Bài giảng vật liệu điện nghề điện công nghiệp

Giáo trình Vật liệu điện

Giới thiệu môn học
I. Vị trí và nhiệm vụ môn học:
Môn học Vật liệu kỹ thuật điện là môn hỗ trợ cho các môn học chuyên ngành trong
ngành điện, nhằm giúp cho sinh viên và các cán bộ kỹ thuật trong ngành điện hiểu biết
về vật liệu kỹ thuật điện, trên cơ sở đó lựa chọn và sử dụng thích hợp các vật liệu trong
quá trình chế tạo và sửa chữa thiết bị điện đồng thời còn đề ra đợc các biện pháp sử
dụng và bảo quản tốt các thiết bị điện.
II. Yêu cầu môn học:
Nắm đợc các hiện tợng, bản chất các hiện tợng xảy ra trong vật liệu điện khi sử
dụng chúng vào những mục đích khác nhau.
Biết đợc tính chất của các vật liệu điện để sử dụng chúng 1 cách thích hợp, đáp
ứng đợc yêu cầu kỹ thuật và phù hợp với điều kiện vận hành.
Biết cách bảo quản vật liệu điện, bảo quản các thiết bị điện nhằm tăng tuổi thọ
của chúng.
III. Tính chất môn học:
Môn học Vật liệu kỹ thuật điện giúp cho sinh viên giải thích đợc lý do sử dụng các
loại vật liệu kỹ thuật điện trong các thiết bị điện và đánh giá đợc u nhợc điểm của các
vật liệu tác dụng đó.
IV. Quan hệ với các môn học khác:
Môn học Vật liệu kỹ thuật điện có liên quan trực tiếp với những môn học có nội
dung thiết kế, chế tạo các chi tiết, các bộ phận và các kết cấu thiết bị điện.
V. Các sách tham khảo:
- Vật liệu Kỹ thuật điện NXB KHKT - 1975 - Dịch từ nguyên bản tiếng Nga.
N.P Bôgôrôdixki, V.V Paxncôv, B.M Tarêep.
- Giáo trình Kỹ thuật điện cao áp Khoa ĐHTC -1972.
- Vật liệu Kỹ thuật điện NXB KHKT - 2001 Nguyễn Xuân Phú và Hồ Xuân
Thanh.
- Vật liệu Kỹ thuật điện NXB KHKT - 2004 Nguyễn Đình Thắng.
- Giỏo trỡnh Vt liu in Nguyn ỡnh Thng NXB Giỏo Dc.

VI. Ni dung mụn hc:
Gồm 3 chơng:
- Chơng 1: Vật liệu dẫn điện.
- Chơng 2: Vật liệu cách điện.
- Chơng 3: Vật liệu từ.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

1


Giáo trình Vật liệu điện

Chơng 1: VT LIU DN IN
1.1 Khái niệm chung về vật liệu dẫn điện:
Tất cả các vật thể tuỳ theo tính chất điện của nó có thể nằm trong nhóm điện môi,
dẫn điện hoặc bán dẫn. Sự khác nhau giữa chúng có thể chỉ ra trên đồ thị năng lợng
theo lý thuyết phân vùng năng lợng của vật rắn.
Sơ đồ phân bố mức năng lợng riêng biệt và của vật rắn phi kim loại nh sau:

Vùng các mức
năng lượng tự do

Vùng cấm

3

Vùng đầy điện tử

4

W

1

Nguyên tử

Điện môi

5

1-Mức năng lượng bình thường
của kim loại.
2-Vùng đầy điện tử.
3-Mức năng lượng kích thích

2

4-Vùng tự do.
5-Vùng cấm.

Vật thể

Bán dẫn

Vật dẫn

Do sự phân vùng năng lợng mà tạo nên tính chất điện của vật chất.
+ Chất dẫn điện (Vật dẫn): Là chất có vùng đầy điện tử và vùng các mức năng lợng
tự do nằm kề nhau hoặc chồng lên nhau một phần. Vì vậy chỉ cần một tác động rất

nhỏ điện tử dễ dàng chuyển trạng thái.
Nguồn kích thích có thể là năng lợng của chuyển động nhiệt, năng lợng ánh sáng
(quang năng), năng lợng cơ học (cơ năng), năng lợng của các tia sóng ngắn hay tia
Rơnghen hoặc điện năng.
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

2


Giáo trình Vật liệu điện
Số lợng các điện tử tự do hoặc các lỗ hổng trong một chất tăng lên sẽ làm tăng
độ dẫn điện, tăng cờng độ dòng điện, xuất hiện cờng độ điện trờng.
Vật liệu dẫn điện có thể là vật rắn, lỏng và trong những điều kiện nhất định có
thể là thể khí.
- Kim loại là vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm:
+Vật liệu cú điện dẫn cao: Dùng làm dây dẫn, cáp, dây quấn máy biến áp...
+Vật liệu cú điện trở cao: Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: Biến trở,
đèn sợi đốt, điện trở mẫu...
- Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng: Các kim loại nóng chảy và các dung dịch điện phân.
- Vật liệu dẫn điện ở thể khí: Tất cả khí và hơi, nếu cờng độ điện trờng vợt quá trị số
tới hạn đủ để ion hoá do va chạm thì có thể trở thành vật dẫn.
Phân loi theo tính chất:
- Vật dẫn loại 1: Có điện dẫn bằng điện tử (kim loại rắn và lỏng)
- Vật dẫn loại 2: Có điện dẫn bằng ion (dung dịch điện phân)
- Vật dẫn loại 3: Có điện dẫn bằng điện tử và ion (khí và hơi kim loại khi c ờng độ điện
trờng vợt quá trị số tới hạn).
1.2 Cấu tạo kim loại và hợp kim:
Các nguyên tố kim loại đều là những nguyên tố d và f một số các nguyên tố s và p.
Chiếm 84 nguyên tố trong 107 nguyên tố ở bảng hệ thống tuần hoàn.
Đa số các nguyên tố kim loại có số electron hoá trị là 1,2,3,4 nên nguyên tử dễ nhờng electron để trở thành cation.

Kim loại đợc xem nh 1 hệ thống cấu tạo từ các ion (+) nằm trong môi trờng các
điện tử tự do chung. Lực hút giữa các ion (+) và điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của
kim loại.
Sự tồn tại các điện tử tự do làm cho kim loại có tính óng ánh và tính dẫn điện dẫn
nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại đợc giải thích bằng sự dịch chuyển và trợt lên nhau
giữa các lớp ion nên kim loại dễ cán kéo thành lớp mỏng.
Đa số các kim loại hoá trị đơn đợc kết tinh thành mạng lục giác hoặc lập phơng.

b
a

a
F- Lục giác.

a
a

a

Hình hộp

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

3


Giáo trình Vật liệu điện

1.3. Các tính chất chung của kim loại và hợp kim:
1.3.1Tính dẻo:

Khi tác động một lực đủ lớn lên miếng kim loại hoặc hợp kim, nó bị biến dạng.
Sự biến dạng này là do các cation trong kim loại trợt lên nhau, nhng không rời nhau vì
giữa chúng có lực liên kết tĩnh điện giữa các electron tự do và các cation trong mạng
kim loại hoặc hợp kim.
1.3.2 Tính dẫn điện:
Nối một đoạn dây kim loại hoặc hợp kim với một nguồn điện, các electron đang
chuyển động hn loạn trở nên chuyển động thành dòng trong dây dẫn. Đó là sự dẫn
điện trong kim loại và hợp kim.
Khi nhiệt độ kim loại hay hợp kim càng cao thì tính dẫn điện càng kém.
Những kim loại, hợp kim khác nhau thì tính dẫn điện cũng khác nhau chủ yếu là
do mật độ các electron tự do của chúng không giống nhau.
VD: Tính theo độ dẫn điện của Hg thì Ag là 49; Cu là 46; Au là 35,5; Al là 26;
Trong cùng một điều kiện kim loại nguyên chất dẫn điện tốt hơn hợp kim của chúng.
1.3.3 Tính dẫn nhiệt:
Khi đốt nóng một đầu dây kim loại , những electron tự do ở vùng nóng có động
năng lớn nó chuyển động đến vùng có nhiệt độ thấp và năng lợng cho các ion dơng ở
đây và làm cho vật nóng lên. gọi là sự dẫn nhiệt của kim loại và hợp kim.
1.3.4. nh kim:
Hầu hết kim loại đều có ánh kim, sở dĩ kim loại có ánh kim là vi trong kim loại có
các electron tự do đã phản xạ tốt những tia sáng có bớc sóng mà mắt ta có thể nhìn
thấy.
Các tính chất chung trên của kim loại và hợp kim chủ yếu là do các electron tự do
gây ra.
1.4. Các yếu tố ảnh hởng đến điện dẫn của kim loi:
1.4.1 Điện dẫn suất:
- Cờng độ dòng điện trong vật dẫn: I = n0.S.vtb.e (1)
Trong đó: n0: nồng độ điện tử.
vtb: vận tốc trung bình chuyển động có hớng của điện tử dới tác
dụng điện trờng E.
vtb = u.E.

(u: Độ linh động của điện tử)
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

4


Giáo trình Vật liệu điện
S: tiết diện của vật dẫn.
I = n0.S.u.E.e => J = n0.u.E.e = .E.
= n0.u.e là điện dẫn suất của vật dẫn.
- Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất là điện trở suất của vật dẫn điện.
- Một số kim loại khi chuyển từ trạng thái rắn sang trạng thái lỏng có điện trở suất
tăng lên, nhng cũng có vài kim loại lại giảm điện trở khi nóng chảy (Bitmút, Gali và ăng
ti moan).
Điện trở suất của kim loại nóng chảy sẽ tăng lên nếu thể tích của chúng ở trạng
thái nóng chảy lớn hơn ở thể rắn và ngợc lại. Biến dạng dẻo thờng làm tăng điện trở suất
của kim loại vì nó làm xô lệch mạng tinh thể. Biến dạng nén sẽ làm giảm điện trở suất.
Với hợp kim: tạp chất và sự phá hoại cấu trúc kim loại đều làm tăng điện trở suất.
Nếu vật dẫn có tiết diện không đổi S và độ dài l thì: = R.S/l (.mm2/m)
Với [S] = mm2 và [l] = m. Trong hệ SI: [] = .m
1.m = 106 .mm2/m = 106 à.m
1.4.2 Tính siêu dẫn:
nhiệt độ thấp, điện trở suất của kim loại trở nên rất nhỏ. Theo lý thuyết thì điện
trở suất của kim loại thuần khiết có thể coi bằng 0 ở nhiệt độ không tuyệt đối (O 0K = 2730C), khi đó chúng đạt tới trạng thái siêu dẫn. Nhng ở 1 số kim loại và hợp kim đến
gần nhiệt độ không tuyệt đối điện trở của chúng giảm mạnh và ở nhiệt độ cao hơn độ
không tuyệt đối chúng chuyển sang trạng thái siêu dẫn.
Nhiệt độ chuyển sang trạng thái siêu dẫn
Các nguyên tố
T0K
Các nguyên tố

Chì
7,2
Nhôm
Tantan
4,48
Môlipđen
Thuỷ ngân
4,15
Kẽm
Thiếc (trắng)
3,7
Titan

T0 K
1,2
1
0,88
0,4

1.4.3 Nhiệt dẫn suất ():
Nhiệt dẫn suất có liên quan đến điện dẫn suất của vật dẫn. Vật liệu dẫn điện tốt thì cũng
dẫn nhiệt tốt. Liên quan giữa chúng:


= aT


Với a: hệ số thực nghiệm (2,1.10-8 ữ 2,8.10-8); : điện dẫn suất.
Cơ chế dẫn điện và nhiệt cùng phụ thuộc mật độ và chuyển động của các điện tử.
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

5


Giáo trình Vật liệu điện

1.4.4. Tính chất cơ học của vật dẫn:
Là khả năng chống lại tác dụng của lực bên ngoài lên kim loại. Đặc trng bởi độ
đàn hồi, độ bền, độ dẻo, độ cứng, độ dai va chạm,...
1.5 Nhận dạng các Vật liệu cú điện dẫn cao:
1.5.1 Đồng và hợp kim của đồng:
a. Đồng:
- Có độ dẫn điện và dẫn nhiệt rất cao. Điện trở suất nhỏ (chỉ có bạc có điện trở suất
nhỏ hơn đồng 1 ít)
- Độ bền cơ tơng đối cao, độ dẻo cao, có tính chống ăn mòn của khí quyển tốt (nó
chỉ bị ôxy hoá ở nhiệt độ cao), nhiệt độ nóng chảy 10830C.
- Dễ gia công: Có thể cán thành tấm, thanh, kéo thành sợi nhỏ. Khả năng hàn gắn dễ
dàng.
Đồng đỏ (đồng nguyên chất) rất dẻo, khi gia công cắt gọt độ dẻo cao của đồng làm
khó gẫy phôi. Để cải thiện tính gia công cắt gọt ngời ta sử dụng các nguyên tố hợp kim
thích hợp.
Độ dẫn điện giảm nhanh khi hàm lợng tạp chất trong đồng tăng. Có tạp chất làm
giảm cơ tính làm xấu khả năng gia công, là nguyên nhân gây vỡ phôi khi cán nóng, nứt
giòn khi biến dạng nguội. Có tạp chất tơng tác với đồng làm thành hợp chất hoá học
(Ôxy) làm xấu khả năng gia công biến dạng nguội của đồng và ở nhiệt độ cao sẽ làm
đồng trở nên giòn (4000C). Trong các trờng hợp có liên quan đến hàn thì không cho
phép dùng đồng có lẫn O2.
- Khi kéo nguội sẽ đợc đồng cứng (MT): Thờng dùng ở những nơi cần độ bền cơ
đặc biệt cao, cứng và chống mài mòn, làm phiến góp máy điện, ở chỗ tiếp xúc làm
thanh dẫn thiết bị phân phối.

Đồng cứng có giới hạn bền cao, độ giãn dài nhỏ khi kéo, có độ cứng và độ đàn hồi
khi uốn.
- Đồng mềm (Đồng ủ - MM): Nung nóng đến vài trăm độ sau đó làm nguội. Đồng
mềm tiết diện tròn và hình chữ nhật chủ yếu làm lõi cáp và các cuộn dây là nơi không
cần giới hạn bền kéo lớn.
Đồng mềm tơng đối dẻo, độ cứng nhỏ, độ bền không lớn nhng độ giãn dài rất lớn
và điện dẫn suất cao.
Nhợc điểm của đồng: Điện dẫn suất rất nhạy với tạp chất ở trong đồng, với gia
công cơ khí và sự xử lý nhiệt.
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

6


Giáo trình Vật liệu điện
VD: 0,5% tạp chất là Zn, Cd, Ag thì điện dẫn suất giảm 5% nhng nếu tạp chất là
Ni,Sn, Al thì sẽ giảm 25 ữ 40%.
Sự dát mỏng hay sự kéo nguội sẽ làm giảm điện dẫn của đồng. Khi dây dẫn có đờng kính nhỏ hơn 1mm, thì điện dẫn sẽ giảm đồng thời với sự giảm của đờng kính.
Thông thờng đồng có 2 loại ôxit tạo thành những lớp xếp chồng lên nhau: CuO có
màu hơi đen ở bên ngoài và nó là 1 lớp ngăn cách điện; Cu2O có màu đỏ son ở ngay trên
mặt đồng và là chất bán dẫn điện. ôxy sẽ xâm thực vào đồng ở nhiệt độ 700C song lớp
ngoài của đồng sẽ làm chậm sự xâm thực. Sự ôxy hoá của đồng chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất
cao.
b. Hợp kim của đồng:
* Theo tính chất và công dụng, hợp kim đồng đợc phân thành các nhóm:
- Hợp kim đúc và hợp kim biến dạng.
Đồng đúc ít đợc sử dụng vì nó có bọt khí xuất hiện khi đúc và lỗ chỗ.
- Nhóm có thể hoá bền bằng nhiệt luyện và nhóm không có đặc điểm này.
* Theo thành phần hoá học: có 2 nhóm chính:
- Đồng thau (Latông): Là hợp kim đồng kẽm trong đó kẽm 46%. Nó có độ giãn

dài tơng đối khá cao, độ bền kéo và điện trở suất cao hơn đồng tinh khiết. Đợc dùng để
sản xuất mọi chi tiết dẫn điện. Có thể phân thành: đồng thau dùng để đúc, dùng để cán
mỏng, dùng để hàn gắn.
Một số nguyên tố hợp kim thông dụng: Pb, Zn, Al, Mn...
+ Pb (chì với hàm lợng nhỏ 0,4 ữ3%): Cải thiện tính cắt gọt nhờ dễ làm gãy phôi
và giảm ma sát.
+ Al: Nếu Al có tỷ lệ 2% sẽ làm tăng sức bền cơ khí và độ cứng đồng thời sức bền
hoá học, tạo vật liệu đồng nhất.
+ Mn: làm tăng cơ tính và tăng khả năng chống ăn mòn.
+ Thiếc: làm tăng sức bền cơ và tạo sự vững bền đối với sự ăn mòn nhất là nớc
biển.
- Đồng thanh (Brông): Là hợp kim của đồng với 1 lợng nhỏ thiếc, Si, P, Mg, Cr ...
Nó có độ bền cơ và điện trở suất lớn hơn đồng tinh khiết, đợc dùng để chế tạo lò xo dẫn
điện, vòng cổ góp điện, dây dẫn...
Cho cađimi vào sẽ làm giảm điện dẫn suất nhng độ bền cơ và độ cứng tăng nhiều.
Sự có mặt của ôxy làm tăng tính dễ gẫy:
Đồng thanh dùng làm dây dẫn cần chịu đợc sức bền khi ăn mòn.
Với những kết cấu máy điện phải chịu quá tải điện và sực bền cơ lớn, ta dùng đồng
thanh với tỷ lệ 0,3 - 0,1% Cr và 0,1% Ag.
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

7


Giáo trình Vật liệu điện

1.5.2 Nhôm và hợp kim của nhôm:
a. Nhôm:
Là kim loại nhẹ hơn đồng 3,5 lần, có màu bạc trắng. Hệ số nhiệt độ giãn nở dài
của nhôm lớn hơn đồng. Nhng nhôm kém đồng cả về độ bền cơ cũng nh các đặc tính

điện. Khó khăn trong việc thực hiện tiếp xúc điện. Các tạp chất cũng làm giảm điện dẫn
của nhôm.
- Nếu so sánh giữa nhôm và đồng cùng tiết diện, cùng chiều dài thì điện trở dây
nhôm lớn hơn dây đồng 1,68 lần. Nếu cùng chiều dài và cùng điện trở thì tiết diện dây
nhôm lớn hơn đồng 1,68 lần. Nếu có các đặc tính điện giống nhau, truyền dòng điện có
cờng độ nh nhau thì dây nhôm chỉ nhẹ bằng 1/2 dây đồng và bị nung nóng ít hơn.
- Nhôm bị ôxy hoá mạnh tạo nên màng ôxy hoá mỏng có điện trở lớn. Lớp màng
này bảo vệ nhôm khỏi bị ăn mòn nhng tạo nên điện trở lớn ở chỗ tiếp xúc các dây nhôm
và không thể hàn nhôm bằng phơng pháp thông thờng. Tuy nhiên lớp ôxit tự nhiên này
rất mỏng nên khả năng chống ăn mòn kém. Ngời ta tạo ra lớp màng ôxit dày hàng chục
micrômet(m) có khả năng bảo vệ cao nhờ kỹ thuật Anôt hoá.
- chỗ tiếp xúc giữa nhôm và đồng xảy ra ăn mòn điện hoá. Kết quả là dây nhôm
có thể bị phá huỷ vì bị ăn mòn nhanh.
Nhôm bị tác dụng mạnh bởi Cl trong không khí tạo nên những lỗ nhỏ xung quanh
lớp bọc và làm hỏng bề mặt dây dẫn điện. Nớc biển có ảnh hởng xấu đến nhôm cũng
nh dung dịch xút giặt quần áo.
b. Hợp kim của nhôm:
Theo tính công nghệ hợp kim nhôm phân thành: hợp kim biến dạng (chế tạo bán
thành phẩm bằng gia công áp lực) và hợp kim đúc (đúc chi tiết).
Hợp kim nhôm biến dạng dùng để chế tạo các bán thành phẩm hoặc chi tiết bằng
gia công áp lực nóng hoặc nguội.
Hợp kim nhôm đúc dùng để đúc các chi tiết có hình dạng và công dụng khác nhau.
Xử lý nhiệt và nhiệt độ có ảnh hởng đến tính chất cơ của nhôm. Mức độ ảnh hởng
phụ thuộc vào độ tinh khiết của kim loại, thời gian và nhiệt độ nung nóng.
các đờng dây dẫn điện trên không khí khoảng cách giữa các cột lớn ngời ta dùng
hợp kim nhôm có độ bền cơ cao hơn nhôm tinh khiết. Phổ biến là dây nhôm lõi thép.
Trong ruột là lõi thép xoắn lại, bên ngoài là nhôm. Loại dây này có độ bền cơ do
lõi thép quyết định, còn tính dẫn điện do nhôm.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

8


Giáo trình Vật liệu điện
Hợp kim dùng phổ biến để chế tạo dây dẫn là hợp kim của nhôm với Mg (0,3 0,5%); silic (0,4 - 0,7%) và sắt (0,2 - 0,3%). Dây dẫn loại này có độ bền gấp 2 lần dây
nhôm thông thờng.
Nhôm đúc dùng trong rôto lồng sóc đòi hỏi hợp kim với mangan vì chúng có điện
trở tăng và ổn định đến nhiệt độ quá 200 0C tức là đảm bảo độ ổn định của điện trở rôto
trong quá trình làm việc (điện trở suất khoảng 0,03 mm2/m).
Nối cáp nhôm có thể dùng phơng pháp đúc: 2 đầu cáp đợc đa vào 1 khuôn tháo lắp
đợc. Sau đó rót nhôm nóng chảy với nhiệt độ 850 - 9000C. khi nguội thì tháo khuôn ra.
1.5.3 Sắt:
- Thép (sắt công nghệp) là kim loại rẻ tiền, dễ kiếm nhất.
Nó có độ bền cơ cao nhng điện trở suất lớn. Dòng xoay chiều trong thép gây nên
hiệu ứng bề mặt đáng kể. Vì vậy điện trở của dây thép đối với dòng xoay chiều cao hơn
đối với dòng 1 chiều. Ngoài ra dòng xoay chiều còn gây ra tổn thất từ trễ.
Để làm dây dẫn thờng dùng thép mềm có 0,1 - 0,15% cácbon có điện dẫn suất
nhỏ hơn đồng 6 - 7 lần. Chỉ dùng làm đờng dây trên không, tải công suất nhỏ.
- Thép làm vật liệu dẫn điện dới dạng thanh dẫn, đờng ray tàu điện, dây chống sét
và trang thiết bị nối đất... Khi dùng làm dây dẫn hay thanh góp ở dòng 1 chiều cần phải
có thật ít tạp chất vì tạp chất sẽ làm giảm điện dẫn. Đối với dòng xoay chiều tỷ lệ
cácbon phải tăng hơn (0,1 - 0,15%) để giảm tổn thất.
Chỉ dùng dây dẫn sắt trong trờng hợp năng lợng điện có giá thành hạ (năng lợng
cấp từ nhà máy thuỷ điện) hay trong những lới điện có công suất rất bé (lới điện nông
thôn không quan trọng) vì tổn thất năng lợng nhiều.
Cũng có thể dùng để chế tạo các điện trở phát nóng với nhiệt độ đến 300 - 500 0C
hay làm biến trở khởi động và điều chỉnh... Sắt tinh khiết (chế tạo bằng điện phân) đợc
sử dụng để chế tạo các điện cực anôt (điện cực dơng) ở các chỉnh lu với bể thuỷ ngân.
Khả năng chống ăn mòn của thép yếu: ở nhiệt độ bình thờng và nhất là khi độ ẩm

cao nó bị gỉ nhanh. Khi nhiệt độ cao tốc độ ăn mòn nhanh vì vậy bề mặt dây thép thờng
đợc mạ 1 lớp bảo vệ (Zn).
1.5.4 Các hợp kim cú điện trở cao:
a. Manganin:
Là hợp kim gốc đồng (với 12%Mn, 2%Ni) dùng phổ biến trong các dụng cụ đo điện
và điện trở mẫu (nhiệt độ làm việc 600C với điện trở và khoảng 3000C với biến trở).
Nó là hợp kim có sắc vàng, đợc kéo thành sợi mảnh đờng kính 0,02 mm và sản
xuất thành tấm mỏng 0,01 ữ 1mm rộng 10 ữ 300 mm. Manganin cần chế độ nhiệt luyện
đặc biệt (ủ ở nhiệt độ 350 - 5500C trong chân không, sau đó làm nguội)
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

9


Giáo trình Vật liệu điện
b. Conxtantan:
Là hợp kim 60% đồng - 40% niken, dùng để sản xuất dây biến trở và dụng cụ đốt
nóng bằng điện có nhiệt độ làm việc không quá 4000C.
Có thể kéo thành sợi và cán thành tấm nh Manganin. Khi đốt nóng đến nhiệt độ tơng đối cao trên bề mặt sẽ tạo màng ôxít có tính cách điện.
c. Hợp kim Crôm - Niken:
Dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện: thiết bị nung, lò điện, mỏ hàn... Chịu
đợc nhiệt độ cao, khả năng chống ôxy hoá tốt.
d. Hợp kim Crôm - nhôm:
Là hợp kim rẻ tiền dùng trong các thiết bị nóng bằng điện công suất lớn và lò điện
công nghiệp. Hợp kim này cứng và giòn, khó kéo thành sợi và thành băng dài.
1.5.5 Than kỹ thuật điện:
Dùng làm chổi than của máy điện, các điện cực đèn chiếu, điện cực các lò điện và
các bể điện phân. Từ than có thể làm các điện trở có trị số cao, cái phóng điện cho mạng
thông tin và dùng cả than trong kỹ thuật chân không.
Đặc tính điện cực than

Loại điện
Khối lợng Hàm lợng Giới hạn
cực
riêng g/cm3
tro,%
bền nén,
kg/cm2
Than
1,5
5-12
230 - 410
Graphit hoá
2
0,03- 0,3
20 - 50

Giới hạn
bền kéo,
kg/cm2
70 - 110
60 - 70

Điện trở
suất,
mm2/m
50
15

Nguyên liệu sản xuất than kỹ thuật điện có thể dùng bồ hóng, than chì hay than
gầy tự nhiên. Các thanh điện cực đợc chế tạo bằng cách nghiền nguyên liệu với chất

dính kết - nhựa than đá hay đôi khi là thuỷ tinh lỏng - ép qua miệng phun. Có thể chế
tạo hình dạng phức tạp bằng khuôn ép. Phôi than đi qua quá trình nung và chế độ nung
sẽ quyết định dạng của cácbon trong sản phẩm. ở nhiệt độ cao cacbon chuyển sang
dạng Graphit, do đó quá trình này gọi là graphit hoá.
Chổi than của các máy điện đợc nung ở 8000C. Chổi điện Graphit hoá nung đến
22000C. Các điện cực than làm việc ở nhiệt độ cao đợc nung ở nhiệt độ rất cao, đến
30000C.
1.5.6 Một số kim loại khác:
a. Vonfram:
Là kim loại rắn rất nặng, màu xám. Nó có nhiệt độ nóng chảy cao nhất trong các
kim loại, bị ôxy hoá ở nhiệt độ 700 0C. Sợi Vonfram mảnh có tính dẻo, càng giảm chiều
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

10


Giáo trình Vật liệu điện
dày của nó giới hạn bền kéo càng tăng. Nó có thể làm việc ở nhiệt độ cao trong chân
không. ở điều kiện khí quyển tạo thành màng ôxit.
Dùng làm tiếp điểm. Khi đó nó có u điểm: ổn định lúc làm việc, độ mài mòn nhỏ,
có khả năng chống tác dụng của hồ quang, không bị dính tiếp điểm. Nhợc điểm: Khó
gia công, cần áp lực tiếp xúc lớn để trị số điện trở tiếp xúc nhỏ.
Cũng có thể dùng chế tạo điện trở cho các lò điện khi cần thu đợc nhiệt độ cao
(16000C). Khi đó ta quấn 1 số vòng dây bằng Vonfram quanh 1 ống chịu nhiệt đợc nung
nóng bằng điện.
b. Môlipđen:
Đợc dùng làm tiếp điểm, các lới của bóng đèn điện tử, phần tử đốt nóng trong
chân không, trong những lò điện trở có nhiệt độ đến 16000C.
Là kim loại có bề ngoài và công nghệ chế tạo gần giống Vonfram. Nó làm việc
trong chân không ở nhiệt độ thấp hơn Vonfram.

c. Vàng:
Có màu vàng sáng chói, có tính dẻo cao, đợc dùng nh vật liệu tiếp xúc để làm lớp
mạ chống ăn mòn, làm điện cực của tế bào quang điện... Có thể dùng hợp kim (Au +
20% Cr) làm dây dẫn ở các điện trở trong điện kế vì chúng có hệ số biến đổi của điện
trở suất theo nhiệt độ bé.
d. Bch kim (Platin):
Là kim loại không kết hợp với O2 và rất bền vững với các thuốc thử hoá học. Nó
dễ gia công cơ khí, kéo thành sợi mảnh và tấm mỏng.
Dùng để sản xuất cặp nhiệt ở nhiệt độ làm việc đến 1600 0C. Do độ cứng thấp nó
ít dùng làm tiếp điểm nhng hợp kim của nó lại đợc dùng làm tiếp điểm (Platin- Inđi).
Cũng dùng làm điện cực trong các quy trình điện phân hay mạ platin các chi tiết. Nhợc
điểm là đắt tiền nên chỉ dùng trong những việc quan trọng.
e. Thuỷ ngân:
Là kim loại duy nhất có trạng thái lỏng ở nhiệt độ bình thờng. Nó đợc dùng trong
các dụng cụ phóng điện chứa khí vì hơi thuỷ ngân có điện thế ion hoá thấp. Nó có tính
bền hoá học tốt, chỉ bị ôxy hoá ở nhiệt độ gần nhiệt độ sôi.
Nó cũng dùng làm tiếp điểm trong các rơle, chế tạo đèn chỉnh lu thuỷ ngân, làm
điện cực thuỷ ngân khi đo tính chất điện của các điện môi rắn...
1.5.7 Chất hàn:

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

11


Giáo trình Vật liệu điện
Là hợp kim đặc biệt dùng khi hàn. Nó đợc chọn theo kim loại đợc hàn, theo yêu
cầu độ bền cơ, độ chống ăn mòn. Khi hàn các bộ phận dẫn điện phải chú ý đến điện dẫn
của chất hàn (chất hàn cứng: Đồng - kẽm, mềm là chì - thiếc).
- Chất hàn mềm nhiệt độ nóng chảy đến 4000C;

- Chất hàn cứng nhiệt độ nóng chảy đến 5000C;
1.5.8 Chất giúp chảy:
Là vật liệu để giúp mối hàn đợc đảm bảo.
Chúng cần phải:
+ Hoà tan, khử ôxit và chất bẩn ở bề mặt kim loại đợc hàn.
+ Bảo vệ bề mặt kim loại trong quá trình hàn, cũng nh chất hàn nóng chảy khỏi
bị ôxy hoá.
+ Giảm lực căng mặt ngoài chất hàn nóng chảy.
+ Cải thiện tính chảy và dính của chất hàn với bề mặt đợc nối.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

12


Giáo trình Vật liệu điện
Chơng 2: VT LIU CCH IN
2.1 Khái niệm chung về vật liệu cách điện:
2.1.1 Tầm quan trọng của vật liệu cách điện.
Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng đối với kỹ thuật điện. Chúng đ ợc
dùng để tạo ra cách điện bao quanh những bộ phận dẫn điện trong các thiết bị điện và
tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau. Nó chỉ cho dòng điện đi theo những con đờng mà sơ đồ quy định. Vật liệu cách điện còn đợc dùng làm điện môi công tác trong
các tụ điện.
Nếu không có vật liệu cách điện thì sẽ không thể chế tạo đợc bất kỳ 1 loại thiết bị
nào.
Tuỳ thuộc vào các trờng hợp sử dụng vật liệu điện phải đáp ứng đợc nhiều yêu cầu
khác nhau. Ngoài những tính chất về điện thì những tính chất cơ, nhiệt, lý hoá khác
cũng nh khả năng gia công vật liệu để chế tạo thành những sản phẩm cần thiết cũng giữ
vai trò to lớn. Vì vậy trong những điều kiện khác nhau phải chọn những vật liệu khác
nhau.

2.1.2 Phân loại:
a. Phân theo trạng thái:
Vật liệu cách điện đợc phân loại theo các dạng: Khí, lỏng, rắn. Ngoài ra còn có
vật liệu hoá rắn. Trớc khi đa vào sản xuất chất cách điện chúng là chất lỏng, sau khi chế
tạo xong chúng là chất rắn (sơn và các chất hỗn hợp)
b. Phân theo bản chất hoá học:
Vật liệu cách điện vô cơ và hữu cơ.
- Chất hữu cơ: Những hợp chất chứa các bon, H2, O2, N2...
Cách điện hữu cơ có tính cơ học đáng quý là tính dẻo, đàn hồi, tuy nhiên
chúng có độ bền nhiệt thấp.
Cách điện hữu cơ đợc ứng dụng rộng rãi vì có thể tạo đợc thành dạng sợi,
màng mỏng và các sản phẩm có hình dạng khác nhau.
- Chất vô cơ: Có thể có Si, Al, các kim loại...
Cách điện vô cơ thờng giòn, không có tính dẻo và đàn hồi. Chế tạo phức tạp
nhng có độ bền nhiệt cao.
Tuy công nghệ chế tạo phức tạp nhng chúng đợc dùng trong những chất cách
điện phải làm việc ở nhiệt độ cao.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

13


Giáo trình Vật liệu điện
Ngoài ra còn có những vật liệu có tính trung gian giữa vô cơ và hữu cơ: đó là
những vật liệu hữu cơ nhng trong phân tử của chúng có chứa cả những nguyên tố đặc trng cho vật liệu vô cơ: Si, Al, P...
c. Phân theo khả năng chịu nhiệt:
Vật liệu đợc phân thành các cấp Y, A, E, B, F, H, C. Việc phân cấp theo nhiệt độ
làm việc lớn nhất cho phép có ý nghĩa thực tiễn quan trọng.
2.2 Tính chất chung của vật liệu cách điện.

2.2.1. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện:
Khi lựa chọn vật liệu cách điện với 1 mục đích cụ thể cần phải chú ý tới tính chất
điện của nó trong những điều kiện bình thờng và cả độ ổn định của các tính chất ấy khi
có tác động của độ ẩm, nhiệt độ và các tia phóng xạ. Tuổi thọ của cách điện trong điều
kiện nhiệt đới phụ thuộc vào khả năng của các vật liệu đợc bảo vệ về hoá học chống sự
tạo thành nấm mốc, côn trùng...
a. Độ ẩm của không khí:
- Không khí luôn chứa 1 lợng hơi nớc nhất định
- Độ ẩm tuyệt đối của không khí: Đợc đánh giá bằng khối lợng (m) của hơi nớc
chứa trong 1 đơn vị thể tích không khí (m3).
m
100%
- Độ ẩm tơng đối của không khí: kk % =
m max
Điều kiện bình thờng của không khí đợc lấy bằng độ ẩm (60 ữ 70)% ở nhiệt độ (20
5) C.
- Tác động của độ ẩm làm giảm tính chất điện của điện môi.
Đặc biệt ở nhiệt độ (30 ữ 400C) và khi kk có trị số cao 98 ữ 100% làm cho điều
kiện vận hành của các máy điện và thiết bị điện trở nên nặng nề.
Độ ẩm cao của không khí làm ảnh hởng đến điện trở bề mặt của điện môi
Để bảo vệ chống tác động của độ ẩm cho điện môi rắn, ngời ta phủ lên 1 loại dầu
không dính nớc.
0

b. Độ ẩm của vật liệu:
Các vật liệu cách điện với mức độ nhiều hay ít đều hút ẩm tức là có khả năng hút
vào trong nó hơi ẩm từ môi trờng xung quanh và thấm ẩm tức là có khả năng cho hơi nớc xuyên qua.
Việc xác định độ ẩm của vật liệu cách điện rất quan trọng để chọn những điều kiện
thử nghiệm các tính chất điện của vật liệu.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

14


Giáo trình Vật liệu điện
Đối với vật liệu hút ẩm mạnh thì việc xác định độ ẩm rất quan trọng để tính toán
chính xác số lợng vật liệu.
Cấu tạo và bản chất hoá học có ảnh hởng quyết định đến tính hút ẩm của vật liệu:
Các vật liệu xốp nhiều, đặc biệt là các vật liệu sợi, hút ẩm mạnh hơn vật liệu cấu tạo
đặc..
c. Tính thấm ẩm:
Là khả năng cho hơi nớc đi qua của vật liệu cách điện. Đặc điểm này rất quan
trọng khi đánh giá chất lợng của các vật liệu dùng để sơn phủ bảo vệ.
Riêng có thuỷ tinh, gốm đã nung kỹ và kim loại là có độ thấm ẩm thực tế = 0.
d. Cải thiện sự thấm ẩm và hút ẩm:
Để làm giảm độ thấm ẩm và hút ẩm của vật liệu cách điện xốp ngời ta dùng biện
pháp tẩm sy.
2.2.2. Tính chất cơ học của điện môi:
Các chi tiết bằng vật liệu cách điện luôn luôn chịu tác động của phụ tải cơ học nên
độ bền cơ của vật liệu và khả năng không bị biến dạng bởi các lực cơ học có ý nghĩa
thực tế lớn.
a. Độ bền đứt, nén, uốn:
Một số vật liệu (chất nhiệt dẻo) đợc đặc trng bởi khả năng biến dạng khi tác
động lâu dài phụ tải cơ (hiện tợng chảy dẻo hay chảy nguội).
Sự chảy dẻo rất tai hại nếu vận hành yêu cầu phải duy trì lâu dài hình dáng và
kích thớc của vật.
Độ bền cơ của vật liệu cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ và thờng giảm khi nhiệt
độ tăng. Độ bền của vật liệu hút ẩm phụ thuộc đáng kể vào độ ẩm.
Khi nhiệt độ tăng lên và gần đến nhiệt độ làm mềm thì sự chảy dẻo của vật liệu

tăng lên mãnh liệt.
b. Tính giòn:
Nhiều vật liệu giòn tức là trong khi có độ bền tơng đối cao đối với phụ tải tĩnh thì
lại bị phá huỷ bởi các lực động (bất ngờ đặt vào).
Phơng pháp đánh giá khả năng của vật liệu chống lại tác động của phụ tải động là thí
nghiệm uốn va đập.
c. Độ cứng:
Là khả năng lớp bề mặt vật liệu chống lại biến dạng do lực nén truyền từ vật có
kích thớc nhỏ vào.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

15


Giáo trình Vật liệu điện
d. Độ nhớt:
Là đặc tính quan trọng của vật liệu cách điện lỏng và nửa lỏng.
Độ nhớt động lực học hay còn gọi là hệ số ma sát bên trong của chất lỏng.

Độ nhớt động học: = . ( là mật độ của chất lỏng)

Tất cả các chất không bị biến đổi hoá học khi nung nóng có độ nhớt giảm nhiều
khi nhiệt độ tăng.
2.2.3. Tính chất nhiệt của điện môi:
a. Tính chịu nóng:
Độ bền chịu nóng là khả năng của vật liệu và các chi tiết chịu đựng không bị h
hại trong 1 thời gian ngắn cũng nh lâu dài tác động của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột
ngột của nhiệt độ.
Nhiệt độ chớp nháy: Là nhiệt độ của chất lỏng mà khi nung nóng chất lỏng đến

nhiệt độ đó hỗn hợp hơi của nó với không khí sẽ bốc cháy khi đa lửa vào gần.
Nhiệt độ cháy: Là nhiệt độ cao hơn mà khi đa ngọn lửa lại gần bản thân chất
lỏng thử nghiệm bắt đầu cháy.
Điều này cần chú ý khi đánh giá chất lợng của dầu MBA và các dung môi để sản
xuất sơn cách điện.
Khả năng nâng cao nhiệt độ làm việc của chất cách điện rất quan trọng trong thực
tế. Trong máy điện và thiết bị điện, việc nâng cao nhiệt độ cho phép nhận đợc công suất
cao hơn khi kích thớc không đổi, hoặc nếu giữ nguyên công suất thì có thể giảm kích
thớc, trọng lợng và giá thành của thiết bị.
Ngoài ra còn liên quan đến các biện pháp phòng cháy và phòng nổ.
Phân loại vật liệu cách điện theo độ bền chịu nóng đối với máy điện, máy biến áp và
thiết bị (nhiệt độ làm việc lớn nhất cho phép).
Loại cách điện
Nhiệt độ (C 0)

Y
90

A
105

E
120

B
130

F
155

H
180

C
>180

Cấp Y: bao gổm các vật liệu sợi gốc xenlulô và tơ(vải, sợi, giấy, gỗ...)cha dợc ngâm
tẩm trong vật liệu cách điện lỏng.
Cấp A: Là các vật liệu cấp Y đã đợc ngâm tẩm (giấy tẩm, vải tẩm, nhựa pôlyamit...).
Cấp E: Các loại Y, A, E gồm chủ yếu là vật liệu thuần tuý hữu cơ: 1 số vật liệu cách
điện hữu cơ (cao su, polystyrol...) có độ bền chịu nóng còn thấp hơn loại Y không đợc
đa vào phân loại.
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

16


Giáo trình Vật liệu điện
VD: Với loại Y gồm các vật liệu gốc xenlulô và tơ nếu chúng không đợc ngâm
tẩm; nhng nếu chúng đợc ngâm tẩm chúng sẽ thuộc loại A.
Các loại có độ bền chịu nóng cao hơn chứa thành phần vô cơ nhiều hơn:
VD loại C gồm các vật liệu vô cơ thuần tuý, không có thành phần kết dính hoặc
tẩm: ôxy nhôm, mi ca...
b. Tính chịu băng giá: (độ bền chịu lạnh)
Là khả năng chất cách điện làm việc không bị giảm độ tin cậy vận hành ở nhiệt độ
thấp (-60 ữ -70oC)
Thờng ở nhiệt độ thấp tính chất điện của vật liệu cách điện tốt hơn nhng cũng có
nhiều vật liệu dẻo và đàn hồi sẽ trở nên giòn và cứng ở nhiệt độ thấp, gây khó khăn cho
sự làm việc của chất cách điện.
c. Độ dẫn nhiệt:

Đặc trng bởi nhiệt dẫn xuất N và có ý nghĩa quan trọng vì nhiệt toả ra do tổn thất
công suất trong chất cách điện đợc truyền ra môi trờng xung quanh qua nhiều lớp vật
liệu khác nhau. Độ dẫn nhiệt ảnh hởng đến độ bền điện khi xuyên thủng nhiệt và ảnh hởng đến độ bền của vật liệu với xung nhiệt.
d. Sự giãn nở nhiệt của điện môi:
1 dl
[độ-1]
l dt
Những vật liệu có hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ nhỏ thờng có độ bền chịu nóng
cao và ngợc lại.
Điện môi hữu cơ có l rất cao so với điện môi vô cơ. vì vậy các chi tiết chế tạo từ
điện môi vô cơ có kích thớc ổn định cao khi nhiệt độ thay đổi.
Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ:

l =

2.2.4 Tính chất hoá học của điện môi:
Đây là tính chất rất đáng chú ý vì độ tin cậy của vật liệu phải đợc đảm bảo khi làm
việc lâu dài.
Không bị phân huỷ để giải thoát ra những sản phẩm phụ và không ăn mòn các
kim loại tiếp xúc với nó. Không phản ứng với các chất khác.
Khi sản xuất các chi tiết có thể gia công vật liệu bằng các phơng pháp hoá công
khác nhau: dính đợc, hoà tan đợc trong dung dịch thành sơn ...
Độ hoà tan của vật liệu rắn đánh giá bằng khối lợng vật liệu chuyển sang dung
dịch trong 1 đơn vị thời gian từ 1 đơn vị diện tích tiếp xúc giữa vật liệu với dung môi.
Ngoài ra có thể đánh giá theo nồng độ của dung dịch bão hoà.
Khi tăng nhiệt độ thì độ hoà tan thờng tăng lên.
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

17

Giáo trình Vật liệu điện
2.3 Các yếu tố ảnh hởng đến độ cách điện:
2.3.1 Khái niệm về sự đánh thủng điện môi:
Mỗi điện môi nằm trong điện trờng sẽ mất thuộc tính cách điện nếu cờng độ điện
trờng vợt quá trị số giới hạn cho phép gọi là hiện tợng đánh thủng điện môi hay còn gọi
là hiện tợng phá huỷ độ bền điện của nó.
Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi đợc gọi là điện áp đánh thủng
và trị số tơng ứng của cờng độ điện trờng gọi là cờng độ điện trờng đánh thủng hoặc cờng độ cách điện của điện môi.
U
E dt = dt
h
Với: Uđt là điện áp đánh thủng (KV)
Eđt là cờng độ đánh thủng (KV/cm, KV/mm, V/m)
h là chiều dày điện môi (cm, mm)
Đánh thủng làm cho cách điện bị xuyên thủng. Vật liệu cách điện thể khí hoặc thể
lỏng chỉ bị xuyên thủng trong giây lát, còn cách điện thể rắn bị phá huỷ vĩnh viễn,
không sử dụng lại đợc.
2.3.2 Những yếu tố ảnh hởng đến độ bền cách điện.
a. Điện môi khí
Thực tế sự đánh thủng chất khí thờng xảy ra tức thời. Khoảng thời gian chuẩn bị
đánh thủng khí khi độ dài khoảng khí bằng 1 cm là 10-7 ữ 10-8s.
- Phụ thuộc vào hình dạng điện cực và khoảng cách giữa chúng.
- Phụ thuộc vào điện áp đặt vào khoảng khí.
Điện áp đặt vào khoảng khí càng lớn sự đánh thủng càng phát triển nhanh.
- Phụ thuộc vào thời gian tác động.
Nếu khoảng thời gian tác động của điện áp càng nhỏ thì điện áp đánh thủng sẽ
phải tăng lên.
- Phụ thuộc vào độ ẩm không khí.
Trong trờng không đồng nhất thì độ ẩm của không khí có ảnh hởng đáng kể.

- Phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trờng
Hiện tợng đánh thủng khí phụ thuộc vào mức độ đồng nhất của điện trờng trong
đó xảy ra sự đánh thủng.
- Phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất của khí.
Độ bền điện của chất khí phụ thuộc vào mật độ phân tử của nó tức là phụ thuộc
vào áp suất nếu nhiệt độ không đổi. Khi áp suất cao khí sẽ có mật độ cao, khoảng cách

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

18


Giáo trình Vật liệu điện
giữa các phân tử nhỏ, do đó độ dài đoạn đờng chuyển động tự do của điện tử giảm
xuống, vì vậy muốn xảy ra hiện tợng đánh thủng cờng độ điện trờng phải lớn hơn.
Trong kỹ thuật thờng ứng dụng để chế tạo các dụng cụ điện chân không sử dụng ở
điện áp lớn và tần số cao.
Nếu nhiệt độ khoảng khí không đổi thì cờng độ đánh thủng của chất khí phụ thuộc
vào áp suất: áp suất tăng, độ bền điện của khí tăng do quãng đờng dịch chuyển tự do
của điện tích nhỏ nên để xảy ra sự phóng điện thì cờng độ điện trờng phải lớn lên. Ngợc
lại, khi độ bền của chân không lớn do điện tích di chuyển không gặp sự va chạm nào thì
sự ion hoá gần nh không xảy ra.
Thực nghiệm chứng tỏ rằng điện áp đánh thủng của chất khí phụ thuộc vào tích số
áp suất chất khí và khoảng cách giữa các điện cực.
Vậy có thể tăng áp suất khí để nâng cao điện áp phóng điện (mức cách điện).
- Sử dụng màn chắn:
Màn chắn làm bằng vật liệu cách điện mà độ bền điện của nó không quan trọng
lắm, nó đặt trong khoảng giữa mũi nhọn và mặt phẳng. tác dụng của màn chắn có hiệu
quả nâng cao điện áp đánh thủng.
b. Điện môi rắn:

Khi điện áp tăng đến 1 trị số nào đó, thì xuất hiện tia lửa điện trên bề mặt tấm
cách điện. Điện áp càng tăng thì tia lửa điện càng dài và cuối cùng hồ quang điện phóng
trên bề mặt của tấm cách điện từ cực này đến cực kia. Hiện tợng này là phóng điện bề
mặt.
Các yếu tố ảnh hởng đến phóng điện bề mặt:
- Tình trạng bề mặt của điện môi rắn.
- Nhiệt độ, áp suất khí
- Độ ẩm môi trờng
- Thời gian tác động của điện áp .
Biện pháp để nâng cao trị số điện áp phóng điện:
- Làm sạch và nhẵn bề mặt.
- Tăng chiều dài phóng điện bề mặt và chiều dài rò điện
Phóng điện ở điện áp xung:
Thực tế cách điện còn có thể phải chịu tác dụng của loại điện áp xung nh quá điện
áp khí quyển gây bởi các phóng điện sét lên đờng dây trên không hoặc khi sét đánh gần
khu vực đờng dây. Phóng điện xung có thể tác động trực tiếp đến cách điện của thiết bị
hoặc có thể lan truyền trên đờng dây đến cách điện của trạm.
Để thử điện áp phóng điện xung kích cho cách điện thì ta dùng 1 thiết bị phát điện
áp xung dạng sóng.
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

19


Giáo trình Vật liệu điện
Hiện nay các máy phát điện áp xung đã có thể tạo đợc điện áp cao tới 8MV.
a. Thời gian phóng điện:
Khi dùng điện áp một chiều hay xoay chiều thì trị số điện áp phóng điện không
phụ thuộc vào thời gian tác dụng của điện áp. Bởi vì bản thân quá trình phóng điện đòi
hỏi phải có khoảng thời gian cần thiết gọi là thời gian phóng điện. Nó rất nhỏ so với chu

kì của dòng điện xoay chiều nên thời gian tác dụng của điện áp (một chiều và xoay
chiều) không ảnh hởng tới trị số điện áp phóng điện.
Đối với điện áp xung, trị số điện áp phóng điện phụ thuộc rất nhiều vào thời gian
tác dụng của điện áp, thời gian này càng bé thì điện áp phóng điện càng tăng. Nguyên
nhân là quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời gian cần thiết gọi là thời gian
phóng điện. Đối với điện áp xung, thời gian tồn tại của nó rất ngắn nh loại quá điện áp
khí quyển chỉ trong khoảng mấy chục às nghĩa là xấp xỉ với thời gian phóng điện, do đó
thời gian tồn tại của điện áp ảnh hởng rất lớn đến trị số điện áp phóng điện.
b. Phóng điện xung kích
Đối với phóng điện xung không thể biểu thị điện áp phóng điện bằng trị số cố
định mà biểu thị bởi đặc tính vôn-giây - quan hệ giữa biên độ điện áp tác dụng với thời
gian phóng điện. Đặc tính này đợc xác định bằng thực nghiệm.
c. Điện môi lỏng:
Điện môi lỏng ở điều kiện bình thờng có độ bền điện cao hơn chất khí rất nhiều.
Sự tồn tại tạp chất (nớc, khí, bụi bẩn, các hạt cơ học rất nhỏ...) làm cho hiện tợng đánh
thủng chất lỏng rất phức tạp và việc xây dựng lý thuyết chính xác về sự đánh thủng chất
lỏng rất khó khăn. Sau mỗi lần phóng điện sẽ sinh ra các tạp chất là muội khói do chất
lỏng bị đốt cháy.
- Đối với chất lỏng đã lọc sạch tạp chất ta áp dụng lý thuyết đánh thủng ion hoá nh
đối với chất khí. Do mật độ phân tử chất lỏng cao hơn nên độ bền của chất lỏng cao hơn
chất khí vì trong chất lỏng chiều dài đoạn đờng tự do của điện tử giảm đi nhiều.
- Lý thuyết đánh thủng điện thuần tuý: (điện môi lỏng tinh khiết) gắn hiện tợng đánh
thủng với sự bứt các điện tử ra khỏi điện cực kim loại hoặc với sự phân huỷ bản thân
phân tử của chất lỏng dới tác dụng của điện trờng mạnh.
* Các yếu tố ảnh hởng đến sự đánh thủng điện môi lỏng:
+ Tạp chất: có ảnh hởng lớn đến độ bền điện của điện môi lỏng, lọc sạch tạp chất
độ bền điện tăng rõ rệt. Với điện áp xung thì tạp chất ít ảnh hởng tới trị số điện áp
phóng điện vì thời gian tác động của điện áp quá ngắn.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

20


Giáo trình Vật liệu điện
Nớc có thể ở trạng thái nhũ tơng (bọc nớc) hay hoà tan: ở trạng thái hoà tan thì cờng độ cách điện giảm không nhiều nhng ở trạng thái nhũ tơng hay tạp chất là các sợi
rắn thì điện áp phóng điện giảm nhiều vì các sợi và bọc nớc tạo điều kiện làm cầu nối
cho sự phóng điện sớm hơn.
+ Khi nhiệt độ làm việc < 800C thì độ bền điện không phụ thuộc nhiệt độ. Khi nhiệt
độ tăng cao điện môi lỏng bị giãn nở nhiệt làm điện áp phóng điện giảm.
+ p suất: điện môi lỏng bình thờng không phụ thuộc áp suất, nếu có chứa bọt khí
thì cờng độ cách điện sẽ tăng khi áp suất tăng.
+ Thời gian tác động của điện áp tăng thì độ bền điện sẽ giảm. Chất lỏng chứa
nhiều tạp chất thì càng suy giảm mạnh.
Trong quá trình vận hành dới tác dụng của điện trờng, nhiệt độ, ôxy...dầu biến áp
mất dần tính cách điện ban đầu. Nó đổi màu, nồng độ axit tăng... Khi vận hành ở nhiệt
độ và điện áp càng cao thì khả năng lão hoá càng nhanh. Sau mỗi lần thí nghiệm cờng
độ cách điện sẽ giảm.
d. Sự đánh thủng điện hoá:
Hiện tợng này gọi là sự hoá già điện môi. Nó làm cho độ bền điện giảm dần và
cuối cùng điện môi bị đánh thủng ở cờng độ thấp hơn rất nhiều so với khi thí nghiệm.
Trớc đây sự hoá già đợc coi là chỉ có ở điện môi hữu cơ (giấy tẩm, cao su), gần đây ngời
ta cho rằng hiện tợng hoá già còn có thể xảy ra ở 1 số điện môi vô cơ. (Gốm Titan...)
2.3.3 Những yếu tố quan trọng nhất ảnh hởng đến sự hoá già của vật liệu cách
điện:
- Chủ yếu là nhiệt, phụ tải nhiệt. Tốc độ của phản ứng hoá học tăng với nhiệt độ theo
hàm số mũ, thậm chí còn lớn hơn. Sự giảm sút tính chất cách điện gia tăng rất mạnh khi
nhiệt độ tăng.
- Tác dụng của những tác dụng hoá học từ bên ngoài hoặc trực tiếp hoặc gián tiếp có
ảnh hởng đến qúa trình hoá già của vật liệu cách điện. Những tác dụng hoá học tác

động đến vật liệu cách điện có thể phát sinh từ:
+ Những vật liệu cách điện gần bên (sơn tẩm, dầu...) hay vật liệu điện cực.
+ Môi trờng bao quanh vật liệu cách điện (chất bẩn thể khí, sản phẩm sinh ra từ
phóng điện vầng quang, khí ôzon, ẩm...)
Tác dụng hoá học có thể làm giảm mà cũng có thể làm tăng tuổi thọ của vật liệu
cách điện. VD: 1 số hoá chất có thể làm tăng tuổi thọ của dầu biến áp, vì chúng ngăn
cản quá trình ôxy hoá của dầu. Vật liệu tẩm sấy ảnh hởng rất lớn đến tuổi thọ của cách
điện. Tuổi thọ của cách điện bọc dây dẫn cũng chịu ảnh hởng của vật liệu dây dẫn: cách
điện emay bọc dây nhôm có tuổi thọ cao gấp nhiều lần so với emay bọc dây đồng.
Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

21


Giáo trình Vật liệu điện
- Những tác dụng cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành cũng ảnh h ởng
đến sự hoá già của vật liệu cách điện.
2.4. Chất điện môi
2.4.1. Điện môi khí:
Trớc tiên ta cần phải nhắc đến không khí. Nó thờng tham gia vào các thiết bị điện
và giữ vai trò nh vật liệu cách điện hỗ trợ thêm cho các vật liệu cách điện rắn hoặc lỏng.
Hay là tạo nên 1 lớp cách điện duy nhất giữa các dây dẫn trần của đờng dây tải điện trên
không.
Khi tiến hành tẩm chất cách điện nếu không cẩn thận thì trong cách điện ấy sẽ có
những bọt không khí, làm giảm chất cách điện vì khi chất này làm việc ở điện áp cao thì
chúng sẽ thành những ổ phát sinh vầng quang.
Trong những điều kiện nh nhau (nhiệt độ, áp suất, hình dáng của điện cực, khoảng
cách giữa chúng ...) các chất khí khác nhau có độ bền khác nhau. Ngoài không khí ra
ngời ta còn dùng N2, H2, khí trơ làm chất cách điện.
Ta xét tới số chất khí khác đáng đợc quan tâm trong việc ứng dụng vào kỹ thuật

điện. Khi so sánh đặc tính của không khí và các khí khác ta quy ớc lấy đặc tính của
không khí làm đơn vị.
H2 là 1 chất khí nhẹ. Dùng làm mát thay không khí trong các máy điện sẽ giảm đợc
tổn thất công suất do ma sát của rôto với chất khí và do quạt gió gây ra. Do không có
tác dụng ôxy hoá (vì không có ôxy) nên dùng H 2 làm chậm sự hoá già chất cách điện
hữu cơ trong dây quấn máy điện và loại trừ khả năng hoả hoạn trong trờng hợp bị ngắn
mạch bên trong máy điện. Do vậy dùng H 2 làm mát cho phép tăng công suất và hiệu
suất của máy điện. Tuy nhiên để tránh không khí lọt vào máy (H 2 hỗn hợp với O2 của
không khí theo tỷ lệ nhất định sẽ gây nổ) phải duy trì áp suất trong máy cao hơn áp suất
khí quyển.
N2 đôi khi đợc dùng thay cho không khí để lấp đầy tụ điện khí vì có đặc tính điện
gần giống không khí.
Ngoài ra còn có các loại khí trơ nh neon, acgon... cũng nh hơi thuỷ ngân có độ bền
điện thấp đợc dùng để lấp đầy các dụng cụ chứa khí, các bóng đèn.
2.4.2 Điện môi rắn
- Kết cấu:
Vật liệu hữu cơ cao phân tử có tầm quan trọng đặc biệt. Đó là các hợp chất của các
bon (C) với các nguyên tố khác.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

22


Giáo trình Vật liệu điện
Các bon có khả năng tạo ra các hợp chất hoá học với nhiều loại cấu trúc phân tử rất
khác nhau. Cấu trúc phân tử có ảnh hởng chính đến những tính chất của các chất hữu
cơ.
- Phân loại:
* Theo nguồn gốc:

- Vật liệu nhân tạo: Sản xuất bằng cách chế biến hoá học những chất cao phân tử
có sẵn trong thiên nhiên.
- Vật liệu cao phân tử tổng hợp: Sản xuất bằng cách tổng hợp những chất thấp
phân tử. Đa số những vật liệu này có tính chất kỹ thuật quý giá và có thể làm bằng
nguyên liệu rẻ tiền, dễ kiếm nh khí thiên nhiên, dầu mỏ, than đá... loại này có tầm quan
trọng rất lớn đối với kỹ thuật cách điện.
* Theo cấu trúc phân tử:
- Pôlime đờng thẳng
- Pôlime không gian
* Theo tính chất nhiệt:
- Loại nhiệt dẻo: khi nhiệt độ thấp thì ở trạng thái rắn, khi bị nung nóng thì hoá
dẻo và dễ biến dạng. Khi nguội đi chúng rắn trở lại và không gây nên sự biến đổi không
phục hồi tính chất của chúng. Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp.
Vật liệu nhiệt dẻo thờng là các pôlime mạch thẳng
- Loại nhiệt cứng: khi bị nung nóng thì biến đổi tính chất không phục hồi đợc nh
trở nên rắn lại, không hoá dẻo và không hoà tan. Vật liệu nhiệt cứng thờng là các
pôlime không gian hoặc polime chuyển sang cấu trúc không gian khi bị đốt nóng.
* Theo tính hút ẩm và các tính chất điện:
- Loại có phân tử trung hoà: ít hút ẩm, độ bền cơ học không cao.
- Loại có phân tử cực tính: tính hút ẩm nhiều hơn, tính chất điện kém hơn nhng
độ bền cơ cao hơn.
2.4.3 Điện môi lỏng:
Đợc dùng nhiều trong kỹ thuật điện. Nó có công dụng chính:
+ Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và khoảng trống giữa các
dây dẫn của cuộn dây và giữa cuộn dây với vỏ máy biến áp, làm tăng độ bền điện của
lớp cách điện lên rất nhiều.
+ Tăng cờng sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép MBA
sinh ra.
+ Ngoài ra còn dùng trong các máy cắt dầu cao áp.

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

23


Giáo trình Vật liệu điện
2.5. Một số vật liệu cách điện thể rắn
2.5.1 Nhựa:
Nhựa là tên gọi của một nhóm rất rộng các vật liệu có nguồn gốc và bản tính rất
khác nhau nhng có 1số đặc điểm rất giống nhau về bản chất hoá học cũng nh 1 số tính
chất vật lý chung. Đó là hỗn hợp của các chất hữu cơ, ở nhiệt độ khá thấp nó là những
chất vô định hình có dạng nh thuỷ tinh khá giòn. Khi đốt nóng thì nhựa mềm ra, thành
dẻo và hoá lỏng. Phần lớn các loại nhựa dùng trong kỹ thuật cách điện không tan trong
nớc và ít hút ẩm nhng lại tan trong các dung môi hữu cơ thích hợp về bản chất điện.
Thông thờng nhựa có tính kết dính và khi chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái
rắn nhựa sẽ gắn chặt vào vật rắn tiếp xúc với nó. Nhựa là thành phần quan trọng của
nhiều loại sơn, chất dẻo, xơ tổng hợp... Theo nguồn gốc nhựa có thể phân thành 3 loại:
Nhựa tự nhiên, nhựa nhân tạo, nhựa tổng hợp.
a. Nhựa nhân tạo:
Gồm ete xenlulo và este xenlulo. Chúng đợc tạo ra từ việc xử lý hoá học các xenlulo tự
nhiên. Chúng thuộc loại nhiệt dẻo, kém chịu nóng. đợc dùng chế tạo vật liệu dệt, màng
mỏng, sơn, chất dẻo.
b. Nhựa tổng hợp:
Nhựa tổng hợp có vai trò quan trọng trong kỹ thuật cách điện. Theo bản chất ngời ta lại
chia nhựa tổng hợp ra thành nhựa trùng hợp và nhựa ngng tụ.
c. Nhựa trung hoà:
* Nhựa gốc Êtylen:
- Êtylen: Là hyđrô cacbon không no đơn giản nhất C2H4: H2C = CH2. ở điều kiện bình
thờng nó là chất khí.
- Polyêtylen (PE): Là chất trùng hợp của Êtylen, có cấu tạo nguyên tử nh sau:

H H H H
-C-C-C-CH H H H
Nó có đặc tính cơ tốt, trong suốt, dùng làm cách điện chủ yếu cho cáp thông tin, cáp
điện lực... tính chịu nhiệt của nó bị hạn chế (Thuộc vật liệu nhiệt dẻo: ở nhiệt độ 105 1350C nó đã chảy mềm) và nếu đốt nóng độ bền cơ sẽ giảm nhanh.
- Polypropylen (PP): Là polyme của propylen: H2C = CH - CH3

CH3

CH3

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

24


Giáo trình Vật liệu điện

- CH2

C

CH2 C -

H
H
Là 1 chất nhiệt dẻo có nhiều triển vọng. Rất dẻo, tính cách điện ngang polyêtylen
nhng độ bền nhiệt cao hơn (nhiệt độ hoá dẻo của nó: 165 - 1700C).
- Polyizobutylen: Là chất trùng hợp của izobutylen: H2C = C - (CH3)2
H
CH3

H
CH3
-C

C

C

C-

H
CH3
H
CH3
Nó giống cao su, rất dính và có khuynh hớng chảy nguội ngay cả khi phụ tải cơ
rất nhỏ. Nó có tính chịu lạnh tốt (giữ đợc độ dẻo ở - 800C), có độ bền hoá học và độ hút
ẩm nhỏ, độ thấm hút ẩm hết sức nhỏ. Dùng chế tạo vỏ cáp, điện môi cao tần.
* Polystyrol (PS):
Là sản phẩm phụ khi chng khô than đá. Cú loi polystyrol dạng khối hoặc dạng
nhũ tơng (hạt nhỏ). Dạng nhũ tơng có tính cách điện và chịu nhiệt thấp hơn dạng khối.
Nhợc điểm: Giòn ở nhiệt độ thấp, kém chịu nóng. Polystyrol nhũ tơng đợc dùng để sản
xuất bột ép, sơn.
Những chất núi trên là những điện môi có tính cách điện rất cao, còn tính hút ẩm
lại rất thấp.
* Têtrafloetylen: Là êtylen mà phân tử của nó có cả 4 nguyên tử H 2 thay bằng nguyên tử
Flo.
Có độ bền nhiệt rất cao, bền về hoá học 1 cách đặc biệt hơn cả vàng và bạch kim.
Không cháy, không hút ẩm, không dính nớc và các chất lỏng khác. Chỉ có thể làm dính
nó khi xử lý mặt ngoài bằng dung dịch Natri kim loại trong Amôniac (dung dịch này rất
nguy hiểm về mặt cháy, nổ, độc và khó huỷ phân dung dịch thừa không dùng đến).

Nó là vật liệu hữu cơ duy nhất đợc xếp loại cách điện cấp C, dùng sản xuất màng
dẻo, cách điện cao tần...
d. Nhựa cực tính:
* Rợu Polyvinyl: Là chất trùng hợp của rợu vinyl: H2C = CH OH
H

H

H

H

-C-

C

-C-

C-

Khoa iện-in lnh Trờng C nghề QT Vabis HongLam

25