đề tài 9 vật liệu sử dụng cách điện ngày nay

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.86 MB, 18 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2022

LỜI NÓI ĐẦU

Trong thời đại hiện nay, các nghành công nghiệpđiện- điện tử càng phát triển thì bên cạnh đó cũngkéo theo đó là sự phát triển của các ngành côngnghiệp chất cách điện. Việc tìm ra các vật liệu dẫn tốtvà siêu dẫn thì chúng ta cũng đang phát triển cách vậtliệu cách điện làm cho các vật liệu ấy ngày càng bềnhơn, nhẹ hơn và hiện đại hơn là có thể chống cháy.Mặc dù xung quanh chúng ta có rất nhiều hợp chất,vật liệu cách điện, nhưng các nhà nghiên cứu vẫnđang tìm tịi để phát triển được nghành cơng nghiệpcách điện. Chính vì sự phát triển ấy đã kích thích sựđam mê tìm tịi của bọn em, nên bọn em quyết địnhchọn đề tài cho bài tiểu luận và cũng như thuyết trìnhcủa mình là “ VẬT LIỆU SỬ DỤNG CÁCH ĐIỆNNGÀY NAY ” để cùng phân tích và tìm hiểu nhữngvật liệu cách điện đang được sử dụng hiện nay.

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

NỘI DUNGI.Giới thiệu:

1. Khái niệm điện môi, Phân cực và dẫn điện trong điện môi

2. Ý nghĩa thực tế cách điện

3. Tổ hao và phá hủy điện môi

II.Các vật liệu sử dụng để cách điện:

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

I.Giới thiệu:

1. Khái niệm điện môi, phân cực và dẫn điện trong điện môi:

 Khái niệm điện môi:

Là môi trường vật chất đặt dưới tác dụng của điện trường, đó có thể là chất cách điện hoặc dẫn điện hay bán dẫn.

Phân loại điện mơi:

Điện mơi có thể chia làm 3 loại:

+Loại điện mơi có cực (lưỡng cực): là điện môi gồm các phân tử lưỡng cực.

+Loại điện môi khơng cực (trung hịa): là điện mơi gồm các phân tử không phân cực.

+Loại xec-nhet điện (chất sắt điện): Là điện mơi có tính phân cực tự phát. Nó có cấu trúc miền (đơmen): gồm những miền lớn có phân cực tự phát, xuất hiện do ảnh hưởng của các q trình trong điện mơi. Hướng của các momen điện của các miền khác nhau và tổng phân cực trong điện môi bằng 0.

 Phân cực và dẫn điện trong điện mơi:

Tính chất quan trọng bậc nhất của điện mơi là khả năng phân cực của nó dưới tác dụng của điện trường ngoài. Hiện tượng phân cực là sự thay đổi vị trí trong khơng gian của những thành phần mang điện và hình thành moment điện.

Khác với hiện tượng điện hưởng ở vật dẫn kim loại, các điện tích xuất hiện ở chỗ nào trên bề mặt thanh điện mơi sẽ định xứ ở đó, khơng di chuyển được. Đó là các điện tích liên kết.

Các điện tích liên kết sẽ gây ra trong lịng thanh điện môi một điện trường phụ làm cho điện trường ban đầu trong thanh điện môi thay đổi. Điện trường tổng hợp trong điện môi khi điện môi bị phân cực là:

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

 Sự dẫn điện của điện môi:

Khi một mẫu điện môi đặt trong điện áp nào đó sẽ xuất hiện những dịng điện rất nhỏ. Độ dẫn điện của điện mơi cịn phụ thuộc vào trạng thái điện mơi: khí, lỏng, rắn và phụ thuộc vào độ ẩm, nhiệt độ, thời gian làm việc lâu dài dưới điện áp.

Độ dẫn điện của chất khí, các chất khí có độ dẫn hiện tại tương đối thấp. Nó có thể xảy ra với sự có mặt của các hạt tích điện tự do, do tác động của các yếu tố bên ngoài và bên trong, điện tử và ion: bức xạ tia X và các loại phóng xạ, sự va chạm của các phân tử và hạt tích điện, yếu tố nhiệt.

Độ dẫn điện của chất điện môi lỏng, các yếu tố phụ thuộc: cấu trúc phân tử, nhiệt độ, tạp chất, sự hiện diện của điện tích lớn của các electron và ion.

Chất điện môi rắn. Độ dẫn điện của chúng được gây ra bởi sự chuyển động của các hạt tích điện của chất điện môi và tạp chất. Trong các trường mạnh của dịng điện, tính dẫn điện được phát hiện.

2. Ý nghĩa thực tế cách điện:

 Chất cách điện là gì:

Chất cách điện là một đối tượng hoặc loại vật liệu chống l1i hoặckhơng cho phép dịng điện ch1y qua chúng. Chất cách điện có điện

trở suất rất lớn (khoảng 106 - 1015 Ω m ). Chất cách điện khơng phép

dịng điện đi qua do sự liên kết các nguyên tử trong chất cách

điện rất m1nh và bão hịa khiến các electron khơng có khả năng dichuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Chất cách điện phần lớn là chất rắn trong tự nhiên. Một số chất cách điện phổ biến nhất hiện nay là thuỷ tinh, nhựa, cao su, sứ, chất dẻo…

Chất cách điện thường được dùng để chế tạo các vật cách điện, cácbộ phận cách điện trong các dụng cụ điện giúp ngăn chặn dòng điện,

đảm bảo độ an toàn cho người sử dụng.

 Các lo1i vật liệu cách điện:Cách điện rắn:

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

Tính chất chung của các vật liệu cách điện chất rắn là hằng số điện môi rất cao và chỉ xảy ra hiện tượng phóng điện bề mặt ở các vật liệu thể rắn. Chúng chủ yếu được chia thành 4 nhóm sau đây:

 Các loại men, sơn cách điện

 Các chất dẻo tổng hợp: cao su, nhựa tổng hợp

 Chất vô cơ: xi măng, mica, sợi thuỷ tinh

 Chất hữu cơ thiên nhiên: giấy, vải, lụa

Trong đó, mica là chất cách điện tốt nhất, được dùng nhiều trong các máy có điện áp cao, tuy nhiên có giá thành khá cao. Do đó, các vật liệu cách điện có sợi dẫn nhiệt kém, hút ẩm, cách điện kém như giấy, vải, sợi,… được sử dụng phổ biến hơn vì chúng có độ bền cơ học tốt, mềm, rẻ tiền. Khi làm dây dẫn cách điện sợi phải được sấy tẩm để cải thiện tính năng của vật liệu cách điện.

Cao su là loại vật liệu cách điện hữu hiệu hàng đầu

Cách điện lỏng:

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Một số vật liệu cách điện chất lỏng như dầu mỏ, dầu biến thế, dầu cáp đặc, dầu cáp loãng, dầu silicon. Một ứng dụng phổ biến thường gặp là máy biến áp người ta dùng dầu biến thế làm vật liệu cách điện và làm mát.

Yếu tố quan trọng để đánh giá một vật liệu cách điện là cường độ điện trường đánh thủng khả năng cách điện thường được phục hồi trở lại. Khi cường độ điện trường đặt lên vật liệu vượt quá giá trị cho phép thì sẽ xuất hiện sự phóng điện (quá điện áp), phá hủy vật liệu và vật liệu mất đi đặc tính cách điện vốn có.

Cách điện khí:

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Khơng khí dùng làm cách điện chủ yếu của các đường dây tải điện trên không, cách điện của thiết bị điện làm việc trong khơng khí hoặc phối hợp với các chất cách điện rắn và lỏng.

Khí Hydro là khí nhẹ có đặc tính truyền dẫn nhiệt tốt, nên được ứng dụng để làm mát cho các máy phát nhiệt điện và các máy bù đồng bộ cơng suất lớn, nó sẽ làm giảm tổn thất cơng suất do ma sát của rơto với chất khí và do quạt gió gây ra.

Khí Nitơ chiếm khoảng 78% khí quyển Trái Đất , khí khơng màu, khơng mùi, không vị. Được dùng trong sản xuất các linh kiện điệntử như tranzitor, điốt, và m1ch tích hợp (IC) hoặc sản xuất thép khơng gỉ (inox).

Ngày nay cịn dùng khí trơ như: argon, ne-on hơi thủy ngân để làm các dụng cụ điện chân khơng và bóng đèn. Khí trơ có độ bền điện thấp.

Điện trở cách điện thể khí rất lớn và phụ thuộc vào điện áp. Độ bền cách điện phụ thuộc nhiều áp xuất, hình dạng và tiết diện của điện cực, thời gian tác dụng của điện áp. Chất khí phổ biến này ln có sẵn trong tự nhiên, không mùi không vị, một số loại không độc, không gây phản ứng với đồng, thép…

3. Tổ hao và phá hủy điện mơi:

 Tơn hao điện mơi là gì?

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Là phần năng lượng tản ra trong điện mơi làm nó nóng lên trong điện trường. Khác với dây dẫn, phần lớn các điện mơi có tổn thất công suất phụ thuộc vào tần số, điện áp đặt vào, tổn hao công suất ở điện áp xoay chiều lớn hơn so với điện áp một chiều và tăng rất nhanh khi tăng tần số và điện áp.

Các phân tử có cực, các vật liệu trên cơ sở xenlulo như giấy, cactong, thủy tinh hữu cơ có tgδ ≈ 0,01 Tổn hao điện môi rất lớn.

Khi cách điện cao áp cần chọn điện mơi có tgδ nhỏ.  Các d1ng tôn hao trong ĐM

1. Tôn hao điện mơi do dịng điện rị

- Trong ĐM kỹ thuật ln chứa các điện tích và điện tử tự do. Có E

tgδ = tgδ giảm theo quy luật hyperbolic khi tần số tăng.

Khi nhiệt độ tăng lên, điện dẫn của ĐM sẽ tăng theo quy luật hàm số mũ, vậy nên tổn hao điện môi cũng tăng lên theo quy luật này

Pt = P .e0αt

2. Tơn hao điện mơi do phân cực

• Dạng này thể hiện rõ ở các chất có phân cực chậm: trong các ĐM có cấu tạo lưỡng cực và ĐM có cấu tạo ion ràng buộc khơng chặt chẽ. • Tổn hao ĐM do phân cực chậm được gây nên bởi sự phá huỷ chuyển động nhiệt của các phần tử dưới tác động của E. Sự phá huỷ này làm phát sinh năng lương tiêu tán và điện mơi bị phát nóng.

3. Tơn hao điện mơi do ion hố

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

• Xảy ra trong các điện mơi ở trạng thái khí. Dạng tổn hao này xuất hiện trong các điện trường không đồng nhất khi cường độ điện trường cao hơn trị số bắt đầu ion hố của loại khí đó. Ví dụ: khơng khí ở xung quanh dây dẫn của đường dây tải điện trên không, điện áp cao, đầu cực của các thiết bị cao áp, bọt khí trong điện mơi rắn hoặc lỏng khi chịu điện áp cao..

• Cơng thức tính: Pi = A.f(U – U )03

Chú ý: Trong khơng khí có chứa khí O . Khi bị ion hố O thành O ,223

nó kết hợp vơi nitơ và nước thành axits nitơric (HNO ). Nếu q3

trình ion hố liên tục thì nồng độ axít HNO tăng lên, có thể gay nên3

sự ăn mịn hố học của vật liệu và làm cho thời gian phục vụ (tuổi thọ) của vật liệu giảm đi.

3. Tổn hao điện môi trong các sơ đồ thay thế

- Khi đặt U lên ĐM trong ĐM thường xuất hiện 3 loại đòng điện + Dòng điện rò (I ) rò

+ Dòng điện chuyển dịch do phân cực nhanh (I ) cd

+ Dòng điện hấp thụ do phân cực chậm (I ) ht

Vậy: I = I + I + Irịcdht

Với U 1 chiều thì I chỉ xảy ra khi đóng hay ngắt nguồn điện, cho nênfc

tổn hao điện môi chủ yếu là do Iro gây nên.

Với U xoay chiều thì I và I có suất trong thời gian đặt U nên tổnfcro

hao điện mơi do 2 dịng này gây nên.

4. Tơn hao điện môi do cấu t1o không đồng nhất: gây nên bởi các

tạp chất.

5. Tôn hao điện môi trong chất lỏng không phân cực:

Điện dẫn suất loại này rất bé nên tổn hao điện môi cũng rất bé. Nếu là chất lỏng phân cực thì có thể có thêm tổn hao điện môi do các phân tử lưỡng cực gây nên

 Phá hủy điện môi:

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

Sự phá hủy điện mơi là hiện tượng dịng điện trong điện môi đột ngột tăng khi đặt điện môi dưới tác dụng điện trường mà điện áp tới giới hạn gọi là điện áp đánh thủng.

 Các lo1i phá hủy điện mơi:

Phá hủy điện mơi khí: Sự phá hủy điện mơi khí phụ thuộc

vào thành phần hóa học của chất khí và áp suất, nhiệt độ, khoảng cách giữa 2 điện cưc, kích thước và hình dáng điện cực. Ngun nhân là do hiện tượng ion hóa va chạm và ion hóa quang. Nếu điện trường đồng nhất hiện tượng đánh thủng xảy ra đột ngột.

Phá hủy điện môi lỏng: Điện môi lỏng thường là dầu mỏ

cách điện, chúng là hỗn hợp của các điện mơi có cực và điện mơi khơng cực có nguồn gốc cácbon.

Phá hủy điện mơi rắn: Các dạng chủ yếu là phá hủy điện và

phá hủy nhiệt

 Phá hủy điện: Xảy ra ở nơi có điện trường tập trung mạnh, xảy ra đột ngột và có tính chất cục bộ.

 Phá hủy nhiệt điện: Xuất hiện khi năng lượng nhiệt thốt ra từ điện mơi lớn hơn năng lượng có khả năng phân tán. Khi đó có sự phá vỡ về sự cân bằng nhiệt, làm vật liệu nóng lên tới nhiệt độ làm nóng chảy hay đốt nóng điện mơi.

II.Các vật liệu sử dụng để cách điện:

Vật liệu cách điện phải có độ bền điện cao, độ dẫn nhiệt tốt, chịu ẩm, chịu được hóa chất và có độ bền cơ nhất định. Độ bền vững về nhiệt của chất cách điện bọc dây dẫn quyết định nhiệt độ cho phép của dây dẫn và do đó quyết định tải của nó.

1. PVC

 Nhựa PVC là gì?

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Nhựa PVC có tên đầy đủ Polyvinyl Clorua được tạo ra sớm nhất trong lịch sử ngành nhựa từ việc tổng hợp nhân tạo vinylClorua khi được phơi dưới ánh nắng mặt trời.

Nhũ tương (PVC.E – PVC Emulsion) có độ mịn cao. Nhựa PVC không độc, chỉ độc khi thêm các phụ gia.

Chịu lựa kém, để tăng tính va đập PVC sẽ được trộn thêm MBS, ABS ..

PVC cách điện tốt, khi dùng PVC làm vật liệu cách điện thường được thêm tính mềm dẻo để dễ gia công, tạo độ dai.

 Nhựa PVC cứng

Là nhựa PVC được tổng hợp từ dạng bột với các chất phụ gia chất ổn định nhiệt, chất bôi trơn, .. và được nung đến nhiệt độ khoảng 160 đến 180 độ C.

 Ứng dụng của PVC.

Nhựa PVC được ứng dụng để làm ống nhựa. Ống nhựa PVC thường dùng để làm ống dẫn nước, dẫn các chất lỏng, từ hộ gia đình nhỏ đến các tổ chức lớn đều sử dụng. Và từ tính chất của PVC nên ống nhựa được chia làm 2 loại :

Ống nhựa cứng được gọi là uPVC không chứa chất làm dẻo. Ống nhựa mềm PVC được trộn thêm chất làm dẻo như là DOP.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

 Dây và cáp điện.

Nhựa PVC thường được sử dụng nhiều để làm dây cáp, tùy theo sự phân loại dây cáp mà nhựa PVC được trôn thêm một số loại phụ gia theo từng mức độ chịu nhiệt khác nhau.

Như dây sử dụng trong điện dân dụng thường có nhiệt độ khoảng 70 độ C.

Từ 90 đến 100 độ C thì sử dụng trong các ngành cơng nghiệp. Nhựa PVC sử dụng làm dây cáp thường được trộn thêm các phụ gia chống cháy để tăng tính an tồn.

 Màng nhựa PVC

Bao gồm có màng cứng, màng bán cứng và màng mềm tùy thuộc vào hàm lượng hóa dẻo có trong nhựa PVC như :Hexamoll DINCH, DOP..

Màng nhựa PVC được sử dụng làm đóng gói sản phẩm, bao bì, áo mưa..

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

 Thanh uPVC

Cịn được gọi là Unplasticized PVC bao gồm các chất như Polymers Arylic tạo độ bền, các chất ổn định để chịu nhiệt và chống tia UV, chất sáp làm bóng bề mặt.

Là loại nhựa chịu nhiệt cao, nhiệt độ nóng chảy là 1000 độ C, chịu nhiệt cao nhưng không cháy.

Dùng làm tấm nhựa PVC, vách ngăn PVC, cửa sổ, tấm nhựa Arylic …

2. COMPOSITE

*Khái niệm

Compsite còn gọi là Vật liệu tông hợp Vật liệu,

compozit,hay composite là vật liệu được tông hợp từ hai hay nhiều

loại vật liệu khác nhau, nhằm mục đích tạo nên một vật liệu mới, ưu

việt và bền hơn so với các vật liệu ban đầu. Vật liệu composite bao gồm vật liệu nền và cốt. Vật liệu nền đảm bảo việc liên kết các cốt lại

với nhau, tạo cho vật liệu gồm nhiều thành phần có tính ngun

khối, liên tục, đảm bảo cho composite độ bền nhiệt bền hoá, và khả năng chịu đựng khi vật liệu có khuyết tật. Vật liệu cốt đảm bảo cho composite có các mođun đàn hồi và độ bền cơ học cao

*Ưu điểm của vật liệu composite

Ưu điểm lớn nhất của composite là có thể thay đổi cấu trúc hình học, sự phân bố và các vật liệu thành phần đẻ tạo ra một vật liệu mới có độ

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

bền theo mong muốn. Rất nhiều đòi hỏi khắt khe của kỹ thuật hiện đại ( như nhẹ, lại chịu được nhiệt lên đến 3000 C,…) chỉ cóo

composite mới đáp ứng nổi, vì vậy, vật liệu composite giữ vai trò then chốt trong cuộc cách mạng về vật liệu mới.

*Nhược điểm của vật liệu composite

Bên cạnh những điểm ưu việt của vật liệu composite, chúng ta vẫn cần biết đến những nhược điểm của loại vật liệu này để ứng dụng

 Phức tạp trong phân tích cơ, lý, hóa tính của mẫu vật.

 Chất lượng vật liệu bị phụ thuộc nhiều vào trình độ của cơng nhân

*Ứng dụng vật liệu composite

Vật liệu composite được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực để tạo ra các

sản phẩm phục vụ đời sống, sản xuất khắc phục những nhược điểm mà những loại vật liệu khác có, góp phần nâng cao hiệu suất, hiệu quả, chất lượng công việc và đời sống con người, ví dụ như:

 Vỏ động cơ tên lửa

 Vỏ tên lửa, máy bay tàu vũ trụ,  Bình chịu áp lực cao.

 Ống dẫn xăng dầu composite cao cấp 3 lớp (Sử dụng công nghệ cuốn ướt của Nga và các tiêu chuấn sản xuất ống dẫn xăng, dầu).

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

3. Các vật liệu cách điện dùng cho máy điện(MBA, Máy điện quay):

1. Hỗn hợp cách điện(compound):  Khái niệm:

Là hỗn hợp của những vật liệu cách điện khác nhau như: nhựa, nhựa đường (bitum), xenlulo,…chúng được hóa lỏng bằng gia nhiệt tới nhiệt độ đủ cao, sau đó được đơng cứng khi làm lạnh nên thường được gọi là compound nhiệt.

Là những vật liệu vô cơ dùng để sản xuất những sản phẩm có hình dáng bất kỳ. Sau đó được đưa vào nung ở nhiệt độ cao. Nếu ta chọn được thành phần cấu tạo và q trình cơng nghệ chế tạo thích hợp thì vật liệu gốm sẽ có độ bền cơ cao, hệ số điện mơi nhỏ, tính chịu nhiệt tốt ….

Phân lo1i: gồm gốm thường và gốm cao tầng.

</div>