PH - mientayvn.commientayvn.com/Dien tu/Tai_lieu/Dien_dan/Vat_lieu_ky_thuat_dien/vat_lieu... · Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 4 Khi điện trường càng tăng

Bộ môn Thiết bị điện, khoa Điện, trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 1

PHẦN I: VẬT LIỆU ĐIỆN Bài mở đầu: CẤU TẠO VẬT CHẤT - PHÂN LOẠI

1. Cấu tạo nguyên tử Mọi vật chất đều cấu tạo từ các hạt cơ bản là Proton, nơtron và điện tử. Hạt

nhân nguyên tử cấu tạo bởi Proton và nơtron mang điện tích dương và bao quanh hạt nhân là các điện tử mang điện tích âm cân bằng với điện tích dương của hạt nhân. Thông qua các dạng liên kết cơ bản mà hình thành nên vật chất.

Mô hình nguyên tử của Bohr. Trong nguyên tử điện tử chỉ có thể chuyển động trên những

quỹ đạo xác định, có bán kính nhất định, khi quay trên những quỹ đạo đó năng lượng được bảo toàn.

Mỗi quỹ đạo ứng với một mức năng lượng xác định, quỹ đạo ở gần hạt nhân

có mức Nlượng nhỏ và ngược lại. Khi điện tử CĐ từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác thì xảy ra sự hấp thụ hoặc

giải phóng năng lượng. Theo cơ học lượng tử: chuyển động của các điện tử được mô tả bởi một hàm

sóng. Đối với một nguyên tử biệt lập thì hàm số này có tính đối xứng cầu, do đó điện tích của điện tử phân bố tản và tạo thành một đám mây.

2. Các dạng liên kết a. Liên kết cộng hoá trị: Là mối liên kết của các nguyên tử hình thành phân tử bằng cách góp chung vác

điện tử. Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương trùng nhau là phân tử trung tính

(trung hoà). Các chất cấu tạo từ các phân tử này gọi là chất trung tính. Phân tử có trọng tâm điện tích âm và dương không trùng nhau là phân tử lưỡng

cực (cực tính). Phân tử lưỡng cực được đặc trưng bởi mô men lưỡng cực: m = q.l. Được tính

bằng tích số của điện tích với khoảng cách giữa 2 trọng tâm điện tích âm và dương. b. Liên kết ion: Được xác lập bởi lực hút giữa các ion trái dấu: NaCl = Na+ + Cl- Vật rắn có cấu tạo ion được đặc trưng bởi tính chất khá bền vững về cơ học và

nhiệt độ nóng chảy tương đối cao. c. Liên kết kim loại: Dạng liên kết này tạo nên tinh thể rắn. Kim loại được xem như 1 hệ thống cấu

tạo từ các ion (+) nằm trong môi trường các điện tử tự do chung. Lực hút giữa các ion (+) và điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại.

Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bằng sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng.

d. Liên kết Vanđecvan:

Hình 0.1: Các lớp e trong nguyên tử Si



Dạng liên kết này yếu, được tạo nên nhờ lực hút giữa các phân tử trung hòa, mạng tinh thể không vững chắc. Thường có ở những chất có nhiệt độ nóng chảy thấp như: Parapin ...

3. Phân loại vật liệu a. Phân loại vật chất theo lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn: Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau đã chứng tỏ rằng

các nguyên tử khác nhau có những trạng thái (mức) năng lượng xác định, khác nhau. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường, mỗi lớp vỏ điện tử ứng với một trạng thái năng lượng xác định (1 số trong các mức năng lượng được các điện tử lấp đầy) còn ở các mức năng lượng khác cao hơn điện tử chỉ có thể có mặt khi nguyên tử nhận năng lượng từ bên ngoài. Khi mất kích thích nguyên tử trở về trạng thái ban đầu và phát ra năng lượng thừa.

Khi các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành mạng tinh thể của vật rắn, do sự tương hỗ giữa chúng lamg phân chia các mức năng lượng, dẫn đến sự xuất hiện nhiều mức năng lượng mới nắm gần nhau trong phạm vi một lớp. Các mức năng lượng đó tạo nên các dải năng lượng khác nhau. Trong đó người ta quan tâm đến hai dải chính đó là “dải hóa trị” (vùng điền đầy các điện tử) và “dải dẫn” (các điện tử được tự do ở vùng này), giữa hai dải này được ngăn cách bởi “dải cấm”.

Người ta dựa vào chiều rộng của dải cấm, để phân chia vật liệu. Điện môi: Là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện bình thường sự dẫn

điện bằng điện tử không xảy ra. Chiều rộng vùng cấm của điện môi trong khoảng từ 1,5 đến vài eV (1 eV = 1,60207.10-19J)

Chất bán dẫn: Là chất có vùng cấm khá nhỏ có thể khắc phục nhờ nguồn năng lượng bên ngoài.Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé: (0,2 ÷1,5) eV

Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng lượng tự do nằm kề nhau hoặc chồng lên nhau một phần. Vì vậy chỉ cần một tác động rất nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái.

b. Phân loại theo từ tính: 3 loại. Nghịch từ: Là chất có độ từ thẩm < 1 và không phụ thuộc vào cường độ từ

trường ngoài. Ví dụ: Cu, Ag, Au, H2, khí hiếm, đa số các hợp chất hữu cơ, … Thuận từ: Là chất có độ từ thẩm > 1 ( 1) và không phụ thuộc vào cường

độ từ trường ngoài. VD, muối sắt, các muối Côban và Niken,kim loại kiềm Chất dẫn từ: Là chất có độ từ thẩm >>1 và phụ thuộc vào cường độ từ

trường ngoài. Ví dụ: Fe, Ni, Coban và các hợp kim của chúng.

Hình 0.2: Mô hình dải năng lượng của nguyên tử (a), và của vật rắn (b).



PHẦN I: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

0.1. ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN TRƯỜNG Khi đặt vật liệu cách điện vào trong điện trường, tuỳ theo dạng cường độ điện

trường(mạnh hay yếu, 1 chiều hay xoay chiều hay xung kích, tần số của điện trường...), thời gian tác động của điện trường cũng như các yếu tố môi trường: độ ẩm (%), nhiệt độ (T), áp suất (P) … mà trong điện môi xảy ra những hiện tượng với bản chất vật lý rất khác nhau. Trong đó có hai hiện tượng cơ bản là hiện tượng dẫn điện và hiện tượng phân cực điện môi.

Hiện tượng phân cực: Là sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích liên kết hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực.

Trong quá trình phân cực tạo nên dòng phân cực, và thường được đánh giá bằng hằng số điện môi và góc tổn thất điện môi (nếu quá trình phân cực kèm theo phân tán năng lượng sẽ làm cho điện môi nóng lên)

Do trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng có điện tích tự do nên dưới tác động của điện áp trong nó sẽ xuất hiện dòng điện dẫn có trị số nhỏ chạy xuyên qua bề dày điện môi và theo bề mặt của nó. Dòng điện rò, kết hợp với dòng phân cực tạo nên tính dẫn điện của điện môi.

Do trong điện môi xuất hiện dòng dẫn nên gây nên tổn thất điện môi, làm cho điện môi nóng lên. Tổn thất điện môi được đánh giá thông qua hệ số tổn thất điện môi, tg

Mỗi điện môi ứng với chiều dày nhất định chỉ chịu được một giá trị điện áp nhất định. Khi điện áp vượt quá giá trị tới hạn đó điện môi sẽ bị đánh thủng, vật liệu mất hoàn toàn các thuộc tính cách điện. Được đánh giá thông qua độ bền điện Eđt

Trong quá trình vận hành ngoài tác động của điện trường, điện môi còn chịu tác động của các yếu tố môi trường và các tác động cơ, nhiệt khác… Sau một thời gian các tính chất cơ, lí, hoá và điện.. của điện môi bị thay đổi (thường là kém đi) - đó là sự hoá già điện môi.

Chương 1 SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI

1.1. SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN MÔI VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI 1. Sự phân cực điện môi Xét 1 điện môi đặt giữa 2 bản cực nối vào 1 mạch điện. Dưới tác dụng của

điện trường ngoài, các điện tích của điện môi dịch chuyển về các điện cực cùng chiều hoặc ngược chiều điện trường tuỳ theo dấu của chúng.

Các phân tử lưỡng cực (nếu có) sẽ định hướng theo hướng điện trường.

Hình 1.1. Hiện tượng phân cực điện môi



Khi điện trường càng tăng mật độ di chuyển càng lớn, sự phân cực càng mạnh. Khi điện trường giảm sự phân cực giảm dần cho đến khi điện trường ngoài = 0 thì các điện tích trở về trạng thái ban đầu.

Kết quả của quá trình phân cực: tại bề mặt tiếp giáp của điện môi với các điện cực xuất hiện các lớp điện tích trái dấu. Trong điện môi xuất hiện điện trường phụ E’ ngược chiều với điện trường ngoài.

Khi điện môi được đặt giữa 2 điện cực và nối vào mạch điện thì có thể xem như 1 tụ điện và điện tích Q của tụ được xác định:

Q = C.U với C: Điện dung của tụ U: Điện áp đặt vào tụ

Điện lượng Q ở giá trị điện áp xác định có 2 thành phần: Q = Q0 + Q’ (1.1) Q0: Điện tích của tụ có cùng kích thước, nhưng giữa 2 điện cực là chân không. Q’: Điện tích tạo bởi sự phân cực điện môi. 2. Hằng số điện môi Để đánh giá mức độ phân cực của điện môi, người ta đưa ra khái niệm hằng

số điện môi tương đối, ký hiệu là , gọi tắt là “Hằng số điện môi”. Nó được dùng để đặc trưng cho chất lượng điện môi và không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị.

00

0

0 Q

'Q1

Q

QQ

Q

Q

(1.2)

Hằng số điện môi là tỷ số giữa điện tích của tụ chứa điện môi ấy khi có điện áp xác định với điện tích của tụ cùng kích thước cùng điện áp nhưng giữa các cực là chân không.

1.2. CÁC CƠ CHẾ PHÂN CỰC CHÍNH CỦA ĐIỆN MÔI 1. Các dạng phân cực: Dựa vào thời gian phân cực ta có 2 dạng phân cực

điện môi *) Phân cực nhanh: Sự phân cực xảy ra tức thời, đàn hồi hoàn toàn, không

phát tán năng lượng. Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện. *) Phân cực chậm: Sự phân cực không xảy ra tức thời, tăng giảm 1 cách chậm

chạp và có kèm theo sự phát tán năng lượng trong điện môi và làm cho điện môi nóng lên. Trên sơ đồ thay thế được biểu diễn bằng một tụ điện mắc nối tiếp một điện trở.

2. Các cơ chế phân cực Một số cơ chế phân cực có thể thấy ở nhiều điện môi khác nhau, trong một

loại điện môi có thể thấy tồn tại đồng thời nhiều cơ chế phân cực khác nhau. a. Phân cực điện tử nhanh Là sự chuyển dịch đàn hồi và sự biến dạng các lớp vỏ điện tử của nguyên tử

hoặc ion. Thời gian xảy ra rất nhanh (t 10-15s) do đó sự phân cực điện tử được coi là tức thời. Sự phân cực điện tử có ở tất cả các loại điện môi và không gây tổn thất năng lượng. Hệ số phân cực điện tử phụ thuộc vào bán kính phân tử R0: = 4..0R0

3 (1.5)



b. Phân cực ion nhanh Đặc trưng cho vật rắn có cấu tạo ion và được xác định bởi sự chuyển dịch đàn

hồi của các ion liên kết. Khi nhiệt độ tăng phân cực ion tăng. Thời gian xác lập phân cực này: t 10-13s.

Hệ số phân cực: = 4..0(a/2)3 (1.6) Với a là khoảng các giữa các ion (+) và (-) khi 0E

c. Phân cực Lưỡng cực chậm Xảy ra ở các điện môi có cấu tạo phân tử lưỡng cực. Các phân tử lưỡng cực ở

trạng thái chuyển động nhiệt hỗn loạn được định hướng 1 phần dưới tác dụng của điện trường gây nên sự phân cực. Quá trình định hướng của các phân tử phải thắng được lực của chuyển động nhiệt và vì vậy có kèm theo tổn hao năng lượng.

Hệ số phân cực phụ thuộc vào mômen lưỡng cực và nhiệt độ: = KT

m

3

20 (1.7)

Với: m0 - mômen lưỡng cực trung bình; K =1,38.10-23J/0K – hằng số Bônzơmal; T- nhiệt độ tuyệt đối.

d. Phân cực ion chậm Xảy ra trong các điện môi có cấu tạo ion mà mối liên kết ràng buộc giữa các

ion không chặt chẽ. Các ion liên kết yếu của chất trong khi chuyển động nhiệt hỗn loạn còn nhận thêm các chuyển dịch thừa theo hướng điện trường.

Thường quan sát thấy ở thuỷ tinh vô cơ và 1 số chất vô cơ mà tinh thể ion ràng buộc không chặt.

Sau khi loại bỏ điện trường sự định hướng của các ion yếu dần theo quy luật hàm số mũ.

Sự phân cực ion chậm tăng cùng với sự tăng của nhiệt độ. e. Phân cực điện tử chậm Đặc trưng cho các điện môi có hệ số khúc xạ cao, trường bên trong lớn và có

tính dẫn điện - điện tử. Nói cách khác: là các điện môi có các điện tử khuyết tật thừa hoặc các lỗ hổng được kích thích bằng nhiệt năng.

Hằng số điện môi phụ thuộc vào nhiệt độ và có 1 vài điểm cực đại thậm chí cả khi nhiệt độ âm.

f. Phân cực cấu kết cấu Xảy ra trong vật rắn có cấu tạo không đồng nhất và khi có tạp chất. Sự phân

cực này biểu hiện ở tần số thấp kèm theo tổn hao năng lượng đáng kể. Nguyên nhân của sự phân cực này là do các chất dẫn điện và bán dẫn lẫn trong điện môi kỹ thuật, sự tồn tại của các lớp có độ dẫn điện khác nhau.

g. Phân cực tự phát Dạng phân cực này tồn tại ở dạng điện môi đặc biệt Xenhit kèm theo khuếch

tán năng lượng đáng kể (có toả nhiệt). của phân cực tự phát phụ thuộc không đường thẳng vào trị số cường độ điện

trường và đặc trưng bởi điểm cực đại ở 1 nhiệt độ xác định.



*)Sơ đồ đẳng trị của điện môi mà trong đó xảy ra đầy đủ các cơ chế phân cực được chỉ ra trên hình vẽ.

Hình 1.2: Sơ đồ đẳng trị của điện môi

Trong đó: U là điện áp nguồn. Nhánh 1: Điện dung C0 và điện tích Q0 của tụ khi điện môi là chân không. Nhánh 2÷ 8: Điện dung và điện tích của các cơ chế phân cực: Phân cực điện

tử, phân cực ion, phân cực lưỡng cực chậm, phân cực ion chậm, điện tử chậm, phân cực tự phát và phân cực cấu (kết cấu).

Nhánh 9: RCĐ là điện trở cách điện hay còn gọi là điện trở thật của điện môi. Nhánh này đặc trưng cho dòng điện rò qua điện môi.

1.3. HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC ĐIỆN MÔI KHÍ – LỎNG – RẮN 1. Hằng số điện môi của điện môi khí Các chất khí có mật độ phân tử rất nhỏ do đó sự phân cực của chất khí không

đáng kể và hằng số điện môi của chất khí = 2 1. Để xác định hằng số điện môi,

ta có thể sử dụng phương trình Claudiut-Môxôpchi: 0.3

.21

N

(1.8)

Đối với điện môi khí 1, nên (1.8) 00 ..

.1.1

TKPN

(1.9)

Với TK

PN.

là mật độ phân tử, P (at), T(0K), là hệ số phân cực

*Với điện môi khí trung tính: Chỉ tồn tại cơ chế phân cực điện tử nhanh, nên = e=4..0R0

3 Từ (1.9), ta nhận thấy bán kính phân tử càng

lớn, hằng số điện môi càng lơn. Hằng số điện môi tỷ lệ thuận với áp suất (P),

tỷ lệ nghịch với nhiệt độ (T), hình 1.2.

Hình 1.2: Quan hệ =f(P), khi T là hằng số và =f(T), khi P là hằng số

Để đánh giá ảnh hưởng của vào nhiệt độ, người ta tính hệ số nhiệt của hằng

số điện môi: dt

d1TK

[độ-1] (1.10)

Với chất khí trung hòa : 0.

)1(1

TdTdTK

(1.11)



*Với chất khí cực tính tồn tại hai cơ chế phân cực chính đó là cơ chế phân cực điện tử nhanh (là chủ yếu), và cơ chế phân cực lưỡng cực chậm. Do vậy = e+lc,

phương trình (1.8) 0

2

20

00 .).(3.

...1)(1

TKmP

TKPN e

lce (1.12)

Hằng số điện môi phụ thuộc vào bán kính nguyên tử, mức độ cực tính, áp suất và nhiệt độ.

Hệ số nhiệt của hằng số điện môi : T.T.

TK

21(độ-1) (1.13)

2. Hằng số điện môi của điện môi lỏng Do đặc điểm cấu tạo phân tử, điện môi lỏng được phan thành hai nhóm: Điện

môi lỏng trung tính (Dầu máy biến áp, benzen, toluene…) và điện môi lỏng cực tính (Dầu thầu dầu, xôvôn, xôvtôn, rượu, nước …)

*. Hằng số điện môi của điện môi lỏng trung tính Điện môi của chất lỏng trung tính được đặc

trưng bởi phân cực điện tử nhanh do vậy 22÷ 2,5 và chỉ phụ thuộc vào

nhiệt độ mà không phụ thuộc vào áp suất và tần số.

Hình 1.3. Quan hệ giữa của chất lỏng trung hoà với nhiệt độ và tần số

Về trị số tuyệt đối TK của chất lỏng trung tính gần bằng hệ số giãn nở thể tích của chất lỏng (nhưng ngược dấu).

vTK

dT

dTK

3

211 (độ-1) (1.14)

với TKv = dT

dV

V

1 là hệ số nhiệt của thể tích.

*. Hằng số điện môi của chất lỏng cực tính Chất lỏng cực tính tồn tại đồng thời phân cực điện tử và phân cực lưỡng cực

chậm (chủ yếu). Có nhiều thuyết đưa ra để tính của điện môi cực tính, nói chung việc tính

của chất lỏng cực tính rất phức tạp. Mỗi công thức trên đều kèm giả thiết nên đều có tính chất gần đúng. Thường dùng phương trình Clauđiút-Môxốtchi:

KT

mNe 332

1 20

0 (1.15)

Quan hệ giữa và nhiệt độ của chất lỏng lưỡng cực phức tạp hơn của chất lỏng trung hoà. Khi nhiệt độ tăng lúc đầu biến đổi rất ít. Sau đó tăng mạnh theo đường dốc đứng đạt cực đại rồi giảm dần. Nhiệt độ mà ở đó tăng nhanh ứng với khi đó chất lỏng có độ nhớt giảm đột ngột phân tử lưỡng cực có khả năng tự định hướng tạo nên sự phân cực phụ của điện môi.



Nếu tiếp tục tăng nhiệt độ thì giảm do chuyển động nhiệt của phân tử tăng lên, cản trở sự định hướng theo chiều điện trường.

3. Hằng số điện môi của điện môi rắn Đặc điểm của điện môi rắn là rất đa dạng về cấu

trúc và thành phần, do vậy hằng số điện môi có giá trị lớn và nằm trong một dải rộng.

a. Hằng số điện môi của điện môi rắn trung hoà Điện môi này cấu tạo từ các phân tử trung hoà và chỉ có phân cực điện tử:

=2, là loại có bé nhất. Quan hệ của theo nhiệt độ được xác định bởi sự biến đổi số phân tử trong 1 đơn vị thể tích.

Hệ số nhiệt của hằng số điện môi vẫn có thể tính theo công thức (1.14) b. Hằng số điện môi của điện môi rắn có kết cấu tinh thể ion Điện môi rắn là các tinh thể ion mà các hạt được ràng buộc chặt chẽ có phân

cực điện tử và ion nhanh. Có hằng số điện môi nằm trong 1 phạm vi rộng. Khi nhiệt độ tăng không phải chỉ có mật độ của vật chất bị giảm mà còn xảy

ra hiện tượng tăng khả năng phân cực của các ion nên hệ số nhiệt độ của có thể có giá trị dương.

Điện môi rắn là các tinh thể ion có kết cấu ion không chặt chẽ ngoài phân cực điện tử và ion nhanh còn có phân cực ion chậm. Trong nhiều trường hợp đặc trưng bằng không cao và hệ số nhiệt độ dương có trị số lớn.

c. Hằng số điện môi của điện môi rắn hữu cơ cực tính Điện môi này có phân cực lưỡng cực chậm ở trạng thái rắn (Xenlulo, và các

sản phẩm của nó như: Giấy, bông vải, sợi, bìa cattong ....Ngoài ra còn các chất nhựa hữu cơ được trùng hợp như: phenol focmađêhyt, golovac...) và cả nước đá. Hằng số điện môi của chúng phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện áp đặt vào giống ở các chất lỏng lưỡng cực.

d. Hằng số điện môi của điện môi rắn có cấu tạo không đồng nhất Điện môi loại này là hỗn hợp của các thành phần có hằng số điện môi khác

nhau. của điện môi phức tạp này có thể tính gần đúng theo công thức tổng quát: x = 11

x + 22x (1.16a)

Trong đó: , 1, 2 là hằng số điện môi của hỗn hợp và của từng thành phần; 1, 2 là nồng độ theo thể tích của các thành phần: 1 + 2 = 1 x là hằng số đặc trưng cho sự phân bố các thành phần, có giá trị từ 1 -1 Khi mắc song song các thành phần (các điện môi đặt song song với phương

của điện trường nghĩa là mắc nối tiếp 2 tụ): x = +1 = 11 + 22 (1.16b)

Hình 1.5: Quan hệ =f(t0) của sứ cách điện

Hình 1.4: =f(t0), f1<f2<f3



Khi mắc nối tiếp các thành phần (các điện môi đặt vuông góc với phương của

điện trường nghĩa là mắc song song 2 tụ): x = -1 2

2

1

11

(1.16c)

Khi các thành phần phân bố hỗn loạn: ln = 1ln1+ 2ln2 (1.16d) Trường hợp tổng quát ta có tổ hợp cách điện gồm n chất điện môi khác nhau

thì ta tính cho từng cặp 2 chất một rồi tính tiếp cho đến n chất. Hệ số nhiệt của của tổ hợp cách điện: TK = TK11 + TK22 (1.17) e. Hằng số điện môi của điện môi Xenhit: rất lớn và phụ thuộc rõ rệt vào cường độ điện trường và nhiệt độ. Đặc điểm nổi bật của điện môi Xenhit là hiện tượng điện trễ (cảm ứng điện

biến đổi chậm sau cường độ điện trường) Nhiệt độ mà ở đó đạt trị số cực đại gọi là điểm Quyri. Với nhiệt độ lớn hơn

nhiệt độ Quyri thuộc tính Xenhit của vật liệu không còn nữa. không phụ thuộc cường độ điện trường nữa.

Chương 2 TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI

2.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

Trước khi ổn định và đạt được trạng thái cân bằng quá trình phân cực và chuyển dịch các điện tích ràng buộc trong vật sẽ tạo nên dòng phân cực hoặc chuyển dịch trong điện môi. Mặt khác: trong các điện môi kỹ thuật luôn tồn tại điện tích tự do làm xuất hiện các dòng điện rò có trị số nhỏ.

*) Tóm lại: Khi đặt điện môi trong điện trường E, điện áp là U, đo trị số dòng điện đi qua điện môi, ta thấy dòng biến thiên theo thời gian và: i = irò+ipc (2.1) Quan hệ của dòng điện qua điện môi theo thời gian, hình 2.2

Từ đồ thị ta thấy: Khi đặt điện áp 1 chiều sau khi quá trình phân cực hoàn thành chỉ còn dòng điện rò chạy qua điện môi. Ở điện áp xoay chiều nó tồn tại trong suốt thời gian có điện áp.

Cần chú ý, người ta thường dựa vào trị số dòng điện dò để đánh giá chất lượng của vật liệu cách điện

Điện trở thật của điện môi Rcđ tính như sau: RCĐ = pcii

U (2.2)

i: Dòng điện đo được; U: Điện áp đặt vào iPC: Tổng các dòng điện do các cơ chế phân cực chậm gây nên

Hình 2.1

Hình 2.2



Việc xác định các dòng phân cực gặp khó khăn nên điện trở của điện môi

thường được tính: 'IURCĐ (2.3)

Với I’ là dòng đo được sau 1 phút kể từ lúc đóng điện áp một chiều. Độ dẫn điện của vật liệu cách điện được xác định bởi trạng thái của chất khí,

lỏng, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ của môi trường xung quanh. Để so sánh, đánh giá các vật liệu khác nhau ta có thể dùng điện trở suất khối

v và điện trở suất mặt s. Về trị số điện trở suất khối v bằng điện trở của khối lập phương có cạnh

bằng 1 cm khi dòng điện chạy qua 2 mặt đối diện của khối đó. (cm). Với mẫu vật

liệu phẳng và điện trường đồng nhất ta có: v vSRh

(cm) (2.4)

(với: Rv là điện trở khối của khối mẫu (), S là diện tích điện cực (cm2), h là chiều dày khối mẫu (cm)). Điện dẫn suất khối 1 vv (-1cm-1).

Về trị số điện trở suất mặt s bằng điện trở của 1 hình vuông trên bề mặt của vật liệu khi dòng điện chạy qua 2 cạnh đối diện của hình vuông đó. (). Có thể tính

điện trở suất mặt s theo công thức: l

dR ss () (2.5)

(Rs là điện trở bề mặt của mẫu vật liệu giữa các điện cực song song có chiều rộng d nằm cách nhau 1 khoảng l), 1 ss (-1).

2.2. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI KHÍ

Trong các chất khí luôn tồn tại các điện tử tự do, các ion dương va ion âm. Những điện tích này được tạo nên nhờ quá trình ion hóa và kết hợp tự nhiên

Quá trình ion hóa là quá trình tách các điện tử ra khỏi phân tử hoặc ion khi phân tử hoặc ion nhận được năng lượng tác động từ bên ngoài. (bức xạ mặt trời, các tia phóng xạ, điện trường... ). Quá trình ion hóa tự nhiên là quá trình ion hóa xảy ra dưới tác động của các yếu tố tự nhiên.

Ngược lại, quá trình tái hợp là quá trình kết hợp các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa, khi đó năng lượng được giải phóng dưới dạng các photon.

Số lượng điện tích xuất hiện trong quá trình ion hóa tự nhiên là rất nhỏ, do vậy điện dẫn của điện môi khí là rất bé, hầu hết các chất khí ở một điều kiện nào đó là những điện môi tốt. Nếu vì l do nào đó quá trình ion hóa phát triển mạnh thì lượng điện tích trong điện môi khí tăng nhanh và điện dẫn cũng tăng lên đáng kể.

Đặc tính Von-Ampe (V-A) của điện môi khí được thể hiện như hình vẽ 2.3

Ở đoạn đầu đường cong quan hệ dòng và áp là tuyến tính Hình 2.3



Khi điện áp đạt giá trị U1 các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo về các điện cực và bị trung hoà trên các điện cực (dòng bão hoà).

Khi điện áp đạt giá trị U2 (giới hạn thứ hai) điện dẫn tự duy trì xuất hiện làm cho dòng trong chất khí lại tăng.

Điều này có thể giải thích dựa trên cơ sở của hiện tượng ion hóa do va chạm khi cường độ điện trường đặt lên điện môi có trị số lớn sẽ gây nên phóng điện tạo thành dòng Plasma nối liền giữa 2 điện cực, chất khí trở nên dẫn điện, dòng tăng lên theo hàm số mũ.

2.3. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI LỎNG

Độ dẫn điện của điện môi lỏng có liên quan chặt chẽ với cấu tạo phân tử của chất lỏng. Nhiệt độ, nồng độ tạp chất có ảnh hưởng đáng kể tới điện dẫn của điện môi lỏng. Dòng điện trong chất lỏng có thể xác định được bởi sự chuyển dịch của các ion hoặc hạt mang điện tương đối lớn ở dạng keo.

2.3.1 Điện dẫn ion của điện môi lỏng. Khác với điện môi khí, trong điện môi lỏng các điện tích tự do xuất hiện

không chỉ do quá trình ion hóa tự nhiên mà còn do quá trình phân ly các phân tử của chính bản thân chất lỏng và tạp chất.

Trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng tồn tại một số lượng tạp chất nhất định. Thông thường các phân tử tạp chất rễ bị phân ly hơn các phân tử của chính điện môi đó. Do vậy điện dẫn của điện môi lỏng bao gồm điện dẫn của điện môi chính và điện dẫn của tạp chất.

Trên hình vẽ biểu diễn mối quan hệ giữa dòng và áp của điện môi lỏng.

Đường (1): Đặc tuyến V-A của điện môi lỏng có chứa nhiều tạp chất. Trên đồ thị ta không thấy dòng điện bão hòa, dòng điện tăng tuyến tính với

Hình 2.4: Đặc tính V-A của điện môi lỏng

điện áp đến giá trị Uth, sau đó xuất hiện quá trình ion hóa va chạm, điện tích tăng theo hàm mũ, I tăng nhanh và dẫn tới phóng điện trong điện môi lỏng.

Đường (2): Các chất lỏng tinh khiết (Được điều chế trong phòng thí nghiệm), trên đường đặc tuyến V-A vẫn xuất hiện một đoạn nhỏ giống như đoạn bão hòa của điện môi khí.

Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng, chuyển động nhiệt của các phân tử điện môi lỏng sẽ tăng, lực liên kết giữa các phân tử giảm, độ nhớt cũng giảm theo, mức độ phân ly của các phân tử do nhiệt sẽ tăng lên và làm tăng điện dẫn của điện môi lỏng.

2.3.2. Điện dẫn điện di Được tạo nên bởi sự chuyển động có hướng của các phân tử mang điện tích

dưới tác dụng của điện trường bên ngoài



Điện môi lỏng chứa các tạp chất ở dạng keo, xơ, sợi, bụi bẩn, huyền phù ... lơ lửng bên trong, do quá trình chuyển động nhiệt các tạp chất này ma sát với phân tử điện môi và chúng bị nhiễm điện. Tùy theo () của tạp chất lớn hay nhỏ so với () của điện môi lỏng mà tạp chất có thể bị nhiễm điện tích dương hay âm.

Dưới tác dụng của điện trường các khối điện tích này sẽ chuyển động (Khối điện tích + sẽ chuyển động về phía bản cực – và ngược lại), chúng tạo nên dòng điện dẫn điện di. Thực chất dòng điện này là sự chuyển động của khối mang điện tích dưới tác dụng của điện trường. Đối với điện áp một chiều, sẽ xảy ra hiệu ứng lam sạch điện môi, với điện áp xoay chiều thì không có.

Ngoài những yếu tố trên thì điện dẫn của điện môi lỏng còn phụ thuộc vào tính chất cực tính của điện môi. Điện dẫn của điện môi sẽ tăng lên nếu () lớn.

Bảng 2.1: Giá trị điện trở suất khối (v) và hằng số điện môi () của một số điện môi lỏng

Chất lỏng Cấu tạo Điện trở suất khốiv (cm) ở 200C

Ben zen Dầu biến thế

Dầu xăng

Trung hoà 1013

- 1014 1012

- 1015 1012

- 1015

2,2 2,2 2,0

Xôvôn Thầu dầu

Cực tính yếu 1010 - 1012

1010 - 1012

4,5 4,6

Axêtôn Rượu Êtylíc

Nước cất

Cực tính mạnh 106

- 107 106

- 107 105

- 106

22 33 82

2.4. TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI RẮN

2.4.1. Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc mạng lưới nguyên tử phân tử. Trong các điện môi có mạng lưới nguyên tử hoặc phân tử tính dẫn điện chỉ tồn

tại khi có tạp chất. Trong các chất kết tinh có mạng phân tử (lưu huỳnh, parafin...) điện dẫn xuất

nhỏ và được xác định chỉ bởi tạp chất. Điện dẫn của các chất không định hình liên quan trước hết đến thành phần của

chúng. Các chất hữu cơ cao phân tử có điện dẫn suất phụ thuộc mạnh vào các yếu tố: thành phần hoá học, các tạp chất, mức độ trùng hợp, mức độ lưu hoá... Các thuỷ tinh vô cơ hợp thành 1 nhóm lớn các chất không kết tinh. Độ dẫn điện của nó liên quan chặt chẽ tới thành phần hoá học, cho phép nhận được điện dẫn xuất theo yêu cầu định trước.

Nếu đưa vào thành phần của thuỷ tinh những axít kim loại kiềm sẽ làm điện dẫn suất tăng mạnh, độ tăng phụ thuộc vào bán kính của các ion: bán kính nhỏ thì điện dẫn suất tăng nhiều hơn. Nếu đưa vào các a xít kim loại nặng (bari, chì ...) sẽ làm giảm đáng kể điện dẫn suất của thuỷ tinh.



Điện dẫn suất của các điện môi rắn xốp khi bị hút ẩm với 1 lượng không đáng kể cũng tăng lên rất mạnh.

Điện dẫn của nhóm điện môi này phụ thuộc nhiều vào độ ẩm không khí Bảng 2.2: Ảnh hưởng của độ ẩm không khí (%), và nhiệt độ tới v của điện môi rắn xốp

Điện trở suất khối v (cm) Tên vật liệu Độ ẩm tương đối

%=0%, t=20oC %=70%, t=20oC %=0%, t=100oC

Đá hoa 1014 1016 108 1010 10121014 Gỗ 1013 1014 108 109 10121013 Phíp 1013 1014 108 109 10101011

2.4.2. Điện dẫn của điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion. Trong điện môi rắn có cấu trúc tinh thể ion độ dẫn điện được xác định chủ yếu

do sự chuyển dịch các ion đã được giải phóng bởi ảnh hưởng dao động của chuyển động nhiệt.

Ở nhiệt độ thấp các ion chuyển dịch là các ion liên kết yếu (ion của tạp chất). Ở nhiệt độ cao cả 1 số ion của mạng tinh thể cũng được giải phóng.

Trên đây ta nghiên cứu độ dẫn điện của vật rắn khi cường độ điện trường tương đối thấp. Khi cường độ điện trường có trị số lớn cần phải tính đến khả năng xuất hiện dòng điện từ trong điện môi tinh thể. Dòng này sẽ tăng nhanh khi cường độ điện trường tăng.

2.4.3. Điện dẫn bề mặt của điện môi rắn Khi điện môi rắn đăt trong môi trường khí hoặc lỏng, trên bề mặt điện môi rắn

tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn hay lớp nước gây nên. Các điện tích này sẽ tạo nên dòng điện dẫn bề mặt

Điện dẫn này phụ thuộc chủ yếu vào bề dày của lớp ẩm, lượng tạp chất, tình trạng bề mặt và bản chất của điện môi.

Trị số độ ẩm tương đối của môi trường xung quanh là yếu tố quyết định đối với điện dẫn suất mặt của điện môi. Khi độ ẩm tương đối > 60 80% thì điện dẫn suất mặt tăng rõ rệt.

Điện dẫn suất mặt càng thấp khi cực tính của vật liệu càng yếu, bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn.

Theo điện dẫn mặt có thể phân tích vật liệu thành 3 nhóm: + Điện môi không hoà tan trong nước: Các điện môi trung hoà và cực tính yếu

không bị nước thấm ướt (parafin, polystirol...). Các điện môi có cực tính bị nước thấm ướt (1 số loại gốm). Loại này có điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc độ ẩm của môi trường xung quanh (điện môi cực tính chỉ có thể có điện trở suất bề mặt cao trong môi trường ẩm nếu bề mặt không bẩn).

+ Điện môi hoà tan 1 phần trong nước (thuỷ tinh kỹ thuật): có điện trở suất mặt thấp hơn và phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm.



+ Điện môi có cấu tạo xốp (sợi, chất dẻo, đá hoa ...): Trong môi trường ẩm loại này có điện dẫn suất mặt lớn. *) Nhận xét: Muốn nâng cao điện trở suất mặt người ta dùng phương pháp làm sạch bề mặt: Rửa bằng nước, bằng các chất hoà tan, xấy khô trong chân không (ở 600 7000C) sau đó ngâm trong sơn tẩm hoặc dầu, sử dụng sơn quét hoặc tráng men, thường xuyên vệ sinh thiết bị nếu có thể, cũng có thể đun lâu trong nước cất với những vật liệu không thấm nước.

Chương 3 TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

3.1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

*) Khái niệm: Tổn thất điện môi là phần năng lượng tản ra trong điện môi trên 1 đơn vị thời gian làm cho điện môi nóng lên khi có điện trường tác động.

Đối với điện áp 1 chiều tổn thất điện môi chủ yếu do dòng điện rò: P = R.I2 (3.1)

Đối với điện áp xuay chiều tổn thất do cả dòng điện rò và dòng phân cực gây nên cos..IUP (3.2a)

Từ hình vẽ 3.1 ta thấy tgCUtgIUIUIUP CRtt ......cos.. 2 (3.2b)

Với

..

1CRI

ItgC

R (3.3a)

Từ (3.2b), ta nhận thấy công suất tổn thất tỷ lệ thuận với tg, do vậy tg được gọi là “Hệ số tổn thất công suất”

Khi điện môi có tổn thất điện môi lớn thì nhiệt độ phát nóng trong điện môi tăng, đến một giá trị nào đó vượt mức cho phép làm cho điện môi bị phân huỷ nhiệt, và mất tính chất cách điện, người ta gọi đó là hiện tượng phóng điện vì nhiệt

Tổn thất điện môi liên quan chặt chẽ với hằng số điện môi, thông thường nếu hằng số điện môi lớn thì tổn thất điện môi cũng lớn.

Công thức (2.2b) có thể viết tgCUP .... 02 (3.2c)

Ngoài ra tổn thất điện môi còn có thể được xác định thông qua “suất tổn hao”, đó là giá trị công suất tản trong 1 đơn vị thể tích hoặc suất tổn hao.

3.2. CÁC DẠNG TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

3.2.1. Tổn thất điện môi do điện dẫn rò. trong điện môi kỹ thuật bao giờ cũng chứa các điện tích và điện tử tự do. Dưới

tác dụng của điện trường chúng tạo nên dòng rò. Trong điện môi rắn có dòng điện rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi, còn điện môi khí và lỏng chỉ có dòng điện

khối. Nếu dòng rò lớn thì tổn hao có giá trị đáng kể.

..

10.8,1 12

ftg (3.4)

Hình 3.1



Tổn thất dạng này tỷ lệ nghịch với tần số của điện trường, hằng số điện môi và

tăng theo nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ: te

.11

0

(3.5)

Với 0 là điện dẫn suất ở 250C và P= 1 at, - hệ số mũ, t - Nhiệt độ (0C) 3.2.2. Tổn thất điện môi do phân cực. Thấy rõ ở các chất có phân cực chậm, trong các điện môi có cấu tạo lưỡng cực

và các điện môi có cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ. Tổn thất điện môi do phân cực chậm được gây bởi sự phá huỷ chuyển động

nhiệt của các hạt dưới ảnh hưởng của cường độ điện trường. Sự phá huỷ này làm năng lượng tiêu tán và điện môi bị nóng lên. Tổn thất phân cực chậm tăng theo tần số của điện áp đặt. (Rõ nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao)

Quan hệ của tg=f(t0) của các điện môi cực tính có giá trị cực đại ở nhiệt độ nào đó, đặc trưng cho mỗi loại.

3. Tổn thất do ion hoá. Dạng tổn thất thấy rõ trong điện môi khí hoặc trong các điện môi lỏng và rắn

nhưng có tồn tại các bọt khí. Trong quá trình ion hóa, các phân tử khí tiếp thu năng lượng điện trường và gây tổn thất điện môi. Khi bị ion hoá trong chất khí có thêm điện tích và điện tử tự do làm cho điện dẫn khí tăng lên, chúng góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn.

Tổn hao có thể tính theo công thức: Pi = A.f. (U - U0)3 (3.6) Với UU0, A - Hằng số, f - Tần số điện trường U, U0: Điện áp đặt vào và điện áp ứng với điểm bắt đầu ion hoá 4. Tổn thất điện môi do tính không đồng nhất của điện môi. Loại tổn hao này có rất nhiều trong thực tiễn, gây bởi các tạp chất ngẫu nhiên

hoặc các thành phần riêng biệt được chủ định đưa vào điện môi để làm biến đổi theo yêu cầu định trước các thuộc tính của nó. Do đặc điểm cấu tạo nên không có công thức chung để tính tổn thất.

VD: Giấy tẩm, chất dẻo có lớp độn, chất cách điện xốp có chứa không khí và tạp chất ẩm...

Đơn giản nhất có thể hình dung điện môi không đồng nhất dưới dạng 2 lớp nối tiếp nhau. Sơ đồ thay thế có thể gồm 2 tụ điện mắc nối tiếp nhau. Trị số tg của

điện môi nhiều lớp khi đó có thể tính: 21

2112

CC

tgCtgCtg

(3.7)

3.3. SƠ ĐỒ THAY THẾ VÀ TÍNH TOÁN TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

3.3.1. Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ Bất kỳ một khối điện môi nào đều có thể thay thế bằng một tụ điện mắc nối

tiếp hoặc song song với một điện trở (hình 3.2), sao cho khi thay thế phải không làm thay đổi bản chất vật lý của các quá trình diễn ra trong điện môi. Nghĩa là công suất tổn thất phải bằng công suất thực và góc tổn thất không đổi.



Hình 3.2. Sơ đồ thay thế và đồ thị véc tơ

3.3.2. Cách xác định tổn thất điện môi. *) Sơ đồ nối tiếp

1)..(....

.1....cos.. 2

22

nn

n

nCRtt CR

tgCUtgC

ItgUIUIIUP (3.8)

Với .. nnC

R CRUUtg (3.9)

*) Sơ đồ song song Từ (3.2) và (3.3a) ta có: tgCUP stt ...2 (3.2d)

Với

..

1

ssC

R

CRIItg (3.3b)

*) Cân bằng (3.8) với (3.2d) và (3.9) với (3.3b) ta có

11

1)..(1

22

tgCRC

nns và )11( 2tg

RR ns (3.10)

Công thức (3.10) cho ta mối quan hệ thông số mạch song song và nối tiếp.

3.4. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG TỚI TỔN THẤT ĐIỆN MÔI

Trong thực tế có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tổn thất điện môi, trong đó có bốn yếu tố quan trọng nhất, đó là: Nhiệt độ, tần số điện trường, độ ẩm không khí, và giá trị điện áp.

1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tổn thất điện môi. Nhiệt độ được xem là yếu tố quan trọng nhất, khi nhiệt độ thay đổi sẽ làm cho

các tính chất của điện môi thay đổi. Đối với điện môi trung tính hoặc cực tính yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do

dòng điện rò gây nên, hệ số tổn thất có thể tính theo công thức sau:

tt

eAetg .

0

.0

0

...

...

(3.11)

Với 90 10.9..4 (F/m) hằng số điện môi tuyệt

đối của chân không, Hằng số điện môi đo ở tần số cao vô cùng, tần số góc, và 0 - điện dẫn suất tại nhiệt độ t và tại t0 =250C, P=1 at, - hệ số mũ

I

Hình 3.3: tg = f(t0)



Từ (3.11) ta nhận thấy, khi là hằng số, tg =f(t0) có dạng đường số (1) hình 3.3 Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ, tổn thất điện môi chủ

yếu do dòng phân cực gây nên, tg có thể tính theo công thức (3.12)

22...).(

bd

bdtg (3.12)

Với bđ – Hằng số điện môi đo ở tần số thấp (một chiều), - Thời gian tích thoát năng lượng, nó tăng tuyến tính với thời gian và ngược lại. Do vậy tg =f(t0), khi là hằng số có dạng đường số (2) hình 3.3.

Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn cao, tổn thất điện môi do cả dòng rò và dòng phân cực gây nên. tg=f(t0) khi là hằng số có dạng đường số (3)=(1)+(2), hình 3.3.

2. Ảnh hưởng của tần số điện trường tới tổn thất điện môi. Đối với điện môi trung tính hoặc cực yếu, tổn thất điện môi chủ yếu do dòng

điện rò gây nên, tg có thể xác định theo (3.11), khi t0 là hằng số thì cũng là hằng số, do vậy tg =f() có dạng đường số (1) hình 3.4.

Đối với điện môi cực tính mạnh nhưng có điện dẫn nhỏ tổn thất điện môi chủ yếu do dòng phân cực gây nên, ở miền tần số thấp các phân tử lưỡng cực được định hướng hoàn toàn, nhưng ở miền tần số cao các phân tử lưỡng cực không kịp định hướng theo hướng điện trường do vậy tổn thất điện môi giảm. từ (3.12) ta thấy khi t0 là hằng số, tg =f() có dạng đường số (2) hình 3.4.

Đối với điện môi cực tính mạnh và có điện dẫn lớn, ở vùng tần số thấp tổn thất điện môi chủ yếu do dòng rò gây nên, ở vùng tần số cao lại chủ yếu do dòng phân cực, khi tần số quá cao các phân tử không kịp định hướng nên tg giảm. tg=f() khi t0 là hằng số có dạng đường số (3)=(1)+(2), hình 3.4.

3. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí Khi điện môi đặt trong môi trường có độ ẩm %,

sau một thời gian điện môi sẽ bị ngấm ẩm, hoặc hấp phụ một lớp hơi nước trên bề mặt, điều đó làm tăng điện dẫn khối và điện dẫn mặt của vật liệu và làm tổn thất điện môi tăng khi % tăng. Mối quan hệ tg=(%) có dạng hình 3.5.

4. Ảnh hưởng của điện áp tới tổn thất điện môi. Ở vùng điện áp thấp tổn thất điện môi gần như ít

phụ thuộc vào điện áp, nhưng khi điện áp tăng cao quá trình ion hóa trong các chất khí nói chung và trong các điện môi lỏng và rắn có chứa các bọt khí, sẽ phát triển mạnh làm tổn thất điện môi tăng nhanh. Khi điện áp quá cao thì điện dẫn của chất khí tăng cao làm cho sụt áp

Hình 3.4: tg=f()

Hình 3.5: tg=f(%)

Hình 3.6: tg=f(U)



trên nó giảm đi, do vậy tổn thất điện môi lại giảm. Mối quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6.

3.5. TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG CHẤT KHÍ

Các chất khí ở điều kiện bình thường và trong điện trường thấp có tổn hao rất bé, vì vậy có thể xem chất khí là điện môi l y tưởng. Nguyên nhân gây nên tổn thất điện môi khí chủ yếu là do dòng điện dò, còn sự định hướng của các phân tử lưỡng cực ít kèm theo năng lượng. Do vậy tg có thể xác định theo công thức (3.4)

Ở điện áp cao và điện trường không đồng nhất,khi cường độ điện trường vượt quá trị số tới hạn các phân tử khí sẽ bị ion hóa và có thể tính theo công thức (3.6), Mối quan hệ tg=f(U) có dạng hình 3.6.

Ở tần số cao hiện tượng ion hoá và tổn thất năng lượng trong chất khí tăng đến mức làm cho các vật có khí cách điện bị cháy và phá huỷ nếu điện áp vượt trị số ion hoá.

3.5. TỔN THẤT TRONG ĐIỆN MÔI LỎNG Trong các chất lỏng trung tính: tổn thất điện môi chỉ do dòng điện rò gây nên

nếu như chất lỏng không chứa tạp chất có các phân tử lưỡng cực. Điện dẫn suất của điện môi lỏng trung tính tinh khiết vô cùng bé nên tổn thất điện môi cũng bé, tg có thể tính theo công thức (3.4)

Các điện môi có cực tính tuỳ theo điều kiện (nhiệt độ, tần số) ngoài tổn thất do điện dẫn còn có tổn thất do sự phân cực lưỡng cực chậm gây nên. Các điện môi dùng trong kỹ thuật là hỗn hợp của 2 loại trên.

Ở điện môi lỏng lưỡng cực tổn thất điện môi phụ thuộc vào độ nhớt. Tổn hao trong các chất lỏng nhớt khi điện áp xoay chiều đặc biệt là khi tần số cao lớn hơn tổn thất do điện dẫn gây nên rất nhiều. Đó là tổn thất phân cực lưỡng cực chậm.

Tổn thất phân cực lưỡng cực chậm trong chất lỏng có độ nhớt bé và tần số thấp không đáng kể và có thể nhỏ hơn tổn thất do điện dẫn rò. ở tần số cao tổn thất phân cực lưỡng cực chậm sẽ rất lớn so với tổn thất do điện dẫn ngay cả khi độ nhớt bé. Vì vậy chất lỏng lưỡng cực không sử dụng trong trường hợp có tần số cao.

3.6. TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRONG ĐIỆN MÔI RẮN 3.6.1. Tổn thất điện môi trong điện môi có cấu tạo phân tử Phụ thuộc vào loại phân tử:Trong các chất trung tính khi không có tạp chất thì

tổn thất điện môi nhỏ không đáng kể, chúng được dùng làm điện môi cao tần. VD: Parafin, lưu huỳnh, các chất cao phân tử không phân cực: polietylen, chất

dẻo chứa flo... Khi điện môi cấu tạo từ những phân tử cực tính: do sự phân cực lưỡng cực

chậm nên có tổn thất lớn đặc biệt ở tần số vô tuyến. Tổn thất điện môi trong các điện môi này có liên quan tới nhiệt độ.

VD: Các vật liệu dựa trên cơ sở xenlulo như giấy, các tông, các chất cao phân tử cực tính, các vật liệu cao su: êbônit...



Ở 1 vài trị số nhiệt độ tổn thất có giá trị cực đại và cực tiểu, sau điểm cực tiểu tổn thất tăng lên do sự tăng của tổn thất điện dẫn.

3.6.2. Tổn thất điện môi của chất rắn có cấu tạo ion Liên quan đến đặc điểm sắp xếp các ion trong mạng. Các chất cấu tạo tinh thể có các ion ràng buộc chặt chẽ: khi không có tạp chất

thì tổn thất điện môi rất nhỏ. Ở nhiệt độ cao sẽ xuất hiện tổn thất do điện dẫn. Chỉ cần 1 lượng tạp chất rất nhỏ gây biến dạng mạng lưới tinh thể cũng làm tăng tổn thất điện môi lên rất nhiều.

Loại này gồm nhiều hợp chất tinh thể có ý nghĩa to lớn trong sản xuất gốm kỹ thuật hiện nay (bột đá mài nằm trong thành phần của sứ cao tần), hoặc là muối mỏ...

Các chất cấu tạo tinh thể có các ion không ràng buộc chặt chẽ bao gồm 1 loại chất kết tinh. Chúng được đặc trưng bởi các loại phân cực chậm làm tăng tổn thất điện môi.

Mulit trong sứ cách điện, khoáng siricon trong gốm chịu lửa... Tổn thất điện môi trong các chất không kết tinh có cấu tạo ion (thuỷ tinh vô

cơ) liên quan với hiện tượng phân cực và sự tồn tại của điện dẫn. Yếu tố chủ yếu xác định tổn thất trong thuỷ tinh vô cơ phụ thuộc vào cách kết

hợp của các ôxit chứa trong nó, vì cách kết hợp ảnh hưởng đến cấu tạo của thuỷ tinh.

3.6.3. Tổn thất trong điện môi xenhit Tổn thất điện môi có giá trị lớn,do đặc điểm của điện môi này là có hiện tượng

phân cực tự phát phụ thuộc rõ rệt vào nhiệt độ và có điểm cực đại ở nhiệt độ nhất định (điểm Quyri). Sau điểm Quyri phân cực tự phát mất đi, thuộc tính Xenhit cũng mất.

Tổn thất trong điện môi xenhit ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự phát và giảm đột ngột sau điểm Quyri.

3.6.4. Tổn thất điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất Chất rắn dùng làm điện môi này gồm vật liệu mà trong thành phần của nó

chứa không ít hơn 2 chất gốc bị xáo trộn cơ học với nhau (các chất gốm) Một vật liệu gốm bất kỳ đều là hệ phức tạp nhiều pha. Trong thành phần của

gốm ta phân biệt pha tinh thể, pha thuỷ tinh, pha thể khí (khí trong các lỗ hổng kín). Tổn thất điện môi trong gốm phụ thuộc vào tỷ lượng của pha tinh thể và pha

thuỷ tinh. Pha thể khí trong gốm làm tăng tổn thất điện môi khi điện trường có cường độ cao hơn do sự ion hoá tăng lên.

Tổn thất trong gốm tăng nếu nó chứa các tạp chất lẫn tính bán dẫn với tính dẫn điện bằng điện tử. Tổn thất cũng tăng do hút ẩm khi có các lỗ xốp hở.

Ngoài ra còn có giấy tẩm, mica ... Hiện nay người ta dùng nhiều điện môi không đồng nhất gồm chất dẻo với các chất độn khác nhau, chất dẻo nhiều lớp, vật liệu cao su có chất độn khác nhau ...



CHƯƠNG 4 SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

4.1. KHÁI NIỆM VỀ SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI

Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện đánh thủng, khi đó điện môi mất hoàn toàn các thuộc tính cách điện. Hiện tượng đó chính là sự phóng điện trong điện môi, hay còn gọi là hiện tượng đánh thủng điện môi.

Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi được gọi là điện áp đánh thủng (Uđt), trị số cường độ điện trường tương ứng gọi là cường độ điện trường

đánh thủng (Eđt) hoặc độ bền điện của điện môi. h

UE đt

đt (KV/mm) (4.1)

h là chiều dày điện môi (mm) Vậy, độ bền điện chính là điện áp đánh thủng điện môi trên một milimét chiều

dày của điện môi. Khi tính toán để chọn chiều dày cách điện của một thiết bị làm việc ở điện áp

định mức nào đó (Uđm), ta cần nhân thêm với hệ số an toàn. đt

đm

EU

.Kh , (mm)

Trong thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng tới cường độ điện trường cách điện của điện môi: Dạng điện trường, dạng điện áp, thời gian tác động của điện áp, điều kiện môi trường….

Đối với điện môi khí sự đánh thủng xảy ra do hiện tượng ion hoá do va chạm và ion hoá quang. Trong điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng khí xảy ra đột ngột, trong điện trường không đồng nhất trước khi chất khí bị đánh thủng có hiện tượng vầng quang điện.

Đối với điện môi lỏng hiện tượng đánh thủng xảy ra do kết quả của quá trình nhiệt và ion hoá. Một trong những nguyên nhân chính gây nên hiện tượng đánh thủng chất lỏng là do sự tồn tại của tạp chất.

Đối với điện môi rắn hiện tượng đánh thủng có thể do quá trình nhiệt hoặc quá trình điện dưới ảnh hưởng của điện trường.

+) Hiện tượng đánh thủng về điện liên quan đến quá trình điện tử trong điện môi nó xuất hiện ở điện trường mạnh và làm tăng mạnh mẽ, đột ngột, có tính chất cục bộ mật độ dòng điện lúc đánh thủng.

+)Hiện tượng đánh thủng về nhiệt là hậu quả của sự giảm bớt điện trở tác dụng của điện môi khi nó bị đốt nóng trong điện trường. Điều đó làm tăng thành phần tác dụng của dòng điện và làm cho điện môi càng bị đốt nóng cho đến khi bị phân huỷ vì nhiệt.

+)Dưới tác dụng lâu dài của điện áp hiện tượng đánh thủng còn gây bởi các quá trình điện hoá xảy ra trong điện môi dưới tác dụng của điện trường.



4.2. SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI KHÍ 4.2.1.Yêu cầu chung của các chất khí cách điện + Phải là khí trơ, nghĩa là không phản ứng hoá học với các chất cách điện

khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với kim loại của thiết bị điện. + Có cường độ cách điện cao để giảm kích thước của kết cấu cách điện và

thiết bị. + Nhiệt độ hoá lỏng thấp để có thể sử dụng chúng ở trạng thái có áp suất cao. + Tản nhiệt tốt. + Phải rẻ tiền và dễ kiếm. 4.2.1. Điều kiện xác định khả năng ion hoá và các dạng ion hóa chất khí Ở điều kiện bình thường, các phân tử khí chuyển động hỗn loạn dưới tác động

của năng lượng nhiệt, khi đặt trong điện trường chúng nhận thêm một năng lượng bổ xung: UqWbx . (4.3)

với q- Điện tích, U- Điện áp giáng trên đoạn đường chuyển động tự do của hạt Nếu trong điện trường đồng nhất: U = E. (4.4)

Với: E- Cường độ điện trường, - Khoảng cách trung bình mà hạt mang điện đã di chuyển qua không gặp va chạm.=> Wbx = q. E. (4.5)

Năng lượng này truyền cho các phân tử khí mà nó va chạm phải. Nếu năng lượng đủ lớn thì phân tử bị ion hoá. Nếu năng lượng còn nhỏ, các phân tử khí chỉ bị kích thích và khi trở về trạng thái ban đầu năng lượng sẽ được giải phóng dưới dạng các photon. Vậy: Điều kiện để xác định khả năng ion hoá chất khí: W Wi (4.6)

W- Bao gồm cả năng lượng của chuyển động nhiệt, Wi- Năng lượng ion hoá, vác chất khí khác nhau thì Wi cũng khác nhau và thường bằng (4÷25) ev

*. Các dạng ion hoá trong chất khí Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng cung cấp cho chất khí trong quá trình ion hoá,

có thể có các dạng ion hoá sau: a. Ion hoá va chạm:

Khi các phần tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ

chuyển cho nhau và có thể xảy ra ion hoá nếu: i

2

W2

mv (4.7)

m - khối lượng hạt, v - Tốc độ chuyển động của hạt. b. Ion hoá quang:

Năng lượng cần thiết để ion hoá có thể lấy từ bức xạ sóng ngắn với điều kiện:

h.f Wi hoặc iW

h.c (4.8)

Với: - Độ dài sóng của sóng ngắn fC

, f - Tần số bức xạ của sóng ngắn,

c - Tốc độ ánh sáng, h= 6,63.10-34J.s là hằng số Planck



c. Ion hoá nhiệt: Ở nhiệt độ cao có thể phát sinh các khả năng sau: - Ion hoá va chạm do các phân tử, điện tử chuyển động nhiệt với tốc độ lớn. - Ion hoá quang do các bức xạ nhiệt gây nên. - Cả hai quá trình trên Trên thực tế, ở bất kỳ nhiệt độ nào cũng có khả năng xảy ra ion hóa, chỉ có ít

hay nhiều. Theo Nhiệt động học, nhiệt độ cần thiết để có quá trình ion hoá được xác

định theo công thức: iWkT2

3W (4.9)

Với T - nhiệt độ tuyệt đối của chất khí, k =1,38.10-23 J/0K - hằng số Boltzman. d. Ion hoá bề mặt:

Ba dạng ion hoá trên xảy ra trong thể tích chất khí còn dạng ion hoá bề mặt thì xảy ra ngay trên bề mặt của các điện cực.

Muốn giải phóng điện tử ra khỏi bề mặt điện cực cũng cần 1 năng lượng nhất định gọi là "công thoát". Trị số công thoát này phụ thuộc vào loại vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt của điện cực.

4.2.3. Quá trình hình thành, phát triển thác điện tử và quá trình phóng điện trong điện môi khí:

Quá trình ion hoá chất khí sẽ đưa đến sự hình thành thác điện tích trong khu vực giữa 2 điện cực. Nếu tiếp tục tăng điện áp thác điện tích phát triển mạnh, khi mật độ điện tích đủ lớn sẽ gây nên sự phóng điện trong điện môi khí tạo thành dòng Plazma nối liền giữa 2 điện cực.

Chúng ta xét quá trình ion hoá chất khí giữa hai điện cực với nguồn điện áp một chiều như hình 4.1. Giả thiết rằng ban đầu vì lý do nào đó có tồn tại một điện tử tự do ở phía cực âm. Dưới tác dụng của điện trường E

, điện tử bay

về phía cực dương. Trong quá trình chuyển động điện tử sẽ va chạm với các phân tử khí và gây nên ion hoá với hệ số ion hoá là . Sau mỗi lần ion hoá xuất hiện thêm điện tử tự do và ion dương. Các điện tử tự do mới được sinh ra cũng được gia tốc, tích luỹ năng lượng và gây nên ion hoá, đồng thời các ion dương mới được sinh ra cũng được sinh ra sẽ chuyển động theo chiều ngược lại bay về phía cực âm cũng có thể gây ion hoá chất khí với hệ số (thường <<)… Do đó số lượng điện tích (ion dương và điện tử tự do) trong khoảng không gian giữa hai điện cực tăng lên nhiều lần, chúng tập hợp thành thác điện tích; thường gọi là thác điện tử.

Trên hình 4.1a cho ta mô hình thác điện tử khi thác phát triển tới độ dài x. Do điện tử bé và nhẹ nên tốc độ lớn và dễ khuếch tán dồn về phía đầu thác và rải trên khoảng không gian rộng. Còn các ion dương do có khối lượng và kích thước lớn,

Hình 4.1: Thác điện tử và sự phân bố điện tích và điện trường



nên di chuyển chậm với tốc độ chậm hơn (bằng khoảng 1/100 tốc độ của điện tử), chúng phân bố ở khu vực thân và đuôi thác. Hình 4.1b cho sự phân bố điện tử tự do (ne) và ion dương (ni). Sự tồn tại các điện tích của thác điện tử sẽ tạo nên điện trường phụ do các điện tử tự do (Ee) và ion dương (Ei) gây nên (hình 4.1c). Chúng làm biến dạng điện trường tổng, đường biểu diễn trên hình 4.1d

Xét về sự biến dạng của trường (hình 4.1d) ta thấy phía đầu thác trường được tăng cường nhiều, nhưng ngay sau đầu thác trường lại giảm đột ngột, cả hai nơi này đều có khả năng bức xạ phô tôn. Ở đầu thác trường được tăng cường cao hơn điện trường E bên ngoài, do vậy dẽ dàng gây nên ion hoá phần khí tiếp theo tạo nên các thác điện tử mới hướng về phía điện cực đối diện. Mặt khác, do trường tăng cao làm cho các phân tử khí ở gần sẽ bị kích thích, khi chúng trở lại trạng thái ban đầu sẽ trả lại năng lượng dưới dạng các phô tôn. Còn ở phía sau đầu thác do trường giảm đột ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp và cũng trả lại năng lượng đươi dạng phô tôn. Các phô tôn này chuyển động với tốc độ tương đương tốc độ ánh sáng, nên trong khi thác ban đầu đang phát triển (giả thiết một đoạn là x) thì các phô tôn dã vượt trước thác, gây ion hóa và hình thành các thác thứ cấp phía trước thác ban đầu hoặc cũng có khả năng giải thoát các điện tử từ bề mặt điện cực góp phần tăng thêm số lượng điện tích và để kế tiếp thác điện tử ban đầu kểt trên.

Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tích càng được phát triển đồng thời được kéo dài ra và khi tiếp cận với các điện cực các điện tích của thác điện tử sẽ trung hoà trên điện cực, kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử.

Quá trình đó chưa thể gọi là phóng điện vì chưa tạo nên dòng điện lưu thông liên tục giữa hai điẹn cực. Như vậy để có phóng điện cần thiết phải có xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác mới, trước khi thác thứ nhất kết thúc và hình thành các thác thứ cấp ngay phía trước thác ban đầu.

Trong giai đoạn tiếp theo, các thác này đuổi kịp nhau và hình thành “dòng” hướng từ cực âm đến cực dương. Đồng thời hình thành dòng các điện tích dương hướng ngược lại (gọi là dòng dương). Thực tế cho ta thấy khi thác điện tích có mật độ điện tích lớn (khoảng 1012 ion/cm3) và gần tiếp cận tới điện cực dương, toàn bộ điện áp giữa hai điện cực dồn đặt lên một khe khí hẹp ở tại đó cường độ điện trường rất lớn làm bứt các ion dương từ cực dương chuyển động theo chiều ngược lại của thác điện tử. Khi chúng hoà nhập làm một sẽ gây nên phóng điện chọc thủng điện môi khí tạo thành dòng plazma, kết thúc bằng quá trình phóng điện.

Thường phóng điện trong chất khí xảy ra rất nhanh gần như tức thời, nếu khe hở khí là 1 cm thì thời gian phát triển phóng điện chọc thủng khoảng 10-8÷10-7giây.

4.2.4. Các dạng phóng điện của điện môi khí Tuỳ thuộc vào công suất nguồn, áp suất khí và dạng của điện trường, quá trình

hình thành dòng Plasma có khác nhau và đưa đến các dạng phóng điện khác nhau: *)Phóng điện toả sáng



Xảy ra khi áp suất thấp, Plasma không thể có điện dẫn lớn vì số lượng phân tử khí quá ít. Phóng điện toả sáng thường chiếm toàn bộ khoảng không gian giữa các điện cực và được ứng dụng trong các ống phát sáng, đèn nêon...

*)Phóng điện tia lửa Xảy ra khi áp suất lớn, Plasma không chiếm hết toàn bộ khoảng không gian

mà chỉ là tập trung vào một khe khí hẹp nối giữa các điện cực. Mật độ ion trong dòng Plasma rất lớn nên có thể dẫn được dòng điện lớn nhưng không lớn quá vì bị giới hạn bởi công suất nguồn, VD: sét

*)Phóng điện hồ quang Tương tự như phóng điện tia lửa nhưng ở đây công suất nguồn lớn và tác

dụng trong thời gian dài. Dòng điện hồ quang rất lớn, đốt nóng dòng Plasma làm cho điện dẫn của nó tăng thêm và do đó dòng điện hồ quang càng tăng. Dòng điện sẽ tăng tới mức ổn định khi có sự cân bằng giữa phát nóng và toả nhiệt của khe hồ quang. VD: hàn hồ quang, lò hồ quang…

*) Phóng điện vầng quang Chỉ tồn tại trong trường đồng nhất và xuất hiện trong khu vực xung quanh

điện cực. Dạng phóng điện này không hoàn toàn vì dòng Plasma không nối liền 2 điện cực và do đó không thể có dòng điện lớn. Phóng điện vầng quang chưa làm mất hẳn tính chất cách điện của khe hở nhưng cũng không nên để phát sinh vầng quang vì nó gây nhiều tác hại khác: gây tổn thất năng lượng lớn trên đường dây truyền tải...

4.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền điện của điện môi khí a. Khái quát Độ bền điện của điện môi khí trước hết phụ thuộc vào dạng điện trường, trong

điện trường đồng nhất độ bền điện cao hơn nhiều đối với trường không đồng nhất Điện áp đặt vào khoảng khí càng lớn sự đánh thủng càng phát triển nhanh. Nếu khoảng thời gian tác động của điện áp càng nhỏ thì điện áp đánh thủng sẽ

phải tăng lên. - Độ ẩm không khí: Khi độ ẩm không khí % 70%, thường ít ảnh hưởng,

nhưng khi độ ẩm tăng cao sẽ làm giảm đáng kể độ bền điện của điện môi khí. b. Đánh thủng chất khí trong trường đồng nhất Trị số trường tại mọi điểm đều bằng nhau (E = const) nên

quá trình hình thành và phát triển của phóng điện không phụ thuộc vào cực tính.

Sự đánh thủng xảy ra tức thời khi điện áp đạt đến 1 trị số nhất định tuỳ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí. Nếu nguồn áp đủ lớn giữa các bản cực xuất hiện tia lửa rồi biến thành hồ quang.

Khi nhiệt độ và khoảng cách điện cực không đổi thì độ bền điện phụ thuộc vào áp suất chất khí (hay mật độ phân tử),

Hình 4.2 và 4.3



hình 4.2. Trong trường có nhiệt độ và áp suất không đổi thì cường độ điện trường đánh

thủng chất khí phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực hình 4.3. c. Trong điện trường không đồng nhất Sự đánh thủng khí là hiện tượng xuất hiện phóng điện 1 phần dưới dạng

phóng điện vầng quang tại những chỗ mà ở đó cường độ điện trường đạt đến trị số tới hạn. Hiện tượng vầng quang sẽ chuyển sang phóng điện tia lửa và hồ quang khi điện áp tăng lên.

Xét dạng điện cực điển hình cho trường không đồng nhất là đôi cực mũi nhọn (kim) - cực bản (mặt phẳng):

Sự phân bố điện trường được mô tả như hình 4.4. Do sự tăng cường độ trường ở phía điện cực có bán kính cong bé nên mọi quá trình ion hoá, quá trình phóng điện cũng đều bắt nguồn từ đấy dù điện cực là dương hay âm nhưng sự khác nhau về cực tính lại ảnh hưởng rất lớn đến các giai đoạn phát triển về sau.

*)Khi mũi nhọn có cực tính dương Mũi nhọn là khu vực có điện trường mạnh nên trước khi xuất hiện vầng quang

ở đấy đã có quá trình ion hoá và tạo nên thác điện tử. Các thác này sẽ di chuyển về phía mũi nhọn và khi tới nơi các điện tử của thác sẽ đi vào điện cực để lại các ion dương tạo nên lớp điện tích không gian ở khu vực mũi nhọn, trường của điện tích không gian dương E' sẽ làm biến dạng trường tổng (hình 4.5a) và kết quả là ở bên phải nó trường được tăng cường (E' cùng phương với trường ngoài E) tạo điều kiện cho quá trình lan truyền của điện tích từ vầng quang đi ra điện cực đối diện, ngược lại ở phía bên trái tức là ở khu vực điện cực mũi nhọn trường bị giảm (E' ngược phương với E) do đó hạn chế quá trình ion hoá và gây khó khăn cho sự hình thành vầng quang. Vì thế quá trình đánh thủng trong trường này rất dễ xảy ra khi điện áp tăng lên (hình 4.5b).

Hình 4.5: Quá trình phóng điện vầng quang khi mũi nhọn có cực

tính dương

Hình 4.6:Quá trình phóng điện vầng quang khi mũi nhọn có cực

tính âm

Hình 4.4



*)Khi mũi nhọn có cực tính âm: Cường độ điện trường ngoài giảm dần từ mũi nhọn đến cực bản - đường (1). Quá trình ion hoá và hình thành các thác điện tử cũng xảy ra ở khu vực điện

cực mũi nhọn (cực âm). Các điện tử của thác sẽ di chuyển về phía điện cực dương (cực bản) nhưng khi bay về phía này, điện tử rơi vào khu vực trường yếu dần (phân bố của trường ngoài E theo đường chấm trên hình 4.6a) nên ngoài 1 số bay được tới cực dương và bị hút vào đấy, số còn lại do tốc độ bị giảm dần nên dễ bị hút vào các nguyên tử ôxy, hình thành 1 lớp điện tích không gian âm ở lưng chừng khoảng giữa các điện cực (hình 4.6a).

Điện tích dương của thác sẽ di chuyển về phía mũi nhọn và hình thành 1 lớp điện tích không gian dương ở khu vực này. Chúng không bị hút ngay vào cực âm vì khối lượng của chúng quá lớn nên tốc độ di chuyển bé. Trường của các lớp điện tích không gian (E+- của lớp điện tích không gian dương; E- của lớp điện tích không gian âm) sẽ làm biến dạng trường chung. Do mật độ của lớp điện tích không gian âm bé hơn so với điện tích không gian dương nên tác dụng làm biến dạng trường của nó yếu hơn và do đó cường độ trường tổng ở khu vực mũi nhọn được tăng cường làm cho quá trình ion hoá cũng như phóng điện vầng quang phát triển dễ dàng, cùng lúc hình thành nhiều thác điện tử mới. Thực nghiệm cũng cho thấy: điện áp vầng quang khi mũi nhọn có cực tính dương cao hơn so với khi mũi nhọn có cực tính âm nếu cùng 1 khoảng cách điện cực.

Nhưng ngay sau đó thì điện trường giảm mạnh có tác dụng ngăn cản điện tích lan truyền từ vầng quang sang phía điện cực phẳng. Vì thế, sự đánh thủng là khó khăn hơn so với trường mũi nhọn có cực tính (+) (Trị số điện áp phóng điện có thể cao hơn từ 2 đến 2,5 lần). Khi điện áp tăng lên mức độ nào đó điện trường phân bố ở phía điện cực phẳng cũng sẽ tăng cao và ở đó cũng xuất hiện sự ion hoá tạo nên quá trình phóng điện ngược có tốc độ phát triển rất nhanh (109cm/s) hình thành dòng điện có điện dẫn lớn nối liền 2 điện cực, kết thúc quá trình phóng điện (hình 4.6b).

*. Biện pháp để nâng cao trị số Uđt trong trường không đồng nhất: Một trong những biện pháp tiêu biểu là sử dụng màn chắn, màn chắn làm

bằng vật liệu cách điện mà độ bền điện của nó không quan trọng lắm, nó đặt trong khoảng giữa mũi nhọn và mặt phẳng. Hiệu quả của màn chắn phụ thuộc vào vị trí của màn chắn và cực tính mũi nhọn.

Hình 4.7: Tác dụng của màn chắn đối với mũi nhọn có các cực tính khác nhau



4.2.7. Phóng điện ở điện áp xung Thực tế cách điện còn có thể phải chịu tác dụng của loại điện áp xung kích

như quá điện áp khí quyển gây bởi các phóng điện sét lên đường dây trên không hoặc khi sét đánh gần khu vực đường dây. Phóng điện xung kích có thể tác động trực tiếp đến cách điện của thiết bị hoặc có thể lan truyền trên đường dây đến cách điện của trạm. Cường độ và biên độ của sét khá lớn có thể gây ra sự phóng điện giữa các đường dây, giữa đường dây với đất và trên cách điện đầu vào của thiết bị. Có thể làm ngắn mạch hệ thống hoặc hư hại đến cách điện bên trong của thiết bị.

Đặc điểm của dạng sóng này là có biên độ lớn, độ rốc sườn trước rất rốc, thời gian tồn tại nhanh.

Để thử điện áp phóng điện xung kích cho cách điện người ta dùng 1 thiết bị phát điện áp xung kích dạng sóng của máy phát tạo ra được tiêu chuẩn trên toàn thế giới: độ dài đầu sóng 1,2/s 30 % và độ dài sóng 50/s 20 % (ký hiệu sóng = 1,2/50), hình 4.8

4.3. SỰ ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI LỎNG

Điện môi lỏng ở điều kiện bình thường có độ bền điện cao hơn chất khí rất nhiều. Sự tồn tại tạp chất (nước, khí, bụi bẩn, các hạt cơ học rất nhỏ...) làm cho hiện tượng đánh thủng chất lỏng rất phức tạp và việc xây dựng lý thuyết chính xác về sự đánh thủng chất lỏng rất khó khăn. Sau mỗi lần phóng điện sẽ sinh ra các tạp chất là muội khói do chất lỏng bị đốt cháy.

*.Lý thuyết nhiệt: (áp dụng với các điện môi lỏng kỹ thuật) gắn sự đánh thủng điện môi lỏng với sự quá nhiệt cục bộ và sự sôi cục bộ trong chất lỏng và sự nổi bọt ở những chỗ có lượng tạp chất nhiều nhất dẫn đến việc tạo thành 1 cầu bằng khí giữa các điện cực.

*. Lý thuyết ion hóa: Đối với chất lỏng đã lọc sạch tạp chất ta áp dụng lý thuyết đánh thủng ion hoá như đối với chất khí. Do mật độ phân tử chất lỏng cao hơn nên độ bền của chất lỏng cao hơn chất khí vì trong chất lỏng chiều dài đoạn đường tự do của điện tử giảm đi nhiều.

*.Lý thuyết đánh thủng điện thuần tuý: (điện môi lỏng tinh khiết) gắn hiện tượng đánh thủng với sự bứt các điện tử ra khỏi điện cực kim loại hoặc với sự phân huỷ bản thân phân tử của chất lỏng dưới tác dụng của điện trường mạnh.

* Các yếu tố ảnh hưởng đến sự đánh thủng điện môi lỏng: + Tạp chất: Khi nồng độ tạp chất tăng lên, độ bền điện của điện môi lỏng

giảm đi rõ rệt. + Khi nhiệt độ làm việc < 800C thì độ bền điện ít phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi

nhiệt độ tăng cao độ bền điện giảm xuống, đặc biệt đối với điện môi chứa nhiều tạp chất.

Hình 4.8: Dạng sóng xung kích tiêu chuẩn



+ áp suất: điện môi lỏng bình thường không phụ thuộc áp suất, nếu có chứa bọt khí thì cường độ cách điện sẽ tăng khi áp suất tăng.

+ Thời gian tác động của điện áp tăng thì độ bền điện sẽ giảm. Chất lỏng chứa nhiều tạp chất thì càng suy giảm mạnh.

4.4. SỰ ĐÁNH THỦNG ĐIỆN MÔI RẮN Khi nghiên cứu về phóng điện điện môi rắn ta thấy có 2 khả năng xảy ra là

phóng điện đánh thủng hay còn gọi là phóng điện xuyên qua điện môi rắn và phóng điện bề mặt điện môi rắn.

4.4.1. Phóng điện đánh thủng điện môi rắn. Điện môi rắn khi bị đánh thủng sẽ mất hoàn toàn tính cách điện, không khôi

phục được. Người ta phân biệt thành bốn dạng phóng điện sau. a. Sự đánh thủng điện môi vĩ mô đồng nhất Sự đánh thủng phát triển nhanh, xảy ra trong khoảng thời gian nhỏ 10-7 10-8s

và không phải do năng lượng nhiệt. Về bản chất nó là quá trình điện tử thuần tuý khi trong chất rắn hình thành nên thác điện tử từ 1 số điện tử ban đầu.

b. Sự đánh thủng các điện môi không đồng nhất Đặc trưng cho các điện môi kỹ thuật mà hầu hết đều chứa các tạp chất khí. Uđt

của điện môi không đồng nhất (trong trường đồng nhất hay không đồng nhất) thường không cao và khác nhau rất ít. Hiện tượng đánh thủng cũng phát triển rất nhanh. Khi tăng chiều dày mẫu thí nghiệm độ không đồng nhất của cấu trúc tăng lên, số lượng các chỗ yếu, các bọt khí tăng lên và độ bền điện trong điện trường đồng nhất hay không đồng nhất đều giảm.

c. Sự đánh thủng điện hoá Có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi nhiệt độ và độ ẩm không khí cao. Dạng

đánh thủng này có thể thấy ở điện áp một chiều hoặc xoay chiều tần số thấp khi quá trình điện phân phát triển trong vật liệu làm cho điện trở cách điện bị giảm và không hồi phục được. Hiện tượng này gọi là sự hoá già điện môi. Nó làm cho độ bền điện giảm dần và cuối cùng điện môi bị đánh thủng ở cường độ thấp hơn rất nhiều so với khi thí nghiệm.

* Những quá trình hoá học chủ yếu gây nên sự hoá già của vật liệu cách điện: Sự ôxy hóa, sự rùng hợp, sự khử trùng hợp, sự thủy phân, sự bay hơi …

d. Sự đánh thủng nhiệt Sự đánh thủng điện nhiệt (đánh thủng nhiệt) thực chất là sự nung nóng vật liệu

trong điện trường đến nhiệt độ làm vật liệu bị nứt phồng, cong vênh, biến màu hoặc phá huỷ nhiệt, liên quan tới sự tăng quá mức điện dẫn rò hoặc tổn thất điện môi.

4.2.7. Phóng điện bề mặt điện môi rắn Khi điện môi rắn được đặt trong môi trường khí hay dầu thì quá rình phóng

điện xảy ra men theo mặt ngoài của điện môi với trị số điện áp phóng điện bé hơn nhiều so với trị số điện áp đánh thủng của khe khí hay dầu, cũng như của bản thân điện môi rắn. Hiên tượng này rất phổ biến trong cách điện thiết bị điện, cách điện



đường dây điện cao áp, các phóng điện này thường không làm hư hỏng cách điện nhưng có thể dẫn tới ngắn mạch hệ thống, gây tổn hao… Do vậy ta cần hạn chế không để xảy ra.

* Các yếu tố ảnh hưởng đến phóng điện bề mặt: - Tình trạng bề mặt của điện môi rắn. - Nhiệt độ, áp suất khí (nhiệt độ cao, áp suất giảm thì Upđbm giảm). - Độ ẩm môi trường (kk tăng thì Upđbm giảm). - Thời gian tác động của điện áp (thời gian ngắn thì Upđbm tăng). Điều này

không chỉ đúng với bề mặt mà đúng với cả khoảng khí. - Hình dáng của điện cực và sự phân bố của trường: trong trường đồng nhất

Uđt giảm. Trong trường không đồng nhất Uđt cũng phụ thuộc vào hình dáng điện cực và sự phân bố của trường.

* Biện pháp để nâng cao trị số điện áp phóng điện: - Sử dụng sơn quét hoặc tráng men, tạo độ bóng bề mặt và hạn chế ảnh hưởng

của độ ẩm không khí -Thường xuyên vệ sinh thiết bị. -Tăng chiều dài phóng điện bề mặt, chiều dài rò điện bằng cách tạo các gờ tán. -Đối với trường theo phương tiếp tuyến lớn người ta sử dụng cực ngầm. Bằng

cách này làm cho trường sẽ tập trung về phía cực ngầm, làm tăng điện áp phóng điện mặt ngoài.

- Đối với trường theo phương pháp tuyến lớn người ta sơn 1 lớp sơn bán dẫn ở khu vực phân bố trường theo phương pháp tuyến lớn làm đẳng thế giữa các lớp sơn nên làm giảm trường phân bố theo phương pháp tuyến.

Chương 5

TÍNH CHẤT CƠ - LÝ - HOÁ CỦA ĐIỆN MÔI 5.1. TÍNH HÚT ẨM CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

5.1.1. Độ ẩm của không khí. Trong không khí luôn chứa 1 lượng hơi nước nhất định Độ ẩm tuyệt đối của không khí: Được đánh giá bằng khối lượng (mg) của hơi

nước chứa trong 1 đơn vị thể tích không khí (m3).Vm

t (mg/m3) (5.1)

Ứng với mỗi nhiệt độ xác định, không khí không thể chứa 1 lượng nước lớn hơn mmax vì nó sẽ rơi xuống dưới dạng sương.

- Độ ẩm tương đối của không khí:

%100m

m%

maxkk (5.2)

5.1.2. Độ ẩm của vật liệu Các vật liệu cách điện với mức độ nhiều hay ít

đều hút ẩm tức là khi đặt mẫu vật liệu có độ ẩm vl,

(1)

(2) cb

t

Hình 5.1



trong môi trường có kk, sau một thời gian vật liệu sẽ đạt độ ẩm cân bằng cb Trên hình 5.1, nếu vl<kk, vật liệu bị ngấm ẩm (đường 1), nếu vl<kk, vật

liệu bị sấy khô tự nhiên (đường 2), Việc xác định độ ẩm của vật liệu cách điện rất quan trọng để chọn những điều

kiện thử nghiệm các tính chất điện của vật liệu. 5.1.3. Tính thấm ẩm Là khả năng cho hơi nước đi xuyên qua bản thân vật liệu. Tất cả những vật

liệu có khảng cách giữa các phân tử lớn hơn kích thước một phân tử nước, đều cho hơi nước đi xuyên qua. Đặc điểm này rất quan trọng khi đánh giá chất lượng của các vật liệu dùng để sơn phủ bảo vệ. Phần lớn các vật liệu đều thấm ẩm qua các lỗ xốp rất nhỏ.

Để làm giảm độ thấm ẩm và hút ẩm của vật liệu cách điện xốp người ta dùng sơn tẩm hoặc dầu.

Ở các điện môi hữu cơ thường có nấm mốc phát triển và huỷ hoại. Nấm mốc làm xấu điện trở suất mặt của điện môi, tăng tổn thất và giảm độ bền cơ của chất cách điện, gây ăn mòn các bộ phận kim loại tiếp xúc với nó.

Để chống nấm mốc người ta thêm vào thành phần của các vật liệu cách điện hữu cơ chất Fungixit hoặc phủ lên chất cách điện lớp sơn chứa Fungixit.

5.1.4. Sự hấp phụ hơi nước trên bề mặt điện môi. Đối với vật liệu không thấm ẩm khi đặt trong môi trường ẩm thì trên bề mặt

vật liệu hình thành màng ẩm hay bị ngưng tụ lớp nước. Quá trình ngưng tụ hơi nước trên bề mặt vật liệu gọi là sự hấp phụ hơi nước trên bề mặt vật liệu.

Lớp hơi nước này phụ thuộc vào độ ẩm, cấu trúc bề mặt và loại vật liệu. Độ ẩm càng lớn thì bề dày của lớp hấp phụ lớn. Những vật liệu có kết cấu tinh thể ion hay cực tính mạnh thì có khả năng hấp phụ mạnh, còn các vật liệu trung tính hay cực tính yếu có sự hấp phụ nhỏ.

Khả năng dính nước (hoặc chất lỏng khác) của điện môi được đặc trưng bởi “góc nghiêng dính nước” của giọt nước đổ lên mặt phẳng của vật liệu. càng nhỏ sự dính nước càng mạnh

Hình 5.2: Giọt chất lỏng trên bề mặt vật liệu

5.2 TÍNH CHẤT CƠ HỌC CỦA ĐIỆN MÔI 5.2.1. Độ bền chịu kéo, nén, uốn Mỗi vật liệu ứng với hình dạng và kích thước xác định đều có khả năng chịu

kéo, chịu nén, chịu uốn nhất định. Chúng được đặc trưng bởi các ứng suất cơ tới hạn, khi làm việc yêu cầu ứng suất phải nhỏ hơn giá trị tới hạn đó.

> 900 < 900



Độ bền cơ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ và thường giảm khi nhiệt độ tăng. Độ bền của vật liệu hút ẩm phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm.

5.2.2. Tính giòn Độ giòn của vật liệu, chính là khả năng của vật liệu chống chịu tác dụng của

các lực cơ học đột ngột, bất ngờ. 5.2.3. Độ cứng Là khả năng lớp bề mặt vật liệu chống lại biến dạng do lực nén truyền từ vật

có kích thước nhỏ vào nó. Đối với vật liệu vô cơ: Độ cứng được xác định theo thang khoáng vật hay là

thang thập phân quy ước của độ cứng Đối với vật liệu hữu cơ: Xác định bằng phương pháp Brinel và phương pháp

con lắc của Cuznexôp. 5.2.4. Độ nhớt Là đặc tính quan trọng của vật liệu cách điện lỏng và nửa lỏng. Độ nhớt động lực học hay còn gọi là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng.

Độ nhớt động học: N . (N là mật độ phân tử của chất lỏng) (5.3)

Tất cả các chất không bị biến đổi hoá học khi nung nóng có độ nhớt giảm theo hàm số mũ khi nhiệt độ tăng.

5.3 TÍNH CHẤT NHIỆT CỦA ĐIỆN MÔI

Nhiệt độ là một trong những yếu tố có ảnh hưởng lớn tới các tính chất về điện, cơ của điện môi. Những tính chất nhiệt quan trọng nhất của điện môi là: Độ bền chịu nóng, độ bền chịu lạnh, độ dẫn nhiệt và giãn nở dài.

5.3.1. Tính chịu nóng của vật liệu cách điện. Khả năng chịu nóng là khả năng của vật liệu và các chi tiết chịu đựng không bị

hư hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao hoặc sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ.

Đối với điện môi vô cơ: Khả năng chịu nóng được xác định bởi nhiệt độ (đo bằng oC) mà ở đó điện môi bắt đầu có sự thay đổi mạnh về tính chất điện (tg tăng hay điện trở suất giảm).

Đối với điện môi hữu cơ: Khả năng chịu nóng được xác định bởi nhiệt độ (đo bằng oC) mà ở đó điện môi bắt đầu có sự thay đổi mạnh về các tính chất cơ học: Khả năng chịu kéo giảm mạnh, độ cứng giảm hay khả năng chịu uốn giảm mạnh…

Đối với điện môi lỏng cần phân biệt nhiệt độ cháy và nhiệt độ chớp cháy. Nhiệt độ chớp nháy: Là nhiệt độ mà khi nung nóng chất lỏng đến nhiệt độ đó

hỗn hợp hơi của nó với không khí sẽ bốc cháy khi đưa tia lửa vào gần. Nhiệt độ cháy: Là nhiệt độ cao hơn mà khi đưa ngọn lửa lại gần bản thân chất

lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy.



*)Độ bền chịu nóng hay nhiệt độ làm việc cao nhất cho phép, là nhiệt độ mà khi sử dụng vật liệu ở nhiệt độ ấy trong các thiết bị thì thời gian phục vụ định trước theo các yêu cầu kinh tế và kĩ thuật của thiết bị được đảm bảo.

Độ bền chịu nóng có thể được giải quyết trên cơ sở độ bền chịu nóng của vật liệu có chú ý đến hệ số dự trữ. Hệ số này phụ thuộc vào điều kiện làm việc, mức độ an toàn cần thiết và tuổi thọ chất cách điện.

*) Tiêu chuẩn của Uỷ ban Kỹ thuật điện Quốc tế đã xem xét và phân loại vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng (nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép), như sau Cấp cách điện Y A E B F H C Nhiệt độ cho phép (oC) 90 105 120 130 155 180 >180

Cấp Y: bao gổm các vật liệu sợi gốc xenlulô và tơ(vải, sợi, giấy, gỗ...)chưa được ngâm tẩm trong vật liệu cách điện lỏng.

Cấp A: Là các vật liệu cấp Y đã được ngâm tẩm (giấy tẩm, vải tẩm, nhựa pôlyamit...).

Cấp E: gồm các chất dẻo có chất độn hữu cơ và lớp nhựa liên kết chịu nhiệt loại Fenol focmalđêhit và các loại khác (Hêtinắc,Téctôlit...)

Cấp B: mica vụn, sợi Amian, vải sơn thuỷ tinh, téctôlit thuỷ tinh... Cấp F: Micanit, Êpoxi poliête chịu nhiệt, silic hữu cơ... Cấp H: tương tự như cấp F, nhưng chất liên kết là loại nhựa silic hữu cơ có

độ bền nhiệt đặc biệt cao. Cấp C: Gồm các vật liệu vô cơ thuần túy, hoàn toàn không có thành phần kết

dính hay tẩm. Các loại Y, A, E gồm chủ yếu là vật liệu thuần tuý hữu cơ, Các loại có độ bền

chịu nóng cao hơn chứa thành phần vô cơ nhiều hơn. Việc phân loại các vật liệu cách điện hoặc hỗn hợp của chúng theo độ bền chịu

nóng đồi hỏi phải làm thử nghiệm rất công phu và lâu dài đối với mẫu vật liệu về sự hoá già do nhiệt trong những điều kiện gần nhất với các điều kiện làm việc bình thường của vật liệu đó (như: cường độ trường, độ ẩm không khí …)

Với các vật liệu cách điện đặc biệt giòn, dễ vỡ (thuỷ tinh, vật liệu gốm...) cần phải thử nghiệm độ bền xung nhiệt.

Thông thường nhiệt độ làm việc của các thiết bị điện bị giới hạn bởi nhiệt độ làm việc của vât liệu cách điện. Vì vậy, khả năng nâng cao nhiệt độ làm việc của chất cách điện rất quan trọng. Trong máy điện và thiết bị điện, việc nâng cao nhiệt độ cho phép nhận được công suất cao hơn khi kích thước không đổi, hoặc nếu giữ nguyên công suất thì có thể giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của thiết bị.

Nâng cao nhiệt độ làm việc đặc biệt quan trọng đối với các động cơ kéo và cầu trục, với các thiết bị điện trên máy bay... mà nhiệm vụ giảm kích thước và trọng lượng đặt lên hàng đầu. Ngoài ra còn liên quan đến các biện pháp phòng cháy và phòng nổ.



Sự giảm xấu chất lượng cách điện chỉ có thể phát hiện được khi nhiệt độ tác động lâu dài do các quá trình hoá học diễn ra một cách chậm chạp gọi là sự hoá già nhiệt chất cách điện. VD: ở màng sơn và xen lu lô: tăng độ rắn và giòn, tạo thành vết nứt...Ngoài ra, tốc độ hoá già còn chịu ảnh hưởng của áp suất không khí, nồng độ ôxy, các chất phản ứng hoá học làm nhanh hoặc chậm quá trình hoá già.

5.3.2. Tính chịu băng giá: (Hay độ bền chịu lạnh) Là khả năng chất cách điện làm việc không bị giảm độ tin cậy khi vận hành ở

nhiệt độ thấp (-70 -60oC) Thường ở nhiệt độ thấp tính chất điện của vật liệu cách điện tốt hơn nhưng

cũng có nhiều vật liệu dẻo và đàn hồi sẽ trở nên giòn và cứng ở nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho sự làm việc của chất cách điện.

Các chất lỏng cách điện ở nhiệt độ thấp có thể đông cứng làm cho các thiết bị có cách điện là chất lỏng khó có thể thao tác được, ví dụ: máy cắt dầu..

5.3.3. Độ dẫn nhiệt. Độ dẫn nhiệt của vật liệu cách điện có ý nghĩa quan trọng vì trong quá trình

làm việc, nhiệt toả ra do tổn thất công suất trong dây dẫn bọc cách điện, trong lõi thép của máy điện, tổn thất điện môi trong chất cách điện, được truyền qua môi trường xung quanh qua nhiều lớp vật liệu khác nhau. Sự truyền nhiệt kém sẽ gây ra phát nóng cục bộ ảnh hưởng đến độ bền nhiệt của vật liệu.

5.3.4. Sự giãn nở nhiệt của điện môi:

Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ: dt

dl

l

1l [độ-1] (5.4)

Những vật liệu có hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ nhỏ thường có độ bền chịu nóng cao và ngược lại.

5.4. TÍNH CHẤT HOÁ HỌC CỦA ĐIỆN MÔI

5.4.1- Tính chất hoá học Phải nghiên cứu tính chất hoá học của điện môi vì hai nguyên nhân: Độ tin cậy của vật liệu phải được đảm bảo khi làm việc lâu dài ,không bị phân

huỷ để giải thoát ra những sản phẩm phụ, không ăn mòn các kim loại tiếp xúc với nó. Không phản ứng với các chất khác.

Khi sản xuất các chi tiết có thể gia công vật liệu bằng các phương pháp hoá công khác nhau: dính được, hoà tan được trong dung dịch thành sơn.

5.4.2 Tính chịu tác động của bức xạ năng lượng cao Độ bền bức xạ là mức độ bền vững của vật liệu đối với tác động bức xạ, mức

độ duy trì tính chất điện và cơ của chúng. Bức xạ năng lượng cao có thể sử dụng trong quá trình công nghệ để tạo ra vật

liệu mới có những tính chất quý giá đối với thực tế, VD: nâng cao độ chịu nóng hoặc đối với việc tổng hợp các vật liệu mới...



Sự hấp thụ phóng xạ trong vật liệu phụ thuộc vào bản chất vật liệu và chất lượng của chính sự phóng xạ. Khi gặp bề mặt vật liệu năng lượng phóng xạ giảm theo mức độ thấm vào chiều sâu vật liệu.

Tác động của bức xạ có thể dẫn đến hàng loạt các biến đổi phân tử và phản ứng hoá học. Khi bức xạ lâu dài hoặc với cường độ rất mạnh các chất bị bức xạ đều bị phân huỷ.

Chương 6 VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

6.1. TẦM QUAN TRỌNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN - PHÂN LOẠI * Tầm quan trọng của vật liệu cách điện:

Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện. Chúng được dùng để ngăn cách giữa phần mang điện và phần không mạng điện hoặc giữa những phần mang điện với nhau.Nếu không có vật liệu cách điện thì sẽ không thể chế tạo được bất kỳ một loại thiết bị nào, cho dù là đơn giản nhất. * Phân loại:

- Phân theo trạng thái: Khí, lỏng, rắn. Ngoài ra còn có vật liệu hoá rắn. - Phân theo bản chất hoá học: Vật liệu cách điện vô cơ và hữu cơ.

+ Cách điện hữu cơ có tính cơ học đáng quý là tính dẻo, đàn hồi tuy nhiên chúng có độ bền nhiệt thấp.

+ Cách điện vô cơ thường giòn, không có tính dẻo và đàn hồi. Chế tạo phức tạp nhưng có độ bền nhiệt cao.

+ Ngoài ra còn có những vật liệu có tính trung gian giữa vô cơ và hữu cơ: đó là những vật liệu hữu cơ nhưng trong phân tử của chúng có chứa cả những nguyên tố đặc trưng cho vật liệu vô cơ: Si, Al, P...

- Phân theo khả năng chịu nhiệt: vật liệu được phân thành các cấp Y, A, E, B, F, H, C. Việc phân cấp theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép có ý nghĩa thực tiễn quan trọng.

6.2. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ Trước tiên ta cần phải nhắc đến không khí. Nó thường tham gia vào các thiết

bị điện và giữ vai trò như vật liệu cách điện hỗ trợ thêm cho các vật liệu cách điện rắn hoặc lỏng. Hay là tạo nên 1 lớp cách điện duy nhất giữa các dây dẫn trần của đường dây tải điện trên không.

1) Hiđro: H2 là 1 chất khí nhẹ. Dùng làm mát thay không khí trong các máy điện sẽ giảm được tổn thất công suất do ma sát của rôto với chất khí và do quạt gió gây ra. Do không có tác dụng ôxy hoá (vì không có ôxy) nên dùng H2 làm chậm sự hoá già chất cách điện hữu cơ trong dây quấn máy điện và loại trừ khả năng hoả hoạn trong trường hợp bị ngắn mạch bên trong máy điện.

2) Nitơ: N2 đôi khi được dùng thay cho không khí để lấp đầy tụ điện khí vì có đặc tính điện gần giống không khí.



3) Khí Elêga: Khí điện (êlêga-SF6) có độ bền điện lớn hơn không khí 2,5 lần. Nó không độc, chịu được tác dụng hoá học, không phân huỷ khi đốt nóng tới 800oC. Đặc biệt ở áp suất cao êlêga có những ưu điểm rất lớn. Chỉ 1 lượng nhỏ êlêga lẫn vào không khí cũng làm tăng độ bền điện của nó lên rất nhiều, điều đó được ứng dụng vào 1 số thiết bị điện cao áp.

6.5. ĐIỆN MÔI LỎNG

1- Dầu mỏ cách điện: a. Dầu biến áp: Được dùng nhiều trong kỹ thuật điện. Nó có công dụng chính:

+ Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây và giữa cuộn dây với vỏ máy biến áp, làm tăng độ bền điện của lớp cách điện lên rất nhiều.

+ Tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép MBA sinh ra.

+ Ngoài ra còn dùng trong các máy cắt dầu cao áp. - Dầu biến áp được chế tạo từ dầu mỏ bằng phương pháp chưng cất. Nó phải

có nhiệt độ chớp cháy cao và độ nhớt thấp. - Độ bền điện của dầu giảm nhiều nếu có lẫn nước và tạp chất. Khi sấy khô

đúng mức thì độ bền điện được phục hồi. Sau một thời gian làm việc dầu bị hóa già và người ta phải lọc và tái chế lại,

tốc độ hoá già dầu tăng lên trong các trường hợp sau: + Khi có ôxy lọt vào. Đặc biệt nó tiến triển mạnh khi tiếp xúc với ôzon + Khi nhiệt độ tăng. + Khi có sự tiếp xúc của dầu với 1 số kim loại (đồng, sắt, chì...) + Khi có tác dụng của ánh sáng. + Khi có tác dụng của điện trường cường độ cao.

b. Dầu tụ điện: Để tẩm các tụ điện giấy, đặc biệt là các tụ động lực dùng để bù trong các thiết bị điện. Khi được tẩm dầu điện trở cách điện cũng như độ bền điện tăng lên, làm giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của tụ điện.

c. Dầu cáp: Dùng để tẩm lớp giấy cách điện của cáp làm tăng độ bền điện dùng cho cáp điện lực. Có nhiều loại dầu cáp khác nhau.

2. Điện môi lỏng tổng hợp: a. Xôvôn: Là chất lỏng không mầu và trong suốt, nặng hơn dầu mỏ. Độ nhớt

cao hơn đầu biến áp nhiều. Ở nhiệt độ bình thường và ở tần số thấp 5. (nó phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số theo tính quy luật đặc trưng cho các điện môi cực tính).

Xôvôn và xôvtôn không dùng được trong các máy cắt chứa chất lỏng vì khi dập hồ quang thì trong xôvôn có bồ hóng thoát ra cùng với hơi có tính độc và tính ăn mòn. Khi làm việc cần chú ý không để dính vào da và đảm bảo thông gió tốt.

b. Chất lỏng Silic hữu cơ: Có nhỏ, độ hút ẩm nhỏ, độ bền nhiệt cao. Có thể dùng tẩm tụ điện nhưng đắt tiền và độ bền cơ thấp.



c. Chất lỏng Flo hữu cơ: Có tổn hao điện môi rất nhỏ, độ hút ẩm nhỏ không đáng kể và độ bền nhiệt cao. Độ nhớt nhỏ, tương đối dễ bay hơi, khả năng đảm bảo thoát nhiệt ra khỏi dây quấn và lõi từ của chất lỏng Flo hữu cơ mạnh hơn nhiều so với dầu mỏ. Ưu điểm: Không cháy được, có độ bền chịu hồ quang cao nhưng đắt tiền.

3. Dầu thực vật:Là những chất lỏng nhớt thu được từ hạt của những loại thực vật khác nhau. Cần đặc biệt chú ý tới dầu khô. Nó thường dùng chế tạo sơn dầu cách điện, vải sơn, tẩm gỗ...

Có 2 loại dầu khô phổ biến là dầu gai và dầu trẩu. (Thu được từ hạt gai và hạt trẩu). Dầu trẩu chóng khô hơn dầu gai.

A. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN HỮU CƠ 6.4. KẾT CẤU - PHÂN LOẠI ĐIỆN MÔI HỮU CƠ

1. Kết cấu: Trong các loại vật liệu cách điện, VLCĐ hữu cơ đóng vai trò quan trọng, nó

tham gia vào hầu hết cách điện của thiết bị điện. Vật liệu hữu cơ cao phân tử có tầm quan trọng đặc biệt. Đó là các hợp chất

của các bon (C) với các nguyên tố khác. Cấu trúc phân tử có ảnh hưởng chính đến những tính chất của các chất hữu

cơ. Một số vật liệu cách điện hữu cơ là những chất thấp phân tử (số nguyên tử hình thành phân tử là 1 vài đến hàng trăm) VD: các hyđrôcacbon của dầu mỏ, Xôvôn. Đa số là chất cao phân tử: số lượng nguyên tử rất lớn (1 phân tử có hàng chục ngàn nguyên tử) VD: các polime

2. Phân loại: * Theo nguồn gốc: Tự nhiên, tổng hợp và nhân tạo. * Theo cấu trúc phân tử: - Pôlime đường thẳng: cấu trúc phân tử hình chuỗi xích. Loại này khá mềm, co giãn tốt. Khi nhiệt độ tăng lên vừa phải thì chúng hoá dẻo sau đó nóng chảy. Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp, có khả năng tạo ra các sợi mảnh, dẻo và bền có thể tạo ra các sản phẩm dệt và màng mỏng. - Pôlime không gian: cấu trúc phân tử phát triển theo nhiều hướng khác nhau. Chúng chỉ hoá dẻo ở nhiệt độ cao và có khi chưa đạt tới nhiệt độ hoá dẻo thì nhiều loại đã bị phá huỷ về mặt hoá học (cháy, phồng lên...), khó hoà tan trong dung môi, có loại không thể hoà tan được. Chúng cũng không thể tạo ra sợi dệt và màng mỏng được. * Theo tính chất nhiệt: - Loại nhiệt dẻo: khi nhiệt độ thấp thì ở trạng thái rắn, khi bị nung nóng thì hoá dẻo và dễ biến dạng. Khi nguội đi chúng rắn trở lại và không gây nên sự biến đổi không phục hồi tính chất của chúng. Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp. Vật liệu nhiệt dẻo thường là các pôlime mạch thẳng



- Loại nhiệt cứng: khi bị nung nóng thì biến đổi tính chất không phục hồi được như trở nên rắn lại, không hoá dẻo và không hoà tan. Vật liệu nhiệt cứng thường là các pôlime không gian hoặc polime chuyển sang cấu trúc không gian khi bị đốt nóng. * Theo tính hút ẩm và các tính chất điện: - Loại có phân tử trung hoà: ít hút ẩm, tg bé, độ bền cơ học không cao. - Loại có phân tử cực tính: tính hút ẩm nhiều hơn, tính chất điện kém hơn nhưng độ bền cơ cao hơn.

6.5. NHỰA CÁCH ĐIỆN

1. Khái niệm: Là tên gọi của một nhóm rất rộng các vật liệu có nguồn gốc và bản tính rất

khác nhau nhưng có 1số đặc điểm rất giống nhau về bản chất hoá học cũng như 1 số tính chất vật lý chung. Ở nhiệt độ thấp thì nó cứng và giòn nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì nó trở nên dẻo, đàn hồi. Nhựa không hòa tan trong nước, nhưng lại hòa tan trong một số dung môi. 1. Nhựa thiên nhiên:

Là những chất do một số động vật (cánh kiến) hoặc những loại cây có nhựa (nhựa thông) tiết ra. Người ta khai thác chúng ở dạng sẵn có trong tự nhiên và chỉ cần tẩy sạch, nấu chảy... * Cánh kiến:

Do 1 số côn trùng tiết ra trên các cành cây ở xứ nóng. Người ta thu nhặt theo kiểu thủ công, lọc sạch bẩn và nấu chảy. Đặc tính cách điện: =3,5; =1015 1016.cm; tg = 0,01;Eđt= 2030 KV/mm * Nhựa thông (Colofan):

Là loại nhựa giòn mầu vàng hoặc nâu, dùng nhựa thông hoà tan trong dầu mỏ vào việc sản xuất các hợp chất để tẩm và ngâm cáp.

Đặc tính cách điện: =1014 1015.cm; Eđt= 1015 KV/mm; và tg phụ thuộc nhiệt độ đặc trưng cho điện môi cực tính. Nhiệt độ hoá dẻo: 50700C * Nhựa khoáng sản (điển hình là Copan):

Là loại nhựa khó nóng chảy. Nó bóng, cứng, khó hoà tan. Nhựa này 1 phần khai thác trong khoáng sản do các loại cây có nhựa đã sinh trưởng trước đây tách ra. 1 phần thu được từ nhựa của các loại cây đang mọc hiện nay.

Chúng dùng làm chất phụ gia cho sơn dầu nhằm tăng độ cứng của màng sơn. Hổ phách thuộc loại Côpan có: = 2,8; =1017 1019.cm và tg = 0,001 có

thể dùng làm đầu vào của các thiết bị cần có điện trở cách điện rất cao. 2. Nhựa nhân tạo: Gồm ete xenlulo (Điển hình) và este xenlulo. Chúng được tạo ra từ việc xử lý

hoá học các xenlulo tự nhiên. Chúng thuộc loại nhiệt dẻo, kém chịu nóng. được dùng chế tạo vật liệu dệt, màng mỏng, sơn, chất dẻo.

3. Nhựa tổng hợp:



Nhựa tổng hợp có vai trò quan trọng trong kỹ thuật cách điện. Theo bản chất người ta lại chia nhựa tổng hợp ra thành nhựa trùng hợp và nhựa ngưng tụ. a. Nhựa trung hoà: Êtylen, Polyêtylen (PE), Polypropylen (PP) hay Polystyrol (PS) b. Nhựa cực tính: Rượu Polyvinyl, nhựa Polimetylmetacrilat (thuỷ tinh hữu cơ), nhựa Flo hữu cơ, nhựa tổng hợp nhiệt dẻo, nhựa Phenolfomandehit

6.6. SƠN VÀ HỢP CHẤT CÁCH ĐIỆN 1. Khái niệm: Sơn: Là dung dịch keo của nhựa, của dầu khô, bi tum ... các chất ấy gọi là nền

sơn hoà tan trong dung môi dễ bay hơi. Khi sơn được sấy khô thì dung môi bay hơi còn lại nền sơn thì chuyển sang trạng thái rắn và tạo thành màng sơn.

Hợp chất khác với sơn ở chỗ thành phần của nó không có dung môi. Nó gồm các loại nhựa, bi tum, sáp dầu ... ở trạng thái đầu nếu nó là chất rắn thì trước lúc đem dùng người ta đun nóng nó lên để thu được 1 chất có độ nhớt khá thấp.

2. Sơn: * Theo cách sử dụng sơn cách điện có thể chia làm 3 nhóm chính: Sơn tẩm,

sơn phủ, sơn dán. - Sơn tẩm: Dùng để tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là cách điện ở

dạng xơ (giấy, vải, sợi, cách điện của dây quấn máy điện và thiết bị điện). Khi được tẩm chất cách điện có điện áp đánh thủng cao hơn, độ dẫn nhiệt lớn

hơn, tính thấm ẩm giảm đi, tính cơ học tốt hơn. Sau khi tẩm chất cách điện hữu cơ ít bị ảnh hưởng ôxy hoá của không khí vì vậy tính chịu nóng tăng lên.

- Sơn phủ: Dùng để tạo trên bề mặt của vật được quét sơn 1 lớp màng nhẵn bóng, chịu ẩm và bền về cơ học.

Quét sơn này lên cách điện rắn xốp để cải thiện đặc tính của chất cách điện đó (tăng điện áp phóng điện bề mặt và điện trở bề mặt, chống hơi ẩm...). Có 1 số loại sơn phủ (Emay) dùng quét trực tiếp lên kim loại nhằm tạo ra trên bề mặt của nó 1 lớp cách điện (cách điện của dây emay, các lá tôn silic...)

+ Men màu cũng được xếp vào loại sơn phủ. + Sơn bán dẫn cũng là 1 loại men màu đặc biệt. - Sơn dán: Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn lại với nhau hoặc gắn vật

liệu cách điện vào kim loại. Ngoài các đặc tính cần thiết cho sơn cách điện nó còn phải có lực bám dính cao.

* Theo chế độ sấy sơn được chia thành 2 loại: Sơn sấy nóng: (dùng dung môi sôi ở nhiệt độ cao) là loại sơn lâu khô ở nhiệt

độ thấp, phải sấy khô ở nhiệt độ > 1000C. Sơn sấy nguội: (dùng dung môi dễ bay hơi) khô khá nhanh và tốt trong không

khí ở nhiệt độ trong phòng. * Một số loại sơn cách điện quan trọng: Sơn nhựa, sơn Bakêlit, sơn

Polyclovinyl, sơn Polistirol, sơn cánh kiến, sơn xenlulo, sơn dầu, Sơn dầu nhựa… 3. Hợp chất cách điện:



Gồm 2 nhóm chính là: hợp chất tẩm và hợp chất làm đầy, dùng để tẩm và làm đầy các lỗ trống giữa các chi tiết khác nhau trong thiết bị điện, giữa các mối nối... nhằm bảo vệ chất cách điện chống ẩm và chống tác dụng của các chất có hoạt tính hoá học, tăng cường điện áp phóng điện, hoàn thiện điều kiện toả nhiệt... có thể làm tăng công suất của các thiết bị.

4. Tẩm sấy cách điện: - Mục đích: Nhằm tạo ra trên bề mặt lớp cách điện và trong thiết bị 1 lớp cách

điện tốt hơn nhằm tăng tuổi thọ của các thiết bị điện. - Trước khi tẩm chất cách điện cần đem sấy khô cẩn thận. Sau khi sơn tẩm cần

đem sấy khô lần nữa để loại bỏ dung môi. Nếu là sơn nhiệt cứng thì cần nhiệt luyện để làm rắn màng sơn.

6.7.VẬT LIỆU XƠ 1. Xơ và nguồn gốc của nó * Xơ là vật liệu mà toàn bộ hoặc chủ yếu được cấu tạo bằng các phần tử nhỏ và

dài. Độ bền cơ và độ dẻo khá cao, sản xuất thuận tiện, rẻ tiền. Độ bền điện và độ dẫn điện không cao, độ hút ẩm cao.

* Nguồn gốc: - Phần lớn là vật liệu gốc hữu cơ gồm có:

+ Vật liệu gốc thực vật (gỗ, bông, giấy chủ yếu là xenlulô) + Vật liệu gốc động vật (tơ, len) + Xơ nhân tạo: Thu được bằng cách chế biến hoá học nguyên liệu xơ thiên nhiên chủ yếu là xenlulô. + Xơ tổng hợp: Sản xuất từ các polyme tổng hợp.

- Ngoài ra còn có xơ vô cơ: Trên cơ sở mica, xơ thuỷ tinh. 3. Vật liệu dệt

Được chế tạo từ các loại xơ dài để làm vải, băng cách điện. Nó có độ bền cơ cao hơn giấy tẩm nhưng đắt tiền và có độ bền điện nhỏ hơn.

Vải và băng thường dùng bảo vệ phần cách điện chủ yếu của máy điện và thiết bị điện chống tác dụng cơ từ phía ngoài. Nó còn dùng để sản xuất vải sơn cách điện (đó là vải được tẩm sơn vừa có độ bền cơ vừa có độ bền điện cao) dùng làm cách điện trong máy điện và thiết bị điện, trong các sản phẩm cáp...

B. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN VÔ CƠ 6.8. THUỶ TINH

Là những chất không định hình và là hệ phức tạp của nhiều loại ôxit khác nhau. Thành phần chủ yếu trong đa số các loại thuỷ tinh là SiO2 => được gọi là thuỷ tinh Silicat.

1. Các đặc tính của thuỷ tinh: Biến đổi trong 1 phạm vi rộng tuỳ theo thành phần cấu tạo và chế độ nhiệt

luyện của chúng.



+ Đặc tính cơ: Độ bền nén lớn hơn bền kéo rất nhiều. Trong điều kiện bình thường thuỷ tinh rất giòn.

+ Đặc tính nhiệt: Không có nhiệt độ nóng chảy nhất định. Nhiệt độ hoá dẻo của các loại thuỷ tinh từ 400 16000C. Khi thêm chất phụ vào thì nhiệt độ hoá dẻo của thuỷ tinh giảm dần.

+ Đặc tính quang học: Phần lớn các thuỷ tinh kỹ thuật đều hấp thụ mạnh tia tử ngoại.

+ Đặc tính điện: Phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nó. 2. Phân loại và 1 vài ứng dụng của thuỷ tinh:

* Phân loại theo công dụng: - Thuỷ tinh tụ điện: Dùng làm điện môi cho tụ dùng trong bộ lọc cao thế, trong

máy tạo xung, trong mạch dao động của các thiết bị cao tần. - Thuỷ tinh định vị: Chế tạo các chi tiết định vị, sứ cách điện... - Thuỷ tinh bóng đèn:Làm bóng đèn thắp sáng và nhiều loại ống điện tử khác. - Men thuỷ tinh:Là 1 loại thuỷ tinh đục và dễ nóng chảy dùng để phủ lên mặt

ngoài của nhiều loại sản phẩm. - Thuỷ tinh có chất độn: Thuỷ tinh mica. Là những chất dẻo được ép nóng

bằng thuỷ tinh và bột mica. - Xơ thuỷ tinh:Là thuỷ tinh kéo ra thành sợi nhỏ (đường kính 4-7 micron), dài,

mềm dùng để sản xuất ra vật liệu dệt. - Sợi quang học: được làm bằng thuỷ tinh gồm 2 lớp có chiết suất khác nhau,

hệ số chiết suất của lớp lõi cao hơn lớp vỏ. Đường kính mỗi sợi khoảng 0,125mm (đường kính trong của sợi quang khoảng 4m). * Phân loại theo thành phần hoá học:

- Thuỷ tinh kiềm không chứa ôxit nặng: làm cửa kính, chai lọ. - Thuỷ tinh kiềm có chứa ôxit nặng (BaO...): Làm kính quang học và thuỷ tinh

cách điện. Các loại thuỷ tinh này có độ dẫn điện không đáng kể và tg nhỏ. - Thuỷ tinh vô kiềm: (thuỷ tinh thạch anh thuần khiết và kể cả các loại có hàm

lượng ôxit kiềm rất nhỏ) dùng vào mục đích quang học và cách điện...

6.9. VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN BẰNG GỐM

Vật liệu gốm là những vật liệu vô cơ có thể dùng để sản xuất những sản phẩm bất kỳ sau đó đem nung ở nhiệt độ cao.

Nếu ta chọn thành phần cấu tạo và quá trình công nghệ chế tạo thích hợp thì gồm có độ bền cơ học cao, góc tổn thất điện môi nhỏ, hằng số điện môi rất cao, chịu nóng tốt. Gốm có độ bền hoá già vì điện và vì nhiệt cao hơn vật liệu cách điện hữu cơ. Nó không bị biến dạng khi chịu tải trọng cơ trong 1 thời gian dài.

1. Sứ cách điện: Sứ được dùng rộng rãi vào mục đích cách điện. Sứ được chế tạo từ những loại đất sét đặc biệt cùng với khoáng thạch anh SiO2 và fenspat.

Công nghệ chế tạo sứ:



+ Lọc sạch tạp chất khỏi các chất thành phần và nhào kỹ với nước. + Gia công tạo hình đem sấy khô để loại lượng nước thừa. + Tráng men (ngăn không cho hơi ẩm thấm vào trong làm tăng độ bền cơ

cho sứ, giảm độ rò điện theo bề mặt, loại bỏ các vết nứt nhỏ trên bề mặt). + Nung: Là nguyên công cơ bản làm cho sứ có độ bền cơ học cao, chịu được

nước và có đặc tính cách điện tốt. Đặc tính điện quan trọng nhất của sứ cách điện điện áp cao là trị số điện áp

phóng điện bề mặt. Có 2 loại điện áp phóng điện: Điện áp phóng điện khô và điện áp phóng điện ướt.

Điện áp đánh thủng: Là điện áp gây ra sự đánh thủng qua chiều dày của sứ nằm giữa các điện cực. Trị số này lớn hơn điện áp phóng điện khô. * Những yêu cầu của cách điện bằng sứ:

- Bề dày của lớp sứ không quá dày (trường hợp cần lớp sứ dày người ta gắn các lớp sứ mỏng lại bằng men sứ hoặc chất kết dính khác).

- Tránh sự thay đổi đột ngột của bề dày lớp sứ, các góc cạnh của sứ cần nhẵn và tròn.

- Nên để cho sứ chịu nén trong quá trình làm việc. - Cần đảm bảo điện áp phóng điện bề mặt sứ (kể cả phóng điện khô và ướt). - Điện áp đánh thủng qua bề dày lớp sứ phải nằm trong phạm vi cho phép. 2. Các loại sứ cách điện:

a. Sứ cách điện đường dây: Sứ đứng: Đảm bảo siết cứng dây dẫn vào những vị trí nhất định của cột, dùng

ở U < 35 KV. Sứ treo: Dùng cho U 35 KV. Ta nối sứ treo riêng biệt thành chuỗi và treo

dây dẫn vào đấy. Số lượng bát sứ được xác định theo điện áp làm việc của đường dây. Cũng có thể sử dụng ở dạng thanh. b. Sứ dùng trong trạm:

Sứ đỡ: Siết cứng thanh dẫn của thiết bị phân phối điện và các chi tiết khác nhau của thiết bị điện.

Sứ xuyên: Luồn dây dẫn có điện áp cao đi xuyên qua tường hoặc vách ngăn. c. Sứ dùng trong điện báo điện thoại: Kích thước nhỏ hơn và yêu cầu kém chặt chẽ hơn sứ đứng. d. Sứ đặt trên các thiết bị: Có hình dáng và kích thước khác nhau. Quan trọng nhất là sứ đầu vào (đưa dây dẫn vào trong vỏ hoặc thùng chứa thiết bị bằng kim loại của MBA, của máy cắt dầu...). e. Sứ định vị: Gồm các puly sứ, các chi tiết của ổ cắm và phích cắm...

6.10. MIKA

1. Đặc tính của Mika: Là loại vật liệu quan trọng nhất trong các vật liệu cách điện bằng chất

khoáng thiên nhiên. Theo thành phần hoá học thì mika là những loại nhôm silicat



ngậm nước. Vì có độ bền cơ và điện cao, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt, khá dẻo nên Mika được dùng làm cách điện ở những chỗ quan trọng và làm điện môi cho 1 số tụ điện.

Điểm đặc biệt của Mika là có thể tách ra thành từng bản mỏng dễ dàng theo chiều song song giữa các bề mặt.

Phần lớn Mika vẫn giữ được đặc tính điện và cơ khá tốt khi đốt nóng lên vài trăm độ. (Nhiệt độ nóng chảy của mika: 1250 13000C). Khi tới 1 nhiệt độ khá cao nào đó nước trong cấu tạo mika bắt đầu thoát ra, các đặc tính cơ và điện kém đi. Mika bị trương phồng lên. Mika xếp vào cách điện cấp C. *)Mikanít: Được sản xuất thành tấm hoặc cuộn do những cánh mica rời dán lại với nhau, có thể dùng thêm nền bằng xơ giấy hoặc xơ bông. Nó có độ bền nhiệt cao.

6.11. AMIAN

Là nhóm khoáng vật có cấu trúc xơ, xơ càng dài chất lượng càng tốt và càng đắt tiền. Nó chịu được nhiệt độ cao, nhưng tính cách điện không cao không dùng làm cách điện cao áp, cao tần.

Xi măng Amian: Là chất dẻo được ép nguội. Thành phần của nó là những chất vô cơ, chất độn là amian, kết dính là xi măng. Sản xuất thành tấm, ống. Có đặc tính cơ không tồi và chịu được nhiệt độ cao, chống được tác dụng của tia lửa và hồ quang => dùng làm bảng phân phối và tấm chắn ngăn cách các buồng dập hồ quang. Vì đặc tính cách điện không cao nên khi dùng làm cách điện phải tẩm.

PHẦN II: VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

Chương 7 VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN

7.1. PHÂN LOẠI VÀ CÁC TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA VẬT DẪN 1. Phân loại:

* Phân loại theo trạng thái: Vật liệu dẫn điện có thể là vật rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định có thể là thể khí. * Phân loại theo điện dẫn:

Vật dẫn có điện dẫn cao: Dùng làm dây dẫn, cáp, dây quấn máy biến áp... Vật dẫn có điện trở cao: Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: Biến trở,

đèn sợi đốt, điện trở mẫu... * Phân theo tính chất:

- Vật dẫn loại 1: Có dòng điện là dòng chuyển dịch của các điện tử tự do(kim loại rắn và lỏng).

- Vật dẫn loại 2: Có dòng điện là dòng chuyển dịch của các điện tích, gồm các ion và điện tử (dung dịch điện phân, axit, kiềm…).

2. Các tính chất cơ bản: a. Điện dẫn suất: Đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của vật liệu



lSR (.mm2/m) (7.1)

b. Hệ số nhiệt của điện trở suất: Khi nhiệt độ thay đổi, điện trở suất của vật liệu cũng thay đổi, gần đúng có thể tính theo (7.2), ).1.(0 tt (7.2)

Với t và 0 là điện trở suất tại nhiệt độ t0, và nhiệt độ ban đầu, - Hệ số nhiệt của

điện trở suất tdt

dTK t

0

0

.1.1

(độ-1) (7.3)

c. Tính siêu dẫn: Ở nhiệt độ thấp điện trở suất của kim loại trở nên rất nhỏ. Theo lý thuyết thì

điện trở suất của kim loại thuần khiết có thể coi bằng 0 ở nhiệt độ không tuyệt đối (O0K = - 2730C), khi đó chúng đạt tới trạng thái siêu dẫn. d. Sự biến đổi điện trở suất khi biến dạng.

Đối với kim loại khi bị kéo hay bị nén, điện trở suất có thể thay đổi ).1.( l (7.4)

Với: - Ứng suất cơ, - Hệ số ứng suất cơ, dấu (+) khi bị éo, dấu (-) khi bị nén e. Độ dẫn nhiệt: Kim loại khác nhau có mức độ dẫn nhiệt khác nhau, thông thường kim loại dẫn điện tốt thì cũng dẫn nhiệt tốt

f. Hệ số nhiệt giãn nở dài của vật dẫn: dtdl

lTKll .1

(độ-1) (7.5)

g. Sức nhiệt điện động: Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc giữa chúng phát sinh hiệu điện thế tiếp xúc, được gọi là sức nhiệt điện động h. Tính chất cơ học của vật dẫn: Là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên kim loại. Đặc trưng bởi độ đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm, độ chịu mỏi...

7.2. VẬT LIỆU ĐIỆN DẪN CAO 1. Đồng và hợp kim của đồng:

a. Đồng: Là kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trong lỹ thuật điện, đồng có một số ưu điểm sau:

- Điện trở suất nhỏ ( = 0,017241mm2/m) - Có độ bền cơ tương đối cao. - Trong đa số các trường hợp đồng có tính chống ăn mòn tốt (bị ôxi hoá chậm

trong không khí). - Dẫn nhiệt tốt, nhiệt độ nóng chảy cao (tnc= 10830C). - Dễ gia công (Rất dẻo, dễ biến dạng khi kéo, cán, dát mỏng ), hàn gắn dễ

dàng. *) Tính chất của đồng: Điện dẫn suất rất nhạy với tạp chất ở trong đồng, với

gia công cơ khí và sự xử lý nhiệt. Cơ tính của đồng phụ thuộc vào công nghệ ra công.

+ Đồng cứng (MT): Cứng, chịu mài mòn tốt, chủ yếu được sử dụng làm tiếp điểm, thanh cái, thanh dẫn …



+ Đồng mềm (MM), đồng có ủ: Dẻo, chịu uốn và chịu kéo tốt, chủ yếu được dùng làm dây dẫn, dây quấn … b. Hợp kim của đồng: Trong nhiều trường hợp người ta sử dụng hợp kim của đồng, với một lượng nhỏ thiếc, silic, crom, magie… Hợp kim đồng có cơ tính tốt và vẫn giữ được những tính chất đáng quy của đồng. * Theo thành phần hoá học: có 2 nhóm chính

- Đồng thau (Latông): Là hợp kim đồng kẽm trong đó kẽm 46%. Nó có độ giãn dài tương đối khá cao, độ bền kéo và điện trở suất cao hơn đồng tinh khiết. Được dùng để sản xuất mọi chi tiết dẫn điện. Có thể phân thành: đồng thau dùng để đúc, dùng để cán mỏng, dùng để hàn gắn.

- Đồng thanh (Brông): Là hợp kim của đồng với 1 lượng nhỏ thiếc, Si, P, Mg, Cr ... Nó có độ bền cơ và điện trở suất lớn hơn đồng tinh khiết, được dùng để chế tạo lò xo dẫn điện, vòng cổ góp điện, dây dẫn...

-Ngoài ra còn Đồng - Cadimi : là hợp kim chịu mài mòn , được ứng dụng ở những chỗ tiếp xúc và phiến góp có công dụng đặc biệt.

2. Nhôm và hợp kim của nhôm a. Nhôm: Là kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần, có màu bạc trắng. Hệ số nhiệt độ giãn nở dài của nhôm lớn hơn đồng. Nhưng nhôm kém đồng cả về độ bền cơ cũng như các đặc tính điện. Khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện. Các tạp chất cũng làm giảm điện dẫn của nhôm.

Nếu đem so sánh hai dây dẫn có cùng chiều dài và cùng điện trở, thì dây nhôm nhẹ hơn dây đồng khoảng 2,2 lần. Điều đó có nghĩa rất lớn khi sử dụng nhôm làm dây dẫn trên không. Ngoài ra nhôm còn được dùng làm vỏ tụ điện, làm điện cực bể điện phân, làm dây quấn rotor máy điện quay… Trong đại đa số các trường hợp khác nếu dùng dây nhôm thay dây đồng thì không cớ lợi về mặt kinh tế.

*) Tính chất của nhôm: Điện trở suất cũng rất nhạy với các tạp chất, cơ tính cũng phụ thuộc vào công nghệ gia công, nhôm bị ôxy hoá mạnh tạo nên màng ôxy hoá mỏng có điện trở lớn. Lớp màng này bảo vệ nhôm khỏi bị ăn mòn nhưng tạo nên điện trở lớn ở chỗ tiếp xúc, ngoài ra nhôm còn bị ăn mòn điện hóa mạnh…

b. Hợp kim của nhôm: Theo tính công nghệ hợp kim nhôm phân thành: hợp kim biến dạng (chế tạo

bán thành phẩm bằng gia công áp lực) và hợp kim đúc (đúc chi tiết). Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo các bán thành phẩm hoặc chi tiết

bằng gia công áp lực nóng hoặc nguội (ủ mềm, tôi, tôi và hoá già nhân tạo, biến cứng, biến cứng không hoàn toàn...). Ta còn có thể phân biệt thành loại có thể hoá bền bằng nhiệt luyện và loại không hoá bền bằng nhiệt luyện.

Hợp kim nhôm đúc dùng để đúc các chi tiết có hình dạng và công dụng khác nhau.



3. Sắt: Là vật liệu rẻ tiền, có độ bền cơ học cao, sắt tinh khiết có 0,1 mm2/m, trong nhiều trường hợp sắt cũng được dùng làm vật dẫn. Trong kỹ thuật chủ yếu sắt được dùng dưới dạng hợp kim (thép) Khi sử dụng vật dẫn bằng thép sẽ gặp hiệu ứng mặt ngoài và tổn hao từ trễ, do vậy thép chủ yếu được dùng trong mạch điênh một chiều, xoay chiều tần số thấp hoặc trong những trương hợp vừa là vật dẫn vừa là vật liệu kết cấu.

4. Lưỡng kim: Là vật dẫn bằng thép được bọc đồng, hai kim loại gắn chặt với nhau trên suốt chiều dài của thanh dẫn. Các tính chất cơ và điện là trung bình của hai kim loại đó.

7.3. CÁC HỢP KIM ĐIỆN TRỞ CAO VÀ THAN KỸ THUẬT ĐIỆN

1- Các hợp kim điện trở cao: a. Manganin: Là hợp kim gốc đồng (với 12%Mn, 2%Ni) dùng phổ biến trong

các dụng cụ đo điện và điện trở mẫu (nhiệt độ làm việc 600C với điện trở và khoảng 3000C với biến trở).

b. Conxtantan: Là hợp kim 60% đồng - 40% niken, dùng để sản xuất dây biến trở và dụng cụ

đốt nóng bằng điện có nhiệt độ làm việc không quá 4000C. Có thể kéo thành sợi và cán thành tấm như Manganin. Khi đốt nóng

đến nhiệt độ tương đối cao trên bề mặt sẽ tạo màng ôxít có tính cách điện. c. Hợp kim Crôm - Niken: Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: thiết bị nung, lò điện, mỏ hàn...

Chịu được nhiệt độ cao, khả năng chống ôxy hoá tốt. d. Hợp kim Crôm - nhôm:

Là hợp kim rẻ tiền dùng trong các thiết bị nóng bằng điện công suất lớn và lò điện công nghiệp. Hợp kim này cứng và giòn, khó kéo thành sợi và thành băng dài. 2- Than kỹ thuật điện:

Dùng làm chổi than của máy điện, các điện cực đèn chiếu, điện cực các lò điện và các bể điện phân. Từ than có thể làm các điện trở có trị số cao, cái phóng điện cho mạng thông tin và dùng cả than trong kỹ thuật chân không.

Nguyên liệu sản xuất than kỹ thuật điện có thể dùng bồ hóng, than chì hay than gầy tự nhiên. Các thanh điện cực được chế tạo bằng cách nghiền nguyên liệu với chất dính kết - nhựa than đá hay đôi khi là thuỷ tinh lỏng - ép qua miệng phun. Có thể chế tạo hình dạng phức tạp bằng khuôn ép. Phôi than đi qua quá trình nung và chế độ nung sẽ quyết định dạng của cácbon trong sản phẩm. ở nhiệt độ cao cacbon chuyển sang dạng Graphit, do đó quá trình này gọi là graphit hoá.

Chổi than của các máy điện được nung ở 8000C. Chổi điện Graphit hoá nung đến 22000C. Các điện cực than làm việc ở nhiệt độ cao được nung ở nhiệt độ rất cao, đến 30000C.

7.4. MỘT SỐ KIM LOẠI KHÁC



1- Vonfram: Là kim loại rắn rất nặng, màu xám. Nó có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong các kim loại, bị ôxy hoá ở nhiệt độ 7000C. Sợi Vonfram mảnh có tính dẻo, càng giảm chiều dày của nó giới hạn bền kéo càng tăng. Nó có thể làm việc ở nhiệt độ cao trong chân không. ở điều kiện khí quyển tạo thành màng ôxit.

2- Môlipđen: Được dùng làm tiếp điểm, các lưới của bóng đèn điện tử, phần tử đốt nóng trong chân không, trong những lò điện trở có nhiệt độ đến 16000C.

3- Vàng: Có màu vàng sáng chói, có tính dẻo cao, được dùng như vật liệu tiếp xúc để làm lớp mạ chống ăn mòn, làm điện cực của tế bào quang điện... Có thể dùng hợp kim (Au + 20% Cr) làm dây dẫn ở các điện trở trong điện kế vì chúng có hệ số biến đổi của điện trở suất theo nhiệt độ bé.

4- Bạch kim (Platin): Dùng để sản xuất cặp nhiệt ở nhiệt độ làm việc đến 16000C. Do độ cứng thấp nó ít dùng làm tiếp điểm nhưng hợp kim của nó lại được dùng làm tiếp điểm (Platin- Inđi). Cũng dùng làm điện cực trong các quy trình điện phân hay mạ platin các chi tiết. Nhược điểm là đắt tiền nên chỉ dùng trong những việc quan trọng.

5- Thuỷ ngân: Là kim loại duy nhất có trạng thái lỏng ở nhiệt độ bình thường. Nó được dùng trong các dụng cụ phóng điện chứa khí vì hơi thuỷ ngân có điện thế ion hoá thấp. Nó có tính bền hoá học tốt, chỉ bị ôxy hoá ở nhiệt độ gần nhiệt độ sôi.

Nó cũng dùng làm tiếp điểm trong các rơle, chế tạo đèn chỉnh lưu thuỷ ngân, làm điện cực thuỷ ngân khi đo tính chất điện của các điện môi rắn...

6- Chất hàn: Là hợp kim đặc biệt dùng khi hàn. Nó được chọn theo kim loại được hàn, theo yêu cầu độ bền cơ, độ chống ăn mòn. Khi hàn chất hàn sẽ nóng chảy (nhiệt độ nóng chảy của chất hàn << nhiệt độ nóng chảy vật hàn), điền kín vào mối nối, bám dính vào vật liệu được hàn tạo liên kết của mối hàn được chắc chắn.

Khi hàn các bộ phận dẫn điện phải chú ý đến điện dẫn của chất hàn (chất hàn cứng: Đồng - kẽm, mềm là chì - thiếc).

7- Chất giúp chảy: Là vật liệu để giúp mối hàn được đảm bảo bền về cơ hoc, tiếp xúc tốt và đẹp. Chất giúp chảy có nhiệm vụ.

+ Hoà tan, khử ôxit và chất bẩn ở bề mặt kim loại được hàn. + Bảo vệ bề mặt kim loại trong quá trình hàn, cũng như chất hàn nóng chảy khỏi bị ôxy hoá. + Giảm lực căng mặt ngoài chất hàn nóng chảy. + Cải thiện tính chảy và dính của chất hàn với bề mặt được nối.

PHẦN III: VẬT LIỆU TỪ

Chương 8 VẬT LIỆU TỪ

8.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ TÍNH CHẤT TỪ CỦA VẬT LIỆU 1. Khái niệm chung về vật liệu sắt từ:



Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là do các điện tích luôn luôn chuyển động ngầm theo những quỹ đạo kín tạo nên những dòng điện vòng. Đó là sự quay của các điện tử xung quanh trục của mình gọi là các Spin điện tử và sự quay của các điện tử trong nguyên tử (theo quỹ đạo).

Hiện tượng sắt từ là do trong vật liệu ở nhiệt độ thấp hơn điểm Quyri đã phân sẵn thành các vùng gọi là đômen từ mà trong đó các Spin điện tử định hướng song song nhau.

Như vậy tính đặc trưng cho trạng thái sắt từ của các chất là nó có độ nhiễm từ tự phát ngay cả khi không có từ trường ngoài. Mặc dù có những vùng từ hoá tự phát nhưng mômen từ của các đômen lại có hướng khác nhau nên từ thông ở không gian bên ngoài bằng không (hiện tượng này được gọi là hiện tượng từ hoá tự nhiên, đặc trưng cho vật liệu sắt từ). Dưới tác dụng của từ trường ngoài, vật liệu từ sẽ bị từ hóa, quá trình từ hóa gồm hai giai đoạn sau:

+ Tăng thể tích của các đômen từ có véc tơ mômen tạo với hướng từ trường 1 góc nhỏ nhất và giảm kích thước của các đômen khác (Quá trình chuyển dịch mặt phân cách).

+ Quay các vectơ mômen từ theo hướng từ trường ngoài (quá trình định hướng).

Khi thể tích của các đômen không tăng được nữa và mômen từ của tất cả các miền vimô đã trùng với hướng của từ trường là lúc có bão hoà từ.

2. Các đặc trưng cơ bản của vật liệu từ a. Đường cong từ hóa: Quá trình từ hoá vật liệu sắt từ có thể đặc trưng bằng đường cong từ hoá B = f(H) có dạng tương tự đối với tất cả các vật liệu sắt từ như hình vẽ. b. Độ từ thẩm:

- Độ từ thẩm tuyệt đối là tỷ số của đại lượng cảm ứng từ B và cường độ từ trường H ở điểm xác định trên

đường cong từ hoá cơ bản. HB

t (8.1)(độ từ thẩm tuyệt

đối của chân không 0 = 4.10-7 H/m)

Độ từ thẩm tương đối 00 .

H

Bt (8.2)

Trong từ trường xoay chiều, độ từ thẩm của vật liệu được

đặc trưng bởi độ từ thẩm động max

max~ H

B (8.3)

c. Chu trình từ trễ của vật liệu sắt từ: Nếu tiến hành từ hoá vật liệu sắt từ trong từ trường xoay ngoài sau đó bắt đầu ở 1 điểm nào đó trên đường cong từ hoá cơ bản ta giảm cường độ từ trường thì cảm ứng từ cũng giảm nhưng không theo đường cũ mà giảm chậm hơn do hiện tượng từ trễ. Khi tăng

B

H

B

-HK

HK

B

0 -Hm

Hm H

Hình 8.1: Đường cong từ hóa của VLT

Hình 8.2:Chu trình từ trễ của vật liệu từ



từ trường theo hướng ngược lại thì vật liệu bị khử từ sau đó được từ hoá lại và nếu đổi chiều từ trường thì cảm ứng từ sẽ quay về điểm ban đầu. => Ta có đường cong kín đặc trưng cho quá trình từ hoá của vật liệu gọi là vòng từ trễ hay chu trình từ trễ. d. Tổn hao từ trễ và tổn hao do dòng xoáy. Trong quá trình từ hóa vật liệu từ trong từ trường xoay chiều bao giờ cũng gặp tổn hao dưới dạng nhiệt, bao gồm: tổn hao từ trễ, VBfP n

t ... max (8.4)

Và tổn hao do dòng xoáy, VBfPx ... 2max

2 (8.5)

Với , là các hệ số phụ thuộc vật liệu, f là tần số từ trường, V là thể tích khối vật liệu, n=1,6÷2 hệ số mũ.

Ta nhận thấy tổn hao này tỷ lệ thuận với tần số và thể tích khối vật liệu, trong kỹ thuật để giảm tổn hao người ta dùng các lá thép mỏng ghép cách điện với nhau. 3. Phân loại vật liệu từ. Tùy theo công dụng, VLT được phân thành” Vật liệu từ mềm, vật liệu từ cứng, vật liệu từ có công dụng đặc biệt

8.2. VẬT LIỆU TỪ MỀM

Có độ từ thẩm cao, lực kháng từ và tổn hao từ trễ nhỏ, được dùng làm lõi MBA, nam châm điện, trong các dụng cụ đo diện và trong các trường hợp cần có cảm ứng từ lớn nhất với lượng tiêu phí năng lượng nhỏ. * Sắt (thép các bon thấp): Vì điện trở suất tương đối thấp nên phần lớn chỉ dùng cho các lõi từ. Thường dùng làm mạch từ có từ thông không đổi. * Thép kỹ thuật (tôn silic): Thép lá kỹ thuật điện là vật liệu từ mềm được dùng rộng rãi nhất.Nó là hợp kim của sắt và silic (Si chiếm từ 1÷4%), do thành phần có Silic làm tăng điện trở suất và tổn hao dòng xoáy giảm.

Ký hiệu: 11, 21, 310, 330A. + Con số thứ nhất chỉ hàm lượng Silic theo %. (Số càng lớn hàm lượng silic

càng nhiều, thép có độ từ tính càng tốt nhưng độ giòn tăng, điện trở suất tăng. Quá 5% thép trở nên giòn).

+ Con số thứ 2 đặc trưng cho tính chất điện và từ của thép (chỉ chất lượng về mặt tổn hao. Số càng lớn tổn hao càng ít).

+ Con số thứ 3 (0) chỉ tôn cán nguội. + Có 2 chữ số 0 liên tiếp là thép cán nguội và ít thớ. + Chữ A ký hiệu suất tổn hao rất thấp.

* Fecmalôi: Là hợp kim Fe - Ni, có độ từ thẩm ban đầu lớn trong vùng từ trường yếu. Nó

không có hiện tượng dị hướng và từ giảo. Để nâng cao điện trở suất của nó người ta đưa thêm vào các tạp chất Mn, Si...

Fecmalôi nhiều niken (72 - 80% Ni) dùng làm lõi cuộn cảm kích thước nhỏ, biến áp âm tần nhỏ, các biến áp xung...



Fecmalôi ít niken (40 - 50% Ni) có từ cảm bão hoà lớn hơn gần 2 lần fecmalôi nhiều Niken, thường dùng làm lõi thép máy biến áp điện lực, cuộn cảm và các dụng cụ cần có từ thông cao...

Các Fecmalôi với vòng từ trễ hình chữ nhật dùng làm khuyếch đại từ, cơ cấu chuyển mạch, thiết bị chỉnh lưu và các phần tử của máy tính. * Alusipe:

Hợp kim sắt với nhôm và silic. Có đặc tính cứng và giòn nhưng dễ đúc định hình. Dùng để sản xuất màn từ, thân các dụng cụ... Do tính giòn nó có thể nghiền bột để sản xuất lõi ép cao tần.

8.3. VẬT LIỆU TỪ CỨNG

Chủ yếu được ứng dụng làm nam châm vĩnh cửu, theo thành phần, trạng thái, phương pháp chế tạo vật liệu từ cứng được chia thành các loại sau:

* Thép hợp kim hoá: Chế tạo nam châm vĩnh cửu. Chúng được hợp kim hoá với các chất phụ như: Vonfram, Crôm, Côban ...

* Hợp kim từ cứng đúc: Là hợp kim của 3 nguyên tố Al - Ni - Fe (Aluni). Vì có độ giòn và cứng chỉ có thể gia công bằng phương pháp mài nên khó chế tạo các chi tiết có kích thước chính xác.

* Các nam châm bột: Chế tạo nam châm vĩnh cửu bằng phương pháp luyện kim bột từ hợp kim Fe - Ni - Al. Nó được ép từ bột nghiền sau đó thiêu kết ở nhiệt độ cao.

* Ferit từ cứng: Loại được biết đến nhiều nhất là Ferit bari: BaO. 6Fe2O3. Thường dùng để sản xuất nam châm bari. Chúng có tính ổn định cao với tác dụng của từ trường ngoài, chịu được lắc, va đập, điện trở suất lớn. Có thể dùng ở tần số cao. Nhưng độ bền cơ thấp, độ giòn lớn, tính chất từ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.

8.4. VẬT LIỆU TỪ CÓ CÔNG DỤNG ĐẶC BIỆT

* Ferit: Là vật liệu ôxit phức tạp, nó khác với các chất sắt từ là trị số từ cảm nhỏ hơn, quan hệ giữa nhiệt độ và từ cảm phức tạp hơn và có điện trở suất cao hơn hoặc rất cao. Nó không phải là kim loại. Ferit là gốm từ có thể xếp vào loại bán dẫn điện tử (vì có điện dẫn điện tử không đáng kể). Năng lượng tổn hao ở vùng tần số cao tương đối nhỏ làm cho Ferit được dùng rộng rãi ở tần số cao. Các Ferit là những vật liệu cứng và giòn, không cho phép gia công bằng cắt gọt, chỉ có thể mài hoặc đánh bóng.

Ferit từ mềm: Có lớn, có trị số tổn hao lớn và tăng nhanh khi tần số tăng. Có hằng số điện môi tương đối lớn phụ thuộc vào tần số và thành phần của Ferit, khi tần số tăng giảm.

Ferit từ cao tần: Ngoài Ferit từ mềm ở tần số cao có thể dùng thép lá kỹ thuật điện hoặc Fecmalôi cán nguội và điện môi từ (Điện môi từ chế tạo bằng cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện).



Ferit có vòng từ trễ hình chữ nhật: Được đặc biệt chú ý trong kỹ thuật máy tính để làm bộ nhớ, trong các thiết bị chuyển mạch

* Gang và thép kết cấu: Dùng trong ngành chế tạo máy điện, thiết bị điện và dụng cụ cần có đặc tính cơ tốt và khả năng áp dụng rộng rãi các phương pháp công nghệ. Phân thành vật liệu từ tính (gang xám, thép các bon, thép hợp kim) và vật liệu không từ tính (thép không từ tính, gang không từ tính).

Gang xám: Dùng đúc vỏ máy điện, các chi tiết ghép chặt, đúc các chi tiết có hình dáng đặc biệt lớn.

Thép cacbon: thường dùng thép có hàm lượng cacbon từ 0,08 - 0,2%. Với những máy chuyên dụng và đặc biệt quan trọng dùng thép có độ bền cơ tăng cường bằng cách hợp kim hoá với niken, crôm, môlipđen.

Gang không từ `tính: Gang có pha thêm Ni, Mn. Dễ gia công cắt, điện trở gang không từ tính lớn nên giảm tổn hao dòng xoáy. Dùng chế tạo nắp, vỏ, các ống của máy cắt dầu, vòng cách của máy biến áp điện lực...

Thép không từ tính: Đưa thêm Ni, Mn vào thép. Thép không từ tính có cơ tính cao, dùng chế tạo nhiều chi tiết mà dùng hợp kim đồng, nhôm không đủ độ bền cơ.

Documents

PH - mientayvn.commientayvn.com/Dien tu/Tai_lieu/Dien_dan/Vat_lieu_ky_thuat_dien/vat_lieu... · Bài giảng Vật liệu – Khí cụ điện 4 Khi điện trường càng tăng