Bài giảng Vật liệu điện - Chương 4: Vật liệu cách điện

<0,0002
Tm (oC) 120 80 165 327

 Thông số điện-nhiệt của một số nhựa nhiệt dẻo 
d) Nhựa đàn hồi nhiệt dẻo (Elastomer)

 Thể hiện tính đàn hồi giống cao su

 Giống nhựa nhiệt dẻo khi tồn tại các chuỗi phân tử dài

 Khác nhựa nhiệt dẻo ở điểm là có chứa một số liên kết ngang 
giữa các chuỗi phân tử

 Không bị chảy lỏng khi gia nhiệt, chỉ chuyển sang trạng 
thái mềm

 Do có liên kết ngang nên các chuỗi phân tử khó trượt lên 
nhau khi gia nhiệt → Độ bền nhiệt cao

 VD: XLPE (cách điện cáp điện lực), silicone rubber (sứ treo
), ethylene-propylene rubber (cách điện đường dây trên 
không) 
* XLPE (crosslinked polyethylene- PE liên kết ngang)
Liên kết ngang
PE XLPE
 ρ (Ωcm) 1016 1016
EBD (kV/mm) 20 20
εr 2,3 2,3
Tan δ 0,0002 0,0004
Nhiệt trở 
(oC.cm/W)
400 400
Nhiệt độ làm việc 
(oC)
65 90
Nhiệt độ chịu đựng 
khi ngắn mạch (oC)
125 250

 Đặc tính điện của XLPE tương tự PE

 Độ bền nhiệt của XLPE cao hơn PE
Bảng 1. So sánh cáp XLPE và cáp PE 
* Cao su silicone

 Nhẹ hơn sứ

 Ít nứt

 Không dính nước ( chứa 
nhóm Si-O-Si)

 Độ chịu mài mòn cao

 Điện trở suất mặt cao ở 
môi trường ô nhiễm

 Độ bền nhiệt cao

 Ứng dụng: cáp điện lực, 
sứ treo
* Tăng độ bền điện bề mặt
* Cao su EPDM

 Tên hóa học: ethylene propylene diene monomer

 Đặc tính cách điện tốt

 Không dính nước

 Dẻo

 Trọng lượng riêng thấp hơn nước

 Khả năng kháng corona (kháng ozone)

 Ứng dụng: cáp điện lực, cách điện trên không
Ethylene Propylene
Diene
Thuộc tính Cao su silicone EPDM
 ρ (Ωm) >1013 1014
EBD (kV/mm) 20 19,7-31,5
εr 3,0-3,6 2,5-3,5
Tan δ 0,005 0,007
Nhiệt độ làm việc cực đại 
(oC)
200 177
Trọng lượng riêng 1,15-1,55 0,85
Khả năng kháng nước Tốt Rất tốt
Khả năng chống cháy Kém Kém
Khả năng kháng Ozone Rất tốt
Bảng 2. So sánh cao su silicone và cao su EPDM 
E) Nhựa nhiệt cứng
* Keo epoxy (Keo AB)

 Bao gồm 2 thành phần: nhựa epoxy và chất đóng rắn

 Nhựa epoxy (epoxy resins) là một loại polymer ở dạng lỏng mà trên
mạch có các nhóm "epoxy" ở cuối mạch, khi được khâu mạng bằng chất
đóng rắn thì chúng là một loại nhựa “nhiệt rắn”

 Tỉ lệ chất đóng rắn càng cao thì thời gian đóng rắn càng ngắn, độ cứng
của hỗn hợp sau đóng rắn càng cao và dễ nứt

 Đặc tính cách điện tương đối tốt, độ bền cơ cao, khả năng chống thấm
khá

 Ứng dụng: keo dán, sơn phủ (tẩm), lớp phủ bên ngoài cuộn dây máy
điện, mạch điện tử và vỏ bọc khi nối cáp, vỏ linh kiện điện tử
mạch phân tử nhựa epoxy
Chất đóng rắn
Keo epoxy
Máy biến áp khô 
được phủ epoxy Vỏ bọc bằng 
epoxy khi nối cáp
Nối cáp
* Polyesters

 Mạch phân tử có chứa nhóm chức ester.

 Chia làm 2 loại: bão hòa (chỉ chứa nối đơn) và không bão hòa (có
chứa nối đôi)

 Polyester bão hòa: sản xuất sợi (dệt vải, đan thành tấm cách điện) và
tạo màng mỏng (lớp emay của dây điện từ) → nhiệt dẻo

 Polyester không bão hòa: đặc tính tương tự epoxy, rẻ hơn epoxy
nhưng co ngót khoảng 6-8% khi đóng rắn (làm nhựa nền cho vật liệu
composite, vỏ CB, MCCB) → nhiệt cứng
* Bakelite

 Là sản phẩm trùng ngưng của phenol và formaldehyde

 Tên gọi “dân gian”: phíp nhựa

 Điện trở suất cao, chịu nhiệt tốt, chống mài mòn tốt

 Ứng dụng: vỏ khí cụ điện, cách điện tại các vị trí có nhiệt độ cao.
3) Thủy tinh và sứ cách điện 

 Ứng dụng: cách điện ngoài trời, cách điện ngoài của sứ xuyên

 Cách điện ngoài trời phải có khả năng chịu đựng tác động của:
- Tia UV
- Trời mưa
- Tuyết
- Ô nhiễm
- Phóng điện bề mặt
- 

 Cách điện ngoài trời phải có cấu trúc bền vững (không bị lão 
hóa), có khả năng kháng hiện tượng tracking → thông thường 
được chế tạo từ vật liệu vô cơ

 Thủy tinh và sứ cách điện có một số đặc điểm giống nhau: 
o Được sản xuất từ các loại oxít vô cơ khác nhau (SiO2, Al2O3, 
Na2O)
o Cần nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất (700-1200oC)
o Độ bền cơ cao, cứng và giòn
o Khả năng kháng thời tiết tốt
o Đặc tính cách điện tốt
o Độ bền nhiệt cao
Đặc điểm Thủy tinh Sứ
Quá trình sản xuất Định hình bằng quá 
trình cán, ép và thổi 
ở nhiệt độ nóng 
chảy
Định hình trong 
khuôn và liên kết 
các phần tử bằng 
quá trình Sintering 
hoặc quá trình nóng 
chảy của các hợp 
chất tạo pha rắn 
giữa các phần tử
Cấu trúc Vô định hình, đồng 
nhất, trong suốt
Tinh thể siêu nhỏ, 
không đồng nhất, 
nhiều pha 

 Đặc điểm khác nhau: 

 Quá trình sintering: quá trình thiêu kết ở nhiệt độ thấp hơn 
nhiệt độ nóng chảy → khuyếch tán nguyên tử (atomic diffusion) 
→ nguyên tử khuyếch tán qua mặt phân cách giữa các hạt → liên 
kết các phần tử rời rạc thành một vật rắn 

 Nhược điểm của Thủy tinh và Sứ cách điện
o Giòn
o Khả năng kháng sốc nhiệt thấp
o Độ bền kéo khá thấp
o Mũ sứ và lõi được liên kết vào sứ cách điện bằng ximăng đặc 
biệt
o Dung sai lớn do sự co ngót 
a) Thủy tinh 

 Thủy tinh là một chất rắn vô định hình đồng nhất có chứa
gốc silicat (SiO2) và bịchảy dẻo khi đun nóng

 Qui trình sản xuất: đun chảy cát ởnhiệt độcao (2300oC không có
oxit kiềm, 1400oC có oxit kiềm) sau đó định hình và làm nguội

 Ngoài oxit SiO2, các oxit như: B2O3, PbO, Al2O3, Na2O, K2O,
BaO được pha trộn vào thủy tinh đểcó tính chất mong muốn

 Nhóm oxit kiềm (Na2O, K2O) làm tăng độdẫn điện của thủy tinh →
Đối với thủy tinh dùng trong cách điện cao áp, nồng độcác oxit này
được hạn chếdưới 0,8%.

 Thủy tinh có độbền cơcao , tuy nhiên khi bịkéo, có thểxuất hiện các
vết rạn nứt bắt nguồn từcác điểm bất thường trên bềmặt → thủy tinh
cường lực được sửdụng

 Thủy tinh cường lực được sản xuất bằng cách đun nóng ở nhiệt độ
cao (700oC) và làm lạnh nhanh bề mặt → bề mặt kính sẽ trở nên
cứng trong khi phần bên trong kính còn ở thể dẻo. Phần bên trong
sẽ từ từ nguội và co lại → sinh lực nén lên bề mặt ngoài và lực kéo
bên trong → hạn chế phát sinh vết nứt

 Khi lực kéo tác động lên thủy tinh chịu lực , bềmặt của nó vẫn có
thểchịu nén trong khi phần bên trong chịu kéo → khi bịvỡ, vùng gần
bềmặt chịu lực kéo rất lớn → làm cho kính bịnổthành nhiều mẩu
nhỏdạng hạt lựu
Thông số Thủy tinh Sứ cách điện
 ρ (Ωm) 1014-1022 1014-1015
EBD (MV/cm) 3-5 0,1-0,3
εr 3,7-10 6-7
Tan δ 0,004-0,02 0,015-0,02
Khối lượng
riêng(g/cm3)
2,2-6 2,3-2,5
Bảng 2. Các thông số của thủy tinh và sứ cách điện 
Kính 
thường
Kính chịu 
lực 

 Thủy tinh loại E (alumino-borosilicate glass với nồng độ kiềm < 
2%) được sử dụng để sản xuất sợi thủy tinh nhằm gia cường cho 
vật liệu composite

 Khi thủy tinh bị kéo sợi, độ bền cơ của sợi tăng nhanh với độ
giảm đường kính sợi

 Trong vật liệu composite, sợi thủy tinh được xử lý bề mặt với
silane (SiH4) để bám chặt vào nền polymer

 Nguyên lý gia cường polymer bằng sợi thủy tinh:
o Xem như sự gắn kết giữa sợi thủy tinh và nhựa nền là hoàn
hảo
o Độ giãn dài tương đối (ε) dưới tác động của ứng suất kéo (σ)
sẽ như nhau cho cả sợi và nhựa nền
o Theo định luật Hook:
εσ .E=
Module đàn hồi
p
g
p
g
g
g
p
p
E
E
EE
=⇒==⇒
σ
σσσ
ε
Nhựa nền Sợi thủy tinh
Mà:
( ) pg EE 3015 ÷= ứng suất trong sợi thủy tinhsẽ lớn gấp 15÷30 lần ứng
suất trong nhựa nền
( ) pg σσ 3015 ÷=

 Do độ bền cơ của sợi thủy tinh lớn gấp 30 ÷ 40 lần độ bền cơ của
nhựa → độ bền cơ của vật liệu composite sẽ do sợi thủy tinh quyết
định
b) Sứ cách điện

 Được chế tạo từ đất sét trắng, khoáng thạch anh (SiO2) và khoáng 
fenspat (chứa Na, K)

 Quá trình sản xuất: 
o Lọc sạch tạp chất, nghiền, nhào với nước thành một chất
đồng
nhất
o Tạo hình: ép đùn,
đổ khuôn, tiện mặt ngoài
 o Sấy khô
để loại nước
o Tráng men
o Nung thiêu kết: fenspat bị nóng chảy tạo pha thủy tinh sẽ lấp
kín các lỗ trống giữa các hạt
đất sét và thạch anh và liên kết
chặt chẽ các hạt đó lại với nhau

 Ở nhiệt
độ cao, đặc tính cách điện của sứ kém đi nhiều vì pha 
thủy
tinh có chứa kim loại kiềm
4) Mica 

 Phần lớn Mica dùng để cách điện có nguồn gốc vô cơ tự nhiên
dưới dạng tinh thể khoáng aluminum silicate
(K2O.3Al2O3.6SiO2.H2O)

 Mica có thể tách thành bản mỏng một cách dễ dàng theo chiều
song song giữa các bề mặt thớ

 Mica là vật liệu có những tính năng đặc biệt như: độ bền điện
và độ bền cơ cao, tính chịu nhiệt và chịu ẩm tốt, tổn hao điện
môi thấp, kháng phóng điện cục bộ tốt

 Mica tổng hợp có thể được sản xuất với các thành phần tương
tự như mica tự nhiên

 Ứng dụng: cách điện cho máy điện có điện áp cao và công suất
lớn (máy phát, động cơ), cách điện cho các phiến đồng
trong cổ góp máy điện

 Mica vụn và bột mica được sử dụng làm chất độn trong thủy
tinh hoặc epoxy để tăng độ bền điện, độ bền nhiệt và giảm tổn
hao điện môi

 Mica được tạo hình dưới dạng ống, tấm và băng
Băng 
mica
Thông số Tự nhiên Nhân tạo
 ρ (Ωm) 1015-1017 1015-1017
EBD (MV/mm) 1 1
εr 6,5-8,7 6,5
Tan δ 0,03
Nhiệt độ làm việc 
tối đa (oC)
540 980
Bảng 3. Các thông số của mica
5) Giấy tẩm dầu 

 Giống thủy tinh và sứ, giấy là vật liệu cách điện truyền thống

 Ưu điểm:
o Dễ dàng quấn quanh dây dẫn có hình dáng bất kỳ
o Dưới dạng giấy ép, giấy cách điện có thể được sản xuất với
chiều dày lớn và nhiều hình dạng
o Dễ tẩm dầu
o Tương thích với dầu khoáng
o Đặc tính điện, cơ và nhiệt tốt (chọn lựa duy nhất cho
MBA)
o Rẻ tiền

 Nhược điểm:
o Cần quá trình tẩm dầu
o Nối cáp phức tạp
o Đặc tính điện bịsuy giảm bởi hơi ẩm
o Tổn hao điện môi giới hạn điện áp của cáp giấy-dầu ởmức
500 kV

 Giấy cách điện có nguồn gốc từcellulose và phổbiến dưới tên
thương mại là Kraft paper

 Do giấy cách điện rất háo nước nên phải sấy và tẩm dầu.

 Giấy cách điện được sản xuất dưới dạng giấy cuộn, bìa ép và
bìa cứng (chứa nhựa epoxy)

 Ứng dụng: cáp giấy tẩm dầu, tụđiện giấy tẩm askarel, máy biến
áp điện lực
Một đơn vị của 
mạch phân tử 
cellulose
IV. Vật liệu cách điện lỏng
1) Các loại chất lỏng cách điện

 Dầu mỏ cách điện (dầu máy biến áp, dầu tụ điện, dầu cáp điện)

 Các loại chất lỏng cách điện khác (dầu silicone, ester tổng hợp và 
ester tự nhiên)

 Cách điện 

 Làm mát
2) Dầu máy biến áp
a) Chức năng

 ASTM D3487-88(93)

 IEEE Guide C57.106-1991

 IEC 296
b) Tiêu chuẩn đánh giá chất lượng dầu
c) Yêu cầu về đặc tính của dầu
Quan trọng:

 Độ nhớt thấp

 Nhiệt độ đông đặc thấp

 Nhiệt độ cháy cao

 Độ ổn định hóa học cao

 Độ bền điện cao
Kém quan trọng:

 Nhiệt dung riêng cao

 Độ dẫn nhiệt cao

 Điện trở suất lớn

 Tỷ trọng thấp

 Tổn hao điện môi thấp

 Không độc

 Dầu máy biến áp được trích lọc từ dầu thô qua nhiều công
đoạn xử lý vật lý và hóa học

 Dầu máy biến áp được cấu thành từ ba nhóm phân tử
Hydrocarbon chính.
o Alkanes: paraffins mạch thẳng hoặc nhánh
o Naphthenes: Alkanes vòng có một hoặc nhiều vòng bão hòa 
được tạo từ 5, 6 hoặc 7 nguyên tử carbon
o Aromatics or Polyaromatics: Hydrocarbon thơm có một 
hoặc nhiều nhân benzen

 Tỉ lệ giữa Alkanes và Naphthenes trong phân tử dầu phụ thuộc 
vào vị trí địa lý của các mỏ dầu thô
d) Các thành phần chính của phân tử dầu 
e) Cấu hình carbon trong phân tử dầu 
f) Cấu trúc phân tử dầu điển hình

 Thành phần Paraffinic và Naphthenic chi phối tính chất vật lý
của dầu (tỷtrọng, độnhớt, nhiệt độđông đặc, nhiệt độcháy)

 Thành phần Aromatic chi phối đặc tính hóa học và điện (khảnăng
chống oxi hóa, đặc tính sinh khí, độbền điện)

 Aromatic là nguyên nhân chính làm thay đổi độbền điện
g) Phân loại dầu thô 
h) Các thành phần 
phân tử điển hình 
của dầu máy biến áp
i) Đặc tính vật lý

 Độ nhớt
o Thông số quan trọng để tính toán truyền nhiệt
o Quyết định khả năng thẩm thấu vào giấy cách điện hoặc khả 
năng điền đầy dầu vào các khe hở 

 Nhiệt độ đông đặc: dưới nhiệt độ này thì dầu không chuyển động 
được

 Nhiệt độ chớp cháy: nhiệt độ cao nhất mà hơi dầu tự bốc cháy khi 
đem ngọn lửa lại gần

 Độ nhớt tỉ lệ nghịch với nhiệt độ 
j) Đặc tính hóa học

 Khả năng chống oxi hóa
o Nếu dầu bị Oxi hóa → tạo cặn bao phủ cuộn dây, lõi thép, vỏ máy, khe 
dẫn dầu → ngăn cản chuyển động dầu đối lưu → giảm hiệu suất truyền 
nhiệt → gây quá nhiệt → tăng quá trình tạo cặn và axít → thúc đẩy quá 
trình lão hóa dầu và cách điện rắn → gây phóng điện → MBA bị hư 
sớm.
o Yêu cầu: khả năng chống oxi hóa cao

 Tác hại của axít hữu cơ
o Gây ăn mòn và tăng thoái hóa cách điện rắn 

 Tác hại của lưu huỳnh hoặc axít sulphuric
o Ăn mòn cuộn dây và lõi thép

 Tác hại của nước
o Do sự hấp thụ nước của dầu và đặc biệt là giấy cách điện ⇒ Giảm độ 
bền điện của dầu và giảm tuối thọ và độ bền điện của các cấu trúc từ 
cellulose

 Nồng độ Aromatic 
tối ưu ∼ 5-10%
k) Đặc tính điện

 Độ bền điện (khả năng chịu được giá trị cường độ điện trường 
lớn nhất mà không bị phóng điện, kV/mm)
- Thông số đặc trưng cho chức năng cách điện của dầu

 Hệ số tổn hao điện môi và điện trở suất
- Hai thông số đặc trưng cho chức năng là điện môi của dầu 
(tanδ ≤ 0,05 tại 25o C, ρ ≥ 106 Ωm)

 Hệ thống điện cực dùng để đo điện áp phóng điện theo tiêu chuẩn 
ASTM D1816

 Tiêu chuẩn độ bền điện của dầu máy biến áp
Điện áp làm việc 
(kV)
Điện áp phóng điện trên khe hở 2,5 mm
Dầu mới Dầu đang vận hành
≤ 6 ≥ 25 ≥ 20
35 ≥ 30 ≥ 25
110 và 220 ≥ 40 ≥ 35
≥ 330 ≥ 50 ≥ 45
Điện áp làm việc càng cao yêu cầu độ bền điện của dầu 
càng lớn
l) Chất phụ gia

 Chất chống oxi hóa: cải thiện khả năng chống oxi hóa của dầu 
(ví dụ: Butyl phenol)

 Chất hạ nhiệt độ đông đặc: 
o Ngăn cản sự hình thành sáp tại nhiệt độ thấp do khi sáp 
hình thành sẽ ngăn cản sự chuyển động của dầu
m) Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lão hóa dầu

 Nhiệt độ (điểm quá nhiệt)

 Oxy

 Phóng điện cục bộ

 Acid
Dầu mớiDầu cũ
Tăng quá trình 
oxy hóa
Tạo cặn,
acid,
dầu có 
màu sậm 
hơn
n) Nhược điểm của dầu máy biến áp

 Nguồn dầu thô ngày càng cạn kiệt

 Không phân hủy hoàn toàn, thời gian phân hủy dài

 Không thân thiện môi trường

 Dễ cháy
Yêu cầu phát triển các loại dầu cách điện khác

 Dầu Silicone (chống cháy nổ)

 Ester tổng hợp (thân thiện môi trường)

 Ester tự nhiên (thân thiện môi trường)
3) Các loại dầu cách điện khác 
a) Dầu silicone

 Dầu tổng hợp

 Tên hóa học: Polydimethylsiloxane

 Khả năng chống oxi hóa tốt 

 Độ bền điện cao

 Không độc

 Khó cháy, nhiệt độ chớp cháy cao

 Giá thành cao

 Độ phân hủy rất thấp

 Tính bôi trơn kém

 Ứng dụng trong MBA phân phối và 
những vị trí cần an toàn cháy nổ

 Dung lượng: 250 kVA ÷ 3 MVA (11 kV-
36 kV)

 Hợp chất có nguồn gốc từ 
thực vật

 Độ độc rất thấp

 Nhiệt độ chớp cháy rất cao 
(310oC)

 Đặc tính bôi trơn tốt 

 Phân hủy hoàn toàn

 Giá thành cao

 Tên thương mại: Midel 7131

 Ứng dụng trong MBA phân 
phối tại nội ô và trong cao ốc
b) Ester tổng hợp
R1, R2, R3: nhóm chức 
hữu cơ
c) Ester tự nhiên

 Nguồn gốc từ dầu được trích ly từ hạt thực 
vật (hạt cải, hạt hướng dương...)

 Hoàn toàn không độc

 Nhiệt độ chớp cháy cao (330oC)

 Độ ổn định hóa học cao 

 Hoàn toàn phân hủy

 Giá thành thấp hơn so với ester tổng hợp

 Độ nhớt cao hơn dầu máy biến áp

 Háo nước

 Độ ổn định chống oxi hóa thấp

 Tên thương mại: Envirotemp FR3, BIOTEMP

 Áp dụng cho MBA cấp trung thế
R, R’, R”: nhóm chức hữu 
cơ
Máy biến áp dùng dầu BIOTEMP sản xuất tại nhà máy ABB Hà Nội