Hiện tượng lão hóa dạng cây đước trong vật liệu. doc

92 TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH Tp 44, s 2, 2006 Tr. 92- 98 HIN TNG LÃO HÓA DNG "CÂY NC" TRONG VT LIU CÁCH IN POLYME: NH NG !C I"M NHN DNG VÀ PH$NG PHÁP TO "CÂY NC" TRONG PHÒNG THÍ NGHIM NGUY"N #ÌNH TH%NG, V& THANH H'I I. M U Lão hóa c hiu nh là s bin i tính cht vt liu theo th i gian, d$i tác &ng c'a môi tr ng: nhit &, & ,m, ánh sáng, tia t- ngo.i, oxy,… Polyme nói chung và polyethylene (PE) nói riêng là nh8ng vt liu cách in quan tr:ng nht c s- d;ng làm l$p v< cách in trong công nghip ch t.o cáp in lc và các thit b= in khác. Chúng có & tn hao cách in tg thp và & bBn cách in cao. Kinh nghim vn hành thc t và các thí nghim dài h.n trên các mô hình c'a cáp in lc chôn ngEm d$i t cho thy m&t hin tng rt quan tr:ng là nc khi kt hp vi mt s yu t v môi trng xung quanh s có tác ng x u ti các v!t li#u cách i#n c$a cáp l%c thuc nhóm polyolefine nh PE và XLPE. Nu nh s- d;ng phGng pháp nhu&m màu úng cách ta có th quan sát thy nh8ng cu trúc d.ng cây (tree-like structures) J trong l$p cách in PE hoKc XLPE c'a cáp ang vn hành. Nh8ng cu trúc này xut phát tM nh8ng chN khuyt tt rt nh< c'a cách in và phát trin theo h$ng c'a in tr ng. Hin tng rt ph bin này c g:i là cây nc (water treeing) và nó khác vB bQn cht v$i cây in (electrical treeing) do ion hóa: Hin tng cây n$c này gRn liBn v$i môi tr ng mà cáp vn hành làm suy yu cách in polymer c'a cáp tin t$i giai o.n lão hóa, các cây in sS c hình thành gây ánh th'ng cách in. Hin tng lão hóa XLPE kiu cây n$c lEn Eu tiên c Myashita (Nht BQn) [1] phát hin ra nYm 1969. Trong gEn 35 nYm nghiên c^u hin tng này ã có rt nhiBu giQ thuyt vB cG ch phát sinh - phát trin c a ra, nhng cho t$i tn ngày nay v_n còn nhiBu mâu thu_n, cha rõ ràng trong lí thuyt vB cG ch phát sinh và phát trin c'a cây n$c do iBu kin phát sinh chúng rt a d.ng. Vic nghiên c^u cG ch phát sinh và phát trin c'a cây n$c ccng nh nghiên c^u phGng pháp h.n ch tdc & phát trin c'a chúng trong cách in polymer c'a cáp in lc có ý nghfa quan tr:ng di v$i các nhà sQn xut cáp và các công ty in lc. Bài báo này sS mJ Eu cho m&t chuNi các bài vit phân tích các kt quQ nghiên c^u vB d.ng lão hóa cây n$c do yu td môi tr ng J vt liu cách in PE, polyethylene mt & thp (LDPE), polyethylene liên kt ngang (XLPE) cho cáp lc trung áp. Trong bài báo sS a ra các =nh nghfa, nhn d.ng c'a "cây n$c", phân tích các thành quQ nghiên c^u trên th gi$i vB cG ch lão hóa do hin tng cây n$c J vt liu cách in bing polymer nói chung và XLPE nói riêng cho t$i th i im hin t.i và nh8ng vn B còn tjn t.i cEn giQi quyt. PhGng pháp t.o m_u b= lão hóa d.ng "cây n$c" trong phòng thí nghim do tác giQ áp d;ng trong nghiên c^u ã cho nh8ng kt quQ tdt làm cG sJ  phân tích vB s lão hóa c'a các polyme. II. NGHIÊN CU V HIN TNG LÃO HÓA DNG "CÂY NC" TRONG V!T LIU CÁCH IN POLYME CG ch phát sinh phát trin c'a cây n$c cho t$i hin nay v_n cha có c m&t lí thuyt nht quán  giQi thích m&t cách rõ ràng. S phát trin c'a cây n$c b= Qnh hJng c'a rt nhiBu 93 yu td môi tr ng ngoài n$c và in tr ng, và quá trình này th ng là phát trin trong m&t th i gian rt dài; do vy, vic nghiên c^u hin tng lão hóa d.ng cây n$c J cách in XLPE c'a cáp lc là rt khó và òi h<i th i gian dài. M&t =nh nghfa có tính tng hp [2] vB hin tng lão hóa d.ng cây n$c có th phát biu nh sau: nh8ng cây n$c là cu trúc lão hóa trong polyme có nh8ng tính cht: - Chúng có tính vfnh c-u, m&t khi ã tjn t.i thì sS không b= bin mt i trong m:i tr ng hp. - Cây n$c phát trin c trong polyme ít nht là do & ,m và tr ng in. - Khi trong tr.ng thái $t, chúng có & bBn cách in thp hGn polyme không b= lão hoá, nhng nh8ng cây n$c không phQi là l$p cách in b= phá hum c;c b& và ccng không phQi là  ng ngRn m.ch (short-circuit path). - Nh8ng cây n$c có & thm n$c (hydrophilic) cao hGn polyme không b= lão hoá. Nh8ng cu trúc "cây n$c" này có nh8ng Kc im "nhn d.ng" sau: - Tính v1nh c2u và th m nc: Nh8ng cây n$c tjn t.i vfnh c-u trong l$p cách in polyme. Chúng có th c làm khô i, nhng khi Kt vào môi tr ng ' & ,m $t, nh8ng cây n$c sS xut hin trJ l.i. Quá trình làm khô và cho $t trJ l.i này có th lKp i lKp l.i nhiBu lEn. - Kh5 n6ng có th7 nhum màu: Vì cây n$c sau khi làm khô sS rt khó phát hin trong XLPE, vic nhu&m màu cho cây n$c ã c tin hành tM rt s$m, gEn nh ngay sau khi các nhà nghiên c^u phát hin ra hin tng cây n$c. TM ó n nay, ã có rt nhiBu phGng pháp nhu&m màu c phát trin và s- d;ng. Hin t.i, phGng pháp tiêu chu,n  nhu&m màu cây n$c ã c t ch^c CIGRE a ra v$i vic s- d;ng cht nhu&m là Methylene Blue (thudc tím). - Hàm lng n$c ch^a trong cây n$c: Do quá trình lão hóa t nhiên, n$c sS khuch tán vào polyme v$i m&t lng nht =nh trong iBu kin có hoKc không có các vt thm n$c trong ó. Chrng h.n, hàm lng n$c trong PE vào khoQng 100 ppm t.i dQi nhit & môi tr ng tM 20 o C n 50 o C khi PE J trong tr.ng thái cân bing (equilibrium state); hàm lng n$c trong v< cách in XLPE c'a cáp lc vào khoQng 200 ppm. Hàm lng n$c trong các cây n$c so v$i hàm lng n$c trong PE sS cao hGn khoQng 100 lEn. Ch' yu chúng tjn t.i d$i d.ng l<ng trong các lN cây n$c. - Các lN rNng, kênh và  ng d_n: Theo các nhà nghiên c^u [3], cây n$c bao gjm cQ lN rNng, kênh và  ng d_n tut thu&c vào cu trúc vt liu polyme và môi tr ng làm sinh ra chúng. Các '(c tính 'i.n môi c1a cây n56c: Trong tr.ng thái $t cách in có hing sd in môi  r . l$n hGn; tg có xu h$ng tYng J nh8ng cây n$c mKc dù không th coi cây n$c nh là kênh d_n in. Chrng h.n, polyethylene (PE) có tg vào khoQng 0,0005, trong khi tg c'a cây n$c trong PE có giá tr= vào khoQng 0,002. v cách in bing polyme có nhiBu cây n$c trong tr.ng thái $t, & bBn cách in sS giQm sút nhiBu và nó sS ph; thu&c vào s phát trin c'a cây n$c. MKc dù vy, cây n$c không phQi là  ng ngRn m.ch, nó v_n còn gi8 c tính cht cách in J m&t m^c & nht =nh c th hin qua giá tr= tg không l$n (tg cây n$c = 0,002) J in áp vn hành. Hin t.i, quan im ph bin nht vB mô hình phát trin c'a lão hóa d.ng cây n$c là phân lp các mô hình ra làm 3 d.ng chính do cha tìm ra c cG ch nht quán vB s phát trin c'a cây n$c. xó là các mô hình in, hóa h:c và cG h:c. Xét vB cu t.o và hình d.ng c'a cây n$c có th chia làm hai d.ng chính: d.ng lN thông 94 (vented trees) phỏt trin tM l$p bỏn d_n trong cỏp v d.ng hỡnh cỏi nG (bow-tie trees) phỏt trin tM nh8ng b:t khụng khớ khuyt tt trong l$p cỏch in polyme c'a cỏp hoKc nh8ng chN khuyt tt do cụng ngh ch t.o cỏp. H iện t ợng l o hoá dạng Cây n ớc Chọn mô hình Mô hình điện Mô hình hóa Điện chuyển Quá trình xuyên Gia nhiệt điện môi Thẩm thấu- điện Phóng điện cục bộ, B o điện tử Nhiễm bẩn ion Oxy hoá Siêu bo ho7, ng ng tụ n ớc Thẩm thấu Mô hình cơ học Các tác động uốn kéo ESC Mỏi cơ học Nứt do tác động trờng Hỡnh 1. Cỏc mụ hỡnh phỏt trin lóo húa d.ng cõy n$c Lỗ khuyết tật Lớp bán dẫn bọc lõi dẫn điện Lõi Cách điện XLPE Lớp bọc bên ngo i Lỗ thông Cái nơ Hỡnh 2. Cỏc d.ng cõy n$c phỏt sinh trong l$p cỏch in polyme cỏp in lc III. PH7NG PHP TO M8U LO HểA DNG CY NC TRONG PHềNG TH NGHIM Lóo húa d.ng cõy n$c trong l$p cỏch in polyme cỏp in lc do Qnh hJng mụi tr ng v tr ng in tM l m&t d.ng lóo húa cú quỏ trỡnh phỏt trin chm. Nh cỏc nghiờn c^u [3] ó ch{ ra, cú m_u lóo húa d.ng cõy n$c ly tM l$p cỏch in cỏp in lc ang vn hnh thỡ th i gian vn hnh cEn thit phQi tM m i nYm trJ lờn. Trong cụng tỏc nghiờn c^u, m&t trong nh8ng yu td quyt =nh l th i gian thớ nghim cudi cựng a ra kt quQ v cỏc nhn =nh, ỏnh giỏ. Vỡ vy, ó cú nhiBu phGng phỏp t.o m_u lóo húa d.ng cõy n$c trong phũng thớ nghim c B xut trong sudt hGn 35 nYm nghiờn c^u hin tng ny nhim rỳt ngRn th i gian hỡnh thnh cõy n$c trong cỏch in polyme. Nh8ng phGng phỏp ú g:i chung l phGng phỏp t.o m_u lóo húa kiu tYng tdc (accelerated experiment). Theo phGng phỏp ny, m_u cỏp hoKc m_u vt liu polyme c a vo mụi tr ng khRc nghit nh in ỏp cao, tEn sd cao, nhit & v & ,m cao v cho tip xỳc trc tip v$i cỏc dung d=ch húa cht nh mudi nhim ,y nhanh quỏ trỡnh hỡnh thnh v phỏt trin cõy n$c, tM ú quan sỏt v phõn tớch cỏc thụng sd c'a chỳng. PhGng phỏp ny c li vB mKt th i gian v cho phộp cỏc nh nghiờn c^u thu thp c cỏc m_u cõy 95 n$c a d.ng ph;c v; cụng tỏc nghiờn c^u. Trong nghiờn c^u, tỏc giQ v cỏc c&ng s ó tip cn phGng phỏp tYng tdc v B xut m&t h$ng m$i trong vic t.o m_u lóo húa d.ng cõy n$c trong l$p cỏch in polyme c'a cỏp in lc v$i mong mudn nghiờn c^u, phõn tớch d.ng thự hỡnh, cỏc Kc tớnh in mụi, dũng rũ c'a cỏch in polyme b= lóo húa. xú l phGng phỏp t.o m_u lóo húa cõy n$c d>ng l? thụng xuyờn th u (penetrated vented water treeing) [4]. V$i phGng phỏp ny, cỏc "cõy n$c" c t.o ra sS xuyờn ht chiBu dy c'a l$p mng polyme (LDPE hoKc XLPE) c dựng lm cỏch in cho cỏp lc. Quy trỡnh c thc hin nh sau: - V!t li#u s2 dEng: mng polyethylene mt & thp (LDPE: low density polyethylene) cú cỏc & dy khỏc nhau tM 40 n 100 àm, m_u polyethylene v$i liờn kt ngang (XLPE: crosslinked polyethylene) cú & dy 100 àm. - X- lớ m_u vt v sRp Kt thit b= thớ nghim: Cỏc tm mng polyme c cRt thnh cỏc m_u th- nghim hỡnh vuụng v$i cỏc kớch th$c a d.ng (40 mm ì 40 mm; 60 mm ì 60 mm,). Sau khi lm s.ch, m_u c ỏnh rỏp nh| bB mKt bing giy rỏp c} #1500. x t.o ra in tr ng cao v t.o mụi tr ng tỏc &ng vo m_u th- nghim (mụ ph<ng quỏ trỡnh lóo húa cỏch in cỏp lc ang vn hnh chụn ngEm trong lũng t), m_u c cho tip xỳc trc tip v$i dung d=ch mudi bóo ho NaCl hoKc FeSO 4 trong khi ch=u tỏc &ng c'a in ỏp cao (1 3 kV) trong th i gian tM 24 gi t$i 168 gi (1 tuEn). x thc hin quỏ trỡnh ny, nhúm tỏc giQ ó s- d;ng h in cc dung d=ch mudi - bQn kim lo.i v$i m_u th- k|p J gi8a bing epoxy nh hỡnh 3. Điện cực nối với nguồn AC Dung dịch muối NaCl hoặc FeSO4 Mẫu thử XLPE Lớp đệm bằng giấy nhôm Cốc mica không đáy Bản kim loại (đồng, sắt ) Hỡnh 3. SG j nguyờn lớ th- nghim lóo húa tYng tdc s- d;ng h in cc dung d=ch mudi bQn kim lo.i x t.o "cõy n$c" d.ng lN thụng bỡnh th ng (vented water trees), m_u th- l mng polyme nh ó mụ tQ J trờn v ch{ cú m&t l$p duy nht. Cũn t.o ra m_u lóo húa v$i cõy n$c d.ng lN thụng xuyờn thu, m_u th- sS bao gjm 2 l$p mng polyme c Kt d$i h thdng in cc. Sau ú, m_u vt c a vo m.ch th- nghim v$i ngujn in ỏp cao (1 - 3 kV) tEn sd 50 Hz trong nh8ng khoQng th i gian khỏc nhau tM 24 gi t$i 1 tuEn (7 ngy) phỏt sinh cõy n$c. Mẫu thử v7 hệ thống điện cực 1:100 Cắt dòng Rơ-le thời gian Nguồn AC Điện trở nớc Điện áp : kVrms; 50Hz Thời gian : 24 giờ - 1tuần Hỡnh 4. SG j nguyờn lớ th- nghim & lóo húa d.ng cõy n$c Sau khi kt thỳc thớ nghim, v$i m;c ớch hin hỡnh d.ng cõy n$c khi cho quan sỏt trờn kớnh 96 hin vi, các m_u lão hóa c a vào ngâm trong dung d=ch thudc tím v$i 10% amoniac trong vòng 24 gi [5]. xdi v$i thí nghim t.o m_u cây n$c d.ng xuyên thu, ch{ ly l$p phía trên, nGi có tip xúc v$i dung d=ch mudi và ccng là nGi xut hin các cây n$c d.ng xuyên thu. Nh8ng m_u lão hóa này sS c s- d;ng cho các phân tích, th- nghim vB lão hóa d.ng cây n$c nh: thí nghim vB hin tng phát nhit, các thí nghim vB o dòng rò, các Kc tính in môi, các thí nghim vB & bBn cách in c'a m_u b= lão hóa v.v… IV. K<T QU> QUAN SÁT M8U LÃO HÓA DNG CÂY NC M_u vt sau khi c x- lí sS c tin hành quan sát trên kính hin vi  phân tích các thông sd c'a cây n$c nh: mt & cây n$c phát trin trong m_u, hình d.ng và chiBu dài cây n$c. S- d;ng phGng pháp tYng tdc nh ã mô tQ J trên t.i phòng thí nghim cao áp và hiu ^ng các in tr ng cao t.i tr ng x.i h:c Khoa h:c K† thut Toyohashi, Nht BQn ã thu c b& d8 liu m_u lão hóa d.ng cây n$c trên vt liu polyme dùng cho cách in cáp in lc. Qua quan sát trên kính hin vi m_u LDPE có & dày 100 µm, cây n$c có & dài dài nht vào khoQng 40 µm, phEn l$n các cây n$c có & dài trung bình tM 10 - 20 µm. Hình 5. Cây n$c trên lát cRt LDPE c nhu&m màu bing thudc tím 1. 0 0 1 0.00 100.00 0 100 200 300 D o dai cay nuoc ( µ m ) Mau LDPE Mau XLPE Hình 6. xj th= phân bd & dài cây n$c x phân tích vB & dài cây n$c tjn t.i trong m_u, các tác giQ ã phân tích 2 m_u th- là màng LDPE và XLPE có & dày 500 µm ã qua quá trình lão hóa, o qua kính hin vi sd lng và & dài cây n$c và xây dng  ng phân bd & dài c'a các cây n$c quan sát c (hình 6). Các  ng phân bd cho thy Kc tính vB s phát trin c'a cây n$c t.i các m_u th- là gidng nhau; chúng ch{ khác nhau vB sd lng và chiBu dài các cây n$c có trong tMng m_u do m_u khác nhau vB cu trúc hóa h:c. Hình d.ng c'a cây n$c d.ng xuyên thu c quan sát qua kính hin vi và th hin trên hình 7. Hình 7. Hình d.ng cây n$c d.ng xuyên thu trong l$p màng LDPE 97 V. NH !N XÉT CHUNG VÀ K<T LU!N Hin nay trên l$i in trung áp, vic s- d;ng cáp ngEm ã trJ nên ph bin. KhQ nYng tQi c'a cáp ph; thu&c vào sut nhit trJ c'a môi tr ng lRp Kt, nhit & môi tr ng xung quanh, & chôn sâu cáp, khoQng cách lRp Kt gi8a các cáp. Hay nói cách khác là trong công tác quy ho.ch thit k l$i in s- d;ng cáp ngEm vic xác =nh rõ các iBu kin môi tr ng, khí hu; các thông sd kf thut nh in trJ nhit c'a vt liu lp rãnh cáp, cách th^c lRp Kt cáp in sS quyt =nh n vic vn hành an toàn n =nh và quyt =nh tui th: c'a cáp. xdi v$i cáp in lc cách in polyme, nguyên nhân c'a m&t sd s cd  ng cáp là do hu quQ c'a quá trình lão hóa v$i cG ch chính là hin tng lão hóa d.ng cây n$c do tác &ng c'a môi tr ng. Qua m&t th i gian vn hành, nh8ng cây n$c tjn t.i trong cách in cáp lc phát trin thành nh8ng kênh dài, có khi ndi ht cQ bB dày cách in. Vì có nh8ng cây n$c nh vy cho nên & bBn cách in c'a l$p cách in polyme b= suy giQm rõ rt, khi có xung in áp tác &ng thì xác xut ánh th'ng cách in t.i nh8ng khu vc có cây n$c là rt cao. Có th nhn =nh ring lão hóa d.ng cây n$c phát trin m.nh trong iBu kin khí hu nóng ,m và ma nhiBu c'a Vit Nam; vì vy, vic nghiên c^u hin tng này là m&t vic cEn thit nhim m;c ích cudi cùng là a ra nh8ng bin pháp ngYn ngMa h8u hiu quá trình lão hóa do cây n$c trong vn hành các tuyn cáp ccng nh trong quá trình sQn xut cáp lc. Các h$ng nghiên c^u tip theo sS là m&t sd n&i dung chính sau: - Hin tng phát nhit trong m_u th- nghim và o dòng rò trong m_u. - x& bBn cách in c'a m_u lão hóa ph; thu&c theo & ,m môi tr ng xung quanh. - ‡nh hJng c'a các cht &n trong cu trúc hóa h:c polyme lên & lão hóa d.ng cây n$c c'a vt liu. Trên cG sJ kt quQ nghiên c^u, B xut nh8ng cQi tin, i m$i vB mKt công ngh sQn xut cáp lc liên quan t$i cách in polyme nhim tYng khQ nYng ch=u tác &ng c'a môi tr ng vn hành. L2i c5m 7n. Các tác gi5 xin bày t@ sA biBt 7n cCa mình tFi GS.TS. Nagao Masayuki và GS.TS. Hozumi Naohiro - TrL2ng #Mi hNc Khoa hNc KO thut Toyohashi, Nht B5n Qã tn tình giúp QT và tMo QiUu kiVn QW thAc hiVn mXt s thí nghiVm vU sA hình thành cây nLFc, yBu t quan trNng 5nh hL\ng QBn tu]i thN cCa cách QiVn XLPE. TÀI LIU THAM KH>O 1. T. Myashita - Deterioration of Water-immersed Polyethylene Coated Wire by Treeing, Proceeding 1969 IEEE-NEMA Electrical Insulation Conference, Boston, Sep. 1969, tr.131-135. 2. Robert Ross - Inception and Propagation Mechanism of Water Treeing, IEEE Trans. on EI, 5 (5) (1998) 660-665. 3. Minema, H.A. Barneveld, and P.D. Rinkel - An Investigation into Mechanism of Water Treeing in PE HV Cables, IEEE Trans. EL 15 (6) (1980) 416-472. 4. Hai Vu Thanh, M. Nagao, N. Hozumi, and Y. Mutamoto - Proc. Japan IEE 2000 – 2002 (ting Nht). 5. P. B. Larsen - Dyeing Methods Used for Detection of Water Trees In Extruded Cables Insulation, Electra 86 (1983) 53-59. 98 6. Jean-Pierre Crine - Electrical, Chemical and Mechanical Processes in Water Treeing, IEEE Trans. EL 5 (5) (1998) 682-694. 7. E.T. Larina - Cáp cao áp và  ng dây cao áp, Energoizdat, MatxcGva, 1984 (ting Nga). 8. Võ Vit x.n - K† thut in cao áp, x.i h:c Bách khoa Bách khoa Hà N&i, 1972. 9. NguyŽn xình ThRng, Vt liu k† thut in, NXB Khoa h:c k† thut, 2004. SUMMARY WATER TREEING PHENOMENON IN POLYMERIC INSULATION MATERIAL FOR POWER CABLE: CHARACTERISTICS AND METHOD OF PREPARING AGING SAMPLE IN LABORATORY This paper describes the water treeing phenomenon in polymeric insulation layer of power cable. This aging process is a complex phenomenon involving several processes with many synergistic effects. Although a huge number of studies on the subject have been conducted over the last 35 years, there is no comprehensive theory able to describe the mechanism of water treeing phenomenon. In fact, water treeing is likely to be a mixture of electrical, mechanical and chemical processes. In order to investigate water treeing phenomenon, the method of preparing aging samples with penetrated vented water trees in laboratory was developed. The shape, configuration and length of water trees in those aging samples were analyzed. Key Words: Vented Water Tree, Penetrated Water Tree, Low Density Polyethylene, Crosslinked Polyethylene KLa chM: Nh!n bài ngày 22 tháng 3 n6m 2005 NguyŽn xình ThRng, Tr ng x.i h:c Bách khoa Hà N&i Vc Thanh HQi, Vin NYng lng, Tng Công ty xin lc Vit Nam. . giai o.n lão hóa, các cây in sS c hình thành gây ánh th'ng cách in. Hin tng lão hóa XLPE kiu cây n$c lEn Eu tiên c Myashita (Nht BQn) [1] phát hin ra nYm 1969. Trong gEn. PhGng pháp t.o m_u b= lão hóa d.ng " ;cây n$c" trong phòng thí nghim do tác giQ áp d;ng trong nghiên c^u ã cho nh8ng kt quQ tdt làm cG sJ  phân tích vB s lão hóa c'a các polyme c'a quá trình lão hóa v$i cG ch chính là hin tng lão hóa d.ng cây n$c do tác &ng c'a môi tr ng. Qua m&t th i gian vn hành, nh8ng cây n$c tjn t.i trong cách in cáp