Giáo trình môn Vật liệu

134 trang phuongnguyen 140

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình môn Vật liệu", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mon_vat_lieu.doc

Nội dung text: Giáo trình môn Vật liệu

Giáo trình vật liệu 1
Chương 1: CẤU TẠO VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU I. CẤU TẠO CỦA VẬT LIỆU 1.1. Cấu tạo nguyên tử: Tất cả các chất tồn tại ở 3 trạng thái rắn, lỏng, khí đều được cấu tạo bằng 3 hạt cơ bản: proton, notron và electron. Nguyên tử gồm : - Hạt nhân mang điện tích dương. - Lớp vỏ gồm các điện tử (electron e) mang điện tích âm (-q) chuyển động xung quanh hạt nhân theo một quỹ đạo nhất định, tuỳ theo mức năng lượng các điện tử mà sắp xếp thành lớp. Hạt nhân nguyên tử bao gồm: - Proton mang điện tích dương +q (với q = 1,601.10-19C) - Nơtron không mang điện tích. Điện tích hạt nhân là điện tích của các proton : Z.q Trong đó:Z - số hiệu nguyên tử Về khối lượng: -27 -31 mp = mn = 1,67.10 (kg)  me = 9,1.10 (kg) Khối lượng nguyên tử xem như bằng khối lượng hạt nhân. Về số lượng: - Số hạt proton bằng số hạt electron (=Z) Ở trạng thái bình thường, nguyên tử trung hoà về điện. - Số khối: A = số proton + số notron. * Năng lượng điện tử: q 2 W 2r Trong đó:q - Điện tích điện tử r - Bán kính nguyên tử - Mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định. - Năng lượng tỉ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử. 2
- Đế di chuyển điện tử từ quỹ đạo bán kính r ra xa vô cùng cần q 2 phải cung cấp cho nó năng lượng W . 2r - Năng lượng ion hoá (Wi): năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do. Nguyên tử trung hòa về điện nhận e mất e ion âm ion dương - Quá trình ion hoá: quá trình biến nguyên tử thành ion dương và điện tử tự do. - Trong một nguyên tử, năng lượng ion hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử ở lớp ngoài cùng có mức năng lượng ion hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân nhất. 1.2. Cấu tạo phân tử: Phân tử là phần nhỏ nhất của một chất ở trạng thái tự do mà có thể mang đầy đủ tính chất của chất đó. Trong phân tử các nguyên tử kiên kết với nhau bằng liên kết hóa học. 1. Liên kết đồng hoá trị: - Đặc trưng bởi sự dùng chung điện tử của các nguyên tử trong phân tử. Mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà. Liên kết phân tử bền vững. Ví dụ: Phân tử Clo. Mỗi nguyên tử Clo có 7 electron lớp ngoài cùng, khi 2 nguyên tử Clo lại gần nhau, mỗi nguyên tử góp 1 electron để tại thành cặp điện tử dùng chung. Hình 1-1: Liên kết đồng hoá trị trong phân tử Clo 3
- Mối liên kết cộng hóa trị xảy ra giữa các nguyên tử các nguyên tố hóa học có tính chất gần giống nhau, ví dụ Ar, He, O2, H2, H2O, CO2, NH3 - Tùy theo cấu trúc các phân tử đối xứng hay không đối xứng mà ta chia các phân tử ra làm 2 loại: - Phân tử trung tính: phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và âm trùng nhau. - Phân tử cực tích (hay lưỡng cực): phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau, cách nhau một khoảng cách “l” nào đó. Phân tử cực tính được đặc trưng bởi Momen lưỡng cực: Pe q.l Trong đó: q: điện tích l : có chiều từ -q đến +q, độ lớn là chiều dài l. 2. Liên kết ion: - Là mối liên kết được tạo nên bởi lực hút giữa ion dương và ion âm. Liên kết này chỉ xảy ra giữa các nguyên tử của các nguyên tố hóa học có tính chất khác nhau. - Đặc trưng cho dạng liên kết kim loại là liên kết giữa kim loại với phi kim để tạo thành muối. Cụ thể là halogen và kim loại kiềm gọi là muối halogen của kim loại kiềm. - Những chất rắn có cấu tạo liên kết ion thường rất bền vững về nhiệt và được tạo ra dạng tinh thể khác nhau. Ví dụ: Liên kết giữa Natri và Clo trong muối NaCl là liên kết ion (vì Na có 1 electron lớp ngoài cùng nên dễ nhường 1 electrong thành Na+, Clo có 7e lớp ngoài cùng nên dễ nhận 1e và tạo thành Cl -. Hai ion trái dấu này sẽ hút lẫn nhau và tạo thành phân tử NaCl), muối NaCl có tính chất hút ẩm, tnc = o o 800 C, tsôi <1450 C. - Khả năng tạo nên một chất hoặc hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dáng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng. 4
Hình 1-2: Sơ đồ cấu tạo kim loại 3. Liên kết kim loại: - Kim lọai chỉ có thể tồn tại dưới dạng nguyên tử riêng biệt khi ở dạng khí. Khi ở thể rắn hoặc lỏng, kim loại trở thành ion dương và điện tử tự do chuyển đổi hỗn loạn. Các điện tử này gắn các ion kim loại lại với nhau tạo thành liên kết kim loại. Dạng liên kết này giải thích được những tính chất đặc trưng của kim loại: Tính nguyên khối (rắn): Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối, kim loại thường ở dạng tinh thể (mạng lục giác). Tính dẻo: do sự dịch chuyển và trượt lên nhau của các ion. Do tồn tại các điện tử tự do nên kim loại thường có ánh kim, dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Liên kết bền vững. 4. Liên kết Vandec-Van: - Đây là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể không vững chắc. 1.3. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn: Trong thực tế các mạng tinh thể có cấu trúc đồng đều hoặc không đồng đều. Tuy nhiên trong kỹ thuật ta sử dụng những vật liệu có cấu trúc đồng đều và cả không đồng đều. Mạng tinh thể có trường tĩnh điện biến đổi có chu kỳ gọi là mạng tinh thể đồng đều, ngược lại gọi là không đồng đều hay gọi là khuyết tật trong vật liệu. Khuyết tật trong vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể: 5
Phá vỡ thành phần hợp thức. Sự có mặt của các tạp chất lạ. Áp lực cơ học. Các lượng tử của dao động đàn hồi-phônôn. Mặt tinh thể phụ-đoạn tầng. Khe rãnh, lỗ xốp Khuyết tật trong vật rắn sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ học, lý học, hóa học và các tính chất về điện của vật liệu. - Khuyết tật tính năng đặc biệt tốt làm kém tính chất của vật liệu Ví dụ: chất bán dẫn n-p, các hợp kim điện tử Tạp chất Lỗ trống Tinh thãø lyï tæåíng Chæïa taûp cháút Chæïa läù träúng Cheìn nguyãn tæí vaìo giæîa Dëch chuyãøn 1.4. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn: Nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những đường quang phổ hoàn toàn xác định. Các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau. W 1- mæïc nàng læåüng bçnh thæåìng 4 3 cuía nguyãn tæí 2 : vuìng âiãûn tæí láúp âáöy W 5 3 : Mæïc nàng læåüng kêch thêch cuía nguyãn tæí 4 : Vuìng tæû do 5 : Vuìng cáúm 1 2 6
Tất cả các vật liệu đều thuộc 3 nhóm: Bán dẫn, dẫn điện và cách điện (điện môi). Sự khác nhau của các chất được giải thích nhờ vào thuyết phân vùng năng lượng. Thuyết phân vùng năng lượng: - Các nguyên tử có mức năng lượng xác định khác nhau. - Các nguyên tử ở trạng thái bình thường (không bị kích thích), 1 số mức năng lượng được các điện tử lấp đầy còn các mức năng lượng khác, điện tử chỉ có thể có mặt khi bị kích thích. Các nguyên tử bị kích thích có xu hướng trở lại trạng thái bình thường, lúc đó chúng sẽ phát ra năng lượng dưới dạng photon ánh sáng. - Trong các vật rắn, do các nguyên tử ở gần nhau, các mức năng lượng bị xê dịch tạo thành các vùng năng lượng. Giải thích tính chất của các nhóm: 1. Đối với kim loại (vật dẫn): - Khoảng cách giữa vùng lấp đầy và vùng tự do rất nhỏ: W 0.2eV Trong trường hợp này, dưới tác dụng của chuyển động nhiệt, điện tử ở vùng lấp đầy dễ dàng nhảy lên vùng tự do và trở thành điện tử tự do tham gia dẫn điện. Vì vậy, đối với vật liệu này tính dẫn điện cao và điện trở suất =10-6 >10-3 .m . 4 W 5 2 7
2. Đối với vật liệu cách điện (điện môi) Bề rộng vùng cấm W 1.5eV , do đó để 1 điện tử vùng hóa trị lên vùng tự do phải cung cấp 1 năng lượng tương đối lớn nên khó có điện tử chuyển từ vùng hóa trị lên vùng tự do, nên khả năng dẫn điện kém, thể hiện bởi = 109 1018  .m. 4 W > = 3 eV 5 2 3. Đối với vật liệu bán dẫn: Vật liệu này có bề rộng vùng cấm nằm giữa vật dẫn và vật cách điện 0.2< W <1.5eV, nên ngay ở nhiệt độ bình thường một số điện tử trong vùng lắp đầy với sự tiếp sức của chuyển động nhiệt đã có thể di 4 chuyển tới vùng tự do để hình thành tính dẫn điện của vật liệu. W <= 3eV 5 2 8
Dễ dàng nhận thấy rằng, số lượng điện tử ở vùng tự do phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ càng cao tính dẫn điện của vật liệu càng lớn. Khi một điện tử nào đó thoát khỏi vùng lấp đầy thì tại đó hình thành “lỗ trống”. Lỗ trống này lập tức được lấp kín bởi các điện tử của nguyên tử lân cận. Điện tử này sẽ để lại một lỗ trống, lỗ trống đó cũng bị tràn ngập bởi điện tử của nguyên tử lân cận khác. Như vậy sẽ hình thành những cặp “điện tử - lỗ trống” trong chất bán dẫn. Sự di chuyển của cặp điện tử lỗ trống này sẽ tạo nên tính dẫn điện của vật liệu. Điện dẫn của loại vật liệu này nằm trong khoảng = 10-4 108  . Hình 1-3: Sơ đồ phân bố vùng năng lượng của vật rắn ở 0o K II. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU 1.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện: - Dựa trên cơ sở giản đồ năng lượng.  Điện môi: -Ở điều kiện bình thường, sự dẫn điện bằng điện tử không xảy ra. 9
- Các điện tử hóa trị được cung cấp thêm năng lượng của chuyển động nhiệt nhưng vẫn không thể di chuyển đến vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. W 1,5  vài điện tử von (eV).  Bán dẫn : - Vùng cấm có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng từ bên ngoài. - Ở nhiệt độ bình thường, một số điện tử hóa trị trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển đến vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. W 0,2 1,5 (eV)  Vật dẫn : - Vùng tự do nằm sát với vùng đầy, thậm chí có thể chồng lên vùng đầy. - Số lượng điện tử tự do rất lớn, ở nhiệt độ bình thường, các điện tử hóa trị có thể chuyển qua vùng tự do rất dễ dàng. Dưới tác dụng của lực điện trường, các điện tử này tham gia vào dòng điện dẫn. W 0,2 (eV) 1.2. Phân loại theo từ tính:  Nghịch từ: Độ từ thẩm  1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài.  Thuận từ : Độ từ thẩm  1 và không phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Chất thuận từ và chất nghịch từ có  1 .  Chất dẫn từ: Độ từ thẩm  1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. 10
Phần 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN Chương II: TÍNH DẪN ĐIỆN CỦA ĐIỆN MÔI 2.1. Khái niệm chung về điện dẫn của điện môi: Khi đặt điện môi vào trong điện trường E, điện áp U thì dòng điện đi qua điện môi biến thiên theo thời gian. Dòng điện qua điện môi có thể tăng hoặc giảm theo thời gian, tùy theo cấu tạo của điện môi. Nếu dòng điện tăng theo thời gian thì sẽ phá hủy tính chất cách điện của điện môi. Dòng điện đi trong điện môi gồm 2 thành phần: I = I rò I ph.c (2-1) I, A I rò t, séc 11
Hình 2-1: Quan hệ giữa dòng điện với thời gian 1. Dòng điện đo ở điện áp một chiều; 2. Điện áp đo ở dòng điện xoay chiều - Dòng điện phân cực: Ở điện áp một chiều, dòng điện phân cực chỉ tồn tại trong thời gian quá trình quá độ khi đóng hay ngắt điện. Ở điện áp xoay chiều, dòng điện phân cực tồn tại trong suốt thời gian đặt điện áp. - Dòng điện rò: có trị số bé thì cách điện tốt, nếu trị số lớn thì tính chất cách điện của vật liệu kém. Tính chất của vật liệu cách điện được xác định qua: 1  (2-2) Trong đó: - Điện dẫn xuất - Điện trở xuất U R - Điện trở cách điện của khối điệnc dmôi: I ro (2-3) Trong đó: U - Điện áp một chiều - Đối với điện môi rắn: + Điện trở suất khối: S [.cm] v Rv . (2-4) h Trong đó:Rv - điện trở khối của mẫu[] S - diện tích của điện cực đo[cm 2 ] h - chiều dày khối điện môi[cm] + Điện trở suất mặt: d s Rs . [] l (2-5) Trong đó:Rv - điện trở mặt của mẫu[] d - chiều dài điện cực [cm] 12
l - khoảng cách giữa 2 cực [cm] - Điện dẫn suất khối: 1  1 v [.cm] (2-6) v 1 1 - Điện dẫn suất mặt:  s [] [S ] s hay (2-7) 1 Điện dẫn toàn phần:   v Rcd  s (2-8) - Hằng số thời gian tự phóng điện của tụ điện:  0 Rcd .C (2-9)  Ta có:  U U .e 0 0 (2- 10) Trong đó: C - điện dung của tụ điện U - điện áp trên các cực của tụ điện sau thời gian từ lúc ngắt tụ ra khỏi nguồn điện áp.  U0 - điện áp đạt được do tụ tích điện ( = 0). Rcđ - điện trở cách điện. 2.2. Điện dẫn của điện môi: Mật độ dòng điện chạy trong điện môi tính bằng tổng các điện tích chuyển động qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương điện trường trong một đơn vị thời gian. Xét mô hình điện môi có dạng hình trụ với tiết diện là S, chiều dài bằng vận tốc trung bình của các điện tích, điện trường bên ngoài E . 13
Hình 2-2: Mô hình điện môi Gọi: n - mật độ điện tích tự do có trong điện môi q - điện tích mỗi phân tử I - dòng điện qua điện môi Tổng các điện tích chuyển động qua tiết diện S: Q = n.q.V = n.q.S.v = I Mà: I = jS Mật độ dòng điện: j = n.q. v [A/m2] (2-11) n Với ( ) - mật độ điện tích dương n ( ) - mật độ điện tích âm K - độ linh hoạt của các điện tích - Tốc độ trung bình của điện tích dương: v( ) K( ).E (2-12) - Tốc độ trung bình của điện tích âm: v( ) K( ).E (2-13) Thay (2-12) và (2-13) vào (2-11) ta có: n q v ( ) n q v ( ) [n q K n q K ].E j ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Theo định luật Ohm:  j = E Điện dẫn của điện môi: (2-  n( ) q( ) K ( ) n( ) q( ) K ( ) 14) Dựa vào dòng điện dẫn chia điện dẫn thành 3 loại: - Điện dẫn điện tử: gồm các điện tử tự do chứa trong điện môi. - Điện dẫn ion: gồm các ion dương và ion âm. Các ion sẽ chuyển động đến điện cực khi có điện trường tác động, tại điện cực các ion sẽ được trung hòa về điện và tích lũy 14
dần trên bề mặt điện cực giống như quá trình điện phân. Vì vậy, điện dẫn ion còn gọi là điện dẫn điện phân. - Điện dẫn điện di (điện dẫn môlion): gồm các nhóm phân tử hay tạp chất được tích điện tồn tại trong điện môi, chúng được tạo nên bởi ma sát trong quá trình chuyển động nhiệt. 2.3. Điện dẫn của điện môi khí: Trong điện môi khí tồn tại song song: Quá trình tái hợp: là quá trình kết hợp giữa các điện tích trái dấu tạo thành phân tử trung hòa. Quá trình ion hóa tự nhiên: Là quá trình biến đổi nguyên tử thành ion dương và điện tử tự do. Quá trình này luôn xảy ra trong điện môi khí khi điều kiện môi trường thay đổi. Trạng thái cân bằng của điện môi đạt được khi số điện tích xuất hiện do ion hóa cân bằng với số điện tích bị tái hợp. 2 quá trình không cân bằng tồn tại lượng điện tích tự do nhất định. - Dưới tác dụng của điện trường bé, các điện tích được sinh ra bởi quá trình ion hóa tự nhiên sẽ chuyển động tạo nên dòng điện dẫn trong điện môi khí: “dòng điện dẫn không tự duy trì”. - Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi đủ lớn, những điện tích có trong điện môi nhận được năng lượng và tăng tốc độ chuyển động, khi va chạm với phân tử trung hòa sẽ gây nên ion hóa va chạm số lượng điện tích tạo nên tăng theo hàm số mũ dòng điện dẫn tăng: “dòng điện dẫn tự duy trì”. Hình 2-3 biểu diễn mối quan hệ giữa dòng điện trong điện môi khi điện áp đặt vào nó thay đổi: Đặc tính Von - Ampe (V - A) 15
Hình 2-3: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp đối với chất khí - Vùng I: trong chất khí có thể xem số lượng ion dương và âm không đổi, điện áp tăng từ 0 đến U A tương ứng với miền của định luật Ôm. Khi điện áp đặt lên hai đầu cực U tăng cường độ điện trường (E ) tăng lên lực điện trường d tác dụng lên các điện tích tăng (F = qE) t ốc độ chuyển động của các điện tích tăng mật độ dòng điện tăng và dòng điện sẽ tăng tuyến tính với điện áp tuân theo định luật Ôm. - Vùng II: ứng với khu vực điện trường có dòng điện bão hòa. Khi điện áp tăng cao, cường độ điện trường đủ lớn, tốc độ chuyển động của các điện tích lớn, các ion chưa kịp tái hợp đã bị kéo đến điện cực. Do đó có bao nhiêu điện tích sinh ra thì có bấy nhiêu điện tích đi về các điện cực trung hòa. Nhưng số lượng điện tích sinh ra bởi ion hóa tự nhiên không đổi dòng điện đạt tới trị số bão hòa mặc dù điện áp tăng nhưng dòng điện không tăng - ứng với đoạn nằm ngang của đồ thị. - Vùng III: ứng với khu vực có cường độ điện trường mạnh - dòng điện tăng nhanh không theo định luật Ôm. Điện trường lớn hiện tượng ion hóa do va chạm tăng mật độ điện tích lớn gây nên phóng điện tạo thành dòng plasma nối liền 2 điện cực chất khí trở thành vật liệu dẫn điện, dòng điện tăng theo hàm số mũ. Song với nguyên lý bảo toàn năng lượng và do công suất nguồn có hạn, để duy trì dòng điện phóng điện, điện áp sẽ không tăng mà giảm tới điện áp tự duy trì (UTDT). 2.4. Điện dẫn của điện môi lỏng: Dòng điện trong điện môi lỏng là dòng chuyển dời của các ion hay các phần tử mang điện tích. 16
Có 2 loại điện dẫn: 2.4.1. Điện dẫn ion của các điện môi lỏng: Điện tích tự do xuất hiện do: - Ion hoá tự nhiên - Phân ly bản thân chất lỏng và tạp chất. Hình 2-4: Quan hệ giữa dòng điện và điện áp a - Đặc tính V - A của điện môi lỏng có chứa tạp chất : không có thành phần dòng điện bão hòa, dòng điện tăng tuyến tính với điện áp đến giá trị điện áp tới hạn (U th). Sau đó xuất hiện quá trình ion hóa va chạm, điện tích tăng lên theo hàm mũ, dòng điện cũng tăng nhanh và dẫn đến phóng điện trong điện môi lỏng. b - Đặc tính V - A của điện môi lỏng tinh khiết: có một đoạn nhỏ giống như đoạn bão hòa của điện môi khí (chất lỏng sạch giới hạn). - Điện môi lỏng cực tính bao giờ cũng có điện dẫn suất cao hơn điện môi lỏng trung tính. - Tạp chất dễ phân ly hơn phân tử điện môi chính:  dml  dmc  tc Trong đó:  đml - điện dẫn của điện môi lỏng  đmc - điện dẫn của điện môi chính  tc - điện dẫn của tạp chất 17
- Nước là dạng tạp chất phổ biến nhất trong điện môi lỏng. Nước tồn tại trong điện môi lỏng dưới 3 dạng: • Nước hoà tan • Nước huyền phù (nhũ tương) • Nước lắng đọng Nước trong điện môi lỏng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác tuỳ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ tăng phần nước lắng động chuyển sang dạng nhũ tương, hoặc từ dạng nhũ tương chuyển sang hòa tan. Khi nhiệt độ giảm, quá trình xảy ra ngược lại. - Điện dẫn ion của điện môi lỏng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Nhiệt độ tăng chuyển động nhiệt các phân tử điện môi lỏng tăng, điện môi lỏng có sự dãn nở nhiệt, lực liên kết giữa các phân tử giảm đi, độ nhớt sẽ giảm, mức độ phân ly các phân tử do nhiệt tăng lên Điện dẫn điện môi lỏng tăng. 2.4.2. Điện dẫn điện di (điện dẫn môlion) : - Là dòng chuyển động có hướng của các phân tử mang điện tích dưới tác dụng của điện trường ngoài. Điện môi lỏng thường chứa các tạp chất (các hạt keo, sợi, bụi bẩn lơ lửng bên trong). Do quá trình chuyển động nhiệt tạp chất ma sát với phân tử điện môi lỏng tạp chất nhiễm điện. Tùy vào hằng số điện môi:   •t c d m : tạp chất nhiễm điện tích (+)   •tc dm : tạp chất nhiễm điện tích (-) Dưới tác dụng của điện trường, các khối điện tích của tạp chất sẽ chuyển động: Khối điện tích (+) đi về cực âm. Khối điện tích (-) đi về cực dương. Dòng điện dẫn điện di là sự chuyển động của các khối mang điện tích dưới tác dụng của điện trường. - Quá trình làm sạch điện môi: Đóng vào nguồn điện áp 1 chiều: khi tiếp cận với các điện cực, các điện tích của tạp chất sẽ được trung hòa về điện xung quanh điện cực tập trung số lượng lớn tạp 18
chất mật độ tạp chất trong điện môi giảm điện dẫn của điện môi lỏng giảm. Đóng vào nguồn điện áp xoay chiều: không có hiệu ứng làm sạch vì có sự chuyển hướng liên tục các tạp chất theo tần số của điện áp. GIÁ TRỊ ĐIỆN TRỞ SUẤT VÀ HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI  Điện trở suất[ v Hằng số điện Tên chất Đặc điểm .cm ] môi lỏng cấu tạo đo ở t = 20o C  - Benzen Trung tính 1013 1014 2,2 - Dầu biến Trung tính 1012 1015 2,2 áp Trung tính 1012 1015 2,0 - Xăng - Xô vôn Cực tính yếu 1010 1012 4,5 - Thầu dầu Cực tính yếu 1010 1012 4,6 Cực tính - Axêtôn mạnh 106 107 22 - Rượu Cực tính 106 107 33 Êtilic mạnh 105 106 82 - Nước cất Cực tính mạnh Nhận xét: điện dẫn của điện môi lỏng phụ thuộc vào tính chất cực tính của điện môi, điện dẫn sẽ tăng khi hằng số điện môi tăng. 2.5. Điện dẫn của điện môi rắn: 2.5.1. Điện dẫn khối của điện môi rắn: Điện môi rắn có rất nhiều loại điện dẫn của điện môi rắn rất phức tạp. - Điện dẫn trong điện môi rắn là do sự chuyển dịch của: + ion của bản thân điện môi + ion tạp chất + điện tử tự do dưới tác dụng của điện trường. ( v ) 19
- Điện trở suất khối : Là điện trở của khối vật liệu hình lập phương có cạnh là 1cm khi1 dòng điện chạy qua hai mặt đối v diện của khối điện môi đó.  v (2- 15) Quan hệ giữa điện dẫn suất (điện t trở suất) tcủa điện môi rắn   0e 0e với nhiệt độ: 20o C hay  ; Trong đó: 0 0 - điện dẫn xuất và điện trở xuất đo ở - hệ số nhiệt độ của vật liệu. - Điện môi hữu cơ trung tính không kết tinh (các thủy tinh vô cơ) có điện dẫn suất nhỏ. Độ dẫn điện của thủy tinh liên quan rất chặt chẽ với thành phần hóa học trong nhiều trường hợp nhận được giá trị điện dẫn suất định trước. GIÁ TRỊ CỦA MỘT SỐ LOẠI THỦY TINH Tên gọi thủy tinh Điện trở suất khối v đo ở t = 200oC. .cm - Pirêch natri (thủy tinh 2.108 chịu nhiệt) 8.1011 - Pirêch kali 2.1012 - Thủy tinh chì - Điện dẫn suất của các điện môi xốp khi bị hút ẩm, thậm chí với một lượng không đáng kể cũng tăng lên rất mạnh. GIÁ TRỊ v CỦA MỘT SỐ ĐIỆN MÔI RẮN XỐP Ở TRONG CÁC ĐỘ ẨM KHÔNG KHÍ KHÁC NHAU Điện trở suất khối , .cm Ở độ ẩm Ở độ ẩm Ở độ ẩm Tên vật liệu tương đối tương đối tương đối 0% và t = 70% và t = 0% và t = 20oC 20oC 100oC Đá hoa 1014 1016 108 1010 1012 1014 Gỗ 1013 1014 108 109 1012 1013 Phíp 1013 1014 108 109 1010 1011 20
2.6. Điện dẫn mặt của điện môi rắn: Trên bề mặt điện môi tồn tại các điện tích của bản thân điện môi và do các bụi bẩn, lớp nước1 bẩn gây nên. Chúng tạo nên: ( ) s - Điện dẫn suất mặts  s ( ) - Điện trở suất mặts (2-16) - Do bề mặt điện môi không phải là phẳng hoàn toàn nên trên bề mặt điện môi luôn tồn tại lớp bẩn và hơi ẩm. Chính lớp này sẽ tạo ra các điện tích tự do và sinh ra dòng rò chạy trên bề mặt điện môi Điện môi có điện dẫn mặt. - Điện dẫn mặt phụ thuộc vào các yếu tố: Bản chất vật liệu Trị số độ ẩm tương đối Cực tính vật liệu Bề mặt vật liệu - Điện dẫn suất mặt càng thấp khi cực tính vật liệu càng yếu, bề mặt điện môi càng sạch và nhẵn. Phân loại vật liệu theo điện dẫn mặt: 2.6.1. Điện môi không hoà tan trong nước: - Các điện môi trung tính và cực tính yếu không bị thấm nước: gồm các chất: parafin, polistirol; hổ phách, lưu huỳnh. - Các điện môi cực tính bị thấm nước: gồm một số loại gốm. - Đặc điểm: điện trở suất bề mặt cao, ít phụ thuộc vào độ ẩm môi trường. 2.6.2. Các điện môi hòa tan một phần trong nước: - Bao gồm phần lớn các thủy tinh kỹ thuật. Loại vật liệu này có điện trở suất mặt thấp hơn và phụ thuộc nhiều vào độ ẩm. 2.6.3. Điện môi rắn có cấu tạo xốp: - Bao gồm các vật liệu sợi (hữu cơ và vô cơ), đá hoa, clorit hoạt thạch và đa số các chất dẻo. - Do cấu tạo xốp nên trong môi trường ẩm, các vật liệu này có điện dẫn suất mặt lớn. GIÁ TRỊ ĐIỆN TRỞ SUẤT MẶT CỦA MỘT SỐ VẬT LIỆU 21
Ở ĐỘ ẨM TƯƠNG ĐỐI 70% khi bề mặt chưa sau khi làm sạch Tên điện môi s s làm sạch,  bề mặt,  - Kính cửa sổ 2.108 1.1011 - Thạch anh 2.108 1.1013 nóng chảy 1.109 1.1013 - Micalếc Kết luận: - Điện dẫn suất mặt phụ thuộc vào độ ẩm là do trên bề mặt điện môi có các chất hút ẩm và phân ly thành ion. Hơi ẩm hấp thụ bởi bề mặt gây nên các chất đó. - Nếu các chất này ngẫu nhiên rơi trên bề mặt của điện môi thì bằng cách lau sạch ta có thể nhận được điện trở suất mặt cao ở bất kỳ độ ẩm nào của không khí. - Nếu các chất đó thuộc thành phần của vật liệu thì điện suất bề mặt sẽ giảm mạnh khi độ ẩm tăng. CHƯƠNG 3SỰ PHÂN CỰC CỦA ĐIỆN MÔI 3.1. Khái niệm về sự phân cực và hằng số điện môi: 22
1. Khái niệm: Đặt điện môi vào trong điện trường E, trong điện môi xảy ra quá trình phân cực: Trên bề mặt điện môi phía điện cực dương xuất hiện các điện tích âm, ngược lại trên bề mặt điện môi phía điện cực âm xuất hiện các điện tích dương trái dấu với điện cực bên ngoài. Hình 3-1 Định nghĩa: Phân cực điện môi là: + sự chuyển dịch có giới hạn của các điện tích ràng buộc + sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của lực điện trường. * Cơ chế phân cực của điện môi: Các phân tử không phân cực: bình thường không có cực tính nhưng dưới tác dụng của điện trường, lớp vỏ điện tử và hạt nhân sẽ dịch chuyển (lớp vỏ điện tử chuyển động ngược chiều điện trường, hạt nhân chuyển động cùng chiều điện trường). Điện trường càng lớn thì sự dịch chuyển càng mạnh làm cho phân tử bị phân cực. Các chất có cấu tạo lưỡng cực: bình thường chúng chuyển động hỗn loạn theo chuyển động nhiệt. Khi có tác dụng của điện trường, các lưỡng cực định hướng một phần theo chiều điện trường. 23
Các chất có cấu tạo ion: dưới tác dụng của điện trường,các ion sẽ dịch chuyển theo cùng hoặc ngược chiều tác dụng của điện trường. - + + + + + + + + + - - - - - - - - - E' E0 + + + + + + + + + - - - - - - - - - - Kết quả: Trên bề mặt điện môi sẽ xuất hiện các điện tích trái dấu với điện tích trên bản cực, và tạo nên một cường độ điện trường phụ E’ ngược chiều với điện trường ngoài. Đây chính là quá trình tích điện của tụ điện. - Khi xảy ra phân cực, trên bề mặt điện môi xuất hiện điện tích trái dấu với dấu của điện cực bên ngoài, do đó điện môi tạo thành 1 tụ điện có điện tích: Q = CU (3-1) Trong đó:C - điện dung của tụ điện U - điện áp đặt vào tụ điện Điện tích Q gồm 2 thành phần: Q = Q0 + Q’ (3-2) Trong đó: Q0 - điện tích trên bản cực của tụ điện khi điện môi bên trong tụ là chân không. Q’ - điện tích tạo nên trên bản cực do sự phân cực bên trong điện môi. 2. Hằng số điện môi: 24
- Là tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện chế tạo từ loại điện môi khi điện áp đặt vào có giá trị nào đó với Q 0 là điện tích của tụ điện khi điện môi là chân không. Q Q Q' Q'  0 1 Q0 Q0 Q0 (3-3) Ta có:  1 - Giá trị hằng số điện môi tương đối của một chất bất kỳ không phụ thuộc vào việc chọn hệ đơn vị. Chỉ1 hằng số điện  F/m môi của chân không phụ thuộc hệ đơn vị:0 36 .109 + Hệ CGSE: 0 1 + Hệ SI: Từ (3-1) và (3-3):Q Q0 CU C0U (3-4) C  C0 (3-5) Trong đó:C0 - điện dung của tụ điện chân không Kết luận: Hằng số điện môi của một điện môi bất kỳ có thể xác định bằng tỷ số giữa điện dung tụ điện của điện môi đó với điện dung tụ điện cùng kích thước điện cực khi điện môi là chân không. 3.2. Các dạng và loại phân cực xảy ra trong điện môi: Theo thời gian xác lập phân cực: 2 dạng chính 1. Phân cực nhanh: - Xảy ra trong một thời gian rất nhanh khi điện môi bị tác (10 12 10 15 giây) dụng bởi điện cực bên ngoài . - Đàn hồi hoàn toàn, không sinh ra tổn hao điện môi (không phát sinh nhiệt). - Biểu diễn: - 2 loại phân cực chính: 25
Phân cực điện tử nhanh: Là sự dịch chuyển đàn hồi và định hướng của lớp vỏ điện tử của nguyên tử trong phân tử hoặc ion. Ví dụ: Ở nguyên tử khi chưa đặt điện trường, điện tử chuyển động xung quanh hạt nhân, tâm của điện tích âm trùng với tâm của điện tích dương. Khi đặt điện trường vào thì điện tử sẽ dịch chuyển ngược chiều điện trường, còn hạt nhân chuyển động cùng chiều điện trường, kết quả làm tâm điện tích âm và dương lệch nhau một khoảng a. E -q a +q -q +q Đặc điểm: - Thời gian phân cực diễn ra rất bé t = 10-15 (s) - Quá trình phân cực không phát tán năng lượng, không tổn hao nên thuộc dạng phân cực thứ nhất. - Những chất có phân cực điện tử chủ yếu thì  = n2 ( n - hệ số khúc xạ ánh sáng). - Khi nhiệt độ tăng thì sự phân cực tăng. - Phân cực điện tử thường xảy ra với chất khí. Phân cực ion nhanh: Đặc trưng cho các điện môi có cấu trúc tinh thể ion, được tạo ra nhờ sự dịch chuyển đàn hồi của các ion liên kết dưới tác dụng của điện 26
trường ngoài. Do dịch chuyển đàn hồi mà không phát tán năng lượng. Ví dụ: Tinh thể ion NaCl Chæa âàût âiãûn ræåìng E Khi âàût âiãûn træåìng Đặc điểm: - Thời gian phân cực diễn ra rất bé t = 10-12 (s). - Do diễn ra tức thời, không phát tán năng lượng nênn thuộc dạng phân cực thứ nhất. - Khi nhiệt độ tăng thì phân cực tăng. - Thường thấy ở chất có cấu tạo ion liên kết chặt chẽ. 2. Phân cực chậm: - Xảy ra chậm( 1 0 10 giây, hàng phút, hàng giờ, nhiều giờ). - Gây tổn hao điện môi. - Biểu diễn: - 5 loại phân cực chính: Phân cực lưỡng cực chậm: được tạo nên bởi sự định hướng một phần của lưỡng cực dưới tác dụng của cường độ điện trường trong khi đang chuyển động nhiệt hỗn loạn. Đặc điểm: - Thời gian phân cực lớn. 27
- Tổn hao năng lượng lớn nên thuộc dạng phân cực chậm. - Khi nhiệt độ thay đổi thì phân cực cũng thay đổi nheng quan hệ giữa nhiệt độ và phân cực rất phức tạp, thể hiện qua quan hệ:  = f(t0)  max 0 to t0 Phân cực điện tử chậm: được tạo nên bởi các điện tử khuyết tật do tạp chất. Đặc điểm: - Thời gian phân cực lớn và tiêu tốn năng lượng. - Thuộc dạng phân cực thứ hai. - Xảy ra ở các chất có chiết suất ánh sáng lớn nên  = n 2 lớn. Phân cực ion chậm: được tạo nên bởi các chuyển động thừa của các nút ion dưới tác dụng của điện trường trong khi đang chuyển động nhiệt hỗn loạn quanh vị trí cân bằng. Đặc điểm: - Có thời gian và tổn hao năng lượng. - Đặc trưng cho các chất có liên kết ion không chặt chẽ. Phân cực kết cấu: Là phân cực phụ xảy ra trong các vật liệu rắn có cấu tạo không đồng nhất và có tạp chất. Bản chất của sự phân cực này là sự dịch chuyển của các ion liên kết yếu dưới tác dụng của điện trường ngoài, tạo 28
thành điện tích không gian trên ranh giới tiếp xúc giữa các miền khác nhau. Đặc điểm: - Xảy ra ở tần số thấp, kèm theo tổn hao năng lượng lớn. - Xảy ra có thời gian. Phân cực tự phát. Hình 3-2: Sơ đồ đẳng trị tổng quát các loại phân cực điện môi 3.3. Phân loại điện môi theo dạng phân cực: 1. Nhóm thứ nhất: - Bao gồm các điện môi chủ yếu chỉ có loại phân cực điện tử nhanh: + Các chất trung tính ở trạng thái rắn. + Một số chất cực tính yếu có cấu trúc tinh thể, cấu trúc không định hình. Ví dụ: parafin, lưu huỳnh, polistirol, benzon, hydro, dầu máy biến áp, dầu tụ điện 2. Nhóm thứ 2: - Gồm các điện môi có phân cực điện tử nhanh và phân cực lưỡng cực chậm: + Các chất hữu cơ cực tính ở trạng thái nửa lỏng nửa rắn. Ví dụ: hỗn hợp dầu côlôfan, êpôcxi, xenlulô, hydrocacbon bị clo hóa 3. Nhóm thứ 3: 29
- Bao gồm các điện môi rắn vô cơ có phân cực điện tử và ion nhanh, phân cực điện tử và ion chậm: - Đặc tính cách điện khác nhau Nhóm tách thành 2 phân nhóm vật liệu: + Điện môi có phân cực điện tử và ion nhanh: gồm các tinh thể có ion ràng buộc chặt chẽ. Ví dụ: thạch anh, corundum, mica, bột đá mài, muối mỏ, kim cương, rutil + Điện môi có phân cực điện tử và ion cả nhanh lẫn chậm: gồm có thủy tinh vô cơ, vật liệu sứ, micalếch và các điện môi có cấu tạo tinh thể ràng buộc yếu. 4. Nhóm thứ 4: - Gồm các điện môi xécnhét được đặc trưng bởi phân cực tự phát, phân cực điện tử và ion nhanh, phân cực điện tử chậm. Ví dụ: muối xécnhét, titanatbari, các chất có từ tính 3.4. Hằng số điện môi của chất khí: Các chất khí có: - Mật độ phân tử rất nhỏ so với chất lỏng và rắn - Khoảng cách giữa các phân tử lớn hơn nhiều so với bán kính của chúng Lực tương tác giữa các phân tử khí không đáng kể Sự  1 phân cực trong chất khí không đáng kể,  1,00058 Ví dụ: Đo không khí ở nhiệt độ t = 20oC, ápkk suất P = 1ata: . 3.4.1. Điện môi khí trung tính: - Chỉ tồn tại loại phân cực điện tử nhanh. -  tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và tỉ lệ thuận với áp suất khối điện môi khí. Hình 3-3: Quan hệ giữa  với áp suất P khi T = const 30
 T Hình 3-4: Quan hệ giữa  với áp suất T khi P = const -  của các chất khí tăng khi bán kính phân tử càng lớn. Bảng 3-1: HẰNG SỐ ĐIỆN MÔI CỦA CÁC CHẤT KHÍ  khi t = Hệ số Bán kính 20OC và Tên gọi khúc xạ phân tử, n2 P = 760 mm chất khí ánh sáng, A0 cột thuỷ n ngân Hêli 1,12 1,000035 1,00007 1,000072 Hyđrô 1,35 1,000140 1,00028 1,000270 Ôxy 1,82 1,000270 1,00054 1,000550 Argon 1,83 1,000275 1,00055 1,000560 Nitơ 1,91 1,000300 1,00060 1,000600 Axit cacbonic 2,3 1,000500 1,00100 1,000960 Êtilen 2,78 1,000650 1,00130 1,001380 Bảng 3-2: QUAN HỆ GIỮA VỚI ÁP SUẤT CỦA MỘT SỐ CHẤT KHÍ Không khí Axit Cacbonic Nitơ Áp suất,  Áp suất,  Áp suất,  at at at 1 1,00058 1 1,00098 1 1,0006 20 1,0108 20 1,020 20 1,0109 40 1,0218 40 1,050 100 1,055 31
Bảng 3-3: QUAN HỆ GIỮA  CỦA KHÔNG KHÍ VỚI NHIỆT ĐỘ o Nhiệt độ, C  kk +60 1,00052 +20 1,00058 -60 1,00081 - Ảnh hưởng của độ ẩm không khí đối với hằng số điện môi không đáng kể ở nhiệt độ bình thường, nhưng nó tăng rõ rệt ở nhiệt độ cao. Bảng 3-4: QUAN HỆ GIỮA  CỦA KHÔNG KHÍ VỚI ĐỘ ẨM Độ ẩm không khí, %  0 1,00058 50 1,00060 100 1,00064 3.4.2. Điện môi khí cực tính: - Tồn tại 2 loại phân cực chính: Phân cực điện tử nhanh (chủ yếu) Phân cực lưỡng cực - Khi nhiệt độ tăng, khả năng định hướng của các lưỡng cực giảm  giảm. Khi nhiệt độ vô cùng lớn thì  có giá trị của phân cực điện tử nhanh vì khi đó, chuyển động nhiệt lớn làm cản trở sự định hướng của các phân tử lưỡng cực. 3.5. Hằng số điện môi của điện môi lỏng: 3.5.1. Điện môi lỏng trung tính: - Chủ yếu là phân cực điện tử nhanh. -  của điện môi lỏng trung tính phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nhưng không bị ảnh hưởng của áp suất: Khi nhiệt độ tăng thì điện môi lỏng dãn nở nhiệt khoảng cách giữa các phân tử tăng mật độ phân tử giảm giảm. -  của điện môi lỏng trung tính không phụ thuộc vào tần số điện môi lỏng trung tính có thể sử dụng ở bất cứ tần số nào.  32
 t oC Hình 3-5a Hình 3-5b Quan hệ giữa với nhiệt độ Quan hệ giữa với tần số Bảng 3-5: CỦA CÁC CHẤT LỎNG TRUNG TÍNH VÀ CỰC TÍNH YẾU Tên chất lỏng n 2  Benzen 2,25 2,218 Toluen 2,25 2,294 Têtraclorua 2,135 2,163 Nhận xét: Với chất lỏng trung hòa hay cực tính yếu thì < 2,5. 3.5.2. Điện môi lỏng cực tính: - Có 2 dạng phân cực: Phân cực điện tử nhanh Phân cực lưỡng cực - Phân tử có cực tính càng mạnh (trị số Mômen lưỡng cực lớn) và mật độ phân tử cao thì càng lớn nước, rượu êtilic (những chất dẫn điện yếu bằng ion) có cực tính mạnh không thể ứng dụng là điện môi do độ dẫn điện lớn. -  phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ.  33
Hình 3-6  f (t o ) khi f f f 1 2 3 Hình 3-7 Quan hệ Quan hệ giữa với tần số Nhận xét: Đường 1 ở tần số f1: + Khi nhiệt độ tăng, lực liên kết giữa các phân tử chất lỏng giảm (do có sự giãn nở nhiệt) sự xoay hướng của các phân tử lưỡng cực dễ dàng hơn tăng. + Khi ở nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt của các phân tử lớn cản trở sự xoay hướng của các phân tử lưỡng cực  giảm. +  max ở nhiệt độ t * khi sử dụng điện môi lỏng cực tính cần tránh vùng nhiệt độ lân cận t*. - Tần số của điện trường làm thay đổi: + Ở tần số thấp, các lưỡng cực xoay kịp theo hướng của điện trường các phân cực có thể xảy ra trọn vẹn lớn  và gần bằng  bd - hằng số điện môi khi đo ở điện áp 1 chiều. + Ở tần số tăng cao, các phân tử cực tính không kịp định hướng theo sự biến đổi của trường phân cực xảy ra không trọn vẹn giảm và tiến đến trị số - hằng số điện môi đo ở tần số cao vô cùng. Kết luận: Hằng số điện môi cực đại giảm khi tần số tăng và ở nhiệt độ cao hơn. Muốn có phân cực trọn vẹn cần phải tăng nhiệt độ để giảm lực liên kết giữa các phân tử và khi đó các phân tử cực tính kịp xoay theo tần số của điện trường. Bảng 3-6: CỦA CÁC CHẤT LỎNG CỰC TÍNH Tên chất lỏng  với t = 20oC và f = 50Hz Thầu dầu 4,5 Xôvôn 5,0 Xốvtôn 3,2 34
3.6. Hằng số điện môi của điện môi rắn: Do đặc điểm cấu tạo đa dạng về cấu trúc và thành phần của điện môi rắn có giá trị nằm trong phạm vi rộng. 3.6.1. Hằng số điện môi của chất rắn trung tính: - Chỉ tồn tại phân cực điện tử nhanh. - giảm khi nhiệt độ tăng (do chất rắn giãn nở nhiệt nên mật độ phân tử giảm). Hình 3.8: Quan hệ  f (t 0 ) của parafin Bảng 3-7 :  CỦA MỘT SỐ ĐIỆN MÔI RẮN TRUNG TÍNH Tên vật liệu  (t 200 C, f 50Hz) Parafin 1,9 2,2 Polistirol 2,4 2,6 Lưu huỳnh 3,6 4,0 Kim cương 5,6 5,8 3.6.2.Hằng số điện môi của chất rắn có kết cấu tinh thể ion: a. Điện môi rắn có cấu tạo ion liên kết chặt chẽ : - Có phân cực điện tử nhanh và ion nhanh. -  nằm trong phạm vi rộng. - Khi nhiệt độ tăng: Mật độ phân tử giảm Xảy ra hiện tượng tăng khả năng phân cực của các ion. 35
Ảnh hưởng tăng mạnh hơn nhiều so với sự giảm mật độ  tăng theo nhiệt độ.  t o C Hình 3.9: Quan hệ  f (t 0C) của tinh thể KCL Bảng 3-8 : CỦA CÁC TINH THỂ ION Tên gọi tinh thể  Muối mỏ (NaCl) 6 Cương ngọc (Al203) 10 Rutin (TiO2) 110 Canxi Titanat (CaO.TiO2) 150 b. Điện môi rắn có cấu tạo ion liên kết không chặt chẽ : - Ngoài phân cực điện tử và ion nhanh còn có phân cực ion chậm. - Hằng số điện môi không cao. 3.6.3. Hằng số điện môi của thủy tinh vô cơ: -  nằm trong phạm vi tương đối hẹp,. 4  20 - Tồn tại 2 loại phân cực: điện tử nhanh và ion nhanh.  36
Hình 3.10: Quan hệ  f (t 0C) của thủy tinh Nhận xét: Ở vùng nhiệt độ thấp t tc, ở nhiệt độ cao chuyển động nhiệt rất mạnh thay đổi phân tử và cản trở sự phân cực giảm mạnh. Bảng 3-9 :  CỦA THỦY TINH VÔ CƠ Tên gọi các thủy tinh vô  cơ Thạch anh nóng chảy 4,5 Thủy tinh Kiềm 6,5 Thủy tinh barit 10,0 3.6.4. Hằng số điện môi của điện môi rắn hữu cơ cực tính: - Ngoài phân cực điện tử nhanh còn có phân cực lưỡng cực chậm. -  phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và tần số của điện trường theo quy luật như các chất lỏng cực tính. Khi sử dụng các điện môi rắn cực tính trong điều kiện nhiệt độ và tần số thay đổi cần lưu ý tính toán cho phù hợp để điện môi không bị phá hủy.   37
Hình 3.11: Quan hệ  f (t 0 , f ) của sáp galovac Bảng 3-10 : CỦA CÁC ĐIỆN MÔI RẮN CỰC TÍNH Tên điện môi rắn  Nhựa phênol fôcmandehit 4,5 Sáp galovac 5,0 Xenlulô 6,5 Êpốcxi 3 4 Silic hữu cơ 3 5 3.6.5. Hằng số điện môi của các điện môi xécnhét (có từ tính): -  nằm trong dải rất rộng, từ vài đơn vị đến vài trăm. -  phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và cường độ điện trường.   Hình 3.12: Quan hệ  f (t 0 , f ) của gốm TitanatBari (BaTiO3) 38
Hình 3.11: Quan hệ  f (E) của chất xécnhét Nhận xét: đạt cực đại ngay tại một số điểm nhiệt độ thấp cấu trúc của tinh thể ion thay đổi khi nhiệt độ thay đổi. Điểm Quyri : là nhiệt độ mà tại đó  đạt trị số cực đại. Trong miền nhiệt độ cao hơn điểm Quyri : - Thuộc tính xécnhét của vật liệu không còn. - Đặc biệt,  không còn phụ thuộc vào điện trường nữa. Bảng 3-11:  CỦA CÁC ĐIỆN MÔI XÉCNHÉT Ở t = 20OC TRONG ĐIỆN TRƯỜNG YẾU Tên vật liệu  Muối xécnhét 500  600 Titanat Bari 1000 1500 Titanat Bari có thêm chất 7000 9000 phụ 3.6.5. Hằng số điện môi của tổ hợp các chất cách điện rắn: Xét tổ hợp cách điện gồm 2 chất với hằng số điện môi là 1 , .2 Tỷ lệ tương đối của các thành phần tương ứng là X 1 và X2 : X1 + X2 = 1. Hằng số điện môi của tổ hợp 2 cách điện : k k k  X 11 X 2 2 (3-6) Trong đó: k - hệ số mũ nói lên đặc điểm sắp xếp của các thành phần. Nếu 2 điện môi đặt vuông góc với phương của điện trường (mắc nối tiếp): 1 X X k = -1 1 2  1  2 (3-7) 39
Nếu 2 điện môi đặt song song với phương của điện trường (mắc song song): k = 1  X 11 X 2 2 (3-8) Nếu 2 chất trộn đều vào với nhau: k 0 ln X 1 ln1 X 2 ln 2 (3-9) CHƯƠNG IV: TỔN HAO TRONG ĐIỆN MÔI 4.1. Khái niệm về tổn hao điện môi Khi điện trường tác dụng lên điện môi, trong điện môi xảy ra quá trình dịch chuyển các điện tích tự do và điện tích 40
ràng buộc trong điện môi xuất hiện dòng điện dẫn và dòng điện phân cực tác dụng lên điện môi làm cho điện môi nóng lên, tỏa nhiệt và truyền nhiệt vào môi trường. Phần năng lượng nhiệt này không sinh ra công tổn hao điện môi. - Ở điện áp một chiều: trong điện môi không có sự phân cực theo chu kỳ năng lượng tiêu hao chỉ do dòng điện rò gây nên dùng điện trở suất xác định chất lượng của vật liệu. - Ở điện áp xoay chiều: trong điện môi ngoài dòng điện rò còn có dòng điện do phân cực gây nên phải dùng các đặc tính khác để xác định chất lượng vật liệu cách điện. * Các định nghĩa: - Công suất tổn hao điện môi: là phần năng lượng tỏa ra bên trong điện môi trong một đơn vị thời gian làm cho điện môi nóng lên khi có điện áp đặt vào điện môi. Kí hiệu: P[W] - Suất tổn hao điện môi: là phần công suất điện môi tính cho một đơn vị thể tích điện môi, tức là năng lượng tỏa ra bên U trong điện môi trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích khi có điện áp tác dụng vào. - Góc tổn hao điện môi: là góc phụ của góc lệch pha giữa dòng điện chạy trong điện môi và điện áp tác dụng lên điện môi. I Kí hiệu: với  90o (độ). Điện áp một chiều: Tổn hao điện môi: U 2 P R.I 2 (4-1) R Trong đó: R- điện trở vật liệu ( ) I - dòng điện qua vật liệu (A) U- điện áp đặt lên vật liệu (V) Điện áp xoay chiều: Tổn hao điện môi: P = U.I.cos = U.IR = U.IC.tg = 41
U = U.tg U 2 .C.tg (4-2) X C Trong đó: P- công suất tổn hao U- điện áp đặt vào vật thể  - tần số góc ( 2 f ) - góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp Hình 4.1 C- điện dung của tụ . Điện môi lý tưởng: = 90o,  = 0 P = 0. Khi càng bé thì P càng lớn. Để xác định khả năng phát tán năng lượng của điện môi trong điện trường: dùng góc tổn hao điện môi và tg . . (4-2) Khi điện áp và tần số không đổi, P tỉ lệ với tg . I P tg = R Q - công suất phản kháng I C Q (4-3) . So sánh 2 điện môi có cùng kích thước dưới cùng một giá trị điện áp: 2 P1 U C1tg1 C01tg1 1tg1 2 P2 U C2tg 2 C0 2tg 2  2tg 2 (4-4) Tổn hao điện môi thường có quan hệ với hằng số điện môi và tg  của chất đó. Hệ số tổn hao điện môi:  ' .tg (4-5) khái niệm chính xác hơn khả năng phát nhiệt của điện môi: vừa cho biết khả năng phân cực của điện môi ( ), vừa cho biết giá trị tổn hao điện môi (tg ). P lớn nhiệt độ phát nóng trong điện môi tăng dần lên, khi vượt quá giá trị cho phép điện môi bị phân hủy nhiệt điện môi bị mất tính cách điện: phóng điện do nhiệt gây nên. 42
Nếu U đặt lên điện môi không đủ lớn để tạo nên độ nóng quá mức cho phép tổn hao điện môi gây ra tổn thất điện môi vẫn đưa ra những tác hại nghiêm trọng: . Tăng điện dẫn của điện môi . Các tham số vật liệu thay đổi . Sơ đồ mạch điện thay đổi. Do tổn hao điện môi liên quan trực tiếp đến sự phân cực điện môi có thể xét tổn hao điện môi theo mối quan hệ giữa điện tích Q trên cực của tụ điện và điện áp tác dụng U: Q Q Q S=P S=P u u u a) b) c) Hình 4-2: Quan hệ Q = f(U) a) Điện môi không có tổn hao (Điện môi trung tính) b) Điện môi cực tính; c) Điện môi xécnhéc - Hình 4-2a: Khi tổn hao điện môi không phải do hiện tượng phân cực gây nên, điện tích phụ thuộc vào điện áp theo quan hệ đường thẳng (Q = CU). - Hình 4-2b: Nếu trong điện môi có hiện tượng phân cực chậm liên quan với tổn thất năng lượng thì đường cong quan hệ điện tích theo điện áp có dạng elip. Diện tích của hình elip (S) tỉ lệ với năng lượng tiêu tốn trong điện môi với một chu kỳ biến đổi điện áp (P): S P - Hình 4-2c: Đường cong quan hệ điện tích theo điện áp có dạng đường cong từ trễ của vật liệu từ. Diện tích của chu trình tỉ lệ với tổn thất năng lượng trong một chu kỳ: S P Trong thực tế, khi xác định tổn hao điện môi của một mẫu vật liệu: . Xác định diện tích S của quan hệ giữa Q và U. . So sánh với tổn hao của một vật mẫu. 43
4.2. Các dạng tổn hao trong điện môi: 1. Tổn hao điện môi do dòng điện rò: Điện môi kỹ thuật luôn tồn tại các điện tích và điện tử tự do. Dưới tác dụng của điện trường, các điện tích kể trên sẽ tham gia vào dòng điện dẫn và tạo nên dòng điện rò. Dòng điện rò này kết hợp với điện trở điện môi gây nên tổn thất nhiệt. - Điện môi rắn: dòng điện rò đi trên bề mặt và trong khối điện môi. - Điện môi khí và lỏng: chỉ có dòng điện khối. Nếu dòng điện rò lớn thì tổn hao trong điện môi có trị số đáng kể. 1,8.1012 tg . f . (4-6) Trong đó: f - tần số của điện trường (Hz) - điện trở suất [.cm] Tổn hao điện môi dạng này phụ thuộc vào tần số của điện trường. Tg giảm theo quy luật Hyperbolic khi tần số tăng. Khi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của điện môi tăng theo quy luật hàm mũ tổn hao điện môi cũng tăng theo quy luật này: t P t P0e (4-8) 0 Trong đó: P t - tổn hao công suất ở nhiệt độ t C o P 0 - tổn thất ở nhiệt độ 20 C - hằng số mũ của vật liệu / hệ số nhiệt t - nhiệt độ, oC 2. Tổn hao điện môi do phân cực: - Xảy ra ở các chất phân cực chậm: cấu tạo lưỡng cực cấu tạo ion ràng buộc không chặt chẽ. 44
- Do sự phá hủy chuyển động nhiệt của các phân tử dưới tác động của cường độ điện trường phát sinh năng lượng tiêu tán và điện môi bị phát nóng. - Tổn hao điện môi tăng dần theo tần số của điện áp đặt lên điện môi (rõ nhất ở tần số vô tuyến và tần số siêu cao). Khi ở các tần số cao, tổn hao điện môi có trị số lớn tới mức phá hủy vật liệu không dùng điện môi cực tính mạnh ở tần số cao trong kỹ thuật điện. - Ở một nhiệt độ nào đó đặc trưng cho mỗi loại vật liệu, quan hệ của tg với nhiệt độ của các điện môi cực tính có giá trị cực đại. 3. Tổn hao điện môi do ion hóa: - Xảy ra trong các điện môi khí. - Xuất hiện trong các điện trường không đồng nhất khi cường độ điện trường cao hơn trị số bắt đầu ion hóa của điện môi. Ví dụ: không khí ở xung quanh dây dẫn của đường dây tải điện trên không điện áp cao, đầu cực các thiết bị cao áp, bọt khí trong điện môi rắn hoặc lỏng khi chịu điện áp cao - Tổn hao do ion hóa: 3 Pi Af (U U 0 ) (4- 9) Trong đó: A - hằng số đối với từng loại chất khí f - tần số của điện áp đặt vào U - điện áp đặt vào Uo - điện áp tương ứng với điểm bắt đầu ion hóa. Uo phụ thuộc vào: Loại chất khí Nhiệt độ làm việc Áp suất làm việc Mức độ đồng nhất của điện trường - Ion hóa các phân tử khí tiếp thu năng lượng điện trường nhiệt độ điện môi khí tăng lên sinh ra tổn hao ion hóa trong chất khí có thêm nhiều điện tích và điện tử tự do điện dẫn chất khí tăng lên góp phần tạo nên tổn hao điện môi lớn. Lưu ý: Trong không khí chứa O2, khi bị ion hóa biến thành O3 kết hợp với N 2 và H2O biến thành axit Nitoric. Quá trình ion 45
hóa liên tục nồng độ axit HNO 3 tăng lên ăn mòn vật liệu tuổi thọ vật liệu giảm. 4. Tổn hao hiện môi do cấu tạo không đồng nhất: - Vật liệu cách điện của các thiết bị điện thường có cấu trúc không đồng nhất loại tổn hao này có rất nhiều ý nghĩa trong thực tế. - Do tính chất đa dạng về cấu trúc và thành phần của vật liệu cách điện để đơn giản xem điện môi không đồng nhất có dạng 2 lớp nối tiếp nhau: Hình 4-3: Sơ đồ thay thế điện môi a) Sơ đồ điện môi mắc nối tiếp b) Sơ đồ đẳng trị  2 n m Ta có: tg (4- M  2 N 10) Trong đó: m R1 R2 2 2 2 2 n C2 R2 R1 C1 R1 R2 2 2 M C1R1 C2 R2 2 2 2 2 2 2 N C2 R2 C1R1 C1 R1 C2 R2 Nếu C1, C2, R1, R2 không phụ thuộc vào tần số: tổn hao chỉ do điện dẫn gây nên giải phương trình đạo hàm (4- 10): o tg đạt cực đại tại: 46
Mn 3Nm  (4- 2 2Nn 11) o tg đạt cực tiểu tại: Mn 3Nm  (4- 1 2Nn 12) Trong đó: (Mn 3Nm) 2 4MNmn tg  1 2 Hình 4-4: Quan hệ tg f () Điện môi nhiều lớp mắc nối tiếp: N Citg i i 2 tg N (4- Ci i 1 13) Trong đó: tg i - tang góc tổn hao điện môi các lớp tương ứng với tần số đã cho. 4.3. Tổn hao điện môi trong các sơ đồ thay thế: Khi điện áp đặt lên điện môi, trong điện môi xuất hiện: I = Irò + Icd + Iht (4-14) Trong đó: I rò - dòng điện rò 47
I cd - dòng điện chuyển dịch do phân cực nhanh. I ht - dòng điện hấp thụ do phân cực chậm. Hình 4-5: Sơ đồ thay thế điện môi Hình 4-6: Biểu đồ vectơ giữa điện áp và dòng diện Biểu diễn điện môi bằng sơ đồ thay thế gồm 2 thành phần: điện dung C và điện trở R. Sơ đồ song song : khi có điện áp cần phải tính dòng điện Ic và IR Sơ đồ nối tiếp: khi có dòng điện cần tính điện áp U c và UR. Điều kiện chọn sơ đồ thay thế: 1. Công suất tổn hao trong sơ đồ phải bằng công suất tiêu hao trong điện môi. 48
2. Góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp trong sơ đồ phải bằng góc lệch pha trong thực tế điện môi khi có cùng điện áp và tần số: tg sơ đồ = tg thực tế a) b) Hình 4-7: a) Sơ đồ mắc song song Rss với Css b) Sơ đồ mắc nối tiếp Rnt với Cnt - Xét sơ đồ song song: Theo định luật Kirchoff: U I jUCSS RSS I 1 g tg R (4- IC Css Rss b 15) 1 Với: g b Css Rss tg giảm khi tần số tăng. 2 2 2 Công suất tổn hao:P ss UI cos U g U b.tg U Ctg (4-16) - Xét sơ đồ nối tiếp: 49
Theo định luật Kirchoff: 1 U I.Rnt jI Cnt uR Rnt tg .Cnt .Rnt (4- uC X nt 17) 1 Với: X nt Cnt tg phụ thuộc tuyến tính với tần số  của điện áp. Công suất tổn hao: 2 2 2 U 2 U 2 tg P nt I Rnt Rnt Rnt ( Cnt ) 2 CntU 2 (4- 2 1 (Rnt Cnt) 1 1 tg  (Rnt 2 2 ) Cnt 18) - Điều kiện tương đương: Cùng thay thế cho một khối điện môi thì : P nt Pss P và tg nt = tg ss Công thức chuyển đổi: Đối với điện môi, mạch có tính dung lớn nên tg1 : C C nt C ss 2 nt 1 tg  (4- 1 Rss Rnt (1 2 )Rnt tg  19) 4.4. Những yếu tố ảnh hưởng đến tổn hao điện môi: - Tần số của điện trường:  2 f - Nhiệt độ làm việc của điện môi. - Độ ẩm của điện môi và điện trường. - Trị số điện áp hay cường độ điện trường tác dụng lên điện môi. 4.5. Tổn hao điện môi trong điện môi khí: - Chủ yếu do dòng điện rò gây ra (tổn hao do phân cực hầu như không đáng kể vì mật độ phân tử thấp). - Điện dẫn của chất khí có trị số rất bé tổn hao điện môi thấp, đặc biệt là ở tần số cao. Khi đó, góc tổn hao điện môi xác định theo công thức : 50
1,8.1012 tg .f .p Ví dụ: không khí có điện dẫn khoảng 10 18 (cm) 1 , 1, f 50Hz tg 4.10 8 . - 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 bị ion hóa Xuất hiện tổn hao do ion hóa: 3 Pi A. f .(U U i ) (4- 20) Trong đó:A - hằng số f - tần số Ui - điện áp bắt đầu gây nên ion hóa U - điện áp đặt lên điện môi tg là hàm phụ thuộc vào điện áp. - Đường cong ion hóa: Hình 4-8: Quan hệ tg f (U ) Nhận xét: Khi U UB, hầu hết các phân tử khí đã được ion hóa số phân tử tham gia ion hóa giảm tg có trị số giảm. - Ở tần số cao, hiện tượng ion hóa và tổn thất năng lượng tăng lên đáng kể các vật liệu cách điện bị cháy và phá hủy. 51
- Các đường dây tải điện trên không, điện áp cao và siêu cao gây: Phóng điện vầng quang (ion hóa) chất khí xung quanh dây dẫn Tổn hao năng lượng Giảm hiệu suất đường dây. Phải thay đổi điện trường bằng cách: Tăng tiết diện dây dẫn Phân pha: phân dây pha thành các dây nhỏ nối với nhau tạo nên đường kính lớn. 4.6. Tổn hao điện môi trong điện môi lỏng: - Điện môi lỏng tinh khiết trung tính: tổn hao chỉ do dòng điện dẫn gây nên, điện dẫn có trị số bé tổn hao điện môi có trị số bé. Ví dụ: Tổn hao điện môi của dầu tụ đã được lọc sạch: 1,8.1012 tg . f . Ví dụ: Dầu MBA có 1015 (.cm), 2,2; f 50Hz tg 1,8.10 5 - Điện môi lỏng cực tính mạnh: Tổn hao điện môi là do: Dòng điện dẫn Phân cực lưỡng cực chậm có trị số lớn. - Tổn hao điện môi phụ thuộc vào: Độ nhớt của chất điện môi: Hướng theo sự biến đổi điện trường, các phân tử lưỡng cực quay trong môi trường nhớt tổn hao điện năng do ma sát tỏa nhiệt. o Độ nhớt lớn phân tử không kịp xoay theo sự biến đổi điện trường sự phân cực lưỡng cực bị mất đi tổn hao điện môi nhỏ. o Độ nhớt rất nhỏ và sự định hướng các phân tử xảy ra không có ma sát tổn hao do phân cực lưỡng cực bé. o Độ nhớt trung bình: tổn hao lưỡng cực có thể có trị số đáng kể và đạt trị số cực đại tại: 52
1  (4-  0 21) Trong đó:  - tần số góc của điện áp  0 - thời gian xác lập phân cực, phụ thuộc vào độ nhớt phụ thuộc vào nhiệt độ. Nhiệt độ: do độ nhớt và điện dẫn phụ thuộc vào nhiệt độ. tg  f1 f2>f1 o t1 t2 t Hình 4-9: Quan hệ ởtg các f tần(t 0 ) số khác nhau của chất lỏng cực tính Nhận xét: oỞ tần số cao, hằng số thời gian để nhận được góc tổn hao cực đại bé hơn, nhưng muốn giảm thời gian phân cực thì phải giảm độ nhớt phải tăng nhiệt độ Khi tăng tần số, điểm cực đại của tgdịch chuyển về phía nhiệt độ cao hơn. o đạttg trị số nhỏ nhất tại nhiệt độ mà tại đó độ nhớt của chất lỏng nhỏ đến mức sự định hướng của các lưỡng cực xảy ra không có ma sát tổn hao nhỏ o Nhiệt độ tăng điện dẫn tăng tăngtg theo nhiệt độ tổn hao điện môi tăng. 53
Tần số: khi điện môi cực tính làm việc dưới điện áp xoay chiều tần số cao, tổn hao điện môi do phân cực lưỡng cực gây nên rất lớn. Hình 4-10: Quan hệ tg f ( f ) và P f ( f ) của chất lỏng cực tính Nhận xét: o Tổn hao điện môi P tăng theo tần số cho đến khi sự phân cực theo kịp sự biến đổi điện trường. o Khi tần số lớn đến mức các phân tử lưỡng cực không còn kịp định hướng theo chiều của điện trường tg giảm, P không đổi. Đặc điểm biến thiên của tổn hao năng lượng theo tần số không tương ứng với đặc tuyến tần số của tg . Bảng 4-1: TRỊ SỐ tg CỦA MỘT SỐ ĐIỆN MÔI LỎNG tg ở f = 106 Hz và t = Tên điện môi  Ghi chú 20oC Chất lỏng Dầu tụ điện 2,2 < 0,0002 trung tính Dầu thầu dầu 4,5 0,01 Chất lỏng cực tính 4.7. Tổn hao điện môi trong điện môi rắn: 1. Tổn hao điện môi trong các điện môi có cấu tạo phân tử: 54
- Điện môi trung tính tinh khiết: tổn hao chỉ do dòng điện rò gây nên không đáng kể dùng làm cách điện ở cả tần số thấp và tần số cao. Ví dụ: lưu huỳnh, parafin, pôlietilen, pôlitetrafloetilen, Teflon-4, polistirol - Điện môi cực tính: tổn hao lớn do phân cực lưỡng cực, nhất là ở tần số vô tuyến không dùng ở tần số cao. Ví dụ: Các chất hữu cơ được sử dụng chủ yếu trong kỹ thuật: giấy, bìa cactong, thủy tinh hữu cơ, poliamit, poliuretan, cao su, êbonic, bakelit 2. Tổn hao điện môi của chất rắn có cấu tạo : - Điện môi có cấu tạo ion chặt chẽ: Tinh khiết: Ở nhiệt độ cao xuất hiện tổn thất do điện dẫn tổn hao điện môi có trị số rất nhỏ. Ví dụ: các hợp chất tinh thể vô cơ trong sản xuất gốm, như corumđum. Có tạp chất: mạng tinh thể bị biến dạng tổn hao điện môi tăng lên nhiều. Ví dụ: muối mỏ. - Điện môi có cấu tạo ion không chặt chẽ: đặc trưng bởi 2 loại phân cực chậm làm tăng tổn hao điện môi. Ví dụ: mulit, oxit nhôm, khoáng xilicon - tg tăng lên không có giá trị cực đại khi nhiệt độ tăng. 3. Tổn hao điện môi trong điện môi xécnhét: - Tổn hao điện môi cao hơn các loại điện môi khác do có hiện tượng phân cực tự phát. - Tổn hao điện môi ít biến đổi theo nhiệt độ ở vùng phân cực tự phát và giảm đột ngột sau điểm Quyri. 4. Tổn hao điện môi trong chất rắn có cấu tạo không đồng nhất: - Tổn hao điện môi thường cao hơn so với tổn hao điện môi của các thành phần. Ví dụ: Gốm, sứ, thủy tinh có chứa bọt khí; Vật liệu lẫn với chất bán dẫn trong gốm; Mica; giấy tẩm hỗn hợp dầu nhựa thông 55
CHƯƠNG V :SỰ PHÓNG ĐIỆN TRONG ĐIỆN MÔI 5.1. Khái niệm: - Khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó xảy ra hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi - sự phá hủy độ bền điện của điện môi điện môi bị mất hoàn toàn tính chất cách điện. - Điện áp đánh thủng (U đt): là trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi. - Cường độ đánh thủng hay cường độ điện trường cách điện của điện môi (Eđt): điện áp đánh thủng điện môi trên một milimet chiều dày điện môi. 56
U dt kV Edt h mm (5-1) Trong đó:h - chiều dày của điện môi - Chọn chiều dày điện môi của thiết bị làm việc: U h K dm [mm] Edt (5-2) 5.2. Sự phóng điện trong điện môi khí: Các chất khí (không khí) thường được dùng làm cách điện của các thiết bị điện làm việc trong không khí và của đường dây tải điện trên không. Không khí (có thể phối hợp với các điện môi khác) làm nhiệm vụ cách điện giữa các pha hoặc giữa pha với đất. Nếu chất khí mất khả năng cách điện ngắn mạch các sự cố trong các thiết bị điện và hệ thống điện. Trong điện môi rắn và lỏng thường tồn tại các bọt khí, chúng thường bị hư hỏng từ các quá trình phóng điện của bọt khí. Đặc tính cách điện của chất khí có ý nghĩa rất quan trọng trong kỹ thuật điện cao áp. Nghiên cứu khắc phục và loại trừ sự cố trong thiết bị điện và hệ thống điện. 5.2.1. Yêu cầu chung đối với chất khí cách điện: 1. Là khí trơ: không gây ra các phản ứng hóa học với các chất cách điện khác trong cùng kết cấu cách điện hoặc với các kim loại của thiết bị điện. 2. Có cường độ cách điện cao giảm kích thước của kết cấu cách điện và của thiết bị điện. 3. Nhiệt độ hóa lỏng thấp có thể sử dụng ở trạng thái áp suất cao. 4. Rẻ tiền, dễ tìm kiếm và chế tạo. 5. Tản nhiệt tốt. 6. Dẫn nhiệt tốt làm mát (trong máy điện). 57
Bảng 5.1: ĐẶC TÍNH CỦA MỘT SỐ CHẤT KHÍ CÁCH ĐIỆN Cường độ cách Thành điện Nhiệt độ Tên chất khí phần tương đối so với hóa lỏng oC hóa học không khí Không khí 1 Êlegaz SF6 2,5 -62 Freon CCl2F2 2,5 -30 Têtracloruacacbon CCl4 6,3 +76 5.2.2. Các dạng ion hóa xảy ra trong chất khí: - Quá trình ion hóa tự nhiên: trong không khí dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài (tia cực ngắn của mặt trời, tia vũ trụ, tia tử ngoại, nhiệt độ ) thường xảy ra mấy chục lần ion hóa trong 1 giây. - Quá trình ion hóa: là quá trình biến một phân tử trung hòa thành ion dương và điện tử tự do. - Năng lượng ion hóa (Wi): năng lượng cần thiết để cung cấp cho phân tử trung hòa để phân tử đó bị ion hóa. Năng lượng ion hóa của các chất khác nhau, phụ thuộc vào năng lượng liên kết giữa hạt nhân và điện tử của phân tử chất khí đó. - Các dạng ion hóa: 1. Ion hóa va chạm: Khi các phân tử đang chuyển động va chạm nhau, động năng của chúng sẽ chuyển cho nhau và ion hóa xảy ra nếu: mv 2 W W 2 i (5-3) Trong đó:m - khối lượng phân tử v - tốc độ chuyển động của phân tử. 2. Ion hóa quang: 58
Năng lượng cần thiết để ion hóa: W h Wi (5-4) ch Hoặc:  Wi (5-5) c Trong đó:  - độ dài sóng của sóng ngắn,  v  - tần số bức xạ của sóng ngắn c - tốc độ ánh sáng. 3. Ion hóa nhiệt: Năng lượng nhiệt và nhiệt độ cần thiết để xảy ra quá trình ion hóa: 3 W kT W 2 i (5-6) Trong đó:T - nhiệt độ tuyệt đối của chất khí k = 1,37.10-16 erg/oK - hằng số Bônzơmal 3 dạng ion hoá trên xảy ra trong chất khí. 4. Ion hóa bề mặt: - Xảy ra trên bề mặt điện cực kim loại (katod). - Để giải thoát điện tử ra khỏi bề mặt điện cực cần một năng lượng nhất định - “công thoát” điện tử, phụ thuộc vào vật liệu làm điện cực và trạng thái bề mặt cực. Bảng 5-2: TRỊ SỐ CÔNG THOÁT CỦA KIM LOẠI Tên kim loại Công thoát (eV) Nhôm 1,8 Đồng 3,9 Sắt 3,9 - Ngược lại với quá trình ion hóa là quá trình kết hợp: các ion dương và các điện tử hay ion âm kết hợp với nhau để tạo nên phân tử trung hòa. Năng lượng ion hóa sẽ được trả lại dưới dạng bức xạ có độ dài sóng: 59
h W1 Wk (5-7) Trong đó: h - hằng số Plank, h = 6,5.10-27 Wk - sự chênh lệch tổng năng lượng của phân tử trước và sau khi va chạm. - Nếu cung cấp W < Wi: kích thích dao động của điện tử trong phân tử, sau một thời gian ngắn các phân tử bị kích thích trở lại trạng thái bình thường và trả lại năng lượng dưới dạng bức xạ như trên. 5.2.3. Quá trình ion hóa và hệ số ion hóa chất khí khi ở trong điện trường: Dưới tác dụng của điện trường, các điện tích tự do có sẵn trong nội bộ chất khí sẽ chuyển động, tích lũy năng lượng và tăng tốc độ, khi va chạm với các phân tử khí có thể làm cho phân tử đó bị ion hóa. Xét điện môi có dạng hình trụ, chiều cao hình trụ h = 1cm, đường kính D = 2(ro + r), các điện tích chuyển động trong điện trường đều có đường sức của từ trường song song với nhau. Hình 5.1 60
Để xảy ra va chạm giữa các điện tích: d r ro Với d - khoảng cách giữa 2 tâm của 2 điện tích. - Số lần va chạm điện tử: 1 S A.P e e (5-8) .r 2 Với: A KT Trong đó:P - áp suất khí T - nhiệt độ oK K - hằng số Bônzơman Se tỷ lệ thuận với P, r, và tỷ lệ nghịch với T và K. - Hệ số ion hóa: B.P A.P.e E Trong đó:E - điện trường đặt vào đầu các điện môi khí P- áp suất chất khí A, B - hệ số. Bảng 5-3:HỆ SỐ A, B CỦA CÁC LOẠI CHẤT KHÍ Phạm vi của A B Loại khí E/P (V/cm.mmHg) (V/cm.mmHg) (V/cm.mmHg) Không khí 14,6 365 150 600 Không khí 8,5 250 20 150 Ar 1,85 52 20 510 He 4,8 9 20 100 Khi E = const Khi P = const max AP P E 61
Hình 5.2: Quan hệ f (P) khi E = const Hình 5.3: Quan hệ f (E) khi P = const 5.2.4. Quá trình hình thành thác điện tử và sự phóng điện trong điện môi khí: Xét quá trình ion hóa chất khí giữa 2 điện cực với nguồn điện áp 1 chiều. Điện trường bên ngoài E có chiều từ cực (+) đến cực (-). Khi trường đồng nhất E = const: const Ta có: Số điện tử sinh ra bởi quá trình ion hóa: n e x (5- 9) x Hoặc: n noe (5-10) Số lượng điện tử tăng theo hàm mũ. Song song với sự phát sinh điện tử là sự phát sinh ra các ion dương với cùng số lượng. Chúng tập hợp thành thác điện tích - thác điện tử. Xét mô hình thác điện tử phát triển đến độ dài x. 62
Hình 5.4: Thác điện tử và sự biến dạng của trường - Hình 5.4a: Do điện tử bé và nhẹ nên có tốc độ lớn và dễ khuếch tán dồn về phía đầu thác và rải trên khoảng không gian rộng. Các ion dương có khối lượng lớn nên di chuyển với tốc độ chậm hơn (bằng khoảng 1/100 tốc độ điện tử) phân bố ở khu vực thân và đuôi thác. - Hình 5.4b: Sự phân bố điện tử tự do (ne) và ion dương (ni). - Hình 5.4c: Thác điện tử tạo nên điện trường phụ Ee và Ei làm biến dạng điện trường ngoài E. - Hình 5.4d: Tổng điện trường bên ngoài E và các điện trường phụ. Ta thấy đầu thác trường tăng nhiều nhưng phía sau đầu thác trường giảm đột ngột. Đầu thác trường tăng cao hơn điện trường ngoài dễ dàng gây nên ion hóa 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 bị kích thích khi trở lại trạng thái bình thường sẽ trả lại năng lượng dưới dạng photon. Đồng thời, phía sau đầu thác do trường giảm đột ngột nên xảy ra hiện tượng kết hợp trả lại năng lượng dưới dạng photon. Các photon này có khả năng gây nên ion hóa quang các phân tử khí hoặc giải thoát điện tử từ bề mặt điện cực tăng số lượng điện tích và để kế tiếp vào thác điện tử đầu tiên. 63
Dưới tác dụng của điện trường, thác điện tử càng được phát triển và kéo dài ra. Khi tiếp cận các điện cực, các điện tích của thác sẽ trung hòa trên điện cực kết thúc quá trình hình thành và phát triển thác điện tử : Chưa gọi là phóng điện vì chưa tạo nên dòng điện lưu thông liên tục giữa 2 điện cực. Để hình thành phóng điện cần phải xuất hiện các điện tử mới để hình thành các thác mới, các điện tử này phải được hình thành ngay từ các quá trình xảy ra trong khe hở mà không phải do các nhân tố ion hóa bên ngoài và phải xuất hiện trước khi thác thứ nhất kết thúc - điện tử thứ cấp. Chúng được phát sinh do: Sự bắn phá của ion dương vào cực âm để giải thoát điện tử (ion hóa bề mặt). Ion hóa quang trong nội bộ chất khí (do bức xạ của thác thứ nhất). Hiệu ứng quang giải thoát điện tử từ bề mặt cực âm (do bức xạ của thác thứ nhất). Khi thác điện tích có mật độ lớn (khoảng 10 12 ion/cm3) và gần tiếp cận với cực dương, toàn bộ điện áp giữa 2 điện cực dồn đặt lên một khe hở hẹp, tại đó cường độ điện trường lớn làm bứt các ion dương từ cực dương chuyển động theo chiều ngược lại của thác điện tử. Khi chúng hòa nhập làm một sẽ gây nên phóng điện chọc thủng chất khí tạo thành dòng plazma kết thúc bằng quá trình phóng điện. 5.2.5. Đặc tính Vôn - Ampe: Cho điện áp một chiều tác dụng lên 2 điện cưc, tăng dần trị số điện áp. 64
Hình 5.5: Đặc tính Vôn-Ampe của chất khí Nhận xét: Giai đoạn từ O đến A (u = 0 uA), các ion và điện tử tự do có sẵn trong chất khí (do yếu tố ion hóa bên ngoài) dưới tác dụng của điện trường sẽ chuyển động về các điện cực và tạo nên dòng điện. - Khi điện áp tăng cường độ điện trường giữa 2 điện cực U tăng (E ) lực tác dụng lên các điện tích sẽ tăng (F = qE) d tốc độ chuyển động của các điện tích tăng theo định luật Ôm, dòng điện sẽ tăng tuyến tính (vùng I). - Trong vùng I: các điện tích dương và âm có thể kết hợp với nhau thành phân tử trung hòa. - Tại A: điện áp cao tốc độ chuyển động của các điện tích lớn, toàn bộ các điện tích đều tới được điện cực quá trình tăng dòng điện chấm dứt. Giai đoạn từ A đến B - giai đoạn bão hòa (u = u A  uB): vùng II, do số lượng điện tích sinh ra bởi nhân tố ion hóa bên ngoài có hạn dòng điện vẫn được duy trì nhưng không tăng. Tốc độ chuyển động của các điện tích khá cao, toàn bộ các điện tích sinh ra đều đi về các điện cực (không còn sự kết hợp) và dòng điện đạt trị số bão hào. Giai đoạn sau điểm B (u > uB = ui): - Nếu u tăng cường độ điện trường tăng cao tốc độ chuyển động của các điện tích khá lớn khi va chạm với 65
các phân tử trung hòa sẽ gây ra ion hóa mãnh liệt số lượng điện tích sẽ tăng theo hàm mũ dòng điện tăng vọt phóng điện giữa 2 điện cực. - Nếu nguồn vẫn được duy trì thì dòng điện càng tăng và điện áp giữa 2 điện cực giảm tới mức cần thiết để duy trì hồ quang (uTDT). Lúc này quá trình ion hóa là quá trình tự duy trì vì nó không phụ thuộc vào nhân tố ion hóa bên ngoài chất khí bị mất hoàn toàn tính chất cách điện trở thành vật dẫn ở trạng thái plasma. Trong plasma, phần lớn các phân tử khí được ion hóa và số điện tích âm (chủ yếu là điện tử) đã tạo nên điện dẫn chất khí. Tuy nhiên, điện dẫn điện tử của plasma khác với điện dẫn điện tử của kim loại vì các điện tích trái dấu của nó không ngừng kết hợp với nhau để có dẫn điện trong plasma phải luôn luôn có quá trình ion hóa để giữ cho mật độ điện tích ổn định. Trong thực tế, dòng điện phóng điện không thể tăng lên vô cùng lớn bởi vì công suất nguồn có hạn (P max = U.Imax) để bảo vệ nguồn điện áp cao, người ta phải khống chế không cho dòng điện phóng điện vượt quá Imax bằng cách lắp rơle dòng điện bên sơ cấp khi quá dòng, rơle tác động cắt nguồn điện bên sơ cấp điện áp bên thứ cấp (cao áp) sẽ bị cắt dòng điện phóng điện bị triệt tiêu. Kết luận: Quá trình phóng điện trong chất khí là quá trình hình thành dòng plasma trong toàn bộ hay một phần khoảng không gian giữa 2 điện cực. 5.2.6. Các dạng phóng điện trong chất khí: - Phóng điện tỏa sáng: xảy ra khi áp suất thấp, plasma không thể có điện dẫn lớn vì số lượng phân tử khí quá ít. Phóng điện tỏa sáng thường chiếm toàn bộ khoảng không gian giữa 2 điện cực. - Phóng điện tia lửa: xảy ra khi áp suất lớn, plasma không chiếm hết toàn bộ không gian mà chỉ là một tia dòng nhỏ nối liền các điện cực. Mật độ điện tích trong dòng plasma lớn có 66
thể dẫn được dòng điện lớn nhưng không lớn quá vì giới hạn bởi công suất nguồn. - Phóng điện hồ quang: tương tự như phóng điện tia lửa nhưng công suất nguồn lớn và tác dụng trong thời gian dài dòng điện hồ quang lớn đốt nóng dòng plasma điện dẫn tăng lên dòng hồ quang càng tăng, và đạt được mức ổn định khi có sự cân bằng giữa phát nóng và tỏa nhiệt của khe hồ quang. - Phóng điện vầng quang: Là sự ion hóa chất khí và quá trình kết hợp giữa các ion trái dấu để trở lại trạng thái bình thường 2 quá trình đều trả lại năng lượng dưới dạng quang năng. Nó chỉ tồn tại trong trường không đồng nhất và xuất hiện trong khu vực xung quanh điện cực. Đây là dạng phóng điện không hoàn toàn vì dòng plasma không nối liền giữa 2 điện cực không thể có dòng điện lớn không làm mất hẳn tính chất cách điện của chất khí nhưng cũng gây tổn thất năng lượng lớn. 5.3. Sự phóng điện trong điện môi lỏng: Các lý thuyết cơ bản giải thích cơ cấu của sự phóng điện chất lỏng: 1. Lý thuyết về nhiệt: - Áp dụng cho chất lỏng kỹ thuật, thường chứa bọt khí, nước, tạp chất cơ học, chất dẫn điện, bán dẫn - Phóng điện là do sự phát nóng cục bộ và sự sôi cục bộ ở bên trong chất lỏng ở những nơi có nhiều tạp chất hình thành một cầu dẫn điện giữa 2 cực. Khi điện áp tác dụng tăng, lúc đầu sẽ có sự ion hóa trong các bọt khí các bọt khí có nhiệt độ và độ dẫn điện tăng, dưới tác dụng của điện trường nó sẽ bị kéo dài ra và gây nên phóng điện giữa 2 cực. 2. Lý thuyết ion hóa: - Áp dụng đối với điện môi lỏng đã được lọc sạch tạp chất. - Sự phóng điện giống với sự ion hóa chất khí, nhưng mật độ phân tử lớn hơn nhiều đoạn đường chuyển động tự do của điện tử bé năng lượng tích lũy trên đoạn đường 67
này bé khó gây ion hóa lớn Chất lỏng có cường độ cách điện cao hơn nhiều so với chất khí. 3. Lý thuyết phóng điện do điện thuần túy: - Áp dụng đối với chất lỏng tinh khiết. - Sự phóng điện là do các điện tử thoát ra từ mặt điện cực bằng kim loại do: o Tác dụng của cường độ điện trường mạnh. o Sự phân hủy của bản thân chất lỏng. Thực tế thường kết hợp cả 3 lý thuyết trên. Cường độ cách điện của chất lỏng phụ thuộc các yếu tố: Nước Sợi bẩn Nhiệt độ Áp suất Thời gian tác dụng điện áp 5.4. Sự phóng điện trong điện môi rắn: 5.4.1. Phóng điện đánh thủng: E f (t o ) Hình 5.6: Quan hệ đt Khi xét quan hệ cường độ điện trường với nhiệt độ, ta thấy: - Vùng I: Ở nhiệt độ thấp, cường độ điện trường ít phụ thuộc vào nhiệt độ phóng điện do điện gây nên. - Vùng II: Ở nhiệt độ cao, cường độ điện trường giảm nhiều khi nhiệt độ tăng phóng điện do nhiệt gây nên. So sánh: Phóng điện do điện Phóng điện do nhiệt - Xuất hiện khi cường độ điện - Xảy ra trong thời gian dài để 68
trường lớn và xảy ra trong có thời gian làm tăng nhiệt độ. thời gian ngắn.(10 7 10 8 giây) - Cường độ cách điện không - Cường độ cách điện phụ phụ thuộc vào chiều dày điện thuộc vào chiều dày điện môi. môi. Eđt giảm khi chiều dày tăng vì cách điện thường đi đôi với - Ít phụ thuộc vào nhiệt độ. cách nhiệt. - Phụ thuộc nhiều vào nhiệt - Xảy ra ở nơi yếu nhất và có độ, Eđt giảm khi ở nhiệt độ cường độ điện trường lớn cao. nhất. - Xảy ra ở nơi nào trong điện môi có sự phát nhiệt lớn nhất, sự truyền nhiệt và làm mát kém nhất. Bảng 5-4: TRỊ SỐ E đt CỦA MỘT SỐ ĐIỆN MÔI RẮN Độ bền điện trong trường đồng nhất Tên vật liệu Đặc điểm cấu tạo tần số 50Hz (Eđt) kV/mm Thủy tinh 100 300 Điện môi đồng Muối mỏ 100 150 nhất và nhiều lớp Mica 100 300 nếu trường vuông Giấy tẩm 100 300 góc với các lớp Polistirol 90 120 Điện môi cấu tạo Gốm 10 30 không đồng nhất có Micalếch 10 15 mao quản kín hoặc Chất xơ có độ 10 15 nhỏ nối thông với (chất dẻo amin) nhau Đá hoa 4 5 Gốm xốp 1,5 5 Gỗ 4 6 Giấy cáp không 7 10 69
tẩm 5.4.2. Phóng điện bề mặt điện môi rắn: Điện môi rắn đặt trong môi trường khí hay dầu máy biến áp thường xảy ra hiện tượng phóng điện men theo mặt ngoài của điện môi với trị số điện áp phóng điện bé hơn nhiều so với trị số điện áp chọc thủng của khe hở khí hay dầu cũng như của bản thân điện môi rắn không làm hư hỏng cách điện nhưng có thể dẫn đến sự cố ngắn mạch trong hệ thống điện cần hạn chế không để xảy ra. - Điện môi đặt trong điện trường đồng nhất: Trong trường đồng nhất, điện áp phóng điện mặt ngoài giảm thấp do: Do tiếp xúc giữa điện môi và các điện cực không tốt giữa chúng có lớp không khí mỏng. Điện trường lớp không khí mỏng rất lớn và sớm có quá trình ion hóa các ion dương và điện tử sinh ra sẽ phân bố trên mặt ngoài của điện môi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phóng điện. Do tính hút ẩm của điện môi nên mặt ngoài điện môi hình thành 1 màng ẩm mỏng có điện dẫn ion dưới tác dụng của điện trường, các ion di chuyển chậm chạp về các điện cực trái dấu trên mặt điện môi gần điện cực sẽ tích tụ một số ion cùng dấu với điện cực đó làm thay đổi sự phân bố điện áp trên bề mặt điện môi trường trở nên không đồng nhất điện áp phóng điện giảm thấp. Trị số điện áp phóng điện mặt ngoài phụ thuộc vào các yếu tố: Độ ẩm của không khí: o Độ ẩm tương đối < 60 - 70%: trị số điện áp phóng điện bề mặt tương đối ổn định. 70
o Độ ẩm tương đối > 60 - 70%: trị số điện áp phóng điện bề mặt giảm nhiều do khi độ ẩm cao hơn gây nên sự ngưng tụ khí ẩm trên bề mặt điện môi. Thời gian tác động điện áp: do tốc độ di chuyển của các ion trên bề mặt điện môi bé nên tích tụ điện tích cùng dấu ở các điện cực diễn ra tương đối chậm nên cần có thời gian. Tính hút ẩm của điện môi: điện môi cực tính có tính hút ẩm mạnh nên điện áp phóng điện thấp, Parafin có tính hút ẩm bé nên có điện áp phóng điện cao. - Điện môi đặt trong trường không đồng nhất có thành phần trường dọc theo bề mặt: Khi điện môi đặt trong điện trường có thành phần tiếp tuyến lớn, do mặt ngoài ẩm và trường không đồng nhất trị số phóng điện còn giảm thấp hơn so với khi đặt trong điện trường đồng nhất: Trên bề mặt điện môi có bụi bẩn, tạp chất. Khi trời ẩm, có mưa nhỏ hay sương mù hình thành lớp dẫn điện trên bề mặt điện môi. Nếu trong bụi có thành phần muối hòa tan thì điện dẫn tăng cao tạo dòng điện rò lớn đốt nóng bề mặt điện môi Do độ dày và thành phần hóa học của các lớp bụi khác nhau điện trở trên bề mặt điện môi luôn thay đổi ở các vị trí khác nhau sự phát nóng cũng mãnh liệt theo đường phóng điện. Nếu sấy khô 1 vùng nào đó, điện trở nơi đó tăng lên chịu điện áp lớn trường tăng cục bộ phóng điện cục bộ dòng điện rò tăng lên. Tiếp tục sấy khô đoạn còn lại xuất hiện phóng điện cục bộ. Nếu tăng điện áp thì phóng điện cục bộ xuất hiện càng nhiều và xuất hiện cùng lúc ở nhiều nơi khác nhau trên bề mặt điện môi khi được nối liền với nhau thì phóng điện toàn bộ. Quá trình phóng điện xảy ra tương đối chậm, không liên tục phụ thuộc vào thời gian tác dụng điện áp. 71
- Điện môi đặt trong trường không đồng nhất có thành phần pháp tuyến lớn. * Biện pháp hạn chế phóng điện bề mặt: Tăng chiều dài phóng điện bề mặt. Cải thiện phân bố trường Vệ sinh theo định kỳ hoặc phủ lên bề mặt điện môi lớp men hay vật liệu cách điện có tính chống bám bụi và hơi ẩm. CHƯƠNG 6: TÍNH CHẤT CƠ-LÝ-HÓA CỦA ĐIỆN MÔI 6.1. Tính hút ẩm của điện môi: - Vật liệu hút ẩm: tính chất cách điện của điện môi giảm nhiều. - Vật liệu không hút ẩm: trên bề mặt điện môi ngưng tụ một lớp ẩm dòng rò bề mặt tăng điện áp phóng điện dọc bề mặt giảm có thể gây nên sự cố cho các thiết bị điện. 6.1.1. Độ ẩm của không khí: - Độ ẩm tuyệt đối của không khí: khối lượng của hơi nước (mgram) trong 1 đơn vị thể tích không khí (m3). Ứng với mỗi nhiệt độ, không khí có một độ ẩm bão hòa nhất định, tăng khi nhiệt độ tăng nhưng không vượt quá một trị số nhất định vì hơi nước sẽ rơi xuống dạng sương. - Độ ẩm tương đối: tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối với độ ẩm tuyệt đối tối đa. m % .100% mmax (6-1) 6.1.2. Độ ẩm của vật liệu: - Là lượng hơi nước chứa trong vật liệu. % cb 72 t giờ
Hình 6.1: Sự biến đổi độ ẩm của vật liệu hút ẩm (a) và sấy khô (b) Nhận xét: Đường dưới: Vật liệu tương đối khô đặt trong không khí ẩm vật liệu hút ảm từ không khí. Thời gian điện môi đặt trong không khí tăng lên độ ẩm vật liệu tăng dần đến độ ẩm cân bằng tương ứng độ ẩm không khí kk . Đường trên: Vật liệu có độ ẩm lớn đặt trong môi trường môi trường không khí có độ ẩm tương đối kk , sau một thời gian vật liệu được sấy khô (tự nhiên) độ ẩm vật liệu giảm xuống và tiệm cận dần tới độ ẩm cân bằng. - Độ ẩm của vật liệu: M 2 M 1 vl .100% M 1 (6-2) Trong đó: M1, M2 - trọng lượng của vật liệu trước và sau khi bị ẩm 6.1.3. Tính thấm ẩm: - Là khả năng cho hơi nước đi qua bản thân vật liệu. - Lượng hơi ẩm (microgram) trong thời gian  (giờ) đi qua mặt phẳng S (cm2) của lớp vật liệu cách điện dày h (cm) dưới tác dụng của hiệu số áp suất hơi nước P 1 và P2 (mmHg) ở 2 phía bề mặt vật liệu: (P P )S m  1 2  h (6-3) Trong đó:  - độ thấm ẩm của vật liệu. 6.1.4. Sự hấp thụ nước trên bề mặt điện môi: 73
- Vật liệu không thấm ẩm khi đặt vào trong môi trường có độ ẩm cao thì trên mặt vật liệu hình thành màng ẩm hay bị ngưng tụ lớp nước: sự hấp thụ nước của vật liệu. - Lớp nước hấp thụ phụ thuộc: Độ ẩm: càng lớn thì bề dày lớp nước hấp thụ lớn. Cấu trúc bề mặt: o Vật liệu có kết cấu ion hay cực tính mạnh lực tác dụng giữa phân tử vật liệu với phân tử nước lớn khả năng hấp thụ mạnh. o Vật liệu trung tính hay cực tính yếu lực hút nhỏ khả năng hấp thụ yếu. - “Góc biên dính nước”  : đặc trưng cho khả năng dính ướt của điện môi. Góc  càng nhỏ, sự dính nước càng mạnh.     Bãö màût dênh æåït Bãö màût khäng dênh æåït Hình 6-2: Giọt chất lỏng trên bề mặt vật liệu 6.2. Tính chất cơ học của điện môi: * Độ bền chịu nén (), n chịu kéo () và k uốn ():  u [kG/cm] hoặc [N/m2] 1N/m2 =10-5 kG/cm - Âäü bãön kéo laì khaí nàng chäúng laûi taïc duûng cuía læûc bãn ngoaìi maì khäng bë phaï hoíng. Khi coï læûc taïc duûng læûc keïo lãn váût liãûu: Pmax 2  âæït = (kG/cm ) Ao Pmax laì læûc keïo låïn nháút maì khäng âæït Ao: laì tiãút diãûn 74
- Âäü bãön neïn: laì khaí nàng chäúng laûi taïc duûng cuía læûc neïn bãn ngoaìi. [Pmax ]nén  nen Ao [Pmax ]uôn - Âäü bãön uäún: chäúng laûi taïc duûng cuía læûc uäún  uon Ao * Tính giòn: - Là vật liệu có độ bền cao đối với tải tĩnh nhưng dễ bị phá hủy bởi tải động bất ngờ đặt vào. - Ứng suất dai va đập: vđ A 3  vđ [ kG.cm/cm ] hoặc S [J/m2] Trong đó:A - Năng lượng tiêu tốn để bẻ gãy vật mẫu có tiết diện ngang S. 1J/m2 =10-3 kG.cm/cm2 * Độ cứng: - Là khả năng của bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây nên bởi lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ vào nó. * Độ nhớt: - Độ nhớt động lực học  - hệ số ma sát bên trong của chất lỏng: Tốc độ chuyển động của hòn bi rắn bán kính r trong môi trường không giới hạn có độ nhớt động lực học  dưới ảnh hưởng của lực F không lớn tác động liên tục lên hòn bi là không đổi và có trị số xác định theo định luật Stốc: 1 F v .  6 .r (6-4)  - Độ nhớt động học : (6-5) Trong đó:  - độ nhớt động lực học của chất lỏng - mật độ chất lỏng 75
Hình 6.3: Sự biến thiên của độ nhớt theo nhiệt độ Nhận xét: Tất cả các chất lỏng không bị biến đổi hóa học khi nung nóng có độ nhớt giảm nhiều khi nhiệt độ tăng, theo quy luật: W  A.e KT (6-6) Trong đó: *A - hằng số đặc trưng của chất lỏng 6KT A f .l 3 Với: f - tần số dao động nhiệt phân tử, f = 1012 1013 l / giây l - khoảng cách giữa các phân tử * W - năng lượng kích thích bằng công chuyển phân tử từ trạng thái ổn định này sang trạng thái ổn định khác. 6.3. Tính chất nhiệt của điện môi: 6.3.1. Độ bền nhiệt: - Là khả năng của vật liệu cách điện và các chi tiết chịu đựng không bị hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột nhiệt độ. - Độ bền chịu nóng phụ thuộc vào loại vật liệu: Điện môi vô cơ: nhiệt độ xuất hiện sự biến đổi tính chất vật liệu. 76
Điện môi hữu cơ: điểm bắt đầu gây biến dạng cơ học (kéo, uốn, độ lún sâu của kim loại dưới áp lực khi nung nóng điện môi). - Điện môi lỏng: Nhiệt độ chớp nháy: là nhiệt độ của chất lỏng khi nung nóng đến nhiệt độ đó, hỗn hợp hơi của nó với không khí sẽ bốc cháy khi đưa lửa vào gần. Nhiệt độ cháy: là nhiệt độ cao hơn mà tại đó khi đưa ngọn lửa lại gần bản thân chất lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy. Bảng 6-1: PHÂN CẤP VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THEO ĐỘ BỀN CHỊU NÓNG Nhiệt độ làm việc lớn nhất Ký hiệu cấp chịu nhiệt cho phép, oC Y 90 A 105 E 120 B 130 F 155 H 180 C > 180 6.3.2. Độ dẫn nhiệt: - Là mức độ chuyển nhiệt xuyên qua bề dày lớp cách điện ra môi trường xung quanh. - Phương trình Furiê: dT P  . . S N N dl (6-7) Với: PN - cäng suáút doìng nhiãût qua diãûn têch vuông góc với dòng năng lượng S dT - gradient nhiãût âäü dl  N - nhiệt dẫn suất 77
Bảng 6-2: NHIỆT DẪN SUẤT CỦA MỘT SỐ ĐIỆN MÔI Tên gọi vật liệu  N (W/cm độ) - Không khí 0,00025 - Nhựa đường 0,0007 - Giấy 0,0010 - Vải sơn 0,0013 - Hêtinắc 0,0035 - Nước 0,0058 - Thạch anh nóng 0,0125 chảy 0,016 - Sứ 0,022 - Steatite 0,125 - Thạch anh kết tinh 0,300 - Ôxit nhôm 6.3.3. Sự giãn nở nhiệt: - Các điện môi vô cơ có hệ số dãn nở dài bé các chi tiết chế tạo từ vật liệu vô cơ có kích thước ổn định khi nhiệt độ thay đổi. - Các điện môi hữu cơ có hệ số dãn nở dài lớn gấp trăm lần so với điện môi vô cơ. Bảng 6-3: HỆ SỐ DÃN NỞ DÀI THEO NHIỆT ĐỘ CỦA MỘT SỐ ĐIỆN MÔI 6 -1 Tên vật liệu l .10 (độ ) Chất vô cơ: - Thủy tinh thạch anh 0,55 - Sứ cao tần 4,5 - Steatít 7 Chất hữu cơ: - Phênolfocmaldehit và các chất 25 - 70 dẻo có độn khác 70 - Tẩm chất dẻo clorua polyvinyl 60 - 80 - Polistirol 100 78
- Polietilen 6.4. Tính chất hóa học của điện môi và tính năng của nó dưới tác động của phát xạ có năng lượng cao: 6.4.1. Tính chất hóa học của điện môi: - Độ tin cậy của vật liệu phải được đảm bảo khi làm việc lâu dài: vật liệu không bị phân hủy để giải thoát ra các sản phẩm phụ và không ăn mòn kim loại tiếp xúc với nó, không phản ứng với các chất khác (nước, khí, acid, kiềm, dung dịch muối ). - Độ hòa tan của vật liệu rắn: o Là khối lượng vật liệu chuyển sang dung dịch trong một đơn vị thời gian từ một đơn vị diện tích tiếp xúc giữa vật liệu với dung môi. o Là khối lượng lớn nhất của chất có thể hòa tan trong dung dịch (nồng độ của dung dịch bão hòa). - Khi tăng nhiệt độ thì độ hòa tan tăng lên. 6.4.2. Tác động của bức xạ năng lượng cao: - Các vật liệu bền vững đối với bức xạ phải có 2 thuộc tính: Khả năng hấp thụ năng lượng mà không bị ion hóa lớn. Khả năng tạo mối liên kết kép với mức độ lớn hơn sự phá hủy liên kết đó. - Dưới tác dụng của bức xạ, chất trùng hợp có thể chuyển từ trạng thái này sang trạng thái cấu trúc khác. 79
CHƯƠNG VII: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ KHÍ 7.1. Không khí: - Không khí được sử dụng để rộng rãi để làm cách điện chủ yếu của các đường dây tải điện trên không, cách điện của các thiết bị điện làm việc trong không khí, hoặc phối hợp với các cách điện rắn và lỏng. - Đối với cách điện của máy điện, cáp điện, máy biến áp, tụ điện , nếu quá trình tẩm không được cẩn thận sẽ còn có những bọt khí ở bên trong khi cách điện làm việc dưới điện áp cao hay điện trường lớn, bọt khí sẽ thành ổ phát sinh vầng quang, phát sinh ra nhiệt làm giảm chất lượng cách điện. Bảng 7-1: SO SÁNH ĐẶC TÍNH CỦA KHÔNG KHÍ VỚI CÁC CHẤT KHÍ Các đặc tính Không Nitơ Cácbonic Hydro tương đối khí N2 CO2 H2 - Tỷ trọng 1 0,97 1,52 0,07 - Nhiệt dẫn suất 1 1,08 0,64 6,69 - Tỉ nhiệt 1 1,05 0,85 14,35 - Hệ số tỏa nhiệt 1 1,03 1,13 1,61 từ vật 1 1,00 0,90 0,60 - Độ bền nhiệt Cường độ cách điện của các chất khí đều kém hơn không khí. 7.2. Nitơ: - Coï âäü bãön âiãûn tæång tæû nhæ khäng khê, âæåüc sæí duûng âãø laìm caïch âiãûn cho tuû khê. 7.3. SF6 (êlêgaz): - Coï âäü bãön âiãûn cao gáúp 2,5 láön khäng khê, khäúi læåüng riãng cao gáúp 5,1 láön khäng khê, nhiãût âäü säi tháúp -64oC, coï thãø neïn 80
åí nhiãût âäü thæåìng tåïi 2MPa maì khäng bë hoaï loíng. Elegas khäng âäüc, âäü bãön væîng hoaï hoüc cao, khäng bë phán huyí åí nhiãût âäü 800oC. 7.4. CCl2F2 (Freon): - Coï âäü bãön âiãûn xáúp xè Elegas, nhiãût âäü säi 247,7oK(-30,5oC), khê Freon-12 gáy àn moìn mäüt säú âiãûn mäi hæîu cå. 7.5. CF2, C2F6,C3F8. . . - Coï âäü bãön âiãûn ráút cao 8->10 láön so våïi khäng khê, âäü bãön âiãûn tæång âæång våïi cháút loíng nhæng coï khäúi læåüng riãng nhoí hån cháút loíng, tênh chëu nhiãût cao, bãön væîng chäúng giaì cỗi. 7.6. Khê H2: - Nheû,tênh dáùn nhiãût vaì nhiãût dung cao - Laìm caïch âiãûn cho maïy âiãûn cäng suáút låïn( giaím ma saït, traïnh oxi hoaï, hoaí hoaûn khi chaûm cháûp cuäün dáy ) 7.7. Khê trå: âæåüc duìng laìm caïch âiãûn cho caïc bäü phoïng âiãûn khê. Caïc khê trå coï nhiãût dáùn tháúp, âäü bãön âiãûn keïm, Kc,Kr vaì Xe âæåüc duìng trong cäng nghiãûp chãú taûo âeìn huyình quang. CHƯƠNG 8: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ LỎNG 8.1 Dầu mỏ cách điện (Dáöu biãún thãú): - Laìm maït vaì caïch âiãûn cuía maïy biãún aïp - Laìm caïch âiãûn vaì dáûp tàõt häö quang trong maïy càõt dáöu. - Dáöu maïy biãún aïp coìn âäø vaìo âáöu ra cuía caïp, biãún tråí, vaì ráút nhiãöu thiãút bë khaïc. * Æu âiãøm: 81
-Coï âäü bãön caïch âiãûn cao, trong træåìng håüp dáöu cháút læåüng cao coï thãø âaût tåïi 160kV/cm,  = 2,2 2.3 - Dáöu coï tênh phuûc häöi caïch âiãûn -Coï thãø xám nháûp vaìo caïc khe raînh heûp. * Nhæåüc âiãøm: - Dáöu nhaûy caím cao våïi taûp cháút vaì âäü áøm - Åí nhiãût âäü cao dáöu taûo nhæîng boüt khê => âäü nhåït, tênh nàng caïch âiãûn vaì laìm maït âãöu giaím suït -Dãù chaïy vaì khi chaïy seî phaït sinh ra khoïi âen, håi dáöu bäúc lãn hoaì láùn cuìng våïi khäng khê laìm thaình häùn håüp näø Dáöu biãún thãú coï caïc tênh cháút sau: -Taûp cháút trong dáöu laìm giaím suït ráút låïn âäü bãön caïch âiãûn cuía dáöu. Vç váûy træåïc khi cho dáöu vaìo maïy , phaíi laìm saûch ráút ké vaì khuáúy trong chán khäng -Âiãûn tråí suáút cuía dáöu khoaíng 1014  1016 (.cm) ) -Laìm viãûc daìi haûn åí nhiãût âäü 90  95oC - Âäöng xuïc taïc nhanh quaï trçnh oxy hoaï trong dáöu . 8.2. Dáöu tuû âiãûn: - Táøm cho tuû giáúy laìm tàng  vaì Ect => tàng âiãûn dung, giaím kêch thæåïc vaì giaï thaình cuía tuû. 8.3. Dáöu duìng cho caïp: - Táøm trong caïp giáúy=>laìm maït vaì tàng âäü bãön âiãûn. - Âãø táøm cho caïp dæåïi 35kV coï voí nhäm hoàûc chç duìng loaûi dáöu coï âäü nhåït cao, khäng nhoí hån 23mm2/s åí nhiãût âäü100oC. Âãø tàng âäü nhåït ngæåìi ta coìn thãm nhæûa thäng vaìo dáöu. Âãø táøm cho caïp tæì 110kV-220kV duìng dáöu coï âäü nhåït tháúp 2 o 2 hån  3,5mm / s åí nhiãût âäü 100 C, 10mm / s åí nhiãût âäü o 2 o 50 C, 40mm / s åí nhiãût âäü 20 C 8.4. Mäüt säú cháút loíng hæîu cå 82
o 8.4.1 Dáöu Sovol(C12H5Cl5): (f=50Hz, t=20 C  5 ; khi t=90oC  4,1 ) -Khäng chaïy nhæng ráút âäüc. -Do coï cæûc nãn tênh caïch âiãûn cuía noï bë aính hæåíng ráút nhiãöu båîi taûp cháút -Khi nhiãût âäü giaím hàòng säú âiãûn mäi giaím nãn âiãûn dung cuía tuû giaím. 8.4.2 Cháút loíng Silic hæîu cå: - Coï tg tháúp, huït næåïc vaì tênh chëu nhiãût cao, giaï thaình cao, hàòng säú âiãûn mäi biãún âäøi låïn, nhiãût âäü laìm viãûc láu daìi 250oC. c. Cháút loíng Flor hæîu cå: -Coï tênh chëu nhiãût cao, tg tháúp, âäü bãön âiãûn cao, håi cuía cháút loíng Flor bãön væîng åí thãø khê. -Âäü nhåït tháúp nãn ráút dãù táøm cho váût liãûu xäúp, coï âäü nåí nhiãût cao vaì häúc håi maûnh nãn thiãút bë chæïa cháút loíng Flor phaíi ráút kên. -Taín nhiãût cao hån dáöu biãún aïp vaì cháút loíng Silic hæîu cå. -Khäng chaïy vaì chëu âæåüc häö quang. -Giaï thaình cao. 83
CHƯƠNG 9: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THỂ RẮN 9.1. Điện môi hữu cơ cao phân tử: 9.1.1. Cấu tạo và phân loại điện môi hữu cơ: - Vật liệu hữu cơ là các hợp chất của cacbon với các nguyên tố khác. - Cấu trúc phân tử có ảnh hưởng chính đến những tính chất của các chất hữu cơ: 84
Một số vật liệu cách điện hữu cơ thấp phân tử có số lượng nguyên tử tham gia vào phân tử của chất này không nhiều. Vật liệu cách điện hữu cơ cao phân tử: có phân tử rất lớn, đôi khi trong một phân tử có hàng chục ngàn nguyên tử; khối lượng phân tử có thể lên đến 1 triệu, kích thước hình học lớn không hòa tan được, hoặc tạo thành dung dịch keo. Có 2 loại: o Vật liệu nhân tạo: chế biến hóa học những chất cao phân tử có sẵn trong tự nhiên. o Vật liệu cao phân tử được tạo nên bởi sự tổng hợp các chất thấp phân tử. - Phản ứng trùng hợp: là phản ứng tạo thành polime từ monome. Thay đổi tính chất các chất: Khối lượng phân tử tăng lên. Nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi tăng. Độ nhớt tăng trong quá trình trùng hợp. Chuyển trạng thái: khí, lỏng lỏng đặc, rắn. Độ hòa tan giảm. - Phân loại polime: Theo cấu trúc: gồm 2 nhóm: Polime đường thẳng: o Hình chuỗi xích hoặc sợi chỉ tỉ số giữa kích thước chiều dài và chiều ngang rất lớn. o Khá mềm, co giãn tốt chế tạo các những sợi mảnh, dẻo và bền sản xuất vật liệu dệt, màng mỏng. o Nhiệt độ tăng lên vừa phải hóa dẻo rồi nóng chảy. o Có khả năng hòa tan trong các dung môi thích hợp. Polime không gian: o Phát triển đều hơn theo các hướng khác nhau Hình dáng gọn hơn, giống hình cầu. o Rất cứng không thể sản xuất sợi dẻo hay màng dệt. 85
o Chỉ hóa dẻo ở nhiệt độ rất cao. Một số bị phá hủy về mặt hóa học khi chưa đạt đến nhiệt độ hóa dẻo. o Khó hòa tan. Theo thực tế: gồm 2 nhóm: Vật liệu nhiệt dẻo: oỞ nhiệt độ thấp: trạng thái rắn, đốt nóng mềm và dễ biến dạng. o Có khả năng hòa tan trong các dung môi thích hợp. o Sau khi nung nóng đến nhiệt độ tương ứng với trạng thái dẻo, làm nguội lại, các vật liệu vẫn giữ được các đặc tính trên: Khi đốt nóng thay đổi tính chất phục hồi được. Vật liệu nhiệt cứng: o Khi đốt nóng thay đổi tính chất không phục hồi được: bị cứng lại - độ bền cơ học và độ cứng sẽ lớn hơn nhiều, mất tính hòa tan và tính nóng chảy. Ví dụ: Vật liệu nhiệt dẻo: polime đường thẳng polime đường thẳng. Vật liệu nhiệt cứng: polime đường thẳng polime không gian. 9.1.2. Nhựa cách điện: A - NHỰA TỔNG HỢP 1. Nhæûa PE: - Đặc tính cơ tốt, độ trong suốt cao. - Chịu được axit và kiềm. - Sản xuất cách điện cho cáp điện tần số cao và cáp điện lực điện áp cao làm việc trong môi trường ẩm. - Chịu nhiệt kém. 2. Nhựa Polipropilen: - Rất dẻo. - Khả năng cách điện tương đương polietilen. 86
- Độ bền nhiệt cao hơn PE nhiều. 3. Nhæûa Poliizobutilen: (-CH2-C(CH3)2-)n -Coï tênh cháút giäúng cao su, coï tênh keïo daîn, âaìn häöi. -Coï tênh chëu laûnh cao vaì âäü bãön væîng giäúng PE. -Coï tênh huït áøm tháúp. 4. Nhæûa Polistirol: (-CH2-CH(C6H5)-)n -Gioìn åí nhiãût âäü tháúp vaì taûo vãút næït trãn bãö màût -Chëu nhiãût tháúp. -Cuîng nhæ PE,Poliizobutilen, Polistirol laì nhæûa coï tênh caïch âiãûn cao vaì tênh huït næåïc tháúp =>ÆÏng duûng trong ké tháût âiãûn cao táöng. 5. Nhæûa PVC (-CH2-CH(Cl)-)n: - Âiãûn mäi coï cæûc -Tênh caïch âiãûn tháúp hån âiãûn mäi khäng cæûc -Êt chëu taïc âäüng cuía âäü áøm, bãön væîng våïi taïc âäüng cuía næåïc, kiãöm, axit, ræåüu, noï duìng laìm caïch âiãûn haû aïp, låïp voí baío vãû 6. Nhæûa Poliacrilat(H2C=CH-COOH): - Chëu laûnh, chëu dáöu måî vaì kiãöm. - Âaûi diãûn cho poliacrilat noï laì Metimetylacrilat (CH2=C(CH3)-COO-CH3): goüi laì thuyí tinh hæîu cå, coï tênh trong suäút. Dæåïi taïc duûng cuía häöì quang thç noï sinh khê CO, H2, H2O vaì CO2 coï taïc duûng dáûp tàõt häö quang => chãú taûo caïc thiãút bë chäúng seït. B - NHỰA THIÊN NHIÊN 1. Cánh kiến: - Nhựa do côn trùng tiết ra trên các cành cây ở xứ nóng nhiệt đới. - Thành phần: axit hữu cơ phức tạp. 87
- Dễ hòa tan trong rượu, cồn nhưng không hòa tan trong hydrocacbon. - Dùng ở dạng sơn dán để chế tạo micanit. 2. Nhæûa thäng: 12 13 -Gioìn, âiãûn tråí suáút cao 10  10 m , âäü bãön âiãûn cao Ect = 10- 15 MV/m, nhiãût âäü noïng chaíy 50-70oC, dáön dáön bë oxi hoaï -Nhæûa thäng tan trong dáöu måî , duìng âãø táøm cho caïp 9.1.3. Âiãûn mäi nãún(Saïp): -Dãù noïng chaíy, coï cáúu taûo tinh thãø, âäü bãön cå hoüc yãúu vaì tênh huït næåïc tháúp caïc váût liãûu naìy duìng âãø táøm hoàûc roït láúp keî håí, nhæng seî co ruït nhiãöu khi nguäüi âi 1. Parafin: reí, khäng cæûc, khäng dênh æåït, âäü bãön âiãûn äøn o -4 âënh,tnc= 50-55 C, tg =3-7.10 ,  1,5 2,3 . Parafin coï khi duìng táøm cho giáúy cuía tuû âiãûn coï âiãûn aïp tháúp, táøm cáy vaì giáúy carton, âãø roït láúp keî håí cuäün dáy maïy âiãûn coï nhiãût âäü laìm viãûc tháúp 2. Xerezin: Nhiãût âäü noïng chaíy cao, bãön våïi khäng khê, âiãûn tråí suáút låïn vaì tg tháúp hån => laìm tuû giáúy. 3. Vazelin: Mang tênh cháút chung cuía saïp, åí nhiãût âäü thæåìng åí daûng næía loíng, sæí duûng âãø táøm giáúy tuû. Vazelin laì häùn håüp cuía carbua hydro loíng vaì ràõn Thäng säú 20oC 100oC [m] 5.1012 5.109 tg 0,0002 0,002 9.1.4. Sån caïch âiãûn vaì häùn håüp cách điện: 1. Sån caïch âiãûn: dung dëch keo bitum vaì dáöu bäúc håi. Khi sáúy khä thç åí traûng thaïi ràõn vaì taûo thaình låïp maìng moíng.Yãu cáöu sån phaíi caïch âiãûn vaì khäng âæåüc huït áøm. 88
3 loại: -Sån táøm: táøm caïc läù moüt hoàûc caïch âiãûn daûng såüi(giáúy, carton,vaíi,caïch âiãûn cuäün dáy maïy âiãûn). -Sån che phuí: taûo ra mäüt låïp coï âäü bãön cå hoüc, bàòng phàóng vaì khäng tháúm næåïc trãn bãö màût âiãûn mäi. Sån Emay coìn sån træûc tiãúp lãn dáy dáùn laìm caïch âiãûn hoàûc caïc laï theïp trong maûch tæì maïy biãún aïp. -Sån kãút dênh: Duìng âãø kãút dênh caïc låïp cuía âiãûn mäi hoàûc giæîa âiãûn mäi våïi kim loaûi. Một số sơn cách điện thường dùng trong kỹ thuật điện:: dung dëch nhæûa täøng håüp hay nhæûa thiãn nhiãn gäöm caïc loaûi sau: + Sån bakelit: dung dëch cuía bakelit trong ræåüu. Sån naìy duìng âãø kãút dênh, coï âäü bãön cå hoüc cao, êt deío, dãù bë giaì coîi do nhiãût. + Sån Gliftan: dung dëch nhæûa gliftan trong häùn håüp ræåüu våïi hydro cacbua loíng. Duìng kãút dênh mica, coï tênh uäún deío täút hån bakelit nhæng tênh chëu áøm keïm hån. + Sån silic: cáön sáúy åí nhiãût âäü cao, noï coï tênh chëu nhiãût vaì chäúng áøm täút. +Sån Policlovinil: chëu âæåüc dáöu måî vaì nhiãöu váût cháút khaïc, duìng âãø sån phuí cho caïch âiãûn hoaût âäüng åí mäi træåìng axit +Sån xenlulo: quan troüng nháút laì Nitroxenlulo noï coï âäü bãön cå hoüc cao, chëu âæûng âæåüc taïc âäüng cuía khäng khê nhæng khäng baïm vaìo kim loaûi. Vç váûy, phaíi sån bàòng gliftan vaìo kim loaûi räöi måïi sån Nitroxenlulo. + Sån dáöu: coï nguäön gäúc tæì dáöu tæû khä vaì thãm thaình pháön laìm tàng täúc âäü khä cuía dáöu. Sån naìy duìng âãø saín xuáút giáúy 89
sån, vaíi sån vaì táøm cho cuäün dáy maïy âiãûn, sån caïch âiãûn cho caïc laï theïp maïy biãún aïp. +Sån âen: thaình pháön chênh laì bitum, noï reí hån coï tênh huït áøm tháúp vaì coï âäü caïch âiãûn cao nhæng khäng chëu âæûng âæåüc xàng dáöu vaì chëu nhiãût tháúp. 2. Häùn håüp caïch âiãûn: laì häùn håüp caïc loaûi nhæûa khaïc nhau bitum, saïp, dáöu, nãún. *Táøm cho giáúy caïch âiãûn coï nguäön gäúc tæì dáöu moí, vaì nhàòm tàng âäü nhåït cuía häùn håüp, ngæåìi ta thãm nhæûa thäng hay nhæûa täøng håüp nhán taûo. *Láúp âáöy caïc màng sang reî nhaïnh, màng sang âáöu cuäúi âãø traïnh caïp tiãúp xuïc våïi khäng khê. Häùn håüp láúp âáöy coï thaình pháön chuí yãúu laì bitum vaì dáöu thäng. 9.1.5. Váût liãûu såüi: Reí, âäü bãön cå hoüc cao, coï tênh deío, dãù gia cäng nhæng nhæåüc âiãøm laì âäü bãön âiãûn tháúp, vaì dãù huït áøm - Gäù: laì caïch âiãûn quan troüng trong kyî tháût âiãûn, âãø náng cao tênh cháút caïch âiãûn cuía gäù ngæåìi ta táøm bàòng caïc loaûi sån khaïc - Giáúy vaì carton caïch âiãûn: âæåüc chãú taûo tæì xenlulo vaì âæåüc hoaì tan trong dung dëch kiãöm - Giáúy caïp: coï thãø chãú taûo cho caïp cáúp 110kV hoàûc cao hån. Giáúy caïp duìng cho caïp læûc coï caïc kyï hiãûu: KB, KM, KBY, KBM. . .(K: caïp, M: nhiãöu låïp,B: cao aïp, Y: giáúy coï âäü khêt cao) Caïp læûc coï caïch âiãûn yãúu nháút laì chäù keî håí cuía tæìng låïp giáúy vaì vç váûy cáön phaíi táøm bàòng dáöu thäng vaì nhæûa tæû khä. Loaûi naìy duìng cho cáúp âiãûn aïp khäng quaï 35kV. ÅÍ cáúp cao hån duìng caïp dáöu. 9.1.6 Váût liãûu âaìn häöi: 90
o - Cao su thiãn nhiãn(C5H8)n: ÅÍ nhiãût âäü 50 C cao su âaî bë noïng chaíy vaì åí nhiãût âäü tháúp coï tênh gioìn. Cao su hoaì tan trong dung mäi carbua hydro. Âãø tàng tênh chëu nhiãût chëu laûnh ngæåìi ta tiãún haình læu hoaï cao su - Cao su læu hoaï: ngoaìi tàng tênh chëu nhiãût chëu laûnh cao su læu hoaï coìn tàng âäü bãön cå hoüc, bãön væîng våïi caïc dung dëch. Nhæng dãù bë giaì coîi do nhiãût, khäng bãön væîng bë taïc âäüng cuía cháút loíng khäng cæûc. - Cao su nhán taûo: + Cao su butan(-CH2-CH=CH-CH2-)n: laì âiãûn mäi khäng cæûc, coï 1015 m ,tg 5 4 +Cao su butan- Stirol:laì polime hoaï âäöng thåìi Polistirol vaì butan, tênh cháút caïch âiãûn gáön giäúng nhæ cao su thiãn nhiãn nhæng chëu nhiãût, chëu dáöu måî, xàng ráút cao + Cao su silic hæîu cå: Chëu nhiãût cao 250oC chëu laûnh tåïi - 100oC nhæng coï âäü bãön cå keïm, tênh bãön væîng hoaï hoüc khäng cao vaì giaï thaình cao 9.2. Điện môi vô cơ: 9.2.1. Thuyí tinh: -Khäúi læåüng riãng:låïn tæì 2-8Mg/m3, thuyí tinh nàûng chæïa nhiãöu chç -Tênh cháút cå hoüc:Âäü bãön neïn låïn hån ráút nhiãöu so våïi âäü bãön keïo(6000-21000Mpa >100-300Mpa) -Tênh cháút nhiãût: Nhiãût noïng chaíy cuía thuyí tinh nàòm trong giåïi haûn 400-1600oC Tuyì theo cäng duûng ngæåìi ta chia ra laìm caïc loaûi thuyí tinh nhæ sau: Thuyí tinh duìng cho tuû âiãûn, trong bäü loüc cao táöng, maïy phaït xung, maûch dao âäüng .Noï cáön coï tg nhoí vaì  cao 91
Thuyí tinh thiãút bë: Duìng âãø chhãú taûo caïc thiãút bë, linh kiãûn sæï. Loaûi thuyí tinh naìy yãu cáöu coï âäü bãön cå hoüc cao, tênh caïch âiãûn täút. Thuyí tinh kiãöm: coï chæïa nhiãöu kim loaûi nàûng, loaûi thuyí tinh naìy coï  cao vaì tg tháúp duìng laìm tuû âiãûn Thuyí tinh trung tênh: Thuyí tinh thaûch anh coï âäü trong suäút cao, duìng trong ké thuáût quang vaì loaûi naìy coï tênh caïch âiãûn cao 9.2.2. Váût liãûu gäúm sæï: -Laì váût liãûu cæûc kç quan troüng trong kTÂ, duìng âãø chãú taûo caïch âiãûn vaì âåî âæåìng dáy trãn khäng. Âæåüc saín xuáút tæì âáút seït vaì mäüt säú cháút phuû gia, trãn bãö màût sæï coï traïn men âãø tàng tính sáng boïng trãn bãö màût cuía saín pháøm. -Goïc täøn hao låïn vaì tàng ráút nhanh theo nhiãût âäü Caïc loaûi gäúm sæï nhæ sau: *Gäúm coï hãû säú âiãûn mäi nhoí: thaình pháön chuí yãúu thaûch anh -SiO2 *Sæï radio: coï thaình pháön oxit kim loaûi nàûng *Sæï cao táön:chæïa thaình pháön Al2O3, sæï naìy coï âàûc âiãøm tg nhoí,âiãûn tråí suáút låïn vaì coï âäü bãön cå hoüc cao. *Stealit: thaình pháön chuí yãúu laì Silic mangie *Gäúm coï hãû säú âiãûn mäi låïn:Thaình pháön chuí yãúu laì TiO2, loaûi naìy duìng âãø saín xuáút tuû, kêch thæåïc nhoí, khäúi læåüng tháúp. Váût liãûu coï  ráút cao. Phaûm vi sæí duûng : caïch âiãûn vaì âåí cho caïc pháön tæí âäút noïng, häüp buäöng dáûp häö quang, táúm ngàn häö quang .Noïi chung duìng laìm caïc chi tiãút åí nhiãût âäü cao vaì coï âäü biãún âäøi nhiãût låïn. Một số cách điện bằng sứ: 92
Do sứ cách điện có chiều dày lớn và cường độ cách điện cao khó xảy ra phóng điện chọc thủng mà chỉ xảy ra phóng điện trên bề mặt sứ. a. Sứ cách điện đường dây: - Yêu cầu: Cách điện của đường dây phải chịu được tác dụng của phần lớn các loại quá điện áp nội bộ. Đối với quá điện áp khí quyển, phải giải quyết cho hợp lý cả về mặt kinh tế lẫn kỹ thuật: o Đường dây 110kV trở lên: chỉ cần có các biện pháp bảo vệ chống sét tương đối đơn giản. o Đường dây 35kV trở xuống: cách điện phải tăng cao rất tốn kém cách điện đường dây chỉ cần chọn tới mức cần thiết hợp lý rồi kết hợp với các biện pháp hạn chế sự cố do sét: nối đất cột điện, dùng cuộn dập hồ quang - Gồm: Thành phần điện môi (sứ, thủy tinh ) Bộ phận kim loại (mũ, chân) Vật liệu gắn liền giữa điện môi với bộ phận kim loại. 93
Hình 9.1: Sứ đường dây kiểu đứng b. Sứ treo: - Dùng trên đường dây tải điện có điện áp đạt đến mức cao nhất. - Nhiều đĩa sứ ghép liên tiếp thành chuỗi bằng cách cho thanh kim loại của đĩa này khớp với mũ của đĩa khác và dùng chốt hãm, treo riêng biệt thành nhiều chuỗi. - Dùng để đỡ dây dẫn tại các cột và để kéo dây tại các cột néo. Hình 9.2: Sứ treo a. Sứ treo: 1. Mũ sứ; 2. Sứ cách điện; 3. Lõi bằng kim loại; b, Bộ chốt - Số lượng bát sứ trong chuỗi sứ được xác định theo điện áp làm việc của đường dây tải điện. Ví dụ: Đường dây 35kV - chuỗi 3 bát sứ. 110kV - chuỗi 7 bát sứ. 150kV - chuỗi 9 bát sứ. 220kV - chuỗi 13 bát sứ. 94
330kV - chuỗi 16 bát sứ. - Thanh sứ treo đường dây tải điện cao áp ngoài trời: vật liệu gốm mới có độ bền cơ và độ bền kéo đứt cao. Hình 9.3: Thanh sứ treo đường dây có vỏ hình chuông đơn giản (a) và vỏ hình chuông mở rộng bề mặt (b) c. Sứ cách điện dùng trong trạm biến áp và nhà máy điện: * Cách điện đỡ kiểu thanh: Dùng trong nhà. Điện áp 3-10kV và 35kV. Bên trong rỗng theo kết cấu đơn giản nhất. Đế và mũ gang được gắn với thân sứ bằng ximang. 95
Hình 9.4: Cách điện đỡ kiểu thanh a. Điện áp 6kV; b. Điện áp 35kV dùng trong nhà; c. Điện áp 35kV dùng ngoài trời * Cách điện đỡ kiểu có chân sắt: Đặt ngoài trời. Có đai kim loại ở đầu sứ để bắt dây dẫn. 96
Hình 9.5: Cách điện đỡ kiểu có chân sắt * Sứ xuyên: - Dùng để luồn dây dẫn có điện áp cao đi xuyên qua tường, sàn nhà, vách ngăn, sứ đầu ra của MBA - Cấu tạo: Hình 9.6: Sứ xuyên 1. Lõi dẫn dòng điện; 2. Thân sứ; 3. Mặt bích; 4. Mũ chụp bằng đồng thau Lõi dẫn điện bằng đồng đi xuyên qua ruột sứ, 2 đầu lõi có tiện ren để làm 2 cọc đấu dây dẫn hoặc thanh góp dẫn tới sứ xuyên. 97