Chuong 5 dac tinh ly hoa va co cua dien moi

Bài giảng: Vật Liệu Kỹ Thuật Điện Chương 5
Chương 5
TÍNH CHẤT HOÁ LÝ VÀ CƠ CỦA ĐIỆN MÔI

5.1 Tính hút ẩm của điện môi.
Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm và thấm ẩm.
Nước (hơi ẩm) là loại điện môi cực t1inh mạnh và có điện dẫn cao, nên một khi điện môi bị ẩm
thì phẩm chất cách điện bị giảm sút trầm trọng.
Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi. Đó là nguyên nhân
khiến cho điện áp phóng điện chọc thủng điện môi.
5.1.1 Độ ẩm của không khí.
Trong không khí luôn chưa hơi ẩm, lượng ẩm trong không khí được xác định bởi tham số
gọi là độ ẩm không khí.
Độ ẩm tuyệt đối m: là khối lượng hơi nước trong một đơn vị thể tích không khí (gH2O/
m3). Ơí nhiệt độ xác định độ ẩm tuyệt đối không thể vượt quá giới hạn mmax - được gọi là độ ẩm
bão hoà. Nếu khối lượng nước nhiều hơn giá trị mmax thì hơi nước sẽ rơi xuống dưới dạng sương

mmax(g/m3)

80
70
60
50
H.5.1- Quan hệ giữa độ ẩm bảo hoà theo nhiệt độ
40
Độ ẩm tương đối ζ%: là tỷ số: 30
m
ζ% = .1 00% 20 (5.1)
m m ax
Ở trạng thái bảo hoà của hơi nước trong không khí sẽ có ζ%= 100%. Thường các ẩm kế
10
cho số liệu về độ ẩm tương đối nên khi cần xác định độ ẩm tuyệt đối sẽ phải tính toán theo:
ζ% . m m ax ψcb% -10 0 10 20 30 40 50 60 70
-20 t oC
m= 30 (5.2)
1 00
Và do mmax là hàm của nhiệt độ môi trường không khí nên:
25
m=f(ζ%,t) (5.3)
20
5.1.2 Độ ẩm của vật liệu.
Khi đặt mẫu vật liệu cách điện trong 15 trường không khí có độ ẩm ζ% và nhiệt độ toC
môi
thì sau một thời gian nhất định độ ẩm của vật liệu ψ- lượng hơi nước trong một đơn vị trọng
1
2
10
lượng của vật liệu sẽ đạt tới giới hạn được gọi là độ ẩm cân bằng (ψcb). Trị số của độ ẩm cân
bằng phụ thuộc vào độ ẩm không khí và vào loại vật liệu.
05
3
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
H.5.2- Trị số độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào độ ẩm không
1- Vật liệu là tơ tự nhiên. 60
2- Vật liệu là xơ bông.
3- Vật liệu là xơ polietylen.


5.1.3 Tính thấm ẩm.
Tính thấm ẩm là khả năng cho hơi ẩm xuyên thấu qua điện môi. Nó đặc trưng bởi độ ẩm
P xác định từ công thức:
P( p 1 − p 2 ) .S .τ
m= (5.4)
h
Trong đó:
m- lượng hơi ẩm (µg) xuyên qua mẫu vật liệu diện tích S(cm2) dày h (cm) trong
thời gian τ (giây).
Đây là một tham số rất quan trọng để đánh giá chất lượng của vật liệu dùng làm sơn phủ
bề mặt kết cấu cách điện của thiết bị.
Độ thấm ẩm của vật liệu biến đổi trong phạm vi rất rộng.

ψ

2

ψ
5.1.4 cb Sự ngưng tụ ẩm trên bề mặt điện môi.
Hơi ẩm có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi và hình thành màng ẩm có độ dày phụ
1
thuộc vào độ ẩm của không khí và vào các loại vật liệu khác nhau. t
Khả năng dính nước của điện môi được đặc trưng bởi góc θ của giọt nước trên bề mặt
0
phẳng của vật liệu. H.5.3
Vật liệu có liên kết ion, vật liệu cực tính có khả năng dính nước mạnh- lực tác dụng giữa
các phân tử vật liệu với phân tử nước mạnh hơn lực tác dụng giữa các phân tử nước với nhau dẫn
đến sự lan rộng của màng ẩm trên bề mặt vật liệu, do đó các vật liệu này có góc dính θ<90o.
Ngược lại, ở các vật liệu trung tính góc biên dính nước θ>90o.
61


θ

θ

H.5.4
5.1.5 Ảnh hưởng của ẩm đối với phẩm chất cách điện của điện môi rắn.
Như đã nêu trước đây nước là loại vật liệu cực tính mạnh và có điện dẫn cao nên khi
thâm nhập vào bên trong điện môi sẽ làm giảm điện trở cách điện và làm tăng tổn hao điện môi.
Màng ẩm trên bề mặt điện môi không những làm tăng dòng rò và tổn hao do rò điện bề
mặt mà nguy hiểm hơn nữa còn làm giảm đáng kể điện áp phóng điện bề mặt... Trong nhiều
trường hợp khi đường dây đi trong vùng có bụi bẩn, vùng có không khí mặn lớp màng bẩn có
điện dẫn cao trên bề mặt sứ cách điện đã gây nên sự cố phóng điện bề mặt ngay cả ở điện áp làm
việc bình thường.
Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện đã sử dụng biện pháp sau đây:
 Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài.
 Tẩm các loại vật liệu xốp bằng cách sơn điện. Sơn tẩm sẽ tràn ngập các lỗ xốp
khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài mặt khác còn làm tăng phẩm chất
của lớp cách điện.
 Quét lên bề mặt điện môi lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong
điện môi.
 Để nâng cao điện áp phóng điện bề mặt sẽ phải tăng chiều dài rò điện bề mặt bằng
cách đặt thêm các gờ, tán như ở các sứ cách điện dùng trên đường dây... Trong
điều kiện cho phép sẽ làm vệ sinh bề mặt để khử bụi bẩn.

5.2 Tính chất cơ học của điện môi.
Những tính chất nhiệt quan trọng nhất của điện môi là độ bền chịu nóng, độ dẫn nhiệt và
nở nhiệt.
5.2.1 Tính chịu nóng.
Tính chịu nóng là khả năng chịu được tác dụng của nhiệt độ cao và do sự thay đổi đột
ngột của nhiệt độ. Tính chịu nhiệt được đặc trưng bởi độ bền chịu nóng. Đối với điện môi vô cơ
độ bền chịu nóng được biểu thị bằng nhiệt độ mà từ đó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt các phẩm
chất cách điện như tổn hao tgδ tăng, điện trở cách điện giảm sút... Đối với điện môi hữu cơ độ
bền chịu nóng là nhiệt độ gây nên các biến dạng cơ học những biến dạng này đương nhiên sẽ dẫn
đến sự suy giảm các phẩm chất cách điện của điện môi.
Để đảm bảo dự trữ về tính chịu nóng đối với vật liệu cách điện đã qui định nhiệt độ làm
việc lớn nhất cho phép, ở nhiệt độ này vật liệu có thể làm việc lâu dài trong thời gian khoảng 20
năm.
Theo qui định của IEC (hội kỹ thuật điện quốc tế) các vật liệu cách điện được phân cấp
theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép như sau:
Phân cấp Nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép
Cấp Y 90
Cấp A 105
Cấp E 120
Cấp B 130
Cấp F 155
Cấp H 180
Cấp C >180
Cấp Y: gồm các vật liệu sợi gốc xenlulo và tơ (sợi, vải, giấy, cacton, gỗ...) khi chưa được
tẩm sơn cách điện hoặc ngâm trong vật liệu cách điện lỏng.
Cấp A: là các vật liệu cấp Y khi đã được ngâm tẩm.
62

Cấp E: là các chất dẻo dùng làm chất độn hữu cơ và dùng nhựa liên kết loại fenol
focaldehit, nhựa epocxi, các hỗn hợp cách điện không dùng chất độn...
Cấp B: bao gồm mica vụn, sợi amian, sợi thuỷ tinh kết hợp lại bằng các chất liên kết gốc
hữu cơ như nhựa fenol focaldehit, nhựa epocxi.
Cấp F: gồm micanit và các vật liệu trên cơ sở sợi thuỷ tinh có hoặc không có lớp điện
môi vô cơ kết hợp lại bằng các chất liên kết có độ bền chịu nóng cao như êpocxi, coliête chịu
nhiệt, silie hữu cơ...
Cấp H: tương tự với cấp F nhưng chất liên kết là loại nhựa vilie hữu cơ có độ bền chịu
nóng đặc biệt.
Cấp C: gồm các vật liệu thuần tuý mica, thuỷ tinh, sứ, thạch anh, amian... hoàn toàn
không có các thành phần kết dính hoặc tẩm.
5.2.2 Độ dẫn nhiệt.
Độ dẫn nhiệt là một chỉ tiêu quan trọng của vật liệu cách điện vì rằng nhiệt lượng phát
nóng do tổn hao đồng và tổn hao thép của thiết bị điện và do tổn hao điện môi... phải được tản ra
môi trường xung quanh thông qua lớp cách điện.
Do đó đối với vật liệu cách điện còn có yêu cầu về khả năng dẫn nhiệt.
Đây là một khó khăn lớn trong thực tế vì cho đến nay những vật liệu cách điện cũng đồng
thời là những vật liệu cách nhiệt. Ở các thiết bị điện áp cao và siêu cao áp sự tăng chiều dày cách
điện theo điện áp cũng sẽ gây khó khăn cho vấn đề tản nhiệt.
Độ dẫn nhiệt của vật liệu cách điện được đặc trưng bởi nhiệt dẫn γT xác định theo:
dT
∆p T = γ T ∆S (5.5)
dl
∆pT- công suất nhiệt được chuyền qua lớp điện môi có diện tích ∆S.
dT/dl- gradien nhiệt độ trong điện môi.
Trị số nhiệt dẫn của một số vật liệu cách điện được cho trong bảng sau:
Tên vật liệu γT (W/cm.độ)
Không khí 0,00025
Nhựa đường 0,00070
Giấy 0,00100
Vải sơn 0,00130
Nước 0,00580
Sứ 0,01600
Thạch anh kết tinh 0,12500
Oxít nhôm 0,30000
5.2.3 Sự dãn nở nhiệt.
Sự dãn nở nhiệt của điện môi được đánh giá bởi hệ số dãn nở dài αl:
αl =
1 dl
l dt
[âäü−1 ] (5.6)
l- chiều dài mẫu điện môi.
t- nhiệt độ.
Các điện môi vô cơ có hệ số dãn nở dài bé nên các chi tiết chế tạo từ vật liệu vô cơ có
kích thước ổn định khi nhiệt độ thay đổi. Ngược lại ở các điện môi hữu cơ hệ số dãn nở dài có
thể lớn gấp hàng trăm lần so với của điện môi vô cơ.

5.3 Tính chất cơ học của điện môi.
Do vật liệu cách điện luôn phải chịu tác động cơ học nên độ bền cơ học có ý nghĩa rất
lớn. Đây là khả năng của vật liệu không bị biến dạng dưới tác động của lực cơ học.
5.3.1 Độ bền kéo dãn, nén và uốn.
Khác với kim loại là vật liệu có độ bền kéo, nén và uốn hầu như gần bằng nhau
trong điện môi các tham số này chênh lệch nhau khá xa.
Ví dụ ở thuỷ tinh σn=2000kg/cm2 trong khi σk chỉ bằng 500kg/cm2.

63

Độ bền cơ học của nhiều điện môi phụ thuộc đáng kể vào diện tích tiết diện của
vật liệu...
Độ bền cơ học còn phụ thuộc vào nhiệt độ và thường giảm khi nhiệt độ tăng...
Đặc biệt ở các chất dẻo độ bền cơ giảm thấp rõ rệt và dễ dàng bị biến dạng ngay cả ở
nhiệt độ tăng cao.
5.3.2 Tính giòn.
Tính giòn biểu thị khả năng của vật liệu chống các tải cơ học động.
Khả năng này được xác định bởi độ dai va đập, đó là tỷ số giữa năng lượng để bẻ
gãy mẫu vật liệu có tiết diện ngang S.
5.3.3 Độ cứng.
Độ cứng biểu thị khả năng của bề mặt vật liệu chống lại các biến dạng gây nên
bởi lực nén truyền từ vật liệu có kích thước bé hơn.
Thường độ cứng được xác định theo phương pháp Brinel:
P P
TB = =
πDh πD
( 2
D − D2 − d2 ) (5.7)

5.4 Tính chất hoá học của điện môi và sự tác động lên vật liệu những tia năng lượng
cao.
5.4.1 Tính chất hoá học.
Về mặt hoá học đòi hỏi điện môi phải có khả năng sau đây:
 Bền vững về mặt hoá học, nghĩa là không bị phân huỷ hoá học và cũng
không gây ăn mòn các kim loại tiếp xúc với nó, không gây phản ứng hoá
học với các axit, kiềm, dung dịch muối.
 Chịu được các khâu gia công theo phương pháp hoá học.
5.4.2 Chịu tác dụng của bức xạ năng lượng cao.
Trong một số trường hợp điện môi còn phải chịu tác dụng của bức xạ hoặc sóng
có năng lượng cao... và như vậy sẽ phải đòi hỏi điện môi bền vững đối với bức xạ.
Như đã biết năng lượng bức xạ có thể gây ion hoá các nguyên tử, phân tử vật liệu
và do đó sẽ hình thành các dòng điện tử. Chúng có thể làm chuyển dịch hoặc phá huỷ các
mối liên kết hoá học và tạo nên các gốc tự do.
Mặt khác năng lượng bức xạ còn có thể tách một số nguyên tử, ion khỏi các mạng
tinh thể để hình thành lỗ khuyết và các trung tâm khuyết tật...
Như vậy, độ bền bức xạ của vật liệu phải thể hiện được các khả năng sau đây:
 Có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ mà không bị ion hoá mạnh.
 Không dẫn đến sự phá huỷ các liên kết hoá học mà hình thành được các
liên kết mới bền vững hơn.

64

Chuong 5 dac tinh ly hoa va co cua dien moi

Recommandé

Recommandé

Contenu connexe

Tendances

Tendances (20)

En vedette

En vedette (9)

Plus de Đinh Công Thiện Taydo University

Plus de Đinh Công Thiện Taydo University (20)

Dernier

Dernier (20)

Chuong 5 dac tinh ly hoa va co cua dien moi