Một vật liệu cách điện điện có thể được định nghĩa là vật liệu không cho phép dòng điện đi qua nó.
Đối với các ứng dụng điện, một loại đặc biệt của vật liệu cách điện được sử dụng để cách ly về điện các bộ phận dẫn điện của thiết bị với nhau và với các thành phần nối đất và “không mang điện” của thiết bị và mạng lưới.
Vật liệu điện môi. Một điện môi là một vật liệu cách điện điện có thể được phân cực bởi một trường điện áp dụng (ký hiệu: E; đơn vị: volt trên mét – V/m). Khi một điện môi được đặt trong một trường điện, các điện tích không chảy qua vật liệu như chúng làm trong một vật dẫn, mà chỉ hơi dịch chuyển từ vị trí cân bằng trung bình của chúng gây ra sự phân cực điện môi, một ví dụ có thể được thấy trong Hình 1.
Do sự phân cực điện môi, các điện tích dương bị dịch chuyển về phía trường và các điện tích âm dịch chuyển theo hướng ngược lại, tạo ra một trường điện nội làm giảm tổng trường trong chính điện môi.
Sự khác biệt giữa Vật liệu Cách điện, Cách điện và Điện môi
Từ các tuyên bố trên, đã rõ ràng rằng tất cả các điện môi đều là chất cách điện, nhưng không phải tất cả các chất cách điện đều là điện môi.
Nói một cách rất đơn giản,
Chất cách điện hoặc Vật liệu cách điện:
là những chất sẽ không cho phép dòng electron chảy qua chúng do có rất ít electron tự do trong đó và chúng có hằng số điện môi thấp (Độ thẩm điện tương đối = εr). Nó giống như điện trở của một điện trở.
Ví dụ: Cách điện sứ được sử dụng trong các cột và tháp truyền tải & phân phối, cao su, thủy tinh, nhựa, v.v.
Điện môi hoặc Vật liệu điện môi:
là những chất giống như chất cách điện nhưng sẽ cho phép dòng electron chảy qua chúng khi chịu tác động của một trường điện ngoài vì chúng có thể bị phân cực. Nó cũng có thể được định nghĩa là khả năng lưu trữ điện tích (năng lượng) bằng cách phân cực như trong tụ điện. Ngoài ra, chúng có hằng số điện môi cao (Độ thẩm điện tương đối = εr).
Ví dụ: Một ví dụ phổ biến về điện môi là vật liệu cách điện điện nằm giữa các tấm kim loại của tụ điện, (như mica, giấy nhiều lớp). Ví dụ khác: không khí, gốm sứ, v.v.
Điều tốt là biết:
- Tất cả các điện môi đều là chất cách điện, nhưng không phải tất cả các chất cách điện đều là điện môi.
- Mọi thứ đều là chất dẫn điện ở một mức độ nhiệt độ hoặc trường điện nào đó do đánh thủng vì mọi chất cách điện đều có giới hạn chịu đựng hiệu điện thế qua vật liệu
Các loại Vật liệu điện môi
Vật liệu điện môi được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị và mạng lưới điện, phổ biến nhất là các loại được chỉ ra trong Bảng 1,
Ứng dụng của Vật liệu điện môi
Một ứng dụng chính cho vật liệu vô cơ là trong các thiết bị trạm biến áp cao và trung áp và đường dây trên không làm chất cách điện hoặc làm cổ cách điện trên máy biến áp và thiết bị đóng cắt cao áp.
Màng nhựa đã được sử dụng làm màng trong nhiều ứng dụng khác nhau như lớp cách điện giữa các lá kim loại trong tụ điện và cách điện rãnh trong máy điện quay.
Việc sử dụng phổ biến cho ống bọc cách điện mềm là bảo vệ cáp và linh kiện khỏi các tác động có hại của hư hỏng cơ học và nhiệt, và có thể tìm thấy ứng dụng trong máy điện, máy biến áp, thiết bị gia dụng và sưởi ấm, phụ kiện đèn, kết nối cáp (nối và đầu cuối) và thiết bị đóng cắt.
Nhựa và vecni được sử dụng bởi trong quá trình ngâm tẩm và phủ thiết bị điện (ví dụ như máy biến áp kiểu khô) để cải thiện khả năng chống chịu điều kiện làm việc, tăng cường đặc tính điện và kéo dài tuổi thọ làm việc.
Elastomer và nhựa nhiệt dẻo thường được sử dụng trong lớp cách điện của cáp điện, cáp điều khiển và cáp thông tin.
Ngày nay, công dụng chính của chất lỏng điện môi, chủ yếu là dầu khoáng hydrocarbon, là làm môi trường cách điện và làm mát cho máy biến áp, cuộn kháng nối đất và cuộn kháng nối song song, tụ điện và điện trở biến đổi.
Các tính chất quan trọng của chất lỏng điện môi do đó là độ bền điện, độ nhớt, độ bền hóa học và điểm chớp cháy.
Hai loại khí đã được sử dụng phổ biến cho cách điện là nitơ và lưu huỳnh hexafluoride (SF6). Nitơ được sử dụng làm môi trường cách điện trong một số máy biến áp kín và Đường dây Cách điện Khí (GIL), trong khi SF6 được sử dụng trong thiết bị đóng cắt và cầu dao cao và trung áp, vì tính chất cách điện và khả năng dập hồ quang của nó, và cũng trong Máy biến áp Cách điện Khí (GIT) làm môi trường cách điện và làm mát.
Tuy nhiên, do điều kiện môi trường, trong các lắp đặt trung áp (cầu dao, bộ tiếp xúc và tụ điện), chân không ngày nay được sử dụng ưu tiên hơn.
Tính chất và Hành vi của Vật liệu điện môi
Các tính chất quan trọng nhất của vật liệu điện môi là:
- Điện trở suất thể tích hoặc điện trở suất riêng.
- Độ thẩm điện (ký hiệu: ε; đơn vị: farad trên mét – V/m), được định nghĩa là sự cản trở của điện môi đối với trường điện trong một môi trường cụ thể.
- Tương đối độ thẩm điện, hay hằng số điện môi (ký hiệu: εr – không thứ nguyên), được định nghĩa là tỷ lệ mật độ thông lượng điện tạo ra trong vật liệu với mật độ thông lượng điện tạo ra trong chân không bởi cùng một cường độ trường điện, hoặc mối quan hệ giữa độ thẩm điện của điện môi và độ thẩm điện của chân không (ký hiệu: ε0 – ≈ 85×10−12 F/m): ε/ε0 .
- Độ bền điện, là khả năng chịu đựng sức ép điện mà không bị đánh thủng. Nó thường được định lượng bằng kV/mm (giá trị điển hình có thể dao động từ 5 đến 100 kV/mm).
- Tổn hao điện môi, hay hệ số tiêu tán điện, được định nghĩa là tỷ lệ giữa công suất tổn hao trong vật liệu điện môi so với tổng công suất truyền qua nó. Nó được cho bởi tiếp tuyến của góc tổn hao và thường được gọi là “tan δ“. Trong một chất cách điện lý tưởng, dòng điện đi qua nó hoàn toàn là dung kháng (IC), nhưng các chất cách điện thực không có độ tinh khiết 100%, điều này có nghĩa là dòng điện qua vật cách điện cũng có một thành phần điện trở (IR), và ta nói rằng chất cách điện có tổn hao được biểu thị bởi tan δ, trong đó δ là góc được thể hiện trong Hình 2.
Một khía cạnh quan trọng khác của tất cả vật liệu điện môi là nhiệt độ tối đa mà chúng sẽ hoạt động tốt.
Nói chung, vật liệu điện môi xuống cấp nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn và sự xuống cấp có thể đạt đến mức mà lớp cách điện không còn thực hiện chức năng cần thiết của nó.
Đặc điểm này được gọi là lão hóa, và đối với mỗi vật liệu, người ta thường gán một nhiệt độ tối đa mà vượt quá đó thì không nên vận hành.
Sự lão hóa của một điện môi không chỉ phụ thuộc vào tính chất vật lý và hóa học của vật liệu và ứng suất nhiệt mà nó phải chịu, mà còn phụ thuộc vào sự hiện diện và mức độ ảnh hưởng của ứng suất cơ học, điện và môi trường.
Vật liệu điện môi có thể bị xuống cấp (lão hóa sớm) khi chịu nhiệt độ quá cao và quá áp và có thể bị nhiễm bẩn bởi các vật liệu khác, như hạt đồng, nước và khí, gây ra hư hỏng điện môi.
Định nghĩa về tuổi thọ hữu ích cũng sẽ thay đổi tùy theo loại và cách sử dụng thiết bị; điều đó phải được tính đến khi chọn vật liệu điện môi cho một ứng dụng cụ thể.
Trả lời