Giáo trình Vật liệu điện lạnh

Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Giới thiệu môn học
I. Vị trí và nhiệm vụ môn học:
Môn học Vật liệu kỹ thuật điện l nh là môn hỗ trợ cho các môn học chuyên
ngành trong ngành điện l nh, nhằm giúp cho sinh viên và các cán bộ kỹ thuật trong
ngành điện l nh hiểu biết về vật liệu kỹ thuật điện l nh, 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 l nh đồng
thời còn đề ra đợc các biện pháp sử dụng và bảo quản tốt các thiết bị điện l nh.
II. Yêu cầu môn học:
- Nắm đợc các hiện tợng, bản chất các hiện tợng xảy ra trong vật liệu điện l nh khi
sử dụng chúng vào những mục đích khác nhau.
- Biết đợc tính chất của các vật liệu điện l nh 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 l nh, bảo quản các thiết bị điện l nh nhằm tăng tuổi
thọ của chúng.
III. Tính chất môn học:
Môn học Vật liệu kỹ thuật điện l nh giúp cho sinh viên giải thích đợc lý do sử
dụng các loại vật liệu kỹ thuật điện l nh 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 l nh 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. Ti li u tham khảo:
- Giỏo trỡnh k thu t l nh c s -Nguy n c L i - Ph m Vn Tựy
- 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.
VI. Kết cấu chơng trình:

Gồm 4 Chơng
Chơng 1: Vật liệu cách điện.
Chơng 2: Vật liệu dẫn điện.
Chơng 3: Vật liệu k thu t l nh
Chơng 4: Vật liệu cỏch m, hỳt m

1
_____________________________________________________________________________

Khoa điện- Trung C p Ngh Bỡnh Thnh


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Chơng 1: Vật liệu cách điện
1. KháI niệm chung về vật liệu cách điện
1.1 khỏi nim v 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
đợc 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.

a. Phân loại:
- 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)
- 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...
Chất vô cơ: Có thể có Si, Al, các kim loại...
+ 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.
+ 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 điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

2


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

+ 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...
- 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.
1.2 tính chất chung của vật liệu cách điện.

a. 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...
- 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).
Độ ẩm tuyệt đối cần thiết để gây bão hoà không khí tăng mạnh theo nhiệt độ
tức là áp suất của hơi nớc tăng lên.
ứng với mỗi nhiệt độ xác định, không khí không thể chứa 1 lợng nớc lớn hơn vì
nó sẽ rơi xuống dới dạng sơng.
m
- Độ ẩm tơng đối của không khí: kk % =
max
%
100
Điều kiện bình thờng của không khím đợc lấy bằng độ ẩm (60 ữ 70)% ở
nhiệt độ (20 5)0C.
- 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 cực tính ngời ta phủ
lên chúng 1 loại dầu không dính nớc. Khả năng dính nớc hoặc chất lỏng khác
của điện môi đợc đặc trng bởi góc biên dính nớc của giọt n ớc đổ lên bề mặt
phẳng của vật liệu.
_____________________________________________________________________________

Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

3


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

> 900

< 900

càng nhỏ sự dính nớc càng mạnh
Khi trong điện môi có các lỗ xốp hở hơi ẩm sẽ đi vào bên trong vật liệu.
- 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.
Mẫu vật liệu cách điện để trong điều kiện độ ẩm và
(2
nhiệt độ nhất định của môi trờng xung quanh sau 1 thời C
(1

gian dài không hạn định sẽ đạt đến 1 trạng thái cân bằng độ B
ẩm nào đó. Hình vẽ biểu sự biến đổi độ ẩm của mẫu vật
t
liệu khi hút ẩm (đờng 1) và khi sấy khô (đờng 2).
Nếu mẫu vật liệu tơng đối khô thì nó sẽ hút ẩm của môi trờng và độ ẩm
tăng dần cho đến khi cân bằng độ ẩm của môi trờng (đờng 1). Nếu mẫu vật liệu
có độ ẩm lớn hơn độ ẩm cb thì độ ẩm của mẫu sẽ giảm xuống cho đến giá trị cb.
- Giá trị cb tơng ứng với độ ẩm tơng đối kk của không khí.
Trị số độ ẩm cân bằng cb của những mẫu vật liệu khác nhau ở cùng 1 độ ẩm
tơng đối kk của không khí có thể rất khác nhau.
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.
Đối với vật liệu hút ẩm mạnh mà thu nhận và giao hàng lại tiến hành theo
trọng lợng thì việc xác định độ ẩm rất quan trọng để tính toán chính xác số lợng
vật liệu.
Đối với vật liệu dệt còn dùng khái niệm độ ẩm quy ớc tơng ứng với độ ẩm cân
bằng của vật liệu khi để nó trong không khí ở điều kiện bình thờng.
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.
Việc xác định độ hút ẩm theo sự tăng trọng lợng của mẫu không phản
ánh hoàn toàn mức độ biến đổi tính chất điện của vật liệu đó khi bị ẩm.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

4


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Nếu hơi ẩm hút vào tạo nên sợi và màng mỏng theo chiều dày cách điện mà
lớp màng và sợi này có thể xuyên qua toàn bộ hay 1 phần đáng kể của khoảng cách
giữa các điện cực thì chỉ cẩn 1 lợng hơi ẩm rất nhỏ hút vào cũng làm xấu tính chất
điện đi rất nhiều. Nếu hơi ẩm phân bố theo thể tích vật liệu dới dạng tạp chất nhỏ
riêng biệt không nối với nhau thì ảnh hởng của hơi ẩm đến tính chất điện ít hơn
nhiều.
Khi điện áp là xoay chiều, tg tăng lên rõ rệt khi vật liệu bị ẩm, hằng số điện
môi cũng tăng theo nhng ít nhạy hơn. Vì thế ngời ta thờng đoán về tính hút ẩm
theo độ tăng của điện dung của mẫu dới tác dụng của hơi ẩm.

- 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. Phần
lớn các vật liệu đều thấm ẩm qua các lỗ xốp rất nhỏ và có độ ẩm đo đợc:

m=

(P1 P2 ) S
t
h

Với: m: Lợng hơi ẩm (microgam)

t: Thời gian (giờ)
S: Diện tích mặt phẳng (cm2)
h: Chiều dày lớp vật liệu cách điện
(cm)
P1, P2: áp suất ở 2 phía của vật liệu
(mmHg) : Độ thấm ẩm của vật liệu đang

xét
Riêng có thuỷ tinh, gốm đã nung kỹ và kim loại là có độ thấm ẩm thực tế = 0.
- 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.
Việc tẩm chỉ làm sự hút ẩm của vật liệu cách điện chậm lại bởi các phân tử
của chất tẩm có kích thớc rất lớn so với kích thớc phân tử nớc nên không có khả
năng bịt kín các lỗ xốp đợc, còn với các lỗ nhỏ nhất của vật liệu thì các phân tử
chất tẩm lại không chui vào đợc.để khắc phục vấn đề này ngời ta dùng phơng
pháp tẩm sấy chân không.
ở các điện môi hữu cơ thờng có nấm mốc phát triển và huỷ hoại. Nấm mốc làm
_____________________________________________________________________________
xấu
điện trở suất mặt của điện môi, tăng tổn thất và giảm độ bền cơ của chất cách
điện, gây ăn mòn các bộ phận kim loại tiếp xúc với nó.
5

Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Để chống nấm mốc ngời ta thêm vào thành phần của các vật liệu cách
điện hữu cơ chất Fungixit hoặc phủ lên chất cách điện lớp sơn chứa Fungixit.
b. Tính chất cơ học của ch t cỏch in:
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.
- Độ bền đứt, nén, uốn:

Xác định trị số giới hạn bền và biến dạng tơng đối khi bị phá huỷ cho ta
khái niệm về độ bền cơ và khả năng biến dạng dới tải (tính dẻo) của vật liệu.
Một số vật liệu (chất nhiệt dẻo) đợc đặc trng bởi khả năng biến dạng trông
thấy khi tác động lâu dài phụ tải cơ tơng đối nhỏ (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.
- 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 (xác định ứng suất dai va đập). Trong nhiều trờng
hợp ngời ta thờng kiểm tra khả năng vật liệu cách điện chịu tác động rung lâu
dài tức là những dao động lặp lại có tần số và biên độ xác định. Cách kiểm tra này
thờng tiến hành cho các thành phẩm.
- 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.
Đối với điện môi độ cứng ít có ý nghĩa quan trọng và đợc xác định theo
nhiều phơng pháp. Đối với vật liệu vô cơ: Độ cứng đợc xác định theo thang
khoáng vật hay là thang thập phân quy ớc của độ cứng (trong đó hoạt thạch đợc
chọn làm đơn vị đo và xếp theo độ cứng tăng dần nh sau:
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

6

Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Hoạt thạch - 1; thạch cao - 1,4; CaCO3 - 10; Florit(CaF2)- 27; Apatit - 44; Thạch
anh - 1500; Kim cơng - 5.000 000)
Độ cứng có thể xác định theo độ chống xớc của nó: chất có độ cứng <2 có thể làm
xớc bằng móng tay; độ cứng <5 - bằng dao thờng; độ cứng <7 - bằng dũa.
Đối với vật liệu hữu cơ: Xác định bằng phơng pháp Brinel và phơng pháp con lắc
của Cuznexôp. Phơng pháp Brinel hay dùng nhất là dùng một lực nhất định P ép
một hòn bi thép đã tôi có đờng kính D vào mẫu. Đo vết lõm đợc chiều sâu h hoặc
đờng kính d của vết lõm. Độ cứng tìm đợc là:
P
P
(kg/mm2; [P]= kg; [D,h,d] = mm)
=
TB =

D
Dh
D D2 d2
Để đổi trị số độ cứng theo 2Brinel đo bằng kg/mm2 sang đơn vị của hệ SI - N/m2 ta

(

)

phải nhân nó với 107
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.

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

Tất cả các chất không bị biến đổi hoá học khi nung nóng có độ nhớt giảm

nhiều khi nhiệt độ tăng theo hàm số mũ: =

w
kT
Ae

6 kT
fl 3
f: tần số giao động nhiệt của phân tử = 1012 - 1013 s-1
l: khoảng cách giữa các phân tử.
W: Năng lợng kích thích tính bằng công chuyển phân tử từ trạng thái ổn
định này sang trạng thái ổn định khác.
T: Nhiệt độ
c. Tính chất nhiệt của ch t cỏch in:
- 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.
A: Hằng số đặc trng cho chất lỏng: A =

_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

7


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Đối với điện môi vô cơ: Độ bền chịu nóng đợc xác định theo điểm bắt đầu
biến đổi tính chất điện (tg tăng hay điện trở suất giảm). Nó đợc đánh giá bằng trị
số nhiệt độ (00C) xuất hiện sự biến đổi này.
Đối với điện môi hữu cơ: Độ bền chịu nóng xác định theo điểm bắt đầu biến dạng
cơ học khi nung nóng điện môi.
Cũng có thể xác định độ bền chịu nóng theo các đặc tính điện.
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.
Nhiệt độ làm việc cho phép cao nhất đợc giải quyết trên cơ sở độ bền chịu
nóng của vật liệu có chú ý đến hệ số dự trữ. Hệ số này phụ thuộc vào điều kiện làm
việc, mức độ an toàn cần thiết và tuổi thọ chất cách điện.
Sự giảm xấu chất lợng cách điện chỉ có thể phát hiện đợc khi nhiệt độ cao
tác động lâu dài do các quá trình hoá học diễn ra một cách chậm chạp gọi là sự
hoá già nhiệt chất cách điện. VD: ở màng sơn và xen lu lô: tăng độ rắn và giòn, tạo
thành vết nứt...Ngoài ra, tốc độ hoá già còn chịu ảnh hởng của áp suất không khí,
nồng độ ôxy, các chất phản ứng hoá học làm nhanh hoặc chậm quá trình hoá già.
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.
Nâng cao nhiệt độ làm việc đặc biệt quan trọng đối với các động cơ kéo và cầu
trục, với các thiết bị điện trên máy bay... mà nhiệm vụ giảm kích thớc và trọng
lợng đặt lên hàng đầu. 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

_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

8


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

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. 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...
- 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.
- 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.
So với kim loại thì trị số

N

của vật liệu cách điện rất nhỏ. Vật liệu cách điện

xốp có lẫn tạp chất không khí có

N

nhỏ nhất. Điện môi kết tinh có

N

cao hơn

điện môi không định hình. N phụ thuộc 1 phần vào nhiệt độ.
- Sự gin nở nhiệt của điện môi:
1 dl
[độ-1]
Đánh giá bằng sự giãn nở dài theo nhiệt độ: l =
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.

_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

9


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Hệ số giãn nở dài theo nhiệt độ:
6
-1
Vật liệu
l.10 (độ ) Nhận xét
Thuỷ tinh thạch anh
Sứ cao tần
Fenolfomandehit và các chất
dẻo có độn khác
Tấm chất dẻo clorua polivinyl
Poliêtylen

0,55
4,5
25 - 70

Vôcơ
Hữu cơ

70
100

c. Tính chất hoá học của ch t cỏch in:
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.
Dễ hoà tan nhất là các chất có bản chất hoá học gần với dung môi và chứa
các nhóm nguyên tử giống nhau trong phân tử. VD: chất lỡng cực dễ hoà tan trong
chất lỏng lỡng cực. Chất trung hoà dễ tan trong chất lỏng trung hoà.
Khi tăng mức trùng hợp thì độ hoà tan giảm. Khi
tăng nhiệt độ thì độ hoà tan thờng tăng lên.
d. Tính chịu tác động của bức xạ năng lợng cao:
Trong kỹ thuật hiện đại có thể gặp những điều kiện sử dụng thiết bị điện mà
trong đó thiết bị chịu tác động của bức xạ hạt nhân hoặc sóng năng lợng cao. Khi
đó điều quan trọng là phải biết độ bền bức xạ.
Độ bền bức xạ là mức độ bền vững của vật liệu đối với tác động bức xạ, mức
độ duy trì tính chất điện và cơ của chúng.
Bức xạ năng lợng cao có thể sử dụng trong quá trình công nghệ để tạo ra
vật liệu mới có những tính chất quý giá đối với thực tế, VD: nâng cao độ chịu nóng
hoặc đối với việc tổng hợp các vật liệu mới...
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

10

Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Sự hấp thụ phóng xạ trong vật liệu phụ thuộc vào bản chất vật liệu và chất
lợng của chính sự phóng xạ. Khi gặp bề mặt vật liệu năng lợng phóng xạ giảm
theo mức độ thấm vào chiều sâu vật liệu.
Sự khuyếch tán năng lợng phóng xạ xảy ra chủ yếu do ion hoá (hiệu ứng
quang bên trong) và kích thích các nguyên tử khi năng lợng rất lớn do sự biến đổi
hạt nhân. Một phần năng lợng tiêu tốn để tách các nguyên tử hoặc ion giữa các
nút, làm xuất hiện trong mạng các lỗ khuyết và các trung tâm khuyết tật.
Tác động của bức xạ có thể dẫn đến hàng loạt các biến đổi phân tử và phản
ứng hoá học. Khi bức xạ lâu dài hoặc với cờng độ rất mạnh các chất bị bức xạ đều
bị phân huỷ.
Các vật liệu bền vững với bức xạ phải có 2 thuộc tính:
+ Khả năng hấp thụ năng lợng mà không bị ion hoá 1 cách quá đáng.
+ Khả năng tạo mối liên kết kép với mức độ lớn hơn phá huỷ mối liên kết đó. D
ới tác dụng của bức xạ chất trùng hợp có thể chuyển từ trạng thái này sang
trạng thái cấu tạo khác.
Thực tế cho thấy tất cả các tính chất điện, cơ, hoá, lý đều có thể bị biến đổi do
bức xạ. Độ bền điện của điện môi dới ảnh hởng của bức xạ có thể tăng hoặc giảm
tuỳ theo các quá trình diễn ra trong vật liệu.
1.3 Các yếu tố ảnh hởnh đến độ cách điện

1.3.1 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.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

11


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

ở 1 số vật liệu cách điện, điện áp đánh thủng tăng tỷ lệ thuận với chiều dày cách
điện. Nhng ở phần lớn vật liệu cách điện thì không có quan hệ tỷ lệ thuận, mà điện
áp đánh thủng tăng chậm hơn bề dày. Nói cách khác, cách điện mỏng hơn thì chịu
đợc điện áp lớn hơn hay cách điện càng dày thì độ bền cách điện càng nhỏ.
1.3.2 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.

+ Độ bền cách điện của không khí đối với bán kính của điện cực trong điện

trờng hình trụ, theo biểu thức Peeck: E = 21 + 7/
r , KV/cm với r là bán kính điện
cực, cm. Còn các dạng điện cực khác đợc biểu diễn theo các đờng cong quan hệ.
+ Trờng hợp điện cực nhọn đối với điện cực mặt phẳng, tính theo biểu
thức Mikhailốp: U = 3,5a + 10 KV đối với điện áp xoay chiều;
U = 5a + 40 KV đối với điện áp xung 1/50;
Trong đó: a là khoảng cách điện cực (cm) và a>10cm
Thực tế có thể dùng quy tắc sau: đối với điện áp xoay chiều, tần số 50Hz, cứ 1cm
khoảng cách không khí có thể chịu đợc 3,2 - 3,5 KV. Khoảng cách điện cực a cần
U
a

thiết để khỏi bị đánh thủng là: 3, 2 .kV (cm)
Trong trờng có nhiệt độ và áp suất không đổi thì cờng độ điện trờng đánh
thủng chất khí phụ thuộc vào khoảng cách giữa các điện cực: ở khoảng cách nhỏ
điều kiện dẫn đến sự ion hoá của khí là khó khăn nên Eđt tăng. ở khoảng cách lớn
hơn thì khả năng ion hoá do va chạm cũng sẽ lớn lên, dễ gây ion hoá hơn nên Eđt
giảm.
*) 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:
- Độ ẩm không khí: ít ảnh hởng đến trị số Uđt trong trờng đồng nhất. Nhng trong
trờng không đồng nhất thì độ ẩm của không khí có ảnh hởng đáng kể: Khi kk <
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

12

Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

70% thì không ảnh hởng. Khi kk tăng thì Uđt tăng lên do các phân tử n ớc bắt giữ
các điện tử trong không gian đang di chuyển làm giảm khả năng gây ion hoá.
*) 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 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. Khi áp suất giảm trớc hết cờng độ cách điện giảm xuống;
khi áp suất giảm đến 1 giới hạn nào đó nhỏ hơn áp suất khí quyển cờng độ cách
điện lại bắt đầu tăng. Sự tăng này đợc giải thích bởi số phân tử khí trong 1 đơn vị
thể tích giảm xuống khi độ loãng cao và khả năng va chạm của điện tử với các phân
tử giảm.
ở độ chân không cao hiện tợng đánh thủng là hiện tợng bứt các điện tử ra khỏi
bề mặt của điện cực (phát xạ nguội) vì vậy cờng độ cách điện đạt trị số rất cao
phụ thuộc vào vật liệu, trạng thái bề mặt của các điện cực.
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 (theo định luật Pasen).
Vậy có thể tăng áp suất khí để nâng cao điện áp phóng điện (mức cách điện)
Biện pháp để nâng cao trị số điện áp đánh thủng trong trờng không đồng
nhất:
Trong kỹ thuật điện cao áp những thiết bị có cách điện là chất khí không cho
phép xảy ra phóng điện chọc thủng hay phóng điện bề mặt. Nếu không sẽ phá huỷ
thiết bị gây thiệt hại kinh tế và quá trình vận hành hệ thống điện. ở áp suất khí
quyển, điện trờng phóng điện trong trờng đồng nhất khoảng 30 kV/cm, trờng
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

13


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

không đồng nhất là 20 kV/cm khi mũi nhọn có cực tính (-) và khoảng 7,5 kV/cm khi
mũi nhọn có cực tính (+).
Để nâng cao Uđt trong trờng không đồng nhất thực tế là cải thiện sự phân bố điện
trờng sao cho nó đồng nhất hơn. Dùng màn chắn nhằm ngăn cản sự dịch chuyển
của điện tích không gian.
- 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. Hiệu quả của màn
chắn là làm thay đổi sự phân bố của điện tích không gian và của điện trờng. Vị trí
của màn chắn cũng ảnh hởng nhiều đến trị số của điện áp đánh thủng.
Tóm lại: tác dụng của màn chắn đều có hiệu quả nâng cao điện áp đánh
thủng kể cả khi mũi nhọn có cực tính (-) với khoảng cách s = (0,75 - 0,8)s. Nhng

hiệu qủa rõ nhất khi mũi nhọn có cực tính (+). Trong trờng xoay chiều, để nâng
cao Uđt ta vẫn dùng màn chắn (dùng trong thiết bị cao áp có thể tăng cờng cách
điện và giảm kích thớc).
Sự phân bố của trờng khi có màn chắn:
+ Khi mũi nhọn có cực tính (+): các ion (+) di chuyển khỏi vầng quang về phía cực
bản sẽ bị giữ lại và phân bố trên màn chắn. Sự phân bố càng đều khi màn chắn đặt
càng xa mũi nhọn. Hình thành trờng đồng nhất giữa màn chắn và cực bản vì thế
Uđt tăng lên.
+ Khi mũi nhọn có cực tính (-): các ion (-) sẽ phân bố trên màn chắn tạo nên trờng
đồng nhất giữa màn chắn và cực bản. Nhng nếu đặt ở vị trí s nhỏ thì màn chắn lại
làm giảm Uđt so với khi không có màn chắn.
Do mũi nhọn và cực bản có mật độ điện tích lớn gần nh dẫn điện, màn
chắn nh là điện cực âm, giữa màn chắn và cực bản có khoảng cách bé
- Biện pháp hạn chế phóng điện: nén áp suất cao dùng trong trờng không đồng
nhất hoặc hút chân không.
b. Điện môi rắn:
Khi điện áp tăng đến 1 trị số nào đó, thì ở cạnh mép của điện cực xuất hiện
vầng quang rồi phát triển thành những tia lửa điện bò loằng ngoằng trên bề mặt
tấm cách điện. Điện áp càng tăng thì tia lửa điện càng dài và cuối cùng nối liền với
nhau ở cạnh biên của tấm cách điện, 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:
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

14


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

- Tình trạng bề mặt của điện môi rắn.
- Nhiệt độ, áp suất khí (nhiệt độ cao, áp suất giảm thì Upđbm giảm).
- Độ ẩm môi trờng (kk tăng thì Upđbm giảm).
- Thời gian tác động của điện áp (thời gian ngắn thì Upđbm tăng). Điều này không chỉ
đúng với bề mặt mà đúng với cả khoảng khí.
- Hình dáng của điện cực và sự phân bố của trờng: trong trờng đồng nhất Uđt
giảm. Trong trờng không đồng nhất Uđt cũng phụ thuộc vào hình dáng điện cực và
sự phân bố của trờng. Có 2 dạng phân bố của trờng:
+ Trờng phân bố theo phơng tiếp tuyến. (h.a)
+ Trờng phân bố theo phơng pháp tuyến. (h.b)
Khi cờng độ điện trờng phân bố pháp tuyến lớn khả năng xuất hiện sự
phóng điện bề mặt sớm hơn so với khi E phân bố theo phơng tiếp tuyến.
Trên vùng mép của điện cực khi trờng phân bố theo phơng pháp tuyến lớn
ngời ta thấy xuất hiện vầng quang sớm. Xuất hiện tia lửa từ điện cực đến cách
điện. Khi điện áp tăng thì kéo dài tia lửa ra đến vùng điện cực đối diện.
* 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.
- Đối với trờng theo phơng tiếp tuyến lớn ngời ta sử dụng cực ngầm. Bằng cách
này làm cho trờng sẽ tập trung về phía cực ngầm, làm tăng điện áp phóng điện mặt
ngoài.
- Đối với trờng theo phơng pháp tuyến lớn ngời ta sơn 1 lớp sơn bán dẫn ở khu
vực phân bố trờng theo phơng pháp tuyến lớn làm đẳng thế giữa các lớp sơn nên
làm giảm trờng phân bố theo phơng pháp tuyến.
*) Phóng điện ở điện áp xung:
Thực tế cách điện còn có thể phải chịu tác dụng của loại điện áp xung kích
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 kích 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. Cờng độ và biên độ của sét khá lớn có thể gây ra sự phóng điện
giữa các đờng dây, giữa đờng dây với đất và trên cách điện đầu vào của thiết bị.
Có thể làm ngắn mạch hoặc gây nên ngắn mạch của hệ thống hoặc h hại đến cách
điện bên trong của thiết bị. Loại điện áp này có dạng sóng xung kích:

_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

15


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Điện áp tăng nhanh từ không đến trị số cực đại (đầu sóng) và sau đó giảm
chậm đến trị số không (đuôi sóng). Hình vẽ cho thấy dạng sóng xung kích và cách
xác định độ dài đầu sóng ds và độ dài sóng s.
Do phần đầu của đầu sóng tăng rất chậm và
không có ý nghĩa quan trọng đến quá trình phóng U
0,1Umax
điện nên nó đợc thay thế bằng đầu sóng nghiêng
đẳng trị xác định bởi đờng xiên góc qua các điểm có
Umax
tung độ 0,3Umax và 0,9Umax, giao điểm của đờng
0,5Umax
0,3Umax
xiên này với trục hoành và đờng nằm ngang qua
biên độ cho độ dài đầu sóng ds. Độ dài sóng s tính
t
s

đs
tới khi điện áp giảm xuống chỉ còn một nửa trị số
biên độ.
Quy định này xuất phát từ kết quả thực nghiệm, khi điện áp đã giảm tới mức
50% trị số biên độ sẽ không còn khả năng gây nên phóng điện do đó có thể không
cần chú ý đến tình hình ở phần sau của sóng. Trị số điện áp phóng điện xung kích
phụ thuộc vào dạng sóng - đặc trng bởi độ dài đầu sóng và độ dài sóng - cho nên
khi dùng điện áp xung kích để thử nghiệm cách điện cần tiến hành theo dạng sóng
thống nhất.
Để thử điện áp phóng điện xung kích cho cách điện thì ta dùng 1 thiết bị phát
điện áp xung kích dạng sóng của máy phát tạo ra đợc tiêu chuẩn trên toàn thế giới:
độ dài đầu sóng 1,2/s 30 % và độ dài sóng 50/s 20 % (ký hiệu sóng =
1,2/50). ở Liên xô dùng sóng tiêu chuẩn với độ dài đầu sóng 1,5/s và độ dài sóng
40/s (ký hiệu là sóng 1,5/40).
Dạng sóng cắt: là 1 thành phần của toàn sóng với độ dài sóng ts = 2 ữ 6 s
Trong các phòng thí nghiệm thờng dùng máy phát điện áp xung để tạo nên
điện áp xung kích mà nguyên lý làm việc của nó dựa trên các quá trình nạp và
phóng của tụ điện. Để có điện cao áp xung kích có thể tiến hành bằng cách dùng
nhiều tụ điện, chúng đợc nạp điện song song nhng khi phóng điện lại phóng nối
tiếp làm cho điện áp tăng cao theo kiểu nối cấp.
Nh vậy nếu dùng n cấp để các tụ điện trong giai đoạn phóng đợc ghép nối tiếp
nhau qua các khe hở KH1... KH2 thì điện áp xung kích ở đầu máy phát có thể đạt tới
mức nU. Hiện nay các máy phát điện áp xung kích đã có thể tạo đợc điện áp cao tới
8MV.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

16

Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

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 kích, 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 do bản thân quá trình phóng điện đòi hỏi phải có khoảng thời
gian cần thiết gọi là thời gian phóng điện. Đối với điện áp xung kích, thời gian tồn
tại của nó rất ngắn nh loại quá điện áp khí quyển chỉ trong khoảng mấy chục s
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.
Ví dụ: cho tác dụng lên khe hở điện áp có dạng nh trên hình vẽ và giả thiết
tại mức điện áp U0 điều kiện phóng điện tự duy trì đợc thực hiện. Trớc thời điểm
t1 và ngay cả ở t1 cũng cha có thể phóng điện vì trớc hết phải có xuất hiện ít nhất
một điện tử tác dụng ở khu vực âm cực, từ đó tạo nên thác điện tử thứ nhất. Điện tử
này có thể đợc tạo nên do sự bắn phá âm cực của các ion dơng luôn có sẵn trong
không khí hoặc do các nhân tố ion hoá bên ngoài...
Nh vậy quá trình phóng điện không thể bắt đầu
U
từ thời điểm t1 mà phải từ thời điểm t2 = t1 + ttk trong
đó ttk là thời gian chờ đợi xuất hiện điện tử tác dụng đầu
tiên. Vì thời gian này có thể nhanh chậm khác nhau và U0
t1
t2
t3

chỉ có thể xác định bằng phơng pháp thống kê nên gọi
t ttk
tht
là thời gian chậm trễ thống kê. Quá trình phóng điện
tp
đợc hoàn thành ở thời điểm t3 = t2 + tht trong đó tht là
Hình 4-11: Các thành phần
thời gian hình thành phóng điện, trong khoảng thời gian
của thời gian phóng điện
này thác điện tử sẽ phát triển thành dòng để nối liền
khoảng cực và hoàn thành quá trình phóng điện.
Tổng hợp ba thành phần thời gian nói trên sẽ đợc thời gian phóng điện:
t p = t 1 + t tk + t ht

_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

17


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Sau đây sẽ xét đến từng thành phần của thời gian phóng điện và các yếu tố
ảnh hởng đến chúng.
PA
b. Phóng điện xung kích.
MPX
KH
Đối với phóng điện xung kích không

MHS
thể biểu thị điện áp phóng điện bằng trị số cố
định mà biểu thị bởi đặc tính vôn - giây Hình 4-12: Sơ đồ nguyên lý để xác định
đặc tính (v-s) bằng thực nghiệm
quan hệ giữa biên độ điện áp tác dụng với
MPX-máy phát điện áp xung; KH-khe hở;
thời gian phóng điện. Đặc tính này đợc xác
PA phân áp; MHS-máy hiện sóng
định bằng thực nghiệm theo sơ đồ:
Nguồn điện áp là máy phát điện xung áp và dùng máy hiện sóng để đo điện áp
và thời gian phóng điện (máy hiện sóng không thể đo trực tiếp mà phải qua bộ
phân áp). Xây dựng đặc tính vôn - giây rất công phu và phức tạp. Phải dùng dạng
sóng nhất định và do tính tản mạn của thời gian phóng điện nên phải tiến hành thí
nghiệm nhiều lần cho mỗi cặp trị số U(t).
U

U

U

t
(a)

t
(b)

t
(c)

Hình trên cho kết quả thực nghiệm và cách xây dựng đặc tính vôn - giây của

cách điện. Hình (a) ứng với các trờng hợp phóng điện xảy ra ở giai đoạn đầu sóng
khi điện áp có biên độ lớn còn hình (b) là biên độ bé phóng điện xảy ra ở đuôi sóng.
ứng với mỗi trị số biên độ điện áp sẽ có nhiều trị số của thời gian phóng điện và
ngợc lại... cho nên đặc tính vôn - giây là một khu vực tập hợp nhiều điểm (hình c).
Thực tế thờng biểu thị theo đờng cong trung bình có kèm theo giới hạn sai số so
với đờng trung bình ấy.
Trong phóng điện xung kích khả năng phóng điện mang tính tản mạn, đợc
biểu thị bằng xác suất về số lần phóng điện, phụ thuộc rất nhiều vào biên độ điện áp
tác dụng: biên độ càng lớn thì xác suất phóng điện càng cao. Trong thực tế thờng
dùng các trị số điện áp phóng điện theo các xác suất phóng điện để biểu thị mức
cách điện xung kích (khi không xây dựng đợc đặc tính vôn - giây):
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

18


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

- Trị số điện áp phóng điện xung kích 50%, còn gọi là điện áp phóng điện bé
nhất (ký hiệu U50 %), là biên độ sóng xung kích khi cho tác dụng nhiều lần sẽ có
50% số lần xảy ra phóng điện. Trị số này ứng với đoạn nằm ngang của đờng đặc
tính vôn - giây và có thời gian phóng điện khoảng (6ữ10)s.
- Cờng độ xung kích đảm bảo: là giới hạn an toàn của cách điện với xác suất
phóng điện bằng không thờng bé hơn điện áp thí nghiệm xung kích khoảng
(10ữ30)%.
- Cần chú ý là các đờng đặc tính và tham số nói trên có phân biệt theo cực
tính của sóng (sóng có cực tính âm hay dơng). Đờng đặc tính vôn - giây cũng có
dạng khác nhau khi trờng là đồng nhất hoặc không đồng nhất.

Trong trờng không đồng nhất, thời gian phóng điện tăng khi điện áp giảm vì
tốc độ hình thành phóng điện giảm thấp do đó đờng đặc tính vôn giây có độ dốc
lớn (đờng a).
Trong trờng đồng nhất, thời gian phóng điện
U
tăng khi điện áp giảm chủ yếu là do thời gian chậm
trễ thống kê tăng, do đó nếu khe hở đợc đặt ngoài
(a)
không khí (các điện tử tự do luôn có sẵn do tác dụng
(b)
t
của các nhân tố ion hoá bên ngoài) hoặc có các biện
Đặc tính vôn giây khi trờng
đồng nhất và không đồng nhất
pháp thích hợp, thời gian chậm trễ thống kê sẽ đợc
a) Trờng không đồng nhất
rút ngắn vì vậy đờng đặc tính vôn - giây sẽ có dạng
b) Trờng đồng nhất
phẳng ngang (đờng b).
Đờng đặc tính vôn - giây có ý nghĩa rất quan trọng trong việc phối hợp cách
điện giữa thiết bị điện và thiết bị bảo vệ cho nó.
ở hình vẽ: đặc tính vôn - giây của thiết bị (của cách điện) biểu thị bằng đờng s1
và của thiết bị bảo vệ bằng đờng s2.
U
Có thể nhận thấy ở hình (a) thiết bị U
điện sẽ đợc bảo vệ an toàn vì khi có điện
s1
s1
áp tác dụng, thiết bị bảo vệ (s2) sẽ đảm bảo
s2

s2
phóng điện trớc tiên, còn ở hình (b) khi
t
t
(a)
(b)
đờng s1 có giao chéo với đờng s2, hoặc
Sự phối hợp về đặc tính vôn-giây trong
đờng s1 lại nằm phía dới đờng s2 thì
bảo vệ cách điện
a)
Cách
điện
để bảo vệ an toàn.
thiết bị điện sẽ không đợc bảo vệ.
b) Cách điện không đợc bảo vệ.

_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

19


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Do đó để bảo đảm an toàn cho cách điện, thiết bị bảo vệ cần phải có đờng
đặc tính vôn - giây hoàn toàn nằm dới đờng đặc tính vôn - giây của cách điện và
có dạng phẳng ngang để không xảy giao chéo ở khoảng thời gian bé, thực tế thờng
dùng các biện pháp làm đều điện trờng để thiết bị bảo vệ có đặc tính vôn - giây

theo yêu cầu trên .
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.
* Để giải thích cơ chế đánh thủng chất lỏng ngời ta đa ra 2 lý thuyết:
- Lý thuyết nhiệt: (áp dụng với các điện môi lỏng kỹ thuật) gắn sự đánh
thủng điện môi lỏng với sự quá nhiệt cục bộ và sự sôi cục bộ trong chất lỏng và sự
nổi bọt ở những chỗ có lợng tạp chất nhiều nhất dẫn đến việc tạo thành 1 cầu bằng
khí giữa các điện cực.
Khi điện áp tác dụng tăng lên thì lúc đầu sẽ có sự ion hoá trong các bọt khí,
ở phần bọt khí có nhiệt độ và độ dẫn điện tăng, dới tác dụng của trờng nó
sẽ bị kéo dài ra và gây nên phóng điện giữa 2 cực.
- 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.
VD: dầu máy biến áp không sạch có Ebđ 4KV/mm; sau khi lọc sạch cẩn
thận có Ebđ 20 ữ 25 KV/mm
* Xác định điện áp đánh thủng:
+ Trờng hợp điện trờng đồng nhất hoặc gần đồng nhất (2 điện cực phẳng
hoặc điện cực trụ và điện cực phẳng): Uđt = 40a + 25, KV với a là khoảng cách giữa
2 điện cực. Biểu thức này đúng với a = 3 ữ 40cm và bán kính điện cực trụ > 2,5cm
+ Trờng hợp điện trờng rất không đồng nhất (giữa 2 điện cực nhọn):
Uđt = 40 3 a 2 , KV.

_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

20


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

+ Trờng hợp điện cực nhọn và điện cực phẳng:
3
19. a 4 ,

Uđt =
KV với a = 3 ữ 20 cm.
* 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.
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.
+ áp 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 vì sau mỗi lần
phóng điện sẽ sinh ra muội khói trong mẫu thử.
d. Sự đánh thủng điện hoá:
Có ý nghĩa đặc biệt quan trọng khi nhiệt độ và độ ẩm không khí cao. Dạng
đánh thủng này có thể thấy ở U1c và Uxc tần số thấp khi quá trình điện phân phát
triển trong vật liệu làm cho điện trở cách điện bị giảm và không hồi phục đợc.
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)
trong đó sự già hoá là do quá trình ion hoá các bọt khí còn lẫn trong nó. Quá trình
này gắn liền với sự giải thoát khí ôzôn và ô xít nitơ làm cho chất cách điện bị phân
huỷ hoá học dần dần. Gần đây ngời ta cho rằng hiện tợng hoá già còn có thể xảy
ra ở 1 số điện môi vô cơ. (Gốm Titan...)
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

21


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

Quá trình phát triển của sự đánh thủng điện hóa cần thời gian dài vì nó liên
quan tới hiện tợng dẫn điện. Hiện tợng này làm cho 1 lợng nhỏ các hoạt chất
hoá học thoát ra hoặc hình thành nên các hợp chất bán dẫn.
Trong gốm chứa các ô xít kim loại có hoá trị biến đổi (TiO2) sự đánh thủng
điện hoá thờng gặp hơn trong gốm có các ô xít nhôm, silic, magiê...

Sự có mặt của các ôxit kiềm trong gốm nhôm silicat tạo điều kiện để đánh
thủng điện hoá và hạn chế nhiệt độ làm việc cho phép. Vật liệu chế tạo điện cực có
tác dụng lớn đối với hiện tợng đánh thủng điện hoá quan sát ở điện áp 1 chiều và
xoay chiều tần số thấp trong điều kiện nhiệt độ cao hay không khí có độ ẩm cao.
Bạc có khả năng khuếch tán vào gốm làm cho sự đánh thủng điện hoá thêm
dễ dàng. Vàng thì ngợc lại.
1.3.3 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.
- Những tác dụng cơ học trong quá trình chế tạo, quá trình vận hành cũng
ảnh hởng đến sự hoá già của vật liệu cách điện.
* Những quá trình hoá học chủ yếu gây nên sự hoá già của vật liệu cách điện:
- Sự ôxy hoá: ôxy hoá làm cho trong vật liệu cách điện sinh ra những hoá
chất mang tính axit, những chất này làm suy giảm tính chất điện của cách điện và
đẩy nhanh quá trình hoá già bằng tác dụng xúc tác. Những sản phẩm của quá trình
_____________________________________________________________________________

Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

22


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

ôxy hoá dễ bay hơi sinh ra, và khi chúng thoát đi thì gây nên sự co ngót của cách
điện.
- Sự trùng hợp: Chủ yếu trong nhựa tổng hợp. Sự trùng hợp tiếp tục xảy ra cả
trong quá trình hoá già, tính chất điện nhờ đó đợc cải thiện nhng tính cơ học lại
giảm mạnh (vật liệu giòn hơn) từ đó những thông số điện bị suy giảm theo.
- Sự khử trùng hợp: chỉ xảy ra mạnh ở nhiệt độ cao. Nó gây nên sự đứt vụn
của những dây chuyền phân tử, làm cho những thông số điện và cơ của vật liệu bị
suy giảm nhanh chóng. Nhiệt độ nóng chảy của cách điện bị giảm. sự khử trùng
hợp có thể xảy ra khi có và không có ôxy.
- Sự thuỷ phân: những phân tử nớc làm cho cấu trúc của phân tử bị lỏng
lẻo, vật liệu sẽ kém chịu đựng hơn đối với những tác dụng hoá học và dễ bị khử
trùng hợp.
- Sự bay hơi: Những sản phẩm làm mềm hoặc dễ bay hơi còn lại trong vật
liệu khi thoát đi sẽ làm cho vật liệu bị giòn, bị co ngót, do đó tính chất cơ bị suy
giảm.
- Sự đánh thủng nhiệt: Sự đánh thủng điện nhiệt (đánh thủng nhiệt) thực
chất là sự nung nóng vật liệu trong điện trờng đến nhiệt độ làm vật liệu bị nứt
phồng hoặc phá huỷ nhiệt, liên quan tới sự tăng quá mức điện dẫn rò hoặc tổn thất
điện môi.
Trị số điện áp xảy ra đánh thủng nhiệt và cờng độ đánh thủng trung bình
của điện trờng tính theo điện áp đó có thể đặc trng cho vật cách điện chế tạo từ
điện môi đó.

Trái với đánh thủng điện vì cờng độ đánh thủng chỉ đặc trng cho bản thân vật
liệu.
- Trị số Uđt nhiệt liên quan tới tần số của trờng, điều kiện làm mát, nhiệt độ môi
trờng xung quanh và phụ thuộc vào tính chịu nhiệt của vật liệu.
Cùng điều kiện ngoài nh nhau thì điện môi hữu cơ có Uđt nhiệt thấp hơn
điện môi vô cơ vì độ bền nhiệt của chúng nhỏ hơn.
Để cho nhiệt độ của vật cách điện không vợt quá trị số tới hạn (nếu cao hơn
vật cách điện sẽ bị phân huỷ nhiệt) cần phải xác định đúng đắn điện áp cho phép.
Có rất nhiều cách để xác định tuy nhiên các phơng pháp tính toán nhiệt theo
phơng pháp phân tích trong hàng loạt trờng hợp không phản ánh hết các quy luật
phức tạp xác định quá trình toả nhiệt trong điện môi và toả ra môi trờng xung
quanh.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

23


Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

1.4. Chất điện môi
1.4.1. 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 đ
ờng 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 H2 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 H2 làm mát cho phép
tăng công suất và hiệu suất của máy điện. Tuy nhiên để tránh không khí lọt vào
máy (H2 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.
Khí điện (êlêga-SF6) có độ bền điện lớn hơn không khí 2,5 lần. Nó không
độc, chịu đợc tác dụng hoá học, không phân huỷ khi đốt nóng tới 800oC. Đặc biệt
ở áp suất cao êlêga có những u điểm rất lớn. Chỉ 1 lợng nhỏ êlêga lẫn vào không
khí cũng làm tăng độ bền điện của nó lên rất nhiều, điều đó đợc ứng dụng vào 1 số
thiết bị điện cao áp.
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. Một
số khí là các hyđrôcacbon flo hoá (CF4, C2F6 - hecxafloetan) cũng có độ bền điên
cao hơn không khí.
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

24

Giáo trình : v t li u i n l nh
_____________________________________________________________________________

1.4.2 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.
Các bon có khả năng tạo ra các hợp chất hoá học với nhiều loại cấu trúc phân
tử rất khác nhau. Nó tham gia vào sự tạo thành các chất có khung phân tử hình
chuỗi xích, hình nhánh hoặc mạch vòng. Khung ấy chỉ gồm có các nguyên tử các
bon hoặc là có các nguyên tố khác dính vào giữa các nguyên tử các bon đó.
Cấu trúc phân tử có ảnh hởng chính đến những tính chất của các chất hữu
cơ. Một số vật liệu cách điện hữu cơ là những chất thấp phân tử (số nguyên tử hình
thành phân tử là 1 vài đến hàng trăm) VD: các hyđrôcacbon của dầu mỏ, Xôvôn. Đa
số là chất cao phân tử: số lợng nguyên tử rất lớn (1 phân tử có hàng chục ngàn
nguyên tử) VD: các polime
Khối lợng phân tử của các chất này rất lớn và kích thớc hình học của chúng lớn
đến mức không hoà tan đợc hoặc hoà tan thì dung dịch cũng giống hệ keo.
- 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: cấu trúc phân tử hình chuỗi xích. Loại này khá mềm,
co giãn tốt. Khi nhiệt độ tăng lên vừa phải thì chúng hoá dẻo sau đó nóng chảy.

Chúng dễ hoà tan trong nhiều loại dung môi thích hợp, có khả năng tạo ra các sợi
mảnh, dẻo và bền có thể tạo ra các sản phẩm dệt và màng mỏng.
- Pôlime không gian: cấu trúc phân tử phát triển theo nhiều hớng khác nhau.
Chúng chỉ hoá dẻo ở nhiệt độ cao và có khi cha đạt tới nhiệt độ hoá dẻo thì nhiều
loại đã bị phá huỷ về mặt hoá học (cháy, phồng lên...), khó hoà tan trong dung môi,
có loại không thể hoà tan đợc. Chúng cũng không thể tạo ra sợi dệt và màng mỏng
đợc.
* Theo tính chất nhiệt:
_____________________________________________________________________________
Khoa điện-Trung C p Ngh Bỡnh Thnh

25