Bài giảng Vật liệu kỹ thuật điện: Chương 7 - Phạm Thành Chung

Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện mơi
Khi chọn vật liệu cách điện, ta không những chỉ chú ý đến các đặc tính về cách điện của nó
mà cịn phải xét đến tính ổn định lâu dài và điều kiện làm việc của chúng. Mặt khác, khi
làm việc trong mơi trường khác nhau (tia tử ngoại, sóng ngắn, mơi trường hố chất, nước
muối…) phải xét đến tác hại của môi trường nếu không sẽ dẫn đến sự cố trầm trọng ảnh
hưởng đến thiết bị. Do vậy cần phải xét đến tính năng cơ - lý - hố của vật liệu để đảm bảo
làm việc lâu dài và hiệu quả nhất.
7.1 Tính hút ẩm của điện mơi
Vật liệu cách điện nói chung ở mức độ ít hay nhiều đều hút ẩm vào bên trong từ môi
trường xung quanh, hay thấm ẩm tức là cho hơi nước xuyên qua chúng. Khi bị thấm ẩm
các tính chất cách điện của điện môi bị giảm nhiều. Những vật liệu cách điện không cho
nước đi vào bên trong nó khi đặt trong mơi trường có độ ẩm cao, trên bề mặt có thể
ngưng tụ 1 lớp ẩm làm cho dòng rò bề mặt tăng, điện áp phóng điện dọc theo bề mặt giảm
và có thể gây ra sự cố cho thiết bị điện.
7.1.1 Độ ẩm của khơng khí
a - Độ ẩm tuyệt đối: m [g H2O / m3] được đánh giá bằng khối lượng (gram) của hơi
nước chứa trong 1 đơn vị thể tích khơng khí (m3).
Ở 1 nhiệt độ nhất định nào đó, độ ẩm khơng vượt q 1 trị số nhất định m ≤ mmax : độ
ẩm bão hoà.
b - Độ ẩm tương đối:

ϕ=

m
.100%
m max

Điều kiện chuẩn của khí hậu: t0 = 200C, P = 760mmHg, m = 11g/m3, ϕ = 65%
176

Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện mơi
7.1.2 Độ ẩm của vật liệu (ψ)
Là lượng hơi nước trong 1 đơn vị trọng lượng vật liệu.
Khi vật liệu có độ ẩm ψ vào mơi trường φ thì sau 1 thời gian
nó tiến tới ψcân bằng
+ ψ > ψcb : ψ giảm xuống ψcb  Vật liệu được sấy khô
+ ψ < ψcb : ψ tăng lên ψcb  Vật liệu bị thấm ẩm
7.1.3 Tính thấm ẩm của vật liệu
Là khả năng cho hơi ẩm xuyên thấu qua điện
môi, được biểu thị bằng độ thấm ẩm
m.h
Φ=

S.τ.(P1 − P2 )

ψ

ψcb

t (giờ)

[μg/cm.h.mmHg]

Trong đó: m - khối lượng hơi ẩm (μg)
h - bề dày vật liệu cách điện (cm)
S - diện tích mặt phẳng của VL cách điện (cm2)
τ - thời gian đặt VL cách điện vào môi trường (h)
(P1 - P2) - chênh lệch áp suất 2 phía bề mặt của VL cách điện (mmHg)
Đây là tham số quan trong để đánh giá phẩm chất cách điện của vật liệu. Độ thấm
ẩm của các vật liệu khác nhau thì khác nhau:

Parafin: Φ = 0,0007
Polistirol: Φ = 0,03
Xenlulô: Φ = 1
177


÷

Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện mơi
7.1.4 Sự ngưng ẩm trên bề mặt vật liệu
Sự ngưng ẩm trên bề mặt vật liệu được đánh giá bởi góc biên dính nước θ

θ<900

θ>900

- Vật liệu có liên kết ion (vật liệu cực tính) có khả năng dính nước mạnh.
Ở vật liệu này, lực liên kết giữa các phân tử vật liệu với phân tử nước mạnh
hơn lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau. Do đó góc biên dính nước θ
< 900.
- Vật liệu trung tính: lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau mạnh
hơn lực liên kết giữa các phân tử nước với phân tử vật liệu. Do đó khả năng
dính nước kém θ > 900.

178


Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện mơi
7.1.5 Ảnh hưởng của tính ẩm đến phẩm chất điện mơi
- Nước là chất có cực tính mạnh: ε = 80÷82, ρ= 10-5 ÷ 10-6 [1/Ω.cm]. Do đó

khi hơi ẩm xun qua điện môi  làm giảm điện trở cách điện  điện dẫn tăng
 tăng tổn hao tgδ và giảm điện áp chọc thủng Uct  điện mơi chóng bị phá
huỷ.
- Khi hơi ẩm ngưng tụ trên bề mặt, nó kết hợp với bụi bẩn trên bề mặt tạo
ra những dung dịch điện phân  tạo ra các ion (+), ion (-) chuyển động về các
cực  làm tăng dòng điện rò trên bề mặt  làm giảm Upđ bề mặt
Các biện pháp giảm tác hại của độ ẩm:
- Sấy khơ và sấy trong chân khơng để thốt hơi ẩm ra bên ngoài.
- Tẩm các loại vật liệu xốp bằng sơn cách điện.
- Quét, phủ lên bề mặt điện môi lớp sơn hoặc men cách điện nhằm ngăn chặn
sự xâm nhập hơi ẩm vào bên trong.
- Để nâng cao điện áp phóng điện trên bề mặt phải tăng cường chiều dài rò điện
bằng cách đặt thêm các gờ như ở các sứ cách điện…Thường xuyên định kỳ làm
sạch bề mặt cách điện.

179


Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện mơi
7.2 Đặc tính nhiệt của điện mơi
7.2.1 Tính chịu nóng (Độ bền nhiệt)
- Là khả năng chịu đựng của vật liệu cách điện không bị hư hỏng dưới tác động
của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ.
- Đối với điện môi vô cơ: độ bền nhiệt biểu thị bằng nhiệt độ mà từ đó có sự
biến đổi rõ rệt các phẩm chất cách điện: tgδ, Rcách điện…
- Đối với vật liệu hữu cơ: độ bền nhiệt là nhiệt độ gây biến dạng cơ học mà từ
đó làm giảm phẩm chất của điện môi.
Ký hiệu cấp chịu nhiệt Nhiệt độ làm việc lớn
Từ độ bền nhiệt, người ta nhận
nhất cho phép (0C)

thấy rằng mỗi loại vật liệu cách
Y
90
điện đều chịu được 1 nhiệt độ
nhất định, nếu vượt qua trị số
A
105
đó thì tính chất cách điện sẽ bị
E
120
hỏng. Từ tính năng trên, người
B
130
ta qui định nhiệt độ làm việc lớn
F
155
nhất cho phép mà vật liệu có thể
H
180
làm việc lâu dài mà không bị phá
huỷ gồm 7 cấp chịu nhiệt như
C
>180
sau:
180


Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện mơi
7.2.1 Tính chịu nóng (Độ bền nhiệt)

- Cấp Y: Vật liệu sợi gốc xenlulô (sợi, vải, giấy cốttông, gỗ..) chưa tẩm trong VL cách điện lỏng.
- Cấp A: Là VL cách điện cấp Y mà đã được ngâm tẩm trong VL cách điện lỏng.
- Cấp E: Là chất dẻo hoặc là những nhựa Epocxy.
(Cấp Y, A, E thuộc loại cấp cách điện hữu cơ)
- Cấp B: là những sợi amiăng hoặc sợi thuỷ tinh mà có kết hợp các chất liên kết hữu cơ (nhựa
Epocxy, phenol…).
- Cấp F: Các sợi thuỷ tinh kết hợp với các chất liên kết có độ bền chịu nóng cao (silic hữu cơ,
Epocxy poliête chịu nhiệt…).
- Cấp H: Tương tự như cấp F nhưng kết hợp với những chất có độ bền chịu nhiệt đặc biệt cao.
- Cấp C: Gồm các vật liệu vô cơ thuần t, hồn tồn khơng có thành phần kết dính hay tẩm
(mica, thuỷ tinh, sứ cách điện, thạch anh…).

181


Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện mơi
7.2.2 Độ dẫn nhiệt
Được đặc trưng bởi nhiệt dẫn suất

1
γN =
ρN

(Với: ρN - nhiệt trở suất).

So với kim loại thì nhiệt dẫn suất của VL cách điện nhỏ hơn rất nhiều.
7.2.3 Sự giãn nở nhiệt
Được biểu thị bằng hệ số giãn nở dài αL, nó thể hiện chiều dài của vật sẽ tăng lên bao nhiêu
khi nhiệt độ tăng lên là 10C.

1 dL
αL = .
L dt

[1/độ] (Với: L - chiều dài vật liệu)

182


Chương 7. Đặc tính Cơ- Lý -Hóa của điện mơi

7.3 Tính chất cơ học của điện mơi

7.3.1 Độ bền chịu kéo, nén, uốn (σK , σN , σU )
Phụ thuộc vào diện tích tiết diện của vật liệu. Ví dụ: sợi thuỷ tinh: đường kính sợi
giảm  các σ tăng; Khi đường kính giảm xuống cịn 0,01mm thì nó đạt ngang độ bền
của dây đồng.
Các σ còn phụ thuộc vào nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì các σ giảm.
7.3.2 Tính giịn
A
σ
=
Biểu thị bằng độ dài va đập
[kg.cm/cm2]
vd
P
S
D
Với: A - năng lượng để bẻ gãy mẫu vật có tiết diện S (kg.cm)
S - diện tích mẫu vật (cm2)

h
7.3.2 Độ cứng: Biểu thị khả năng của bề mặt vật liệu
chống lại các biến dạng gây bởi lực nén truyền từ vật liệu
có kích thước bé hơn
Với: D - đường kính viên bi thép
P
Tc =
h - độ lún
π.D.h
P - lực nén

7.4 Tính chất hố học của điện mơi

-Bền vững về mặt hố học nghĩa là khơng bị phân huỷ hố học, khơng gây ăn mịn với các
vật liệu tiếp xúc nó, khơng gây phản ứng hoá học với axit, kiềm và muối.
- Chịu được các gia cơng hố học: mài mịn bằng dung dịch hoá học
- Bền vững với những bức xạ năng lượng cao: bức xạ mặt trời, bức xạ của các tia vũ trụ…
183