Vật liệu điện môi

Giáo viên HD: Vũ Thị Kim Liên
Sinh viên: Mai Thị Tâm
CHỦ ĐỀ 18:
VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI
Nội dung chính
I. Khái niệm
1. Khái niệm
Vật liệu điện môi ( VLĐM) là những vật liệu không cho dòng điện chạy qua và có điện trở suất lớn (khoảng 103 - 1016 .m )
+) kl (10-6 - 10-4 .m) < bd (10-4 - 103 .m) < đm
II. Phân loại
Có 3 cách phân loại VLĐM:

1 Theo trang thái vật lý: rắn, lỏng, khí
VLĐM có thể ở thể khí, thể lỏng và thể rắn. Vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với vât liệu cách điện thể rắn thì mới hình thành được cách điện vì các phần tử kim loại không thể giữ chặt được ở trong khí.
a. Vật liệu điện môi thể khí
- Đầu tiên là không khí. Nó thường tham gia vào các thiết bị điện và giữ vai trò như vật liệu cách điện hỗ trợ thêm cho các vật liệu cách điện rắn hoặc lỏng. Hay là tạo 1 lớp cách điện duy nhất giữa các dây dẫn trần của đường dây tải điện trên không
H2: là 1 chất khí nhẹ. Nó làm chậm sự hoá già chất cách điện hữu cơ trong dây quấn máy điện và loại trừ khả năng hoả hoạn trong trường hợp bị ngắn mạch bên trong máy điện.
N2: đôi khi được dùng thay cho không khí để lấp đầy tụ điện khí vì có đặc tính điện gần giống không khí.
Khí Elêga (SF6) : Khí có độ bền điện lớn hơn không khí 2,5 lần. Nó không độc, chịu được tác dụng hóa học, không phân hủy khi đốt nóng tới 800C.
b. Vật liệu điện môi thể lỏng
Dầu biến áp: được dùng nhiều trong kĩ thuật điện và nó có công dụng chính là:
- Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và khoảng trống giữa các dây dẫn của cuộn dây và giữa cuộn dây với vỏ máy biến áp, làm tăng độ bền điện của lớp cách điện lên rất nhiều.
- Tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép MBA sinh ra.

Ưu điểm:
- Có độ bền cách điện cao
- Dầu có tính phục hồi cách điện
- Dầu có thể xâm nhập vào các rãnh khe hẹp
Nhược điểm
- Dầu nhạy cảm với tạp chất và độ ẩm
- Ở nhiệt độ cao tạo ra những bọt khí làm tính năng cách điện và làm mát bị giảm sút
- Dễ cháy và khi cháy sẽ phát sinh ra khói đen, hơi dầu bốc lên lẫn vào không khí làm thành hỗn hợp nổ.
Dầu tụ điện: Để tẩm các tụ điện giấy, đặc biệt là các tụ động lực dùng để bù trong các thiết bị điện. Khi được tẩm dầu điện trở cách điện cũng như độ bền điện tăng lên, làm giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của tụ điện.
Dầu cáp: Dùng để tẩm lớp giấy cách điện của cáp làm tăng độ bền điện dùng cho cáp điện lực.
2. Theo bản chất hóa học
Vật liệu cách điện vô cơ gồm: các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu như: sứ gốm, thủy tinh, mica...
Thủy tinh:
- Ưu điểm:
Tính chịu nhiệt cao. Cuộn dây cách điện bằng thủy tinh có thể chịu nhiệt độ trên 1000C.
Khả năng dẫn nhiệt gấp vải 4 lần. Có khả năng chịu dầu, axít.
Không bị mục, nấm mốc, không thấm ẩm, không hóa già.
Điện trở cách điện lớn hơn bất kỳ vật liệu cách điện sợi nào. Độ bền cách điện cao.
- Nhược điểm: thủy tinh dễ vỡ do va chạm hay khi nhiệt độ cao,
Sứ cách điện thủy tinh được làm từ vật liệu thủy tinh. Ứng dụng cho các đường đây truyền tải điện trung thế, cao thế...Cách li các vật mang điện giữa đường dây tải với cột điện.
Sứ cách điện
Sứ cách điện: Được chế tạo từ đất sét, sau đó gia công định hình được nung và tráng men, có độ bền cách điện, độ bền nhiệt cao. Là một trong những vật liệu chủ yếu dùng trong lưới điện cao thế, trung thế và hạ thế, dùng cách điện trong máy điện, những linh kiện ở đui đèn, trong công tắc, cầu chì, cầu dao phích cắm...
Cầu chì
Mika
Là loại vật liệu quan trọng nhất trong các VLCĐ bằng chất khoáng thiên nhiên. Theo thành phần hoá học thì mika là những loại nhôm silicat ngậm nước. Vì có độ bền cơ và điện cao, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt, khá dẻo nên Mika được dùng làm cách điện ở những chỗ quan trọng, đặc biệt là làm cách điện các máy điện có điện áp cao, công suất lớn và làm điện môi cho 1 số tụ điện.
b. Vật liệu cách điện hữu cơ
Chia làm hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo. Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên như: vải sợi, giấy, cao su, xenluloit, phíp, lụa...Nhóm nhân tạo thường là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polieste, poliamit, nhựa epoxi, xilicon, polietilen,…
Nhựa cách điện
Ở nhiệt độ thấp thì nó cứng và giòn nhưng khi nhiệt độ tăng lên thì nó trở nên dẻo, đàn hồi. Nhựa không hòa tan trong nước, nhưng lại hòa tan trong một số dung môi.
Nhựa tự nhiên
Nhựa nhân tạo: Gồm ete xenlulo (điển hình) và este xenlulo.
Công dụng: dùng làm cách điện của cáp cao tần, của các thiết bị vô tuyến truyền hình, cáp thông tin, làm hỗn hợp cách điện dạng keo, sơn...
Nhựa tổng hợp: ví dụ như nhựa Polyetylen (PE), Polypropylen (PP) hay Polystyrol (PS)...
Sơn
Theo cách sử dụng sơn cách điện có thể chia làm 3 nhóm chính: Sơn tẩm, sơn phủ, sơn dán.
Sơn tẩm: Dùng để tẩm những chất cách điện xốp và đặc biệt là cách điện ở dạng xơ (giấy, vải, sợi, cách điện của dây quấn máy điện và thiết bị điện).
Sơn phủ: Dùng để tạo trên bề mặt của vật được quét sơn 1 lớp màng nhẵn bóng, chịu ẩm và bền về cơ học. Quét sơn này lên cách điện rắn xốp để cải thiện đặc tính của chất cách điện.
Sơn dán: Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn lại với nhau hoặc gắn vật liệu cách điện vào kim loại
Sơn cách điện cao áp :có độ cách điện cao nhất hiện nay hơn 50Kv/mm, được dùng cho các thiết bị trong hệ thống điện để tăng khả năng cách điện như tủ điện, dây dẫn, sàn cách điện nhà máy...
Sơn phủ chống phóng điện cho sứ cách điện trung thế và cao thế
Vật liệu xơ:
Vật liệu nguồn gốc thực vật (gỗ, bông, giấy chủ yếu là xenlulô)
Vật liệu nguồn gốc động vật (tơ, len)
Xơ nhân tạo: Thu được bằng cách chế biến hoá học nguyên liệu xơ thiên nhiên chủ yếu là xenlulô.
Xơ tổng hợp: Sản xuất từ các polyme tổng hợp.
Băng vải thủy tinh
3 Phân loại theo cấp chịu nhiệt
Phân loại vật liệu cách điện theo tính chịu nhiệt là cách phân loại rất cơ bản. Khi lựa chọn vật liệu cách điện, trước tiên ta phải biết vật liệu có khả năng chịu nhiệt theo cấp nào trong số bảy cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện theo bảng sau:
Cấp Y: bao gồm các vật liệu sợi gốc xenlulô và tơ(vải, sợi, giấy, gỗ...) chưa được ngâm tẩm trong vật liệu cách điện lỏng.
Cấp A: Là các vật liệu cấp Y đã được ngâm tẩm (giấy tẩm, vải tẩm, nhựa pôlyamit...).
Cấp E: gồm các chất dẻo có chất độn hữu cơ và lớp nhựa liên kết chịu nhiệt loại Fenol focmalđêhit và các loại khác (Hêtinắc,Téctôlit...)
Cấp B: mica vụn, téctôlit thuỷ tinh, sợi amian, vải thủy tinh...
Cấp F: Micanit, Êpoxi poliête chịu nhiệt, silic hữu cơ...

Cấp H: tương tự như cấp F, nhưng chất liên kết là loại nhựa silic hữu cơ có độ bền nhiệt đặc biệt cao.
Cấp C: Gồm các vật liệu vô cơ thuần túy, hoàn toàn không có thành phần kết dính hay tẩm.
II. CÁC TÍNH CHẤT CỦA VẬT LIỆU ĐIỆN MÔI
1. Tính hút ẩm của điện môi
Các vật liệu nói chung ở mức độ ít hay nhiều đều hút ẩm vào bên trong từ môi trường xung quanh hay thấm ẩm tức là cho hơi nước xuyên qua chúng. Khi bị thấm ẩm các tính chất cách điện của điện môi bị giảm nhiều.
Để bảo vệ mặt của điện môi có cực khỏi bị tác động của độ ẩm thì trên bề mặt của nó phải phủ thêm một lớp điện môi không thấm nước
2. Tính chất cơ của điện môi
Độ bền cơ học là khả năng vật liệu không bị biến dạng dưới tác dụng của lực cơ học.
Độ bền kéo dãn, nén và uốn: ở điện môi có cấu tạo dị hướng độ bền cơ học phụ thuộc vào hướng tác dụng của lực. Khi nhiệt độ tăng thì độ bền cơ học của điện môi giảm.
Tính giòn là: khả năng bị phá hủy của vật liệu mà không bị biến dạng.
Độ cứng là: khả năng bề mặt vật liệu chống lại biến dạng gây nên bởi lực nén truyền từ ngoại vật.
Độ nhớt: đối với vật liệu cách điện ở thể lỏng hoặc nửa lỏng như dầu, sơn.
Độ bền cách điện là giới hạn điện áp cho phép mà vật liệu cách điện còn làm việc được, được gọi là độ bền cách điện của vật liệu.
+ Bảng độ bền cách điện
3. Tính chất nhiệt của điện môi
Tính chịu nóng của vật liệu cách điện.
Khả năng chịu nóng là khả năng của vật liệu và các chi tiết chịu đựng không bị hư hỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao hoặc sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ.
Tính chịu lạnh của điện
Là khả năng cách điện ở nhiệt độ thấp tính cách điện tốt hơn ở nhiệt độ thường nhưng điện môi trở nên giòn
Tính dẫn nhiệt của điện môi là một trong những dạng chuyển nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn dẫn đến sự cân bằng nhiệt.
Sự giãn nở nhiệt của điện môi
Được thể hiện qua hệ số nở nhiệt  với  càng nhỏ thì vật liệu có tính chất càng cao và ngược lại.
4.Tính chất điện của điện môi
Ở trạng thái bình thường các phân tử điện môi trung hòa về điện, các electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân, trong điện môi không có các hạt mang điện tự do, cho nên nó không có tính dẫn điện. Còn khi đặt điện môi trong điện trường thì có hiện tượng phân cực: có sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của điện trường
Hằng số điện môi ( ): phụ thuộc vào tính chất của điện môi, cho ta thấy khả năng phân cực của điện môi.
5. Tính chất hóa học của điện môi-sự hóa già
Tính chất của vật liệu cách điện trong thời gian vận hành bị giảm sút liên tục ta nói vật liệu cách điện bị hóa già. Quá trình hóa già thực chất là kết quả của sự biến đổi hóa chất xảy ra nhanh hay chậm do điều kiện vận hành tác động.
Những yếu tố ảnh hưởng đến sự hóa già của điện môi:
Nhiệt độ: tốc độ của phản ứng hóa học tăng với nhiệt độ theo hàm số mũ, sự giảm sút tính chất cách nhiệt gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng.
Những tác động cơ học trong quá trình chế tạo, vận hành.
Những tác dụng hóa học tác động lên vật liệu cách điện phát sinh từ những vật liệu cách điện gần bền, từ môi trường xung quanh và từ vật liệu điện cực
Những quá trình hóa học chủ yếu gây nên sự hóa già của vật liệu điện môi:
- Sự ôxi hóa.
- Sự trùng hợp.
- Sự thủy phân.
- Sự bay hơi.
III.Một số ứng dụng của vật liệu điện môi.
Vật liệu điện môi làm vật liệu quang
Vật liệu điện môi được chế tạo làm vật liệu quang tử nhờ sự xắp xếp các lớp vật liệu điện môi xen kẽ nhau với một quy tắc xác định tạo nên những vật liệu có tính chất quý giá. Vật liệu quang tử có thể điều khiển ánh sáng như sự phản xạ, sự khúc xạ, sự giao thoa...
Ứng dụng: sợi tinh thể quang tử, quang học màng mỏng: màng phản xạ, màng truyền qua...
- Ngoài ra, vật liệu điện môi: thủy tinh được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực quang học như chế tạo các thấu kính, gương, kính hiển vi, máy ảnh...
b. Vật liệu điện môi làm vật liệu cách điện
Chẳng hạn như nhựa cách điện thì làm vỏ bọc cách điện cho dây dẫn, dụng cụ bảo hộ: găng tay, ủng chân, thảm cách điện..
Vật liệu gốm-sứ thì làm các loại sứ cách điện, tụ gốm...
Vật liệu điện môi thể khí như khí H2, N2, SF6...sử dụng trong tụ điện, cáp điện, máy biến áp...
Vật liệu điện môi thể lỏng như dầu biến áp có khả năng cách điện cao, có khả năng làm mát, sử dụng làm môi trường dập tắt hồ quang điện ở máy cắt điện.
Băng keo điện
c. Vật liệu điện môi làm vật liệu trang trí, dùng trong sinh hoạt
Tổng kết:
Vật liệu điện môi có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện. Chúng được dùng để ngăn cách giữa phần mang điện và phần không mạng điện hoặc giữa những phần mang điện với nhau.Nếu không có vật liệu cách điện thì sẽ không thể chế tạo được bất kỳ một loại thiết bị nào, cho dù là đơn giản nhất.
Tài liệu tham khảo:
http://mientayvn.com/Dien%20tu/Tai_lieu/Dien_dan/Vat_lieu_ky_thuat_dien/vat_lieu_dien_Thai_Nguyen_ok.pdf
http://timtailieu.vn/tai-lieu/giao-trinh-mon-vat-lieu-dien-36396/
http://www.slideshare.net/Thininh/chuong-5-dac-tinh-ly-hoa-va-co-cua-dien-moi
http://baigiang.violet.vn/present/show/entry_id/4758273