Một số vật liệu được sử dụng trong các thiết bị điện và mạch cung cấp điện có đặc tính điện môi, tức là chúng có điện trở cao đối với dòng điện. Khả năng này cho phép chúng không cho dòng điện đi qua, và do đó chúng được sử dụng để tạo cách điện cho các bộ phận mang dòng điện. Vật liệu cách điện được thiết kế không chỉ để ngăn cách các bộ phận mang dòng điện mà còn tạo ra lớp bảo vệ chống lại các tác động nguy hiểm của dòng điện. Ví dụ, dây điện của các thiết bị điện được bọc bằng lớp cách điện.
Vật liệu cách điện và ứng dụng của chúng
Vật liệu cách điện được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, vô tuyến điện và chế tạo dụng cụ, và sự phát triển của mạng điện. Hoạt động bình thường của một thiết bị điện hoặc sự an toàn của mạch cung cấp điện phụ thuộc phần lớn vàocác chất điện môi đã sử dụng. Một số thông số của vật liệu dùng để cách điện xác định chất lượng và khả năng của nó.
Việc sử dụng vật liệu cách điện phải tuân theo các quy định về an toàn. Tính toàn vẹn của lớp cách điện là chìa khóa để làm việc an toàn với dòng điện. Rất nguy hiểm nếu sử dụng các thiết bị có lớp cách điện bị hư hỏng. Ngay cả một dòng điện nhẹ cũng có thể ảnh hưởng đến cơ thể con người.
Thuộc tính của dielectrics
Vật liệu cách điện phải có các đặc tính nhất định để thực hiện các chức năng của chúng. Sự khác biệt chính giữa chất điện môi và chất dẫn điện là điện trở suất thể tích lớn (109–1020 ohm cm). Độ dẫn điện của chất dẫn điện so với chất điện môi lớn hơn 15 lần. Điều này là do thực tế là chất cách điện về bản chất của chúng có số lượng ion và điện tử tự do ít hơn nhiều lần, cung cấp độ dẫn dòng điện của vật liệu. Nhưng khi vật liệu được nung nóng, sẽ có nhiều vật liệu trong số chúng hơn, góp phần làm tăng độ dẫn điện.
Phân biệt tính chất hoạt động và thụ động của chất điện môi. Đối với vật liệu cách điện, đặc tính thụ động là quan trọng nhất. Hằng số điện môi của vật liệu phải càng thấp càng tốt. Điều này cho phép bộ cách ly không đưa điện dung ký sinh vào mạch. Đối với vật liệu được sử dụng làm chất điện môi của tụ điện, ngược lại, hằng số điện môi phải càng lớn càng tốt.
Tùy chọn cách nhiệt
Đối với các thông số chínhcách điện bao gồm cường độ điện, điện trở suất, điện trở suất tương đối, góc tổn thất điện môi. Khi đánh giá các đặc tính cách điện của vật liệu, sự phụ thuộc của các đặc tính được liệt kê vào cường độ của dòng điện và hiệu điện thế cũng được tính đến.
Các sản phẩm và vật liệu cách điện có độ bền điện lớn hơn so với chất dẫn điện và chất bán dẫn. Điều quan trọng nữa đối với chất điện môi là sự ổn định của các giá trị cụ thể trong quá trình làm nóng, tăng điện áp và các thay đổi khác.
Phân loại vật liệu điện môi
Tùy thuộc vào công suất của dòng điện đi qua dây dẫn, các loại cách điện khác nhau được sử dụng, có khả năng khác nhau.
Vật liệu cách điện được chia theo thông số nào? Việc phân loại các chất điện môi dựa trên trạng thái tập hợp của chúng (rắn, lỏng và khí) và nguồn gốc (hữu cơ: tự nhiên và tổng hợp, vô cơ: tự nhiên và nhân tạo). Loại điện môi rắn phổ biến nhất, có thể nhìn thấy trên dây của thiết bị gia dụng hoặc bất kỳ thiết bị điện nào khác.
Các chất điện môi rắn và lỏng lần lượt được chia thành các phân nhóm. Các chất điện môi rắn bao gồm các loại vải được đánh véc-ni, các tấm cán mỏng và các loại mica khác nhau. Sáp, dầu và khí hóa lỏng là những vật liệu cách điện ở thể lỏng. Các chất điện môi dạng khí đặc biệt được sử dụng ít thường xuyên hơn nhiều. Loại này cũng bao gồmchất cách điện tự nhiên là không khí. Việc sử dụng nó không chỉ do các đặc tính của không khí, làm cho nó trở thành một chất điện môi tuyệt vời mà còn vì tính kinh tế của nó. Việc sử dụng không khí làm vật liệu cách nhiệt không đòi hỏi thêm chi phí vật liệu.
Solid Dielectrics
Vật liệu cách điện rắn là loại chất điện môi rộng nhất được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Chúng có các tính chất hóa học khác nhau và hằng số điện môi nằm trong khoảng từ 1 đến 50.000.
Các chất điện môi rắn được chia thành không phân cực, phân cực và sắt thép. Sự khác biệt chính của chúng là trong cơ chế phân cực. Lớp cách nhiệt này có các đặc tính như kháng hóa chất, kháng theo dõi, kháng đuôi gai. Tính kháng hóa chất được thể hiện ở khả năng chịu ảnh hưởng của các môi trường xâm thực khác nhau (axit, kiềm, v.v.). Điện trở truy vết xác định khả năng chịu được tác động của hồ quang điện và điện trở của đuôi gai quyết định sự hình thành của đuôi gai.
Chất điện môi rắn được sử dụng trong các lĩnh vực năng lượng khác nhau. Ví dụ, vật liệu cách điện bằng gốm được sử dụng phổ biến nhất làm chất cách điện đường dây và ống lót trong các trạm biến áp. Giấy, polyme, sợi thủy tinh được dùng làm vật liệu cách nhiệt cho các thiết bị điện. Đối với máy móc và thiết bị, vecni, bìa cứng, hợp chất thường được sử dụng nhất.
Để sử dụng trong các điều kiện hoạt động khác nhau, vật liệu cách nhiệt có một số đặc tính đặc biệt bằng cách kết hợp cácvật liệu: chịu nhiệt, chống ẩm, chống bức xạ và chống sương giá. Chất cách điện chịu nhiệt có thể chịu được nhiệt độ lên đến 700 ° C, chúng bao gồm kính và vật liệu dựa trên chúng, organosilit và một số polyme. Vật liệu chịu ẩm và chịu nhiệt đới là chất dẻo fluoroplastic, không hút ẩm và kỵ nước.
Cách nhiệt chống bức xạ được sử dụng trong các thiết bị có nguyên tố nguyên tử. Nó bao gồm màng vô cơ, một số loại polyme, sợi thủy tinh và vật liệu làm từ mica. Chống sương giá là những vật liệu cách nhiệt không bị mất đặc tính ở nhiệt độ lên đến -90 ° C. Các yêu cầu đặc biệt được đặt ra đối với cách điện dành cho các thiết bị hoạt động trong điều kiện không gian hoặc chân không. Vì những mục đích này, vật liệu kín chân không được sử dụng, bao gồm cả gốm sứ đặc biệt.
Chất điện môi lỏng
Vật liệu cách điện lỏng thường được sử dụng trong các máy và thiết bị điện. Dầu đóng vai trò cách điện trong máy biến áp. Chất điện môi lỏng cũng bao gồm khí hóa lỏng, dầu parafin và vaseline không bão hòa, polyorganosiloxan, nước cất (được tinh chế từ muối và tạp chất).
Các đặc điểm chính của chất điện môi lỏng là hằng số điện môi, độ bền điện và độ dẫn điện. Ngoài ra, các thông số điện của chất điện môi phần lớn phụ thuộc vào mức độ thanh lọc của chúng. Các tạp chất rắn có thể làm tăng độ dẫn điện của chất lỏng do sự phát triển của các ion và electron tự do. Làm sạch chất lỏng bằng cách chưng cất, trao đổi ion, v.v. dẫn đến tăng độ bền điện của vật liệu, do đó làm giảm độ dẫn điện của nó.
Các chất điện môi lỏng được chia thành ba nhóm:
- dầu mỏ;
- dầu thực vật;
- chất lỏng tổng hợp.
Các loại dầu được sử dụng phổ biến nhất là dầu từ dầu mỏ như dầu máy biến áp, cáp và tụ điện. Chất lỏng tổng hợp (hợp chất organosilicon và organofluorine) cũng được sử dụng trong kỹ thuật thiết bị. Ví dụ, các hợp chất organosilicon có khả năng chống sương giá và hút ẩm, vì vậy chúng được sử dụng làm chất cách điện trong các máy biến áp nhỏ, nhưng giá thành của chúng cao hơn giá dầu mỏ.
Dầu thực vật thực tế không được dùng làm vật liệu cách điện trong công nghệ cách điện. Chúng bao gồm thầu dầu, hạt lanh, cây gai dầu và dầu tung. Những vật liệu này là chất điện môi phân cực yếu và chủ yếu được sử dụng để ngâm tẩm các tụ điện giấy và làm chất tạo màng trong vecni, sơn và men cách điện.
Khí điện môi
Các chất điện môi ở thể khí phổ biến nhất là không khí, nitơ, hydro và khí SF6. Khí cách điện được chia thành tự nhiên và nhân tạo. Không khí tự nhiên được sử dụng làm vật liệu cách nhiệt giữa các bộ phận mang dòng điện của đường dây điện và máy điện. Là một chất cách điện, không khí có nhược điểm là không thể sử dụng nó trong các thiết bị kín. Do sự hiện diện của nồng độ oxy cao, không khí là một chất oxy hóa và trong các trường không đồng nhất, độ bền điện thấp của không khí sẽ xuất hiện.
Máy biến áp và cáp cao áp sử dụng nitơ làm vật liệu cách điện. Hydro, ngoài vai trò là vật liệu cách điện, nó còn được làm mát cưỡng bức, đó là lý do tại sao nó thường được sử dụng trong các máy điện. Trong các hệ thống lắp đặt kín, SF6 thường được sử dụng nhiều nhất. Nạp khí SF6 giúp thiết bị chống cháy nổ. Nó được sử dụng trong các bộ ngắt mạch điện áp cao do đặc tính dập tắt hồ quang.
Dielectrics hữu cơ
Vật liệu điện môi hữu cơ được chia thành tự nhiên và tổng hợp. Các chất điện môi hữu cơ tự nhiên hiện nay cực kỳ hiếm khi được sử dụng, vì việc sản xuất các chất điện tử tổng hợp ngày càng mở rộng, do đó làm giảm giá thành của chúng.
Đối với chất điện môi hữu cơ tự nhiên bao gồm cellulose, cao su, parafin và dầu thực vật (dầu thầu dầu). Hầu hết các chất điện môi hữu cơ tổng hợp là các chất dẻo và chất đàn hồi khác nhau thường được sử dụng trong các thiết bị điện gia dụng và các thiết bị khác.
Chất điện môi vô cơ
Vật liệu điện môi vô cơ được chia thành tự nhiên và nhân tạo. Vật liệu tự nhiên phổ biến nhất là mica, có khả năng chống hóa chất và nhiệt. Phlogopite và muscovite cũng được sử dụng để cách điện.
Để vô cơ nhân tạochất điện môi bao gồm thủy tinh và các vật liệu dựa trên nó, cũng như sứ và gốm. Tùy thuộc vào ứng dụng, chất điện môi nhân tạo có thể có các tính chất đặc biệt. Ví dụ, gốm felspat được sử dụng cho ống lót, có tiếp tuyến mất điện môi cao.
Vật liệu cách điện dạng sợi
Vật liệu dạng sợi thường được dùng để cách điện trong các thiết bị điện và máy móc. Chúng bao gồm các vật liệu có nguồn gốc thực vật (cao su, xenlulo, vải sợi), vải sợi tổng hợp (nylon, capron), cũng như các vật liệu làm từ polystyrene, polyamide, v.v.
Vật liệu sợi hữu cơ có khả năng hút ẩm cao, vì vậy chúng hiếm khi được sử dụng nếu không được ngâm tẩm đặc biệt.
Gần đây, thay vì vật liệu hữu cơ, vật liệu cách nhiệt bằng sợi tổng hợp đã được sử dụng, có mức độ chịu nhiệt cao hơn. Chúng bao gồm sợi thủy tinh và amiăng. Sợi thủy tinh được ngâm tẩm với các loại vecni và nhựa khác nhau để tăng tính chất kỵ nước của nó. Sợi amiăng có độ bền cơ học thấp, vì vậy sợi bông thường được thêm vào.
