Tìm hiểu chung về vật liệu cách điện Thể khí
Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kì quan trọng đối với kĩ thuật điện. Chúng được dùng để tạo ra cách điện bao quanh những bộ phận dẫn điện trong các thiết bị điện và để tách rời các bộ phận có điện thế khác nhau. Nhiệm vụ của cách điện là chỉ cho dòng điện đi theo những con đường trong mạch điện đã được sơ đồ quy định. Rõ ràng là nếu thiếu cách điện sẽ không thể chế tạo được bất kì thiết bị điện nào kể cả loại đơn giản nhất. Vật liệu cách điện dùng làm điện môi để tạo thành điện dung trong các tụ điện. Ngoài ra còn có các điện môi hoạt tính có tính chất điện điều chỉnh được(chất xetnhet, chất áp điện, điện châm…)
Tùy thuộc vào các trường hợp sử dụng vật liệu cách điện phải đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau. Ngoài những tính chất về điện đã được nghiên cứu thì những tính chất cơ, nhiệt, hóa học khác cũng như khả năng gia công các vật liệu để chế tạo những sản phẩm cần thiết cũng giữ vai trò to lớn. Vì vậy trong những trường hợp khác nhau phải chọn vật liệu khác nhau cho phù hợp, đảm bảo chất lượng thiết bị khi vận hành và đem lại hiệu quả kinh tế cao.
Theo trạng thái của vật chất người ta chia vật liệu cách điện thành các loại ở thể khí, lỏng và rắn. Vật liệu hóa rắn được phân vào nhóm đặc biệt. Ở thời điểm ban đầu khi đưa vào sản xuất chất cách điện thì chúng là chất lỏng nhưng sau đó khi chế tạo xong thì chúng ở thể rắn.
Theo bản chất hóa học của vật liệu có thể phân thành vật liệu cách điện hữu cơ và vô cơ. Có rất nhiều vật liệu hữu cơ có tính chất cơ học quý có tính dẻo và tính đàn hồi, chúng được chế tạo thành dạng sợi, màng mỏng và các sản phẩm có hình dạng khác nhau, do vậy hiện nay vật liệu được sử dụng rộng rãi trong thực tiễn. Vật liệu cách điện hữu cơ có độ bền nhiệt tương đối thấp. Ngược lại thì vật liệu cách điện vô cơ không có tính dẻo và đàn hồi, chúng thường giòn, công nghệ gia công chế tạo khá phức tạp. Tuy nhiên các vật liệu cách điện vô cơ có độ bền nhiệt cao hơn nhiều so với vật liệu cách điện hữu cơ do đó chúng được dùng trong những trường hợp cách điện cần phải làm việc ở nhiệt độ cao. Dưới đây là nghiên cứu về vật liệu cách điện thể khí.
Vật liệu cách điện thể khí
Vật liệu cách điện thể khí đầu tiên phải nối đến không khí. Không khí được sử dụng rông rãi để làm cách điện chủ yếu của các đường dây tải điện trên không, cách điện của thiết bị điện làm trong không khí hoặc phối hợp các chất cách điện rắn và lỏng. Đối với cách điện của máy điện, cáp điện, máy biến áp, tụ điện…nếu quá trình tẩm không được cẩn thận sẽ còn có những bọt khí ở bên trong. Những bọt khí này làm giảm chất lượng cách điện vì khi cách điện làm việc dưới điện áp cao hay điện trường lớn bọt khí sẽ thành ổ phát sinh vầng quang, phát sinh ra nhiệt.
Cùng một điều kiện thí nghiệm như nhau(áp suất, nhiệt độ, độ ẩm, dạng cực, khoảng cách giữa các cực…)các chất khí khác nhau có cường độ điện trường cách điện khác nhau. Nếu lấy cường độ cách điện của không khí là một đơn vị thì các tính chất và cường độ cách điện của một số chất khí thường dùng trong kỹ thuật cho ở bảng dưới đây.
Các đặc tính tương đối
Không khí
Nitơ
(N2)
Cacbonnic
(CO2)
Hydro (H2)
Tỷ trọng
Nhiệt dẫn suất
Tỷ nhiệt
Hệ số tỏa nhiệt từ vật rắn sang khí
Độ bền điện
1
1
1
1
1
0,97
1,08
1,05
1,03
1
1,52
0,64
0,85
1,13
0,9
0,07
6,69
14,35
1,61
0,06
Theo bảng trên ta thấy so với không khí thì cường độ cách điện của chất khí đều kém hơn. Song Nitơ(N2) đôi khi được dùng thay cho không khí để lấp đầy các tụ điện khí hay trong các thiết bị điện khác vì nó có đặc tính gần giống với không khí lại không chứa ôxy là chất có thể gây ôxy hóa các vật liệu khi tiếp xúc với nó. Hiện nay, có một số chất khí chủ yếu là hợp chất halogen có khối lượng phân tử và tỉ trọng cao, năng lượng ion hóa lớn, có cường độ cách điện cao hơn hẳn so với không khí. Ví dụ florua lưu huỳnh SF6 hay còn gọi là khí elegaz có độ bền điện lớn hơn không khí khoảng 2,5 lần.
Quan hệ giữa Uđt và áp suất của không khí(1) và khí Êlêgaz(2) trong trường đồng nhất và khoảng cách cực s=3,8mm
Trên hình cho các trị số điện áp đánh thủng(giữa hai điện cực phẳng để tạo nên điện trường không đồng nhất) của không khí và khí êlêgaz theo áp suất P. Êlêgaznặng hơn không khí năm lần, có nhiệt độ sôi(ở áp suất bình thường) là -640C(2090K) và trong nhiệt độ thường có thể nén tới 20at vẫn không hóa lỏng. Êlêgaz không độc, chịu được tác dụng hóa học, không bị phân hủy khi đốt nóng tới 8000C, có thể sử dụng trong tụ điện, cáp điện, máy cắt ở các cấp điện áp khác nhau…đem lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt có ưu điểm lớn khi ở áp suất cao.
Trong kỹ thuật điện thì khí hydro là khí nhẹ có đặc tính truyền dẫn nhiệt tốt nen được làm mát máy thay cho không khí trong các máy điện công suất lớn, làm giảm tổn thất công suất do ma sát của roto với chất khí và do quạt gió gây ra. Khi dung hydro sẽ làm giảm sự già hóa các chất cách điện hữu cơ trong dây quấn và loại trừ khả năng hỏa hoạn trong trường hợp bị ngắn mạch ở bên trong máy điện, đồng thời cải thiện điều kiện làm việc của chổi than. Do làm mát bằng khí hydro cho phép tăng công suất và hiệu suất làm việc của máy điện, người ta thường chế tạo các máy phất nhiệt điện và máy bù đồng bộ công suất lớn làm mát bằng khí hydro. Nhưng khí hydro dễ kết hợp với oxy theo tỷ lệ nhất định sẽ tạo ra hỗn hợp dễ nổ. Vì vậy để tránh nguy hiểm do không khí lọt vào máy cần phải duy trì áp suất trong máy cao hơn áp suất khí quyển hay không được để khí hydro tiếp xúc với không khí.
Lê Quang Thành – XTH