Các loại vật liệu cách điện phổ biến

Có thể hiểu đơn giản vật liệu cách điện là vật liệu không dẫn điện, tức là vật liệu ngăn không cho dòng điện chạy qua. Các vật liệu này có độ dẫn điện cực thấp, điện trở suất cao và có thể ở dạng rắn, lỏng, khí như nhựa dùng làm phích cắm, dầu cách điện dùng trong máy biến áp, khí cách điện SF6…

Nhìn sâu hơn thì những vật liệu không hẳn là không dẫn điện, mà vì điện trở quá cao nên nếu muốn phóng được điện qua những vật liệu này thì phải cần một điện thế cực cao cỡ vài kV hoặc MV và cũng chỉ phóng được dòng điện cỡ vài mA qua chúng.

Vật liệu cách điện từ góc độ hóa trị

Chất cách điện là vật liệu có các điện tử 8 hóa trị hoặc gần 8. Khi các điện tử hóa trị là 8 rõ ràng nguyên tử đang ở trong điều kiện ổn định và chúng cung cấp điện trở rất cao vì không có các điện tử tự do, khoảng cách vùng cấm giữa vùng dẫn và vùng hóa trị cũng nhiều hơn. Ví dụ cấu trúc nguyên tử của khí Neon.

Nhìn chung, vật liệu cách điện của dây cáp điện phải:

• Có khả năng chịu được ứng suất và lực căng tác dụng lên nó tại thời điểm sử dụng.
• Không bị ăn mòn bởi không khí xung quanh (chẳng hạn như khói axit).
• Phải dẫn nhiệt tốt. Nhiệt sinh ra trong ruột dẫn do dòng điện chạy qua phải được truyền qua lớp cách điện ra bề mặt dây để tản nhiệt.

1. Vật liệu cách điện dạng rắn

a. Nhựa nhiệt dẻo

Các hợp chất nhựa nhiệt dẻo sử dụng các chất phụ gia để tăng cường các tính chất cụ thể của nhựa nhiệt dẻo. Các hợp chất nhựa nhiệt dẻo phổ biến nhất để làm vật liệu cách điện cho cáp điện bao gồm:

• PVC đôi khi được gọi là vinyl hoặc polyvinyl clorua. Tùy thuộc vào công thức, ngưỡng nhiệt độ mà nhựa có thể chịu được dao động trong khoảng từ -55 độ C đến tối đa 100 độ C.
• SEMI- RIGID PVC (SRPVC) cứng hơn nhiều so với nhựa PVC tiêu chuẩn. Nó có khả năng chống mài mòn và cách điện cao hơn và mang lại các đặc tính điện ổn định hơn.
• POLYETHYLENE (PE) là chất cách điện rất tốt vì nó có hằng số điện môi thấp và ổn định ở mọi tần số và điện trở cách điện rất cao. Về tính linh hoạt, polyetylen có độ cứng được xếp hạng từ cứng đến rất cứng tùy thuộc vào trọng lượng và mật độ phân tử. PE có khả năng chống ẩm rất tốt, tuy nhiên lại dễ cháy.
• RULAN là một loại polyetylen chống cháy có chứa các chất phụ gia để làm giảm tốc độ cháy. Các chất phụ gia này chỉ có ảnh hưởng nhẹ đến các đặc tính vật lý hoặc điện của lớp cách điện.
• PROPYLENE có tính chất điện tương tự như PE. Vật liệu này chủ yếu được sử dụng như một vật liệu cách điện. Thông thường, nó cứng hơn PE, nên thích hợp cho các vật liệu cách nhiệt thành mỏng. Ngưỡng nhiệt độ tối đa của hợp chất này là 60 độ C hoặc 105 độ C.
• KYNAR có độ bền cơ học cao, khả năng chống mài mòn vượt trội, khả năng chống cháy rất tốt, chống bức xạ và ngưỡng nhiệt tối đa có thể chịu là 135 độ C.
• ETFE chịu được ngưỡng nhiệt cao nhất ở 150 độ C, có đặc tính cách điện, tính trơ hóa học, độ bền uốn cong cao và độ bền va đập đặc biệt.
• ECTFE có ngưỡng nhiệt từ -70 độ C đến 150 độ C, khả năng chống cháy cực tốt.
• FEP có thể đùn theo cách tương tự như PVC và PE theo chiều dài dây cáp điện. FEP có các đặc tính cách điện tốt, tính trơ hóa học và ngưỡng nhiệt độ cao nhất chịu được là 200 độ C. Ngoài FEP còn có một số nhựa dạng Teflon như PTFE.
• PFA là sự bổ sung mới nhất cho nhựa FEP với các đặc tính cách điện vượt trội, nhiệt độ hoạt động cao tới 250 độ C), khả năng kháng hầu như tất cả các hóa chất và khả năng chống cháy.
• CAO SU TPR có các đặc tính tương tự như các đặc tính của cao su lưu hóa (nhiệt rắn). Ưu điểm là được xử lý giống như nhựa nhiệt dẻo, nó được sản xuất theo phương pháp ép đùn trực tiếp trên dây dẫn. Giống như nhiều vật liệu cao su thông thường, TPR có khả năng kháng dầu, hóa chất, ozone và các yếu tố môi trường rất cao. Nó hấp thụ nước thấp và đặc tính cách điện, khả năng chống mài mòn tốt.

b. Nhựa nhiệt rắn

Các hợp chất nhiệt rắn thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu mức độ chịu nhiệt cao hơn vì chúng không bị nóng chảy khi tiếp xúc với nhiệt. Các vật liệu cách điện nhựa nhiệt rắn phổ biến cho cáp điện bao gồm:

• CHLOROSULFONATED POLYETHYLENE (CSPE) đôi khi được sử dụng làm vật liệu cách điện dây dẫn động cơ có định mức nhiệt 105 độ C. CSPE có độ bền xé và va đập rất cao, khả năng chống mài mòn, ozon, dầu hóa, kháng hóa chất tốt. Vật liệu này cũng có khả năng hấp thụ độ ẩm thấp, khả năng kháng nhiệt trực tiếp dưới lửa rất tốt.
• SILICONE là vật liệu cách nhiệt mềm có dải nhiệt độ điển hình từ -80 độ C đến 250 độ C. Nó có đặc tính cách điện cực totost cộng với khả năng chống ôzôn, độ hút ẩm thấp, chống chịu thời tiết và chống bức xạ. Silicone thường có độ bền cơ học thấp và khả năng chống trầy xước kém.
• ETHYLENE PROPYLENE RUBBER (EPR) là chất cách nhiệt bằng cao su nhiệt rắn nhiệt độ cao liên kết ngang về mặt hóa học. Nó có các đặc tính điện tuyệt vời kết hợp với tính ổn định nhiệt và tính linh hoạt vượt trội. EPR có khả năng chống nén, cắt, va đập, xé rách và mài mòn tốt và không bị hư hại bởi axit, kiềm và nhiều dung môi hữu cơ. Nó cũng có khả năng chống ẩm cao. EPR có xếp hạng nhiệt độ lên đến 150 độ C.
• CROSS-LINKED POLYETHYLENE (XLPE) là vật liệu có khả năng chống lại sự nứt vỡ do ứng suất môi trường, chống ozone, dung môi… Ngưỡng nhiệt độ chịu được từ -60 độ C đến 120 độ C
• CAO SU SEMI-BUTYL (SBR) mềm, dẻo và có khả năng chịu nhiệt và chống ẩm tốt với chi phí ít. Nhưng nó phải được bọc bảo vệ cơ học và hóa học. SBR phù hợp với môi trường có ngưỡng nhiệt độ tối đa 75 độ C.

c. Sứ cách điện

d. Cách điện thủy tinh

2. Vật liệu cách điện dạng lỏng

Dầu cách điện là chất lỏng được sử dụng phổ biến. Dầu cách điện được ứng dụng cho các dự án lắp đặt cáp ngầm HPGF.

3. Vật liệu cách điện dạng khí

Không khí có độ cách điện nhất định trước khi bị đánh thủng bởi ứng suất điện và tạo ra hồ quang phóng điện. Ngoài không khí, các loại khí chuyên dụng được sử dụng để cách điện là SF6, N2, Neon…

Khí cách điện được sử dụng để cách điện máy biến áp, dự án cáp ngầm cách điện khí hoặc SCFF cũng như đường dây cao thế trên không.