Trong kỹ thuật điện, cách điện đóng một vai trò vô cùng quan trọng. Không chỉ đơn giản là một lớp vật liệu ngăn cách, cách điện còn đảm bảo an toàn, hiệu suất và tuổi thọ cho các hệ thống điện. Đối với các kỹ sư điện, hiểu rõ về các khái niệm và ứng dụng của cách điện là điều bắt buộc để thực hiện các công việc liên quan đến thiết kế, bảo trì và sửa chữa hệ thống điện một cách hiệu quả. Trong bài viết này chúng ta sẽ xem xét qua một số khái niệm quan trọng của cách điện.
Vật Liệu Cách Điện và Yêu Cầu Của Chúng
Cách điện là các vật liệu không dẫn điện, được sử dụng để ngăn cản dòng điện thoát ra khỏi mạch điện. Ví dụ tiêu chuẩn TCVN 7447-6:2011 (IEC 60364-6:2006) điện trở cách điện tối thiểu là 1 MΩ (megaohm) với điện áp thử 500V DC. Để một vật liệu được coi là cách điện tốt, nó cần phải có:
- Khả năng chống lại dòng điện cao: Vật liệu phải có điện trở suất cao để ngăn chặn sự dẫn điện không mong muốn.
- Độ bền cao: Vật liệu phải chịu được quá điện áp mà không bị phá vỡ.
- Tính dẫn nhiệt tốt: Vật liệu phải có khả năng tản nhiệt để tránh quá nhiệt và hỏng hóc.
Điện Môi: Các Khái Niệm Cơ Bản
Điện Môi
Điện môi là một thuật ngữ dùng để chỉ môi trường, chẳng hạn như vật liệu cách điện, trong đó một điện trường có thể được tạo ra và duy trì. Năng lượng cần thiết để sạc điện môi có thể thu hồi, toàn bộ hoặc một phần, khi điện tích được loại bỏ.
Hằng Số Điện Môi
Hằng số điện môi, còn được gọi là dung suất cảm ứng đặc hiệu, tính điện môi, hoặc độ thấm điện, là tỷ lệ của điện dung của một cấu hình điện cực nhất định với môi trường là điện môi so với điện dung của cùng một cấu hình với chân không (hoặc không khí) làm điện môi giữa các điện cực.
Hấp Thụ Điện Môi
Hấp thụ điện môi là một hiện tượng xảy ra khi các điện tích dương và âm được tách ra về các cực tương ứng khi một điện áp DC được áp dụng lên điện môi. Hiện tượng này phụ thuộc vào thời gian và thường biểu hiện như là một dòng điện giảm dần theo thời gian sau khi áp dụng điện áp DC.
Tổn Thất Điện Môi
Tổn thất điện môi là tốc độ mà năng lượng điện được chuyển đổi thành nhiệt trong một điện môi khi nó chịu tác động của một trường điện. Tổn thất điện môi liên quan đến các tổn thất thành phần thực (watt) trong một điện môi.
Yếu Tố Công Suất Điện Môi
Yếu tố công suất điện môi của một vật liệu là tỷ lệ của công suất tiêu hao trong vật liệu tính bằng watt (tổn thất watt) so với công suất hiệu dụng (hiệu điện thế × dòng điện hiệu dụng) khi được kiểm tra với điện áp xoay chiều hình sin (AC). Về mặt số học, nó được biểu thị bằng cosin của góc pha điện môi (θ ) hoặc ( Cosθ ).
Hệ Số Phân Tán Điện Môi
Hệ số phân tán điện môi là tan của góc tổn thất (90 – θ) Nó thường được gọi là (Tanδ ).
Hệ Số Tổn Thất Điện Môi hoặc Chỉ Số Tổn Thất Điện Môi
Hệ số tổn thất điện môi của bất kỳ vật liệu nào là tích của hằng số điện môi và hệ số phân tán của nó.
Cường Độ Điện Môi
Cường độ điện môi của một vật liệu là độ gradient điện áp (điện thế) mà tại đó sự phá vỡ (hỏng điện) xảy ra và là một hàm của độ dày vật liệu và các đặc tính điện của nó.
Gradient Điện Áp
Gradient điện áp được định nghĩa là cường độ điện tại một điểm trong một trường điện, tức là lực tác động lên một đơn vị điện tích tại một điểm. Về mặt số học, nó bằng mật độ của thông điện chia cho hằng số điện môi.
Các khái niệm này cung cấp nền tảng cần thiết để hiểu các hệ thống cách điện hiệu quả. Tuy nhiên, trong thực tế, việc tính toán và ứng dụng các thông số này đòi hỏi kỹ năng và kinh nghiệm thực tiễn. Các kỹ sư điện phải thường xuyên kiểm tra và đánh giá các vật liệu cách điện để đảm bảo rằng chúng đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất.
Để đảm bảo độ tin cậy của các hệ thống cách điện, các kỹ sư cần thực hiện các thử nghiệm điện môi như thử nghiệm độ bền điện, đo tổn thất điện môi và kiểm tra hằng số điện môi của vật liệu. Những thử nghiệm này giúp xác định khả năng chịu đựng của vật liệu trước các điều kiện làm việc khác nhau và phát hiện các điểm yếu tiềm ẩn có thể dẫn đến hỏng hóc hệ thống.