Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện dân dụng - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Cơ giới Ninh Bình (2021)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:66

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình Vật liệu điện (Nghề: Điện dân dụng - Cao đẳng) được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên nắm vững khái niệm về vật liệu điện; phân biệt và chỉ ra được cấu tạo và đặc tính của các vật liệu điện; trình bày được đặc tính và ứng dụng của các vật liệu điện thông dụng trong kỹ thuật 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 dân dụng - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Cơ giới Ninh Bình (2021)

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN TRƯỜNG CAO ĐẲNG CƠ GIỚI NINH BÌNH GIÁO TRÌNH MÔN HỌC/MÔ ĐUN: VẬT LIỆU ĐIỆN NGÀNH/NGHỀ: ĐIỆN DÂN DỤNG TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số: /QĐ-TCGNB ngày…….tháng….năm2021 của Trường cao đẳng Cơ giới Ninh Bình Ninh Bình, năm 2021 1
1
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình các nguồn thông tin có thể được phép dung nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 1
LỜI GIỚI THIỆU Để đáp ứng được 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 dân dụng và nghề Kỹ thuật máy lạnh & Điều hòa không khí. 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: Khái niệm về vật liệu điện. Giới thiệu một số khái niệm cơ bản về vật liệu kỹ thuật điện, các cách phân loại vật liệu điện theo trạng thái, theo tính dẫn điện, v.v.. - 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 những ứng dụng cụ thể của chúng. Cách lựa chọn vật liệu cách điện cho phù hợp với điều kiện làm việc và những yêu cầu cụ thể. - 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. - Chương 3: Vật liệu dẫn từ. Giới thiệu một số đặc tính từ của vật liệu. Nếu một số vật liệu dẫn từ điển hình được sử dụng trong kỹ thuật điện và phạm vi ứng dụng của chúng. Giáo trình được biên soạn có tham khảo và dẫn chiếu thông tin từ các tài liệu liên quan được liệt kê ở phần tài liệu tham khảo. Trong quá trình biên soạn giáo trình, dù chúng tôi đã có cố gắng song không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong người đọc đóng góp ý kiến để giáo trình được hoàn thiện hơn, đạt chất lượng cao và phù hợp với người học. Xin trân thành cảm ơn! Ninh Bình, ngày......tháng.....năm..... Tham gia biên soạn 1. Chủ biên. Vũ Thị Vui 2. Vũ Thị Thuỷ 2
MỤC LỤC TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN................................................................................ 1 LỜI GIỚI THIỆU............................................................................................... 2 MỤC LỤC ......................................................................................................... 3 GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN .................................................... 6 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 ............................................................... 9 1.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn ........................................ 9 2. Phân loại vật liệu điện .................................................................................. 10 2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện........................................................... 10 2.2. Phân loại theo từ tính ............................................................................. 10 2.3. Phân loại theo trạng thái vật thể ............................................................. 10 CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ........................................................... 11 1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện .................................................... 11 1.1. Khái niệm .............................................................................................. 11 1.2. Phân loại vật liệu cách điện ................................................................... 11 2.Tính chất chung của vật liệu cách điện .......................................................... 12 2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện ........................................................ 12 2.2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện ................................................. 13 2.3. Tính chất hoá học của vật liệu cách điện................................................ 13 2.4. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện............................ 13 2.5. Độ bền nhiệt .......................................................................................... 15 2.6. Tính chọn vật liệu cách điện .................................................................. 15 2.7. Hư hỏng thường gặp .............................................................................. 15 3. Một số vật liệu cách điện thông dụng ........................................................... 16 3
3.1. Vật liệu sợi ............................................................................................ 16 3.2. Giấy và các tông cách điện .................................................................... 16 3.3. Phíp ........................................................................................................ 17 3.4. Amiăng, xi măng amiăng ....................................................................... 17 3.5. Vải sơn và băng cách điện ..................................................................... 17 3.6. Chất dẻo ................................................................................................ 18 3.7. Nhựa cách điện ...................................................................................... 19 3.8. Dầu cách điện ........................................................................................ 21 3.9. Sơn và các hợp chất cách điện ............................................................... 22 3.10. Chất đàn hồi ........................................................................................ 23 3.11. Điện môi vô cơ .................................................................................... 25 3.12. Vật liệu cách điện bằng gốm sứ ........................................................... 26 3.13. Mica và các vật liệu trên cơ sở mica .................................................... 27 CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN.............................................................. 29 1. Khái niệm và tính chất của vật liệu dẫn điện ................................................ 29 1.1. Khái niệm về vật liệu dẫn điện .............................................................. 29 1.2. Tính chất của vật liệu dẫn điện .............................................................. 30 1.3. Các tác nhân môi trường ảnh hưởng đến tính dẫn điện của vật liệu ....... 33 1.4. Hiệu điện thế tiếp xúc và sức nhiệt động ............................................... 33 2. Tính chất chung của kim loại và hợp kim ..................................................... 34 2.1. Tầm quan trọng của kim loại và hợp kim............................................... 34 2.2. Các tính chất .......................................................................................... 34 3. Những hư hỏng thường gặp và cách chọn vật liệu dẫn điện .......................... 35 3.1. Những hư hỏng thường gặp ................................................................... 35 3.2. Cách chọn vật liệu dẫn điện ................................................................... 38 Khi cần lựa chọn vật liệu dẫn điện ta căn cứ vào: ......................................... 38 4. Một số vật liệu dẫn điện thông dụng ............................................................. 38 4.1. Đồng và hợp kim đồng .......................................................................... 38 4.2. Nhôm và hợp kim nhôm ........................................................................ 40 4.3. Chì và hợp kim chì ................................................................................ 41 4.4. Sắt (Fe) .................................................................................................. 44 4
4.5. Wonfram ............................................................................................... 44 4.6. Kim loại dùng làm tiếp điểm và cổ góp ................................................. 45 4.7. Hợp kim có điện trở cao và chịu nhiệt ................................................... 47 4.8. Lưỡng kim ............................................................................................. 49 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU DẪN TỪ ................................................................. 50 1. Khái niệm và tính chất vật liệu dẫn từ ......................................................... 50 1.1. Khái niệm .............................................................................................. 50 1.2. Tính chất của vật liệu dẫn từ .................................................................. 51 1.3. Các đặc tính của vật liệu dẫn từ ............................................................. 51 1.4. Đường cong từ hoá ................................................................................ 51 2. Mạch từ và tính toán mạch từ ....................................................................... 53 2.1. Các công thức cơ bản ............................................................................ 53 2.2. Sơ đồ thay thế của mạch từ .................................................................... 56 2.3. Mạch từ xoay chiều ............................................................................... 57 2.4. Những hư hỏng thường gặp ................................................................... 59 3. Một số vật liệu dẫn từ thông dụng ................................................................ 59 3.1. Vật liệu dẫn từ mềm .............................................................................. 60 3.2. Vật liệu từ cứng ..................................................................................... 62 3.3. Vật liệu sắt từ có công dụng đặc biệt ..................................................... 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 64 5
GIÁO TRÌNH MÔN HỌC VẬT LIỆU ĐIỆN Tên môn học: Vật liệu điện Mã môn học: 08 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học: - Vị trí: Môn học Vật liệu điện là môn học kỹ thuật cơ sở, thuộc các môn học đào tạo nghề bắt buộc, được bố trí sau môn học An toàn lao động và học song song với các môn Vẽ điện, Điện kỹ thuật... - Tính chất: Vật liệu điện là môn học chung trang bị những kiến thức cơ bản về vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ. Những ứng dụng chủ yếu của vật liệu kỹ thuật điện trong thiết bị điện, máy điện, khí cụ điện... và trong các lĩnh vực truyền tải, phân phối và sử dụng điện năng. - Ý nghĩa và vai trò của môn học: Sau khi học xong môn học Vật liệu điện giúp người học hiểu rõ về các loại vật liệu điện, về cấu tạo, các đặc tính và ứng dụng của các vật liệu trong thực tế. Nhận dạng, so sánh và lựa chọn được những vật liệu đúng theo yêu cầu kỹ thuật. Mục tiêu của môn học: - Về kiến thức: + Nắm vững khái niệm về vật liệu điện; + Phân biệt và chỉ ra được cấu tạo và đặc tính của các vật liệu điện; + Trình bày được đặc tính và ứng dụng của các vật liệu điện thông dụng trong kỹ thuật điện. - Về kỹ năng: + Phân loại được các vật liệu dùng trong kỹ thuật điện; + Chọn và thay thế được các vật liệu cách điện tương ứng trong sửa chữa và bảo dưỡng thiết bị điện. - Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + Cẩn thận, chính xác trong việc nghiên cứu vật liệu điện; + Chủ động trong học tập, rèn tác phong công nghiệp và thái độ nghề nghiệp. 6
BÀI MỞ ĐẦU:KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN Mã bài: MH 08 – 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 ở dưới dạng tổng hợp nhằm tăng cường một số những đặc tính có lợi hay hạn chế các đặc tính có hại khi sử dụng. Chủ yếu vật liệu điện được phân loại dựa trên tính ứng dụng của chúng và thông thường chúng được chia thành 3 nhóm vật liệu điện cơ bản: Vật liệu dẫn điện, vật liệu cách điện và vật liệu dẫn từ. Mỗi nhóm vật liệu có nhiều dạng khác nhau nhưng chúng đều có những đặc điểm đặc chưng cơ bản giống nhau. 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 yếu và nghiêm túc trong công việc. Nội dung chính: 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 e phân tử. Nguyên tử là phân tử cơ bản của vật e chất. +++ P++N0 Hạt nhân được cấu tạo nên từ các hạt proton (P) mang điện tích dương và nơtron (N) không mang điện. Số lượng P = Z.q (Z là số e, q = qe = 1,6.10-19C). e Hình 1.1. Cấu tạo nguyên tử 7
Trạng thái bình thường, nguyên tử trung hoà về điện. Nếu nguyên tử mất điện tử sẽ trở thành ion dương, nhận thêm 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). 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. 1.3.1. Liên kết đồng hoá trị: Đặc trưng bới 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. 1.3.2. 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. 1.3.3. Liên kết kim loại E Được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các điện tử tự do trong kim loại. U 8
1.3.4. 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 - Sự hình thành khe rãnh, lỗ xốp. Khuyết tật có thể tạo nên những tính năng đặc biệt tốt (vi mạch IC) và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi (VLCĐ có lẫn kim loại). 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 3 đầy các điện tử hoá trị. - Vùng có mức năng lượng cao W hơn gọi là vùng tự do (3) - Vùng dẫn 2 chứa các điện tử tự do - Vùng trung gian gọi là vùng cấm (2). 1 Khi nguyên tử nhận năng lượng kích thích W, các điện tử hoá trị có thể vượt qua vùng cấm để lên vùng dẫn làm Hình 1.2. Các mức năng lượng trong vật rắn tăng khả năng dẫn điện của vật chất. 9
2. Phân loại vật liệu điện 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 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, 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 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Mã bài: MH 08 – 02 Giới thiệu: Mục đích của các điện là duy trì khả năng cách điện của vật liệu đặt 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 cách điện của các vật liệu có sắc 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 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. Nội dung chính: 1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện 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. Vật liệu cách điện 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 Vật liệu cách điện:  > 1010 (.cm). 1.2. Phân loại vật liệu cách điện 1.2.1. Theo trạng thái vật lý - Thể rắn: Nhựa, cao su, thuỷ tinh … 11
- Thể lỏng: Dầu biến áp, dầu nặng … - Thể khí: Không khí, khí trơ … 1.2.2. Theo thành phần hoá học - Vật liệu hữu cơ: Vải, sơn, cao su… - Vật liệu vô cơ: Sứ, gốm, mi ca… 1.2.3. Theo tính chịu nhiệt Được phân chia thành 7 cấp như sau: - Cấp Y (t0 = 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)... 2.Tính chất chung của vật liệu cách điện 2.1. 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 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. 12
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 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). 2.3. Tính chất hoá 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.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. Các chất lưỡng cực dễ hòa tan hơn trong chất lỏng lưỡng cực, các chất trung tính dễ hòa tan trong chất trung tính. Các chất cao phân tử có cấu trúc mạch thẳng dễ hòa tan hơn so với cấu trúc trung gian. Khi tăng nhiệt độ thì độ hòa tan tăng. 2.4. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện 2.4.1. Các hiện tượng xảy ra đối với VLCĐ (hình 2.1) 13
- Hiện tượng phóng điện bề mặt (hình 2.2): Khi điện áp đặt vào tấm cách điện tăng đến một trị số nào đó thì ở cạnh mép của điện cực xuất hiện vầng quang rồi phát triển thành những tia lửa điện nối liền nhau ở hai cạnh biên của tấm cách điện. Hồ quang điện sẽ phóng trên bề mặt của tấm cách điện từ cực này đến cực kia (Upđ). Đánh thủng U Phóng điện bề mặt Hình 2.1. Các hiện tượng xảy ra đối với VLCĐ Hình 2.2. Phóng điện bề mặt sứ cách điện - Hiện tượng đánh thủng: Khi tấm cách điện không chịu được điện áp đặt vào. Ở một hoặc nhiều chỗ, điện tích chạy từ điện cực này qua điện cực kia xuyên qua tấm cách điện (cho dòng điện đi qua). Ta nói tấm cách điện bị đánh thủng (Uđt). 2.4.2. Độ bền cách điện Là điện áp đánh thủng tính trên cách điện có bề dầy một đơn vị Ebđ = Uđt/a Trong đó: + Uđt là điện áp đánh thủng của VLCĐ (kV); + a là bề dầy của VLCĐ (cm); + Ebđ là độ bền điện (kV/cm). 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. 14
2.5. Độ bền nhiệt - Độ bền chịu nóng: Là khả năng của vật liệu không bị hư hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác dụng của nhiệt độ cao hay sự thay đổi nhiệt độ đột ngột; - Độ dẫn nhiệt: Là khả năng truyền nhiệt, chống nóng cục bộ ảnh hưởng đến độ bền của vật liệu; - Sự giãn nở vì nhiệt: Là sự thay đổi hình dạng của vật liệu do bị đốt nóng hay làm lạnh. 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 việc an toàn mà không bị đánh thủng; - 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: 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. 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. 2.7. Hư hỏng thường gặp Các loại vật liệu cách điện được sử dụng để 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 điện: do các máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện khi làm việc với các đại lượng, thông số vượt quá trị số định mức như: các đại lượng về dòng điện, điện áp, công suất v.v...làm cho vật liệu cách điện 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 bị ảnh hưởng của các điều kiện của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và hơi nước v.v.... Làm cho các vật liệu cách điện giảm tính chất cách điện của chúng đi và dễ bị đánh thủng; Hư hỏng do các lực 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 lớp emay trên các dây điện 15
từ có đường kính tương đối lớn nếu bị uốn cong với bán kính nhỏ sẽ làm lớp cách điện bằng bị vỡ hoặc khi vào dây không cẩn thận làm lớp cách điện bị trầy xước hoặc là khi lót cách điện không cẩn thận làm gẫy hoặc rách cách điện v.v... Hư hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận: các chi tiết khi làm việc tiếp xúc vàcó sự chuyển động tương đối với nhau thì sẽ bị hư hỏng do sự mài mòn và dễ bị đánh thủng v.v... 3. Một số vật liệu cách điện thông dụng 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. - Băng dính cách điện:Được sản xuất từ vải bông, vải thuỷ 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. 3.2. Giấy và các tông cách điện 3.2.1. Giấy - 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. 16
+ Giấy tụ điện: Có bề dầy từ 0,004  0,03mm dùng để cách điện cho tụ điện giấy hoặc tụ điện giấy dầu. 3.2.2. 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. 3.3. 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. 3.4. Amiăng, xi măng amiăng 3.4.1. Amiăng Là tên thường gọi của nhóm khoáng vật, có cấu trúc xơ, amiăng có ưu điểm chịu được nhiệt độ cao, ở nhiệt độ mà các xơ hữu cơ khác hoàn toàn bị phá hủy thì amiăng vẫn còn bền và uốn được. Khi nhiệt độ từ (300  400)0C thì amiăng mất đi độ bền cơ. Amiăng rất thấm nước nên khi sử dụng phải tẩm. Loại amiăng thông thường (crizotin) có thể hòa tan trong axit ngoại trừ một vài loại đặc biệt rất hiếm lại có tính chịu được axit. Tính cách điện của amiăng không cao lắm nên không được dùng cách điện trong điện cao thế và cao tần. Điện trở suất của khối amiăng là 1010 1012.cm. Để phù hợp với yêu cầu sử dụng người ta sản xuất amiăng thành giấy, vải, băng….. 3.4.2. 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 chất độn là amiăng, còn chất kết dính là ximăng. Ximăng amiăng được sản xuất ra thành tâm, ống và các sản phẩm theo hình mẫu. Có độ bền cơ không cao lắm và chịu nhiệt tốt, chịu được sự phóng điện của hồ quang nhưng tính cách điện thấp và hút ẩm.Thường được dùng làm bảng phân phối, tấm chắn ngăn các buồng dập hồ quang. 3.5. Vải sơn và băng cách điện 3.5.1. Vải sơn cách điện 17
Là loại vải bông, lụa, thủy tinh có tẩm sơn, có độ đàn hồi và độ mềm được dùng làm cách điện rãnh của các máy điện có điện áp thấp. Trong các máy điện có điện áp cao vải sơn được dùng làm cách điện ở các đầu dây quấn, cách điện giữa các cuộn dây, ngoài ra vải sơn còn được dùng cách điện cho các bộ phận bị uốn cong nhiều. Độ bền điện của loại băng sợi bông có trị số khoảng (35  50)kV/mm, loại bằng tơ (55  90)kV/mm. Vải sơn cách điện thường được sản suất ở dạng cuộn rộng (700  1000)mm, chiều dày của vải cách điện là (0,15  0,24) mm. Gần đây có khuynh hướng thay thế vải sơn và giấy sơn cách điện bằng vật liệu cách điện dẻo đó là màng dẻo. 3.5.2. Băng cách điện Các loại vải lụa, amiăng mạ tráng thủy tinh thường được dùng để bảo vệ các cuộn dây máy điện. Băng amiăng được làm từ các sợi amiăng đàn hồi có chứa oxít sắt dùng làm băng bảo vệ cho các cuộn dây của máy điện, điện áp từ 6 kV trở lên. Các loại này trước khi sử dụng phải tẩm sơn, sau khi tẩm độ chịu nhiệt sẽ giảm, băng thủy tinh có độ chịu nhiệt, chịu ẩm tốt hơn loại trên. 3.6. Chất dẻo Chất dẻo là loại vật liệu được dùng rộng rãi trong kỹ thuật cũng như trong đời sống. Đặc điểm của chất dẻo là dưới tác dụng của sức ép từ bên ngoài sẽ nhận được hình dáng đã định trước của khuôn ép để chế tạo ra các sản phẩm. Trong kỹ thuật điện người ta thường dùng chất dẻo để làm vật liệu cách điện cũng như dùng làm các kết cấu thuần túy. 3.6.1. Hêtinắc Được sản xuất ra bằng cách ép nóng giấy đã được tẩm nhựa bakêlít. Hêtinắc có khối lượng riêng từ 1,25 đến 1,4 G/cm3. Độ bền điện cao khoảng (2025)kV/mm,  = 56 Hêtinắc được sử dụng trong việc chế tạo các thiết bị và dụng cụ điện cao áp và hạ áp. Ngoài ra, Hêtinắc cũng được sử dụng trong kỹ thuật thông tin. 3.6.2. Téctôlít Được sản xuất ra bằng cách ép nóng vải đã được tẩm nhựa bakêlít, nó cũng tương tự Hêtinắc nhưng có giới hạn bền kéo doc và ứng suất dai va đập theo chiều thẳng góc với lớp cách điện không cao hơn Hêtinắc nhưng độ bền nhiệt cao hơn. Trong những năm gần đây người ta đã chế tạo được nhiều loại chất dẻo nhiều lớp có đặc tính cách điện, độ bền cơ và độ chịu nhiệt cao. Chất kết dính dùng trong các chất dẻo ấy là nhựa polieste, êpoxi, nhựa poliimít, nhựa silíc hữu 18