Cáp cách điện là gì? Các vật liệu cách điện phổ biến nhất

Có lẽ yếu tố đầu tiên mà người tiêu dùng chú ý khi mua cáp hoặc dây điện là tiết diện của nó. Nhưng yếu tố thứ hai, không kém phần quan trọng là lớp cách điện. Lớp cách điện đảm bảo hoạt động đáng tin cậy của cáp hoặc dây điện, bảo vệ con người khỏi tác động của dòng điện. Lớp cách điện được chia thành lớp cách điện và vỏ bọc, hay chúng còn được gọi là lớp cách điện bên trong và bên ngoài (bên ngoài).

I. Cáp cách điện là gì?

Có thể hiểu đơn giản cáp cách điện là loại cáp có lớp cách điện bọc lên dây dẫn, nó sẽ giúp phân biệt với cáp điện trần không có cách điện. Lớp cách điện được sản xuất từ các vật liệu không dẫn điện, tức là vật liệu ngăn không cho dòng điện chạy qua hoặc có độ dẫn điện cực thấp, điện trở suất cao. Vật liệu này 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 cách điện 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 mà thôi.

Tại sao vật liệu cách điện không dẫn điện?

Vật liệu 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.

II. Các loại vật liệu cách điện của dây & cáp điện

Có nhiều loại vật liệu cách nhiệt khác nhau, mỗi loại được thiết kế cho các điều kiện hoạt động cụ thể và có các tính chất cũng như thành phần hóa học khác nhau. Các vật liệu cách điện sau đây thường được sử dụng: cao su, PVC, polyetylen, nhựa dẻo hoặc giấy. Các chất điện môi ít phổ biến hơn là: carbolite, vecni, oxit magiê, polystyrene, lụa và các vật liệu dạng sợi khác (sợi bông, sợi triacetate, nylon, anide, lavsan, sợi thủy tinh, amiăng) và các loại khác.

1. Vật liệu cách điện dạng rắn

Vật liệu cách nhiệt bằng nhựa được làm từ polyetylen hoặc polyvinyl clorua (PVC) khá nhẹ, có tính linh hoạt cao, phù hợp cho nhiều nhiệm vụ kỹ thuật trong nhà riêng, công nghiệp, nhà ở, dịch vụ công cộng. Ưu điểm của vật liệu cách nhiệt bằng nhựa bao gồm phạm vi nhiệt độ hoạt động rộng, an toàn môi trường, khả năng chống ẩm cao, độ bền cơ học, tính trung hòa về hóa học và điện.

1.1. 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:

1.1.1. PVC

Hợp chất nhựa polyvinyl clorua là hỗn hợp của nhựa polyvinyl clorua với chất làm dẻo, chất ổn định và các chất phụ gia khác. Hiện nay, nó là vật liệu được sử dụng phổ biến nhất để cách điện cho dây cáp và dây điện dân dụng nhờ chi phí thấp và đặc tính vật lý tốt – tính linh hoạt, chống mài mòn và đặc tính bảo vệ tốt. Nhược điểm của PVC là tốc độ của quá trình lão hóa dưới tác động của tia cực tím, thiếu khả năng chịu nhiệt độ cao và khả năng giải phóng các chất có hại khi quá nóng (ví dụ, hydro clorua và điôxin).

Các chất hóa dẻo đặc biệt giúp cải thiện các đặc tính của PVC mà các nhà sản xuất nên tham khảo: Cao lanh, canxi cacbonat, chì cacbonat, muối của axit stearic, bari, strontium, talc và nhiều loại khác.

1.1.2. PE

Vật liệu cách diện làm từ polyetylen có khả năng kháng hóa chất cao và chịu được nhiệt độ âm. Phổ biến nhất là XLPE (hoặc XPE, một loại nhựa nhiệt rắn) có thể chịu được nhiệt độ cao hơn đáng kể so với PE mà không làm thay đổi đặc tính, nhiệt độ hoạt động bình thường ở 90°C và tối đa tới 250°C. Điều này cho phép sử dụng XLPE ở điện áp cao hơn đáng kể so với nhựa PVC.

XLPE có đặc tính điện môi khá cao, độ bền điện tốt và trọng lượng nhẹ, độ bền cơ học, tính linh hoạt tương đối, khả năng chống cháy, chống độ ẩm, chống kiềm và axit. Nhược điểm của nó là có tổn thất điện môi cao nên hạn chế dùng cho cáp điện áp 20 kV trở lên.

1.1.3. Các loại khác

• 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.
• 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.

1.2. 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:

1.2.1. Cao su silicone

Cao su silicon cũng được sử dụng làm vật liệu cách điện. Đặc điểm nổi bật của nó là khả năng tạo thành một lớp màng oxit sau khi cháy, không cho dòng điện đi qua. Đây là vật liệu cách nhiệt mềm có dải nhiệt độ điển hình từ -80 – 250 độ C, đặc tính cách điện cực tốt 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.

1.2.2. Các vật liệu khác

• 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.
• 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.
• 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.

1.3. Sứ cách điện

1.4. Cách điện thủy tinh

1.5. Giấy cách điện

Giấy cách nhiệt tẩm dầu được làm từ băng giấy có độ bền cao như cellulose sunfat và được tẩm thành phần đặc biệt dựa trên dầu, nhựa thông và sáp. Đây là một giải pháp khá đáng tin cậy vì giấy là chất điện môi tốt, tuổi thọ dài, nhiệt độ cho phép tương đối cao và chi phí thấp. Nhược điểm là tính không ổn định trước mọi tác động bên ngoài; dễ thấm hút ẩm.

Cáp có lớp cách điện bằng giấy luôn có vỏ kim loại (như chì) và được trang bị vỏ bọc thép để bảo vệ chúng khỏi ứng suất cơ học và sự xâm nhập của hơi ẩm vào bên trong. Ngược lại, vỏ kim loại sẽ làm tăng trọng lượng của cáp cũng như giá thành, tất nhiên nó hoàn toàn có thể được sử dụng để lắp đặt ở nơi có đất ẩm hoặc dưới nước.

Ngày nay, giấy cách nhiệt được coi là đã lỗi thời và hiếm khi được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm dây và cáp hiện đại.

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.