bẩn và độ ẩm làm giảm nhiều độ bền điện. Lượng nước chứa trong dầu sẽ ảnh hưởng đến độ bền điện theo đồ thị hình 2.3. - ở nhiệt độ cao bị già hoá nhanh. - Tiếp xúc với đồng dễ gây ôxy hoá dầu. - Dùng để tẩm vật liệu xốp, sơ và để lấp đầy khoảng trống giữa các bộ phận của thiết bị điện nhằm nâng cao độ bền điện, dập dòng hồ quang đồng thời làm mát cho thiết bị. * Dầu cáp điện: Độ bền điện cao, chịu nhiệt tốt. Dùng để tẩm cách điện cho cáp có vỏ bọc bảo vệ. * Dầu tụ điện: Dùng để tẩm cho giấy cách điện trong tụ điện làm tăng dung lượng và độ bền điện của tụ. 25kV/ mm kV/ mm Eb® 16 12 8 4 0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05% L î ng n í c chøa trong dÇu MBA. Hình 2.1 Mối quan hệ giữa lượng nước trong dầu và độ bền điện của dầu biến áp - Chất lỏng tổng hợp. * Chất lỏng Xôvôn (C12H5Cl5): Không màu trong suốt, không cháy, ổn định hơn trong điện trường mạnh. Tuy nhiên, không dùng cho biến áp hay máy cắt. Chú ý an toàn khi tiếp xúc. 18
* Chất lỏng Silích hữu cơ: Tổn hao điện môi và độ hút ẩm nhỏ, độ bền nhiệt cao, không bị hoá già do tác dụng của ôxy. Dùng làm chất tẩm và điện môi tụ điện. - Dầu thực vật. Chủ yếu là các loại dầu khô thu được từ việc chiết xuất các hạt cây có dầu trong tự nhiên: Dầu gai, dầu trẩu dùng chế tạo sơn, dầu cách điện, vải sơn và tẩm gỗ. Dầu thầu dầu dùng để tẩm cách điện cho tụ điện giấy. 1.3.9. Sơn và các hợp chất cách điện * Đặc điểm: Sơn là dạng dung dịch keo của các chất tạo màng (nhựa, bitum, dầu khô...) được hoà tan trong các dung môi dễ bay hơi như rượu, cồn, xăng ... Khi khô, các chất dung môi sẽ bay hơi chỉ còn nền sơn rắn lại tạo thành màng sơn. * Phân loại: - Theo công dụng: Có các loại sơn tẩm, sơn phủ, sơn dán. - Theo chế độ sấy: Sơn sấy nóng và sơn sấy nguội. - Theo thành phần tạo sơn: Sơn nhựa, sơn Glíp tan, sơn cánh kiến, ... a/ Sơn tẩm: Dùng để tẩm các thiết bị điện cần cách điện như cuộn dây máy biến áp, tẩm chất cách điện xốp và xơ như giấy, bìa, vải ... Khi được tẩm sơn, chất cách điện tăng được điện áp đánh thủng, độ dẫn nhiệt cao hơn, tính cơ học tốt hơn, tính háo nước và hút ẩm giảm đi. Các loại sơn tẩm như sơn xenlulo, sơn dầu gliptan, sơn silic hữu cơ, … b/ Sơn phủ: Dùng để tạo ra trên bề mặt của vật liệu một lớp màng nhẵn bóng, chịu ẩm. Tăng điện áp phóng điện và điện trở bề mặt, chống bám ẩm, bám bụi và làm đẹp. Loại sơn này có thể phủ trực tiếp lên bề mặt kim loại như dây emay, các tấm thép lá kỹ thuật điện (gọi là sơn emay) Các loại sơn phủ như sơn nhựa (PVC, PS), sơn dầu bitum, men màu, … c/ Sơn dán: Có độ bám dính cao, dùng để dán các vật liệu lại với nhau hoặc gắn vật liệu cách điện vào kim loại. Một số loại sơn dán như sơn glíptan dùng dán mica, sơn bakêlít để dán giấy và vải chế tạo téctôlít và hêtinax cách điện cho các thiết bị cao áp. 1.3.10. Chất đàn hồi Điển hình của chất cách điện đàn hồi là cao su * Đặc tính: Là vật liệu có tính đàn hồi tốt, tính kín nước và chống ẩm cao, dễ uốn. 19
* Công dụng: - Dùng làm vỏ dây dẫn và cáp điện đặt dưới đất. - Cách điện cho dây dẫn điện dùng ở máy nông nghiệp, động cơ điện, dụng cụ cầm tay, khí cụ điện hay di chuyển, dụng cụ gia dụng. - Dùng làm găng tay, ủng, thảm, ống nối cách điện và vỏ ắc quy, công tắc ... * Phân loại: Theo nguồn gốc có hai loại cao su: Thiên nhiên và tổng hợp. - Cao su thiên nhiên là sản phẩm từ mủ cao su có độ dẻo và dính cao, độ bền điện và nhiệt kém. Sau khi lưu hoá cao su tăng được tính chịu nhiệt, chịu lạnh và tăng độ bền điện, nhiệt. Ebđ = 200 - 300kV/cm. - Cao su tổng hợp được sản xuất từ các chất hữu cơ dùng thay thế cho cao su thiên nhiên trong điều kiện yêu cầu độ bền cơ, bền nhiệt cao hơn, chậm hoá già hoặc chịu được tác dụng của dầu, xăng... Một số loại cao su tổng hợp như: Butadien, cloropren, silic hữu cơ (CKT) ... 1.3.11. Điện môi vô cơ Là loại vật liệu điện quan trọng trong kỹ thuật điện và vô tuyến điện. Đa số những điện môi vô cơ có những đặc tính tốt như: tính chịu nhiệt cao, không hút ẩm, độ bền cơ cao và ổn định, chịu được tác dụng của bức xạ năng lượng và là vật liệu rẻ tiền. 1.3.12. Vật liệu cách điện bằng gốm sứ Vật liệu gốm là vật liệu vô cơ dùng để chế tạo các chi tiết có hình dạng khác nhau. Trước kia gốm được chế tạo chủ yếu là đất sét, khi hoà với nước thành một chất dẻo cho vào khuôn thì được các chi tiết khác nhau sau đó nung cứng. Hiện nay vật liệu gốm có hàm lượng đất sét rất ít hoặc không có đất sét, thành phần chủ yếu của nó là thạch anh, cao lanh, tinh thạch. Để chế tạo sứ thì đem thạch anh, cao lanh, tinh thạch nghiền nhỏ sau đo khử hết tạp chất, trộn với nước để tạo thành một chất dẻo, sau đó khử hết nước rồi cho chất dẻo đó vào khuôn để có các chi tiết, mang các chi tiết đi tráng men và nung cứng. Sau khi nung có các đặc điểm sau:  N= 4000  6000 kg/cm2; K = 350  500 kg/cm2;  = 104  105 cm - Hằng số điện môi  = 67; Tang của góc tổn hao điện môi tg = 0,0150,02 ít dòn hơn và chịu được nhiều tác dụng của các nhân tố hoá học. Cường độ điện trường chọc thủng cách điện E CT = 10  35 kV/mm. - Được dùng rộng rãi nhất vì có tính năng cách điện rất tốt, độ bền cơ cao, chịu được tác động khắc nghiệt ngoài trời. - Cấu trúc xốp, bề mặt gồ ghề, dễ hút ẩm nên cần phải tráng men. Nhờ có 20