(2)
I. Tính chất và phân loại vật liệu cách điện
1) Tính chất cơ, lý, hóa của điện môi (
đọc tài liệu) 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
(3)
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)
(4)
b) Độ dẫn nhiệt (W/m.K)
Đặc trưng cho khả năng tải nhiệt của vật liệu cách điện Độ dẫn nhiệt lớn (nhiệt
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
Với
(5)
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
(6)
3) Phân loại vật liệu cách điện
Theo trạng thái vật chất: khí, lỏng và rắn (thơng dụng)
(7)
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…
(8)
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
(9)
(10)
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
(11)
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
(12)
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
(13)
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
(14)
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…)
(15)
(16)
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
(17)
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)
(18)
Polymer = poly (nhiều) + mer (phần, đơn vị).
Đơn vị nhỏ gọi là monomer
Tổng số đơn vị nhỏ gọi là độ polymer hóa (n)
(19)
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
(20)
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)
(21)
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.
(22)
(23)
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
(24)
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
(25)
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
(26)
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
(27)
* XLPE (crosslinked polyethylene- PE liên kết ngang)
(28)
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
(29)
* 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
(30)
* 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
(31)
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
(32)
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
(33)
mạch phân tử nhựa epoxy
Chất đóng rắn
(34)
(35)
Máy biến áp khô
được phủ epoxy Vỏ bọc bằng
(36)
* 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
(37)
* 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
(38)
(39)
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- …
(40)
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
(41)
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
(42)
Quá trình sintering: quá trình thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn
(43)
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
(44)
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%.
(45)
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
(46)
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
(47)
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
(48)
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
(49)
Mà:
pg
E
E
15
30
ứng suất trong sợi thủy tinhsẽ lớn gấp 1530 lần ứngsuất trong nhựa nền
pg
15
30
(50)
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
(51)
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)
(52)
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
(53)
(54)
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
(55)
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)
(56)
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)
(57)
(58)
(59)
(60)
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
(61)
Cách điện Làm mát
2) Dầu máy biến áp
a) Chức năng
ASTM D3487-88(93)
IEEE Guide C57.106-1991 IEC 296
(62)
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
(63)
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
(64)
(65)
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)
(66)
(67)
(68)
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
(69)
(70)
(71)
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
(72)
(73)
(74)
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
(75)
(76)
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
(77)
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:
(78)
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
(79)
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
(80)
Dầu Silicone (chống cháy nổ)
Ester tổng hợp (thân thiện môi trường) Ester tự nhiên (thân thiện môi trường)
(81)
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
(82)
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
(83)
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
(84)
(85)