Ứng dụng của sứ cách điện

(2)

I. Tính chất và phân loại vật liệu cách điện

1) Tính chất cơ, lý, hóa của điện môi (

 Định nghĩa: khả năng của vật liệu cách điện chịu đựng không bị hưhỏng trong thời gian ngắn cũng như lâu dài dưới tác động của nhiệt độcao và sự thay đổi đột ngột nhiệt độ

 Độ bền nhiệt của điện môi vô cơ: là điểm bắt đầu biến đổi tính chấtđiện (ví dụ: tan tăng rõ rệt hay điện trở suất giảm)

 Độ bền nhiệt của điện môi hữu cơ: là điểm bắt đầu biến dạng cơ học

kéo hoặc uốn hoặc theo độ lún sâu của kim loại dưới áp lực khi nungnóng điện môi

 Độ bền nhiệt của điện môi lỏng: được xác định bằng nhiệt độ chớpcháy là nhiệt độ của chất lỏng mà khi nung nóng đến nhiệt độ đó, hỗn

 Theo tiêu chuẩn IEC, vật liệu cách điện được phân theo 7 cấp độ chịu nhiệt

Ký hiệu cấp chịu nhiệt Nhiệt độ làm việc lớn nhất
cho phép (oC)

b) Độ dẫn nhiệt (W/m.K)

lượng tỏa ra do hiệu ứng

Joule, do tổn hao lõi thép, do tổn hao điện môi): Nhiệt

lượng dễ dàng truyền qua vật liệu cách điện

 Độ dẫn nhiệt thấp: nhiệt lượng tỏa ra do các tổn hao khó truyền qua vật liệu cách điện  quá nhiệt  phóng điện đánh thủng cách điện do

l

 Cơng suất truyền nhiệt

)

(W

A

l

T

k

P



2) Tính chất điện của vật liệu cách điện

 Độ bền điện (kV/mm): khả năng chịu đựng cường độ điệntrường lớn nhất của vật liệu mà khơng bị phóng điện đánh thủng Tổn hao điện môi

3) Phân loại vật liệu cách điện

 Theo trạng thái vật chất: khí, lỏng và rắn (thơng dụng)

II. Vật liệu cách điện khí

 Vật liệu cách điện khí phổ biến và dễ tìm thấy nhất là khơng khí Ứng dụng của khơng khí:

- Cách điện chủ yếu của các đường dây truyền tải trên không- Cách điện của các thiết bị điện làm việc trong khơng khí- Phối hợp với các chất cách điện rắn và lỏng

* Chú ý: tuy nhiên sự xuất hiện bọt khí trong cách điện rắn làm phát sinh phóng điện cục bộ  phá hủy cách điện từ từ

 Một số chất khí khác được sử dụng làm chất cách điện như: N2,
CO2, SF6…

 Các chất khí khác nhau có đặc tính vật lý khác nhau

Đặc tính Khơng

khí

N2 CO2 H2 SF6

Tỷ trọng 1 0,97 1,52 0,07 5,2

Nhiệt dẫn suất

1 1,08 0,64 6,69

Hệ số tỏa nhiệt từ vật rắn sang khí

1 1,03 1,13 1,61

Độ bền điện

1 1 0,9 0,6 2,5

Độ bền điện caoKhả năng làm

mát, giảm ma sát caoKhả năng chống

cháy và chống oxy hóa cao

III. Vật liệu cách điện rắn

 Vật liệu cách điện rắn được dùng làm cách điện chính trong cácthiết bị điện như: cáp điện lực, máy phát điện, máy biến áp đolường

 Khi kết hợp với cách điện lỏng và khí, vật liệu cách điện rắn còndùng để:

- Làm vật liệu kết cấu trong đường dây truyền tải trên không,máy biến áp điện lực và máy cắt

- Vỏ cách điện chứa chất lỏng hoặc khí

Clamping plate

Tube

Cylinder

Angle ring

Moulded lead exit

Clamping plate Snout Spacer block Cap Metalized stress ring

Paper wrap around copper wire

 Kết cấu cách điện trong của máy biến áp điện lực

 Yêu cầu của vật liệu rắn làm cách điện:

o Độ bền điện caoo Độ dẫn nhiệt cao

o Tổn hao điện môi thấpo Dễ chế tạo và lắp đặto Rẻ tiền

o Khó cháy

o Khơng giải phóng khí độc khi cháy

 Phân loại chất cách điện rắn

Hữu cơ Vô cơ

Polymer tổng hợp
Nhựa nhiệt

dẻo

Nhựa nhiệt
cứng

Sợi bông Amiăng PE Bakelite

Giấy Gốm, sứ PP Nhựa epoxy

Giấy ép Thủy tinh PS Polyester

Cao su Mica PVC

Gỗ PTFE

2) Polymer

 Polymer là những hợp chất mà phân tử của chúng gồm nhữngnhóm nguyên tử được nối với nhau bằng liên kết hoá học và lặp di lặp lại nhiều lần tạo thành những mạch dài và có khốilượng phân tử lớn

 Polymer có nguồn gốc tự nhiên (cao su, cellulose, …) hoặctổng hợp (PVC, PE…)

 Đặc tính của polymer (nhựa):

o Trọng lượng thấp

o Nhiều màu sắc (pha màu)o Độ dẫn nhiệt thấp

o Độ dẫn điện thấp

o Dẻo dai

o Độ bền điện cao

o Khả năng kháng hóa chất cao

o Độ bền cơ cao hơn kim loại nếu được gia cường

 Phân loại nhựa: nhựa nhiệt dẻo và nhựa nhiệt cứng (rắn)

o Nhựa nhiệt dẻo: sẽ hóa dẻo khi gia nhiệt và dễ dàng gia côngbằng phương pháp đúc khuôn hoặc ép đùn (PE, PP, PS vàPVC)

 Polymer = poly (nhiều) + mer (phần, đơn vị).

 Đơn vị nhỏ gọi là monomer

 Tổng số đơn vị nhỏ gọi là độ polymer hóa (n)

 Polymer được điều chế bằng phản ứng trùng hợp hoặc trùng ngưng (có tạo ra chất mới-ví dụ như nước)

 Trùng hợp từ 1 loại monomer gọi là homopolymer

 Trùng hợp từ 2 loại monomer gọi là copolymer  tính chất polymer phụ thuộc vào các monomer và sự sắp xếp các

c) Hình dáng mạch polymer

 Mạch polymer là đường gãy khúc và dích dắc trong không gian được chia thành 04 loại

Mạch thẳng Mạch nhánh

Nhựa nhiệt

dẻo Van der waal

Crosslinked polymer

(cao su lưu hóa, XLPE)

d) Nhựa nhiệt dẻo (Thermal plastic)

 VD: PE, PVC, PP…

 Các mạch phân tử được sắp xếp vào các vùng tinh thể và các vùng vô định hình

 Trong vùng vơ định hình, các mạch phân tử sắp xếp không

theo trật tự nhất định được liên kết với nhau bằng các lực thứ cấp yếu (Van der waal)  Nhựa nhiệt dẻo bị chảy khi gia nhiệt và được tạo hình mới.

 Tính chất nhiệt

Tg: nhiệt độ thủy tinh hóa
Ts (TP, Tm): nhiệt độ nóng chảy

A: polymer vơ định hìnhB: polymer bán tinh thểC: polymer tinh thể

-Thể tích riêng tăng khi nhiệt độ tăng

- Thể tích riêng phụ thuộc mức độ tinh thể hóa của polymer

Rắn

 Tính chất cơ (đường cong ứng

suất-độ giãn dài tương đối)

 =l/l (%)

* Giai đoạn chảy nguội:

 = 10-1000%

Biến dạng

đàn hồi Biến dạng đàn hồiChảy nguội

Phá hủy

PE PVC PP TEFLON
 (cm) >1016 1014-1016 1017 >1018

EBD (kV/cm) 170-280 200 230 200

r 2,3 3-3,3 2,2 2,0

Tan  0,0002 0,015-0,02 0,0003-0,0004

<0,0002

Tm (oC) 120 80 165 327

d) Nhựa đàn hồi nhiệt dẻo (Elastomer)

 Thể hiện tính đàn hồi giống cao su

 Giống nhựa nhiệt dẻo khi tồn tại các chuỗi phân tử dài

 Khác nhựa nhiệt dẻo ở điểm là có chứa một số liên kết ngang
giữa các chuỗi phân tử

 Không bị chảy lỏng khi gia nhiệt, chỉ chuyển sang trạng thái mềm

 Do có liên kết ngang nên các chuỗi phân tử khó trượt lên nhau khi gia nhiệt  Độ bền nhiệt cao

* XLPE (crosslinked polyethylene- PE liên kết ngang)

PE XLPE

 (cm) 1016 1016

EBD (kV/mm) 20 20

r 2,3 2,3

Tan  0,0002 0,0004

Nhiệt trở
(oC.cm/W)

400 400

Nhiệt độ làm việc
(oC)

65 90

Nhiệt độ chịu đựng 125 250

 Đặc tính điện của XLPE tương tự PE Độ bền nhiệt của XLPE cao hơn PE

* Cao su silicone

 Nhẹ hơn sứ Ít nứt

 Khơng dính nước ( chứa nhóm Si-O-Si)

 Độ chịu mài mịn cao Điện trở suất mặt cao ở môi trường ô nhiễm

 Độ bền nhiệt cao

* Cao su EPDM

 Tên hóa học: ethylene propylene diene monomer Đặc tính cách điện tốt

 Khơng dính nước Dẻo

 Trọng lượng riêng thấp hơn nước

 Khả năng kháng corona (kháng ozone)

 Ứng dụng: cáp điện lực, cách điện trên không

Ethylene Propylene

Thuộc tính Cao su silicone EPDM

 (m) >1013 1014

EBD (kV/mm) 20 19,7-31,5

r 3,0-3,6 2,5-3,5

Tan  0,005 0,007

Nhiệt độ làm việc cực đại
(oC)

200 177

Trọng lượng riêng 1,15-1,55 0,85

Khả năng kháng nước Tốt Rất tốt

Khả năng chống cháy Kém Kém

Khả năng kháng Ozone Rất tốt

E) Nhựa nhiệt cứng
* Keo epoxy (Keo AB)

 Bao gồm 2 thành phần: nhựa epoxy và chất đóng rắn

 Nhựa epoxy (epoxy resins) là một loại polymer ở dạng lỏng mà trênmạch có các nhóm "epoxy" ở cuối mạch, khi được khâu mạng bằng chấtđóng rắn thì chúng là một loại nhựa “nhiệt rắn”

 Tỉ lệ chất đóng rắn càng cao thì thời gian đóng rắn càng ngắn, độ cứngcủa hỗn hợp sau đóng rắn càng cao và dễ nứt

 Đặc tính cách điện tương đối tốt, độ bền cơ cao, khả năng chống thấmkhá

mạch phân tử nhựa epoxy

Chất đóng rắn

Máy biến áp khô

được phủ epoxy Vỏ bọc bằng

* Polyesters

 Mạch phân tử có chứa nhóm chức ester.

 Chia làm 2 loại: bão hịa (chỉ chứa nối đơn) và khơng bão hịa (cóchứa nối đơi)

 Polyester bão hịa: sản xuất sợi (dệt vải, đan thành tấm cách điện) vàtạo màng mỏng (lớp emay của dây điện từ)  nhiệt dẻo

* Bakelite

 Là sản phẩm trùng ngưng của phenol và formaldehyde

 Tên gọi “dân gian”: phíp nhựa

 Điện trở suất cao, chịu nhiệt tốt, chống mài mòn tốt

3) Thủy tinh và sứ cách điện

 Ứng dụng: cách điện ngoài trời, cách điện ngoài của sứ xuyên Cách điện ngoài trời phải có khả năng chịu đựng tác động của:

- Tia UV- Trời mưa- Tuyết

- Ơ nhiễm

- Phóng điện bề mặt- …

 Thủy tinh và sứ cách điện có một số đặc điểm giống nhau:

o Được sản xuất từ các loại oxít vơ cơ khác nhau (SiO2, Al2O3,
Na2O…)

o Cần nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất (700-1200oC)
o Độ bền cơ cao, cứng và giòn

o Khả năng kháng thời tiết tốt
o Đặc tính cách điện tốt

Đặc điểm Thủy tinh Sứ

Quá trình sản xuất Định hình bằng quá trình cán, ép và thổi ở nhiệt độ nóng

chảy

Định hình trong khn và liên kết các phần tử bằng quá trình Sintering hoặc quá trình nóng chảy của các hợp chất tạo pha rắn giữa các phần tử

Cấu trúc Vơ định hình, đồng nhất, trong suốt

Tinh thể siêu nhỏ, không đồng nhất, nhiều pha

 Quá trình sintering: quá trình thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn

 Nhược điểm của Thủy tinh và Sứ cách điệno Giòn

o Khả năng kháng sốc nhiệt thấpo Độ bền kéo khá thấp

o Mũ sứ và lõi được liên kết vào sứ cách điện bằng ximăng đặc biệt

a) Thủy tinh

 Thủy tinh là một chất rắn vô định hình đồng nhất có chứa gốc
silicat (SiO2) và bị chảy dẻo khi đun nóng

 Qui trình sản xuất: đun chảy cát ở nhiệt độ cao (2300oC khơng cóoxit kiềm, 1400oC có oxit kiềm) sau đó định hình và làm nguội

 Ngoài oxit SiO2, các oxit như: B2O3, PbO, Al2O3, Na2O, K2O,BaO… được pha trộn vào thủy tinh để có tính chất mong muốn

 Nhóm oxit kiềm (Na2O, K2O) làm tăng độ dẫn điện của thủy tinh Đối với thủy tinh dùng trong cách điện cao áp, nồng độ các oxitnày được hạn chế dưới 0,8%.

 Thủy tinh cường lực được sản xuất bằng cách đun nóng ở nhiệt độcao (700oC) và làm lạnh nhanh bề mặt  bề mặt kính sẽ trở nêncứng trong khi phần bên trong kính cịn ở thể dẻo. Phần bên trongsẽ từ từ nguội và co lại  sinh lực nén lên bề mặt ngoài và lực kéobên trong  hạn chế phát sinh vết nứt

 Khi lực kéo tác động lên thủy tinh chịu lực, bề mặt của nó vẫn cóthể chịu nén trong khi phần bên trong chịu kéo  khi bị vỡ,Kính vùng

Thơng số Thủy tinh Sứ cách điện
 (m) 1014-1022 1014-1015

EBD (MV/cm) 3-5 0,1-0,3

r 3,7-10 6-7

Tan  0,004-0,02 0,015-0,02

Khối lượng
riêng(g/cm3)

2,2-6 2,3-2,5

Bảng 2. Các thơng số của thủy tinh và sứ cách điện

Kính thườngKính chịu

 Thủy tinh loại E (alumino-borosilicate glass với nồng độ kiềm < 2%) được sử dụng để sản xuất sợi thủy tinh nhằm gia cường cho vật liệu composite

 Trong vật liệu composite, sợi thủy tinh được xử lý bề mặt với
silane (SiH4) để bám chặt vào nền polymer

 Nguyên lý gia cường polymer bằng sợi thủy tinh:

o Xem như sự gắn kết giữa sợi thủy tinh và nhựa nền là hoànhảo

o Độ giãn dài tương đối () dưới tác động của ứng suất kéo ()sẽ như nhau cho cả sợi và nhựa nền

o Theo định luật Hook:







E

.

Module đàn hồi

g
g
g
p

E

E

E

E

















Mà:





g

E

E



15 

30

sẽ lớn gấp 1530 lần ứngsuất trong nhựa nền





g







15 

30

b) Sứ cách điện

 Được chế tạo từ đất sét trắng, khoáng thạch anh (SiO2) và khống fenspat (chứa Na, K…)

 Q trình sản xuất:

o Lọc sạch tạp chất, nghiền, nhào với nước thành một chất đồng nhất

o Tạo hình: ép đùn, đổ khn, tiện mặt ngồi…
o Sấy khơ để loại nước

o Tráng men

o Nung thiêu kết: fenspat bị nóng chảy tạo pha thủy tinh sẽ lấp kín các lỗ trống giữa các hạt đất sét và thạch anh và liên kết chặt chẽ các hạt đó lại với nhau

4) Mica

 Phần lớn Mica dùng để cách điện có nguồn gốc vơ cơ tự nhiên

dưới dạng tinh thể khống aluminum silicate

(K2O.3Al2O3.6SiO2.H2O)

 Mica là vật liệu có những tính năng đặc biệt như: độ bền điệnvà độ bền cơ cao, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt, tổn hao điệnmơi thấp, kháng phóng điện cục bộ tốt

 Mica tổng hợp có thể được sản xuất với các thành phần tươngtự như mica tự nhiên

 Ứng dụng: cách điện cho máy điện có điện áp cao và cơng suấtlớn (máy phát, động cơ…), cách điện cho các phiến đồngtrong cổ góp máy điện…

 Mica vụn và bột mica được sử dụng làm chất độn trong thủytinh hoặc epoxy để tăng độ bền điện, độ bền nhiệt và giảm tổnhao điện môi

Thông số Tự nhiên Nhân tạo
 (m) 1015-1017 1015-1017

EBD (MV/mm) 1 1

r 6,5-8,7 6,5

Tan  0,03

Nhiệt độ làm việc
tối đa (oC)

540 980

5) Giấy tẩm dầu

 Giống thủy tinh và sứ, giấy là vật liệu cách điện truyền thống Ưu điểm:

o Dễ dàng quấn quanh dây dẫn có hình dáng bất kỳ

o Dưới dạng giấy ép, giấy cách điện có thể được sản xuất vớichiều dày lớn và nhiều hình dạng

o Dễ tẩm dầu

o Tương thích với dầu khống

o Đặc tính điện, cơ và nhiệt tốt (chọn lựa duy nhất choMBA)

 Nhược điểm:

o Cần q trình tẩm dầu
o Nối cáp phức tạp

o Đặc tính điện bị suy giảm bởi hơi ẩm

o Tổn hao điện môi giới hạn điện áp của cáp giấy-dầu ở mức500 kV

 Giấy cách điện có nguồn gốc từ cellulose và phổ biến dưới tênthương mại là Kraft paper

 Do giấy cách điện rất háo nước nên phải sấy và tẩm dầu.

 Giấy cách điện được sản xuất dưới dạng giấy cuộn, bìa ép và bìacứng (chứa nhựa epoxy)

IV. Vật liệu cách điện lỏng

1) Các loại chất lỏng cách điện

 Dầu mỏ cách điện (dầu máy biến áp, dầu tụ điện, dầu cáp điện) Các loại chất lỏng cách điện khác (dầu silicone, ester tổng hợp và

 Cách điện  Làm mát

2) Dầu máy biến áp

a) Chức năng

 ASTM D3487-88(93)

 IEEE Guide C57.106-1991 IEC 296

c) Yêu cầu về đặc tính của dầu

Quan trọng:

 Độ nhớt thấp

 Nhiệt độ đông đặc thấp Nhiệt độ cháy cao

 Độ ổn định hóa học cao Độ bền điện cao

Kém quan trọng:

 Nhiệt dung riêng cao Độ dẫn nhiệt cao

 Điện trở suất lớn Tỷ trọng thấp

 Dầu máy biến áp được trích lọc từ dầu thô qua nhiều côngđoạn xử lý vật lý và hóa học

 Dầu máy biến áp được cấu thành từ ba nhóm phân tửHydrocarbon chính.

o Alkanes: paraffins mạch thẳng hoặc nhánh

o Naphthenes: Alkanes vịng có một hoặc nhiều vịng bão hòa được tạo từ 5, 6 hoặc 7 nguyên tử carbon

o Aromatics or Polyaromatics: Hydrocarbon thơm có một hoặc nhiều nhân benzen

 Tỉ lệ giữa Alkanes và Naphthenes trong phân tử dầu phụ thuộc vào vị trí địa lý của các mỏ dầu thô

f) Cấu trúc phân tử dầu điển hình

 Thành phần Paraffinic và Naphthenic chi phối tính chất vật lý củadầu (tỷ trọng, độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ cháy)

i) Đặc tính vật lý

 Độ nhớt

o Thơng số quan trọng để tính tốn truyền nhiệt

o Quyết định khả năng thẩm thấu vào giấy cách điện hoặc khả năng điền đầy dầu vào các khe hở

 Nhiệt độ đông đặc: dưới nhiệt độ này thì dầu khơng chuyển động được

j) Đặc tính hóa học

 Khả năng chống oxi hóa

o Nếu dầu bị Oxi hóa  tạo cặn bao phủ cuộn dây, lõi thép, vỏ máy, khe dẫn dầu  ngăn cản chuyển động dầu đối lưu  giảm hiệu suất truyền nhiệt  gây quá nhiệt  tăng quá trình tạo cặn và axít  thúc đẩy q trình lão hóa dầu và cách điện rắn  gây phóng điện  MBA bị hư

sớm.

o Yêu cầu: khả năng chống oxi hóa cao

 Tác hại của axít hữu cơ

o Gây ăn mịn và tăng thối hóa cách điện rắn

 Tác hại của lưu huỳnh hoặc axít sulphuric

o Ăn mịn cuộn dây và lõi thép

 Tác hại của nước

k) Đặc tính điện

 Độ bền điện (khả năng chịu được giá trị cường độ điện trường
lớn nhất mà khơng bị phóng điện, kV/mm)

- Thông số đặc trưng cho chức năng cách điện của dầu Hệ số tổn hao điện môi và điện trở suất

 Tiêu chuẩn độ bền điện của dầu máy biến áp

Điện áp làm việc
(kV)

Điện áp phóng điện trên khe hở 2,5 mm

Dầu mới Dầu đang vận hành

6 25  20

35 30  25

110 và 220 40  35

330 50  45

l) Chất phụ gia

 Chất chống oxi hóa: cải thiện khả năng chống oxi hóa của dầu (ví dụ: Butyl phenol)

 Chất hạ nhiệt độ đơng đặc:

m) Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình lão hóa dầu

 Nhiệt độ (điểm q nhiệt)

 Oxy

 Phóng điện cục bộ Acid

Dầu mớiDầu cũ

n) Nhược điểm của dầu máy biến áp

 Nguồn dầu thơ ngày càng cạn kiệt

 Khơng phân hủy hồn tồn, thời gian phân hủy dài Không thân thiện môi trường

 Dễ cháy

 Dầu Silicone (chống cháy nổ)

 Ester tổng hợp (thân thiện môi trường) Ester tự nhiên (thân thiện môi trường)

a) Dầu silicone

 Dầu tổng hợp

 Tên hóa học: Polydimethylsiloxane
 Khả năng chống oxi hóa tốt

 Độ bền điện cao Khơng độc

 Khó cháy, nhiệt độ chớp cháy cao Giá thành cao

 Độ phân hủy rất thấp Tính bơi trơn kém

 Hợp chất có nguồn gốc từ thực vật

 Độ độc rất thấp

 Nhiệt độ chớp cháy rất cao (310oC)

 Đặc tính bơi trơn tốt  Phân hủy hồn tồn Giá thành cao

 Tên thương mại: Midel 7131 Ứng dụng trong MBA phân

phối tại nội ô và trong cao ốc

b) Ester tổng hợp

c) Ester tự nhiên

 Nguồn gốc từ dầu được trích ly từ hạt thực vật (hạt cải, hạt hướng dương...)

 Hồn tồn khơng độc

 Nhiệt độ chớp cháy cao (330oC)

 Độ ổn định hóa học cao  Hoàn toàn phân hủy

 Giá thành thấp hơn so với ester tổng hợp Độ nhớt cao hơn dầu máy biến áp

 Háo nước

 Độ ổn định chống oxi hóa thấp

 Tên thương mại: Envirotemp FR3, BIOTEMP