Vật liệu cách điện là gì? Phân loại và tính chất của vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện là gì? Phân loại và tính chất của vật liệu cách điện

1. Khái niệm vật liệu cách điện

Vật liệu cách điện (còn gọi là chất điện môi) là vật chất mà trong điều kiện bình thường không có điện tử tự do nên vật liệu không dẫn điện, điện dẫn γ của chúng bằng không hoặc nhỏ không đáng kể.

Vật liệu cách điện có vai trò quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, việc nghiên cứu vật liệu cách điện để tìm hiểu các tính chất, đặc điểm, để từ đó chọn lựa cho phù hợp.

2. Phân loại vật liệu cách điện

a. Phân loại theo trạng thái vật lý

Theo trạng thái vật lý, có:

  • Vật liệu cách điện thể khí,
  • Vật liệu cách điện thể lỏng,
  • Vật liệu cách điện thể rắn.

Vật liệu cách điện thể khí và thể lỏng luôn luôn phải sử dụng với vật liệu cách điện ở thể rắn thì mới hình thành được cách điện.

Vật liệu cách điện rắn còn được phân thành các nhóm: cứng, đàn hồi, có sợi, băng, màng mỏng.

Ở giữa thể lỏng và thể rắn còn có một thể trung gian gọi là thể mềm nhão như: các vật liệu có tính bôi trơn, các loại sơn tẩm.

b. Phân loại theo thành phần hóa học

Theo thành phần hoá học, người ta phân ra: vật liệu cách điện hữu cơ và vật liệu cách điện vô cơ.

– Vật liệu cách điện hữu cơ: chia thành hai nhóm: nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên và nhóm nhân tạo.

+ Nhóm có nguồn gốc trong thiên nhiên sử dụng các hợp chất cơ bản có trong thiên nhiên, hoặc giữ nguyên thành phần hóa học như: cao su, lụa, phíp, xenluloit,…

+ Nhóm nhân tạo thường được gọi là nhựa nhân tạo gồm có: nhựa phênol, nhựa amino, nhựa polyeste, nhựa epoxy, xilicon, polyetylen, vinyl, polyamit,….

– Vật liệu cách điện vô cơ: gồm các chất khí, các chất lỏng không cháy, các loại vật liệu rắn như gốm, sứ, thủy tinh, mica, amiăng…

c. Phân loại theo tính 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: (bảng 1).

Bảng 1: Các cấp chịu nhiệt của vật liệu cách điện

Cấp cách điện Nhiệt độ cho phép (0C) Các vật liệu cách điện chủ yếu
Y 90 Giấy, vải sợi, lụa, phíp, cao su, gỗ và các vật liệu tương tự, không tẩm và ngâm trong vật liệu cách điện lỏng. Các loại nhựa như: nhựa polietilen, nhựa polistirol, vinyl clorua, anilin…
A 105 Giấy, vải sợi, lụa được ngâm hay tẩm dầu biến áp. Cao su nhân tạo, nhựa polieste, các loại sơn cách điện có dầu làm khô, axetyl, tấm gỗ dán, êmây gốc sơn nhựa dầu.
E 120 Nhựa tráng polivinylphocman, poliamit, eboxi. Giấy ép hoặc vải có tẩm nha phenolfocmandehit (gọi chung là bakelit giấy). Nhựa melaminfocmandehit có chất độn xenlulo, têctôlit. Vải có tẩm poliamit. Nhựa poliamit, nhựa phênol – phurol có độn xenlulo, nhựa êboxi.
B 130 Nhựa polieste, amiăng, mica, thủy tinh có chất độn. Sơn cách điện có dầu làm khô, dùng ở cá bộ phận không tiếp xúc với không khí. Sơn cách điện alkit, sơn cách điện từ nhựa phênol. Các loại sản phẩm mica (micanit, mica màng mỏng). Nhựa phênol-phurol có chất độn khoáng. Nhựa eboxi, sợi thủy tinh, nhựa melamin focmandehit, amiăng, mica, hoặc thủy tinh có chất độn.
F 155 Sợi amiăng, sợi thủy tinh không có chất kết dính. Bao gồm micanit, êpoxi poliête chịu nhiệt, silíc hữu cơ.
H 180 Xilicon, sợi thủy tinh, mica có chất kết dính, nhựa silíc hữu cơ có độ bền nhiệt đặc biệt cao.
C Trên 180 Gồm các vật liệu cách điện vô cơ thuần túy, hoàn toàn không có thành phần kết dính hay tẩm. Chất vật liệu cách điện oxit nhôm và florua nhôm. Micanit không có chất kết dính, thủy tinh, sứ. Politetraflotilen, polimonoclortrifloetilen, ximăng amiăng v.v..

3. Tính chất chung của vật liệu cách điện

Khi lựa chọn, sử dụng vật liệu cách điện cần phải chú ý đến không những các phẩm chất cách điện của nó mà còn phải xem xét tính ổn định của những phẩm chất này dưới các tác dụng cơ học, hóa lý học, tác dụng của môi trường xung quanh,…gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện. Dưới tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục, người ta gọi đó là sự lão hóa vật liệu cách điện. Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhau trong những điều kiện khác nhau.

Bởi thế cần phải nghiên cứu về tính chất cơ lý hoá, nhiệt của vật liệu cách điện để có thể ngăn cản quá trình lão hoá, nâng cao tuổi thọ của vật liệu cách điện.

3.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện

Các vật liệu cách điện với mức độ khác nhau đều có thể hút ẩm (hút hơi nước từ môi trường không khí) và thấm ẩm (cho hơi nước xuyên qua).

Nước là loại điện môi cực tính mạnh, hằng số điện môi tương đối ε = 80 ÷ 81, độ điện dẫn γ =10-5 ÷ 10-6 (1/cm) nên khi vật liệu cách điện bị ngấm ẩm thì phẩm chất cách điện bị giảm sút trầm trọng.

Hơi ẩm trong không khí còn có thể ngưng tụ trên bề mặt điện môi, đó là nguyên nhân khiến cho điện áp phóng điện bề mặt có trị số rất thấp so với điện áp đánh thủng.

Qua phân tích, ta thấy rằng tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu và loại vật liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm…của môi trường làm việc. Nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu dẫn đến lão hóa và làm giảm phẩm chất cách điện của vật liệu, tgd­, có thể dẫn đến phá hỏng cách điện. Đặc biệt là đối với các vật liệu cách điện ở thể rắn.

Để hạn chế nguy hại do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện cần sử dụng các biện pháp sau đây:

+ Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra bên ngoài.

+ Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện. Sơn tẩm lấp đầy các lỗ xốp khiến cho hơi ẩm một mặt thoát ra bên ngoài, mặt khác làm tăng phẩm chất cách điện của vật liệu.

+ Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong.

+ Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh bụi bẩn bám vào làm tăng khả năng thấm ẩm có thể gây phóng điện trên bề mặt.

3.2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện

Trong nhiều trường hợp thực tế, vật liệu cách điện còn phải chịu tải cơ học, do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện cần xét đến tính chất cơ học của nó.

Khác với vật liệu dẫn điện kim loại có độ bền kéo σk , nén σn và uốn σu hầu như gần bằng nhau, còn vật liệu cách điện, các tham số trên chênh lệch nhau khá xa. Căn cứ các độ bền này, người ta tính toán, chế tạo cách điện phù hợp với khả năng chịu lực tốt nhất của nó.

Ví dụ: Thuỷ tinh có độ bền nén σn = 2.104 kG/cm2 trong khi độ bền kéo σk = 5.102 kG/cm2 . Vì thế thuỷ tinh thường được dùng vật liệu cách điện đỡ.

Ngoài ra, khi chọn vật liệu cách điện cũng cần phải xét đến khả năng chịu va đập, độ rắn, độ giãn nở theo nhiệt của vật liệu. Đặc biệt chú ý khi gắn các loại vật liệu cách điện với nhau cần phải chọn vật liệu có hệ số giãn nở vì nhiệt gần bằng nhau.

3.3 Tính hóa học của vật liệu cách điện

Chúng ta phải nghiên cứu tính chất hóa học của vật liệu cách điện vì:

Độ tin cậy của vật liệu cách điện cần phải đảm bảo khi làm việc lâu dài: nghĩa là 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 (khí, nước, axit, kiềm, dung dịch muối v.v…). Độ bền đối với tác động của các vật liệu cách điện khác nhau thì khác nhau.

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

Về mặt hóa học, nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến tốc độ của các phản ứng hóa học xảy ra trong vật liệu cách điện tăng (thực nghiệm cho thấy tốc độ phản ứng hóa học tăng dạng hàm mũ theo nhiệt độ). Vì vậy, sự giảm sút phẩm chất cách điện của vật liệu gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép.

Bởi thế, ủy ban kỹ thuật điện quốc tế IEC (International Electrical Commission) đã phân loại vật liệu cách điện theo nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép.

3.4. Độ bền nhiệt

Khả năng của vật liệu cách điện và các chi tiết chịu đựng không bị phá hủy trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ gọi là độ bền nhiệt của vật liệu cách điện.

Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện vô cơ thường được xác định theo điểm bắt đầu biến đổi tính chất điện. Ví dụ như: tgd tăng rõ rệt hay điện trở suất giảm. Đại lượng độ bền nhiệt được đánh giá bằng trị số nhiệt độ (đo bằng 0C) xuất hiện sự biến đổi tính chất.

Độ bền nhiệt của vật liệu cách điện hữu cơ thường được xác định theo điểm bắt đầu biến dạng cơ học kéo hoặc uốn. Đối với các điện môi khác có thể xác định độ bền nhiệt theo các đặc tính điện.

Nâng cao nhiệt độ làm việc của cách điện có ý nghĩa rất quan trọng. Trong các nhà máy điện và thiết bị điện việc nâng cao nhiệt độ cho phép ta sẽ nhận được công suất cao hơn khi kích thước không đổi, hoặc giữ nguyên công suất thì có thể giảm kích thước, trọng lượng và giá thành của thiết bị …Theo quy định của IEC (hội kỹ thuật điện quốc tế) các vật liệu cách điện được phân theo các cấp chịu nhiệt (Bảng 1)

+ Sự giản nở nhiệt: Sự giản nở nhiệt của vật liệu cách điện cũng như các vật liệu khác cũng thường được quan tâm khi sử dụng vật liệu cách điện.

Bảng 2: Hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ

Tên vật liệu α1.106 (độ-1) Ghi chú
– Thủy tinh 0,55  

Chất vô cơ

– Sứ cao tần 4,5
– Steatit 7
– Phênolfoocmalđêhit và các chất dẻo có độn khác. 25 ÷ 70  

 

Chất hữu cơ

– Tấm chất dẻo clorua polivinyl 70
– Polistirol 60 ÷ 80
– Polietilen 100

Các điện môi vô cơ có hệ số giản nở dài theo nhiệt độ 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 vật liệu cách điện hữu cơ hệ số giản nở dài có trị số lớn gấp hàng trăm lần so với vật liệu cách điện vô cơ. Khi sử dụng trong điều kiện nhiệt độ thay đổi cần chú ý đến tính chất này của vật liệu để tránh trường hợp xấu xẩy ra.

3.5 Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện

Mục đích của việc sử dụng vật liệu cách điện trong kỹ thuật điện là để duy trì khả năng cách điện của chúng trong điện trường. Bởi vậy, khi nghiên cứu vật liệu cách điện không thể không xét đến ảnh hưởng của điện môi trong điện trường.

a. Hiện tượng đánh thủng điện môi

Trong điều kiện bình thường, vật liệu cách điện có điện trở rất lớn nên nó làm cách ly các phần mang điện với nhau. Nhưng nếu các vật liệu này đặt vào môi trường có điện áp cao thì các mối liên kết bên trong của vật liệu sẽ bị phá hủy làm nó mất tính cách điện đi. Khi đó, người ta nói vật liệu cách điện đã bị đánh thủng.

Giá trị điện áp đánh thủng (Uđt) được tính :

Uđt = E . d (1)

Trong đó:-

  • E: độ bền cách điện của vật liệu (kV/mm).
  • d: độ dày của tấm vật liệu cách điện (mm)
  • Uđt : điện áp đánh thủng (kV).

b. Độ bền cách điện

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.

Độ bền cách điện của vật liệu phụ thuộc vào bản chất của vật liệu. Giá trị độ bền cách điện của một số vật liệu được cho trong bảng bảng 1.

Như vậy để vật liệu làm việc an toàn mà không bị đánh thủng thì điện áp đặt vào vật phải bé hơn Uđt một số lần tùy thuộc vào các vật liệu khác nhau.

Tỷ số giữa điện áp đánh thủng và điện áp cho phép vật liệu còn làm việc gọi là hệ số an toàn (ε)

ε = Udt / Ucp (2)

  • Uđt: Điện áp đánh thủng (KV)
  • Ucp: Điện áp cho phép vật liệu làm việc (KV)
  • ε: Giới hạn an toàn, phụ thuộc vào bản chất vật liệu.

Ví dụ: Xác định điện áp cho phép và điện áp đánh thủng của một tấm cáctông cách điện có bề dày d = 0,15 cm áp sát vào hai điện cực, cho biết hệ số an toàn bằng 3.

Giải

Tra bảng (1), được độ bền cách điện của cáctông cách điện lấy trung bình Eđt = 100 kV/cm. Ta có điện áp đánh thủng theo (1):

Uđt = Eđt .d = 100. 0,15 = 15 kV

Điện áp cho phép: Ucp = Uđt/ε = 15/3 = 5 kV

Bảng 3 Độ bền cách điện, giới hạn an toàn của một số điện môi

Vật liệu Eđt, kV/cm ε ρ, Ωcm
Giấy tẩm dầu 100 ÷ 250 3,6
Không khí 30 1
Vải sơn 100 ÷ 400 3 ÷ 4 1011 ÷ 1013
Đá hoa 30 ÷ 50 7 ÷ 8 108 ÷ 1011
Paraphin 200 ÷ 250 2 ÷ 2,2 1016 ÷ 1017
Polietylen 500 2,25 1014 ÷ 1016
Cao su 150 ÷ 200 3 ÷ 6 1013 ÷ 1014
Thủy tinh 100 ÷ 150 6 ÷ 10 1014
Thủy tinh hữu cơ 400 ÷ 500 3 1014 ÷ 1016
Vải thủy tinh 300 ÷ 400 3 ÷ 4 5.1013
Mica 500 ÷ 1000 5,4 5.10-3 ÷ 1014
Dầu Xovon 150 5,3 5.1014 ÷ 5.1015
Dầu biến áp 50 ÷ 180 2 ÷ 2,5 1014 ÷ 1015
Sứ 150 ÷ 200 5,5 1015 ÷ 1016
Ebonit 600 ÷ 800 3 ÷ 3,5 108 ÷ 1010
Các tông cách điện 80 ÷ 120 3 ÷ 3,5 1011 ÷ 1013

3.6. Hư hỏng thường gặp

Các loại vật liệu cách điện được sử dụng để cách điện cho máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện lâu ngày sẽ bị hư hỏng và ta thường gặp các dạng hư hỏng sau:

  • Hư hỏng do điện: do các máy điện, thiết bị điện và khí cụ điện khi làm việc với các đại lượng, thông số vượt quá trị số định mức như: các đại lượng về dòng điện, điện áp, công suất v.v…làm cho vật liệu cách điện giảm tuổi thọ hoặc bị đánh thủng.
  • Hư hỏng do bị già hóa của vật liệu cách điện: trong quá trình làm việc các loại vật liệu cách điện đều bị ảnh hưởng của các diều kiện của môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và hơi nước v.v…. Làm cho các vật liệu cách điện giảm tính chất cách điện của chúng đi và dễ bị đánh thủng
  • Hư hỏng do các lực tác động từ bên ngoài: các vật liệu cách điện khi bị lực tác động từ bên ngoài có thể làm hư hỏng ví dụ lớp emay trên các dây điện từ có đường kính tương đối lớn nếu bị uốn cong với bán kính nhỏ sẽ làm lớp cách điện bằng bị vỡ hoặc khi vào dây không cẩn thận làm lớp cách điện bị trầy xước hoặc là khi lót cách điện không cẩn thận làm gãy hoặc rách cách điện v.v…
  • Hư hỏng do sự mài mòn giữa các bộ phận: các chi tiết khi làm việc tiếp xúc và có sự chuyển động tương đối với nhau thì sẽ bị hư hỏng do sự mài mòn và dễ bị đánh thủng v.v…

3.7. Tính chọn vật liệu cách điện.

Khi cần chọn lựa vật liệu cách điện, người ta căn cứ vào các tiêu chuẩn sau đây:

+ Độ cách điện: Tùy vào điện áp làm việc của thiết bị, người ta chọn loại vật liệu có bề dày thích hợp, sao cho vật liệu làm việc an toàn mà không bị đánh thủng. Ta áp dụng công thức (1) và (2) để tính toán.

+ Độ bền cơ: Tùy vào điều kiện làm việc của thiết bị mà ta chọn vật liệu cách điện có độ bền cơ thích hợp.

+ Độ bền nhiệt: Căn cứ vào sự phát nóng khi thiết bị làm việc, người ta sẽ chọn các loại vật liệu cách điện có nhiệt độ cho phép phù hợp.

Ví dụ: Các vật liệu cách điện các dụng cụ đốt nóng (bàn ủi (bàn là), nồi cơm điện) thường dùng vật liệu từ cấp B trở lên.

4. Một số vật liệu cách điện thông dụng

4.1. Vật liệu cách điện thể khí

  • Điện môi gần bằng 1, là hằng số
  • Điện trở cách điện rất lớn
  • Tổn hao điện môi nhỏ

Các khí cách điện thường dùng trong kỹ thuật điện là: không khí, sunfua haxaflo(SF6 ), Hyđrô (H2), Nitơ (N2)…

a. Không khí

Trong số vật liệu cách điện ở thể khí vừa nêu, trước tiên phải kể đến không khí bởi nó được sử dụng rất rộng rãi để làm cách điện trong các thiết bị điện, phối hợp với chất cách điện rắn và lỏng, trong một số trường hợp nó là cách điện chủ yếu (Ví dụ: đường dây tải điện trên không). Nếu lấy cường độ cách điện của không khí là đơn vị thì một số loại khí được dùng trong kỹ thuật điện cho ở bảng 4

Bảng 4 Tính chất của một số khí

Tính chất Không khí N2 CO2 H2
Tỷ trọng 1 0,97 1,52 0,07
Hệ số tản nhiệt 1 1,03 1,13 1,51
Cường độ cách điện 1 1,00 0,90 0,60

Nhận xét: Đa số chất khí có cường độ cách điện kém hơn không khí tuy nhiên chúng vẫn được sử dụng nhiều: Ví dụ: N2 vì nó không có oxi nên nó không bị oxi hóa các kim loại tiếp xúc với nó.

Trong thực tế điện áp đánh thủng của không khí được xác định như sau: Với U xoay chiều có f =50 Hz thì cứ 1cm khoảng cách không khí chịu được 3,2 đến 3,5Kv ( ứng với trường hợp điện trường rất không đồng nhất) như vậy khoảng cách a cần thiết để khỏi bị đánh thủng là :

a > U / 3,2 (cm) (3)

b. Sunfua haxaflo (SF6 )

SF6 còn có tên gọi êlêgaz là chất khí nặng hơn không khí 5 lần, hóa lỏng ở nhiệt độ -180C. Ở trạng thái bình thường, SF6 không mùi, không vị, không độc, không ăn mòn, không cháy và rất trơ. Cường độ cách điện của nó cao hơn cường độ cách điện của không khí 2÷3 lần, có độ ổn định cao, có khả năng dập tắt hồ quang tốt.

Nó được dùng làm môi trường cách điện chủ yếu trong các máy cắt cao áp, trung áp. Ngoài ra còn được dùng trong tụ điện, cáp điện lực,….

Tuy nhiên, khi sử dụng cần chú ý: SF6 là khí tự phục hồi. Đó là do khí hấp thụ các điện tử tự do do hồ quang tạo ra làm ion hóa khí. Các ion tái hợp lại tạo khí SF6. Không phải tất cả ion và nguyên tử tự do tái hợp lại, vì vậy khí SF6 bị hồ quang tạo nên các sản phẩm độc hại, thường là sunfua.

Sau nhiều lần thao tác khí có mùi trứng thối, nếu có mùi này cần tiến hành các bước sau:

  • Tháo khí khỏi thiết bị.
  • Mở cửa, thông gió cưỡng bức.
  • Tách các sản phẩm hồ quang (thể rắn) trước khi đưa vào thiết bị
  • Các sản phẩm hồ quang phải chứa trong thùng chất dẻo và đặt trong thùng kín để đảm bảo an toàn.

c. Nitơ (N2)

Nitơ đôi khi được dùng để thay không khí trong các tụ điện khí do nó có cường độ cách điện gần không khí (Nếu lấy cường độ cách điện của không khí là 1 thì của Nitơ cũng khoảng gần 1). Mặt khác, vì nó không chứa oxy O2 nên không có hiện tượng oxyt hóa các kim loại nó tiếp xúc.

d. Hyđrô (H2)

Hydro là một loại khí rất nhẹ (nếu lấy tỷ trọng của không khí là 1 thì tỷ trọng của H2 là 0,07) lại có hệ số tản nhiệt cao (nếu không khí 1 thì H2 là 1,51) cho nên nó được dùng nhiều để làm mát các máy điện thay cho không khí. Do không có oxy nên nó sẽ làm chậm được tốc độ lão hóa vật liệu cách điện hữu cơ và khử được sự cố cháy cuộn dây khi có ngắn mạch ở bên trong máy điện. Khi làm việc trong môi trường H2 cách điện, chổi than được cải thiện hơn.

Song khi dùng H2 để cách điện cần phải bọc kín máy điện lại và phải giữ cho áp suất của khí H2 lớn hơn áp suất khí quyển để không cho không khí lọt vào tránh xảy ra cháy nổ.

e. Các khí khác

Ngoài các khí kể trên người ta còn dùng các khí như Argon, Nêon, hơi thủy ngân, hơi Natri, … trong các dụng cụ chân không. Chẳng hạn các loại đèn điện dùng chiếu sáng trong kỹ thuật và đời sống sinh hoạt.

4.2 Vật liệu cách điện thể lỏng

a. Dầu máy biến áp (Dầu biến thế)

Dầu máy biến áp là hỗn hợp của cacbua hyđrô ở thể lỏng, có màu sắc khác nhau.

Loại dầu này được dùng trong các máy biến áp với mục đích:

+ Lấp kín các lỗ xốp của vật liệu cách điện sợi, lấp kín các khoảng trống giữa các cuộn dây, giữa các cuộn dây và vỏ để làm tăng khả năng cách điện của vật liệu.

+ Cải thiện điều kiện tản nhiệt do tổn hao công suất trong cuộn dây và lõi máy biến áp (dầu tản nhiệt tốt hơn không khí trung bình khoảng 28 lần).

+ Ngoài ra, dầu máy biến áp còn được dùng trong các máy cắt điện có dầu, tụ điện, cáp điện lực,…

– Dầu biến thế có ưu điểm sau:

Độ bền cách điện cao: khoảng 160kV/cm với dầu mới.

Hằng số điện môi ε = 2,2 ÷2,3 gần bằng một nửa điện môi chất rắn. Sau khi đánh thủng, khả năng cách điện khả năng cách điện của dầu phụ hồi trở lại.

Có thể xâm nhập vào các khe rãnh hẹp, vừa có tác dụng cách điện vừa có tác dụng làm mát.

Có thể sử dụng làm môi trường dập tắt hồ quang trong MCĐ ( máy cắt dầu hiện nay ít dùng)

– Dầu biến thế có nhược điểm sau:

Khả năng cách điện của dầu biến đổi lớn khi dầu bị bẩn, sợi bông, giấy nước, muội than…Với dầu MBA sạch, độ bền cách điện: 20-25 kV/mm, nhưng nếu hàm lượng nước trong dầu lớn hơn 0,05% thì độ bền cách điện chỉ còn 4-5kV/mm.

Khi có nhiệt độ cao, dầu có sự thay đổi về hóa học, sự thay đổi đó là có hạn, đó là sự hóa già của dầu.

Dễ nổ, dễ cháy.

– Dầu biến thế có các tính chất sau:

Điện trở suất lớn 1014 – 1016 Wcm

Hằng số điện môi e = 2,2 ÷2,3 gần bằng một nửa điện môi chất rắn Nhiệt độ làm việc ở chế độ dài hạn 90- 950C không bị hóa già nhiều Độ bền cách điện rất cao

– Một số điểm cần lưu ý khi sử dụng dầu máy biến áp

* Các yếu tố ảnh hưởng đến sự lão hóa của dầu:

Trong quá trình vận hành, dầu thường bị xấu đi, phẩm chất cách điện của nó giảm. Đó là sự lão hóa của dầu. Khi dầu bị lão hóa thường có màu tối và đặc, điều đó là do trong dầu hình thành nhiều keo, nhựa, hắc ín…gọi chung là bị nhiễm bẩn trong quá trình vận hành. Tốc độ lão hóa của dầu tăng nhanh khi:

Không khí xâm nhập vào dầu: Trong không khí chứa nhiều hơi nước và dầu lại rất nhạy cảm với độ ẩm. Mặt khác, quá trình lão hóa của dầu còn liên quan đến sự oxyt hóa bởi oxy có trong không khí.

Nhiệt độ cao: Dầu có sự thay đổi về hóa học, sự thay đổi này có hại và tạo bọt trong dầu, làm cho độ nhớt giảm và làm nghẹt các khe hở trong cuộn dây và trong các bộ phận của máy biến áp.

Tiếp xúc với ánh sáng, một số kim loại như Cu, Fe, Pb…và một số hóa chất khác có tác dụng như chất xúc tác của sự lão hóa dầu khi dầu tiếp xúc với ánh sáng.

* Biện pháp khắc phục lão hóa dầu:

Để giảm sự lão hóa dầu máy biến áp, cần có cách làm hạn chế các yếu tố ảnh hưởng đã nêu ở trên trong quá trình sử dụng, làm tăng tuổi thọ thiết bị. Khi dầu đã bị lão hoá, có thể thay thế dầu mới hoặc muốn sử dụng lại cần phải tái sinh lại nó (tức là khử các sản phẩm do sự già cỗi cách điện sinh ra và khôi phục tính chất ban đầu).

Trong việc tái sinh dầu, có thể dùng các biện pháp:

  • Lọc bằng xiphông nhiệt.
  • Dùng các hỗn hợp hay các chất hấp thụ để tái sinh như: hỗn hợp axit sunfuaric-kiềm-caolanh, hỗn hợp axit sunfuaric-caolanh, hỗn hợp silicagen- kiềm, hỗn hợp silicagen-caolanh.

b. Dầu tổng hợp

Dầu máy biến áp đã nêu ở trên có nhiều ưu điểm: có thể sản xuất với giá thành rẻ, sau khi bị đánh thủng do lão hóa, khả năng cách điện có thể phục hồi trở lại. Khi được làm sạch tốt thì cường độ cách điện cao (có thể tới 200-250 kV/cm). Tuy nhiên, nó cũng có một số khuyết điểm, đó là: dễ cháy, khi cháy phát sinh khói đen, hơi bốc lên hòa lẫn với không khí làm thành hỗn hợp nổ, ít ổn định hóa học khi nhiệt độ cao và tiếp xúc với không khí, hằng số điện môi nhỏ (2,2-2,5 tương đương một nửa vật liệu cách điện rắn).

Vì vậy, trong những năm gần đây, người ta đã nghiên cứu, chế tạo được các loại dầu tổng hợp có một số đặc điểm tốt hơn so với dầu mỏ.

* Dầu Xôvôn:

Loại này là do sự clo hóa cacbua, nghĩa là thay bớt một số nguyên tử H bằng nguyên tử Cl. Dầu Xôvôn là do sự clo hóa cacbua hyđro điphanyl (C12H10 thay 5 nguyên tử Cl được C12H5Cl5). Ở nhiệt độ bình thường và tần số thấp, hằng số điện môi của nó bằng 5 (nghĩa là lớn hơn dầu mỏ khoảng 2 lần) và quan hệ với nhiệt độ ổn định hơn so với dầu mỏ khi đặt trong điện trường. Vì hằng số điện môi lớn hơn dầu máy biến áp nên dầu Xôvôn thường được dùng thay cho dầu máy biến áp để làm điện môi trong các tụ điện. Lúc đó, thể tích của tụ có thể giảm đi 2 lần mà công suất phản kháng không đổi. Dầu Xôvôn cũng có một số nhược điểm: độ nhớt lớn, khó thâm nhập vào các khe, rãnh hẹp nên không dùng được trong các máy biến áp và đắt hơn dầu mỏ nhiều.

* Dầu Xôtôn: Dầu Xôtôn là dầu Xôvôn được pha loãng bằng triclobenzen C6H3Cl3 để có thể sử dụng được trong các máy biến áp. Song cũng như dầu Xôvôn, nó chịu nhiệt độ tốt nhưng không dùng trong các máy cắt điện có dầu vì khi bị huỳnh quang đốt cháy sinh ra nhiều bồ hóng ăn mòn kim loại. Mặt khác nó rất độc hại đối với con người.

c. Dầu thực vật

Ngoài dầu mỏ và dầu tổng hợp, người ta còn dùng dầu thực vật làm vật liệu cách điện. Dầu thực vật được lấy từ một số loại cây trong thiên nhiên.

Dầu tự khô (dầu gai): Là loại dầu mà dưới tác dụng nhiệt, ánh sáng và tiếp xúc với không khí, nó sẽ chuyển sang trạng thái rắn có cường độ cách điện cao và có thể chịu được tác dụng của dung môi. Sự khô của nó không phải là do sự bốc hơi của dung môi mà là một quá trình phức tạp có liên quan đến sự hấp thụ một lượng oxy, vì thế trọng lượng của nó tăng lên khi khô. Có thể dùng loại dầu này để ngâm tẩm các cuộn dây trong các máy điện và thiết bị điện.

Dầu thầu dầu: Loại này không phải là dầu tự khô, nó khô rất chậm hoặc không khô nên không có gia công hóa học. Thường được dùng để tẩm giấy tụ điện.

Dầu trẩu: Người ta thu được dầu này từ các hạt cây trẩu. Dầu trẩu không ăn được và còn độc hơn dầu gai. So với dầu gai thì dầu trẩu chóng khô hơn và khô đồng đều. Dầu trẩu tạo ra lớp màng ít thấm nước. Dầu khô được dùng trong công nghiệp điện để chế tạo sơn dầu cách điện, vải sơn cách điện, dùng để tẩm gỗ cách điện.

4.3. Vật liệu cách điện thể rắn

Vật liệu cách điện thể rắn
Vật liệu cách điện thể rắn

4.3.1. Vật liệu cách điện gỗ, giấy

Vật liệu cách điện gỗ, giấy là vật liệu có nguồn gốc từ xenlulozo (sợi thực vật) có công thức phân tử (C6H10O5)n.

a. Gỗ

Gỗ là loại vật liệu dễ gia công và sau khi gia công xong, người ta thường tẩm bằng parafin (Hyđro cacbon no CnH2n+2 với n =10÷36), dầu gai, nhựa và dầu máy biến áp để nâng cao cường độ cách điện (tăng 1,5÷2 lần so với khi chưa tẩm).

Trong kỹ thuật điện, gỗ được dùng để làm cầu truyền động của dao cách ly và máy cắt điện, các chi tiết đỡ và gắn trong máy biến áp, làm nêm trong rãnh các máy điện, cột và xà của đường dây tải điện, đường dây thông tin.

b. Giấy và vật liệu có tính chất gần với nó

* Giấy: thành phần chủ yếu của giấy là xenlulo vì nó được chế tạo từ gỗ. Tùy theo công dụng của nó trong kỹ thuật điện, người ta chia ra làm hai loại: giấy tụ điện và giấy cáp.

Giấy tụ điện: Là loại giấy dùng làm điện môi trong tụ điện giấy. Giấy cách điện dùng trong tụ điện khác với các loại giấy cách điện khác là rất mỏng (0,007÷0,022mm), thường làm việc ở cường độ rất cao và nhiệt độ khoảng 70÷1000C nên đòi hỏi phẩm chất của giấy rất cao.

Giấy cáp: Thường có độ dày khoảng 0,08÷0,17mm, dùng làm cách điện của cáp điện lực, cáp thông tin. Đối với giấy cáp cần chú ý đến sức bền cơ giới và số lần xoắn mà nó có thể chịu được.

Nhìn chung, để làm việc được đảm bảo, các loại giấy này đều phải tẩm dầu hoặc hỗn hợp dầu-nhựa thông.

* Vật liệu gần giống giấy:

Các tông: dùng trong kỹ thuật điện và cũng được chế tạo từ sợi thực vật như giấy nhưng có độ dày lớn hơn.

Có hai loại giấy các tông:

  • Loại dùng trong không khí có độ rắn và đặc tính cao, được sử dụng lót rãnh các máy điện, vỏ cuộn dây, tấm đệm.
  • Loại dùng trong dầu: mềm hơn các tông dùng trong không khí và có thể thấm dầu. Tùy theo độ dày yêu cầu của loại các tông này mà được chế tạo thành cuộn (0,1÷0,8mm) hoặc thành tấm (1÷3mm).

Vải sơn: là vải (bông hoặc lụa) được tẩm bằng sơn dầu. Vải có tác dụng về mặt cơ, còn lớp sơn có tác dụng về mặt cách điện. Vải sơn được dùng để cách điện trong các máy điện, các thiết bị khác và cáp…

4.3.2. Mica và sản phẩm gốc mica

* Mica là loại vật liệu khoáng sản cách điện rất quan trọng, bởi nó có nhiều tính chất tốt như: cường độ cách điện, tính chịu nhiệt, chịu ẩm rất tốt so với các vật liệu khác. Ngoài ra, mica có cường độ cơ giới, độ uốn cao nên nó được sử dụng để làm cách điện trong các thiết bị quan trọng, đặc biệt để làm cách điện của các máy điện có điện thế cao, công suất lớn và làm điện môi của tụ điện.

Trong thiên nhiên, mica ở dạng tinh thể, có thể bóc thành từng miếng mỏng.

Theo thành phần hóa học, mica được chia thành hai loại:

  • Mica mutscôvit có thành phần biểu thị bằng công thức: K23Al2O3.6SiO2.2H2O, ở dạng mỏng trong suốt không màu (màu trắng) hoặc có màu hồng hoặc xanh, bề mặt nhẵn và bóng, độ bền cơ giới cao, tổn hao điện môi nhỏ.
  • Mica flogopit: với thành phần K26MgO.Al2O3.6SiO2.2H2O, có màu vàng sáng, nâu hoặc xanhlá cây, đôi khi cả màu đen, bề mặt sù sì, có đường vân chằng chịt.

So sánh theo tính chất về điện thì loại mica mutscôvit có tính năng điện môi tốt hơn loại mica flogopit. Ngoài ra nó còn rắn hơn, chắc hơn, đàn hồi và dễ uốn hơn so với loại mica flogopit. Tuy nhiên, ở nhiệt độ 600-7000C, mutscôvit đã bịmất nước tinh thể, mất tính trong suốt và trở nên dòn (hóa vôi). Còn flogôppit thì đến 900-10000C vẫn còn giữ nguyên được các tính năng, trừ khả năng cách điện thì đến 700-8000C đã mất hẳn. Khi mica bị nóng lên đến nhiệt độ nào đó thì nước trong mica bắt đầu bốc hơi. Khi đó, mica không còn trong suốt, độ dày của nó tăng lên (do bị phồng) và các tính chất cơ điện sẽ giảm. Mica chảy ở nhiệt độ khoảng 1250-13000C. Không được sử dụng mica trong dầu vì nó sẽ bị phân huỷ và nhão ra.

Mica được sử dụng chủ yếu để làm cách điện cổ góp và cách điện các cuộn dây trong máy điện. Ngoài ra nó còn được dùng trong kỹ thuật vô tuyến để làm các tụ điện và các chi tiết cách điện trong thiết bị vô tuyến… Gần đây, để nâng cao phẩm chất cách điện của mica, người ta đã chế tạo được mica nhân tạo có kết cấu giống mica tự nhiên nhưng chịu nhiệt tốt hơn, có nguồn gốc từ mica, đó là: micanit và micalec.

* Micanit: Do mica dán lên các vật liệu sợi (giấy hoặc vải) bằng keo hoặc nhựa. Micanit có ưu điểm hơn so với mica thuần túy ở chỗ: nhẹ hơn, chịu nén tốt hơn, ít cứng hơn cho nên dễ gia công hơn, không có bọt khí…do đó, độ bền cách điện lớn hơn.

Tùy theo thành phần và công dụng, người ta có các loại micanit khác nhau:

  • Micanit dùng cho vành góp máy điện: ở dạng tấm cứng, được đặt xen vào giữa các phiến đồng của vành góp trong máy điện để cách điện giữa các phiến ấy.
  • Micanit dùng để tạo hình: ở nhiệt độ bình thường, loại micanit này cứng nhưng khi đốt nónglại cóthể dập được theo một hình dáng nào đó mà nó vẫn giữ nguyên sau khi nguội hẳn. Loại micanit này được dùng để chế tạo vòng đệm của vành góp (lớp cách điện giữa các vành góp và trục của máy điện, khung cuộn dây,…).
  • Micanit dùng để đệm lót: Loại này dùng để làm những tấm lót cách điện theo những những hình dạng khác nhau và dùng làm vòng đệm (long đen).
  • Micanit mềm: Loại này uốn được ở nhiệt độ bình thường, dùng làm lớp cách điện trong các rãnh máy điện và các thiết bị điện khác để cách điện giữa các cuộn dây dẫn điện với vỏ máy và giữa các phần dẫn điện với nhau.

* Micalec: Là loại vật liệu gốc mica có phẩm chất rất cao, tính chịu nhiệt, khả năng chịu va đập và chịu hồ quang tốt, có tổn hao điện môi nhỏ .

Thành phần của micalec gồm 60% mica và 150% thủy tinh dễ cháy (có BaO) và được ép mỏng ở nhiệt độ 6000C với áp lực 500 – 700 kG/cm2 trong khuôn thép thành bán sản phẩm có màu xám sáng trông như đá. Micalec được dùng làm buồng dập hồ quang trong máy cắt điện, tay nắm cách điện, phích cắm, các giá đèn công suất lớn, bảng panen trong kỹ thuật vô tuyến điện…

4.3.3. Sơn cách điện

Sơn là dung dịch keo của nhựa bitum (bitum là nhóm vật liệu thuộc loại vô định hình gồm hỗn hợp phức tạp của cacbua hyđro và một ít oxy, lưu huỳnh), dầu khô và các chất tự tạo nên gốc sơn trong dung môi bay hơi. Khi sấy thì dung môi sẽ bay hơi còn gốc sơn sẽ chuyển sang trạng thái rắn tạo nên màng sơn.

Theo công dụng, trong kỹ thuật điện, có thể chia sơn cách điện ra thành các loại: sơn tẩm, sơn bảo vệ, sơn dán.

Sơn tẩm: Dùng để sơn, tẩm các chất cách điện rắn, xốp như giấy các tông, sơn vải, cách điện của các cuộn dây máy biến áp. Sau khi sơn tẩm thì điện áp đánh thủng Uđt tăng cao, tính hút ẩm giảm, tính chịu nhiệt cao.

Sơn bảo vệ: Dùng để tạo lên một màng sơn chắc, bóng, giảm bám bụi, chịu ẩm trên mặt được quét sơn. Sơn này hay dùng để quét lên bề mặt vật liệu cách điện rắn đã được tẩm nhằm nâng cao thêm các tính chất cách điện của vật liệu được sơn.

Sơn dán: Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn hay để dán vật liệu kim loại rắn với kim loại.

4.3.4. Thủy tinh

Thủy tinh là vật liệu vô cơ có kết cấu vô định hình dạng nhiệt dẻo (chất mà khi nung nóng chảy, dần dần mềm ra, bắt đầu loang ra và dần dần trở nên trạng thái lỏng, khi làm lạnh, nó dần dần rắn lại và ta không thể phát hiện thấy một dấu vết nào của tinh thể ở chỗ vỡ của chúng). Thủy tinh là hỗn hợp phức tạp của các loại oxyt như: Na2O, K2O, CaO, BaO, PbO, ZnO, Al2O3,…, SiO2, P2O5,… trong đó thành phần chủ yếu là SiO2.

Tính chất của thủy tinh phụ thuộc nhiều vào thành phần các oxyt và quá trình gia công nhiệt của nó. Theo công dụng, có các loại thủy tinh như sau:

*Thuỷ tinh tụ điện: loại thủy tinh này được dùng làm điện môi trong các tụ điện (thường là tụ dùng trong các bộ lọc cao thế, trong các máy phát điện áp xung kích và các mạch dao động cao tần).

*Thủy tinh định vị: dùng để chế tạo sứ cách điện: sứ đỡ, sứ xuyên, sứ chuỗi.

*Thủy tinh làm đèn chiếu sáng: dùng làm bóng hoặc làm chân của các đèn chiếu sáng. Yêu cầu của loại thủy tinh này là phải có tính liên kết với kim loại.

*Men thủy tinh: là thủy tinh dễ chảy, có màu đục dùng để phủ mặt ngoài các sản phẩm, có tác dụng bảo vệ chống ăn mòn và làm tăng vẻ đẹp mặt ngoài.

*Sợi thủy tinh: là thủy tinh được kéo thành sợi mềm dùng để chế tạo vật liệu dệt và các mục đích khác nhau. Thuỷ tinh ở dạng tấm là loại vật liệu dòn dễ vỡ nhưng nếu làm thành sợi càng mảnh thì có độ uốn càng cao nên được dùng để dệt. Từ các sợi thuỷ tinh có thể dệt thành vải và băng thuỷ tinh. Vải và băng thuỷ tinh làm cách điện thường dày 0,025 – 0,28 mm. Sợi thuỷ tinh được dùng làm cách điện cho các cuộn dây.

Ưu điểm : Sợi thuỷ tinh có tính chịu nhiệt cao, có sức bền tốt, ít hút ẩm so với các sợi hữu cơ khác. Vì vậy cách điện thuỷ tinh được dùng để làm việc trong môi trường có nhiệt độ và độ ẩm cao.

Khuyết điểm: Sợi thuỷ tinh là ít đàn hồi, độ uốn kém, ít chịu được mài mòn hơn so với sợi hữu cơ. Vì thế cách điện thuỷ tinh rất dễ bị hỏng khi bị va đập vào mép nhọn.

4.3.5. Vật liệu cách điện gốm sứ

* Giới thiệu chung

Vật liệu gốm sứ cách điện là vật liệu vô cơ, dùng để chế tạo các chi tiết cách điện có hình dáng khác nhau. Trước kia, vật liệu gốm được tạo thành chủ yếu từ đất sét và được nung ở nhiệt độ cao để được các chi tiết có một số tính chất cần thiết.

Hiện nay còn có nhiều vật liệu gốm khác có hàm lượng đất sét ít, thậm chí không chứa đất sét nữa. Trong kỹ thuật điện, thường dùng loại gốm cách điện, trong đó loại vật liệu sứ có nhiều ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật cách điện. Cho đến nay, sứ vẫn là loại vật liệu cách điện chủ yếu, đặc biệt là cách điện ở điện cao áp.

Vật liệu sứ có thành phần từ: cao lanh (Al2O3.2SiO2.2H2O), fenspat (Al2O3.6SiO2.K2O hoặc Al2O3.6SiO2.Na2O) và thạch anh (SiO2). Chất cao lanh chịu nhiệt, fenspat đảm bảo độ bền cách điện và thạch anh đảm bảo tính cơ. Để chế tạo sứ, đem hỗn hợp này nghiền thật nhỏ, khử hết các tạp chất và hòa vào nước tạo nên một chất dẻo. Khối chất dẻo ấy sau khi đã khử hết nước được đưa vào khuôn theo các hình dáng, chi tiết mong muốn. Sau đó chúng được tráng men và nung nóng từ từ đến nhiệt độ khoảng 1300 – 13500C (nếu dùng cho cao áp cần nhiệt độ nung đến 1300 – 115100C) trong thời gian từ 20 – 70 giờ.

Vì sứ có tính xốp và khi nung nóng, bề mặt của nó không bóng, do đó cần phải tráng men để các lỗ xốp và các chỗ lõm trên bề mặt sứ được lấp kín sẽ ngăn cản được tính hút ẩm của sứ, làm cho sứ cách điện có thể làm việc ở ngoài trời. Ngoài ra men còn làm cho mặt ngoài của sứ đẹp hơn, ít bám bụi, ít bị rò điện và nâng cao được điện áp phóng điện mặt ngoài.

* Phân loại theo công dụng

Trong kỹ thuật điện, sứ được dùng để chế tạo các loại sứ cách điện cho đường dây tải điện cao áp và hạ áp, cho các trạm biến áp, các máy cắt điện, dao cách ly, thiết bị chống sét (chống sét ống, chống sét van) và các chi tiết bằng sứ. Căn cứ vào công dụng của nó, người ta chia sứ thành một số loại như sau:

– Sứ đỡ: có chân đế bằng kim loại (thường là sắt) để bắt chặt vào giá đỡ hoặc tường. Sứ đỡ dùng để đỡ và giữ chặt các phần dây dẫn trên các cột đường dây tải điện và các dây dẫn, thanh dẫn trong các trạm biến áp phân phối điện (ở cấp điện áp dưới 35 kV).

– Sứ xuyên: dùng để đưa dây dẫn điện cao áp từ trong máy biến áp ra ngoài và làm cách điện cho dây dẫn qua tường.

– Sứ treo: sứ cách điện treo thường gồm hàng chuỗi các bát, dùng để treo và giữ chặt dây dẫn trên các đường dây tải điện điện áp 35kV và trên 35kV trên không. Số lượng các bát cách điện phụ thuộc vào điện áp đường dây.

Ví dụ: Đối với đường dây 35 kV: trong chuỗi có 2 – 3 bát sứ. Đối với đường dây 110 kV: trong chuỗi có 6 – 7 bát sứ.

Đối với đường dây 220 kV: trong chuỗi có 12 – 115 bát sứ.

– Sứ kẹp dây: dùng để giữ và kẹp chặt dây dẫn, chủ yếu dùng trong các mạng điện hạ áp.

4.3.6. Nhựa

Nhựa là nhóm vật liệu có nguồn gốc và tính chất khác nhau rất nhiều. Chúng là một hỗn hợp hữu cơ phức tạp, chủ yếu ở dạng cao phân tử.

Nhựa được dùng trong kỹ thuật điện là loại nhựa không hòa tan trong nước, ít hút ẩm. Theo nguồn gốc của nhựa, người ta chia ra làm hai loại:

a. Nhựa thiên nhiên: Nhựa thiên nhiên là sản phẩm của một số loài động vật và thực vật.

* Nhựa cánh kiến: là loại nhựa do một loại côn trùng sống ở vùng nhiệt đới sinh ra. Về hình thức, nó là các vảy mỏng dòn màu nâu hoặc hơi đỏ.

Thành phần cơ bản của cánh kiến là các axit hữu cơ có thành phần hóa học phức tạp. Nó dễ bị hòa tan trong rượu hoặc cồn nhưng không hòa tan trong cacbua hyđro. Nhựa cánh kiến có:

ρ = 105÷106(Ωm) e = 3,5
tgδ = 0,01
Eđt = 20÷30 kV/mm.

Ở nhiệt độ 50 ÷ 600C thì dễ uốn, khi nhiệt độ cao hơn nó sẽ bị mềm và chảy, nhưng nếu tiếp tục nung nóng thì nó đông lại.

Nhựa cánh kiến được sử dụng trong kỹ thuật điện để chế tạo sơn dán, vecni và đặc biệt là để chế tạo micanit.

* Nhựa thông: là loại nhựa có được khi trưng cất dầu thông, có màu vàng hoặc nâu đen. Nhựa thông có:

ρ = 1014÷1015(Ωm)
Eđt = 10÷15 kV/mm.

Nhựa thông bị hòa tan trong dầu mỏ, đặc biệt khi nung nóng. Vì vậy, trong kỹ thuật điện nó được dùng để tạo nên các dung dịch dùng với dầu mỏ để ngâm, tẩm các vật liệu khác.

b. Nhựa nhân tạo

Nhựa nhân tạo là sản phẩm của sự trùng hợp, chúng là một hỗn hợp hữu cơ phức tạp dạng cao phân tử.

Sau đây sẽ giới thiệu một số loại nhựa nhân tạo hay được dùng trong kỹ thuật điện.

* Nhựa phenol-focmandehyt (bakelit): đây là sản phẩm của sự ngưng tụ phenol (C6H5OH) và focmandehyt (H2CO) với chất xúc tác thường là amoniac.

Nhựa bakelit được sử dụng rất rộng rãi và vào loại quan trọng nhất trong kỹ thuật điện từ khi chế tạo được (1907). Bột bakelit ép thành cuộn dây, hộp, vỏ cách điện. Những ống cách điện có hình dạng, kích thước khác nhau được ép từ giấy bakellit có công dụng rất đa dạng.

Nhựa bakelit dùng để tinh chế các chất dẻo, vải tẩm nhựa, giấy tẩm nhựa, sơn, keo. Đặc biệt nó có thể chịu được tác dụng của hồ quang điện nên hay được dùng trong các thiết bị đóng cắt điện, các thiết bị chống sét,…

* Nhựa polyeste: là loại nhựa được chế tạo từ sự trùng hợp, ngưng tụ của các loại rượu, cồn nhiều hóa trị (Etylenglycol, glyxerin,…) và axit hữu cơ khác nhau (hoặc các anhydric của chúng).

Trong số này có nhựa gliptan và nhựa lapxan hay được dùng trong kỹ thuật điện:

  • Nhựa Gliptan được chế tạo từ ptalicenhyđrit (C8H4O3) và glyxerin (C3H8O3). Nhựa này có độ bám tốt, chịu được ẩm, dầu và chịu được tác dụng của hồ quang điện. Người ta dùng nhựa gliptan để chế tạo sơn, keo để dán micanit, để tẩm cách điện của động cơ và các thiết bị điện khác.
  • Nhựa Lapxan (polyetylenterafatalat): có công thức (-CH2-CH2-O-CO-C6H4– CO-) và được chế tạo từ glucol [CH2(OH)-CH2(OH)] và axit terafatalat (COOH-C6H4– COOH). Loại nhựa này được dùng để làm cách điện giữa các lớp dây trong cuộn dây của máy biến áp, của cuộn cảm kháng điện, để chế tạo các tụ điện có nhiệt độ làm việc cao (đến 1500C).

* Nhựa epoxy: là loại nhựa đặc trưng bởi nhóm epoxy trong thành phần của nó:

Ưu điểm của loại nhựa này là có độ dính cao và sau khi đông lại có đặc tính cơ cao, tính chống ẩm tốt. Để nhựa epoxy tăng độ bền cơ giới thường cho thêm vào nó các chất độn như mica, thạch anh, bioxyt-tian,…

Nhựa epoxy được dùng nhiều để chế tạo các hỗn hợp cách điện để tẩm ngâm các bộ phận của các thiết bị điện tử vô tuyến điện, để chế tạo các loại sơn bảo vệ, keo có độ dính cao, các chất dẻo cách điện. Đặc biệt trong những năm gần đây, người ta còn chế tạo các epoxy có thể dùng thay các loại sứ đứng (sứ đặt), sứ xuyên tường, sứ cách điện đỡ. Sử dụng nó cho phép giải quyết đơn giản các vấn đề về hình dáng, cấu trúc và độ bền cách điện. Ở Mỹ, người ta dùng hàng loạt các vật liệu cách điện bằng nhựa epoxy trên các đường dây tải điện đến 110 kV. Trong tương lai, vật liệu cách điện này có thể dùng để treo đỡ các đường dây, các thanh dẫn ở cấp điện áp cao hơn.

Một nhược điểm lớn của epoxy là độc hại đối với cơ thể người, do vậy cần có các biện pháp đề phòng khi tiếp xúc với nó.

* Nhựa xilicon: có lịch sử chế tạo năm 1944, được coi là một trong những nhựa mới nhất dùng trong kỹ thuật điện. Nó có tính chống nước, chịu nhiệt cao (đến 1800C), có độ bám tốt, đàn hồi. Nhựa này dùng để bọc cách điện dây dẫn, dùng để tẩm các cuộn dây trong máy điện. Ngoài nhựa xilicon còn có dầu

* Nhựa Polyetylen (PE) có công thức cấu tạo (-CH2– CH2-)n là vật liệu cách điện dẻo, nóng chảy ở nhiệt độ thấp (1100C), hệ số dãn nở nhiệt cao, đặc tính cơ điện tốt, chịu ẩm, chịu được tác dụng của axít và bazơ, dễ chế tạo, giá thành hạ. Nhiệt độ làm việc đến 750C, thường dùng được sử dụng làm cách điện cho cáp điện lực hạ áp và cao trung áp. Ngoài ra còn được dùng làm các điện cho cáp cao tần của thiết bị vô tuyến truyền hình, cáp thông tin, (kể cả khi cáp đi dưới lòng đất và dưới lòng đại dương).

* Nhựa Polyvininclo (PVC) có công thức cấu tạo (H2C=CH-Cl)n là vật liệu cách điện dẻo, đàn hồi , chịu ẩm, kiềm, axit loãng, dầu, rượu, có đặc tính cơ và điện tốt. Thường được sử dụng cách điện ở điện áp đến 600V và nhiệt độ làm việc cực đại 600C. PVC có thể được sử dụng để làm vỏ bảo cáp; cách điện các dây điện thoại và các loại dây dẫn khác; chế tạo sơn, sợi nhân tạo, các chất dẻo và các vật liệu có đặc tính giống như cao su.

* Polyzobutylen: còn có tên gọi là oppanal, là loại nhựa nhân tạo có tính năng như cao su, điều chế bằng cách polyme hóa Isobutylen. Nó có tính đàn hồi tốt, chịu được nhiệt độ trên 1100C, chịu được axit, xút, ẩm, ozon, chịu được nước hoàn toàn (khi độn với một ít bồ hóng hoặc grafit) nhưng có thể tan trong xăng, dầu. Có thể dùng nhựa này thay vỏ chì bọc dây cáp.

4.3.7. Cao su

Cao su và một số vật liệu tương tự gần với cao su có tầm quan trọng trong lĩnh vực kỹ thuật và đời sống.

Đặc tính nổi bật của cao su là tính đàn hồi và ít thấm ẩm, được dùng làm vật liệu cách điện ở những nơi đòi hỏi chống ẩm, kín nước và dễ uốn như: dây dẫn điện, cáp điện ngầm (đặt dưới lòng đất), các phần cách điện của các máy điện cầm tay, dụng cụ điện hay phải di chuyển…

Cao su có hai loại: cao su tự nhiên và cao su nhân tạo.

a. Cao su tự nhiên: là nhựa lấy từ cây cao su, do ngưng tụ mủ cao su và các tạp chất.

Thành phần hóa học của nó là cacbua hyđro có công thức phân tử C5H8 và trong công thức cấu tạo có liên kết đôi. Cao su tự nhiên có:

ρ = 106(Ωm)
ε = 2,4
tgδ = 0,002

Ở nhiệt độ 500C thì nó trở nên mềm và dính. Do không chịu được tác dụng ở nhiệt độ cao nên trong thực tế không được dùng để làm cách điện. Khi muốn sử dụng, người ta phải khắc phục nhược điểm này bằng cách “lưu hóa” (cho thêm lưu huỳnh). Khi đó, kết cấu của nó mất tính chuỗi, chuyển sang tính chất không gian và thuộc loại nhiệt cứng.

Tuỳ theo hàm lượng lưu huỳnh mà có các loại cao su khác nhau:

Rêrin: là loại cao su tự nhiên có hàm lượng (1÷3)%S, mềm và có tính co dãn, đàn hồi. Loại này thường được dùng làm cách điện trong các mạch tần số thấp (kỹ thuật điện tử), dùng cách điện trong dây dẫn và dây cáp. Ngoài ra còn được dùng để chế tạo các dụng cụ phòng hộ như: găng tay, ủng, thảm cách điện…

Ebonit: với hàm lượng (30÷35)%S, là loại vật liệu rắn có khả năng chịu được tải trọng, chịu được dầu, lão hóa chậm.

b. Cao su tổng hợp

* Cao su butadien: là cao su nhân tạo đầu tiên do kết quả của sự trùng hợp cacbua hyđro butadien có công thức hóa học: (-CH2-CH=CH-CH2-)n

Cao su này dùng để thay thế cao su tự nhiên trong việc chế tạo Rêrin và êbonit. Nó có cường độ cơ giới, tính chịu nhiệt cao và chịu được tác dụng của axit và dung môi hữu cơ. Cao su butadien trong kỹ thuật còn gọi là Excapon và có các thông số như sau:

ρ = 1017(Wm);
ε = 2,7÷3;
tgδ = 0,0005

Cao su này được dùng làm vật liệu cách điện cho mạch cao tần.

Trong thực tế còn dùng cao su buna N (Butdien acrilonitril) được tạo ra từ axetylen có tính chịu nhiệt và chịu dầu rất tốt, thường dùng để đệm kín dầu trong các máy biến áp dầu và các thiết bị khác.

* Cao su Polycloropen: còn có tên khác là Neopren hoặc Dupren, cũng được chế tạo từ axetylen. Cao su này ít bị oxy hoá, đàn hồi tốt, khó cháy, chịu được ẩm, chịu tác dụng cơ học nhưng sẽ mất tính đàn hồi khi ở nhiệt độ cao, ít chịu được dầu, ozon. Nó được sử dụng để bọc bảo vệ cáp điện rất tốt.

* Cao su butadien styrol: là kết quả của sự đồng trùng hợp butadien và styrol. Về tính chất cách điện thì gần như cao su tự nhiên nhưng có tính chịu nhiệt, chịu dầu cao hơn.

Share this post

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *