Giáo trình mô đun Điện cơ bản - Lê Văn Hiền

274 trang ngocly 2410

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình mô đun Điện cơ bản - Lê Văn Hiền", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_mo_dun_dien_co_ban_le_van_hien.doc

Nội dung text: Giáo trình mô đun Điện cơ bản - Lê Văn Hiền

BỘ LAO ĐỘNG THƯƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TỔNG CỤC DẠY NGHỀ GIÁO TRÌNH Mô đun : ĐIỆN CƠ BẢN NGHỀ : ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP TRÌNH ĐỘ : CAO ĐẲNG Ban hành kèm theo Quyết định số:120/QĐ-TCDN ngày 25 tháng 02 năm 2013 của Tổng cục trưởng Tổng cục Dạy nghề Năm 2013
1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2 LỜI GIỚI THIỆU Điện cơ bản là một trong những mô đun cơ sở được biên soạn dựa trên chương trình khung, chương trình dạy nghề do Bộ Lao động- Thương binh và Xã hội và Tổng cục dạy nghề ban hành dành cho hệ Cao đẳng nghề và Trung cấp nghề Điện tử công nghiệp. Giáo trình được biên soạn làm tài liệu học tập, giảng dạy nên giáo trình đã được xây dựng ở mức độ đơn giản và dễ hiểu nhất, trong mỗi bài đều có hướng dẫn thực hành để rèn luyện kỹ năng và sáng tỏ lý thuyết. Khi biên soạn, nhóm biên soạn đã dựa trên kinh nghiệm giảng dạy, tham khảo đồng nghiệp và tham khảo ở nhiều giáo trình hiện có để phù hợp với nội dung chương trình đào tạo và phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung được biên soạn gắn với nhu cầu thực tế. Nội dung của môn học gồm có 5 bài: Bài 1: Vật liệu điện Bài 2: Khí cụ điện Bài 3: Thiết bị điện gia dụng Bài 4: Rơ le điện tử Bài 5: Rơ le số Giáo trình cũng là tài liệu giảng dạy và tham khảo tốt cho các ngành thuộc lĩnh vực điện dân dụng, điện cộng nghiệp, điện tử, cơ điện tử, cơ khí. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của các thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về Trường Cao đẳng nghề Lilama 2, Long Thành Đồng Nai Hà Nội, ngày 10 tháng 06 năm 2013 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: TS. Lê Văn Hiền 2. Ths. Nguyễn Thị Hiên 3. KS.Bùi Thị Sương Mai
3 MỤC LỤC ĐỀ MỤC TRANG Tuyên bố bản quyền 1 Lời giới thiệu 2 BÀI 1: VẬT LIỆU ĐIỆN 9 1 Khái niệm về vật liệu điện 9 1.1 Cấu tạo của vật liệu điện 9 1.2. Phân loại vật liệu 14 2 Vật liệu dẫn điện 15 2.1 Khái niệm về vật liệu dẫn điện 15 2.2. Tính chất của vật liệu dẫn điện 16 2.3 Đặc điểm và tính chất chọn lựa 18 2.4. Phân loại và phạm vi ứng dụng 18 2.5. Một số vật liệu thông dụng 19 3 Vật liệu cách điện 25 3.1 Khái niệm về vật liệu cách điện 26 3.2. Tính chất của vật liệu cách điện 26 3.3 Tiêu chuẩn chọn lựa 35 3.4. Một số vật liệu cách điện thông dụng 35 4 Vật liệu dẫn từ 45 4.1 Khái niệm về vật liệu dẫn từ 45 4.2. Tính chất của vật liệu từ 46 4.3 Các loại vật liệu sắt từ 51 BÀI 2: KHÍ CỤ ĐIỆN 51 1 Khái niệm 51 1.1 Khái niệm về khí cụ điện 51 1.2. Sự phát nóng của khí cụ điện 52 1.3 Tiếp xúc điện 54 1.4 Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang 55 2 Phân loại 57 2.1 Phân loại theo công dụng 57 2.2. Phân loại theo điện áp 57 2.3 Phân loại theo nguyên lý làm việc 57 3 Yêu cầu chung đối với khí cụ điện 58 4 Khí cụ điện đóng cắt 60 4.1 Cầu dao 60 4.2 Công tắc 64 4.3 Áptômát 69
4 4.4 Công tắc tơ - Khởi động từ 76 4.5 Tính toán, chọn lựa và mắc khí cụ đóng cắt trên hệ thống điện 85 4.6 Kiểm tra, thay thế, sửa chữa khí cụ đóng cắt 96 5 Khí cụ điện bảo vệ 106 5.1 Cầu chì 106 5.2 Rơ le nhiệt 115 5.3 Rơ le điện áp 120 5.4 Thiết bị chống dòng điện rò 121 5.5 Tính toán, chọn lựa và mắc khí cụ điện bảo vệ trên hệ thống điện 125 5.6 Kiểm tra, thay thế, sửa chữa khí cụ điện bảo vệ 130 6 Khí cụ điện điều khiển 136 6.1 Nút nhấn 136 6.2 Bộ khống chế 139 6.3 Rơ le trung gian 141 6.4 Rơ le thời gian 145 6.5 Rơ le tốc độ 152 6.6 Chọn lựa, mắc khí cụ điện điều khiển trên hệ thống điện 153 6.7 Kiểm tra, thay thế, sửa chữa khí cụ điện điều khiển 154 BÀI 3: THIẾT BỊ GIA DỤNG 163 1 Thiết bị cấp nhiệt 163 1.1 Nguyên lý chung 163 1.2 Giới thiệu một số thiết bị thông dụng 166 1.3 Kiểm tra, sửa chữa các thiết bị cấp nhiệt thông dụng 187 2 Máy biến áp một pha 195 2.1 Khái niệm chung 195 2.2 Cấu tạo máy biến áp một pha 197 2.3 Nguyên lý máy biến áp một pha 198 2.4 Các thông số kỹ thuật định mức của máy biến áp 199 2.5 Các dạng máy biến áp một pha đặc biệt 199 2.6 Các biến áp một pha thông dụng 204 3 Động cơ điện một pha 212 3.1 Cấu tạo động cơ điện một pha 212 3.2 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một pha kiểu điện dung 212 3.3 Nguyên lý làm việc của động cơ điện một pha kiểu vòng ngắn mạch 215 3.4 Quạt điện 217 4 Thiết bị điện một chiều 224 4.1 Khái niệm chung 224
5 4.2 Các phương pháp tạo ra điện một chiều 225 4.3 Kiểm tra, sửa chữa thiết bị điện một chiều 226 BÀI 4: RƠ LE ĐIỆN TỬ 228 1 Khái niệm chung 228 2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của rơ le điện tử 228 2.1 Cấu tạo 228 2.2 Nguyên lý làm việc 229 3 Mạch điện ứng dụng 230 3.1 Mạch điện tự động đóng ngắt máy bơm nước 230 3.2 Mạch hẹn giờ cho quạt bàn 234 3.3 Mạch đảo chiều quay động cơ điện một chiều 235 3.4 Mạch điều khiển đèn bằng cách sờ tay 236 Bài 5: RƠ LE SỐ 238 1 Cấu tạo 238 2 Phân loại 245 3 Các mạch điện ứng dụng 245 3.1 Bảo vệ quá dòng điện 245 3.2 Bảo vệ dòng điện có hướng 249 3.3 Bảo vệ dòng điện chống chạm đất 251 3.4 Bảo vệ khoảng cách 255 3.5 Bảo vệ so lệch 258 3.6 Giới thiệu Rơle số SEL311L 261 TÀI LIỆU THAM KHẢO 272
6 TÊN MÔ ĐUN: ĐIỆN CƠ BẢN Mã mô đun: MĐ 14 Vị trí, tính chất, ý nghĩa, vai trò của mô đun: * Vị trí của mô đun: Mô đun được bố trí dạy ngay đầu chương trình sau khi học xong các môn cơ bản: toán, lý, chính trị * Tính chất: Là mô đun bắt buộc * Ý nghĩa: Mô đun chứa đựng các kiến thức cơ bản, thông dụng về: khí cụ điện, máy biến áp, động cơ điện xoay chiều là thiết bị ngõ ra chủ yếu thường gặp trong lĩnh vực điện tử công nghiệp. * Vai trò của mô đun: Cung cấp cho học sinh những kiến thức cơ bản về vật liệu điện, thiết bị điện trong dân dụng và các khí cụ điện trong công nghiệp. Mục tiêu của mô đun: Sau khi học xong mô đun này học viên có năng lực * Về kiến thức: - Nhận dạng, lựa chọn và sử dụng đúng tiêu chuẩn kỹ thuật các nhóm vật liệu điện thông dụng theo Tiêu chuẩn Việt Nam. * Về kỹ năng: - Tháo lắp và sửa chữa được các khí cụ điện đúng theo thông số của nhà sản xuất. - Phán đoán hư hỏng và sửa chữa được các thiết bị điện gia dụng theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất. - Lắp đặt được hệ thống chiếu sáng cho hộ gia đình theo bản vẽ thiết kế. * Về thái độ: - Rèn luyện tính tỷ mỉ, đảm bảo an toàn và vệ sinh công nghiệp Thời gian (giờ) Mã bài Tên các bài trong mô đun T.Số LT TH KT MĐ 14-1 Vật liệu điện 10 8 1 1 1 Khái niệm về vật liệu điện 1 1 0 2 Vật liệu dẫn điện 5 4,5 0.5 3 Vật liệu cách điện 2 1,5 0,5 4 Vật liệu dẫn từ 1 1 0 MĐ 14-2 Khí cụ điện 70 28 40 1 1 Khái niệm 2 2 0 2 Phân loại 3 3 0
7 3 Yêu cầu chung đối với khí cụ điện 1 1 0 4 Khí cụ điện đóng cắt 18 7 11 5 Khí cụ điện bảo vệ 18 8 10 6 Khí cụ điện điều khiển 27 7 20 MĐ14-3 Thiết bị điện gia dụng 30 8 21 1 1 Thiết bị cấp nhiệt 6 2 4 2 Máy biến áp một pha 8 3 5 3 Động cơ điện một pha 10 2 8 4 Thiết bị điện một chiều 5 1 4 MĐ 14-4 Rơ le điện tử 30 5 24 1 1 Cấu tạo 1 1 0 2 Phân loại 1 1 0 3 Các mạch điện ứng dụng 27 3 24 MĐ 14-5 Rơ le điện tử 40 8 31 1 1 Cấu tạo 1,25 1,25 0 2 Phân loại 0,25 0,25 0 3 Các mạch điện ứng dụng 37,5 6,5 31
8 BÀI 1 VẬT LIỆU ĐIỆN Mã bài: 14-01 Giới thiệu Trong chương trình đào tạo công nhân kỹ thuật thì vật liệu điện là môn học cơ sở không thể thiếu. Việc hiểu đặc điểm, tính chất để ứng dụng các vật liệu cơ bản theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật là việc rất quan trọng, cần thiết. Vì vậy, nội dung của bài này sẽ cung cấp cho sinh viên những kiến thức cơ bản về vật liệu điện thông dụng để từ đó ứng dụng các vật liệu điện trongcác môn học chuyên ngành và trong thực tế. Mục tiêu: - Phân biệt, nhận dạng được các vật liệu điện thông dụng. - Phân tích được tính chất các vật liệu điện thông dụng. - Sử dụng đúng các vật liệu này theo các tiêu chuẩn kỹ thuật trong các điều kiện xác định. - Rèn luyện tính cẩn thận, an toàn cho người và thiết bị Nội dung của bài: 1. Khái niệm về vật liệu điện Mục tiêu: - Hiểu được cấu tạo chung và phân loại vật liệu. 1.1 Khái niệm về vật liệu điện 1.1.1 Khái niệm Vật liệu điện là tất cả những chất liệu dùng để sản xuất thiết bị sử dụng trong lĩnh vực ngành điện. Thường người ta phân các loại vật liệu điện theo đặc điểm, tính chất và công dụng của nó. 1.1.2. Cấu tạo nguyên tử Mọi vật liệu (vật chất) được cấu tạo từ nguyên tử và phân tử. Nguyên tử là phần tử cơ bản của vật chất. Theo mô hình nguyên tử của Bor, nguyên tử được cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương và các điện tử (electron e) mang điện tích âm chuyển động xung quanh hạt nhân theo quỹ đạo nhất định.
9 Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ các hạt proton và nơtron. Nơtron là hạt không mang điện tích, còn proton có điện tích dương với số lượng bằng Z.q Trong đó: Z – số lượng điện tử của nguyên tử đồng thời cũng là số thứ tự của nguyên tố nguyên tử đó trong bảng tuần hoàn Menđêlêep. q – điện tích của điện tử e (q = 1,6.10 -19 culông). Proton có khối lượng bằng 1,6.10 -27 kg, electron (e) có khối lượng bằng 9,1.10 -31 kg. Ở trạng thái bình thường nguyên tử trung hoà về điện, tức là trong nguyên tử có tổng các điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của các điện tử. Nếu vì lý do nào đó nguyên tử mất đi một hay nhiều điện tích thì sẽ trở thành điện tích dương, ta gọi là ion dương. Ngược lại nếu nguyên tử trung hoà nhận thêm điện tử thì trở thành ion âm. Để có khái niệm về năng lượng của điện tử ta xét nguyên tử của Hiđrô, nguyên tử này được cấu tạo tử một proton và một điện tử. Khi điện tử chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính r xung quanh hạt nhân thì điện tử sẽ chịu lực hút của hạt nhân f 1 và được xác định bởi công thức sau: q2 f1 = ( 1.1 ) r 2 Lực hút f1 sẽ được cân bằng với lực ly tâm của chuyển động f 2: mv2 f2 = ( 1.2 ) r Trong đó: m – khối lượng của điện tử v – tốc độ chuyển động của điện tử 2 2 q Từ (1.1) và (1.2) ta có: f1 = f2 hay mv = ( 1.3 ) r 2 Trong quá trình chuyển động điện tử có một động năng T = mv và 2 2 một thế năng U = -q , nên năng lượng của điện tử bằng: r We = T + U mv2 q2 q2 q2 q2 Thay T = = . Vậy We = T + U = - = - ( 1.4 ) 2 2r 2r r 2r
10 Biểu thức (1.4) ở trên chứng tỏ mỗi điện tử của nguyên tử có một mức năng lượng nhất định, năng lượng này tỷ lệ nghịch với bán kính quỹ đạo chuyển động của điện tử. Để di chuyển điện tử từ quỹ đạo chuyển động bán kính ra xa vô cùng cần phải cung cấp cho nó một năng lượng 2 lớn hơn bằngq . r 2 Năng lượng tối thiểu cung cấp cho điện tử để điện tử tách rời ra khỏi nguyên tử trở thành điện tử tự do người ta gọi là năng lượng ion hoá (Wi). Khi bị ion hoá (bị mất điện tử), nguyên tử trở thành ion dương. Quá trình biến nguyên tử trung hoà thành ion dương và điện tử tự do gọi là quá trình ion hoá. Trong một nguyên tử, năng lượng bị ion hoá của các lớp điện tử khác nhau cũng khác nhau, các điện tử hoá trị ngoài cùng có mức năng lượng ion hoá thấp nhất vì chúng cách xa hạt nhân. Khi điện tử nhận được năng lượng nhỏ hơn năng lượng ion hoá chúng sẽ bị kích thích và có thể di chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác, song chúng luôn có xu thế trở về vị trí ở trạng thái ban đầu. Phần năng lượng cung cấp để kích thích nguyên tử sẽ được trả lại dưới dạng năng lượng quang học (quang năng). Trong thực tế, năng lượng ion hoá và năng lượng kích thích nguyên tử có thể nhận được từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau như nhiệt năng, quang năng, điện năng; năng lượng của các tia sóng ngắn như tia ,  ,  hay tia Rơnghen 1.1.3 Cấu tạo phân tử 1.1.3.1. Liên kết đồng hoá trị Liên kết đồng hoá trị được đặc trưng bởi sự dùng chung các điện tử của các nguyên tử trong phân tử. khi có mật độ đám mây điện tử giữa các hạt nhân trở thành bão hoà, liên kết phân tử bền vững. Hình 1.1. Cấu tạo phân tử Clo Lấy cấu trúc phân tử clo làm ví dụ. Phân tử clo (Cl 2) gồm 2 nguyên tử clo, mỗi nguyên tử clo có 17 điện tử, trong đó 7 điện tử ở lớp hoá trị ngoài cùng. Hai nguyên tử này được liên kết bền vững với nhau bằng cách sử dụng chung hai điện tử, lớp vỏ ngoài cùng của mỗi nguyên tử được bổ sung thêm một điện tử của nguyên tử kia.
11 Tùy thuộc vào cấu trúc đối xứng hay không đối xứng mà phân tử liên kết đồng hoá trị có thể là trung tính hay cực tính (lưỡng cực). - Phân tử có trọng tâm của các điện tích dương và điện tích âm trùng nhau gọi là phân tử trung tính. Các chất được tạo nên bởi các phân tử trung tính gọi là chất trung tính. - Phân tử có trọng tâm các điện tích dương và điện tích âm không trùng nhau cách nhau một khoảng “a” nào đó được gọi là phân tử cực tính hoặc phân tử lưỡng cực. Phân tử lưỡng cực đặc trưng bởi mômen lưỡng cực m = q.a. Dựa vào trị số mômen lưỡng cực của phân tử người ta chia ra thành chất cực tính yếu và cực tính mạnh. Những chất được cấu tạo bằng các phân tử cực tính gọi là chất cực tính. 1.1.3.2. Liên kết ion Liên kết ion được xác lập bởi lực hút giữa các ion dương và các ion âm trong phân tử. Liên kết ion là liên kết là liên kết khá bền vững. Do vậy, vật rắn có cấu tạo ion đặc trưng bởi độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Ví dụ điển hình về tinh thể ion là các muối halogen của các kim loại kiềm. Cấu trúc tinh thể ion clorua natri và clorua xeri: ở chất thứ nhất các ion được ràng buộc chặt chẽ, còn chất thứ hai không chặt chẽ. Khả năng tạo nên một chắt hoặc hợp chất mạng không gian nào đó phụ thuộc chủ yếu vào kích thước nguyên tử và hình dạng lớp điện tử hoá trị ngoài cùng. 1.1.3.3. Liên kết kim loại Dạng liên kết này tạo nên các tinh thể vật rắn. Kim loại được xem như là một hệ thống cấu tạo từ các ion dương nằm trong môi trường các điện tử tự do. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử tạo nên tính nguyên khối của kim loại. Chính vì vậy liên kết kim loại là loại liên kết bền vững, kim loại có độ bền cơ học và nhiệt độ nóng chảy cao. Lực hút giữa các ion dương và các điện tử đã tạo nên tính nguyên khối của kim loại.
E + + + + + U + + +12 + + + + + + + Hinh 1.2 Liên kết kim loại Sự tồn tại của các điện tử tự do làm cho kim loại có tính ánh kim và tính dẫn điện, dẫn nhiệt cao. Tính dẻo của kim loại được giải thích bởi sự dịch chuyển và trượt lên nhau giữa các lớp ion, cho nên kim loại dễ cán, kéo thành lớp mỏng. 1.1.3.4. Liên kết VandecVan Liên kết này là dạng liên kết yếu, cấu trúc mạng tinh thể phân tử vững chắc. Do vậy những liên kết phân tử là liên kết Vandec – Vanx có nhiệt độ nóng chảy và độ bền cơ thấp như parafin. 1.1.4. Khuyết tật trong cấu tạo vật rắn Các tinh thể vật rắn có thể có kết cấu đồng nhất. Sự phá huỷ các kết cấu đồng nhất và tạo nên các khuyết tật trong vật rắn thường gặp nhiều trong thực tế. Những khuyết tật có thể được tạo nên bằng sự ngẫu nhiên hay cố ý trong quá trình công nghệ chế tạo vật liệu. Khuyết tật của vật rắn là bất kỳ hiện tượng nào phá vỡ tính chất chu kỳ của trường tĩnh điện mạng tinh thể như: phá vỡ thành phần hợp thức; sự có mặt của các tạp chất lạ; áp lực cơ học; các lượng tử của dao động đàn hồi – phônôn; mặt tinh thể phụ – đoạn tầng; khe rãnh, lỗ xốp Khuyết tật sẽ làm thay đổi các đặc tính cơ – lý – hoá và các tính chất về điện của vật liệu. Khuyết tật có thể tạo nên các tính năng đặc biệt tốt (ví dụ: vi mạch IC ) và cũng có thể làm cho tính chất của vật liệu kém đi (ví dụ: vật liệu cách điện có lẫn kim loại) 1.1.5. Lý thuyết về vùng năng lượng Có thể sử dụng lý thuyết phân vùng năng lượng để giải thích, phân loại vật liệu thành các nhóm vật liệu dẫn điện, bán dẫn và điện môi (cách điện) Việc nghiên cứu quang phổ phát xạ của các chất khác nhau ở trạng thái khí khi các nguyên tử cách xa nhau một khoảng cách lớn chỉ rõ rằng nguyên tử của mỗi chất được đặc trưng bởi những vạch quang phổ hoàn toàn xác định. Điều đó chứng tỏ rằng các nguyên tử khác nhau có những trạng thái năng lượng hay mức năng lượng khác nhau. Khi nguyên tử ở trạng thái bình thường không bị kích thích, một số trong các mức năng lượng bị nguyên tử lấp đầy, còn các mức năng lượng
13 khác điện tử chỉ có thể có mặt khi các nguyên tử nhận được năng lượng từ bên ngoài tác động (trạng thái kích thích). Nguyên tử luôn có xu hướng quay về trạng thái ổn định. Khi điện tử chuyển từ mức năng lượng kích thích sang mức năng lượng nguyên tử nhỏ nhất, nguyên tử phát ra phần năng lượng dư thừa. Những điều nói trên được đặc trưng bởi biểu đồ năng lượng. Khi chất khí hoá lỏng và sau đó tạo nên mạng tinh thể của vật rắn, các nguyên tử nằm sát nhau, tất cả các mức năng lượng của nguyên tử bị dịch chuyển nhẹ do tác động của các nguyên tử bên cạnh tạo nên một dải năng lượng hay còn gọi là vùng các mức năng lượng. V V V e e e g g g n n ï ï n ï ô ô ô ö ö ö l l l w g g g n n ê w ê n ê a a a N N N Vaät daãn Baùn daãn Ñieän moâi Vuøng ñaày ñieän töû Vuøng caùc möùc naêng löôïng töï do Vuøng caám Hình 1.3 Vùng năng lượng của vật liệu Do không có năng lượng chuyển động nhiệt nên vùng năng lượng bình thường của các nguyên tử ở vị trí thấp nhất và được gọi là vùng hoá trị hay còn gọi là vùng đầy (ở 0 0K các điện tử hoá trị của nguyên tử lấp đầy vùng này). Những điện tử tự do có mức năng lượng hoạt tính cao hơn, các dải năng lượng của chúng tập hợp thành vùng tự do hay vùng điện dẫn. 1.2. Phân loại vật liệu 1.2.1. Phân loại theo khả năng dẫn điện Trên cơ sở giản đồ năng lượng người ta phân loại theo vật liệu cách điện (điện môi), bán dẫn và dẫn điện. 1.2.1.1. Điện môi: là chất có vùng cấm lớn đến mức ở điều kiện thường sự dãn điện bằng điện tử không xảy ra. Các điện tử hoá trị tuy được cung
14 cấp thêm năng lượng của sự chuyển động nhiệt vẫn không thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. Chiều rộng vùng cấm của điện môi W nằm trong khoảng từ 1,5 đến vài điện tử vôn (eV). 1.2.1.2. Bán dẫn: là chất có vùng cấm hẹp hơn nhiều so với điện môi, vùng này có thể thay đổi nhờ tác động năng lượng bên ngoài. Chiều rộng vùng cấm chất bán dẫn bé ( W = 0,2 – 1,5eV), do đó ở nhiệt độ bình thường một số điện tử hoá trị ở trong vùng đầy được tiếp sức của chuyển động nhiệt có thể di chuyển tới vùng tự do để tham gia vào dòng điện dẫn. 1.2.1.3. Vật dẫn: là chất có vùng tự do nằm sát với vùng đầy thậm chí có thể nằm chồng lên vùng đầy ( W 1 và cũng không phụ thuộc vào từ trường bên ngoài. Loại này gồm có oxy, nitơ oxit, muối đất hiếm, muối sắt, các muối coban và niken, kim loại kiềm, nhôm, bạch kim. 1.2.2.3. Chất dẫn từ: là các chất có  > 1 và phụ thuộc vào cường độ từ trường bên ngoài. Loại này gồm có: sắt, niken, coban, và các hợp kim của chúng; hợp kim crom và mangan, gađolonit, pherit có các thành phần khác nhau. 2. Vật liệu dẫn điện Mục tiêu: - Hiểu được khái niệm, tính chất, cách chọn lựa vật liệu dẫn điện - Nhận biết và ứng dụng các vật liệu dẫn điện trong thực tế. 2.1. Khái niệm về vật liệu dẫn điện Vật liệu dẫn điện là vật chất khi ở trạng thái bình thường có các điện tích tự do, nếu đặt chúng vào trong điện trường các điện tích sẽ
15 chuyển động theo một hướng nhất định và tạo thành dòng điện. Người ta gọi chúng là vật liệu có tính dẫn điện. 2.2. Tính chất của vật liệu dẫn điện 2.2.1. Điện dẫn suất và điện trớ suất Khi đặt vật dẫn một từ truờng E thì có dòng điện chạy trong vật dẫn và được tính theo công thức: I = n0qeSvtb (1.5) Trong đó: n0 – là mật độ điện tử tự do của vật dẫn qe – điện tích của điện tử S – tiết diện của dây dẫn vtb – tốc độ chuyển động trung bình của điện tử dưới tác dụng của điện trường E v Nếu gọi K là độ linh hoạt của điện tử K = thì có biểu thức của E định luật Ôm như sau: I = n0qeSKE (1.6) I Điện dẫn suất  = (1.7) S Trị số nghịch đảo của điện dẫn suất  gọi là điện trở suất , nếu vật dẫn có tiết diện không đổi là S và độ dài l thì: S = R (1.8) l Đơn vị của điện trở suất là:  .mm 2/m. Trong hệ SI điện trở suất có thứ nguyên là  .m 2.2.2. Hệ số nhiệt của điện trở suất Điện trở suất của kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ. Giá trị của điện trở suất có thể tính theo công thức: t = 0( 1 + p. t) (1.9) 0 Trong đó: t – điện trở suất của vật liệu đo ở nhiệt độ t 0 - điện trở suất của nhiệt độ ban đầu t 0 p – hệ số nhiệt của điện trở suất
16 Hệ số nhiệt của điện trở suất nói lên sự thay đổi điện trở suất của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. 2.2.3. Sức nhiệt động Khi cho hai kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau thì giữa chúng phát sinh hiệu điện thế gọi là hiệu điện thế tiếp xúc. Nguyên nhân sinh ra hiệu điện thế tiếp xúc là do công thoát của điện tử của mỗi kim loại khác nhau, do đó số điện tử tự do trong các kim loại hoặc hợp kim không bằng nhau. Theo thuyết điện tử, hiệu điện thế tiếp xúc giữa hai kim loại A và B bằng: KT n0 A uAB= uB - uA + ln (1.10 ) e n0B Ở đây: u A và uB là điện thế tiếp xúc của hai kim loại A và B, n0A và n0B là mật độ điện tử trong kim loại A và B Hiệu điện thế tiếp xúc giữa các cặp kim loại dao động trong phạm vi từ vài phần mười vôn đến vài vôn, nếu nhiệt độ của cặp bằng nhau, tổng hiệu điện thế trong mạch kín bằng không. Nhưng khi một phần tử của cặp có nhiệt độ T 1 còn phần kia là T2 thì trong trường hợp này sẽ phát sinh sức nhiệt điện động: u = uAB + u AB KT1 n0 A KT2 n0B = uB – uA + ln +uA – uB + ln (1.11) e noB e noA Từ đó ta có: K n0 A u= (T1 – T2)ln =A(T1 – T2) (1.12) e noB Biểu thức nhận được (1.11 ) chứng tỏ s.n.đ.đ là hàm số của hiệu nhiệt độ. Người ta dùng hai dây dẫn có s.n.đ.đ lớn và có quan hệ tuyến tính với nhiệt độ, để đo nhiệt độ (cặp nhiệt ngẫu). Trong các dụng cụ đo và điện trở mẫu nên sử dụng những kim loại và hợp kim có s.n.đ.đ nhỏ đối với đồng để không gây ra sai số khi đo. Có những cặp nhiệt ngẫu đổi dấu sđđ trong quá trình đốt. 2.2.4. Hệ số nhiệt độ dãn nở dài của vật dẫn kim loại
17 Hệ số dãn nở nhiệt theo chiều dài của vật dẫn kim loại: 1 dl -1 l =TKl = (độ ) (1.13) lt lt Trong kỹ thuật cần phải chú ý đến hệ số l để tính toán hệ số nhiệt độ của vật dẫn: R = - l (1.14) Giữa các trị số của hệ số dãn nở dài theo nhiệt độ và nhiệt độ nóng chảy của kim loại có quan hệ với nhau theo quy luật nhất định. Kim loại có giá trị l cao nóng chảy ở nhiệt độ thấp, còn kim loại có hệ số l nhỏ sẽ khó nóng chảy. 2.2.5. Tính chất cơ học của vật dẫn: Thông thường đặc tính cơ được đặc trưng bằng giới hạn bền kéo và độ dãn dài tương đối khi đứt l/l. 2.3. Đặc điểm và tính chất chọn lựa Vật liệu dẫn điện trong quá trình sử dụng có những đặc điểm sau: - Tính dẫn điện giảm đi đáng kể sau thời gian làm việc lâu dài. - Hay bị gãy hoặc biến dạng do chịu tác dụng của lực cơ học, lực điện động và nhiệt độ cao. - Bị ăn mòn hóa học do tác dụng của môi trường hoặc của các dung môi. Vì vậy, khi chọn vật liệu dẫn điện phải đảm bảo được các yêu cầu về tính chất lý hóa, để phù hợp với mục đích sử dụng vật liệu. Thông thường phải đảm bảo các yêu cầu sau: - Độ dẫn điện tốt. - Có sức bền cơ học, đảm bảo được điều kiện ổn định động và ổn định nhiệt. - Có khả năng kết hợp với các kim loại khác thành hợp kim. - Đảm bảo được tính chất lý học như: tính nóng chảy, tính dẫn nhiệt, tính dãn nở vì nhiệt. - Đảm bảo được tính chất hóa học: tính chống ăn mòn do tác dụng của môi trường và các dung môi gây ra. - Đảm bảo được tính chất cơ học. 2.4. Phân loại và phạm vi ứng dụng
18 Vật liệu dẫn điện có thể ở thể rắn, lỏng và trong một số điều kiện phù hợp có thể là thể khí hoặc hơi. Vật liệu dẫn điện ở thể rắn gồm các kim loại và hợp kim của chúng. Vật liệu dẫn điện ở thể lỏng bao gồm các kim loại lỏng và các dung dịch điện phân. Vì kim loại thường nóng chảy ở nhiệt độ rất cao (trừ thủy ngân có nhiệt độ nóng chảy ở -39 0C) do đó trong điều kiện nhiệt độ bình thường chỉ có thể dùng vật liệu dẫn điện kim loại lỏng là thủy ngân. Các chất ở thể khí hoặc hơi có thể trở nên dẫn điện nếu chịu tác động của điện trường lớn. Vật liệu dẫn điện được phân thành hai loại: vật liệu có tính dẫn điện tử và vật liệu có tính dẫn ion. - Vật liệu có tính dẫn điện tử: là vật chất mà sự hoạt động của các điện tử không làm biến đổi thực thể đã tạo thành vật liệu đó. Vật dẫn có tính dẫn điện tử bao gồm những kim loại ở trạng thái rắn hoặc lỏng, hợp kim của chúng và một số chất không phải kim loại như than đá. Kim loại và hợp kim có tính dẫn điện tốt được chế tạo thành dây dẫn điện, cáp điện, dây quấn máy biến áp, máy điện Các kim loại và hợp kim có điện trở cao dùng trong các dụng cụ đốt nóng bằng điện, đèn thắp sáng, biến trở và điện trở mẫu - Vật liệu có tính dẫn ion: là những vật chất mà dòng điện đi qua sẽ tạo nên sự biến đổi hóa học. Vật dẫn có tính ion thông thường là các dung dịch: dung dịch axit, dung dịch kiềm và các dung dịch muối. Tất cả các chất khí và hơi, kể cả hơi kim loại, nếu cường độ điện trường ngoài thấp sẽ không phải là vật dẫn (cách điện). Nhưng nếu cường độ điện trường ngoài vượt quá một giá trị giới hạn nào đó đủ gây ion hóa quang và ion hóa va chạm thì chất khí đó trở thành vật dẫn có điện dẫn ion và điện tử. Khi bị ion hóa mạnh sẽ có số điện tử và ion dương bằng nhau sinh ra trong một đơn vị thể tích là môi trường dẫn điện đặc biệt gọi là plazma. 2.5. Một số vật liệu thông dụng 2.5.1. Đồng và hợp kim của đồng 2.5.1.1. Đồng
19 Đồng là vật liệu dẫn điện quan trọng nhất trong tất cả các loại vật liệu dẫn điện dùng trong kỹ thuật điện, vì nó có các ưu điểm nổi trội so với các vật liệu dẫn điện khác. - Đặc tính của đồng: + Điện trở suất nhỏ (chỉ lớn hơn so với bạc Ag) + Độ bền cơ học tương đối cao + Trong nhiều trường hợp đồng có tính chất chống ăn mòn tốt (đồng bị oxy hóa tương đối chậm so với sắt ngay khi có độ ẩm cao; đồng chỉ bị oxy hóa mạnh ở nhiệt độ cao). + Khả năng gia công tốt, đồng cán được thành tấm, thanh, kéo thành sợi; độ nhỏ của dây có thể đạt tới phần nghìn milimet. + Hàn và gắn tương đối dễ dàng. + Có khả năng tạo thành hợp kim tốt - Đồng tiêu chuẩn là đồng ở trạng thái ủ, ở 20 0C có điện dẫn suất 58m/ .mm2, nghĩa là = 0,017241 .mm2/ m. Người ta thường chọn số liệu này làm gốc để đánh giá điện dẫn suất của các kim loại và hợp kim khác. - Phân loại + Đồng được kéo nguội gọi là đồng cứng: có sức bền cao, độ dãn dài nhỏ, rắn và đàn hồi (khi uốn). + Đồng được nung nóng rồi để nguội gọi là đồng mềm: nó ít rắn hơn đồng cứng, sức bền cơ học kém, độ dãn khi đứt lớn và điện dẫn suất cao. + Đồng được sử dụng trong công nghiệp là loại đồng tinh chế, nó được phân loại trên cơ sở các tạp chất có trong đồng (mức độ tinh khiết của đồng) Bảng 1.1: Phân loại đồng theo tỷ lệ tạp chất Ký hiệu CuE Cu9 Cu5 Cu0 Cu% 99,95 99,90 99,50 99,00 Trong kỹ thuật người ta sử dụng đồng có tỷ lệ đồng 99,95% và 99,90% để làm dây dẫn điện. - Ứng dụng
20 + Đồng cứng được dùng ở những nơi cần sức bền cơ giới cao, chịu mài mòn như làm cổ góp điện, thanh dẫn ở tủ phân phối, thanh cái trạm biến áp, lưỡi dao chính của cầu dao cách ly, các tiếp điểm của thiết bị bảo vệ + Đồng mềm dùng ở những nơi có độ uốn lớn và sức bền cơ học cao như: ruột cáp dẫn điện, thanh góp điện áp cao, dây dẫn điện, dây quấn máy điện. 2.5.1.2. Hợp kim của đồng Ngoài việc dùng đồng tinh khiết làm vật dẫn, người ta còn dùng các hợp kim của đồng với các chất khác như: thiếc, silic, photpho, crom, mangan, cadimi trong đó đồng chiếm tỷ lệ cao còn các chất khác có hàm lượng thấp. Căn cứ vào lượng và thành phần các chất ta có 2 loại hợp kim đồng: đồng thanh và đồng thau. Bảng 1.2. Tính chất của hợp kim đồng kỹ thuật Điện dẫn Giới hạn bền Độ giãn dài Hợp kim Trạng thái %, so với kéo, kG/mm2 tương đối khi đồng đứt % Đồng thanh ủ 95 Đến 31 50 Camidi (0,9% Cd) kéo nguội 83 ÷ 90 Đến 73 4 Đồng thanh ủ 55 ÷ 60 29 55 (0,8%Cd, 0,6% kéo nguội 50 ÷ 55 đến 73 4 Sn) Đồng thanh ủ 15 ÷ 18 37 45 (2,5% Al, 2% Sn) kéo nguội 15 ÷ 18 đến 97 4 Đồng thanh ủ 10 ÷ 15 40 60 photpho (7%Sn, kéo nguội 10 ÷ 15 105 3 0,1%P) Đồng thau ủ 25 32 ÷ 35 60 ÷ 70 (70%Cu, 30%Zn) kéo nguội 25 đến 88 5 Ứng dụng của hợp kim đồng:
21 - Đồng thanh được dùng để chế tạo các chi tiết dẫn điện trong các máy điện và khí cụ điện; để gia công các chi tiết nối và giữ dây dẫn, các ốc vít, đai cho hệ thống nối đất, cỏ góp điện, các gia đỡ - Đồng thau được dùng trong kỹ thuật điện để gia cong các chi tiết dẫn dòng như ổ cắm điện, phích cắm, đui đèn, đầu nối hệ thống tiếp đất, các ốc, vít 2.5.2. Nhôm Sau đồng, nhôm là vật liệu quan trọng thứ hai được sử dụng trong kỹ thuật điện, nhôm có điện dẫn suất cao (nó chỉ thua bạc và đồng), trọng lượng riêng giảm, tính chất vật liệu và hoá học cho ta khả năng dùng nó làm dây dẫn điện. Nhôm có màu trắng bạc là kim loại tiêu biểu cho các kim loại nhẹ (nghĩa là kim loại có khối lượng nhỏ hơn 5 G/cm 3). Khối lượng riêng của nhôm đúc gần bằng 2,6G/cm 3), nhôm cán là 2,7G/cm3, nhẹ hơn đồng 3.5 lần. Hệ số nhiệt độ dãn nở dài, nhiệt dung và nhiệt độ nóng chảy của nhôm đều lớn hơn đồng. Điện dẫn suất của nhôm = 0,028 .mm 2/ m. Ngoài ra nhôm còn có một số ưu, nhược điểm sau: Nhược điểm: -Cùng một tiết diện và độ dài, nhôm có điện trở cao hơn đồng 1,63 lần -Khó hàn nối hơn đồng, chỗ tiếp xúc không hàn dễ hình thành lớp ôxít có điện trở cao, phá huỷ chỗ tiếp xúc. - Khi nhôm và đồng tiếp xúc nhau, nếu bị ẩm sẽ hình thành pin cục bộ có trị số suất điện động khá cao, dòng điện đi từ nhôm sang đồng phá huỷ mối tiếp xúc rất nhanh. Ưu điểm - Giá thành hạ. - Trọng lượng nhẹ nên được dùng để chế tạo các đường dây tải điện trên không; những đường cáp này để có điện trở nhỏ, đường kính dây càng phải lớn nên giảm được hiện tượng phóng điện vầng quang. Nhôm tinh khiết có thể thay thế chì để làm vỏ cáp. Nhôm dùng trong công nghiệp được phân loại trên cơ sở tỷ lệ phần trăm của kim loại tinh khiết và tạp chất. Nhôm sử dụng trong kỹ thuật
22 điện phải bảo đảm tinh khiết tối thiểu 99,5% Al, các tạp chất khác như sắt, silic tối đa là 0,45%, đồng và kẽm là 0,05%. Bảng 1.3: Phân loại nhôm theo tỷ lệ tạp chất Ký hiệu AB1 AB2 A-00 A-0 A-1 A-2 A-3 Nhôm % 99,90 99,85 99,70 99,60 99,50 99,00 98,00 Theo tiêu chuẩn quốc tế, nhôm dùng trong kỹ thuật điện để làm dây dẫn có độ tinh khiết lớn hơn 99,5%. Ứng dụng của nhôm: trong kỹ thuật điện, nhôm được sử dụng phổ biến để chế tạo: - Dây dẫn điện trên không để truyền tải điện năng. - Ruột cáp điện - Các thanh ghép và chi tiết cho trang thiết bị điện. - Dây quấn trong các máy điện - Các lá nhôm để làm tụ điện, mạch từ của máy biến áp, các rôto của động cơ điện, 2.5.3. Sắt và hợp kim của sắt Sắt được sản xuất tương đối dễ dàng nên giá thành hạ so với các kim loại khác. Trên cơ sở tỷ lệ cacbon chứa trong sắt mà người ta phân thành: - Gang: là sắt chứa tỷ lệ (1,7 ÷ 4,5%C) - Thép: là sắt chứa tỷ lệ (0,5 ÷ 1,7)%C - Sắt rèn: là sắt chứa tỷ lệ dưới 0,5%C - Sắt tinh khiết trong thành phần có (99,7 ÷ 99,9)% Fe, trong kỹ thuật rất ít sử dụng. Dòng điện xoay chiều trong thép sẽ gây nên hiệu ứng bề mặt đáng kể, vì vậy điện trở dây thép đối với dòng điện xoay chiều cao hơn điện trở đối với dòng điện một chiều. Ngoài ra dòng điện xoay chiều trong thép còn gây ra tổn thương từ trễ. Để làm dây dẫn điện người ta thường dùng thép mềm có 1,0 đến 1,6 % cacbon, giới hạn bền kéo 70 - 75kG/mm 2, độ giãn dài tương đối khi đứt
23 5 – 8%, điện dẫn suất nhỏ hơn đồng 6 - 7 lần. Vì thế thép dùng làm dây dẫn đường dây tải điện trên không với công suất tương đối nhỏ. Trong trường hợp này sử dụng thép có lợi vì khi trị số dòng điện nhỏ, tiết diện dây không xác định theo điện trở mà theo độ bền cơ của nó. Thép có sức bền cơ học lớn gấp 2 ÷ 2,5 lần so với đồng, do đó dây dẫn thép có thể dùng ở những khoảng cột lớn, những tuyến vượt sông rộng (có thể dùng với khoảng cột từ 1500 ÷ 1900m). Thép cũng là một dạng vật liệu dẫn điện, đường sắt chạy điện, tàu điện ngầm Để làm lõi của dây nhôm, lõi thép dùng dây thép có độ bền đặc biệt với giới hạn bền kéo 120 -150kG/mm 2 và độ giãn dài tương đối là 4 -5 %. Nhược điểm của thép là khả năng chống ăn mòn kém ngay ở nhiệt độ bình thường và đặc biệt khi độ ẩm cao thép sẽ bị gỉ nhanh. Khi nhiệt độ cao tốc độ ăn mòn càng tăng mạnh; vì vậy bề mặt dây thép cần được bảo vệ bằng lớp kim loại bền hơn. Thông thường dây thép được bọc lớp kẽm bảo vệ cho thép khỏi bị gỉ. Lưỡng kim: Trong nhiều trường hợp để giảm chi phí kim loại màu trong kết cấu vật dẫn có thể sử dụng lưỡng kim, đó là thép có bọc lớp đồng ở mặt ngoài, cả hai kim loại gắn chặt với nhau và liên tục suốt bề mặt của chúng. Dây lưỡng kim được dùng làm đường dây thông tin tải điện vv thanh cái thiết bị phân phối, thanh trụ của cầu dao, các phần dẫn điện khác trong thiết bị phân phối chế tạo bằng vật liệu lưỡng kim. 2.5.4. Bạc Bạc là kim loại trắng không bị ô xy hoá ở điều kiện nhiệt độ bình thường. Bạc có trị số điện trở suất nhỏ nhất trong các kim loại = 0,016  .mm2/m nên dẫn điện tốt nhất trong tất cả các kim loại, giới hạn bền kéo của dây bạc gần bằng 20kG/mm 2, độ giãn dài khi đứt khoảng 50%. Trong kỹ thuật điện, bạc được sử dụng: - Làm dây dẫn, dây quấn, tiếp điểm trong kỹ thuật thu thanh, vô tuyến, làm dây chì bảo vệ. - Hợp kim với Mangan hay Niken được dùng trong dây dẫn trong các máy đo. - Để mạ cho các kim loại khác, ngăn oxy hóa, để tráng gương, tráng kim loại cho các dụng cụ chiếu sáng
24 2.5.5. Vật liệu dẫn điện có điện trở cao Vật liệu có điện trở cao dưới dạng hợp kim được dùng trong các dụng cụ đo, làm điện trở mẫu, biến trở và các dụng cụ đốt nóng bằng điện. 1. Manganin (86%Cu, 2%Ni, 12%Mn) Là hợp kim dùng phổ biến trong các dụng cụ đo điện và làm điện trở mẫu. Điện trở suất δ = 0,42 ÷ 0,48 Ωmm 2/m, nhiệt độ làm việc t = 100 – 2000C, Công dụng: Làm điện trở Sun, điện trở phụ trong đồng hồ đo, làm sợi nung trong thiết bị nung. 2. Constantan Là hợp kim của đồng (Cu) và Niken (Ni). Đồng 60%; Niken 40%. Điện trở suất δ = 0,48 ÷ 0,52 Ωmm 2/m. Nhiệt độ làm việc cho phép t = 450 - 5000C. Dùng làm các dây biến trở, dụng cụ đốt nóng bằng điện và dùng làm nhiệt ngẫu để đo nhiệt độ. 3. Hợp kim Crôm - Niken Là hợp kim của Niken (Ni), Crôm (Cr), Mangan (Mn) trong đó Ni = 60%, Cr = 15%, Mn = 1.5% còn lại là các chất khác. Điện trở suất δ = 1 ÷ 1,2 Ωmm 2/m. Nhiệt độ làm việc cho phép t = 10000C Công dụng: Dùng làm là điện, bếp điện, mỏ hàn, bàn là 4. Hợp kim Crôm - Nhôm Là hợp kim rẻ tiền dùng trong thiết bị đốt nóng bằng điện công suất lớn. Hợp kim này cứng và dòn nên khó kéo thành sợi. 2.5.6. Quan sát, nhận biết vật liệu dẫn điện 3. Vật liệu cách điện Mục tiêu: - Hiểu được khái niệm, các tính chất (cơ - lý - hóa học, dẫn điện, tổn hao, sự phóng điện).
25 - Biết chọn lựa vật liệu cách điện - Nhận biết và ứng dụng các vật liệu cách điện trong thực tế. 3.1. Khái niệm vật liệu cách điện Vật liệu dùng để cách điện (còn gọi là chất điện môi) là các chất mà trong điều kiện bình thường điện tích không dịch chuyển. Tức là ở điều kiện bình thường, điện môi là vật liệu không dẫn điện, điện dẫn của chúng bằng không hoặc không đáng kể. 3.2. Tính chất của vật liệu cách điện 3.2.1. Tính dẫn điện của điện môi Khi điện môi đặt trong điện trường chịu tác dụng của một cường độ điện trường E, trong trường hợp đồng nhất thì E được xác định: U kV E (1.15) h mm Trong đó: E: điện áp đặt lên hai điểm cực H: khoảng cách giữa hai điểm cực Điện môi đặt trong điện trường thì xảy ra hai hiện tượng cơ bản là: sự dẫn điện của điện môi và sự phân cực của điện môi. Điện dẫn của điện môi được xác định bởi sự chuyển động có hướng của các điện tích tự do tồn tại trong điện môi (các điện tích tự do có thể là điện tử, ion hoặc các nhóm phần tử mang điện). Dưới tác dụng của lực điện trường F = E.q (N). Trong đó: q – điện tích của các phần tử mang điện tự do. Các điện tích dương chuyển động theo chiều của E và ngược lại dẫn đến trong điện môi xuất hiện một dòng điện. Trị số của dòng điện phụ thuộc vào mật đọ các điện tích tự do trong điện môi. Trong điện môi tồn tại rất ít các điện tích tự do mà chủ yếu là các điện tích có liên kết chặt chẽ nên dưới tác dụng của điện trường chúng không chuyển động xuyên suốt điện môi để tạo thành dòng điện mà chỉ có thể xê dịch rất ít hoặc xoay theo hướng của điện trường. Dựa vào thành phần của dòng điện dẫn người ta chia điện dẫn thành 3 loại sau: - Điện dẫn điện tử: thành phần mang điện là các điện tử, loại điện dẫn này có trong tất cả các điện môi.
26 - Điện dẫn ion: thành phần của các hạt điện dẫn này là cả ion dương và âm. Các ion sẽ chuyển động đến điện cực khi có điện trường tác động, tại điện cực các ion sẽ được trung hòa về điện và tích lũy dần trên bề mặt điện cực giống như qúa trình điện phân. Vì vậy, điện dẫn ion còn gọi là điện dẫn điện phân. - Điện dẫn điện di (hay còn gọi là điện dẫn Môliôn). Thành phần của dòng điện này là các nhóm phân tử hay tạp chất được tích điện tồn tại trong điện môi, chúng tạo nên bởi ma sát trong quá trình chuyển động nhiệt. Quá trình dẫn điện và phân cực làm tiêu hao một phần năng lượng và tỏa ra dưới dạng nhiệt dẫn đến điện môi bị nóng lên, đó là tổn hao điện môi. 3.2.2 Sự phân cực điện môi Khi đặt điện môi vào trong điện trường E, trong điện môi xảy ra quá trình phân cực: trên bề mặt điện môi phía điện cực dương ta thấy xuất hiện các điện tích âm và ngược lại trên bề mặt điện môi phía cực âm – xuất hiện các điện tích dương trái dấu với các điện cực bên ngoài. Vì vậy chúng ta có khái niệm phân cực như sau: Phân cực được xác định bởi sự dịch chuyển có giới hạn của các điện tích ràng buộc hoặc sự định hướng của các phân tử lưỡng cực dưới tác dụng của lực điện trường. Khi xảy ra phân cực, trên bề mặt điện môi xuất hiện điện tích trái dấu của điện cực bên ngoài. Như vậy điện môi sẽ tạo thành một tụ điện với điện dung là C, điện tích của tụ là Q. Điện tích Q của tụ điện có trị số tỷ lệ với điện áp đặt lên tụ điện và tính bởi công thức: Q = CU (1.16 ) Trong đó : C – điện dung của tụ điện. U – điện áp đặt vào tụ điện E h = l U Hình 1.4. Phân cực điện môi
27 Điện tích Q gồm 2 thành phần: Q’ – điện tích tạo nên bởi sự phân cực của điện môi Q0 – là điện tích có ở điện cực nếu như giữa các điện cực là chân không Q = Q0 + Q’ (1.17 ) * Hằng số điện môi Một trong những đặc tính quan trọng nhất của điện môi và có ý nghĩa đặc biệt đối với kỹ thuật điện là hằng số điện môi tương đối . Đại lượng này là tỷ số giữa điện tích Q của tụ điện chế tạo từ điện môi khi điện áp đặt vào có một trị số nào đó với Q 0 – là điện tích của tụ điện khi điện môi là chân không: Q Q Q Q  = =0 =1+ (1.18) Q0 Q0 Q0 Từ biểu thức (1.18) ta thấy hằng số điện môi tương đối của bất kỳ chất nào cũng lớn hơn một và chỉ bằng 1 khi điện môi là chân không. Chú ý: Giá trị hằng số điện môi phụ thuộc vào hệ đơn vị. Trong hệ CGSE nó bằng 1, còn trong hệ SI nó bằng 1 F/m 36 .109 Từ công thức (1.16)và (1.17), ta có thể viết biểu thức dưới dạng: Q = Q0 = CU = C0 U (1.19) Trong đó: C 0 – điện dung của tụ điện khi giữa các điện cực là chân không. C Từ công thức (1.19) ta có:  = C0 Như vậy hằng số điện môi của một điện môi bất kỳ có thể xác định bằng tỷ số giữa điện dung của tụ điện của điện môi đó với điện dung tụ điện cùng kích thước điện cực khi điện môi là chân không. * Các dạng phân cực chính của điện môi - Phân cực điện tử: là dạng phân cực do xê dịch của các điện tử dưới tác động của điện trường ngoài. - Phân cực ion: là dạng phân cực do các ion liên kết dưới tác dụng của điện trường ngoài.
28 - Phân cực lưỡng cực: là dạng phân cực gây nên bởi sự định hướng của các lưỡng cực (các phân tử có cực tính). - Phân cực kết cấu: là dạng phân cực đặc trưng cho điện môi có kết cấu không đồng nhất. - Phân cực tự phát: là dạng phân cực đặc trưng cho các điện môi Xec-nhet. Nó có đặc điểm là tự phân cực khi điện trường ngoài bằng không. 3.2.3. Tổn hao điện môi Khi cho điện trường tác dụng lên điện môi, trong điện môi xảy ra quá trình dịch chuyển các điện tích tự do và điện tích ràng buộc. Như vậy trong điện môi xuất hiện dòng điện dẫn và dòng điện phân cực, chúng tác động đến điện môi làm điện môi nóng lên, tỏa nhiệt và truyền nhiệt vào môi trường. Phần năng lượng nhiệt này không sinh ra công, nên người ta thường gọi là tổn hao điện môi. Tổn hao công suất trong vật mẫu hay trong bất kỳ khối vật liệu nào (với các điều kiện giống nhau) có trị số tỷ lệ với bình phương điện áp đặt vào vật thể. Với điện áp một chiều ta có công thức tính công suất tổn hao điện môi như sau: 2 P = R. I2 = U R Trong đó: R – đo bằng Ôm; I - Ampe ( A ); U – Vôn ( V ); IR IC I  U Hình 1.5. Góc tổn hao điện môi
29 Khi điện áp xoay chiều với tần số  = 2 t, giữa dòng điện I và điện áp U có một góc lệch pha là φ. Góc phụ với φ là góc  (φ + = 90 0 ) đồng thời cũng gọi là góc tổn hao điện môi. Tổn hao điện môi được tính như sau: U 2 P = U.I.cos φ = U.I R = U.IC.tg = U. tg = U . C. tg  X C Như vậy: P = U2C. tg (1.20) Trong đó: P: Công suất tổn hao; U: Điện áp đặt vào vật thể; : Tần số góc (= 2 f ); C: Điện dung của tụ; Trong trường hợp điện môi lý tưởng, vectơ dòng điện trong sơ đồ thay thế điện môi sẽ vượt trước vectơ điện áp góc là 90 0 ; khi đó góc  = 0 và tổn hao điện môi P = 0, nghĩa là không sinh ra tổn hao điện môi. Công suất tiêu hao năng lượng để phát nhiệt càng lớn khi góc lệch pha giữa dòng điện và điện áp càng bé. Để xác định khả năng phát tán năng lượng trong điện môi trong điện trường, người ta thường dùng góc tổn hao điện môi  và tang của góc đó tg theo công thức (1.20). Qua công thức (1.20) ta thấy giá trị tổn hao công suất tỉ lệ với tg khi tần số và điện áp không đổi. Vì vậy khi nghiên cứu tổn hao điện môi của điện môi nào đó người ta thường đo góc  hay tg để xác định tính chất của vật liệu. Giá trị tg có thể được xác định bằng công thức sau: I tg=R (1.21) I C hay: P tg= (1.22) Q Với Q – là công suất phản kháng. 3.2.4. Sự phóng điện trong điện môi. Thực nghiệm cho thấy khi cường độ điện trường đặt lên điện môi vượt quá một giới hạn nào đó sẽ xảy ra hiện tượng phóng điện chọc thủng điện môi, khi đó điện môi bị mất hoàn toàn tính chất cách điện. Hiện
30 tượng đó chính là sự phóng điện chọc thủng của điện môi hay là sự phá hủy độ bền điện của điện môi. Trị số điện áp mà ở đó xảy ra đánh thủng điện môi, được gọi là điện áp đánh thủng (U đt); trị số tương ứng của cường độ điện trường của cường độ đánh thủng hay cường độ điện trường cách điện của điện môi (E đt). Uđt = Eđt.d (1.23) Trong đó: d - là chiều dày của điện môi đo bằng mm. Bảng 1.4: Thông số đặc trưng của một số vật liệu cách điện Vật liệu Eđt, kV/cm ε ρ, Ωcm Giấy tẩm dầu 100 ÷ 200 3,6 Không khí 30 1 Vải sơn 100 ÷ 400 3 ÷ 4 1011 ÷ 1013 Đá hoa 30 ÷ 50 7 ÷ 8 108 ÷ 1011 Paraphin 200 ÷ 250 2 ÷ 2,2 1016 ÷ 1017 Polietylen 500 2,25 1014 ÷ 1016 Cao su 150 ÷200 3 ÷6 1013 ÷ 1014 Thủy tinh 100 ÷ 150 6 ÷ 10 1014 Thủy tinh hữu cơ 400 ÷ 500 3 1014 ÷ 1016 Vải thủy tinh 300 ÷ 400 3 ÷ 4 5.1013 Mica 500 ÷ 1000 5,4 5.10-3 ÷ 1014 Dầu Xovon 150 5,3 5.1014 ÷ 5.1015 Dầu biến áp 50 ÷ 180 2 ÷ 2,5 1014 ÷ 1015 Sứ 150 ÷ 200 5,5 1015 ÷1016 Êbonit 600 ÷ 800 3 ÷ 3,5 108 ÷ 1010 Cactong cách 80 ÷ 120 3 ÷3 ,5 1011 ÷ 1013
31 điện Cường độ điện trường cách điện của điện môi E đt chính là điện áp đánh thủng điện môi trên một đơn vị chiều dày điện môi. Để đảm bảo điện môi làm việc tốt, cường độ điện trường đặt vào điện môi không vượt quá giới hạn cho phép Ucp: Ucp = Uđt/k k: hệ số an toàn, thường lấy k = 2 ÷ 3 Ví dụ: Xác định điện áp cho phép và điện áp đánh thủng của một tấm catong cách điện có bề dày h = 0,15cm áp sát vào hai điện cực, cho biết hệ số an toàn bằng 3. Lời giải: Tra bảng 1.4: cường độ đánh thủng của cactong cách điện lấy trung bình Eđt = 100 kV/cm. Ta có điện áp đánh thủng: U đt = Eđt.d = 100.0,15 = 15kV Điện áp cho phép: U cp = Uđt/k = 15/3 = 5kV 3.2.5. Tính chất cơ – lý – hóa của vật liệu cách điện * Tính hút ẩm của điện môi Các vật liệu điện nói chung đều hút ẩm vào bên trong từ môi trường xung quanh hay thấm ẩm tức là hơi nước xuyên qua chúng. Khi bị thấm ẩm tính chất cách điện của điện môi bị giảm nhiều. Những vật liệu cách điện không cho nước đi vào bên trong nó khi đặt trong môi trường có độ ẩm cao, trên bề mặt có thể ngưng tụ một lớp ẩm làm cho dòng rò bề mặt tăng, điện áp phóng điện dọc theo bề mặt giảm và có thể gây nên sự cố cho các thiết bị điện. Tính hút ẩm của vật liệu cách điện không những phụ thuộc vào kết cấu và loại vât liệu mà nó còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ ẩm của môi trường làm việc. nó sẽ làm biến đổi tính chất ban đầu của vật liệu dẫn đến lão hóa và làm giảm tính chất cách điện của vật liệu, góc tổn hao tg có thể dẫn đến phá hỏng cách điện. Đặc biệt là đối với cách điện thể rắn. Để hạn chế ảnh hưởng do hơi ẩm đối với vật liệu cách điện cần sử dụng các biện pháp sau đây: - Sấy khô và sấy trong chân không để hơi ẩm thoát ra ngoài.
32 - Tẩm các vật liệu xốp bằng sơn cách điện. Sơn tẩm lấp đầy các lỗ xốp khiến cho hơi ẩm có thể thoát ra ngoài và làm tăng tính chất cách điện của vật liệu. - Quét lên bề mặt các vật liệu rắn lớp sơn phủ nhằm ngăn chặn hơi ẩm lọt vào bên trong. - Tăng bề mặt điện môi, thường xuyên vệ sinh bề mặt vật liệu cách điện, tránh bụi bẩn bám vào làm tăng khả năng thấm ẩm có thể gây phóng điện bề mặt. * Tính chất cơ học của điện môi Trong nhiều trường hợp thực tế, vật liệu cách điện còn phải chịu tải cơ học, do đó khi nghiên cứu vật liệu cách điện cần xét đến tính chất cơ học của nó. Khác với vật liệu dẫn điện (kim loại) có độ bền kéo  k, độ bền nén n và độ bền uốn  u hầu như gần bằng nhau. Căn cứ vào độ bền này người ta tính toán, chế tạo vật liệu cách điện phù hợp với khả năng chịu lực tốt nhất của nó. 2 Ví dụ: thủy tinh có độ bền nén  n = 2.104kg/cm trong khi đó độ 2 bền kéo  k = 5.102kg/cm . Vì thế thủy tinh thường được dùng làm vật liệu cách điện đỡ. * Tính chất hóa học của vật liệu cách điện. Tính chịu nhiệt của vật liệu cách điện là khả năng chịu tác dụng của nhiệt độ cao và sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. Mỗi loại vật liệu cách điện chỉ chịu một nhiệt độ nhất định (có độ bền chịu nhiệt nhất định). Độ bền chịu nhiệt được xác định theo nhiệt độ làm thay đổi tính năng của vật liệu cách điện. Đối với vật liệu cách điện vô cơ, độ bền chịu nhiệt được biểu thị bằng nhiệt độ mà nó bắt đầu có sự biến đổi rõ rệt về tính chất cách điện như tổn hao tgδ tăng, điện trở cách điện giảm sút Đối với vật liệu cách điện hữu cơ, độ bền chịu nhiệt là nhiệt độ gây nên các biến dạng cơ học, những biến dạng này sẽ dẫn đến sự suy giảm tính chất cách điện của nó. Về mặt hóa học, nhiệt độ tăng sẽ dẫn đến tốc độ của các phản ứng hóa học xảy ra trong vật liệu cách điện tăng (có dạng hàm mũ theo nhiệt độ). Vì vậy, sự giảm sút tính chất cách điện của vật liệu gia tăng rất mạnh khi nhiệt độ tăng quá mức cho phép.
33 Bảng 1.5. Phân cấp vật liệu cách điện theo độ bền nhiệt (Theo quy định của IEC: hội kỹ thuật điện quốc tế ) Ký hiệu cấp Nhiệt độ làm việc Ký hiệu cấp Nhiệt độ lớn nhất chịu nhiệt lớn nhất cho phép, chịu nhiệt cho phép, 0C 0C Y 90 B 130 A 105 F 155 E 120 H 180 C > 180 * Cấp Y: Bao gồm các vật liệu sợi gốc xenlulô và tơ (sợi, vải, băng đai, giấy, các tông, gỗ ). * Cấp A: Là các vật liệu cấp Y khi đã được ngâm hay tẩm bất kỳ chất cách điện khác. Ví dụ : giấy tẩm hay ngâm trong dầu biến áp, vải bông tẩm dầu, tơ có dầu hay sơn. Trong cấp A còn có êmay gốc sơn nhựa dầu, tấm gỗ dán * Cấp E: Gồm các chất dẻo có độn hữu cơ và lớp nhựa liên kết chịu nhiệt loại fênol focmalđêhít và các loại tương tự khác (hêtinắc, tectonit, bột nén có độn bột gỗ ) nhựa êpôcxi và hỗn hợp không có độn, chất cách điện của dây êmay gốc sơn polyvinyl axêtan Như vậy cấp Y, A, E gồm chủ yếu là các vật liệu cách điện thuần tuý hữu cơ. Một số vật cách điện hữu cơ khác (cao su, polystyrol ) có độ bền chịu nóng thậm chí còn thấp hơn cấp Y và không được đưa vào phân loại theo tiêu chuẩn. * Cấp B: Bao gồm mêca vụn, các vật liệu sợi amian và thuỷ tinh kết hợp với các vật liệu liên kết và tẩm hữu cơ như: các micnit (trong đó có đệm giấy hoặc vải hữu cơ), vải sơn thuỷ tinh, téctolit, thuỷ tinh dựa trên nhựa phenol focmalđehyt chịu nhiệt, hỗn hợp êpocxi với lớp độn vô cơ * Cấp F: Bao gồm micanit, các vật liệu trên cơ sở sợi thuỷ tinh không có lớp đệm hoặc có lớp đệm vô cơ; chất liên kết và tẩm là vật liệu hữu cơ có độ bền chịu nóng cao êpocxi poliête chịu nhiệt, silic hữu cơ.
34 * Cấp H: Tương tự với cấp F nhưng chất liên kết là loại nhựa silic hữu cơ có độ bền nhiệt đặc biệt cao. * Cấp C: Gồm các vật liệu vô cơ thuần tuý, hoàn toàn không có thành phần kết dính hay tẩm. Đó là chất cách điện oxit nhôm và florua nhôm, mica, thuỷ tinh và vật liệu sợi thuỷ tinh, thạch anh, amian, micalếch, ximăng, amian không tẩm, mícanhít chịu nóng 3.3. Tiêu chuẩn chọn lựa Khi lựa chọn vật liệu cách điện sử dụng vào một mục đích cụ thể, cần phải chú ý đến tính chất cách điện của nó trong những điều kiện làm việc bình thường và xem xét tới độ ổn định của những tính chất đó khi có sự tác động của cơ học, lí học, hóa học, điều kiện môi trường xung quanh và của các tia phóng xạ, bức xạ gọi chung là các điều kiện vận hành tác động đến vật liệu cách điện. Dưới tác động của điều kiện vận hành, tính chất của vật liệu cách điện bị giảm sút liên tục đó là sự lão hóa vật liệu cách điện. Do vậy, tuổi thọ của vật liệu cách điện sẽ rất khác nhau trong những điều kiện khác nhau. Ngoài ra, khi chọn vật liệu cách điện cũng cần phải xét đến khả năng chịu va đập, độ rắn, độ dãn nở theo nhiệt của vật liệu. Đặc biệt chú ý khi gắn các loại vật liệu cách điện với nhau cần phải chọn vật liệu có hệ số dãn nở vì nhiệt gần bằng nhau. 3.4. Một số vật liệu cách điện thông dụng 3.4.1. Vật liệu cách điện thể khí * Không khí Trong số các vật liệu cách điện thể khí trước tiên phải nói đến không khí. Trong không khí được sử dụng rộng rãi để làm cách điện chủ yếu của các đường dây tải điện trên không, cách điện của các thiết bị điện làm việc trong không khí hoặc phối hợp với 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 những bọt khí 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. Với 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
35 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 được cho ở bảng 1.6 Bảng 1.6. So sánh đặc tính của không khí với các chất khác Các đặc tính Không Cacbonic Nitơ (N2) Hydro (H2) tương đối khí (CO2) -Tỉ trọng 1 0.97 1.52 0.07 - Nhiệt dẫn suất 1 1.08 0.64 6.69 -Tỉ nhiệt 1 1.05 0.85 14.35 Hệ số tỏa nhiệt 1 1.03 1.13 1.61 từ vật rắn sang khí 1 1.00 0.9 0.60 - Độ bền cách điện Ở bảng ta thấy so với không khí thì cường độ cách điện của các chất khí đều kém hơn. Song nitơ (N 2) đôi khi được dùng thay cho không khí để lấp đầu các tụ điện khí hay trong các thiết bị điện khác vì nó có đặc tính gần giống với không khí, đồng thời không chứa ôxy là chất có thể gây ra ôxy hóa các vật liệu khi tiếp xúc với nó. * Hợp chất halôgen: có khối lượng phân tử và tỉ trọng cao, năng lượng iôn hóa lớn, có cường độ cách điện cao hơn hẳn so với không khí. Ví dụ florua lưu huỳnh SF 6 hay còn gọi là khí êlêgaz có độ bền điện lớn hơn không khí khoảng 2,5 lần. Êlêgaz nặng hơn không khí 5 lần và trong nhiệt độ bình thường có thể lên tới 20 at 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 những ưu điểm lớn khi ở áp suất cao. * Khí frêon (CCl2F2) có độ bền gần bằng khí êlêgaz và ở nhiệt độ bình thường nó chỉ có thể chịu nén tới 6 at. Khí frêon ăn mòn một số vật liệu hữu cơ thể rắn, đây là điều cần chú ý khi dùng loại khí này trong tủ lạnh, máy điều hòa, máy làm lạnh Các chất khí và hơi của các chất lỏng nói trên có độ bền điện lớn hơn không khí từ 6 – 10 lần, người ta thường pha một lượng nhỏ khí
36 êlegaz , freôn hay các chất khí kể trên lẫn vào không khí sẽ đem lại một hỗn hợp khí có độ bền điện tăng đáng kể và được sử dụng trong các thiết bị điện cao áp. * Khí hyđro: là khí nhẹ có đặc tính truyền dẫn nhiệt tốt nên được dùng làm mát thay cho không khí trong các máy điện công suất lớn, làm giảm tổn thất công suất do ma sát của rôto với chât khí và do quạt gió gây ra. Khi dùng hyđro sẽ làm chậm sự hóa già 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 khi hyđro làm cải thiện điều kiện làm việc của chổi than. Do làm mát bằng khí hyđro cho phép tăng công suất và hiệu suất làm việc của máy điện, người ta thường chế tạo các máy phát nhiệt điện và các máy bù đồng bộ công suất làm mát bằng khí hyđro, nhưng khí hyđro dễ kết hợp với khi oxy theo tỷ lệ nhất định sẽ tạo thành 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 hoặc không được để khí hyđro tiếp xúc với khí (khí hyđro làm việc trong chu trình kín). Hiện nay người ta còn dùng khí trơ hay argon, nêon, hơi thủy ngân, hơi natri cũng như hơi thủy ngân để làm các dụng cụ điện chân không và bóng đèn. 3.4.2. Vật liệu cách điện thể lỏng 3.4.2.1. Dầu mỏ cách điện (dầu biến áp) Dầu biến áp có hai chức năng chính - Lấp đầy các lỗ xốp trong vật liệu cách điện gốc sợi và lỗ trống giữa các dây dẫn của cuộn dây, giữa cuộn dây với vỏ máy biến áp, làm nhiệm vụ cách điện và tăng độ bền cách điện. - Dầu có nhiệm vụ làm mát, tăng cường sự thoát nhiệt do tổn hao công suất trong dây quấn và lõi thép máy biến áp sinh ra. Dầu biến áp còn được sử dụng trong các máy cắt dầu có tác dụng làm nguội dòng hồ quang và nhanh chóng dập hồ quang. Người ta còn dùng dầu biến áp làm cách điện và làm mát trong một số kháng điện, biến trở và các thiết bị điện khác. Tính chất của dầu biến áp Hằng số điện môi ε = 2,2 ÷ 2,3 Làm việc ở chế độ lâu dài với nhiệt độ 90 - 95 0C ít bị hóa già.
37 Độ bền cách điện cao. Trị số bền điện của dầu biến áp phụ thuộc nhiều vào độ ẩm và mức độ tạp chất của dầu; chỉ với lượng nhỏ nước hoặc tạp chất sẽ làm độ bền điện của dầu giảm đi đáng kể. Bảng 1.7. Tiêu chuẩn độ bền điện của dầu biến áp Điện áp phóng điện của dầu kV/2,5 mm Thiết bị có điện áp làm (không nhỏ hơn) việc, kV Dầu mới Dầu đã vận hành 6 và thấp hơn 25 20 35 30 25 110 và 220 40 35 330 và cao hơn 50 45 Trị số tổn hao điện môi tgδ quy định như sau: ở nhiệt độ 20 0C tgδ không lớn hơn 0,003 và khi nhiệt độ 75 0C tgδ không lớn hơn 0,025. Trong quá trình làm việc, tính chất cách điện của dầu bị giảm đó là hiện tượng hóa già, màu của dầu trở nên sẫm và lắng cặn. Tốc độ hóa già của dầu tăng lên trong các trường hợp sau: - Khi có không khí lọt vào vì hiện tượng hóa già của dầu gắn liền với hiện tượng oxy hóa dầu bằng oxy của không khí đặc biệt khi tiếp xúc với ôzôn. - Khi dầu làm việc ở nhiệt độ cao. - Có các phản ứng hóa học khi dầu tiếp xúc với một số kim loại (đồng, sắt, chì ) và những chất khác là những chất xúc tác cho hiện tượng hóa già. - Dầu chịu tác dụng của ánh sáng. - Dầu đặt trong điện trường cao. Khi dầu bị hóa già để có thể sử dụng ta cần loại bỏ nước và tạp chất bằng phương pháp lọc và hấp thụ. 3.4.2.2. Điện môi lỏng tổng hợp Đối với các loại dầu mỏ có những ưu điểm là: Rẻ tiền, sản xuất được nhiều, nếu làm sạch tốt thì tổn hao tgδ bé và cường độ cách điện cao. Nhưng khuyết điểm của dầu mỏ là dễ cháy, dễ nổ, ít ổn
38 định hoá học khi có nhiệt độ cao và khi tiếp xúc với không khí, hệ số điện môi bé, bị hóa già do nhiệt độ cao và khi có điện trường tác dụng. Vì vậy người ta đã nghiên cứu các loại dầu tổng hợp có một số đặc tính tốt hơn dầu mỏ. Nguyên tắc để tạo ra dầu tổng hợp là sự clo hoá các loại cácbua hyđrô. * Dầu Xôvôn C12H5Cl5: Thay 5 nguyên tử Hyđrô trong cacbuahyđrô diphenyl C 12H5 bằng 5 nguyên tử Clo. Dầu Xôvôn là một chất lỏng, có đặc tính nhiệt là làm việc ở nhiệt độ cao hơn so với dầu MBA và dầu Xôvôn trong suốt không màu. Trong điện trường lớn, dầu Xôvôn ổn định hơn dầu mỏ và không bị cháy. Nhưng nhược điểm của dầu Xôvôn là: Độ nhớt lớn, và làm lạnh kém và đắt hơn dầu mỏ nhiều nên ít dùng trong MBA. Công dụng: Dùng tẩm giấy các tụ điện dùng trong động học. * Dầu xốp tôn (C 6H3Cl3) Do sự Clo hoá Benzen (C6H6) mà ta có. Thay 3 nguyên tử Hyđrô bằng 3 nguyên tử Clo người ta được dầu Xốptôn, dầu này không cháy nhưng không dùng được trong máy cắt điện vì chúng sinh nhiều cặn và ăn mòn kim loại, mặt khác chúng là chất độc đối với người nên cần chú ý khi sử dụng. Ngoài các loại dầu mỏ và dầu tổng hợp thường gặp nói trên thì còn có một số loại dầu thực vật lấy từ hạt của một số cây như: Dầu gai, dầu thầu dầu 3.4.2.3. Dầu thực vật: * Dầu gai (dầu khô) Khi chịu tác dụng của nhiệt, ánh sáng và khi tiếp xúc với không khí thì dầu khô lại và trở thành một lớp rắn gắn chặt vào các chi tiết khác và nó có cường độ cách điện cao, lớp dầu khô chịu được cả tác dụng của dầu mỏ ngay cả khi ở nhiệt độ cao nhưng ít chịu được tác dụng của cácbua thơm như Benzen. * Dầu thầu dầu Dầu này khô rất chậm, hoặc không khô nên không có sự gia công hoá học. Vì vậy nó được dùng làm điện môi lỏng (tẩm giấy tụ điện). 3.4.3. Vật liệu cách điện thể rắn
39 3.4.3.1. Mica và vật liệu dựa trên cơ sở mica Là loại vật liệu cách điện vô cơ thuộc loại khoáng sản (gốc là quặng) có một vai trò quan trọng trong kỹ thuật điện. Mica có đặc tính tốt như: cường độ cơ học và cường độ cách điện cao, độ uốn lớn, chịu được nhiệt và chịu ẩm do đó mica được dùng làm cách điện các Máy điện có điện áp cao, công suất lớn và làm điện môi của tụ điện. Dựa vào thành phần hoá học người ta chia mica ra làm hai loại sau: * Mica Mutscovit Thành phần hoá học (K 2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O) có màu trắng, hơi đỏ hoặc hơi xanh có bề mặt nhẵn, độ bền cơ cao dễ uốn, điện trở suất ρ = 1014 ÷ 1016 Ωcm, tổn hao điện môi tgδ nhỏ tgδ = 150.104, hệ số điện môi ε = 7. Công dụng: Làm cách điện trong các vành góp điện và làm điện môi trong các tụ điện, làm cách điện cho các máy điện có công suất lớn và điện áp cao. * Mica Flogopit (Mica hổ phách) Thành phần hoá học (K 2O.6MgO.Al2O3.6SiO2.2H2O) Có màu đen hay đen nâu, đặc tính về điện thấp hơn so với loại trên, điện trở suất ρ = 1013 ÷ 1014 Ωcm, tgδ = 500.104, tính chịu nhiệt cao hơn loại trên nên thường dùng làm cách điện trong các thiết bị nung. Công dụng: Làm cách điện trong máy điện có công suất lớn và điện áp cao, dùng làm bàn là, mỏ hàn, bếp điện. * Các sản phẩm của Mica (chế tạo từ gốc Mica) - Micanit: Là loại Mica có dán vật liệu hữu cơ là giấy hoặc vải bằng các loại keo hoặc nhựa dính, tính chịu kéo sẽ cao hơn so với Mica nguyên chất. - Micalêch: Là loại vật liệu gồm 60% là Mica, 40% là thuỷ tinh dễ cháy và được ép nóng ở nhiệt độ 600 0C với áp lực 500 ÷ 700 kg/cm 2. Có tính chịu nhiệt cao, cường độ cơ giới cao, khả năng bị va đập và chịu hồ quang rất lớn. Công dụng: dùng làm cuồng dập hồ quang trong máy cắt điện, tay nắm cách điện, phích cắm, các giá đèn công suất lớn, bảng panen trong kỹ thuật vô tuyến điện. 3.4.3.2. Thuỷ tinh
40 Thuỷ tinh là loại vật liệu vô định hình, thành phần của thuỷ tinh là một hỗn hợp phức tạp của các loại ôxit, trong đó chủ yếu là SiO 2. Dựa vào công dụng thì có các loại thuỷ tinh sau: * Thuỷ tinh tụ điện: dùng làm môi chất trong tụ điện, dùng trong các bộ lọc cao thế, trong các máy phát sóng xung của mạch dao động cao tần. * Thuỷ tinh định vị: Dùng để chế tạo các chi tiết định vị (sứ đỡ, sứ xuyên, sứ chuỗi). * Thuỷ tinh làm đèn: Dùng làm bóng đèn, chân đèn thắp sáng và trong các ống điện tử. Khi sử dụng loại này yêu cầu phải hàn được với kim loại (Vonfram, Molipden) và chú ý đến hệ số dãn nở. * Men thuỷ tinh: Là loại thuỷ tinh dễ chảy, dùng để bọc các sản phẩm. * Sợi thuỷ tinh: Thuỷ tinh được kéo hình thành sợi nhỏ, dài và mềm để chế tạo vật liệu dệt ứng dụng làm cách điện cho cuộn dây của máy điện. 3.4.3.3. Vật liệu gốm sứ Là vật liệu vô cơ dùng để chế tạo các chi tiết có hình dạng khác nhau, sau đó được đưa vào nung ở nhiệt độ cao. Gốm được chế tạo chủ yếu là đất sét, đất sét được trộn với nước sau đó nung ở nhiệt độ cao. Thành phần của sứ gồm: cao lanh (Al 2O3.2SiO2.2H2O), thạch anh (SiO2), fenspat (Al2O3.6SiO2.K2O), đem hỗn hợp nghiền nhỏ sau đó khử hết tạp chất trộn với nước để tạo thành một chất dẻo, sau đó khử hết nước rồi cho chất dẻo đó vào khuôn để có các chi tiết, mang các chi tiết đi tráng men và nung cứng. Nhờ có lớp men bên ngoài nhẵn bóng nên giảm được tính hút ẩm của sứ làm cho sứ có thể chịu được ẩm của không khí nên có thể làm việc ngoài trời, nâng cao được điện áp phóng điện mặt ngoài và hạn chế dòng dò. Công dụng: Làm cách điện cho đường dây tải điện cao áp và hạ áp (như sứ đỡ, sứ treo), sứ dùng trong trạm (sứ đỡ, sứ xuyên), các máy cắt điện, dao cách ly và thiết bị chống sét. 3.4.3.4. Nhựa cách điện Nhựa là một nhóm vật liệu có gốc khác nhau và tính chất phụ thuộc vào thành phần hoá học của chúng. Chúng là một hỗn hợp hữu cơ ở
41 dạng cao phân tử, không hòa tan trong nước và ít hút ẩm. Theo nguồn gốc ta có hai loại nhựa: nhựa thiên nhiên và nhựa nhân tạo * Nhựa thiên nhiên (là nhựa có nguồn gốc từ động vật hay thực vật). a) Nhựa cánh kiến Là một loại nhựa do một loại côn trùng sống ở vùng nhiệt đới (Đông nam á) sinh ra. Nó là những vẩy mỏng, giòn, màu nâu hay hơi đỏ. Thành phần cơ bản của cánh kiến là các axit hữu cơ có kết cấu phức tạp, dễ tan trong rượu nhưng không hoà tan trong Cacbua hyđrô. Các đặc tính điện của cánh kiến như sau: ρ= 1015 ÷ 1016 Ωcm; 0 ε = 3.5; tgδ = 0.01; E đt = 20 ÷ 30 kV/mm. Ở nhiệt độ 50 ÷ 60 C thì dẻo, dễ uốn, trên 60 0C thì mềm và chảy. Nhưng nếu tiếp tục nung nóng nữa thì nó sẽ đông lại. Công dụng: trong lĩnh vực cách điện được dùng để chế tạo sơn dán, vecni đặc biệt là dùng để chế tạo micanít. b) Nhựa thông Là loại nhựa giòn có màu vàng hay nâu đen, được chế tạo bằng cách chưng cất dầu thông. Thành phần cơ bản của nhựa thông là axit hữu cơ. Nhựa thông có thể hoà tan trong dầu mỏ nhất là khi đun nóng. Đặc tính của nhựa thông: ρ = 1014 ÷ 1015 Ωcm; E đt = 10 ÷ 15 KV/mm, hằng số điện môi và tgδ phụ thuộc vào nhiệt độ Công dụng: Nhựa thông pha với dầu mỏ để tạo ra hỗn hợp dùng để tẩm và ngâm cáp, dùng làm sơn dầu cách điện. * Nhựa nhân tạo - Nhựa Polyetylen (PE: -CH2-CH2-): Dẻo, dễ uốn ở nhiệt độ thấp, nóng chảy ở nhiệt độ 110 0C,chịu được tác dụng của axit, bazơ. Có công dụng: Thường dùng làm cách điện cho cáp lực hạ áp và cao trung áp, vì nó có tổn hao nhỏ do đó được dùng trong cách điện cáp cao tần của thiết bị vô tuyến. - Nhựa Polyzobutylen: Giống cao su, rất dính, có tính chịu lạnh tốt, chịu được nhiệt độ trên 110 0C, có độ bền hoá học, độ hút ẩm nhỏ. Công dụng: thay vỏ chì bọc dây cáp.
42 - Polyvinynclorit (PVC): là vật liệu cách điện dẻo, đàn hồi, chịu ẩm, kiềm, axit, dầu, rượu, có đặc tính cơ và điện tốt. có thể sử dụng với điện áp đến 600V và nhiệt độ đến 60 0C. Công dụng: làm vỏ cáp, cách điện dây điện thoại, chế tạo sơn. - Nhựa Fenol – Fomandehyt Tuỳ theo hàm lượng Fenol – Fomandehit mà ta có Bakenit hoặc Novolắc. Bakenit được dùng để tẩm gỗ và chế tạo các chất dẻo, vải tẩm nhựa và giấy. Novolắc: thường dùng để chế tạo các chất dẻo. - Epocxy: Thường dùng để chế tạo hỗn hợp cách điện tạo sơn keo và các loại chất dẻo, có thể dùng để thay thế các loại trên đường dây tải điện. - Nhựa silicon: có tính chống nước, chịu nhiệt độ cao (180 0C), có độ bám tốt, đàn hồi. Công dụng: bọc cách điện dây dẫn, tẩm các cuôn dây trong máy điện. 3.4.3.4. Cao su Đặc điểm: Cao su có tầm quan trọng trong lĩnh vực KTĐ và đời sống, có tính đàn hồi rất cao, ít thấm nước được dùng làm vật liệu ở những nơi có độ ẩm cao và dễ uốn như: dây dẫn điện, cáp điện ngầm, các phần cách điện của các dụng cụ điện cầm tay Cao su tự nhiên do ngưng tụ từ mủ cây cao su và khử tạp chất. Cao su tự nhiên có đặc điểm: ở nhiệt độ 50 0C thì mềm và trở nên dính, ở nhiệt độ thấp thì dòn vì vậy không được dùng để chế tạo cách điện. Còn cao su dùng trong công nghiệp là cao su tự nhiên đã được lưu hoá nghĩa là cao su tự nhiên được đun nóng và cho thêm lưu huỳnh vào. Khi được lưu hoá cao su sẽ có tính chịu nhiệt và tính chịu lạnh cao, sức bền cơ giới và chịu được tác dụng của các dung môi. Tuỳ theo tỷ lệ lưu huỳnh trong cao su mà có các loại cao su khác nhau. - Cao su mềm: có tỷ lệ lưu huỳnh từ 1 ÷ 3%, còn gọi là Renzin. Loại này mềm có tính đàn hồi và độ dãn cao. Công dụng: làm cách điện
43 trong các mạch tần số thấp, cách điện dây dẫn, dây cáp, các dụng cụ phòng hộ: ủng, găng tay, thảm cách điện - Cao su cứng (Êbonit) Là loại cao su trong đó có 30 ÷ 35% lưu huỳnh. Êbônit là loại vật liệu rắn có khả năng chịu được tải trọng xung, chịu được dầu, lão hóa chậm 3.4.3.5. Sơn Sơn là một dung dịch keo bao gồm nhựa, bitum, dầu khô và các chất tự tạo nên gốc sơn. Đặc điểm: Sau khi sấy khô thì các dung môi bay hơi (dung môi hoà tan các chất trên) còn có gốc sơn sẽ chuyển sang trạng thái rắn tạo thành một màng sơn. Căn cứ vào công dụng người ta chia thành 3 loại sơn: * Sơn tẩm Dùng để tẩm các loại vật liệu cách điện rắn, xốp hay sợi (vải, gỗ, giấy, cách điện cuộn dây MBA). Sau khi tẩm sơn sẽ lấp kín các lỗ xốp nên nâng cao được cường độ cách điện, giảm tính hút ẩm, nâng cao được sức bền cơ giới và tăng nhiệt dẫn của vật liệu cách điện. * Sơn bảo vệ (sơn bọc) Loại này dùng để chế tạo ra một lớp màng sơn chắc, láng bóng phủ lên bề mặt vật liệu sau khi đã được tẩm nằm tiếp tục nâng cao khả năng cách điện cuả vật liệu đồng thời làm cho bề mặt ngoài đẹp hơn. * Sơn dán Dùng để dán các vật liệu cách điện rắn với nhau hoặc dán vật cách điện rắn với kim loại. Sơn này có tính chất cách điện cao, hút ẩm ít cà có độ dính cao. 3.4.3.6. Vật liệu cách điện gỗ giấy * Gỗ Nhược điểm: hút ẩm mạnh nên cường độ cách điện giảm và làm cho gỗ dễ cong, dễ mục và dễ cháy. Để nâng cao cường độ cách điện của gỗ
44 người ta thường sơn tẩm gỗ bằng prafin hoặc dầu gai. Sau khi sơn tẩm thì tính hút ẩm giảm, cường độ cách điện tăng và chống mục. Công dụng: Chế tạo các tay cầm của bộ phận truyền động trong dao cách ly và máy cắt dầu, làm giá đỡ cho các chi tiết dùng để chêm trong MBA và máy phát điện * Giấy Là loại vật liệu có sợi ngắn, thành phần chủ yếu là Xenlulo. Các loại giấy cách điện gồm có: + Giấy cáp: Loại này thường có độ dày 0,08; 0,12; 0,77, và được dùng làm cách điện trong cáp điện lực, cáp kiểm tra. + Giấy tụ điện: Dùng để làm điện môi trong tụ điện giấy, có chiều dày 0,007 ÷ 0,022mm, cường độ điện trường làm việc trong tụ điện giấy đã tẩm chất lỏng là 25 ÷ 35 kV/mm đối với điện một chiều và bằng 12 ÷ 15kV/mm đối với điện xoay chiều. * Cát tông Dùng trong KTĐ và được chế tạo từ sợi thực vật như giấy nhưng có độ dày lớn và có hai loại như sau: - Loại dùng ngoài không khí : cứng và đàn hồi, dùng làm cách điện trong không khí (lót rãnh máy điện, các lõi cuộn dây, các vòng đệm) - Loại dùng trong dầu: có cấu trúc xốp, mềm hơn, dùng chủ yếu trong máy biến áp. Cáctông dùng trong dầu có tính tẩm dầu tốt và độ bền cách điện cao Eđt = 7,5 kV/mm. 3.4.4. Quan sát, nhận biết và ứng dụng vật liệu cách điện trong thực tế. 4. Vật liệu dẫn từ Mục tiêu: - Hiểu được khái niệm, tính chất từ hóa của vật liệu dẫn từ. - Ứng dụng vật liệu từ trong kỹ thuật điện. 4.1. Khái niệm về vật liệu dẫn từ Như ta đã biết, nếu có môi trường vật chất xung quanh dòng điện (các điện tích chuyển động) thì môi trường này sẽ có cảm ứng từ khác với
45 cảm ứng từ trong chân không sinh ra bởi cùng dòng điện đó. Ta nói môi trường đó bị nhiễm từ, môi trường có khả năng nhiễm từ gọi là vật liệu từ. Nguyên nhân chủ yếu gây nên từ tính của vật liệu là do các điện tích luôn chuyển động ngầm tạo nên các quỹ đạo kín tạo nên những dòng điện vòng. Đó là chuyển động trong của các điện tử quay xung quanh trục của nó gọi là Spin điện từ và chuyển động xung quanh hạt nhân. Chuyển động đó tạo ra dòng điện vòng và gây ra mômen từ. Trong trạng thái cường độ điện trường bằng 0 thì tổng mômen từ trong vật liệu sắt từ bằng 0. 4.2. Tính chất của vật liệu từ 4.2.1. Sự từ hoá vật liệu sắt từ Sự từ hoá vật liệu sắt từ phụ thuộc vào kết cấu của vật liệu và phương từ hoá của vật liệu sắt từ. Ví dụ: Đối với tinh thể sắt thì: − Từ hoá theo các cạnh của khối thì dễ dàng hơn so với chiều đường chéo của khối. Hình 1.6 Phương từ hóa của vật liệu từ − Từ hoá theo chiều đường chéo của bề mặt thì trung bình. 4.2.2. Quá trình từ hoá vật liệu sắt từ Dưới tác dụng của điện trường ngoài sẽ làm cho các mômen từ xoay theo phương của từ trường ngoài. Hiện tượng bão hoà từ trong vật liệu sắt từ xảy ra khi các miền từ hoá không còn phụ thuộc vào từ trường ngoài và các mômen từ của tất cả các miền đều đã xoay theo hướng của từ trường ngoài.
46 Hình 1.7 Đường cong từ hóa Quá trình từ hoá của vật liệu từ được đánh giá bằng đường cong từ hoá B = f(H). Trong đó : B – cảm ứng từ, H – cường độ từ trường. − Đường (1) ứng với loại sắt đặc biệ hay là sắt nguyên chất. − Đường (2) ứng với sắt chiếm 99,98% . − Đường (3) ứng với loại có 99,92% là sắt. Qua đường cong từ hoá người ta xác định được độ thẩm từ. Độ thẩm từ là tỷ số của đường cảm ứng từ B và cường độ từ trường H. μ = B/H Nếu từ hoá ứng với từ trường xoay chiều ta sẽ được đường cong từ hóa ban đầu và vòng từ trễ (hình 1.8). Trên vòng từ trễ có những điểm đáng chú ý: − Điểm 1 có H = 0; B =B 0 − Điểm 2 có H = H C; B = 0 (HC gọi là lực khử từ) Khi từ hoá với từ trường xoay chiều vật liệu sắt từ có tổn hao do từ hoá gồm hai phần: Tổn hao từ trễ và tổn hao do dòng điện xoáy. Như hình vẽ trên ta thấy: Tổn hao từ trễ do khi vật liệu sắt từ từ hoá ở trong trường xoay chiều sẽ có tổn hao từ trễ và tổn hao động chủ yếu là do dòng điện xoay chiều gây nên bởi sự cảm ứng trong vật liệu sắt từ đối với loại vật liệu mà tổn hao do dòng điện xoáy thì phụ thuộc vào điện trở suất, nếu điện trở suất của vật liệu sắt từ càng cao thì dòng điện xoáy càng nhỏ.
47 Hình 1.8 Đường cong từ hóa ban đầu và vòng từ trễ 4.3. Các loại vật liệu sắt từ Trong kỹ thuật điện (KTĐ) vật liệu sắt từ được chia làm 3 nhóm: * Vật liệu sắt từ có tần số thấp Loại này µ có lớn, lực khử từ nhỏ và tổn hao từ trễ nhỏ, nó được dùng làm lõi MBA, làm nam châm điện. Để giảm tổn hao dòng điện xoáy, trong các MBA thường dùng loại vật liệu sắt từ mềm có điện trở lớn. a) Sắt kỹ thuật Tỷ lệ sắt chiếm khá cao ngoài ra còn có lượng nhỏ các tạp chất khác như: cacbon, lưu huỳnh, mangan, silic, và các nguyên tố khác làm xấu tính chất từ. Loại này có điện trở tương đối thấp nên sử dụng ít. Công dụng: Làm mạch từ có từ thông không đổi b) Thép lá kỹ thuật điện ( KTĐ) Loại này chủ yếu dùng trong KTĐ, thành phần chủ yếu là sắt, ngoài ra còn có Silic, Silic chiếm ≤ 5%, sự có mặt của Silic sẽ khử được oxy hoá, loại này có suất tổn hao nhỏ, điện trở suất cao. c) Pecmalôi
48 Là hợp kim của sắt và Niken, tuỳ theo hàm lượng của Niken mà chia Pecmalôi ra làm hai loại sau: - Pecmalôi nhiều Niken, Ni = 72 ÷ 80% Công dụng: Làm lõi cuộn cảm có kích thước nhỏ, làm MBA âm tần nhỏ và các MBA xung và trong khuếch đại từ. - Pecmalôi ít Niken, Ni = 40 ÷ 50%, có cảm ứng từ bão hoà lớn gấp đôi so với loại nhiều Ni. Do đó nó được dùng làm lõi MBA lực, làm lõi cuộn cảm và các dụng cụ cần có mật độ từ thông cao. * Vật liệu sắt từ mềm tần số cao a) Từ môi Là vật liệu do ép bột của chất liên kết hữu cơ hay vô cơ với vật liệu sắt từ. Thành phần cơ bản gồm Cácbon, Pecmalôi, và Alsife. Yêu cầu phải có tính từ tốt, chất liên kết phải có khả năng để tạo nên màn cách điện chắc chắn giữa các hạt và gắn liền các hạt với nhau có cùng một độ dày. Từ môi cần có tổn hao điện môi bé, có độ từ thẩm - ổn định với thời gian và khi nhiệt độ thay đổi. Vật liệu này dùng làm lõi các cuộn cảm của bộ lọc máy phát điện. b) Ferit Là loại vật liệu có điện dẫn điện tử bé, điện trở suất của nó lớn hơn vật liệu sắt từ (từ 106 ÷ 1011) lần, do đó năng lượng tổn hao ở vùng tấn số cao rất bé. Công dụng: Được dùng nhiều trong kỹ thuật vô tuyến điện tử, Ferit là hệ thống gồm có oxyt sắt và oxyt kim loại, Ferit chia làm 4 loại: Ferit mềm, ferit cao tần, ferit có đường từ trễ hẹp, ferit từ cứng. - Ferit từ mềm: Là hợp kim của Niken và Kẽm có cảm ứng từ B đạt 0,3Tesla. Lực khử từ đạt H C = 0,2 Ơtsxtet. Dùng làm cuộn dây của bộ lọc, dùng làm màn từ, dùng làm lõi MBA xung, lõi MBA quét mành trong vô tuyến truyền hình. - Ferit cao tần: Là loại Ferit có chứa nhiều oxyt Mangan, nó được dùng trong phạm vi tần số cao, khi dùng trong tần số cao nó sẽ xuất hiện nhiều tính chất đặc biệt có thể điều khiển được bằng cách cho trường tác dụng thay đổi.
49 Công dụng: Dùng để chế tạo phần tử điều khiển và dẫn sóng, chế tạo các đổi nối. - Ferit có đường từ trễ hẹp: Có cảm ứng từ dư B 0 lớn gần bằng trị số cảm ứng từ B max. Lực khử từ H C bé. Từ hoá nó được dùng ở trạng thái từ hoá với cảm ứng từ +B 0 và -B0. Công dụng: Dùng làm các phân tử đổi nối với hai trạng thái ổn định và các phần tử nhớ trong máy tính điện tử. - Ferit cứng: Là vật liệu từ cứng. * Vật liệu từ cứng Loại này có lực khử từ H C lớn, đường cong từ trễ lớn. Công dụng: Dùng làm nam châm vĩnh cửu. Đặc trưng của nó là cho năng lượng ra bên ngoài lớn. Vật liệu dùng làm nam châm vĩnh cửu đơn giản nhất là thép chứa Silic,Vonfram, Crôm, Molipđen, ngoài ra còn có các hợp kim (gồm Al, Ni, Fe). Câu hỏi bài 1: 1. Trình tính chất cơ bản của vật liệu dẫn điện ? 2. Trình bày tính chất chung, phân loại, tính chất cơ học và các ứng dụng của kim loại đồng, nhôm, bạc, sắt ? 3. Hãy so sánh điện trở của dây nhôm và dây đồng có cùng chiều dài và tiết diện ? 4. Tại sao đồng là kim loại được sử dụng nhiều nhất trong kỹ thuật điện ? 5. Nêu các dạng tổn hao điện môi? 6. Công thức tính tổn hao điện môi ở điện áp một chiều và xoay chiều ? 7. Nêu tính chất và công dụng của một số loại khí đang được sử dụng rông rãi để cách điện trong kỹ thuật điện 8. Điện áp đặt lên điện môi 220V, điện trường 2000V/m thì chiều dày điện môi là bao nhiêu ? Yêu cầu về đánh giá kết quả học tập Nội dung
50 + Kiến thức: - Phân biệt, nhận dạng được các vật liệu điện thông dụng. - Phân tích được tính chất các vật liệu điện thông dụng. + Kỹ năng - Sử dụng đúng các vật liệu này theo các tiêu chuẩn kỹ thuật trong các điều kiện xác định. + Thái độ - Rèn luyện tính cẩn thận, an toàn cho người và thiết bị Phương pháp đánh giá: Bài viết hoặc thi trắc nghiệm BÀI 2 KHÍ CỤ ĐIỆN Mã bài 14 - 02 Giới thiệu: Khí cụ điện được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thiết bị điện trong công nghiệp và dân dụng. Do đó việc tìm hiểu về kết cấu, nguyên lý làm việc và tính năng kỹ thuật của các khí cụ điện để lắp đặt, sử dụng, sửa chữa khôi phục là điều quan trọng cho các học sinh sinh viên ngành điện. Bài này còn thích hợp cho đa số các công nhân đang công tác trong lĩnh vực điện công nghiệp và các cơ sở, chi nhánh điện; giúp các chuyên viên, kỹ sư dùng làm tài liệu thiết kế, lắp đặt, tính toán sửa chữa khí cụ điện Mục tiêu: - Phân tích được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại khí cụ điện hạ áp theo nội dung đã học.
51 - Lựa chọn được các khí cụ điện để sử dụng cho từng trường hợp cụ thể theo tiêu chuẩn Việt Nam. - Kiểm tra, phát hiện và sửa chữa lỗi các khí cụ điện theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. - Rèn luyện tính cẩn thận, an toàn cho người và thiết bị Nội dung 1. Khái niệm về khí cụ điện Mục tiêu: - Hiểu được khái niệm và các chế độ làm việc của khí cụ điện. 1.1 Khái niệm về khí cụ điện Khí cụ điện là thiết bị dùng để đóng cắt, bảo vệ, điều khiển, điều chỉnh các lưới điện, mạch điện, các loại máy điện và các máy trong quá trình sản xuất. Khí cụ điện làm việc lâu dài trong các mạch dẫn điện, nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên gây tổn thất điện năng dưới dạng nhiệt năng và đốt nóng các bộ phận dẫn nhiệt và cách điện của khí cụ. Vì vậy khí cụ điện làm việc được trong mọi chế độ khi nhiệt độ của các bộ phận phải không quá những giá trị cho phép làm việc an toàn lâu dài. 1.2 Sự phát nóng của khí cụ điện Bảng 2.1 Bảng nhiệt độ cho phép của một số vật liệu Vật liệu làm khí cụ điện Nhiệt độ cho phép ( 0C) Vật liệu không bọc cách điện hoặc để xa nhất 110 cách điện Dây nối ở dạng tiếp xúc cố định 75 Vật liệu có tiếp xúc dạng hình ngón 75 Tiếp xúc trượt của đồng và hợp kim đồng 110 Tiếp xúc má bạc 120 Vật không dẫn điện và không bọc cách điện 110
52 Bảng 2.2 Bảng cấp cách nhiệt của một số vật liệu Nhiệt độ Vật liệu cách điện Cấp cách nhiệt cho phép (0C) Vải sợi, giấy không tẩm cách điện Y 90 Vải sợi, giấy có tẩm cách điện A 105 Hợp chất tổng hợp E 120 Mica, sợi thủy tinh B 130 Mica, sợi thủy tinh có tẩm cách điện F 155 Chất tổng hợp Silic H 180 Sứ cách điện C > 180 Tùy theo chế độ làm việc khác nhau, mỗi khí cụ điện sẽ có sự phát nóng khác nhau: a, Chế độ làm việc lâu dài của khí cụ điện Khí cụ điện làm việc lâu dài, nhiệt độ trong khí cụ điện bắt đầu tăng và đến nhiệt độ ổn định thì không tăng nữa, lúc này sẽ tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh ổn định  ban đầu t(s) Hình 2.1: Chế độ làm việc dài hạn của khí cụ điện b, Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện là chế độ khi đóng điện nhiệt độ của nó không đạt tới nhiệt độ ổn định, sau khi phát nóng ngắn hạn, khí cụ được ngắt điện, nhiệt độ của nó sụt xuống bằng nhiệt độ của môi trường xung quanh.
53 ổn định phát nóng ban đầu t (s) Hình 2.2 Chế độ làm việc ngắn hạn của khí cụ điện c, Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện ổn max định min phát nóng ban t(s)BB đầu t làm việc tnghỉ Hình 2.3 Chế độ làm việc ngắn hạn lặp lại của khí cụ điện Nhiệt độ của khí cụ điện tăng lên trong khoảng thời gian khí cụ làm việc, nhiệt độ giảm xuống trong khoảng thời gian khí cụ nghỉ, nhiệt độ giảm chưa đến giá trị ban đầu thì khí cụ điện làm việc lặp lại. Sau khoảng thời gian, nhiệt độ tăng lên lớn nhất gần bằng nhiệt độ giảm nhỏ nhất thì khí cụ điện đạt được chế độ dừng. 1.3 Tiếp xúc điện 1.3.1 Khái niệm Tiếp xúc điện là nơi mà dòng điện đi từ vật dẫn này sang vật dẫn khác. Bề mặt tiếp xúc của hai vật dẫn được gọi là tiếp xúc điện Các yêu cầu cơ bản của tiếp xúc điện: - Nơi tiếp xúc điện phải chắc chắn, đảm bảo. - Mối nối tiếp xúc phải có độ bền cơ khí cao. - Mối nối không được phát nóng quá giá trị cho phép. - Ổn định nhiệt và ổn định động khi có dòng điện cực đại đi qua.
54 - Chịu được tác động của môi trường (nhiệt độ, chất hóa học ) Để đảm bảo các yêu cầu trên, vật liệu dùng làm tiếp điểm có các yêu cầu sau: - Điện dẫn và nhiệt dẫn cao. - Độ bền chống rỉ trong không khí và trong các khí khác. - Độ bền chống tạo các lớp màng có điện trở suất cao. - Độ cứng bé để giảm lực nén - Độ cứng cao để giảm hao mòn ở các bộ phận đóng ngắt. - Độ bền chịu hồ quang cao (nhiệt độ nóng chảy) - Gia công đơn giản, giá thành hạ. Một số vật liệu dùng làm tiếp điểm như: đồng, bạc, nhôm, vonfram 1.3.2 Phân loại tiếp xúc điện Dựa vào kết cấu tiếp điểm có các loại tiếp xúc điện sau: a. Tiếp xúc cố định Các tiếp điểm được nối cố định với các chi tiết dẫn dòng điện như là: thanh cái, cáp điện, chỗ nối khí cụ vào mạch. Trong quá trình sử dụng, cả hai tiếp điểm được gắn chặt vào nhau nhờ các bu lông, hàn nóng hay nguội. b, Tiếp xúc đóng mở Là tiếp xúc để đóng ngắt mạch điện. Trong trường hợp này phát sinh hồ quang điện, cần xác định khoảng cách giữa tiếp điểm tĩnh và động dựa vào dòng điện định mức, điện áp định mức và chế độ làm việc của khí cụ điện. c, Tiếp xúc trượt Là tiếp xúc ở cổ góp và vành trượt, tiếp xúc này cũng dễ sinh hồ quang điện 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến điện trở tiếp xúc - Vật liệu làm tiếp điểm: Vật liệu mềm, tiếp xúc tốt - Kim loại làm tiếp điểm không bị ô xy hóa - Lực ép tiếp điểm càng lớn thì sẽ tạo nên nhiều tiếp điểm tiếp xúc - Nhiệt độ tiếp điểm càng cao thì điện trở tiếp xúc càng lớn - Diện tích tiếp xúc Thông thường dùng hợp kim để làm tiếp điểm 1.4 Hồ quang và các phương pháp dập tắt hồ quang
55 1.4.1 Khái niệm Trong các khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện (cầu dao, công tắc tơ, rơ le ) khi chuyển mạch sẽ phát sinh hiện tượng phóng điện. Nếu dòng điện ngắt dưới 0,1A và điện áp tại các tiếp điểm khoảng 250 – 300V thì các tiếp điểm sẽ phóng điện âm ỉ. Trường hợp dòng điện và điện áp cao hơn trị số trong bảng sau sẽ sinh ra hồ quang điện. Bảng 2.3 Điện áp và dòng điện cực đại của vật liệu làm tiếp điểm Vật liệu làm tiếp điểm U (V) I (A) Platin 17 0,9 Vàng 15 0,38 Bạc 12 0,4 Vonfram 17 0,9 Đồng 12,3 0,43 Than 18 - 22 0,03 1.4.2 Tính chất cơ bản của phóng điện hồ quang - Phóng điện hồ quang chỉ xảy ra khi các dòng điện có trị số lớn. - Nhiệt độ trung tâm hồ quang rất lớn và trong các khí cụ có thể đến 6000 - 800000K - Mật độ dòng điện tại Catốt lớn (10 4 – 105 A/cm2) - Sụt áp ở Catốt bằng 10 – 20V và thực tế không phụ thuộc vào dòng điện. 1.4.3 Quá trình phát sinh và dập tắt hồ quang * Quá trình phát sinh hồ quang điện Đối với tiếp điểm có dòng điện bé, ban đầu khoảng cách giữa chúng nhỏ khi điện áp đặt có trị số nhất định, vì vậy trong khoảng không gian này sẽ sinh ra điện trường có cường độ rất lớn (3.10 7V/cm) có thể làm bật điện tử từ Catốt gọi là phát xạ tự động điện tử (phát xạ nguội điện tử). Số điện tử càng nhiều, chuyển động dưới tác dụng của điện trường làm ion hóa không khí gây hồ quang điện. Đối với tiếp điểm có dòng điện lớn, quá trình phát sinh hồ quang phức tạp hơn. Lúc đầu mở tiếp điểm, lực ép giữa chúng có trị số nhỏ nên
56 số tiếp điểm tiếp xúc để dòng điện đi qua ít. Mật độ dòng điện tăng đáng kể đến hàng chục nghìn A/cm 2, do đó tại các tiếp điểm sự phát nóng sẽ tăng lên đến mức làm cho ở đó giọt kim loại được kéo căng ra trở thành cầu chất lỏng và nối liền hai tiếp điểm này, nhiệt độ của cầu chất lỏng tiếp tục tăng, lúc đó cầu chất lỏng bốc hơi mang tính chất nổ. Khi cầu chất lỏng cắt kéo theo sự mài mòn tiếp điểm, điều này rất quan trọng khi ngắt dòng điện quá lớn hay quá trình đóng mở xảy ra thường xuyên. * Quá trình dập tắt hồ quang điện Điều kiện dập tắt hồ quang là quá trình ngược lại với quá trình phát sinh hồ quang - Hạ nhiệt độ hồ quang - Kéo dài hồ quang - Chia hồ quang thành nhiều đoạn nhỏ. - Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang. - Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang. Thiết bị để dập tắt hồ quang: - Hạ nhiệt độ hồ quang bằng cách dùng hơi khí hoặc dầu làm nguội, dùng vách ngăn để hồ quang cọ xát. Chia hồ quang thành nhiều cột nhỏ và kéo dài hồ quang bằng cách dùng vách ngăn chia thành nhiều phần nhỏ và thổi khí dập tắt. - Dùng năng lượng bên ngoài hoặc chính nó để thổi tắt hồ quang, năng lượng của nó tạo áp suất để thổi tắt hồ quang - Mắc điện trở Shunt để tiêu thụ năng lượng hồ quang (dùng hai điện trở mắc song song với hai tiếp điểm sinh hồ quang ) 2 Phân loại Mục tiêu: Có khả năng phân loại được các khí cụ điện trong thực tế. Để tiện lợi cho quá trình khai thác sử dụng, ta phân loại các khí cụ điện theo các tiêu chí sau: 2.1 Phân loại theo công dụng - Khí cụ điện khống chế: dùng để đóng cắt, khống chế hoạt động từ xa đối với các thiết bị điện, máy phát điện, động cơ điện (như cầu dao, áp tô mát, công tắc tơ ).
57 - Khí cụ điện bảo vệ: làm nhiệm vụ bảo vệ các động cơ, máy phát, lưới điện khi có sự cố quá tải, ngắn mạch, sụt áp (như rơ le, cầu chì, máy cắt ) - Khí cụ điện hạn chế dòng ngắn mạch như điện trở phụ, cuộn kháng. - Khí cụ điện duy trì sự ổn định của các tham số điện (như ổn áp, bộ tự động điều chỉnh điện áp máy phát) 2.2 Phân loại theo điện áp - Khí cụ điện hạ áp có điện áp < 1000V - Khí cụ điện trung áp có điện áp từ 1000V đến < 35KV - Khí cụ điện cao áp có điện áp từ 35KV đến < 400KV - Khí cụ điện siêu cao áp có điện áp trên 400KV 2.3 Phân loại theo nguyên lý làm việc - Khí cụ điện nguyên lý điện từ - Khí cụ điện nguyên lý từ điện - Khí cụ điện nguyên lý cảm ứng - Khí cụ điện nguyên lý điện động - Khí cụ điện nguyên lý điện nhiệt - Khí cụ điện có tiếp điểm - Khí cụ điện không có tiếp điểm Ngoài các phân loại trên còn có phân loại theo dòng điện, phân theo điều kiện làm việc và dạng bảo vệ. Theo lĩnh vực sử dụng, các khí cụ điện được chia thành năm nhóm, trong mỗi nhóm lại có nhiều chủng loại khác nhau. Các nhóm đó là:  Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp cao, gồm: Dao cách ly, máy ngắt dầu (nhiều dầu và ít dầu), máy ngắt không khí, máy ngắt tự sản khí, máy ngắt chân không cầu chủy (cầu chì), dao ngắn mạch, điện kháng, biến dòng, biến điện áp  Nhóm khí cụ điện phân phối năng lượng điện áp thấp, gồm: Máy ngắt tự động, máy ngắt bằng tay, các bộ đổi nối (cầu dao, công tắc), cầu chì  Nhóm khí cụ điện điều khiển: Công tắc tơ, khởi động từ, các bộ khống chế và điều khiển, nút nhấn, công tắc hành trình, các bộ điện trở điều chỉnh và mở máy, các bộ khuếch đại điện tử, khuếch đại từ, tự áp  Nhóm các rơ le bảo vệ: rơ le dòng điện, rơ le điện áp, rơ le công suất, rơ le tổng trở, rơ le thời gian
58  Nhóm khí cụ điện dùng trong sinh hoạt và chiếu sáng: công tắc, ổ cắm, phích cắm, bàn là, bếp điện 3 Yêu cầu chung với khí cụ điện Mục tiêu: Hiểu được các yêu cầu chung khi sử dụng khí cụ điện Khí cụ điện phải thỏa mãn các yêu cầu sau: - Khí cụ điện phải đảm bảo sử dụng lâu dài với các thông số kỹ thuật định mức. Nói cách khác, dòng điện qua vật dẫn không được vượt quá trị số cho phép vì nếu không sẽ làm nóng khí cụ điện và chóng hỏng. - Khí cụ điện ổn định nhiệt và ổn định động. Vật liệu phải chịu nóng tốt và có cường độ cơ khí cao vì khi quá tải hay ngắn mạch, dòng điện lớn có thể làm khí cụ điện hư hỏng hoặc biến dạng. - Vật liệu cách điện phải tốt để khi xảy ra quá điện áp trong phạm vi cho phép, khí cụ điện không bị chọc thủng. - Khí cụ điện phải đảm bảo làm việc chính xác, an toàn, song phải gọn nhẹ, rẻ tiền, dễ gia công, dễ lắp ráp, dễ sửa chữa. - Ngoài ra khí cụ điện phải làm việc ổn định ở các điều kiện và môi trường yêu cầu Một số khí cụ điện trong quá trình sử dụng sẽ bị hỏng hóc. Nếu không phát hiện kịp thời sẽ làm ảnh hưởng tới các mạch điện, lưới điện, các loại máy điện và các máy trong quá trình sản xuất. Vì vậy việc tìm ra nguyên nhân, biện pháp khắc phục là vấn đề cần thiết. 3.1 Các nguyên nhân hư hỏng a, Ăn mòn kim loại Trong thực tế chế tạo dù gia công thế nào thì bề mặt tiếp xúc tiếp điểm vẫn còn những lỗ nhỏ li ti. Trong vận hành hơi nước và các chất có hoạt tính hóa học cao thấm vào và đọng lại, những lỗ nhỏ đó sẽ gây ra các phản ứng hóa học tạo ra một lớp màng mỏng rất giòn. Khi va chạm trong quá trình đóng, lớp màng này đễ bị bong ra. Do đó bề mặt tiếp xúc sẽ bị mòn dần, hiện tượng này gọi là hiện tượng ăn mòn kim loại. b, Ô xy hóa Môi trường xung quanh làm bề mặt tiếp xúc bị ô xy hóa tạo thành lớp ô xít mỏng trên bề mặt tiếp xúc, điện trở suất của lớp ô xít rất lớn nên
59 làm tăng điện trở tiếp xúc (R xt)dẫn đến gây phát nóng tiếp điểm. Mức độ 0 gia tăng Rxt do bề mặt tiếp xúc bị ô xy hóa còn tùy nhiệt độ. Ở 20 – 30 C có lớp ô xít dày khoảng 25.10 -6mm. c, Điện thế hóa kim loại Mỗi chất có một điện thế hóa học nhất định. Hai kim loại có điện thế hóa học khác nhaukhi tiếp xúc sẽ tạo nên một cặp hiệu điện thế hóa học, giữa chúng có một hiệu điện thế. Nếu bề mặt tiếp xúc có nước xâm nhập sẽ có dòng điện chạy qua và kim loại có điện thế hóa học âm hơn sẽ bị ăn mòn kim loại trước làm nhanh hỏng tiếp điểm. d, Hư hỏng do điện. Thiết bị điện vận hành lâu ngày hoặc không được bảo quản tốt, lò xo tiếp điểm bị hoen rỉ yếu đi sẽ không đủ lực ép vào tiếp điểm. Khi có dòng điện chạy qua, tiếp điểm dễ bị phát nóng gây nóng chảy, thậm chí hàn dính vào nhau. Nếu lực ép tiếp điểm quá yếu có thể phát sinh tia lửa điện làm cháy tiếp điểm. 3.2 Cách khắc phục hư hỏng - Đối với những tiếp xúc cố định: nên bôi một lớp mỡ chống rỉ hoặc quét sơn chống ẩm - Khi thiết kế ta nên chọn những vật liệu có điện thế hóa học giống nhau hoặc gần bằng nhau cho từng cặp. - Nên sử dụng các vật liệu không bị ô xy hóa làm tiếp điểm. - Mạ điện các tiếp điểm: + Với tiếp điểm đồng, đồng thau thường được mạ thiếc, mạ bạc, mạ kẽm + Với tiếp điểm bằng thép thường được mạ cadini, kẽm - Thay lò xo tiếp điểm: Những lò xo đã rỉ, đã yếu làm giảm lực ép sẽ làm tăng điện trở tiếp xúc, cần lau sạch tiếp điểm bằng vải mềm và thay thế lò xo nén khi lực nén còn quá yếu. - Kiểm tra sửa chữa, cải tiến: Cải tiến thiết bị dập hồ quang để rút ngắn thời gian dập hồ quang nếu điều kiện cho phép. 4. Khí cụ điện đóng cắt Mục tiêu: - Hiểu được cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các khí cụ điện đóng cắt
60 - Lựa chọn được các khí cụ điện, kiểm tra, phát hiện và sửa chữa lỗi các khí cụ điện theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. 4.1 Cầu dao 4.1.1 Khái quát và công dụng Cầu dao là một khí cụ điện dùng để đóng cắt mạch điện bằng tay, được sử dụng trong các mạch điện có nguồn dưới 500V, dòng điện định mức có thể lên tới vài KA. Khi thao tác đóng ngắt mạch điện, cần đảm bảo an toàn cho thiết bị dùng điện. Bên cạnh đó cần có biện pháp dập tắt hồ quang điện, tốc độ di chuyển lưỡi dao càng nhanh thì hồ quang kéo dài càng nhanh, thời gian dập tắt hồ quang càng ngắn. Vì vậy khi đóng cắt mạch điện cầu dao cần phải đóng cắt một cách dứt khoát. Thông thường cầu dao được bố trí đi cùng với cầu chì để bảo vệ ngắn mạch cho mạch điện. 4.1.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cầu dao a, Cấu tạo -Cấu tạo chung Phần chính của cầu dao là lưỡi dao và hệ thống kẹp lưỡi được làm bằng hợp kim của đồng, ngoài ra bộ phận nối dây cũng làm bằng hợp kim đồng Hình 2.4 Cấu tạo cầu dao Các cầu dao đơn giản như hình 2. thường dùng để đóng cắt mạch điện công suất nhỏ, dòng điện cỡ vài chục Ampe. b, Nguyên lý hoạt động của cầu dao cắt nhanh
61 Khi thao tác trên cầu dao, nhờ vào lưỡi dao và hệ thống kẹp lưỡi mạch điện được đóng ngắt. trong quá trình ngắt mạch, cầu dao thường xảy ra hồ quang điện tại đầu lưỡi dao và điểm tiếp xúc trên hệ thống kẹp lưỡi. Người sử dụng cần phải kéo lưỡi dao ra khỏi kẹp nhanh để dập tắt hồ quang. Để giúp cho việc ngắt mạch điện bằng cầu dao một cách nhanh chóng và dứt khoát người ta bố trí thêm lưỡi dao phụ như sơ đồ nguyên lý cấu tạo hình 2.4. Bộ phận chính của nó gồm: Giá đỡ (1), đế cách điện (2), tiếp xúc tĩnh - ngàm (3), lưỡi dao phụ (4), tay gạt (5), lưỡi dao chính (6), lò xo bật nhanh (7). Ngoài ra, người ta còn trang bị thêm cho cầu dao hệ thống bảo vệ ngắn mạch điện. Với cầu dao công suất nhỏ thường trang bị các dây chảy bằng đồng hoặc chì, còn các cầu dao công suất lớn thường trang bị cầu chì ống, bên trong có chứa cát và dây chảy, lớp cát này có tác dụng tản nhiệt và chặn hồ quang, bảo vệ cho vỏ sứ khỏi bị nứt vỡ khi có hiện tượng ngắn mạch. Nguyên lý làm việc của cầu dao có lưỡi dao phụ Khi đóng mạch điện ta kéo tay gạt (5) lên, lưỡi dao phụ số (4) sẽ tiếp xúc với ngàm (3) trước, sau đó đến lượt lưỡi dao chính (6). Hình 2.5 Cấu tạo cầu dao có lưỡi dao phụ Khi ngắt mạch điện, ta kéo tay gạt (5) xuống, lưỡi dao chính sẽ di chuyển khỏi ngàm trước, làm cho lò xo (7) bị kéo căng, đồng thời lưỡi dao phụ (4) cũng di chuyển và tách khỏi ngàm, nhưng nhờ có lực căng
62 của lò xo (7) nên lưỡi dao phụ tách khỏi ngàm một cách dứt khoát, mạch điện được cắt đột ngột, hạn chế được sự phát sinh của hồ quang. 4.1.3 Phân loại Theo kết cấu người ta chia ra làm các loại sau: Cầu dao 1 cực Cầu dao 2 cực Cầu dao 3 cực Theo vật liệu đế cách điện người ta chia ra làm các loại sau: Cầu dao đế sứ Cầu dao đế nhựa Cầu dao đế gỗ Theo công dụng người ta chia ra làm 2 loại sau: Cầu dao đóng cắt thông thường: thường dùng đóng cắt phụ tải công suất nhỏ. Cầu dao cách ly: thường dùng đóng cắt dòng không tải cho các phụ tải trung bình và lớn. Theo điện áp định mức: 250V, 400V Theo dòng điện định mức: dòng điện định mức của cầu dao được cho trước bởi nhà sản xuất (thường là loại 10A, 15A, 20A, 25A, 30A, 60A, 75A, 100A, 150A, 200A, ) Theo điều kiện bảo vệ: Cầu dao có nắp Cầu dao không có nắp (thường được đặt trong hộp hay tủ điều khiển) Theo yêu cầu sử dụng Cầu dao có cầu chì bảo vệ ngắn mạch Cầu dao không có cầu chì bảo vệ Ký hiệu cầu dao không có cầu chì bảo vệ một cực hai cực ba cực Ký hiệu cầu dao không có cầu chì bảo vệ
63 một cực hai cực ba cực Hình 2.6 Một số hình ảnh về cầu dao 4.1.4. Một số thông số kỹ thuật của cầu dao. a. Cầu dao nhựa dùng ở Việt Nam - Cầu dao 30A. Dòng điện định mức 30A - Cầu dao 60A. Dòng điện định mức 60ª b. Cầu dao các nước châu Âu Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của cầu dao Phần yêu cầu đối Đơn vị Giá trị ở dòng xoay Đặc tính kỹ thuật với khí cụ điện đo chiều Điện áp định mức Tiếp điểm chính V 1000 Dòng điện định mức Tiếp điểm chính A 200/350/600/1000 Tần số dòng điện Tiếp điểm chính Hz 50  60 Hz Tuổi thọ cơ khí Tổng hợp Thao tác 1000 Vị trí đặt Tổng hợp Thẳng đứng
64 Dây dẫn nối Cực chính 200A: tối thiểu 25x3 350A: tối thiểu 30x5 600A: tối thiểu 40x8 1000A: tối thiểu 50x10 Trọng lượng Kg 15  18 4.2 Công tắc 4.2.1 Khái quát và công dụng Hình 2.7 Một số công tắc thường gặp Công tắc là khí cụ điện dùng để đóng ngắt mạch điện có công suất nhỏ và có dòng điện định mức nhỏ hơn 6A. Công tắc thường có hộp bảo vệ để tránh sự phóng điện khi có đóng mở. Điện áp của công tắc nhỏ hơn hay bằng 500V. Trạng thái của công tắc sẽ bị thay đổi khi có ngoại lực tác động và giữ nguyên khi bỏ lực tác động (trừ công tắc hành trình). Thông thường công tắc (hay chuyển mạch nói chung) dùng để đóng ngắt mạch điện có công suất nhỏ, điện áp thấp. 4.2.2 Phân loại: Theo cơ cấu tác động: - Công tắc gạt - Công tắc hành trình - Công tắc xoay
65 - Công tắc ấn - Công tắc ấn xoay (nút dùng khẩn cấp) - Công tắc có khóa (khóa điện) Hình 2.8 Công tắc điện Theo phương thức kết nối mạch: 1 1 0 0 2 2 3 2 a b c - Công tắc một ngả (hình a) - Công tắc hai ngả (hình b) - Công tắc ba ngả (hình c) 4.2.3 Các thông số định mức của công tắc Uđm: Điện áp định mức của công tắc Iđm: Dòng điện định mức của công tắc Trị số điện áp định mức của công tắc thường có giá trị < 500V Trị số dòng điện định mức của công tắc thường có giá trị < 6A Ngoài ra còn có các thông số trong việc thử công tắc như độ bền cơ khí, độ cách điện, độ phóng điện 4.2.4 Một số yêu cầu thử
66 Bên cạnh các yêu cầu cơ khí, va đập, dao động trong việc kiểm tra chất lượng công tắc, người ta còn phải thử: 1. Thử xuyên thủng: đặt điện áp xoay chiều 1500V trong thời gian 1 phút ở các điểm cần cách điện giữa chúng 2. Thử cách điện: đo điện trở cách điện, điện trở này không được bé hơn 2M. 3. Thử phát nóng: cho một dòng điện bằng 125%I đm đi qua, ở các đầu cực không được phép có một điện áp rơi lớn 50mV đối với mỗi vị trí đóng của công tắc và không phát nóng 4. Thử công suất cắt: cho một dòng điện bằng 125%I đm đi qua và ở điện áp bằng diện áp định mức U đm, công tắc phải chịu được số lần ngắt với thời gian như sau: - Đối với công tắc 10A, 90 lần ngắt trong thời gian 3 phút - Đối với công tắc 25A, 60 lần ngắt trong thời gian 3 phút 5. Thử sức bền cơ khí: tiến hành 10.000 lần thay đổi vị trí với tần số thao tác 25 lần/phút không có điện áp và dòng điện. Sau đó công tắc phải ở trạng thái làm việc tốt và có thể chịu được tiêu chuẩn xuyên thủng trên. 6. Thử nhiệt độ đối với các chi tiết cách điện: Các chi tiết cách điện phải chịu đựng 100 0C trong thời gian 2 giờ mà không bị biến dạng hoặc sủi nhám 4.2.5 Sửa chữa và thay mới công tắc Sau một thời gian sử dụng, hầu hết các công tắc lắp trên tường thường bị hư hỏng do các mối nối bên trong lỏng sút dần ra. Công tắc cũng có thể bị hư do một vài bộ phận bên trong bị ăn mòn. Nếu công tắc đã hư, ta nên thay công tắc mới. Sửa chữa và thay mới công tắc loại một vị trí Trước khi tiến hành sửa chữa và thay mới công tắc, cần có một số dụng cụ cần thiết như: tô vít, đèn nêon thử mạch điện, giấy nhám Công việc được thực hiện theo các bước sau: - Tắt nguồn điện đi đến công tắc tại bảng cầu dao chính (tháo cầu chì hay gạt cầu dao xuống), rồi tháo nắp che công tắc ra - Tháo các vít giữ công tắc, nắm giữ cẩn thận và kéo công tắc từ từ ra khỏi hộp công tắc. Tuyệt đối cẩn thận không chạm tay vào bất kỳ các đầu dây trần hay các cọc bắt dây nào cho đến khi công tắc được kiểm tra điện. - Kiểm tra có điện hay không bằng cách chạm một đầu dò của đèn nêon thử mạch vào hộp công tắc bằng kim loại đã nối mát hay đến một đầu dây đồng trần nối mát, và chạm đầu dò kia vào mỗi cọc bắt dây. Đèn
67 nêon sẽ không sáng. Nếu sáng, tức là vẫn còn điện đi vào hộp công tắc. Quay trở lại bảng cầu dao và ngắt đúng mạch điện đến ổ cắm của bạn. - Tháo các đầu dây điện và tháo rời công tắc ra. Kiểm tra sự thông mạch điện của công tắc. Bạn có thể dùng một cục pin nối với một bóng đèn nhỏ hay dụng cụ thử sự thông mạch. Phải thay mới nếu công tắc hư. Nếu các đầu dây điện quá ngắn, bạn có thể dùng một đoạn dây điện cùng loại để nối dài ra - Nếu các đầu dây bị gãy hay bị cắt khía, cắt bỏ đoạn bị hỏng bằng dụng cụ cắt dây điện. Tuốt dây để lộ đầu dây trần một đoạn khoảng 2 cm. - Làm sạch các đầu dây trần bằng giấy nhám nếu dây dơ hay sẫm mầu. Nếu các dây làm bằng đồng, bôi lên đầu dây chất chống oxy hóa trước khi bắt dây điện vào công tắc. - Nối các đầu dây vào các cọc bắt vít trên công tắc. Siết các vít giữ lại, nhưng không quá chặt, bởi siết quá chặt có thể làm tuôn ren các vít bắt dây. - Lắp công tắc trở lại vào vị trí, cẩn thận gấp lại đoạn dây thừa phía sau công tắc và bỏ vào trong hộp. Lắp nắp đậy công tắc trở lại và mở cầu dao điện nối đến công tắc tại bảng cầu dao chính. Sửa hay thay mới công tắc loại 3 vị trí, bạn nên thực hành theo trình tự như sau: - Tắt nguồn điện đến công tắc ở bảng cầu dao chính, rồi tháo nắp che công tắc và các vít bắt dây. Nắm giữ cẩn thận và kéo công tắc ra khỏi hộp. Tuyệt đối cẩn thận không chạm tay vào bất kỳ các đầu dây trần hay các cọc bắt dây nào cho đến khi công tắc được kiểm tra điện. - Kiểm tra điện bằng cách chạm một đầu dò của đèn nêon thử mạch vào hộp công tắc bằng kim loại đã nối mát hay đến một đầu dây đồng trần nối mát, và chạm đầu dò kia vào mỗi cọc bắt dây. Đèn nêon không được sáng. Nếu sáng, nghĩa là điện vẫn còn đi vào hộp công tắc. Quay trở lại bảng cầu dao và ngắt đúng mạch điện đến ổ cắm của bạn. - Xác định vị trí cọc bắt dây chung có mầu sậm, và dùng một băng keo để đánh dấu dây chung này. Tháo các đầu dây và tháo rời công tắc ra. Kiểm tra sự thông mạch của công tắc. Nếu công tắc hư, bạn nên thay mới. Kiểm tra các đầu dây bị trày xước hay có khía. Nếu cần, cắt bỏ đoạn dây hư và tuốt lại đầu dây mới. - Nối dây chung đến cọc bắt dây chung mầu sậm trên công tắc. Ở hầu hết các công tắc 3 vị trí, cọc bắt dây chung này bằng đồng. Hoặc là cạnh nó có ghi hàng chữ COMMON in trên phía lưng của công tắc.
68 - Nối các đầu dây còn lại đến các cọc bắt dây bằng bạc hay bằng đồng thau. Các dây này có thể đổi lẫn cho nhau, và có thể được nối đến một trong các cọc. Cẩn thận xếp các đoạn dây dư trở vào trong hộp. Lắp công tắc và nắp đậy công tắc trở lại. Bật điện lên ở bảng cầu dao chính. Đối với công tắc loại 4 vị trí, bạn phải thực hiện theo trình tự như sau: - Tắt nguồn điện đến công tắc ở bảng cầu dao chính, rồi tháo nắp che công tắc và các vít bắt dây. Nắm giữ cẩn thận, kéo công tắc ra khỏi hộp. Tuyệt đối cẩn thận không chạm tay vào bất kỳ các đầu dây trần hay các cọc bắt dây nào cho đến khi công tắc được kiểm tra điện. - Kiểm tra có điện đến công tắc không bằng cách chạm một đầu dò của đèn nêon thử mạch điện vào hộp công tắc bằng kim loại đã được nối mát hay đến một đầu dây đồng trần nối mát, và chạm đầu dò kia vào mỗi cọc bắt dây. Đèn nêon không được sáng. Nếu sáng, điện vẫn còn đi vào hộp công tắc. Quay trở lại bảng cầu dao và ngắt đúng mạch điện đến ổ cắm của bạn. - Tháo các đầu dây ra và quan sát xem chúng có bị trầy xước hay có khía không. Nếu cần, cắt bỏ đoạn dây hư và tuốt lại đầu dây mới. Kiểm tra sự thông mạch của công tắc. Nếu công tắc hư, bạn nên thay mới. - Nối hai đầu dây có cùng mầu đến các cọc bắt dây bằng đồng thau. Ở công tắc như trong hình vẽ, các cọc bắt dây bằng đồng thau có in chữ LINE 1. - Nối các đầu dây còn lại đến các cọc bắt dây bằng đồng, có in hàng chữ LINE 2 trên một số công tắc. Cẩn thận xếp các đoạn dây dư trở vào lại trong hộp. Lắp công tắc và nắp đậy công tắc trở lại. Bật điện lên ở bảng cầu dao chính. 4.3 Áp tô mát Mục tiêu: - Hiểu được cấu tạo, nguyên lý làm việc và các thông số kỹ thuật của Áptômát 4.3.1 Khái quát và yêu cầu Áptômát là khí cụ điện dùng để tự động cắt mạch điện, bảo vệ quá tải, ngắn mạch, sụt áp, (áptômát còn được gọi là cầu dao tự động). Thường gọi là áptômát không khí vì hồ quang được dập tắt trong không khí Áptômát có ba yêu cầu sau: