Giáo trình Vật liệu điện (Nghề Điện công nghiệp)

UỶ BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ ĐÀ NẴNG

GIÁO TRÌNH
VẬT LIỆU ĐIỆN

Nghề:
ĐIỆN CƠNG NGHIỆP
Trình độ:
CAO ĐẲNG VÀ TRUNG CẤP
(Ban hành kèm theo Quyết định số
/QĐ-CĐN ngày tháng
Hiệu trưởng Trường Cao đẳng nghề Đà Nẵng)

Đà Nẵng, năm 2021

năm 2020 của


TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN
Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thơng tin có thể được
phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham
khảo.
Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh
doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.

1


LỜI GIỚI THIỆU
Giáo trình Vật liệu điện là giáo trình được biên soạn ở dạng cơ bản và tổng

quát cho học sinh, sinh viên nghề Điện Công nghiệp từ kiến thức nền cho đến
kiến thức chuyên sâu. Giáo trình giúp học sinh, sinh viên có được kiến thức
chung rất hữu ích khi cần phải nghiên cứu chuyên ngành sâu hơn. Mặc khác
giáo trình cũng đã đưa vào các nội dung mang tính thực tế giúp học sinh, sinh
viên gần gũi, dễ nắm bắt vấn đề khi va chạm trong thực tế.
Trong quá trình biên soạn giáo trình, tác giả đã tham khảo rất nhiều các tài
liệu của các tác giả khác nhau cả trong và ngoài nước.
Tác giả cũng xin chân thành gởi lời cảm ơn đến lãnh đạo nhà trường
Trường Cao đẳng nghề Đà Nẵng đã tạo điều kiện giúp đỡ tác giả hồn thành
giáo trình này. Đặc biệt là sự giúp đỡ hỗ trợ nhiệt tình của tập thể giáo viên bộ
môn Điện lạnh, khoa Điện – Điện tử của trường cũng như các bạn đồng nghiệp
đã nhiệt tình đóng góp ý kiến trong q trình biên soạn.
Đà Nẵng, tháng 7/2021
Tham gia biên soạn
Chủ biên: Nguyễn Mạnh Hiến

2


GIÁO TRÌNH MƠN HỌC
TÊN MƠN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN
MÃ MƠN HỌC : ĐCN03
Thời gian của môn học: 45 giờ. (Lý thuyết:14 giờ. Thực Hành/ Thí Nghiệm/
Thảo Luận/ Bài Tập: 28 giờ. kiểm tra: 3 giờ.)
VỊ TRÍ, TÍNH CHẤT CỦA MƠN HỌC:
* Vị trí:
+ Mơn học vật liệu điện được bố trí sau khi hồn thành mơn học An tồn
lao động và vệ sinh công nghiệp, và học song song với mơn học vẽ điện, Khí cụ
điện và học trước các mơn học/ mơ đun chun mơn khác.
* Tính chất:

+ Là mơn học cơ sở trong chương trình Đào tạo
MỤC TIÊU MƠN HỌC:
* Về kiến thức:
+ Giải thích được đặc tính của các loại vật liệu điện
* Về kỹ năng:
+ Nhận dạng được các loại vật liệu điện thông dụng.
+ Xác định được các dạng và nguyên nhân gây hư hỏng ở vật liệu điện
* Về năng lực tự chủ và trách nhiệm:
+ Cẩn thận, kiên trì.
+ Thu xếp nơi làm việc gọn gàng, ngăn nắp, sạch sẽ.
+ Đảm bảo an toàn cho người và thiết bị.
+ Chủ động, sáng tạo trong q trình học tập.
NỘI DUNG MƠN HỌC:
Thời gian
Số
TT
1.

2.

Tên chương

Chương mở đầu

Tổng
Lý
Thực hành, Kiểm
số thuyết thí nghiệm, tra
thảo luận,
bài tập

1

1

1. Khái niệm về vật liệu điện

0.5

0.5

2. Phân loại vật liệu điện

0.5

0.5

Chương 1: Vật liệu cách điện

15

5

1. Khái niệm và phân loại vật
liệu cách điện

2.5

2.5

9

1

3


3.

4.

2. Tính chất chung của vật liệu
cách điện

2.5

2.5

3. Một số vật liệu cách điện
thông dụng

10

Chương 2: Vật liệu dẫn điện

15

5

1. Khái niệm và tính chất của
vật liệu dẫn điện

2

2

2. Tính chất chung của kim loại
và hợp kim

3

3

3. Những hư hỏng thường và
cách chọn vật liệu dẫn điện

5

5

4. Một số vật liệu dẫn điện
thông dụng

6

5

1

Chương 3: Vật liệu dẫn từ

14

3

9

2

1. Khái niệm và tính chất vật
liệu dẫn từ

1.5

1.5

2. Mạch từ, tính tốn mạch từ

1.5

1.5

3. Một số vật liệu dẫn từ thơng
dụng

11

9

2

Cộng:

45

28

3

9

14

1

10

* Ghi chú: Thời gian kiểm tra lý thuyết được tính vào giờ lý thuyết, kiểm
tra thực hành được tính bằng giờ thực hành.

4


CHƯƠNG MỞ ĐẦU: KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
Mục tiêu:
- Trình bày được một số khái niệm cơ bản về năng lượng
- Nêu bật được khái niệm và cấu tạo của vật liệu điện
- Phân loại được chính xác chức năng của từng vật liệu cụ thể
- Rèn luyện được tính chủ động và nghiêm túc trong cơng việc
Nội dung chính:
2.1. Khái niệm về vật liệu điện

2.2.1. Khái niệm
2.2.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu
2.2.3. Cấu tạo phân tử
2.2.4. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn
2.2.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn
2.2. Phân loại vật liệu điện
2.2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện
2.2.2. Phân loại theo từ tính
2.2.3. Phân loại theo trạng thái vật thể
1. KHÁI NIỆM VỀ VẬT LIỆU ĐIỆN
1.1. Khái niệm:
Vật liệu điện là các chất có cấu tạo nguyên tử, được dùng trong thiết bị
điện.
1.2. Cấu tạo nguyên tử của vật liệu:
Tất cả các chất đều tồn tại ở 3 trạng thái rắn , lỏng , khí ,đều được cấu tạo
bằng 3 hạt cơ bản : proton , notron và electron
5


- Nguyên tử : là phần nhỏ nhất của 1 phân tử có thể tham gia phản ứng
hố học .Ngun tử gồm có hạt nhân mang điện tích dương và lớp vỏ điện tử
+ Hạt nhân gồm có các hạt : Proton và Nơtron
+ Vỏ nguyên tử gồm có các hạt electron chuyển động xung quanh hạt
nhân theo những quĩ đạo xác định , tuỳ theo mức năng lượng các điện tử mà
được xắp xếp thành lớp

Hình 1.1. Cấu tạo nguyên tử
Về điện:
Proton và electron mang cũng trị số điện tích q = 1,6.10-19 C nhưng ngược
dấu nhau.Người ta kí hiệu điện tích Proton là +q , và của Nơtron là -q.Hạt

nơtron trung hồ về điện.Vậy điện tích của hạt nhân chính là điện tích Proton
cịn lớp vỏ là điện tích của electron.
Về khối lượng:
Proton và Nơtron mang khối lượng xấp xỉ nhau mP = mN = 1,67.10-27 kg =
1 đvc,cịn electron có khối lượng rất bé so với khối lượng của proton hoặc
notron rất nhiều (me = 9,1.10-31 kg)=> khối lượng nguyên tử xem như là khối
lượng hạt nhân và tính bằng tổng khối lượng Proton và Nơtron.
Về số lượng:
Số hạt Proton bằng số hạt electron, do đó ở trạng thái bình thường ngun
tử trung hồ về điện
6


Tổng số hạt Proton và Nơtron gọi là số khối kí hiệu là A ,số Proton gọi là
số hiệu nguyên tử kí hiệu là Z , số hiệu nguyên tử là đặc trưng tính chất vật lý
của nguyên tố, số electron lớp ngồi cùng đặc trưng tính chất hố học của
nguyên tố
1.3. Cấu tạo phân tử :
Là phần nhỏ nhất của 1 chất ở trạng thái tự do mà có thể mang đầy đủ tính
chất của chất đó.Trong phân tử các nguyên tử liên kết với nhau bằng liên kết hoá
học
1.3.1. Liên kết cộng hoá trị :
Là mối liên kết giữa các nguyên tử trong các phân tử hợp chất hoặc đơn
chất bằng những cặp electron dùng chung .
Ví dụ : Phân tử clo
Mỗi nguyên tử clo có 7 electron lớp ngoài , khi 2 nguyên tử clo lại gần
nhau , mỗi nguyên tử góp 1 electron để tạo thành cặp điện tử dùng chung

Mối liên kết cộng hoá trị xảy ra giữa các nguyên tử của các nguyên tố hố
học có tính chất gần giống nhau ,ví dụ ( Ar, He, O2, Cl2, H2, H2O, CO2, NH3 . . .)

Tuỳ theo cấu trúc các phân tử đối xứng hay không đối xứng mà ta chia
các phân tử ra làm 2 loại
+ Phân tử không phân cực là phân tử mà trọng tâm điện tích âm trùng với
trọng tâm điện tích dương
+ Phân tử phân cực là phân tử mà trọng tâm điện tích âm và trọng tâm
điện tích dương cách nhau một khoảng l
Để đặc trưng cho sự phân cực người ta dùng momen lưỡng cực:
P e  q.l

7


Trong đó, q : điện tích
l : có chiều từ -q đến +q và có độ lớn là chiều dài l (khoảng
cách giữa trọng tâm điện tích âm và trọng tâm điện tích dương )
1.3.2. Liên kết ion:
Là mối liên kết được tạo nên bỡi lực hút giữa ion âm và ion dương . Liên
kết này chỉ xảy ra giữa các ngun tử của các ngun tố hố học có tính chất
khác nhau
Đặc trưng cho dạng liên kết kim loại là liên kết giữa kim loại và 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 Na và Cl trong muối NaCl là liên kết ion (vì Na có 1
electron lớp ngồi cùng -> dễ nhường 1 electron tạo thành Na+ ,Clo có 7
electron lớp ngoài cùng -> dễ nhận 1 e 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 =
8000C , tsơi <14500C
1.3.3. Liên kết kim loại :

Kim loạichỉ có thể tồn tại dưới dạng nguyên tử riêng biệt khi ở dạng khí .
Khi ở dạng 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 âm 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

8


Do tồn tại các điện tử tự do nên kim loại thường có ánh kim, dẫn điện và
dẫn nhiệt cao
1.3.4. Liên kết Vandecvan:
Là mối liên kết yếu nhất trong các liên kết thường tạo nên những chất
không bền về nhiệt và cơ ( dễ nóng chảy và mềm)
1.4. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn:
Trong thực tế các mạng tinh thể có cấu trúc đồng đều hoặc khơng đồng
đều Tuy nhiên trong kĩ thuật ta sử dung những vật liệu có cấu trúc đồng đều và
cả khơng đồng đều.Mạng tinh thể có trường tĩnh điện biến đổi có chu kì 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 kì 1 hiện tượng nào làm cho trường tĩnh
điện của mạng tinh thể mất tính chu kì
Các dạng khuyết tật trong vật rắn thường là :tạp chất,đoạn tầng,khe rãnh .
Khuyết tật trong vật rắn tạo ra những tính chất vật lý đặc biệt , được ứng
dung trong kĩ thuật các vật liệu và các dung cụ rất khác nhau
Ví dụ : chất bán dẫn n-p , các hợp kim điện tử . . .
1.5. Lý thuyết phân vùng năng lượng trong vật rắn:

Tất cả các vật liệu đều thuộc 1 trong 3 nhóm : Bán dẫn , dẫn điện , cách
điện ( điện mơi) .Sự khác nhau của các chất được giải thích nhờ vào lý thuyết
phân vùng năng lượng
Nội dung lý thuyết phân vùng năng lượng :
- Các nguyên tử có mức năng lượng khác xác định
- Các nguyên tử ở trạng thái bình thường (khơng 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 nguyên tử bị kích thích, các nguyên tử bị kích thích có xu
9


hướng trở về trạng thái bình thường, khi trở về trạng thái bình thường sẽ phát ra
năng lượng dưới dạng foton 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.

Hình 1.2. Nội dung lý thuyết phân vùng năng lượng
2. PHÂN LOẠI VẬT LIỆU ĐIỆN:
2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện:
Trên cơ sở biểu đồ năng lượng,người ta phân thành vật liệu cách điện,vật
liệu dẫn điện và chất bán dẫn
2.1.1. Đối với kim loại (vật dẫn ) :
Khoảng cách giữa vùng lấp đầy và vùng tự do rất nhỏ ΔW ≤ 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 ρ = 10-6 -->10-3 Ω.m

Hình 1.3. Nội dung lý thuyết phân vùng năng lượng của kim loại
10

2.1.2. Đối với vật liệu cách điện (điện môi ) :
Bề rộng vùng cấm ΔW ≥ 1.5eV , do đó để 1 điện tử từ vùng hoá trị lên
vùng tự do phải cung cấp 1 năng lượng ≥ 3eV. Do năng lượng yêu cầu lớn nên
khó có điện tử chuyển từ vùng hoá trị lên vùng tự do, nên khả năng dẫn điện
kém , thể hiện ρ = 109 -->1018 Ω .m

Hình 1.4. Nội dung lý thuyết phân vùng năng lượng của điện môi
2.1.3. Đối với vật liệu bán dẫn :
Vật liệu này có bề rộng vùng cấm nằm giữa vật dẫn và vật cách điện n
0.2< ΔW <1.5eV, nên ngay ở nhiệt độ bình thường một số điện tử trong vùng lấp
đầy với sự tiếp sức của chuyển động nhiệt đã có thể di chuyển tới vùng tự do để
hình thành tính dẫn điện của vật liệu.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 thốt 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.
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 ρ = 10-4 -->108 Ωm

11


Hình 1.5. Nội dung lý thuyết phân vùng năng lượng của vật liệu bán dẫn
2.2. Phân loại theo từ tính:
2.2.1. Nghịch từ:
Nghịch từ là những chất có hệ số từ thẩm tường đối   1 và không phụ
thuộc vào cường độ từ trường bên ngồi.Loại này gồm có hydro,khí hiếm,đa số
các hợp chất hữu cơ,muối mỏ và kim loại như đồng,kẽm,bạc,vàng,thủy ngân…

2.2.2. Thuận từ:
Thuận từ là những chất có hệ số từ thẩm tường đối   1 và cũng khơng
phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngồi.Loại này gồm có oxy,nito
oxit,muối sắt,các muối coban và niken,kim loại kiềm,nhôm,bạch kim …
2.2.3. Chất dẫn từ:
Chất dẫn từ là những chất có hệ số từ thẩm tường đối   1 và phụ thuộc
vào cường độ từ trường bên ngoài.Loại này gồm có sắt,niken,coban và các hợp
kim của chúng,hợp kim crom và mangan,ferrit có các thành phần khác nhau
2.3. Phân loại theo trạng thái vật thể:
Gồm có vật liệu ở trạng thái rắn, lỏng và khí
CÂU HỎI ƠN TẬP VÀ BÀI TẬP:
1. Câu 1:
Nội dung lý thuyết phân vùng năng lượng
2. Câu 2:
Phân loại vật liệu điện
12


CHƯƠNG 1: VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Mục tiêu:
- Nhận dạng, phân loại được chính xác các loại vật liệu cách điện dùng
trong cơng nghiệp và dân dụng.
- Trình bày được các đặc tính cơ bản của một số loại vật liệu cách điện
thường dùng.
- Sử dụng phù hợp các loại vật liệu cách điện theo từng yêu cầu kỹ thuật cụ
thể.
- Xác định được các nguyên nhân gây ra hư hỏng và có phương án thay thế
khả thi các loại vật liệu cách điện thường dùng.
- Rèn luyện được tính cẩn thận, chính xác, chủ động trong cơng việc
Nội dung chính:

2.1. Khái niệm và phân loại vật liệu cách điện
2.1.1. Khái niệm
2.1.2. Phân loại vật liệu cách điện
2.2. Tính chất chung của vật liệu cách điện
2.2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện
2.2.2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện
2.2.3. Tính chất hóa học của vật liệu cách điện
2.2.4. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện
2.2.5. Độ bền nhiệt
2.2.6. Tính chọn vật liệu cách điện
2.2.7. Hư hỏng thường gặp
2.3. Một số vật liệu cách điện thông dụng
2.3.1. Vật liệu sợi
13


2.3.2. Giấy và các tơng
2.3.3. Phíp
2.3.4. Amiăng, xi măng amiăng
2.3.5. Vải sơn và băng cách điện
2.3.6. Chất dẻo
2.3.7. Nhựa cách điện
2.3.8. Dầu cách điện
2.3.9. Sơn và các hợp chất cách điện
2.3.10. Chất đàn hồi
2.3.11. Điện môi vô cơ
2.3.12. Vật liệu cách điện bằng gốm sứ
2.3.13. Mica và các vật liệu trên cơ sở mica
1. KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
1.1. Khái niệm:

Vật liệu cách điện là vật liệu ở t0 thường khơng cho dịng điện truyền
qua.Chất cách điện là các chất dẫn điện kém, có điện trở suất rất lớn (khoảng 106
- 1015 Ωm). Các vật liệu này được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong
đời sống, nhằm mục đích ngăn chặn sự tiếp xúc của dòng điện với người hoặc
với các dòng điện khác.
Nhiều chất cách điện là các chất điện môi, tuy nhiên cũng có những mơi
trường cách điện khơng phải là chất điện môi (như chân không).
1.2. Phân loại vật liệu cách điện:
Các loại vật liệu cách điện gồm có:cách điện rắn (ví dụ:gỗ,nhựa, vỏ bọc
dây diện), cách điện lỏng (ví dụ: dầu máy biến áp), cách điện khí (khơng khí, khí
SF6).
14


2. TÍNH CHẤT CHUNG CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện:
Hút hơi ẩm từ môi trường xung quanh
Độ ẩm tuyệt đối:là lượng hơi nước tính trên một đơn vị thể tích  %
Độ ẩm tương đối:  % 


.100%
 max

Mẫu vật liệu để trong môi trường, sau 1 thời gian, vật liệu đạt ϕcb

Cấu tạo của vật chất ảnh hưởng lớn đến tính hút ẩm
=> Thực hiện sơn phủ trên bề mặt điện môi. Nhưng chỉ hạn chế bớt ảnh hưởng
của độ ẩm môi trường.
Tác hại: tăng dịng điện rị, tổn hao điện mơi và giảm điện áp phóng điện

Tính thấm ẩm: cho hơi nước xuyên qua vật liệu
Khối lượng hơi nước xuyên qua diện tích S:
m

 ( p1  p 2 ).S .t
h

với p1  p 2 là hiệu áp suất trong và ngồi điện mơi
Π :hệ số thấm ẩm [s]
Tác hại tương tự như tính hút ẩm
=> thực hiện tẩm các vật liệu có tính hút ẩm cao.
Tính dính ướt:
15


Khả năng hình thành màng ẩm trên bề mặt vật liệu khi vật liệu đặt trong
mơi trường có độ ẩm cao.

Tác hại: khi bề mặt vật liẹu bị dính ướt, tạo ra số lượng lớn điện tích trên
bề mặt vật liệu làm cho tăng dòng rò mặt và giảm đáng kể điện áp phóng điện
mặt của điện mơi. Để hạn chế tính dính ướt của vật liệu, ta thực hiện sơn phủ bề
mặt vật liệu bằng những vật liệu có tính dính ướt kém.
2.2. Tính chất cơ học của vật liệu cách điện:
Độ bền kéo dãn, nén và uốn:
Độ bền là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngồi mà khơng bị phá
hỏng.Khi có lực tác dụng lực kéo lên vật liệu:  đut 

Pmax
(kg / cm 2 )
A0

Pmax là lực kéo lớn nhất mà không đứt
A0: là tiết diện
Độ bền nén: là khả năng chống lại tác dụng của lực nén bên ngoài.
 nen 

( Pmax ) nen
A0

Độ bền uốn: chống lại tác dụng của lực uốn
 uon 

( Pmax ) uon
A0

Tính giịn: là vật liệu có độ bền cao với tải tĩnh nhưng rất dễ bị phá huỷ
bởi tải động bất ngờ đặt vào. δvd [kGcm / cm2]
16


Độ cứng: là khả năng chịu lún bề mặt tại chỗ ấn vật cứng mẫu,lớp bề mặt
của vật liệu chống lại biến dạng gây bỡi lực nén truyền từ vật có kích thước nhỏ
Độ nhớt : là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng, có ảnh hưởng đến sự
làm mát, sự dính ướt khi tẩm
Một lượng thể tích V của chất lỏng có độ nhớt η chảy trong thời gian τ
dưới tác dụng của áp lực P qua ống mao dẫn dài l bán kính r theo định luật
passen
1  .P.r 4 .
V  .
8l



Trong đó: P[N/m2] , r(m),τ (s) ,l(m),V(m3),η (N.s /m2)
2.3. Tính chất hóa học của vật liệu cách điện:
- Độ tin cậy của điện môi thể hiện ở chỗ khi làm việc lâu dài, điện mơi
khơng bị phân huỷ để giải thốt ra các sản phẩm phụ và khơng bị ăn mịn khi
kim loại tiếp xúc với nó, khơng phản ứng với các chất khác như nước, axit,...
- Khi sản suất các chi tiết có thể dùng các hố chất khác như: Chất kết
dính, chất hồ tan, trong các điện mơi khác nhau.
2.4. Hiện tượng đánh thủng điện môi và độ bền cách điện:
Hiện tượng đánh thủng điện mơi: là hiện tượng phóng điện chọc thủng
hay là sự phá hủy độ bền điện của điện môi khi cường độ điện trường đặt lên
điện môi vượt quá một giới hạn nào đó
Độ bền điện của điện môi:
Cường độ điện trường tương ứng với điện áp đánh thủng tại vị trí và thời
điểm đánh thủng gọi là cường độ điện trường đánh thủng hay là độ bền điện của
điện mơi, kí hiệu là Eđt. Eđt được xác định bằng tỷ số giữa điện áp tại thời điểm
đánh thủng Uđt (kV) và bề dày điện môi tại vị trí đánh thủng h(m)
E đt 

U đt
(kV / mm)
d

17


Eđt là độ bền điện ( Ebđ) V/mm, kV/mm, V/cm
Uđt là điện áp đánh thủng
d là chiều dày điện môi ở chỗ bị đánh thủng

Eđt phụ thuộc vào các yếu tố:
- Nhiệt độ độ ẩm, tầng số và thời gian đặt U.. .
- Eđt phụ thuộc phi tuyến theo bề dày của điện môi
- Eđt phụ thuộc vào bản chất của vật liệu làm điện môi
Sau đây là Eđt của một số điện môi:
TT Tên vật liệu

Eđt (MV/m)

1

Mica

100-300

2

Cao su

30-50

3

Dầu biến áp

15-25

4

Khơng khí ở điều kiện thường áp suất và nhiệt

2-5

độ
Nhận xét:
Khi điện mơi rắn đặt giữa 2 điện cực thì tình trạng phóng điện bề mặt diễn
ra trước. ới điện mơi rắn xốp có chứa nhiều bọt khí hơn so với không chứa lỗ
xốp. Nếu điện môi xốp được tẩm bằng điện mơi lỏng hoặc rắn sẽ cải thiện nhiều
Ví dụ: cáp giấy không tẩm Ect=3-5MV/m khi tẩmbằng dầu nhựa thông
Ect=40- 80MV/m
=> để điện môi làm việc với độ tin cậy cao thì điện áp làm việc Upk=Up/Uct được gọi là hệ số dữ trữ độ bền cách điện

18


2.5. Độ bền nhiệt:
Độ bền chịu nóng: khả năng chịu đựng không bị hư trong thời gian ngắn
cũng như dài dưới tác dụng của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột nhiệt độ
- Đối với điện môi vô cơ, độ bền nhiệt là nhiệt độ bắt đầu có sự biến đổi
tính chất điện
- Đối với điện mơi hữu cơ, độ bền nhiệt là nhiệt độ bắt đầu có sự biến
dạng cơ học khi kéo, uốn
Đối với dầu máy biến áp người ta đưa ra 2 khái niệm: nhiệt độ chớp
cháy và nhiệt độ cháy:
- Nhiệt độ chớp cháy: là nhiệt độ mà nếu nung nóng dầu đến nhiệt độ đó
thì hỗn hợp hơi của dầu và khơng sẽ bốc cháy khi đưa ngọn lửa vào gần.
- Nhiệt độ cháy: là nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chớp cháy mà khi đưa ngọn
lửa lại gần bản thân chất lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy.
Loại cách điện

Tmax

Y(vải sợi, xenlulô,len,giấy gỗ nhưng không tẩm hoặc ngâm trong chất 90
lỏng)

105

A( là cách điện cấp Y nhưng được tẩm hoặc ngâm trong dầu cách 120
điện)
130
E(nhựa hữu cơ+phụ gia như: fenolformandehic, Hetinac, testolit,
155
epoxi, Polieste)
180
B(chứa thành phần vô cơ:amian,thuỷ tinh và vật liệu được tẩm bằng
>180
thuỷ tinh)
F(mica và sản phằmt sợi thuỷ tinh, vật liệu hữu cơ tẩm với vl chịu hiệt
cao)

19


H(nhựa silic hữu cơ có tính chịu nhiệt đặc biệt cao)
C( vật liệu vô cơ không chứa thành phần tẩm hoặc kết dính gồm:
mica, thuỷ tinh, amian, politetraftoretilen)

Tính chịu lạnh của điện môi:Đây là khả năng chịu đựng của cách điện ở
nhiệt độ thấp (60  70 0 C ) ).

Độ dẫn nhiệt: mức độ chuyển nhiệt xuyên qua bề dày lớp cách điện ra mơi
trường xung quanh.
Phương trình Furier: PN   N .

T
.S
l

ΔPN : cơng suất dịng nhiệt qua diện tích ΔS
T
gradient nhiệt độ
l
0

TT

Tên vật liệu

 N ( W/cm. C)

1

Khơng khí (trong khe hở nhỏ)

0,00025

2

Nhựa đường

0,0007

3

Giấy

0,001

4

Vải sơn

0,0013

5

Nước

0,0058

6

Thạch anh nhóng chảy

0,0125

7

Sứ

0,016

8

Thạch anh kết tinh

0,125

9

Oxit nhơm

0,3

Sự giãn nở nhiệt:

20


1 dl
(1 / đô )
l dt

Hệ số giãn nở dài  l  .

Vật liệu có  l nhỏ =>độ bền chịu nóng cao và ngược lại
Vật liệu hữu cơ có hệ số giãn nở dài cao hơn vơ cơ => kích thước vật liệu
vơ cơ ổn định khi nhiệt độ thay đổi
2.6. 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, ngƣời ta chọn loại
vật liệu có bề dày thích hợp, sao cho vật liệu làm việc an tồn mà khơng bị đánh
thủng.
+ 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, ngƣời 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.
2.7. 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
dịng điện, điện áp, cơng 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
21


như nhiệt độ, độ ẩm và hơi nước 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 ngồi 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

- 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
3. MỘT SỐ VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN THÔNG DỤNG
3.1. Vật liệu sợi:
Rẻ, độ bền cơ học cao, có tính dẻo, dễ gia công nhưng nhược điểm là độ
bền điện thấp, và dễ hút ẩm
3.2. Giấy và các tông:
Được chế tạo từ xenlulo và được hồ tan trong dung dịch kiềm
3.3. Phíp:
Là một loại giấy được ngâm trong dung dịch clorua kẽm (ZnCl2) nóng rồi
đem quấn vào một tay quay bằng thép để có được chiều dày cần thiết, rồi được
đem ép và trải qua q trình gia cơng thành một vật liệu mịn thuần nhất gọi là
phíp, phíp được dùng chủ yếu để chế tạo các chi tiết cách điện có hình dạng
phức tạp. Màu của phíp có thể là đen, nâu, đỏ ... đó là màu của giấy dùng để sản
xuất ra phíp.
Tính chất cơ của phíp khá tốt. Phíp dễ gia cơng, cưa, cắt, bào, tiện, ren, vít
được. Ngâm phíp vào nước nóng nó sẽ mềm đến mức có thể định hình được. Tỉ
trọng của phíp là (1-1,5)G/cm2 , tỉ trọng của phíp càng cao thì đặc tính cơ và
tính cách điện càng cao. Nhược điểm của phíp là độ háo nước cao (50-60)%.
Khi độ ẩm môi trường xung quanh cao thì các chi tiết làm bằng phíp dễ bị biến
22


dạng và khi đó sẽ tạo ra điện dẫn điện phân lớn. Để giảm độ háo nước của phíp
có thể tẩm phíp bằng dầu biến áp hoặc prafin ...
3.4. Amiăng, xi măng amiăng:
Amiăng là tên thường gọi của nhóm khống vật, có cấu trúc xơ, amiăng
có ưu điểm chịu được nhiệt độ cao, ở nhiệt độ mà các xơ hữu cơ khác hồn tồn
bị phá hủy thì amiăng vẫn cịn bền và uốn được. Khi nhiệt độ từ (300- 400)0C thì

amiăng mất đi độ bền cơ. Amiăng rất thấm nước nên khi sử dụng phải tẩm. Loại
amiăng thông thường (crizotin) có thể hịa tan trong axit ngoại trừ một vài loại
đặc biệt rất hiếm lại có tính chịu được axit. Tính cách điện của amiăng khơng
cao lắm nên khơng được dùng cách điện trong điện cao thế và cao tần. Điện trở
suất của khối amiăng là (1010-1012)cm Để phù hợp với yêu cầu sử dụng người
ta sản xuất amiăng thành giấy, vải, băng…..
Ximăng amiăng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện, là một chất
dẻo được ép nguội. Thành phần chủ yếu là các chất vơ cơ, trong đó chất độn là
amiăng, cịn chất kết dính là ximăng. Ximăng amiăng được sản xuất ra thành
tâm, ống và các sản phẩm theo hình mẫu. Có độ bền cơ khơng cao lắm và chịu
nhiệt tốt, chịu được sự phóng điện của hồ quang nhưng tính cách điện thấp và
hút ẩm. Thường được dùng làm bảng phân phối, tấm chắn ngăn các buồng dập
hồ quang.
3.5. Vải sơn và băng cách điện:
Là loại vải bơng, lụa, thủy tinh có tẩm sơn, có độ đàn hồi và độ mềm được
dùng làm cách điện rãnh của các máy điện có điện áp thấp. Trong các máy điện
có điện áp cao vải sơn được dùng làm cách điện ở các đầu dây quấn, cách điện
giữa các cuộn dây, ngồi ra vải sơn cịn được dùng cách điện cho các bộ phận bị
uốn cong nhiều. Độ bền điện của loại băng sợi bơng có trị số (35-50)kV/mm.
Vải sơn cách điện thường được sản suất ở dạng cuộn rộng (700-1000)mm, chiều
dày của vải cách điện là (0,15-0,24)mm. Gần đây có khuynh hướng thay thế vải
sơn và giấy sơn cách điện bằng vật liệu cách điện dẻo đó là màng dẻo.
23


Băng cách điện là các loại vải lụa, amiăng mạ tráng thủy tinh thường được
dùng để bảo vệ các cuộn dây máy điện. Băng amiăng được làm từ các sợi
amiăng đàn hồi có chứa oxít sắt dùng làm băng bảo vệ cho các cuộn dây của
máy điện, điện áp từ 6 kV trở lên. Các loại này trước khi sử dụng phải tẩm sơn,
sau khi tẩm độ chịu nhiệt sẽ giảm, băng thủy tinh có độ chịu nhiệt, chịu ẩm tốt

hơn loại trên.
3.6. Chất dẻo:
Chất dẻo là loại vật liệu được dùng rộng rãi trong kỹ thuật cũng như trong
đời sống. Đặc điểm của chất dẻo là dưới tác dụng của sức ép từ bên ngồi sẽ
nhận được hình dáng đã định trước của khuôn ép để chế tạo ra các sản phẩm.
Trong kỹ thuật điện người ta thường dùng chất dẻo để làm vật liệu cách điện
cũng như dùng làm các kết cấu thuần túy.
3.6.1. Hêtinắc:
Được sản xuất ra bằng cách ép nóng giấy đã được tẩm nhựa bakêlít.
Hêtinắc có khối lượng riêng từ 1,25 đến 1,4 G/cm3 . Độ bền điện cao khoảng
(20-25)kV/mm. Hêtinắc được sử dụng trong việc chế tạo các thiết bị và dụng cụ
điện cao áp và hạ áp. Ngoài ra, Hêtinắc cũng được sử dụng trong kỹ thuật thơng
tin.
3.6.2. Téctơlít:
Được sản xuất ra bằng cách ép nóng vải đã được tẩm nhựa bakêlít, nó
cũng tương tự Hêtinắc nhưng có giới hạn bền kéo doc và ứng suất dai va đập
theo chiều thẳng góc với lớp cách điện không cao hơn Hêtinắc nhưng độ bền
nhiệt cao hơn. Trong những năm gần đây ngƣời ta đã chế tạo được nhiều loại
chất dẻo nhiều lớp có đặc tính cách điện, độ bền cơ và độ chịu nhiệt cao. Chất
kết dính dùng trong các chất dẻo ấy là nhựa polieste, êpoxi, nhựa polimít, nhựa
silíc hữu cơ và các loại nhựa khác. Thành phần tạo thành là tổ hợp cách điện
compozit có đặc tính cách điện và độ bền cơ rất cao, chịu được ẩm, ứng dụng
nhiều trong các thiết bị điện cao áp.
24