Trình bày đặc điểm và công dụng của vật liệu cách điện thể lỏng

bài giảng Chương 3 vật liệu cách điện

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây [451.32 KB, 46 trang ]

CHƯƠNG 3
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
3.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
3.1.1 Khái niệm
Vật liệu dùng làm cách điện [còn gọi là chất điện môi] là các chất mà trong
điều kiện bình thường điện tích xuất hiện ở đâu thì ở nguyên ở chỗ đấy, tức là ở
điều kiện bình thường, điện môi là vật liệu không dẫn điện, điện dẫn  của chúng
bằng không hoặc nhỏ không đáng kể.
Vật liệu cách điện có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật
điện, Việc nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu các tính chất, đặc điểm, để từ
đó chọn lựa cho phù hợp.
3.1.2. Phân loại vật liệu cách điện
3.1.2.1. Phân loại theo trạng thái vật lý
Theo trạng thái vật lý, có:
 Vật liệu cách điện thể khí,
 Vật liệu cách điện thể lỏng,
 Vật liệu cách điện thể rắn.
Vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với vật liệu
cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các phần tử kim loại
không thể giữ chặt được trong không khí.
Vật liệu cách điện rắn còn được phân thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi,
băng, màng mỏng.
Ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão
như: các vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm.
3.1.2.2. Phân loại theo thành phần hóa học
Theo thành phần hoá học, người ta phân ra: vật liệu cách điện hữu cơ và vật
liệu cách điện vô cơ.
1. Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong
thiên nhiên và nhóm nhân tạo.

Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong
thiên nhiên, hoặc giữ nguyên thành phần hóa học như: cao su, lụa, phíp,
xenluloit,...
Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol,
nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl,
polyamit,....
2. Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại
vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng...
3.1.2.3. Phân loại theo tính chịu nhiệt
Phân loại theo tính chịu nhiệt là sự phân loại cơ bản, phổ biến vật liệu cách
điện dùng trong kỹ thuật điện. Khi lựa chọn vật liệu cách điện, đầu tiên cần biết vật
liệu có tính chịu nhiệt theo cấp nào. Người ta đã phân vật liệu theo tính chịu nhiệt
như bảng 3.2.
Bảng 3.2. Phân loại vật liệu cách điện
Cấp
cách
điện

Nhiệt độ
cho phép
[0C]

Các vật liệu cách điện chủ yếu

Y

90

Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương
tự không tẩm nhựa, các loại nhựa polyetylen, PVC,

polistinol, anilin, abomit

A

105

Giấy, vải sợi, lụa trong dầu, nhựa polyeste, cao su nhân
tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô

120

Nhựa tráng Polyvinylphocman, poliamit, epoxi. Giấy ép
hoặc vải ép có nhựa phendfocmandehit [gọi chung là
Bakelit giấy]. Nhựa Melaminfocmandehit có chất động
xenlulo. Vải có tẩm thấm Polyamit. Nhựa Polyamit.
Nhựa Phênol-Phurphurol có độn xenlulo.

130

Nhựa Polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn.
Sơn cách điện có dầu làm khô dùng ở các bộ phận tiếp
xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ
nhựa phênol. Nhựa PhênolPhurol có chất độn khoáng,
nhựa epoxi, sợi thủy tinh, nhựa Melaminfocmandehit.

E

B

F

155

Sợi amiang, sợi thủy tinh có chất kết dính

H

180

Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính

C

>180

Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ,
Polytetraflotylen, Polymonoclortrifloetylen.

3.6. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải chú ý đến không những các
phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xem xét tính ổn định của những phẩm
chất này dưới các tác dụng cơ học, hóa lý học, tác dụng của môi trường xung
quanh,...gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện. Dưới
tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên
tục, người ta gọi đó là sự lão hóa vật liệu cách điện. Do vậy, tuổi thọ của vật liệu
cách điện sẽ rất khác nhau trong những điều kiện khác nhau.
Bởi thế cần phải nghiên cứu về tính chất cơ lý hoá, nhiệt của vật liệu cách điện
để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện.
3.6.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện

Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm [hút hơi nước
từ môi trường không khí] và thấm ẩm [cho hơi nước xuyên qua].
Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối  = 80  81, độ
điện dẫn  =10-5  10-6 [1/cm] nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất
cách điện bị giảm sút trầm trọng.
Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi, đó là
nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số rất thấp so với điện áp
đánh thủng.
1. Độ ẩm của không khí
Trong không khí luôn chứa hơi ẩm, lượng ẩm trong không khí được xác định
bởi tham số gọi là độ ẩm của không khí. Độ ẩm gồm có độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm
tương đối.
a. Độ ẩm tuyệt đối:
Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước trong 1 đơn vị thể tích không khí
3
[g/m ]. Ở nhiệt độ xác định, độ ẩm tuyệt đối không thể vượt qua mmax [mmax được
gọi là độ ẩm bão hoà]. Nếu khối lượng nước nhiều hơn giá trị mmax thì hơi nước sẽ
rơi xuống dưới dạng sương.
Quan hệ giữa độ ẩm bão hòa và nhiệt độ cho trên hình 3.6.


b. Độ ẩm tương đối, %

mMax
90[g/cm3]
80
70

Độ ẩm tương đối là tỷ số:
% =

m

.100% [3-12]
mmax
Ở trạng thái bão hòa của hơi nước

60
50

trong không khí sẽ có  % = 100%.

40

Thường các ẩm kế chỉ cho số liệu về

30

độ ẩm tương đối  % nên khi cần xác

20

định độ ẩm tuyệt đối sẽ phải tính
theo công thức:

10
-20 -10 0

10

0
20 30 40 50 t [ C]

Hình 3.6. Quan hệ giữa độ ẩm bão hoà
mmax theo nhiệt độ
và do mmax là hàm của nhiệt độ môi trường không khí [t] nên m = f[ %, t].
Như vậy, từ các số liệu về độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí có thể
xấc định được độ ẩm tuyệt đối m [bằng cách tính toán, tra bảng số, đồ thị...].
Theo quy ước quốc tế, điều kiện khí hậu chuẩn của không khí được qui định:
Áp suất p = 760 mmHg.
Nhiệt độ t = 200C.
Độ ẩm tuyệt đối m = 11g/m3 [độ ẩm tương đối  % khoảng 60  70%].
Khí hậu Việt Nam khác xa với khí hậu chuẩn. Khí hậu Việt Nam thuộc vùng
khí hậu nhiệt đới. Ở miền Bắc, nhiệt độ trung bình hàng năm là 22,70C, nhiệt độ
cực đại có thể đạt tới 42,80C. Độ ẩm thường xuyên cao là một trong các đặc điểm
nổi bật của khí hậu nước ta. Độ ẩm tuyệt đối trung bình hàng năm ở đồng bằng Bắc
bộ là m = 24  26 g/m3, trong các tháng hè có thể lên tới 30  33g/m3 và trong các
tháng mùa đông cũng tới mức 13  17g/m3.
2. Độ ẩm của vật liệu 
Độ ẩm của vật liệu  là lượng hơi nước trong một đơn vị trọng lượng của vật
liệu.


Khi đặt mẫu vật liệu cách điện trong môi trường không khí có độ ẩm % và
nhiệt độ t [0C] thì sau một thời gian nhất định, độ ẩm của vật liệu  sẽ đạt tới giới
hạn được gọi là độ ẩm cân bằng [cb].
Nếu mẫu vật liệu vốn khô ráo được đặt trong môi trường không khí ẩm [vật
liệu có độ ẩm ban đầu  < cb] thì vật liệu sẽ bị ẩm, nghĩa là nó hút hơi ẩm trong
không khí khiến cho độ ẩm sẽ tăng dần tới trị số cân bằng cb như đường 1 trên
hình 3.7 [vật liệu bị ngấm ẩm].



Ngược lại, khi mẫu vật liệu đã
bị ẩm trầm trọng [có độ ẩm ban đầu
 > cb] thì độ ẩm mẫu sẽ giảm tới

2 [vật liệu sấy khô]

cb

trị số cb như đường 2 trên

1 [vật liệu ngấm ẩm]

hình 3.7. [vật liệu sấy khô].
0

t [h]

Hình 3.7

Đối với vật liệu xốp, loại vật liệu có khả năng hút ẩm rất mạnh, người ta đưa
ra độ ẩm quy ước. Đó là trị số cb khi vật liệu được đặt trong không khí ở điều kiện
khí hậu chuẩn.
3. Tính thấm ẩm
Tính thấm ẩm là khả năng cho hơi ẩm xuyên thấu qua vật liệu cách điện. Khi
vật liệu bị thấm ẩm thì tính năng cách điện của nó giảm:  [], , tg Eđt.
Nếu vật liệu không thấm nước sẽ hấp thụ trên bề mặt một lượng nước hoặc
hơi nước.

Căn cứ vào góc biên dính nước  của giọt nước trên bề mặt phẳng của vật liệu
[hình 3.6], người ta chia vật liệu cách điện hấp phụ tốt và hấp phụ yếu.
 < 900: vật liệu hấp phụ tốt [hình 3.8a].
 > 900: vật liệu hấp phụ yếu [hình 3.8b].


b]

a]
Hình 3.8


Vật liệu hấp phụ tốt sẽ dễ bị phóng điện, dòng dò lớn do  []. Sự hấp phụ
của vật liệu cách điện phụ thuộc vào loại vật liệu, kết cấu vật liệu, áp suất, nhiệt
độ, độ ẩm,...của môi trường.
4. Nhận xét
Qua phân tích, ta thấy rằng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những
phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất,
độ ẩm...của môi trường làm việc. Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu
dẫn đến lão hóa và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, tg, có thể dẫn
đến phá hỏng cách điện. Đặc biệt là đối với các vật liệu cách điện ở thể rắn.
Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện cần sử dụng các biện
pháp sau đây:
Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài.
Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện. Sơn tẩm lấp đầy các lỗ xốp
khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài, mặt khác làm tăng phẩm chất
cách điện của vật liệu.
Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào
bên trong.
Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh

bụi bẩn bám vào làm tăng khả năng thấm ẩm có thể gây phóng điện trên bề
mặt.
3.6.3. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện
Trong nhiều trường hợp thực tế, vật liệu cách điện còn phải chịu tải cơ học,
do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện cần xét đến tính chất cơ học của nó.
Khác với vật liệu dẫn điện kim loại có độ bền kéo σ k , nén σ n và uốn σ u hầu
như gần bằng nhau, còn vật liệu cách điện, các tham số trên chênh lệch nhau khá
xa. Căn cứ các độ bền này, người ta tính toán, chế tạo cách điện phù hợp với khả
năng chịu lực tốt nhất của nó.
Ví dụ: Thuỷ tinh có độ bền nén σ n = 2.104 kG/cm2 trong khi độ bền kéo σ k =
5.102 kG/cm2 . Vì thế thuỷ tinh thường được dùng vật liệu cách điện đỡ.
Ngoài ra, khi chọn vật liệu cách điện cũng cần phải xét đến khả năng chịu va
đập, độ rắn, độ giãn nở theo nhiệt của vật liệu. Đặc biệt chú ý khi gắn các loại vật


liệu cách điện với nhau cần phải chọn vật liệu có hệ số giãn nở vì nhiệt gần bằng
nhau.
3.6.2. Tính chất hóa học của vật liệu cách điện
Tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện là khả năng chịu tác dụng của nhiệt độ
cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Mỗi loại vật liệu cách điện chỉ chịu được
một nhiệt độ nhất định [tức là có độ bền chịu nhiệt độ nhất định]. Độ bền chịu
nhiệt được xác định theo nhiệt độ làm thay đổi tính năng của vật liệu cách điện.
Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền chịu nhiệt được biểu thị bằng nhiệt
độ mà nó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt các phẩm chất cách điện như tổn hao tg
tăng, điện trở cách điện giảm sút...
Đối với vật liệu cách điện hữu cơ, độ bền chịu nhiệt là nhiệt độ gây nên các biến
dạng cơ học, những biến dạng này đương nhiên sẽ dẫn đến sự suy giảm các phẩm
chất cách điện của nó.
Về mặt hóa học, nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến tốc độ của các phản ứng hóa học
xảy ra trong vật liệu cách điện tăng [thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng hóa

học tăng dạng hàm mũ theo nhiệt độ]. Vì vậy, sự giảm sút phẩm chất cách điện của
vật liệu gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép.
Bởi thế, ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEC [International Electrical
Commission] đã phân loại vật liệu cách điện theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho
phép [đã nêu ở bảng 3.2].
3.1. HIỆN TƯỢNG ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI VÀ ĐỘ BỀN CÁCH ĐIỆN
Mục đích của việc sử dụng vật liệu cách điện trong kỹ thuật điện là để duy trì
khả năng cách điện của chúng trong điện trường. Bởi vậy, khi nghiên cứu vật liệu
cách điện không thể không xét đến ảnh hưởng của điện môi trong điện trường.
3.1.1. Khái niệm về điện trường
Sở dĩ các điện tích có tác dụng lực tương tác với nhau vì điện tích tạo ra trong
không gian quanh nó một điện trường.
Để đặc trưng cho sự mạnh yếu của điện trường, người ta đưa ra khái niệm
cường độ điện trường E:


E=

F
, [V/m]
q

[3-1]

trong đó:
F: lực điện tác dụng lên điện tích thử tại điểm ta xét [N].
q: điện tích thử dương [C].
Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng vật lý đặc trưng cho điện
trường về phương diện tác dụng lực, được đo bằng thương số của lực điện trường
tác dụng lên một điện tích thử đặt tại điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó.

3.1.2. Điện môi
Điện môi là những chất không không dẫn điện vì trong điện môi không có
hoặc có rất ít các điện tích tự do.
Hằng số điện môi: từ công thức
D = .0.E

[3-2]

D: là cảm ứng điện thường gọi là véc tơ dịch chuyển điện tích
E: là điện trường
: là hằng số điện môi
0: hằng số điện môi trong chân không 0 =1/4.9.1011 [F/m]
Trong chân không - thực tiễn- trong không khí
D = 0.E

[3-3]

Còn trong môi trường có hằng số điện môi  thì
D = .0.E

[3-4]

Khi ta đặt giữa hai điện cực một tấm cách điện hình 3.1 thì có sự khác nhau giữa
điện trường trong không khí và điện trường trong tấm cách điện. Trong không khí
số đường sức điện trường và số đường dịch chuyển bằng nhau, và từ công thức[33] điện trường là:
E= D/0
=1

A

[3-5]
=3

C

=1

B

Hình 3.1.Tấm cách điện nằm giữa điện cực


Trong cách điện C có hằng số điện môi , điện trường giảm tỷ lệ nghịch với
. Trên hình 3.1 cho thấy với  =3 số đường sức điện trường bằng 1/ =1/3 số
đường sức trong không khí. Điện tích dịch chuyển đến bề mặt của cách điện C, thì
một số điện tích bị giữ lại, còn lại số điện tích tự do chuyển động qua được cách
điện. Số điện tích tự do này tạo ra điện trường trong cách điện.
Nếu khe hở E0 là điện trường trong không khí theo công thức[3.3] ta có:
D = 0.E = E0
Trong cách điện C với hằng số điện môi  thì điện trường giảm  lần tức là E=
E0/
3.1.3. Đặc điểm điện môi đặt trong điện trường
Khác với kim loại và các chất điện phân, trong điện môi không có các hạt
mang điện tự do. Sự phân bố điện tích âm và điện tích dương trong phân tử thường
đối xứng, các trọng tâm điện tích dương và điện tích âm trùng nhau. Người ta gọi
các phân tử đó là loại phân tử không phân cực.
Khi đặt điện môi thuộc loại không phân cực trong điện trường [hình 3.2], điện
trường sẽ chuyển các phân tử thành các lưỡng cực điện. Các lưỡng cực điện đầu
dương hướng về phía cực âm của điện trường, đầu âm hướng về phía cực dương
của điện trường. Kết quả là trong điện môi hình thành điện trường mới gọi là điện

trường phân cực EP, ngược chiều với điện trường ngoài. Cường độ điện trường
phân cực EP nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài Eng nên cường độ điện trường
tổng hợp E trong chất điện môi có chiều cùng với chiều của điện trường ngoài và
có trị số cường độ điện trường nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài cho trước.
Nếu cường độ điện trường trong chân không là E0 thì khi đặt điện môi vào, cường
độ điện trường sẽ là:
E = E0

gọi là hằng số điện môi tương đối của chất điện môi .

[3-6]

Eng

+

_ +

_ +

_ +

_ +

_ +

_ +
Ep
_ +

_ +

_ +

_ +

E

_ +

_ +

-

Hình 3.2 Sự phân cực của điện môi


Tuy nhiên khi điện môi đặt trong điện trường thì có
những biến đổi cơ bản khi đó điện môi chịu tác dụng
của cường độ điện trường E được xác định như sau:

h

U

Trong đó: U là điện áp đặt lên hai cực điện môi
Hình 3.3 Điện môi khi đặt
trong điện trường
h là chiều dầy khối điện môi
Điện môi trong điện trường phụ thuộc vào:

- Cường độ điện trường [mạnh, yếu, xoay chiều , một chiều]
- Thời gían điện môi nằm trong điện trường [ dài, ngắn]
- Yếu tố môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất …
Về cơ bản dưới tác dụng của điện trường có thể xảy ra bốn hiện tượng cơ bản sau:
- Sự dẫn điện của điện môi
- Sự phân cực điện môi
- Tổn hao điện môi
- Phóng thủng điện môi
3.1.4. Độ bền cách điện
Trong điện môi có lẫn tạp chất có khả năng tạo ra một số điện tử tự do. Trong
điều kiện bình thường độ dẫn điện của điện môi rất thấp, dòng điện qua điện môi
gọi là dòng điện rò, trị số rất bé.
Khi cường độ điện trường đủ lớn, lực tĩnh điện tác dụng lên điện tử, có thể
bứt điện tử ra khỏi mối liên kết với hạt nhân trở thành điện tử tự do. Độ dẫn điện
của điện môi tăng lên. Dòng điện qua điện môi tăng lên đột ngột, điện môi trở
thành vật dẫn. Đó là hiện tượng đánh thủng cách điện.
Cường độ điện trường đủu để gây ra hiện tượng đánh thủng điện môi gọi là cường
độ đánh thủng Eđt. Điện môi có Eđt càng lớn thì độ bền cách điện càng tốt. Vì thế
cường độ đánh thủng được gọi là độ bền cách điện.
Cường độ đánh thủng của điện môi phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu cách
điện như: độ ẩm, nhiệt độ, tác dụng của các tia bức xạ,...
Để đảm bảo cho điện môi làm việc tốt, cường độ điện trường đặt vào điện môi
không vượt quá trị số giới hạn gọi là cường độ cho phép Ecp. Thông thường chọn
trị số Ecp nhỏ hơn Eđt từ hai đến ba lần:
Eđt = kat Ecp

[3-9]


[kat - hệ số an toàn, thường lấy kat= 2-3 ].

Căn cứ vào độ dày [d] của điện môi có thể xác định trị số điện áp đánh thủng
Uđt và điện áp cho phép Ucp của thiết bị:
Uđt = Eđt .d

[3-10]

Ucp = Ecp.d

[3-11]

Bảng 3.1 nêu lên thông số đặc trưng của một số vật liệu cách điện thường gặp.
Ví dụ: Xác định điện áp cho phép và điện áp đánh thủng của một tấm carton cách
điện có bề dày d = 0,15 cm áp sát vào hai điện cực, cho biết hệ số an toàn bằng 3.
Giải
Tra bảng [3-1], được cường độ đánh thủng của cáctông cách điện lấy trung bình Eđt
= 100 kV/cm. Ta có điện áp đánh thủng theo [3-10]:
Uđt = Eđt .d = 100. 0,15 = 15 kV
Điện áp cho phép:

Ucp = Uđt/ kat = 15/3 = 5 kV

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật một số vật liệu cách điện thường gặp
Vật liệu
Giấy tẩm dầu
Không khí
VảI sơn
Đá hoa
Paraphin
Polietylen
Cao su

Thủy tinh
Thủy tinh hữu cơ
Vải thủy tinh
Mica
Dầu Xovon
Dầu biến áp
Sứ
Ebonit
Cáctông cách điện

Eđt, kV/cm
100  250
30
100  400
30  50
200  250
500
150  200
100  150
400  500
300  400
500  1000
150
50  180
150  200
600  800
80  120


3,6

1
34
78
2  2,2
2,25
36
6  10
3
34
5,4
5,3
2  2,5
5,5
3  3,5
3  3,5

 , cm

1011  1013
108  1011
1016  1017
1014  1016
1013  1014
1014
1014  1016
5.1013
5.10-3  1014
5.1014  5.1015
1014  1015
1015  1016

108  1010
1011  1013


3.2. ĐIỆN DẪN ĐIỆN MÔI
Xác định bởi cách điện có hướng của các điện tích tự do tồn tại trong các
chất điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài đặt lên điện môi. Dưới tác dụng
của lực điện trường F= E.q các điện tích dương cách điện theo chiều điện trường,
các điện tích âm cách điện ngược lại. Như vậy trong điện môi xuất hiện một dòng
điện gọi là dòng điện điện dẫn, dòng điện này phụ thuộc vào mật độ điện tích tự do
trong điện môi, dòng điện điện dẫn còn gọi là dòng điện rò [thường có giá trị rất
nhỏ]
Điện dẫn điện môi gồm :
- Điện dẫn điện tử : Thành phần mang điện là các điện tử tự do
- Điện dẫn ion : Thành phần mang điện là các ion dương và ion âm
- Điện dẫn điện ly : Thành phần mang điện là các nhóm các phần tử tích
điện, các tạp chất tồn tại trong điện môi.
3.3. PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI
3.3.1. Hiện tượng phân cực điện môi
Khi đưa một thanh điện môi vào trong điện trường của một vật mang điện , thì trên
các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu. Mặt đối
diện được tích điện trái dấu , mặt còn lại tích điện cùng dấu
Hiện tượng trên thanh điện môi, khi đặt trong điện trường có xuất hiện các
điện tích gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Hiện tượng này trông bề ngoài
giống như hiện tượng điện trường trong kim loại, nhưng về bản chất thì khác hẳn
nhau. Trong hiện tượng phân cực điện môi, ta không thể tách riêng các điện tích để
chỉ còn lại một loại điện tích. Trên thanh điện môi điện tích xuất hiện ở đâu thì sẽ
định hướng ở đó, không dịch chuyển tự do được, vì vậy chúng được gọi là các điện
tích liên kết.
3.3.2. Phân tử phân cực và phân tử không phân cực

Mỗi phân tử hay nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tích dương còn các điện tử
mang điện tích âm.
Khi xét tương tác của mỗi electron với các điện tích bên ngoài coi một cách gần
đúng nhe e đứng yên tại một điểm nào đó
Tác dụng của e trong phân tử tương đương với tác dụng của một điện tích tổng
cộng -q của chúng tại một điểm nào đó trong phân tử, điểm này gọi là trọng tâm
của điện tích âm.


Tương đương như vậy, tác dụng của hạt nhân tương đương với tác dụng của điện
tích tổng cộng +q của chúng đặt tại trọng tâm của điện tích dương.
Phân tử không phân cực là loại phân tử có phân bố các e đối xứng xung
quanh hạt nhân, tức là tâm điện tích dương trùng với tâm điện tích âm, phân tử
không phải là lưỡng cực điện có mô men điện của nó bằng không.
Phân tử phân cực là loại phân tử có phân bố các e không đối xứng xung
quanh hạt nhân, tức là tâm điện tích dương không trùng với tâm điện tích âm, phân
tử là lưỡng cực điện có mô men điện của nó khác không.
3.3.3. Phân cực điện môi
# Trường hợp điện môi cấu tạo bởi phân tử phân cực
- Khi chưa đặt điện môi trong điện trường ngoài, do chuyển động nhiệt các lưỡng
cực phân tử cách điện hỗn loạn nên tổng mô men điện của lưỡng cực bằng không.
- Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, các lưỡng cực phân tử trong điện môi
quay theo hướng điện trường ngoài, nên tổng mô men điện của lưỡng cực khác
không
*/ Trường hợp điện môi cấu tạo bởi phân tử không phân cực
- Khi chưa đặt điện môi trong điện trường ngoài, phân tử điện môi chưa phải là
một lưỡng cực [ vì tâm của chúng trùng nhau]
- Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, các phân tử trong khối điện môi trở
thành các lưỡng cực điện do sự biến dạng của lớp vỏ e của phân tử [ sự dịch
chuyển trong tâm điện tích âm]

*/ Trường hợp điện môi tinh thể
- Điện môi tinh thể ion có mạng tinh thể ion lập phương, có thể coi tinh thể như
một [phân tử khổng lồ] các mạng ion âm và dương trùng nhau.
- Dưới tác dụng của điện trường các mạng ion dương dịch chuyển theo chiều điện
trường, các mạng ion âm dịch chuyển theo chiều ngược lại gây ra hiện tượng phân
cực điện môi gọi là phân cực ion.
Kết luận: Như vậy phân cực là qúa trình xê dịch trong phạm vi nhỏ của các điện
tích ràng buộc hoặc sự xoay hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của
điện trường ngoài.
Trong chất điện môi tồn tại rấy ít các điện tích tự do, còn lại đa số các điện
tích có liên kết chặt chẽ với những phân tử bên cạnh gọi là những điện tích ràng
buộc.


Dưới tác dụng của điện trường, chúng không thể cách điện xuyên suốt qua
điện môi để tạo thành dòng điện, mà chỉ có thể xê dịch rất ít hoặc xoay hướng theo
chiều điện trường.
*/ Các dạng phân cực chính của điện môi
- Phân cực điện tử : là dạng phân cực do sự xê dịch có giới hạn của các quỹ đạo
chuyển động của các điện tử dưới tác dụng của E ngoài.
- Phân cực ion: là dạng phân cực do sự xê dịch của các ion liên kết dưới tác dụng
của E ngoài.
- Phân cực lưỡng cực : là dạng phân cực gây nên bởi sự định hướng của các lưỡng
cực [ các phân tử có cực tính]
- Phân cực kết cấu: là dạng phân cực đặc trưng cho điện môi có kết cấu không
đồng nhất.
- Phân cực tự phát: là dạng phân cực đăc trưng cho các sécnhét điện [ điện môi séc
nhét có đặc điểm nổi bật là phân cực khi E ngoài bằng không].
3.4. TỔN HAO ĐIỆN MÔI
Trong điện môi xảy ra quá trình phân cực, phía cực dương xuất hiện điện tích

âm, phía cực âm xuất hiện điện tích dương. Điện môi sẽ tạo thành tụ điện. Hai quá
trình điện dẫn và phân cực nói trên tác động lên điện môi làm cho nó phát nóng
gây tổn hao điện môi.
Phần điện năng tiêu hao để các hạt điện tích thắng lực liên kết khi chuyển
động trong điện môi dưới tác dụng của điện trường bên ngoài Eng gọi là tổn hao
điện môi.
Khi khai thác các thiết bị điện, vấn đề tổn hao điện môi cần được chú ý đến,
đặc biệt khi chúng làm việc ở điện áp cao hoặc tần số cao. Bởi trong điện trường,
tổn hao điện môi có thể phá vỡ sự cân bằng nhiệt hoặc phá vỡ các liên kết hóa học
trong điện môi, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện dẫn đến điện môi mất hẳn khả
năng cách điện.
Tổn hao điện môi có thể đặc trưng bởi suất tổn hao điện môi, đó là công suất
tổn hao tính trong một đơn vị thể tích của điện môi.
Ở điện áp xoay chiều, người ta thường dùng góc tổn hao điện môi  và ứng
với nó là tg. Góc tổn hao điện môi là góc phụ của góc lệch pha  giữa dòng điện i
và điện áp u trong điện môi.


Để đơn giản, ta xét tổn hao điện môi của chất điện môi giữa hai bản cực của
một tụ điện.
Biết hằng số điện môi là , tụ được nối vào một điện áp xoay chiều U.
Khi đó: Dòng điện tích điện cho tụ điện It sẽ gồm hai thành phần [hình 3.2]:
Dòng tích điện thực sự, IC sớm pha 900 so với điện áp đặt vào tụ mang tích
chất điện dung có trị số:

IC = .C.U, [A]
hay IC = 2f.C.U,
[A]

IR



[3-12]
[3-13]

IC

trong đó



It



C: điện dung của tụ [F]
f: tần số dòng điện [Hz]
U: điện áp đặt vào tụ [V]
: tần số góc,  = 2f [rad/s]




0

UC

Hình 3.4. Sơ đồ phức của dòng điện
và điện áp trên tụ điện

Dòng điện IR gây tổn hao, làm nóng
điện môi, đồng pha với điện áp U.
 Dòng tích điện:
It =

2

IC  IR

2

[3-14]

trong đó:
IC = It cos
IR = It sin
 IR  tgδ

hay IR = ICtg = .C.U.tg
IC
Công suất tổn hao điện môi:
P = U.IR = .C.U2.tg

[W]

[3-15]

[3-16]

nếu thay: C = .C0
C0: điện dung của tụ điện với chất điện môi là không khí
: hằng số điện môi tương ứng
vào [3-10], ta được:
P = ..C0.U2.tg
Với:
: góc tổn hao điện môi

[3-17]


tg: hệ số tổn hao điện môi, tgδ  IR .
IC
.tg: số tổn hao.
Từ [3-17] ta thấy P thay đổi tỷ lệ thuận theo tg.
Sự thay đổi thành phần IC chứng tỏ cách điện bị xuống cấp [sự thay đổi của IC
có thể do điện môi: bị ẩm hoặc có các lớp bị ngắn mạch, kích thước hình học thay
đổi]. Thành phần IR đặc trưng cho tổn hao công suất trong điện môi do dòng điện
rò.
Để tính tổn hao điện môi, có thể sử dụng sơ đồ thay thế khác nhau của điện
môi phụ thuộc vào yêu cầu và mục đích tính toán. Dùng sơ đồ thay thế sẽ cho phép
giải tích hóa một cách đơn giản các quá trình xảy ra trong điện môi [tổn hao, phân
cực,...] và còn để mô hình hóa chúng trên các mô hình mạch điện.
Sơ đồ thay thế gồm hai thành phần điện dung C và điện trở R. Các sơ đồ thay
thế cần được chọn sao cho thỏa mãn điều kiện công suất tổn hao của sơ đồ thay thế
phải bằng công suất tổn hao trong điện môi và góc lệch pha của chúng cũng phải
bằng nhau ở cùng một điện áp và cung một tần số.
Một sơ đồ thường hay dùng trong các mô hình mạch điện là sơ đồ đơn giản
đấu song song phần tử R và C [hình 3.5].
R

Hình 3.5. Sơ đồ thay thế của điện môi đặt
trong điện trường.

C

U

*/Cách tính tổn thất điện môi
- Dù sơ đồ thay thế ở dạng bất kỳ cũng đưa về hai dạng sơ đồ chính là sơ đồ
song song và sơ đồ nối tiếp
- Vẽ đồ thị véc tơ
- Xác định góc lệch pha, góc tổn hao điện môi
*/ Tính tổn hao điện môi trong sơ đồ nối tiếp
CS
IRS

I
I/CS

U

RS


Vẽ giản đồ véc tơ:

Từ giản đồ véc tơ ta có
tg 

I .RS

 RS .C S .
I /[.C S ]

Công suất tổn hao điện môi
PS  RS .I 2  RS

U2
U2
tg
2

R
.[
C

]
 C S U 2
S
S
2
2
2
2
[ RS  C S . ]
[ RS C S  ]  1
1  tg 2

*/ Tính tổn hao điện môi trong sơ đồ song song
Rp

Cp

Vẽ giản đồ véc tơ:
U.CP.
U/RP

U

U
RP
1
tg 

R
C
U .C P .
P P

Công suất tổn hao điện môi
PS  RP .I 2  RP

U 2 U 2 C P U 2


 C P U 2 tg
2
RP
R P C P
RP

Vì vậy trong hai sơ đồ tổn hao điện môi đều phụ thuộc tg
*/ Mối quan hệ giữa hai sơ đồ
Do hai sơ đồ đều thay thế cho cùng một khối điện môi nên cho nên tổn hao điện
môi và góc tổn hao điện môi trong hai sơ đồ phải bằng nhau
Tổn hao điện môi trong hai sơ đồ:
PS  PP nên C S U 2

tg
 C P U 2 tg
2
1  tg 


nên C P 

CS
1  tg 2

góc tổn hao điện môi bằng nhau:
tg  RS .C S . 

1
RP C P 

1  tg 2
 RS C S 
RP C P 

thế Cp vào ta có:
Vì vậy: RP  RS

1  tg 2
1  tg 2

R
S
[ RP C P  ] 2
tg 2

*/ suất tổn hao điện môi
P = ..C0.U2.tg
0 

1
F /m
4 9.10 9

C0   0

S
với d là khoảng cách giữa hai bản cực [m], S diện tích bề mặt bản cực
d

[m2]
U=E/d , E cường độ điện trường trong khe hở [V/m]
 =2f là tần số đặt vào
P  CU 2 tg  

1
S

1
. .2 . f .E 2 .d 2 .tg   .
. f .E 2 .S .d .tg
9
9
4 9.10 d
18.10

*/ Các nguyên nhân gây ra tổn hao điện môi
- Tổn hao điện môi do phân cực: Tổn hao này do hiện tượng phân cực gây ra,
thường thấy ở các chất có cấu tạo lưỡng cực và cấu tạo ion ràng buộc không
chặt chẽ. Tổn thất này gây ra do sự chuyển động nhiệt của các ion hoặc các
phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường, sự phá hủy trạng thái này làm
mất mát năng lượng và làm cho điện môi bị nóng lên. Tổn hao do phân cực
tăng theo tần số điện áp đặt vào điện môi. Tổn hao do phân cực phụ thuộc vào
nhiệt độ, tổn hao đạt cực đại tại một nhiệt độ nhất định đặc trưng cho mối chất
điện môi.
- Tổn hao do dòng điện rò: Trong bất kỳ điện môi nào luôn tồn tại các điện tử tự
do, dưới tác dụng của điện trường các điện tử tự do này sẽ dịch chuyển theo
chiều tác dụng của điện trường, tạo nên dòng điện rò. Dòng điện rò này kết hợp
với điện trở điện môi gây nên tổn thất nhiệt. Tổn hao do dòng điện rò được xác


định theo biểu thức sau đây:
P

1,8.1012
 . f .

Trong đó:  - là hằng số điện môi

f – là tần số điện áp
 - là điện trở suất của khối điện môi
Khi nhiệt độ tăng thì tổn hao điện môi càng tăng
P = P0 .e.t
Trong đó P0 là tổn hao điện môi ở nhiệt độ 200C,
 là hệ số nhiệt
T là độ chênh nhiệt so với 200C
- Tổn hao do ion hóa: Tổn hao này thường gặp trong các chất khí, khi trong môi
trường có xảy ra ion hóa, Tổn hao này được xác định theo biểu thức:
Pi = Ai.f[U-U0]3
Trong đó: Ai là hằng số đối với từng chất khí
F là tần số đặt vào
U0 là điện áp bắt đầu gây ion chất khí
Trị số Uo phụ thuộc vào từng loại chất khí, nhiệt độ và áp suất làm việc của từng
chất khí, tuy nhiên còn phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trường, Cùng
một giá trị điện áp đặt vào nhưng điện trường đều sẽ khó gây ion hóa hơn so với
điện trường đều.
- Tổn hao do cấu tạo không đồng nhất: Tổn hao này xảy ra trong các vật liệu co
cấu tạo không đồng nhất, để xác định tổn hao điện môi trong trường hợp này ta
phải xem điện môi gồm hai điện môi ghép nối tiếp nhau.

1
1

C1

C2

R1

R2

2
2

E

Góc tổn hao điện môi
tg 

 2 .n  m
M   3 N


Với m= R1 + R2
n = C22 R22 R1+ C21 R21 R2
M= C1 R21 + C2 R22
N= C22 R22 C1 R21 + C21 R21 C2 R22

3.7. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ
- Hằng số điện môi gần bằng 1, là hằng số
- Điện trở cách điện rất lớn
- Tổn hao điện môi nhỏ
Các khí cách điện thường dùng trong kỹ thuật điện là: không khí, sunfua
haxaflo[SF6 ], Hyđrô [H2], Nitơ [N2]...
3.7.1. Không khí
Trong số vật liệu cách điện ở thể khí vừa nêu, trước tiên phải kể đến không
khí bởi nó được sử dụng rất rộng rãi để làm cách điện trong các thiết bị điện, phối
hợp với chất cách điện rắn và lỏng, trong một số trường hợp nó là cách điện chủ
yếu [Ví dụ: đường dây tải điện trên không]. Nếu lấy cường độ cách điện của không

khí là đơn vị thì một số loại khí được dùng trong kỹ thuật điện cho ở bảng 3.3
Bảng 3.3
Tính chất

Không khí

N2

CO2

H2

Tỷ trọng

1

0,97

1,52

0,07

Hệ số tản nhiệt

1

1,03

1,13

1,51

Cường độ cách điện

1

1,00

0,90

0,60

Nhận xét: Đa số chất khí có cường độ cách điện kém hơn không khí tuy nhiên
chúng vẫn được sử dụng nhiều: Ví dụ: N2 vì nó không có oxi nên nó không bị oxi
hóa các kim loại tiếp xúc với nó.
Trong thực tế điện áp đánh thủng của không khí được xác định như sau: Với
U xoay chiều có f =50 Hz thì cứ 1cm khoảng cách không khí chịu được 3,2 đến
3,5Kv [ ứng với trường hợp điện trường rất không đồng nhất] như vậy khoảng cách
a cần thiết để khỏi bị đánh thủng là :


a

U
cm
3,2

[3-14]

3.7.2. Sunfua haxaflo [SF6 ]

SF6 còn có tên gọi êlêgaz là chất khí nặng hơn không khí 5 lần, hóa lỏng ở
nhiệt độ -180C. Ở trạng thái bình thường, SF6 không mùi, không vị, không độc,
không ăn mòn, không cháy và rất trơ. Hệ số cách điện của nó cao hơn của không
khí 23 lần, có độ ổn định cao, có khả năng dập tắt hồ quang tốt.
Nó được dùng làm môi trường cách điện chủ yếu trong các máy cắt cao áp,
trung áp. Ngoài ra còn được dùng trong tụ điện, cáp điện lực,….
Tuy nhiên, khi sử dụng cần chú ý: SF6 là khí tự phục hồi. Đó là do khí hấp thụ
các điện tử tự do do hồ quang tạo ra làm ion hóa khí. Các ion tái hợp lại tạo khí
SF6. Không phải tất cả ion và nguyên tử tự do tái hợp lại, vì vậy khí SF6 bị hồ
quang tạo nên các sản phẩm độc hại, thường là sunfua.
Sau nhiều lần thao tác khí có mùi trứng thối, nếu có mùi này cần tiến hành các
bước sau:
Tháo khí khỏi thiết bị.
Mở cửa, thông gió cưỡng bức.
Tách các sản phẩm hồ quang [thể rắn] trước khi đưa vào thiết bị
Các sản phẩm hồ quang phải chứa trong thùng chất dẻo và đặt trong thùng
kín để đảm bảo an toàn.
3.7.3. Nitơ [N2]
Nitơ đôi khi được dùng để thay không khí trong các tụ điện khí do nó có
cường độ cách điện gần không khí [Nếu lấy cường độ cách điện của không khí là 1
thì của Nitơ cũng khoảng gần 1]. Mặt khác, vì nó không chứa oxy O2 nên không có
hiện tượng oxyt hóa các kim loại nó tiếp xúc.
3.7.4. Hyđrô [H2]
Hydro là một loại khí rất nhẹ [nếu lấy tỷ trọng của không khí là 1 thì tỷ trọng
của H2 là 0,07] lại có hệ số tản nhiệt cao [nếu không khí 1 thì H2 là 1,51] cho nên
nó được dùng nhiều để làm mát các máy điện thay cho không khí. Do không có
oxy nên nó sẽ làm chậm được tốc độ lão hóa vật liệu cách điện hữu cơ và khử được


sự cố cháy cuộn dây khi có ngắn mạch ở bên trong máy điện. Khi làm việc trong

môi trường H2 cách điện, chổi than được cải thiện hơn.
Song khi dùng H2 để cách điện cần phải bọc kín máy điện lại và phải giữ cho
áp suất của khí H2 lớn hơn áp suất khí quyển để không cho không khí lọt vào tránh
xảy ra cháy nổ.
3.7.5. Các khí khác
Ngoài các khí kể trên người ta còn dùng các khí như Argon, Nêon, hơi thủy
ngân, hơi Natri, ... trong các dụng cụ chân không. Chẳng hạn các loại đèn điện
dùng chiếu sáng trong kỹ thuật và đời sống sinh hoạt.
3.8. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Ở THỂ LỎNG
Trong số vật liệu cách điện ở thể lỏng, dầu mỏ và các loại dầu khác có
nguồn gốc từ dầu mỏ được dùng nhiều trong kỹ thuật điện.
Dầu mỏ được khai thác trong thiên nhiên. Sau khi qua các biện pháp lọc đơn
giản để khử nước và bùn rồi qua các biện pháp tinh luyện tương đối phức tạp sẽ
được loại dầu tốt được sử dụng nhiều trong công nghiệp.
Dầu mỏ là hợp chất của các cacbua hyđro [hàm lượng C khoảng 8587% còn
H là 1114%], ngoài ra còn có một số hợp chất khác của oxy, hợp chất sunfua, hợp
chất Nitơ...].
Trong dầu mỏ có nhiều loại cacbua hyđro, ví dụ parafin CnH2n+2, loại cacbua
không no CnH2n, loại cacbua thơm CnH2n-6...
Hợp chất của oxy chủ yếu là các loại axit, ví dụ axit naptenic C6H11COOH,
các chất keo, hắc ín,...làm cho dầu có màu sắc và có cặn.
Hợp chất sunfua có nhiều toại như từ sunfit hyđrogen [khí sunfurơ H2S] đến
bisunfit cao phân tử.
Ngoài ra do quá trình tinh luyện trong dầu mỏ còn có thêm một số chất khác,
ví dụ sunfit sodium [SO4Na], các hạt cao lanh rất nhỏ và chưa lọc được hết.
Như vậy, trong dầu mỏ có nhiều thành phần và hàm lượng của mỗi thành
phần khác nhau, vì thế ảnh hưởng của chúng đến tính chất của dầu cũng khác nhau.
Dưới đây ta xét một số loại dầu mỏ phổ biến thường dùng trong kỹ thuật điện.
3.8.1. Dầu máy biến áp

Dầu máy biến áp là hỗn hợp của cacbua hyđrô ở thể lỏng, có màu sắc khác
nhau.
Loại dầu này được dùng trong các máy biến áp với mục đích:
Lấp kín các lỗ xốp của vật liệu cách điện sợi, lấp kín các khoảng trống giữa
các cuộn dây, giữa các cuộn dây và vỏ để làm tăng khả năng cách điện của
vật liệu.
Cải thiện điều kiện tản nhiệt do tổn hao công suất trong cuộn dây và lõi máy
biến áp [dầu tản nhiệt tốt hơn không khí trung bình khoảng 28 lần].
Ngoài ra, dầu máy biến áp còn được dùng trong các máy cắt điện có dầu, tụ
điện, cáp điện lực,...
- Dầu biến thế có ưu điểm sau:
+/ Độ bền cách điện cao: khoảng 160kV/cm với dầu mới
+/ Hằng số điện môi  = 2,2 2,3 gần bằng một nửa điện môi chất rắn
+/ Sau khi đánh thủng, khả năng cách điện khả năng cách điện của dầu phụ
hồi trở lại.
+/ Có thể xâm nhập vào các khe rãnh hẹp, vừa có tác dụng cách điện vừa có
tác dụng làm mát.
+/ Cỏ thể sử dụng làm môi trường dập tắt hồ quang trong MCĐ [ máy cắt
dầu hiện nay ít dùng]
- Dầu biến thế có nhược điểm sau:
+/ Khả năng cách điện của dầu biến đổi lớn khi dầu bị bẩn, sợi bông, giấy
nước, muội than…
Với dầu MBA sạch, độ bền cách điện: 20-25 kV/mm, nhưng nếu hàm lượng nước
trong dầu lớn hơn 0,05% thì độ bền cách điện chỉ còn 4-5kV/mm.
+/ Khi có nhiệt độ cao, dầu có sự thay đổi về hóa học, sự thay đổi đó là có
hạn, đó là sự hóa già của dầu.
+/ Dễ nổ, dễ cháy.
- Dầu biến thế có các tính chất sau:
+/ Điện trở suất lớn 1014 – 1016 cm

+/ Hằng số điện môi  = 2,2 2,3 gần bằng một nửa điện môi chất rắn
+/ Nhiệt độ làm việc ở chế độ dài hạn 90- 950C không bị hóa già nhiều
+/ Độ bền cách điện rất cao
Quy định cường độ cách điện và tổn hao điện môi ở các cấp điện áp:


Tiêu chuẩn về cường độ cách điện của dầu máy biến áp ở các cấp điện áp cho ở
bảng 3.4
Bảng 3.4
Cấp điện áp [kV]

Cường độ cách điện của
dầu mới [kV/mm]

Cường độ cách điện của dầu
trong vận hành [kV/mm]

Đến 6 kV

12

8

6 kV  35 kV

12

10

Trên 35 kV

16

14

Nước, khí ẩm có ảnh hưởng nhiều đến cường độ cách điện của dầu. Càng xấu hơn
nữa khi trong dầu có các sợi vải, giấy là các vật liệu dễ hút ẩm.
Vì vậy nếu kết quả thí nghiệm thấp hơn các trị số nêu ở bảng 3.3 thì cần phải thay
thế dầu hoặc lọc và tái sinh.
+/ Tổn hao điện môi bé:
tg không được vượt quá 0,003 khi ở nhiệt độ 200C.
tg không được vượt quá 0,025 khi ở nhiệt độ 700C.
Độ nhớt cũng quan trong đối với khả năng làm mát của dầu biến thế < 6,63
E[Engler ] ở nhiệt độ là 20 C hoặc < 1,8 E ở nhiệt độ 500 C
n

Td 0
[ E]
Tn

[3-15]

Td : thời gian chảy của 200ml dầu ở nhiệt độ thí nghiệm
Tn : thời gian chảy của 200ml nước cất ở nhiệt độ 200 C
Đường kính lỗ chaỷ  =2,8mm, chiều dài lỗ chảy l=2mm vật liệu là thép trắng
+/ Nhiệt độ chớp cháy: là nhiệt độ tối thiểu tại dó ngọn lửa xuất hiện khi hơi
dầu tiếp xúc với ngọn lửa trẵn sau đó lại tắt ngay gọi là nhiệt độ chớp cháy, nhiệt
độ chớp cháy của dầu MBA > 135 C
+/ Trị số áxit [mg KOH /G dầu ] hàm lượng nước : Nhỏ hơn quy định tùy
tường loại dầu .

Trong quá trình vận hành, dầu thường bị sấu đi, phẩm chất của nó giảm đó
là sự già cuỗi của dầu. Khi dầu bị già cuỗi, thương có mầu tối hoặc đặc, đó là dầu
hình thành nhiều màng keo, nhựa hắc ín …tốc độ lão hóa của dầu tăng khi
- Có sự xâm nhập của không khí lỏng: ẩm, ôxi …
- Có nhiệt độ cao
- Có tiếp xúc với các kim lọai: Đồng, sắt, chì …
Khi dầu bị gìà cỗi, để dùng lại thì phải tái sinh nó bằng cacg lọc và hắp thụ nhằm
loại bỏ nước và tạp chất


- Việc lọc được tiến hành trong các trường hợp: trước khi cho dầu mới vào
TB hay khi phát hiện trong dầu có nước cặn hay các chỉ tiêu kỹ thuật vươt quá quy
định.
- Để lọc bỏ nước người ta dùng phương páhp lọc ly tâm để lọc bỏ cặn người
ta dùng giấy lọc, để lọc các thành phần khác người ta dùng các chất hấp thụ như:
Siliccagen – kiềm, Siliccagen – cao lanh…
- Xác định điện áp đánh thủng:
+/ Trường hợp điện trường đồng nhất [ hai điện cực phẳng hoặc điện cực trụ
và điện cực phẳng]
U đt  40.a  25[kV ]
[3-16]
a: là khoảng cách điện cực với a= 3- 40cm và bán kính điện cực
hình trụ lớn hơn 25cm
+/ Trường hợp điện trường rất không đồng nhất [ giữa hai điện cực nhọn]
U đt  403 a 2 [kV ]

[3-17]

+/ Trường hợp điện trường không đồng nhất [ điện cực nhọn và điện cực
phẳng]

U đt  193 a 4 [kV ]

[3-18]

- Một số điểm cần lưu ý khi sử dụng dầu máy biến áp
a. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự lão hóa của dầu:
Trong quá trình vận hành, dầu thường bị xấu đi, phẩm chất cách điện của nó
giảm. Đó là sự lão hóa của dầu. Khi dầu bị lão hóa thường có màu tối và đặc, điều
đó là do trong dầu hình thành nhiều keo, nhựa, hắc ín...gọi chung là bị nhiễm bẩn
trong quá trình vận hành. Tốc độ lão hóa của dầu tăng nhanh khi:
Không khí xâm nhập vào dầu,
Trong không khí chứa nhiều hơi nước và dầu lại rất nhạy cảm với độ ẩm. Mặt
khác, quá trình lão hóa của dầu còn liên quan đến sự oxyt hóa bởi oxy có trong
không khí.
Nhiệt độ cao.
Dầu có sự thay đổi về hóa, sự thay đổi này có hại và tạo bọt trong dầu, làm
cho độ nhớt giảm và làm nghẹt các khe hở trong cuộn dây và trong các bộ phận
của máy biến áp.
Tiếp xúc với ánh sáng, một số kim loại như Cu, Fe, Pb...và một số hóa chất
khác có tác dụng như chất xúc tác của sự lão hóa dầu khi dầu tiếp xúc với
ánh sáng.
b. Biện pháp khắc phục lão hóa dầu:

Chương 3: Vật liệu cách điện

Chương 3 trình bày các nội dung: Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện, chất điện môi, tổn hao điện môi, phá hủy điện môi, một số chất điện môi thường dùng. Mời các bạn tham khảo nội dung chi tiết tài liệu.

Download

Xem online

Tóm tắt nội dung tài liệu

1. CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3.1.KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 3.1.1 Khái niệm Vật liệu dùng làm cách điện [còn gọi là chất điện môi] là các chất mà trong điều kiện bình thường điện tích xuất hiện ở đâu thì ở nguyên ở chỗ đấy, tức là ở điều kiện bình thường, điện môi là vật liệu không dẫn điện, điện dẫn  của chúng bằng không hoặc nhỏ không đáng kể. Vật liệu cách điện có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, Việc nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu các tính chất, đặc điểm, để từ đó chọn lựa cho phù hợp. 3.1.2. Phân loại vật liệu cách điện 3.1.2.1. Phân loại theo trạng thái vật lý Theo trạng thái vật lý, có:  Vật liệu cách điện thể khí,  Vật liệu cách điện thể lỏng,  Vật liệu cách điện thể rắn. Vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với vật liệu cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các phần tử kim loại không thể giữ chặt được trong không khí. Vật liệu cách điện rắn còn được phân thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng. Ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão như: các vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm. 3.1.2.2. Phân loại theo thành phần hóa học Theo thành phần hoá học, người ta phân ra: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ. 1. Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo.
2. Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong thiên nhiên, hoặc giữ nguyên thành phần hóa học như: cao su, lụa, phíp, xenluloit,... Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl, polyamit,.... 2. Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng... 3.1.2.3. Phân loại theo tính chịu nhiệt Phân loại theo tính chịu nhiệt là sự phân loại cơ bản, phổ biến vật liệu cách điện dùng trong kỹ thuật điện. Khi lựa chọn vật liệu cách điện, đầu tiên cần biết vật liệu có tính chịu nhiệt theo cấp nào. Người ta đã phân vật liệu theo tính chịu nhiệt như bảng 3.2. Bảng 3.2. Phân loại vật liệu cách điện Cấp Nhiệt độ cách cho phép Các vật liệu cách điện chủ yếu điện [0C] Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương Y 90 tự không tẩm nhựa, các loại nhựa polyetylen, PVC, polistinol, anilin, abomit Giấy, vải sợi, lụa trong dầu, nhựa polyeste, cao su nhân A 105 tạo, các loại sơn cách điện có dầu làm khô Nhựa tráng Polyvinylphocman, poliamit, epoxi. Giấy ép hoặc vải ép có nhựa phendfocmandehit [gọi chung là E 120 Bakelit giấy]. Nhựa Melaminfocmandehit có chất động xenlulo. Vải có tẩm thấm Polyamit. Nhựa Polyamit. Nhựa Phênol-Phurphurol có độn xenlulo. Nhựa Polyeste, amiang, mica, thủy tinh có chất độn. Sơn cách điện có dầu làm khô dùng ở các bộ phận tiếp B 130 xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phênol. Nhựa PhênolPhurol có chất độn khoáng, nhựa epoxi, sợi thủy tinh, nhựa Melaminfocmandehit.
3. F 155 Sợi amiang, sợi thủy tinh có chất kết dính H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính Mica không có chất kết dính, thủy tinh, sứ, C >180 Polytetraflotylen, Polymonoclortrifloetylen. 3.6. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải chú ý đến không những các phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xem xét tính ổn định của những phẩm chất này dưới các tác dụng cơ học, hóa lý học, tác dụng của môi trường xung quanh,...gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện. Dưới tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục, người ta gọi đó là sự lão hóa vật liệu cách điện. Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhau trong những điều kiện khác nhau. Bởi thế cần phải nghiên cứu về tính chất cơ lý hoá, nhiệt của vật liệu cách điện để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện. 3.6.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm [hút hơi nước từ môi trường không khí] và thấm ẩm [cho hơi nước xuyên qua]. Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối  = 80  81, độ điện dẫn  =10-5  10-6 [1/cm] nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm sút trầm trọng. Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi, đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số rất thấp so với điện áp đánh thủng. 1. Độ ẩm của không khí Trong không khí luôn chứa hơi ẩm, lượng ẩm trong không khí được xác định bởi tham số gọi là độ ẩm của không khí. Độ ẩm gồm có độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối. a. Độ ẩm tuyệt đối: Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi nước trong 1 đơn vị thể tích không khí 3 [g/m ]. Ở nhiệt độ xác định, độ ẩm tuyệt đối không thể vượt qua mmax [mmax được gọi là độ ẩm bão hoà]. Nếu khối lượng nước nhiều hơn giá trị mmax thì hơi nước sẽ rơi xuống dưới dạng sương. Quan hệ giữa độ ẩm bão hòa và nhiệt độ cho trên hình 3.6.
4. b. Độ ẩm tương đối, % mMax 90[g/cm3] Độ ẩm tương đối là tỷ số: 80 m 70 % = .100% [3-12] mmax 60 Ở trạng thái bão hòa của hơi nước 50 trong không khí sẽ có  % = 100%. 40 Thường các ẩm kế chỉ cho số liệu về 30 độ ẩm tương đối  % nên khi cần xác 20 định độ ẩm tuyệt đối sẽ phải tính 10 theo công thức: 0 -20 -10 0 10 20 30 40 50 t [ C] Hình 3.6. Quan hệ giữa độ ẩm bão hoà mmax theo nhiệt độ và do mmax là hàm của nhiệt độ môi trường không khí [t] nên m = f[ %, t]. Như vậy, từ các số liệu về độ ẩm tương đối và nhiệt độ của không khí có thể xấc định được độ ẩm tuyệt đối m [bằng cách tính toán, tra bảng số, đồ thị...]. Theo quy ước quốc tế, điều kiện khí hậu chuẩn của không khí được qui định: Áp suất p = 760 mmHg. Nhiệt độ t = 200C. Độ ẩm tuyệt đối m = 11g/m3 [độ ẩm tương đối  % khoảng 60  70%]. Khí hậu Việt Nam khác xa với khí hậu chuẩn. Khí hậu Việt Nam thuộc vùng khí hậu nhiệt đới. Ở miền Bắc, nhiệt độ trung bình hàng năm là 22,70C, nhiệt độ cực đại có thể đạt tới 42,80C. Độ ẩm thường xuyên cao là một trong các đặc điểm nổi bật của khí hậu nước ta. Độ ẩm tuyệt đối trung bình hàng năm ở đồng bằng Bắc bộ là m = 24  26 g/m3, trong các tháng hè có thể lên tới 30  33g/m3 và trong các tháng mùa đông cũng tới mức 13  17g/m3. 2. Độ ẩm của vật liệu  Độ ẩm của vật liệu  là lượng hơi nước trong một đơn vị trọng lượng của vật liệu.
5. Khi đặt mẫu vật liệu cách điện trong môi trường không khí có độ ẩm % và nhiệt độ t [0C] thì sau một thời gian nhất định, độ ẩm của vật liệu  sẽ đạt tới giới hạn được gọi là độ ẩm cân bằng [cb]. Nếu mẫu vật liệu vốn khô ráo được đặt trong môi trường không khí ẩm [vật liệu có độ ẩm ban đầu  < cb] thì vật liệu sẽ bị ẩm, nghĩa là nó hút hơi ẩm trong không khí khiến cho độ ẩm sẽ tăng dần tới trị số cân bằng cb như đường 1 trên hình 3.7 [vật liệu bị ngấm ẩm].  Ngược lại, khi mẫu vật liệu đã bị ẩm trầm trọng [có độ ẩm ban đầu 2 [vật liệu sấy khô]  > cb] thì độ ẩm mẫu sẽ giảm tới cb trị số cb như đường 2 trên 1 [vật liệu ngấm ẩm] hình 3.7. [vật liệu sấy khô]. 0 t [h] Hình 3.7 Đối với vật liệu xốp, loại vật liệu có khả năng hút ẩm rất mạnh, người ta đưa ra độ ẩm quy ước. Đó là trị số cb khi vật liệu được đặt trong không khí ở điều kiện khí hậu chuẩn. 3. Tính thấm ẩm Tính thấm ẩm là khả năng cho hơi ẩm xuyên thấu qua vật liệu cách điện. Khi vật liệu bị thấm ẩm thì tính năng cách điện của nó giảm:  [], , tg Eđt. Nếu vật liệu không thấm nước sẽ hấp thụ trên bề mặt một lượng nước hoặc hơi nước. Căn cứ vào góc biên dính nước  của giọt nước trên bề mặt phẳng của vật liệu [hình 3.6], người ta chia vật liệu cách điện hấp phụ tốt và hấp phụ yếu.  < 900: vật liệu hấp phụ tốt [hình 3.8a].  > 900: vật liệu hấp phụ yếu [hình 3.8b].   a] b] Hình 3.8
6. Vật liệu hấp phụ tốt sẽ dễ bị phóng điện, dòng dò lớn do  []. Sự hấp phụ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào loại vật liệu, kết cấu vật liệu, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm,...của môi trường. 4. Nhận xét Qua phân tích, ta thấy rằng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm...của môi trường làm việc. Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu dẫn đến lão hóa và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, tg, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện. Đặc biệt là đối với các vật liệu cách điện ở thể rắn. Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện cần sử dụng các biện pháp sau đây: Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài. Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện. Sơn tẩm lấp đầy các lỗ xốp khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài, mặt khác làm tăng phẩm chất cách điện của vật liệu. Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong. Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh bụi bẩn bám vào làm tăng khả năng thấm ẩm có thể gây phóng điện trên bề mặt. 3.6.3. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện Trong nhiều trường hợp thực tế, vật liệu cách điện còn phải chịu tải cơ học, do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện cần xét đến tính chất cơ học của nó. Khác với vật liệu dẫn điện kim loại có độ bền kéo σ k , nén σ n và uốn σ u hầu như gần bằng nhau, còn vật liệu cách điện, các tham số trên chênh lệch nhau khá xa. Căn cứ các độ bền này, người ta tính toán, chế tạo cách điện phù hợp với khả năng chịu lực tốt nhất của nó. Ví dụ: Thuỷ tinh có độ bền nén σ n = 2.104 kG/cm2 trong khi độ bền kéo σ k = 5.102 kG/cm2 . Vì thế thuỷ tinh thường được dùng vật liệu cách điện đỡ. Ngoài ra, khi chọn vật liệu cách điện cũng cần phải xét đến khả năng chịu va đập, độ rắn, độ giãn nở theo nhiệt của vật liệu. Đặc biệt chú ý khi gắn các loại vật
7. liệu cách điện với nhau cần phải chọn vật liệu có hệ số giãn nở vì nhiệt gần bằng nhau. 3.6.2. Tính chất hóa học của vật liệu cách điện Tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện là khả năng chịu tác dụng của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Mỗi loại vật liệu cách điện chỉ chịu được một nhiệt độ nhất định [tức là có độ bền chịu nhiệt độ nhất định]. Độ bền chịu nhiệt được xác định theo nhiệt độ làm thay đổi tính năng của vật liệu cách điện. Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền chịu nhiệt được biểu thị bằng nhiệt độ mà nó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt các phẩm chất cách điện như tổn hao tg tăng, điện trở cách điện giảm sút... Đối với vật liệu cách điện hữu cơ, độ bền chịu nhiệt là nhiệt độ gây nên các biến dạng cơ học, những biến dạng này đương nhiên sẽ dẫn đến sự suy giảm các phẩm chất cách điện của nó. Về mặt hóa học, nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến tốc độ của các phản ứng hóa học xảy ra trong vật liệu cách điện tăng [thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng hóa học tăng dạng hàm mũ theo nhiệt độ]. Vì vậy, sự giảm sút phẩm chất cách điện của vật liệu gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép. Bởi thế, ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEC [International Electrical Commission] đã phân loại vật liệu cách điện theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép [đã nêu ở bảng 3.2]. 3.1. HIỆN TƯỢNG ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI VÀ ĐỘ BỀN CÁCH ĐIỆN Mục đích của việc sử dụng vật liệu cách điện trong kỹ thuật điện là để duy trì khả năng cách điện của chúng trong điện trường. Bởi vậy, khi nghiên cứu vật liệu cách điện không thể không xét đến ảnh hưởng của điện môi trong điện trường. 3.1.1. Khái niệm về điện trường Sở dĩ các điện tích có tác dụng lực tương tác với nhau vì điện tích tạo ra trong không gian quanh nó một điện trường. Để đặc trưng cho sự mạnh yếu của điện trường, người ta đưa ra khái niệm cường độ điện trường E:
8. F E= , [V/m] [3-1] q trong đó: F: lực điện tác dụng lên điện tích thử tại điểm ta xét [N]. q: điện tích thử dương [C]. Cường độ điện trường tại một điểm là đại lượng vật lý đặc trưng cho điện trường về phương diện tác dụng lực, được đo bằng thương số của lực điện trường tác dụng lên một điện tích thử đặt tại điểm đó và độ lớn của điện tích thử đó. 3.1.2. Điện môi Điện môi là những chất không không dẫn điện vì trong điện môi không có hoặc có rất ít các điện tích tự do. Hằng số điện môi: từ công thức D = .0.E [3-2] D: là cảm ứng điện thường gọi là véc tơ dịch chuyển điện tích E: là điện trường : là hằng số điện môi 0: hằng số điện môi trong chân không 0 =1/4.9.1011 [F/m] Trong chân không - thực tiễn- trong không khí D = 0.E [3-3] Còn trong môi trường có hằng số điện môi  thì D = .0.E [3-4] Khi ta đặt giữa hai điện cực một tấm cách điện hình 3.1 thì có sự khác nhau giữa điện trường trong không khí và điện trường trong tấm cách điện. Trong không khí số đường sức điện trường và số đường dịch chuyển bằng nhau, và từ công thức[3- 3] điện trường là: E= D/0 [3-5] =3 =1 =1 A C B Hình 3.1.Tấm cách điện nằm giữa điện cực
9. Trong cách điện C có hằng số điện môi , điện trường giảm tỷ lệ nghịch với . Trên hình 3.1 cho thấy với  =3 số đường sức điện trường bằng 1/ =1/3 số đường sức trong không khí. Điện tích dịch chuyển đến bề mặt của cách điện C, thì một số điện tích bị giữ lại, còn lại số điện tích tự do chuyển động qua được cách điện. Số điện tích tự do này tạo ra điện trường trong cách điện. Nếu khe hở E0 là điện trường trong không khí theo công thức[3.3] ta có: D = 0.E = E0 Trong cách điện C với hằng số điện môi  thì điện trường giảm  lần tức là E= E0/ 3.1.3. Đặc điểm điện môi đặt trong điện trường Khác với kim loại và các chất điện phân, trong điện môi không có các hạt mang điện tự do. Sự phân bố điện tích âm và điện tích dương trong phân tử thường đối xứng, các trọng tâm điện tích dương và điện tích âm trùng nhau. Người ta gọi các phân tử đó là loại phân tử không phân cực. Khi đặt điện môi thuộc loại không phân cực trong điện trường [hình 3.2], điện trường sẽ chuyển các phân tử thành các lưỡng cực điện. Các lưỡng cực điện đầu dương hướng về phía cực âm của điện trường, đầu âm hướng về phía cực dương của điện trường. Kết quả là trong điện môi hình thành điện trường mới gọi là điện trường phân cực EP, ngược chiều với điện trường ngoài. Cường độ điện trường phân cực EP nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài Eng nên cường độ điện trường tổng hợp E trong chất điện môi có chiều cùng với chiều của điện trường ngoài và có trị số cường độ điện trường nhỏ hơn cường độ điện trường ngoài cho trước. Nếu cường độ điện trường trong chân không là E0 thì khi đặt điện môi vào, cường độ điện trường sẽ là: E = E0 [3-6]  gọi là hằng số điện môi tương đối của chất điện môi . Eng _ + _ + _ + E _ + _ + _ + + Ep - _ + _ + _ + _ + _ + _ + Hình 3.2 Sự phân cực của điện môi
10. Tuy nhiên khi điện môi đặt trong điện trường thì có những biến đổi cơ bản khi đó điện môi chịu tác dụng U h của cường độ điện trường E được xác định như sau: Trong đó: U là điện áp đặt lên hai cực điện môi Hình 3.3 Điện môi khi đặt trong điện trường h là chiều dầy khối điện môi Điện môi trong điện trường phụ thuộc vào: - Cường độ điện trường [mạnh, yếu, xoay chiều , một chiều] - Thời gían điện môi nằm trong điện trường [ dài, ngắn] - Yếu tố môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, áp suất … Về cơ bản dưới tác dụng của điện trường có thể xảy ra bốn hiện tượng cơ bản sau: - Sự dẫn điện của điện môi - Sự phân cực điện môi - Tổn hao điện môi - Phóng thủng điện môi 3.1.4. Độ bền cách điện Trong điện môi có lẫn tạp chất có khả năng tạo ra một số điện tử tự do. Trong điều kiện bình thường độ dẫn điện của điện môi rất thấp, dòng điện qua điện môi gọi là dòng điện rò, trị số rất bé. Khi cường độ điện trường đủ lớn, lực tĩnh điện tác dụng lên điện tử, có thể bứt điện tử ra khỏi mối liên kết với hạt nhân trở thành điện tử tự do. Độ dẫn điện của điện môi tăng lên. Dòng điện qua điện môi tăng lên đột ngột, điện môi trở thành vật dẫn. Đó là hiện tượng đánh thủng cách điện. Cường độ điện trường đủu để gây ra hiện tượng đánh thủng điện môi gọi là cường độ đánh thủng Eđt. Điện môi có Eđt càng lớn thì độ bền cách điện càng tốt. Vì thế cường độ đánh thủng được gọi là độ bền cách điện. Cường độ đánh thủng của điện môi phụ thuộc vào trạng thái của vật liệu cách điện như: độ ẩm, nhiệt độ, tác dụng của các tia bức xạ,... Để đảm bảo cho điện môi làm việc tốt, cường độ điện trường đặt vào điện môi không vượt quá trị số giới hạn gọi là cường độ cho phép Ecp. Thông thường chọn trị số Ecp nhỏ hơn Eđt từ hai đến ba lần: Eđt = kat Ecp [3-9]
11. [kat - hệ số an toàn, thường lấy kat= 2-3 ]. Căn cứ vào độ dày [d] của điện môi có thể xác định trị số điện áp đánh thủng Uđt và điện áp cho phép Ucp của thiết bị: Uđt = Eđt .d [3-10] Ucp = Ecp.d [3-11] Bảng 3.1 nêu lên thông số đặc trưng của một số vật liệu cách điện thường gặp. Ví dụ: Xác định điện áp cho phép và điện áp đánh thủng của một tấm carton cách điện có bề dày d = 0,15 cm áp sát vào hai điện cực, cho biết hệ số an toàn bằng 3. Giải Tra bảng [3-1], được cường độ đánh thủng của cáctông cách điện lấy trung bình Eđt = 100 kV/cm. Ta có điện áp đánh thủng theo [3-10]: Uđt = Eđt .d = 100. 0,15 = 15 kV Điện áp cho phép: Ucp = Uđt/ kat = 15/3 = 5 kV Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật một số vật liệu cách điện thường gặp Vật liệu Eđt, kV/cm   , cm Giấy tẩm dầu 100  250 3,6 Không khí 30 1 VảI sơn 100  400 34 1011  1013 Đá hoa 30  50 78 108  1011 Paraphin 200  250 2  2,2 1016  1017 Polietylen 500 2,25 1014  1016 Cao su 150  200 36 1013  1014 Thủy tinh 100  150 6  10 1014 Thủy tinh hữu cơ 400  500 3 1014  1016 Vải thủy tinh 300  400 34 5.1013 Mica 500  1000 5,4 5.10-3  1014 Dầu Xovon 150 5,3 5.1014  5.1015 Dầu biến áp 50  180 2  2,5 1014  1015 Sứ 150  200 5,5 1015  1016 Ebonit 600  800 3  3,5 108  1010 Cáctông cách điện 80  120 3  3,5 1011  1013
12. 3.2. ĐIỆN DẪN ĐIỆN MÔI Xác định bởi cách điện có hướng của các điện tích tự do tồn tại trong các chất điện môi dưới tác dụng của điện trường ngoài đặt lên điện môi. Dưới tác dụng của lực điện trường F= E.q các điện tích dương cách điện theo chiều điện trường, các điện tích âm cách điện ngược lại. Như vậy trong điện môi xuất hiện một dòng điện gọi là dòng điện điện dẫn, dòng điện này phụ thuộc vào mật độ điện tích tự do trong điện môi, dòng điện điện dẫn còn gọi là dòng điện rò [thường có giá trị rất nhỏ] Điện dẫn điện môi gồm : - Điện dẫn điện tử : Thành phần mang điện là các điện tử tự do - Điện dẫn ion : Thành phần mang điện là các ion dương và ion âm - Điện dẫn điện ly : Thành phần mang điện là các nhóm các phần tử tích điện, các tạp chất tồn tại trong điện môi. 3.3. PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI 3.3.1. Hiện tượng phân cực điện môi Khi đưa một thanh điện môi vào trong điện trường của một vật mang điện , thì trên các mặt giới hạn của thanh điện môi sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu. Mặt đối diện được tích điện trái dấu , mặt còn lại tích điện cùng dấu Hiện tượng trên thanh điện môi, khi đặt trong điện trường có xuất hiện các điện tích gọi là hiện tượng phân cực điện môi. Hiện tượng này trông bề ngoài giống như hiện tượng điện trường trong kim loại, nhưng về bản chất thì khác hẳn nhau. Trong hiện tượng phân cực điện môi, ta không thể tách riêng các điện tích để chỉ còn lại một loại điện tích. Trên thanh điện môi điện tích xuất hiện ở đâu thì sẽ định hướng ở đó, không dịch chuyển tự do được, vì vậy chúng được gọi là các điện tích liên kết. 3.3.2. Phân tử phân cực và phân tử không phân cực Mỗi phân tử hay nguyên tử gồm có hạt nhân mang điện tích dương còn các điện tử mang điện tích âm. Khi xét tương tác của mỗi electron với các điện tích bên ngoài coi một cách gần đúng nhe e đứng yên tại một điểm nào đó Tác dụng của e trong phân tử tương đương với tác dụng của một điện tích tổng cộng -q của chúng tại một điểm nào đó trong phân tử, điểm này gọi là trọng tâm của điện tích âm.
13. Tương đương như vậy, tác dụng của hạt nhân tương đương với tác dụng của điện tích tổng cộng +q của chúng đặt tại trọng tâm của điện tích dương. Phân tử không phân cực là loại phân tử có phân bố các e đối xứng xung quanh hạt nhân, tức là tâm điện tích dương trùng với tâm điện tích âm, phân tử không phải là lưỡng cực điện có mô men điện của nó bằng không. Phân tử phân cực là loại phân tử có phân bố các e không đối xứng xung quanh hạt nhân, tức là tâm điện tích dương không trùng với tâm điện tích âm, phân tử là lưỡng cực điện có mô men điện của nó khác không. 3.3.3. Phân cực điện môi # Trường hợp điện môi cấu tạo bởi phân tử phân cực - Khi chưa đặt điện môi trong điện trường ngoài, do chuyển động nhiệt các lưỡng cực phân tử cách điện hỗn loạn nên tổng mô men điện của lưỡng cực bằng không. - Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, các lưỡng cực phân tử trong điện môi quay theo hướng điện trường ngoài, nên tổng mô men điện của lưỡng cực khác không */ Trường hợp điện môi cấu tạo bởi phân tử không phân cực - Khi chưa đặt điện môi trong điện trường ngoài, phân tử điện môi chưa phải là một lưỡng cực [ vì tâm của chúng trùng nhau] - Khi đặt điện môi trong điện trường ngoài, các phân tử trong khối điện môi trở thành các lưỡng cực điện do sự biến dạng của lớp vỏ e của phân tử [ sự dịch chuyển trong tâm điện tích âm] */ Trường hợp điện môi tinh thể - Điện môi tinh thể ion có mạng tinh thể ion lập phương, có thể coi tinh thể như một [phân tử khổng lồ] các mạng ion âm và dương trùng nhau. - Dưới tác dụng của điện trường các mạng ion dương dịch chuyển theo chiều điện trường, các mạng ion âm dịch chuyển theo chiều ngược lại gây ra hiện tượng phân cực điện môi gọi là phân cực ion. Kết luận: Như vậy phân cực là qúa trình xê dịch trong phạm vi nhỏ của các điện tích ràng buộc hoặc sự xoay hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường ngoài. Trong chất điện môi tồn tại rấy ít các điện tích tự do, còn lại đa số các điện tích có liên kết chặt chẽ với những phân tử bên cạnh gọi là những điện tích ràng buộc.
14. Dưới tác dụng của điện trường, chúng không thể cách điện xuyên suốt qua điện môi để tạo thành dòng điện, mà chỉ có thể xê dịch rất ít hoặc xoay hướng theo chiều điện trường. */ Các dạng phân cực chính của điện môi - Phân cực điện tử : là dạng phân cực do sự xê dịch có giới hạn của các quỹ đạo chuyển động của các điện tử dưới tác dụng của E ngoài. - Phân cực ion: là dạng phân cực do sự xê dịch của các ion liên kết dưới tác dụng của E ngoài. - Phân cực lưỡng cực : là dạng phân cực gây nên bởi sự định hướng của các lưỡng cực [ các phân tử có cực tính] - Phân cực kết cấu: là dạng phân cực đặc trưng cho điện môi có kết cấu không đồng nhất. - Phân cực tự phát: là dạng phân cực đăc trưng cho các sécnhét điện [ điện môi séc nhét có đặc điểm nổi bật là phân cực khi E ngoài bằng không]. 3.4. TỔN HAO ĐIỆN MÔI Trong điện môi xảy ra quá trình phân cực, phía cực dương xuất hiện điện tích âm, phía cực âm xuất hiện điện tích dương. Điện môi sẽ tạo thành tụ điện. Hai quá trình điện dẫn và phân cực nói trên tác động lên điện môi làm cho nó phát nóng gây tổn hao điện môi. Phần điện năng tiêu hao để các hạt điện tích thắng lực liên kết khi chuyển động trong điện môi dưới tác dụng của điện trường bên ngoài Eng gọi là tổn hao điện môi. Khi khai thác các thiết bị điện, vấn đề tổn hao điện môi cần được chú ý đến, đặc biệt khi chúng làm việc ở điện áp cao hoặc tần số cao. Bởi trong điện trường, tổn hao điện môi có thể phá vỡ sự cân bằng nhiệt hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong điện môi, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện dẫn đến điện môi mất hẳn khả năng cách điện. Tổn hao điện môi có thể đặc trưng bởi suất tổn hao điện môi, đó là công suất tổn hao tính trong một đơn vị thể tích của điện môi. Ở điện áp xoay chiều, người ta thường dùng góc tổn hao điện môi  và ứng với nó là tg. Góc tổn hao điện môi là góc phụ của góc lệch pha  giữa dòng điện i và điện áp u trong điện môi.
15. Để đơn giản, ta xét tổn hao điện môi của chất điện môi giữa hai bản cực của một tụ điện. Biết hằng số điện môi là , tụ được nối vào một điện áp xoay chiều U. Khi đó: Dòng điện tích điện cho tụ điện It sẽ gồm hai thành phần [hình 3.2]: Dòng tích điện thực sự, IC sớm pha 900 so với điện áp đặt vào tụ mang tích chất điện dung có trị số:   IR IC = .C.U, [A] [3-12] IC  hay IC = 2f.C.U, [A] [3-13] It trong đó  C: điện dung của tụ [F]  f: tần số dòng điện [Hz]  0 U: điện áp đặt vào tụ [V] UC : tần số góc,  = 2f [rad/s] Hình 3.4. Sơ đồ phức của dòng điện và điện áp trên tụ điện Dòng điện IR gây tổn hao, làm nóng điện môi, đồng pha với điện áp U.  Dòng tích điện: 2 2 It = IC  IR [3-14] trong đó: IC = It cos IR = It sin  IR  tgδ hay IR = ICtg = .C.U.tg [3-15] IC Công suất tổn hao điện môi: P = U.IR = .C.U2.tg [W] [3-16] nếu thay: C = .C0 C0: điện dung của tụ điện với chất điện môi là không khí : hằng số điện môi tương ứng vào [3-10], ta được: P = ..C0.U2.tg [3-17] Với: : góc tổn hao điện môi
16. tg: hệ số tổn hao điện môi, tgδ  IR . IC .tg: số tổn hao. Từ [3-17] ta thấy P thay đổi tỷ lệ thuận theo tg. Sự thay đổi thành phần IC chứng tỏ cách điện bị xuống cấp [sự thay đổi của IC có thể do điện môi: bị ẩm hoặc có các lớp bị ngắn mạch, kích thước hình học thay đổi]. Thành phần IR đặc trưng cho tổn hao công suất trong điện môi do dòng điện rò. Để tính tổn hao điện môi, có thể sử dụng sơ đồ thay thế khác nhau của điện môi phụ thuộc vào yêu cầu và mục đích tính toán. Dùng sơ đồ thay thế sẽ cho phép giải tích hóa một cách đơn giản các quá trình xảy ra trong điện môi [tổn hao, phân cực,...] và còn để mô hình hóa chúng trên các mô hình mạch điện. Sơ đồ thay thế gồm hai thành phần điện dung C và điện trở R. Các sơ đồ thay thế cần được chọn sao cho thỏa mãn điều kiện công suất tổn hao của sơ đồ thay thế phải bằng công suất tổn hao trong điện môi và góc lệch pha của chúng cũng phải bằng nhau ở cùng một điện áp và cung một tần số. Một sơ đồ thường hay dùng trong các mô hình mạch điện là sơ đồ đơn giản đấu song song phần tử R và C [hình 3.5]. R Hình 3.5. Sơ đồ thay thế của điện môi đặt trong điện trường. C U */Cách tính tổn thất điện môi - Dù sơ đồ thay thế ở dạng bất kỳ cũng đưa về hai dạng sơ đồ chính là sơ đồ song song và sơ đồ nối tiếp - Vẽ đồ thị véc tơ - Xác định góc lệch pha, góc tổn hao điện môi */ Tính tổn hao điện môi trong sơ đồ nối tiếp CS RS IRS I I/CS U
17. Vẽ giản đồ véc tơ: Từ giản đồ véc tơ ta có I .RS tg   RS .C S . I /[.C S ] Công suất tổn hao điện môi U2 U2 tg PS  RS .I 2  RS 2 2 2  R S .[C S  ] 2 2  C S U 2 [ RS  C S . ] [ RS C S  ]  1 1  tg 2 */ Tính tổn hao điện môi trong sơ đồ song song Rp Cp Vẽ giản đồ véc tơ: U.CP. U U/RP U RP 1 tg   U .C P . R P P C Công suất tổn hao điện môi U 2 U 2 C P U 2 PS  RP .I 2  RP 2    C P U 2 tg RP RP R P C P Vì vậy trong hai sơ đồ tổn hao điện môi đều phụ thuộc tg */ Mối quan hệ giữa hai sơ đồ Do hai sơ đồ đều thay thế cho cùng một khối điện môi nên cho nên tổn hao điện môi và góc tổn hao điện môi trong hai sơ đồ phải bằng nhau Tổn hao điện môi trong hai sơ đồ: tg PS  PP nên C S U 2 2  C P U 2 tg 1  tg 
18. CS nên C P  1  tg 2 góc tổn hao điện môi bằng nhau: 1 tg  RS .C S .  RP C P  1  tg 2 thế Cp vào ta có:  RS C S  RP C P  1  tg 2 1  tg 2 Vì vậy: RP  RS  R S [ RP C P  ] 2 tg 2 */ suất tổn hao điện môi P = ..C0.U2.tg 1 0  F /m 4 9.10 9 S C0   0 với d là khoảng cách giữa hai bản cực [m], S diện tích bề mặt bản cực d [m2] U=E/d , E cường độ điện trường trong khe hở [V/m]  =2f là tần số đặt vào 1 S 1 P  CU 2 tg   9 . .2 . f .E 2 .d 2 .tg   . 9 . f .E 2 .S .d .tg 4 9.10 d 18.10 */ Các nguyên nhân gây ra tổn hao điện môi - Tổn hao điện môi do phân cực: Tổn hao này do hiện tượng phân cực gây ra, thường thấy ở các chất có cấu tạo lưỡng cực và cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ. Tổn thất này gây ra do sự chuyển động nhiệt của các ion hoặc các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường, sự phá hủy trạng thái này làm mất mát năng lượng và làm cho điện môi bị nóng lên. Tổn hao do phân cực tăng theo tần số điện áp đặt vào điện môi. Tổn hao do phân cực phụ thuộc vào nhiệt độ, tổn hao đạt cực đại tại một nhiệt độ nhất định đặc trưng cho mối chất điện môi. - Tổn hao do dòng điện rò: Trong bất kỳ điện môi nào luôn tồn tại các điện tử tự do, dưới tác dụng của điện trường các điện tử tự do này sẽ dịch chuyển theo chiều tác dụng của điện trường, tạo nên dòng điện rò. Dòng điện rò này kết hợp với điện trở điện môi gây nên tổn thất nhiệt. Tổn hao do dòng điện rò được xác
19. định theo biểu thức sau đây: 1,8.1012 P  . f . Trong đó:  - là hằng số điện môi f – là tần số điện áp  - là điện trở suất của khối điện môi Khi nhiệt độ tăng thì tổn hao điện môi càng tăng P = P0 .e.t Trong đó P0 là tổn hao điện môi ở nhiệt độ 200C,  là hệ số nhiệt T là độ chênh nhiệt so với 200C - Tổn hao do ion hóa: Tổn hao này thường gặp trong các chất khí, khi trong môi trường có xảy ra ion hóa, Tổn hao này được xác định theo biểu thức: Pi = Ai.f[U-U0]3 Trong đó: Ai là hằng số đối với từng chất khí F là tần số đặt vào U0 là điện áp bắt đầu gây ion chất khí Trị số Uo phụ thuộc vào từng loại chất khí, nhiệt độ và áp suất làm việc của từng chất khí, tuy nhiên còn phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trường, Cùng một giá trị điện áp đặt vào nhưng điện trường đều sẽ khó gây ion hóa hơn so với điện trường đều. - Tổn hao do cấu tạo không đồng nhất: Tổn hao này xảy ra trong các vật liệu co cấu tạo không đồng nhất, để xác định tổn hao điện môi trong trường hợp này ta phải xem điện môi gồm hai điện môi ghép nối tiếp nhau. C1 C2 1 2 1 2 R1 R2 E Góc tổn hao điện môi  2 .n  m tg  M   3 N
20. Với m= R1 + R2 n = C22 R22 R1+ C21 R21 R2 M= C1 R21 + C2 R22 N= C22 R22 C1 R21 + C21 R21 C2 R22 3.7. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ - Hằng số điện môi gần bằng 1, là hằng số - Điện trở cách điện rất lớn - Tổn hao điện môi nhỏ Các khí cách điện thường dùng trong kỹ thuật điện là: không khí, sunfua haxaflo[SF6 ], Hyđrô [H2], Nitơ [N2]... 3.7.1. Không khí Trong số vật liệu cách điện ở thể khí vừa nêu, trước tiên phải kể đến không khí bởi nó được sử dụng rất rộng rãi để làm cách điện trong các thiết bị điện, phối hợp với chất cách điện rắn và lỏng, trong một số trường hợp nó là cách điện chủ yếu [Ví dụ: đường dây tải điện trên không]. Nếu lấy cường độ cách điện của không khí là đơn vị thì một số loại khí được dùng trong kỹ thuật điện cho ở bảng 3.3 Bảng 3.3 Tính chất Không khí N2 CO2 H2 Tỷ trọng 1 0,97 1,52 0,07 Hệ số tản nhiệt 1 1,03 1,13 1,51 Cường độ cách điện 1 1,00 0,90 0,60 Nhận xét: Đa số chất khí có cường độ cách điện kém hơn không khí tuy nhiên chúng vẫn được sử dụng nhiều: Ví dụ: N2 vì nó không có oxi nên nó không bị oxi hóa các kim loại tiếp xúc với nó. Trong thực tế điện áp đánh thủng của không khí được xác định như sau: Với U xoay chiều có f =50 Hz thì cứ 1cm khoảng cách không khí chịu được 3,2 đến 3,5Kv [ ứng với trường hợp điện trường rất không đồng nhất] như vậy khoảng cách a cần thiết để khỏi bị đánh thủng là :

Tìm hiểu chung về vật liệu cách điện Thể khí

Tìm hiểu chung về vật liệu cách điện Thể khí

Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kì quan trọng đối với kĩ thuật điện. Chúng được dùng để tạo ra cách điện bao quanh những bộ phận dẫn điện trong các thiết bị điện và để tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau. Nhiệm vụ của cách điện là chỉ cho dòng điện đi theo những con đường trong mạch điện đã được sơ đồ quy định. Rõ ràng là nếu thiếu cách điện sẽ không thể chế tạo được bất kì thiết bị điện nào kể cả loại đơn giản nhất. Vật liệu cách điện dùng làm điện môi để tạo thành điện dung trong các tụ điện. Ngoài ra còn có các điện môi hoạt tính có tính chất điện điều chỉnh được[chất xetnhet, chất áp điện, điện châm…]

Tùy thuộc vào các trường hợp sử dụng vật liệu cách điện phải đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau. Ngoài những tính chất về điện đã được nghiên cứu thì những tính chất cơ, nhiệt, hóa học khác cũng như khả năng gia công các vật liệu để chế tạo những sản phẩm cần thiết cũng giữ vai trò to lớn. Vì vậy trong những trường hợp khác nhau phải chọn vật liệu khác nhau cho phù hợp, đảm bảo chất lượng thiết bị khi vận hành và đem lại hiệu quả kinh tế cao.

Theo trạng thái của vật chất người ta chia vật liệu cách điện thành các loại ở thể khí, lỏng và rắn. Vật liệu hóa rắn được phân vào nhóm đặc biệt. Ở thời điểm ban đầu khi đưa vào sản xuất chất cách điện thì chúng là chất lỏng nhưng sau đó khi chế tạo xong thì chúng ở thể rắn.

Theo bản chất hóa học của vật liệu có thể phân thành vật liệu cách điện hữu cơ và vô cơ. Có rất nhiều vật liệu hữu cơ có tính chất cơ học quý có tính dẻo và tính đàn hồi, chúng được chế tạo thành dạng sợi, màng mỏng và các sản phẩm có hình dạng khác nhau, do vậy hiện nay vật liệu được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn. Vật liệu cách điện hữu cơ có độ bền nhiệt tương đối thấp. Ngược lại thì vật liệu cách điện vô cơ không có tính dẻo và đàn hồi, chúng thường giòn, công nghệ gia công chế tạo khá phức tạp. Tuy nhiên các vật liệu cách điện vô cơ có độ bền nhiệt cao hơn nhiều so với vật liệu cách điện hữu cơ do đó chúng được dùng trong những trường hợp cách điện cần phải làm việc ở nhiệt độ cao. Dưới đây là nghiên cứu về vật liệu cách điện thể khí.

Vật liệu cách điện thể khí

Vật liệu cách điện thể khí đầu tiên phải nối đến không khí. Không khí được sử dụng rông rãi để làm cách điện chủ yếu của các đường dây tải điện trên không, cách điện của thiết bị điện làm trong không khí hoặc phối hợp các chất cách điện rắn và lỏng. Đối với cách điện của máy điện, cáp điện, máy biến áp, tụ điện…nếu quá trình tẩm không được cẩn thận sẽ còn có những bọt khí ở bên trong. Những bọt khí này làm giảm chất lượng cách điện vì khi cách điện làm việc dưới điện áp cao hay điện trường lớn bọt khí sẽ thành ổ phát sinh vầng quang, phát sinh ra nhiệt.

Cùng một điều kiện thí nghiệm như nhau[áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, dạng cực, khoảng cách giữa các cực…]các chất khí khác nhau có cường độ điện trường cách điện khác nhau. Nếu lấy cường độ cách điện của không khí là một đơn vị thì các tính chất và cường độ cách điện của một số chất khí thường dùng trong kỹ thuật cho ở bảng dưới đây.

Các đặc tính tương đối	Không khí	Nitơ [N2]	Cacbonnic [CO2]	Hydro [H2]
Tỷ trọng Nhiệt dẫn suất Tỷ nhiệt Hệ số tỏa nhiệt từ vật rắn sang khí Độ bền điện	1 1 1 1 1	0,97 1,08 1,05 1,03 1	1,52 0,64 0,85 1,13 0,9	0,07 6,69 14,35 1,61 0,06

Theo bảng trên ta thấy so với không khí thì cường độ cách điện của chất khí đều kém hơn. Song Nitơ[N2] đôi khi được dùng thay cho không khí để lấp đầy các tụ điện khí hay trong các thiết bị điện khác vì nó có đặc tính gần giống với không khí lại không chứa ôxy là chất có thể gây ôxy hóa các vật liệu khi tiếp xúc với nó. Hiện nay, có một số chất khí chủ yếu là hợp chất halogen có khối lượng phân tử và tỉ trọng cao, năng lượng ion hóa lớn, có cường độ cách điện cao hơn hẳn so với không khí. Ví dụ florua lưu huỳnh SF6 hay còn gọi là khí elegaz có độ bền điện lớn hơn không khí khoảng 2,5 lần.

Quan hệ giữa Uđt và áp suất của không khí[1] và khí Êlêgaz[2] trong trường đồng nhất và khoảng cách cực s=3,8mm

Trên hình cho các trị số điện áp đánh thủng[giữa hai điện cực phẳng để tạo nên điện trường không đồng nhất] của không khí và khí êlêgaz theo áp suất P. Êlêgaznặng hơn không khí năm lần, có nhiệt độ sôi[ở áp suất bình thường] là -640C[2090K] và trong nhiệt độ thường có thể nén tới 20at vẫn không hóa lỏng. Êlêgaz không độc, chịu được tác dụng hóa học, không bị phân hủy khi đốt nóng tới 8000C, có thể sử dụng trong tụ điện, cáp điện, máy cắt ở các cấp điện áp khác nhau…đem lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt có ưu điểm lớn khi ở áp suất cao.

Trong kỹ thuật điện thì khí hydro là khí nhẹ có đặc tính truyền dẫn nhiệt tốt nen được làm mát máy thay cho không khí trong các máy điện công suất lớn, làm giảm tổn thất công suất do ma sát của roto với chất khí và do quạt gió gây ra. Khi dung hydro sẽ làm giảm sự già hóa các chất cách điện hữu cơ trong dây quấn và loại trừ khả năng hỏa hoạn trong trường hợp bị ngắn mạch ở bên trong máy điện, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc của chổi than. Do làm mát bằng khí hydro cho phép tăng công suất và hiệu suất làm việc của máy điện, người ta thường chế tạo các máy phất nhiệt điện và máy bù đồng bộ công suất lớn làm mát bằng khí hydro. Nhưng khí hydro dễ kết hợp với oxy theo tỷ lệ nhất định sẽ tạo ra hỗn hợp dễ nổ. Vì vậy để tránh nguy hiểm do không khí lọt vào máy cần phải duy trì áp suất trong máy cao hơn áp suất khí quyển hay không được để khí hydro tiếp xúc với không khí.

Lê Quang Thành - XTH

I. Chất dẫn điện và chất cách điện

– Khái niệm chất dẫn điện

Là chất dùng cho dòng điện đi qua. Mọi người hay gọi chất dẫn điện là vật dẫn điện khi được dùng để làm các vật hay các bộ phận dẫn điện. Nó giúp người dùng chuyển nguồn điện từ nơi này đến nơi khác để có thể sử dụng.

Về tính chất thì vật lý cũng như hóa học thì các nhóm nguyên tố dưới đây được cho là chất dẫn điện tốt: Bạc, Đồng, Vàng, Nhôm, Sắt…

– Định nghĩa chất cách điện

Là chất sẽ không cho dòng điện chạy cũng như đi từ nơi này đến nơi khác. Tương tự thì chất cách điện còn gọi là vật liệu cách điện khi được dùng để làm các vật hay các bộ phận cách điện.

Theo tính chất hóa học và vật lý thì nhóm vật liệu dưới đây có thể là chất cách điện tốt: Thủy tinh, Sứ, Chất dẻo, Nhựa, Cao su,…

II. Dòng điện trong kim loại

1. Các hạt electron tự do trong kim loại

– Kim loại được đánh giá là chất dẫn điện, bởi kim loại được cấu tạo từ các nguyên tử khi mà chúng chứa các electron tự do có thể chuyển động và phân cực.

2. Dòng điện trong kim loại là gì?

– Dòng điện trong kim loại là dòng các electron tự do dịch chuyển có hướng nhất định; dựa theo các phân cực của các electron có khả năng di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong chất đó.

các hạt electron