Đánh giá khả năng phục hồi cách điện bề mặt của silicon sử dụng trong cách điện cao cấp chế tạo bằng vật liệu composite phủ silicone sau khi chịu tác động phá hủy bề mặt

Đánh giá khả năng phục hồi cách điện bề mặt của silicon sử dụng trong cách điện cao cấp chế tạo bằng vật liệu composite phủ silicone sau khi chịu tác động phá hủy bề mặt

Bộ Công thương tập đoàn điện lực Việt Nam

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thanh Hải

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHỤC HỒI CÁCH

ĐIỆN BỀ MẶT CỦA SILICON SỬ DỤNG TRONG CÁCH ĐIỆN CAO ÁP CHẾ TẠO

SILICONE SAU KHI CHỊU TÁC ĐỘNG PHÁ HUỶ BỀ MẶT (PHểNG ĐIỆN/PLASMA)

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE 6

1.2 Vỏ polymer và lớp phủ cao su silicone của cách điện composite 31 1.3 Các phương pháp kiểm tra cách điện composit 35

1.5 Xếp hạng vật liệu đối với cách điện ngoài trời 42

1.7 Các đặc tính nhiễm bẩn lên cách điện polime 46

CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO

SU SILICONE

48

2 1 Những đặc tính của cao su silicone- polydimethylsiloxane 49

2 2 Cách điện cao áp ngoài trời với thành phần cao su silicone 51

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHỤC HỒI ĐẶC

TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO SU SILICONE SAU

KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA VẦNG QUANG/PLASMA

3.4 Các kết quả thực nghiệm 59

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁCH

ĐIỆN COMPOSITE TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

DDK: Đường dây tải điện trên không

SIR –HTV : Cao su silicone lưu hóa ở nhiệt độ cao

MỞ ĐẦU

Cách điện bằng sứ và thủy tinh là những cách điện được sử dụng phổ biến từ trước đến nay trong Hệ thống điện của Việt Nam Trên thực tế, khi sử dụng loại cách điện này thường hay gặp phải một số vấn đề như: trọng lượng quá nặng, thường xuyên phải bảo dưỡng, tuổi thọ rất thấp khi hoạt động trong môi trường ô nhiễm Bên cạnh những ưu điểm như độ bền cơ lý cao, dễ dàng thay đổi chiều dài chuỗi đối với cách điện đường dây, không bị lão hóa dưới tác động của thời tiết thì cách điện ngoài trời bằng sứ và thủy tinh dễ bị phóng điện dẫn đến phá hủy trong các môi trường khắc nghiệt và có độ nhiễm bẩn cao Mặc dù đã có nhiều biện pháp cải tiến như tăng thêm chiều dài chuỗi sứ, vệ sinh sứ định kỳ hay sử dụng sứ có đường rò dài hơn nhưng quá trình phóng điện bề mặt gây ra hư hỏng vẫn xảy ra thường xuyên

Giải pháp tối ưu mới được áp dụng trong vài năm gần đây và tỏ ra có hiệu quả là sử dụng cách điện bằng vật liệu composit đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các thiết bị điện cao áp và siêu cao áp ngoài trời trên toàn thế giới Sự phát triển mạnh mẽ của cách điện composit là do những ưu điểm vượt trội của chúng so với cách điện thuỷ tinh và cách điện sứ thông thường

Chuỗi cách điện composit với lớp phủ bằng cao su silicon là minh chứng rõ ràng cho điều đó Chuỗi cách điện có các đặc tính như:

• Chống được ăn mòn

• Có khả năng tự làm sạch bề mặt trong điều kiện không có mưa (Thông qua cơ chế: Bụi bám trên bề mặt sẽ bị gom lại thành từng giọt như hình trên và khi nước bốc hơi sẽ mạng bụi bám đi theo)

• Không thấm nước

• Chống được sự phá huỷ của tia cực tím

• Các tính chất lý hoá không bị thay đổi dưới tác động của nhiệt độ từ

Đây là ưu điểm vượt trội của cao su silicone so với các chất cách điện khác

và cũng chính là nội dung của đề tài này: Nghiên cứu khả năng phục hồi cách điện bề mặt của silicon sử dụng trong cách điện cao áp chế tạo bằng vật liệu composite phủ silicon sau khi chịu các tác động phá huỷ bề mặt (phóng điện, plasma)

Với những đặc trưng như trên, cao su silicon nguyên chất đã được ứng dụng vào vật liệu cách điện cho đường dây trên không một cách rất hiệu quả Tuy nhiên, việc sử dụng vật liệu cách điện composite trong các thiết bị này dưới tác động của điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam thì chưa được quan tâm đúng mức

Do đó các nghiên cứu về tuổi thọ, quá trình già hoá và khả năng phục hồi của vật liệu cách điện composite còn rất hạn chế hoặc chưa chưa được đề

cách điện composite phủ silicone, phân tích các tính chất đặc thù của silicone như đặc tính không dính nước của silicone và đặc biệt là khả năng phục hồi tính chất này (chính là khả năng cách điện) trên bề mặt sau khi chịu các tác động phá hủy như phóng điện bề mặt (vầng quang hay cầu khô), plasma Ứng dụng để cải thiện vật liệu cách điện composite trong quá trình sản xuất

Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần sau:

o Tổng quan về cách điện composite

o Phân tích thành phần, tính chất và đặc tính của cách điện composite phủ silicone

o Nghiên cứu bản chất tính không dính nước của silicone, năng lượng mặt ngoài và dòng rò trên bề mặt silicone vai trò của tính chất này trong khả năng cách điện của silicone và đặc điểm của chất này trong quá trình sử dụng

o Nghiên cứu khả năng phục hồi các tính chất này sau khi lớp phủ chịu những tác động phá hủy như phóng điện bề mặt, plasma

o Nghiên cứu khả năng ứng dụng trong điều kiện Việt nam, đánh giá tuổi thọ và tình trạng làm việc trong điều kiện này

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE

Cách điện cao áp bằng composit đã được thừa nhận và lắp đặt ở ngoài trời tại những nơi nguy hiểm ngày càng tăng trên khắp thế giới Hiện tại chúng chiếm tới 60 đến 70% trên tổng số cách điện được lắp đặt mới tại Bắc Mỹ

Sự tăng trưởng khác thường của việc sử dụng nhiều cách điện composit là

do những ưu điểm vượt trội của chúng so với cách điện thuỷ tinh và cách điện sứ thông thường Các ưu điểm này bao gồm : khối lượng nhẹ, độ bền cơ trên tỉ lệ trọng lượng cao hơn, chống lại các hành động phá hoại, có khả năng tốt hơn trong các môi trường ô nhiễm nặng và trong điều kiện ẩm ướt, đồng thời chúng có thể chịu được điện áp tương đương hoặc tốt hơn so với cách điện sứ và thuỷ tinh Tuy nhiên, do cách điện composit là vật liệu mới, nên chưa thể đánh giá đánh giá được về tuổi thọ cũng như độ tin cậy trong thời gian dài, và do đó chưa được người sử dụng quan tâm nhiều Cộng với việc chúng có thể chịu đựng được sự xói mòn và không tạo ra các đường dẫn trong điều kiện nhiễm bẩn lớn và độ ẩm cao Những điều này dẫn đến việc phát triển việc phóng điện cầu khô và dưới một tình huống nào đó có thể gây

ra các sự cố đối với cách điện polyme Trong tài liệu này giới thiệu những kinh nghiệm thực tế gần đây khi sử dụng cách điện cao áp composit ở ngoài trời, các phương pháp kiểm tra, sự già hoá, sự xếp hạng vật liệu, vai trò của các chất độn tăng cường, vai trò của các thành phần khối lượng phân tử thấp hiện có trong cách điện Các cơ chế tạo ra việc mất đi và hồi phục lại tính sợ nước, một trong những đặc tính quan trọng nhất của polime, các cơ chế phá hỏng, việc xác định các lỗi, các dạng và số lượng nhiễm bẩn tự nhiên, các hiệu ứng dưới mưa, ảnh hưởng của Hidrocacbon, của không khí và gió, các phương pháp khác nhau để tối ưu hoá khả năng cách điện và đưa ra một

phương pháp mới để đánh giá tình khả năng của cách điện polime trong điện trường

Trong các phần tiếp theo của chương, cấu trúc, những đặc điểm cách điện cùng với khả năng chịu tác động môi trường vận hành của các thành phần cấu tạo nên cách điện composite như lõi cách điện bằng tổ hợp sợi thủy tinh epoxy; vỏ cách điện bằng polymer với lớp phủ cao su silicone

1.1 Giới thiệu chung

Cách điện composite đã được sử dụng ngày càng nhiều trong cả dải điện áp truyền tải và phân phối đồng thời chiếm được một thị phần rộng hơn Sự thúc đẩy chủ yếu mức tăng trưởng thực sự như vậy vì tại những vị trí được cảnh báo thường gặp thì những ưu điểm lớn của chúng so với các cách điện

vô cơ (chủ yếu là cách điện sứ và thuỷ tinh) được phát huy Một trong những

ưu điểm chính của cách điện composite đó là năng lượng bề mặt của chúng thấp cùng với việc duy trì được đặc tính chống đọng nước bề mặt trong các điều kiện thời tiết ẩm như sương mù, sương muối và mưa

Các ưu điểm khác bao gồm : do trọng lượng nhẹ nên kinh tế hơn khi thiết kế cột hoặc có thể lựa chọn việc nâng cấp điện áp của hệ thống hiện có mà không cần thay đổi kích thước cột Một ví dụ về điều này là trường hợp của nước Đức đã tăng điện áp từ 245 đến 420kV và ở Canada, nơi 2 đường dây 115kV dài 50km đã được nâng lên 230 kV bằng cách sử dụng cách điện composite dạng chữ V nằm ngang trên các cột cũ Trọng lượng nhẹ của các chuỗi cách điện composit cũng cho phép tăng khoảng cách giữa dây dẫn và đất cũng như khoảng cách pha-pha từ đó làm giảm cường độ điện trường và

từ trường, giảm ảnh hưởng của chúng đến môi trường công cộng Trọng lượng nhẹ của cách điện composit cũng giúp tránh được việc phải sử dụng

các trục nặng khi giữ và lắp đặt cách điện, điều này giúp tiết kiệm chi phí, do

tỉ lệ độ bền cơ trên trọng lượng cao hơn nên có thể xây dựng các cột với khoảng cách dài hơn, cách điện đầu cột cũng ít xảy ra việc phá hỏng nghiêm trọng do các hành động phá hoại như là bắn đạn súng săn, đây cũng là nguyên nhân gây ra việc cách điện sứ bị vỡ và rơi xuống đất, có khả năng tốt hơn nhiều so với cách điện sứ khi lắp đặt ngoài trời trong các điều kiện bị ô nhiễm nặng nề cũng như trong các cuộc kiểm tra ngắn hạn kết hợp với phương pháp quan sát hình dáng của cách điện, có thể chịu đựng điện áp tương đương hoặc cao hơn so với cách điện sứ và thuỷ tinh Việc lắp đặt dễ dàng nên có thể tiết kiệm được chi phí nhân công đồng thời khi sử dụng cách điện composit làm giảm chi phí bảo trì và chi phí vệ sinh cách điện, mà đối với cách điện sứ và thuỷ tinh thì việc vệ sinh này đòi hỏi phải được thực hiện thường xuyên trong các môi trường nhiễm bẩn nặng

Những nhược điểm chính của cách điện composit như sau : chúng là đối tượng để diễn ra những thay đổi hoá học trên bề mặt do thời tiết hoặc do phóng điện cầu khô, khi bị ăn mòn và tạo thành các đường dẫn, đó chính là những nguyên nhân chính dẫn đến việc phá hỏng cách điện, tuổi thọ trung bình của cách điện cũng rất khó đánh giá, chưa biết được độ tin cậy lâu dài đồng thời rất khó xác định được lỗi của cách điện

Cách điện composite gồm có 3 thành phần và thiết kế của từng thành phần phải tối ưu hoá để thoả mãn khả năng chịu tác động cơ và điện trong suốt thời gian vận hành của cách điện, tức là trong khoảng từ 30 đến 40 năm Các thành phần bao gồm:

a) Lõi cách điện là các thanh polymer gia cường làm bằng sợi thuỷ tinh (FRP : fiberglass reinforce polymer) Đây là một sự gia cường với polieste, vinyl este hoặc nhựa epoxy để cung cấp thêm độ bền cơ Nhựa epoxy FRP là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để làm các thanh gia cường này Các đầu cực kim loại thì được làm bằng dạng thép tôi, sắt đúc mềm, sắt mềm hoặc nhôm và chúng được lựa chọn để làm tăng thêm độ bền cơ đồng thời chống lại sự ăn mòn Hình dạng của chúng cũng rất quan trọng vì để hạn chế khả năng tạo ra phóng điện corona và đây chính là nguyên nhân làm vật liệu polime trở nên giòn và có thể bị vỡ, dẫn đến việc phá hỏng cách điện do độ

ẩm thấm vào bên trong thanh gia cường bằng sợi thuỷ tinh Trong nhiều thiết

kế hiện nay, đầu cực kim loại kết hợp với một chất bịt kín bằng silicon và đều được ép vào thanh gia cường Trong một thiết kế gồm 2 vòng đai hình 0

để đảm bảo khả năng bịt kín chống lại việc độ ẩm có thể thấm vào thanh FRP mà kết quả của việc này là xảy ra việc nứt vỡ và ăn mòn cách điện

b) Vỏ cách điện được làm bằng vật liệu polymer là thành phần cách điện chính tạo chiều dài cách điện thích hợp với độ dài dòng rò tương ứng với từng cấp điện áp và chủng loại cách điện Vỏ được ép chặt vào lõi để đảm bảo độ bền cơ học

c) Lớp phủ chống lại tác động của thời tiết có một yêu cầu về độ lớn khe hở

và hiện nay được cung cấp thêm với các loại vật liệu khác nhau, hình dạng, đường kính, độ dày và khoảng cách khác nhau Vật liệu tạo ra lớp phủ chống lại tác động của thời tiết của cách điện cao áp có thể bao gồm : dimetylpolysiloxane EPDM, EPR, EPM, hợp chất của EPDM và silicon, etylen vinyl acetate (EVA), cycloaliphatic và nhựa epoxy aromatic Đối với các cách điện điện áp thấp đặt ngoài trời hoặc cách điện trong nhà thì dùng

thêm polietilen mật độ cao (HDPE), polytetrafluor-etilen (PTFE),

polyurethene (PUR), polyolefin elastomer và các vật liệu khác Đối với

nghiên cứu này, chủ yếu tập trung nghiên cứu về lớp phủ cao su silicone dimetylpolysiloxane EPDM hiện tại đang được dùng phổ biến nhất trên thế giới

Hình 1.1 Sơ đồ cầu trúc cách điện composite

1.1.1 Tổng quan về lõi composite của cách điện

1.1.1.1 Thành phần

Composite là một loại vật liệu nhân tạo Nó được hình thành và ứng dụng đã lâu nhưng trong những thập niên gần đây mới được phát triển mạnh Vật liệu Composite so với các loại vật liệu truyền thống nó có nhiều ưu điểm nổi bật như : chất điện môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn), tính chất cơ học

rất tốt, nhẹ, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu tác dụng của môi trường hóa chất tương đối tốt, kích thước và hình dáng đa dạng Do đó, chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học kỹ thuật

và công nghiệp hiện đại như : hàng không vũ trụ; đóng tàu; kỹ thuật điện; ô

tô cơ khí; dầu khí; xây dựng dân dụng và trong đời sống v.v…

Dưới góc độ kỹ thuật, vật liệu Composite là tổ hợp của 2 hoặc nhiều vật liệu thành phần có bản chất hoàn toàn khác nhau Một trong các vật liệu thành phần làm nhiệm vụ liên kết được gọi là chất liên kết hay nền (matrix) Còn vật liệu thành phần chính thứ hai có chức năng chính là truyền tải và chịu tải (điện áp, nhiệt độ …) được gọi là cốt hay chất tăng cường Nhiệm vụ đầu tiên của chất tăng cường là phát huy đặc tính riêng của mình, đó là tính bền

và tính cứng, khả năng chịu được điện áp, cách điện, chịu nhiệt cao, chịu mài mòn.v.v… Các tính chất tổ hợp và trội của vật liệu Composite hoàn toàn khác với các tính chất của vật liệu thành phần khi để riêng rẽ tuy rằng trong vật liệu Composite các tính chất riêng của từng vật liệu thành phần không hoàn toàn bị mất đi

Đối với vật liệu Composite hiện đại và mới, ngày nay vật liệu nền thường là vật liệu kim loại, polymer, thủy tinh và gốm sứ Đối với các chi tiết và kết cấu làm việc trong môi trường điện áp và nhiệt độ cao, việc chọn vật liệu nền là kim loại, polymer, thủy tinh và gốm sứ là điều cần thiết Chất tăng cường có thể ở dạng hạt, dạng sợi, dạng dây mảnh hoặc ở dạng vải dệt, chúng được sắp xếp và bố trí theo phương tác dụng của lực Thông thường vật liệu tăng cường là pha gián đoạn và nền là pha liên tục Dạng đơn giản nhất của vật liệu Composite chỉ bao gồm từ 2 vật liệu thành phần Tuy nhiên trong ứng dụng thực tế, khi cần thiết ta thường cho thêm chất phụ gia, ví dụ

như chất tăng cường bám dính, chất độn, chất màu, chất đóng rắn, chất làm mềm v.v… Vật liệu nền có 3 nhiệm vụ sau :

+ Tạo ra hình dáng và giữ được hình dáng của chi tiết và kết cấu

+ Giữ cho sợi ổn định trong lòng vật liệu Composite, bảo vệ sợi trước

sự tác dụng bên ngoài của môi trường

+ Phân bố đều ứng suất và truyền lực cho chất tăng cường

Mặc dù hầu như toàn bộ đồ bền và độ cứng do chất tăng cường quyết định nhưng vật liệu nền cũng có thể gây ra phá hủy cho vật liệu Composite nếu ứng suất quá lớn xuất hiện ở các hướng không được tăng cường bằng vật liệu cốt Trong việc thiết kế các kết cấu và chi tiết nếu dùng vật liệu Composite ta có một ưu điểm lớn là có thể lựa chọn tự do kết cấu của các lớp, qua đó ta có thể thực hiện được mức độ trực hướng và dị hướng của vật liệu Composite theo ý muốn chủ quan, có nghĩa là ta có thể điều khiển theo

ý muốn hướng của sợi theo hướng tác dụng của ngoại lực hay đường đi của lực trong kết cấu Qua đó ta có thể điều khiển được độ cứng và độ bền theo từng vị trí và từng vùng của chi tiết cũng như kết cấu Vì vậy, các kết cấu cũng như chi tiết có thể được thiết kế có hình thù, kích thước, bề dày ở từng vùng, từng chỗ phù hợp với độ bền, độ cứng, độ biến dạng

Vật liệu composite cốt sợi/nhựa hữu cơ (sợi thường dùng là thủy tinh, cacbon, kevlar ; nhựa thường dùng là nhựa epoxy, polyeste …) có rất nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp hiện đại và đời sống Tùy thuộc vào

sự phân bố của sợi trong nhựa, người ta phân biệt vật liệu composite ra: Composite đồng phương (hình 1.2.a), Composite “Mat” (hình 1.2.b), Composite vải (hình 1.2.c)

c) b)

a)

Hình 1.2: Lớp vật liệu Composite

Dưới góc độ cơ học, vật liệu Composite được xếp vào 3 nhóm chính: Composite đẳng hướng (hình 1.3.a), Composite đẳng hướng ngang (hình 1.3.b), và Composite trực hướng (hình 1.3.c)

θ

9000

9000

0 0

θ

Hình 1.4 : Mô hình của vật liệu composite lớp

Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi còn có ưu điểm là khả năng dập tắt dao động của cấu trúc tốt hơn, tính dãn nở nhiệt thấp, tính dẫn nhiệt nhỏ, khả năng chống ăn mòn cao

Một số vấn đề cần lưu ý trong kết cấu bằng vật liệu composite : Tuy vật liệu composite nền nhựa có nhiều ưu điểm nhưng vật liệu composite nền nhựa có độ bền nhiệt tương đối thấp, rất nhạy cảm với ảnh hưởng của độ ẩm, của môi trường nước và chất lỏng cũng như áng sáng

Do cấu trúc của vật liệu composite hoàn toàn khác so với cấu trúc của các loại vật liệu truyền thống cho nên ứng xử phá hủy của cấu trúc vật liệu composite cũng khác so với ứng xử phá hủy của các cấu trúc kim loại Ở kim loại, sự phá hủy thường được mở đầu bằng việc hình thành các vết nứt

và sau đó là sự phát triển của các vết nứt, còn ở vật liệu composite có thể có rất nhiều cơ chế phá hủy Việc phân bố ngẫu nhiên các cơ chế phá hủy dẫn đến việc xác định các hằng số đặc trưng của vật liệu composite có các giá trị khá tản mạn

1.1.1.2 Sử dụng vật liệu composite trong tương lai

Nhờ những ưu việt nổi bật mà vật liệu composite không ngừng được

sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp nói chung và kỹ thuật điện nói riêng Số lượng vật liệu composite được sử dụng hàng năm ở tất cả các nước trên thế giới tăng nhanh ví dụ : riêng ở thị trường Châu Âu sau 7 năm (1981-1988), lượng vật liệu composite được sử dụng đã tăng lên trên 500.000 tấn (Hình 1.5)

1986 1985

1984 1983

1982 1981

Hình 1.5 : Số lượng vật liệu composite được sử dụng hàng năm và tốc

độ tiêu thụ vật liệu composite của năm sau so với năm trước trên thị trường

châu Âu

Đối với các kết cấu mà trọng lượng được chọn làm chỉ tiêu thiết kế đầu tiên thì rõ ràng vật liệu composite nền nhựa được tăng cường bằng các sợi (sợi thủy tinh, sợi Aramid và sợi các bon) đã được khẳng định chắc chắn chỗ đứng của mình Và được phân bố theo tỷ lệ vật liệu nền và vật liệu sợi như ta thấy ở hình 1.6

Sîi Aramid Sîi thñy tinh S

Sîi Cacbon

Nhùa Polyimide

1992 1985

1992 1985

Sîi Aramid

Mét sè lo¹i kh¸c

Mét sè lo¹i kh¸c

Nhùa Epoxide

Nhùa nhiÖt dÎo Nhùa Polyimide

Mét sè lo¹i kh¸c Sîi Cacbon

Sîi thñy tinh S

andere

Thermo plasle 1500t

Poly imide 750t andere

Thermo plasle 300t

Poly imide 200t

Epoxide 3500t Epoxide

1500t

Aramid - fasern 2500t

S-Glass - fasern 2000t

Kohlenstoffasern 4000t

Kohlenstoffasern 1500t

Aramid - fasern 1000t S-Glass - fasern 750t

Hình 1.6 : Sự phát triển của thị trường tiêu thụ vật liệu nền và vật liệu sợi ở

Mỹ

1.1.1.3 Tình hình nghiên cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy ở Việt Nam

và thế giới

Hiện nay các nước tiên tiến trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu cách điện Composite đặc biệt là quá trình già hoá và phá huỷ vật liệu (sự xâm nhập của điện tích làm thay đổi phân bố trường, sự hình thành phóng điện cục bộ và hình thành cây điện - electrical treeing)

Do điều kiện vận hành của các thiết bị điện cao áp mà các nghiên cứu này thường xét đến sự ảnh hưởng của điện trường và nhiệt độ lên cách điện Các tác nhân già hoá thường được mô phỏng để nghiên cứu là già hoá bởi điện trường bằng cách tác dụng lên vật liệu một số lần điện áp xung với giá trị cực đại khoảng vài chục kV/mm, và tác dụng nhiệt độ …

Đối với ảnh hưởng của độ ẩm thì các nghiên cứu chưa được đề cập đến nhiều do đặc thù khí hậu của các nước này là khô và độ ẩm thấp Nội dung chủ yếu của các nghiên cứu này là xét đến sự ảnh hưởng và tác động của

Hình 1.7: Một ví dụ về ảnh hưởng của nước lên mặt tiếp giáp của VLC: (1) mặt tiếp giáp bị ẩm, (2) hình thành vết phồng giữa mặt tiếp giáp, (3) các

liên kết bị đứt.[25]

1

2

3

nước lên mặt tiếp giáp (hình 1.7), làm suy giảm đặc tính cơ, lý, hoá của vật liệu composite trong điều kiện vận hành như làm mát bằng nước, do nước mưa, hoặc gia tốc

Như vậy, có thể nhận thấy rằng hạn chế của các nghiên cứu này đến ngày nay là chỉ xét đến ảnh hưởng của điện trường và nhiệt độ hoặc chỉ là sự xâm nhập của nước vào trong vật liệu trong điều kiện đơn giản mà không có

sự kết hợp của cả ba tác nhân (nhiệt độ + độ ẩm cao dưới tác động của điện trường) Đây là vấn đề khoa học mà hiện tại cần thiết phải tiến hành nghiên cứu

Ở nước ta hiện nay, vật liệu composite đã được sử dụng trong một số lĩnh vực công nghiệp tuy số lượng chưa nhiều nhưng tốc độ ngày một tăng rất nhanh Cách điện ngòai trời bao gồm cách điện treo trên đường dây tải điện, cách điện đỡ ngòai trạm biến áp với thành phần composite đã được đưa vào vận hành trong hệ thống điện Việt Nam ngày càng nhiều Nhiều cơ sở nghiên cứu trong nước đã tập trung đầu tư, nghiên cứu và triển khai ứng dụng vật liệu mới phục vụ công nghiệp quốc phòng, công nghiệp dân sinh và

đã đạt được một số thành tựu như: cách điện trong của máy biến áp (công ty

cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh), các công sự và lô cốt ngầm, vòm chứa máy bay, bể chứa, ống dẫn nước thải bằng Vật liệu composite nền nhựa (trường ĐH Bách Khoa Hà Nội); Xuồng máy, dụng cụ gia đình (Viện Khoa học Việt Nam); nhà lắp ghép, tàu xuồng (Viện nghiên cứu vật liệu mới – TP.HCM) và một số sản phẩm khác của một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất khác trong nước Tuy vậy, số lượng các công trình nghiên cứu cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm về lĩnh vực này ở trong nước chưa được nhiều đặc biệt là các nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường nhiệt đới (nhiệt độ và độ ẩm cao)

1.1.1.4 Sự hình thành cây điện và ảnh hưởng của khối lượng chất độn lên quá trình phóng điện trong vật liệu composite epoxy

Trong phần trên chúng ta đã thấy được quá trình hình thành sự phân lớp

và các lỗ trống trong vật liệu composite epoxy dưới tác động của nhiệt độ và điện trường Phần này chúng ta sẽ xét đến vật liệu composite epoxy/ATH (dùng Al(OH)3 làm chất gia cường cho vật liệu nền epoxy) với khả năng hình thành cây điện theo phần trăm khối lượng chất gia cường

Vật liệu composite epoxy được sử dụng trong thí nghiệm này là loại epoxy đang được sử dụng trong các cách điện của các thiết bị điện trung áp Chất độn gia cường được sử dụng là Al(OH)3 có cấu trúc hạt tinh thể với đường kính trung bình của các hạt là 20µm

Thiết bị thí nghiệm phóng điện được sử dụng là mô hình mũi nhọn - bản cực, do đó các mẫu thí nghiệm phải được chế tạo thành dạng hình hộp chữ nhật có kích thước là chiều dài 52mm, chiều dày 10mm và cao 24mm (như trong hình II.10) Một đầu điện cực mũi nhọn sẽ được cắm vào trong mẫu cách mặt dưới mẫu một khoảng 2,5mm Mặt duới được tráng bạc tạo điện cực phằng cùng với điện cực mũi nhọn có bán kính 3µm tạo nên một mô hình phóng điện mũi nhọn - bản cực

15% ATH Hỗn hợp epoxy và ATH được trộn đều và được lưu hoá ở 2 chế

độ khác nhau Mẫu RT được lưu hoá ở nhiệt độ môi trường trong 7 ngày còn mẫu ET được lưu hoá 24h ở nhiệt độ thường và 4h ở nhiệt độ 100C theo như gợi ý của nhà sản xuất

Từng mẫu thí nghiệm sẽ được thực hiện quá trình phóng điện chọc thủng theo mô hình hình 1.8 với điện áp tại mũi nhọn là 10kV và tần số 50Hz Trong thí nghiệm này, thời gian tạo thành cây điện và gây ra phóng điện

là tham số quan trọng nhất Các quá trình hình thành cây điện, quá trình phóng điện trong kết quả thí nghiệm đối với epoxy tinh khiết được ghi lại định kỳ bằng camera số với mục đích tính toán, xác định sự hình thành cây

và phát triển cây, thời gian phát triển cây và gây phóng điện Mô hình phát triển cây điện của epoxy được mô phỏng lại trong hình 1.9 Chúng ta có thể quan sát thấy cây có dạng nhánh và kích thước phân nhánh của cấu trúc cây này được xác định vào khoảng 1,22

Hình 1.9

Trong thí nghiệm này, các kết quả cho thấy điều kiện lưu hoá epoxy ảnh hưởng đến thời gian hình thành và phát triển cây điện Đối với 12 mẫu epoxy tinh khiết lưu hoá ở nhiệt độ thường RT, thời gian xuất hiện cây gần như tức thời và giá trị trung bình của thời gian phát triển cây đến lúc phóng điện là 120 phút Trong khi đó, với 12 mẫu epoxy ET (lưu hoá ở nhiệt độ 100C trong vòng 4h) thì thời gian xuất hiện cây tính từ lúc bắt đầu đạt điện

áp là 5 phút và thời gian trung bình phóng điện là 213 phút Các kết quả

được trình bày trong hình 1.10 cùng với các mẫu composite epoxy 10% ATH

Khi epoxy được gia cường thêm ATH với các hàm lượng khác nhau thì các mẫu composite này khôn còn trong suốt như khi chỉ là epoxy tinh khiết nữa và do đó thí nghiệm không thể quan sát được sự hình thành và phát triển cây điện mà chỉ đánh giá được thời gian từ lúc đặt điện trường đến khi phóng điện chọc thủng của mẫu

Hình 1.10

Các kết quả thí nghiệm đối với mẫu composite epoxy 10% ATH trình bày cùng epoxy tinh khiết trong hình 1.10 cho thấy thời gian phóng điện đối với cả 2 dạng lưu hoá đều lớn hơn rất nhiều so với mẫu epoxy tinh khiết Với 8 mẫu lưu hoá ở nhiệt độ thường trong 7 ngày có thời gian trung bình phóng điện là 3644 phút, gấp khoảng 30 lần so với epoxy tinh khiết cùng điều kiện lưu hoá Với 8 mẫu lưu hoá ở nhiệt độ 100C trong vòng 24h thì có thời gian trung bình phóng điện là 6021 phút, gấp khoảng 28 lần so với epoxy tinh khiết cùng điều kiện lưu hoá Điều thú vị ghi nhận được ở đây là các mẫu lưu hoá ở nhiệt độ 100C so thời gian phóng điện lâu hơn các mẫu lưu hoá ở nhiệt độ thường khoảng 1,65 lần

Ảnh hưởng của chất gia cường lên thời gian phóng điện

Chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn ảnh hưởng của hàm lượng chất gia cường lên thời gian phóng điện Các kết quả thí nghiệm được trình bày trong hình 1.11 Tất cả các mẫu thí nghiệm trong hình đều là các mẫu được lưu hoá ở nhiệt

độ thường và được test sau khi chế tạo khoảng 3 tháng Giá trị đưa ra trong hình là giá trị trung bình của 8 mẫu cho mỗi một hàm lượng chất gia cường Hình 1.11cho thấy rõ ràng rằng thời gian phóng điện của cách điện composite epoxy tỷ lệ thuận với hàm lượng chất gia cường trong vật liệu Đây là cơ sở cho việc xây dựng mô hình cho cây điện cho vật liệu cách điện composite

Hình 1.11

Mô hình cây điện cho vật liệu composite

Đối với các cách điện bằng polymer thuần như epoxy tinh khiết ở trên, có thể giả thiết rằng sự phát triển của cây điện sinh ra từ việc hình thành vùng

vị hư hại (DPZ)> chính vùng này đã hình thành trước tiên một vùng bao quanh đỉnh của cây trong quá trình phát triển của và sau đó cơ chế phát triển cây điện, như trong hình 1.12 a, bắt đầu hình thành và kết thành 1 khối từ các lỗ trống vi mô sinh ra bởi dao động nhiệt bao gồm cả vùng DPZ phía trước đỉnh cây

Công thức tính khoảng thời gian phát triển cây điện được phát triển bởi Ding và Varlow là:

Trong đó L b ~ 10µm là số gia đơn vị trong chiều dài cây điện do nối với cây thứ hai, và giá trị này xấp xỉ bằng chiều dài trung bình của cây thứ hai,

L c là chiều dài cây tới hạn, d f là kích thước phân nhánh của hình dạng cây, k

là nhiệt độ tuyệt đốil, U0 là năng lượng hoạt động (kích hoạt) chọc thủng, αC0 biểu thị vùng hoạt động bởi điện trường tác động, ε là hằng số điện môi tuyệt đối và E là giá trị cường độ điện trường Đây là phương trình cơ bản thể hiện sự liên quan giữa khoảng thời gian phát triển cây điện với điện trường đặt vào, với nhiệt độ làm việc và kích thước phân nhánh của cấu trúc cây điện Phương trình này cho thấy rằng tuổi thọ của cách điện sẽ tăng khi kích thước phân nhánh của cây điện tăng

Hình 1.12

Từ mô hình trên, chúng ta có thể phát triển khái niệm của DPZ cho epoxy tinh khiết sang composite epoxy/ATH Có thể tưởng tượng ra rằng sự gia tăng kich thước của DPZ và đưa vào nhiều hơn các lỗ trống kích thước nhỏ hơn micro trong chất nền có thể làm giảm khả năng hình thành cây điện và

do đó làm tăng tuổi thọ cách điện Việc đánh giá này dẫn đến việc mô tả mô hình cấu trúc vi mô như trong hình 1.12 b Trong chất nền epoxy, các khiếm khuyết tầm micro như là lỗ trống được sinh ra xung quanh các phần tử ATH kích thước vi mô do sự thay đổi cảm ứng trong khu vực chịu ứng suất cơ nhiệt dư cục bộ Vì thế, khi cây bắt đầu phát triển từ mũi nhọn đến vùng này, việc các lỗ trống nhỏ hơn micro không di chuyển được trong chất nền hoạt động như là cây vi mô ở vùng xung quanh cây đầu tiên sinh ra từ mũi nhọn Kích thước của vùng DPZ vì thế to lên và kết quả là khả năng chịu đựng của

Đối với việc đánh giá số lượng và giải thích sự quan sát khác nhau trong thời gian phát triển cây điện đến khi phóng điện với hàm lượng chất gia cường, một vài đặc tính quan trọng của cách điện composite cúng được tính đến ở đây Chúng ta biết rằng khi thêm chất gia cường vào vật liệu gốc thì hằng số điện môi sẽ bị thay đổi Có nhiều lý thuyết khác nhau trong việc xác định giá trị điện môi từ 2 thành phần khác nhau Coi như ở đây cách điện composite là hỗn hợp bất kỳ, ta có công thức Log sau:

Với εrc, εrm, εrp, là hắng số điện môi của composite, chất nền và chất độn

và f là tỷ lệ phần trăm chất gia cường

Tuy nhiên ở đây V là điện áp đặt vào mẫu, r là bán kính mũi nhọn và D

là khoảng cách giữa mũi nhọn – bản cực

Đối với mẫu epoxy tinh khiết trong hình II.13, giá trị trung bình của thời gian từ lúc hình thành cây đến lúc phóng điện là tg = 170 phút, và kích thước phân nhánh đo được là df = 1,25 Chúng ta có thể chỉ ra rằng mô hình dự báo thời gian từ lúc hình thành cây điện đến khi phóng điện theo phương trình (1) là hoàn toàn phù hợp với kết quả thí nghiệm nếu chúng ta lấy:

αC0 = 2 x 10-28m3

U0 = 1,5 x 10-19 J (= 0,94 eV)

Trong tính toán, chung ta lấy εrm = 5, T = 300K và Lc = 2,5 x 10-3m

Phương trình (1) cũng được áp dụng để đánh giá thời gian từ lúc hình thành cây điện đến khi phóng điện trong vật liệu composite epoxy/mica bằng cách xác định tác động của tỷ lệ chất gia cường lên hằng số điện môi, năng lượng kích hoạt phóng điện và kích thước phân nhánh Các kết quả cho thấy phương trình này phù hợp với các kết quả thí nghiệm với phần trăm khối lượng chất gia cường khác nhau

Như vậy, trong phần trình bày này, chúng ta có thể thấy đối với chất gia cường bằng bột như ATH, Silice, TiO2, sẽ làm thay đổi một số đặc tính của vật liệu liệu cách điện Trong trường hợp này nói riêng và vật liệu composite nói chung việc sử dụng chất gia cường sẽ cải thiện các đặc tính cơ lý hoá và

cả điện của vật liệu đồng thời làm giảm giá thành sản xuất Tuy nhiên để hiểu rõ hơn quá trình phân bố điện trường và hình thành cây điện trong vật liệu composite epoxy gia cường bằng các hạt kích thước micromet chúng ta

sẽ đi sau tìm hiểu vào phần sau: mô phỏng phóng điện trong composite hay

Mô phỏng cây điện

Đối với việc mô phỏng này, đơn vị Ohm bất kỳ được xác định cho 1 đơn

vị chiều dài Mỗi phần tử được nối với 18 phần tử khác gần nhất theo dạng topo bằng 1 điện trở thuần Trước khi đáp ứng điện cuar mạch có thể được xác định, các thành phần khác được đưa thêm vào như điện cực liên kết các nút đáy, nguồn điện áp giữa đất và điện cực đáy Điện cực bao gồm các điện trở giá trị thấp (10-15 Ω) Sự phối hợp này của các thành phần tương ứng với điều kiện bờ biểu diễn cho cấu hình mũi nhọn – bản cực như trong thí nghiệm thực tế Bên trái và phải của mạng được coi là các điện trở giá trị lớn tương úng với điều kiện bờ Von Neuman

Trường hợp các phần tử đẳng thế

Một cấu trúc hình tổ ong được chọn đầu tiên bởi nó có khả năng phản ánh trường hợp cụ thể là trong đó mỗi phần tử được đặt tại vị trí có khoảng cách không đổi với các phần tử liền kề Giá trị điện trở giữa 2 nút, I và j, được lấy tỷ lệ với khoảng cách, Dij Trường hợp đầu tiên này tạo ra một mạng với giá trị ban đầu như nhau cho tất cả các điện trở

Thế ban đầu đặt lên một phần tử tạo ra một trường tăng cường mạnh mà hình dáng bên ngoài của điều kiện bờ được chọn như hình 1.13

Hình 1.13

Điện trường tăng cường rộng tiếp theo sau gây ra một điện áp thấp ban đầu để nối tắt các liên kết đầu tiên Khi một vài điểm ngắn mạch bị đứt, điện trường tăng cường bị giảm và làm Vs tăng tương ứng, như hình 1.14 Đường cong đồ thị điện áp nghịch chuyển được quan sát thành 3 phần riêng biệt với nhau: hình thành, phát triển và phóng điện của composite Đồ thị này thực chất chia một mặt là vùng có đáp ứng ổn định, tức là điện áp được tăng để duy trì sự phát triển cây điện và mặt khác là phần cây không ổn định, nơi điện áp đưa ra dẫn điện sự phóng điện phá huỷ hoàn toàn vật liệu (Hình 1.14)

Điện trường tăng cường thậm chí trở nên khá lớn khi cây điện hầu hết đi qua toàn bộ cấu trúc mô phỏng, dẫn đến sự phóng điện hoàn toàn (Hình 1.14) Như vậy, có thể thấy xuất hiện trong trường hợp cụ thể này một vài ý nghĩa vật lý Tuy nhiên sự mô phỏng này đưa đến cây điện đánh thủng dạng đường thẳng khi mà phóng điện đi qua toàn bộ cấu trúc Điều này không thể

được coi như sự mô tả chính xác cho hệ thực bởi ít nhất 2 lý do: Thứ nhất là các mắt lưới giống nhau thể hiện một sự sắp xếp hoàn hảo của chất tăng cường trong composite Thứ hai là điện trường tăng cường được giả định sản sinh ra các ngắn mạch đơn lẻ tại các liên kết được mô phỏng nhiều nhất, việc này dẫn đến cây điện theo một chiều, không thích hợp với cấu trúc phân nhánh quan sát được trong các mẫu xảy ra phóng điện

Cấu trúc rối loạn

Tính đến các kết quả trước, bước tiếp theo bao gồm một chuỗi các vùng

bị tổn thương với sự sắp xếp rối loạn các phần tử (theo mô phỏng Monte Carlo) Hơn nữa, ngắn mạch không chỉ áp dụng cho các vùng “nóng nhất”

mà còn đưa ra số lượng theo sau Giả thuyết này liên quan đến việc ngay cả vật liệu đồng nhất khi có sự thay đổi thất thường các dòng cũng là do cấu trúc đánh thủng phân nhánh

Hình 1.14

Đặc trưng này được đưa vào trong mô phỏng thông qua tham số δI, mô tả

sự phân bố các dòng nối tắt (ngắn mạch) Nếu imax biểu thị dòng điện đi qua các liên kết nóng nhất, thì mỗi liên kết chịu một dòng điện lớn hơn imax * (1 - δi) khi ngắn mạch Theo định nghĩa này, trường hợp đầu tiên mô tả trong phần trên tương ứng với δI = 0, và sự tăng δI làm tăng số lượng các ngắn mạch mới trong mỗi bước Tham số này quyết gây ra trong cây điện nhiều

mô hình nhánh nhưng sự mô phỏng vẫn giữ tính bất định và dự trên hình học topo của pha

Hình 1.15

Bây giờ chúng ta có thể thấy lợi ích của việc mô tả ảnh hưởng của tham

số δI này lên hình dáng của cây điện Sự mô phỏng này minh hoạ sự biến đổi nhanh chóng từ ngoằn ngèo sang mô hình thẳng mà có thể so sánh được với

sự biến đổi “ cây sang chùm” trong các tài liệu (Hình 1.15)

Như vậy là dạng mô phỏng theo cấu trúc rối loạn này là một sự cải thiện hơn hẳn so với mô hình đầu tiên Tuy nhiên nó vẫn còn tồn tại 3 trở ngại nội tại

• Nó không giải thích được nét đặc trưng cho một dạng hình học bất

kỳ bên trong vật liệu, bao gồm cả khoảng cách thực giữa các phần

Bởi những lý do này, hiển nhiên là việc mô phỏng sẽ được thực hiện với các mảnh chất tăng cường không đẳng thế

Hình 1.16 Các mắt lưới được tạo ra với các góc của mắt phải lớn hơn 30º để tránh hiện tượng dịch thế trong quá trình tính toán điện trường Các tính chất về điện được gán cho mỗi pha với vật liệu nền có điện trở lớn gấp 10 lần chất tăng cường và sử dụng phương pháp gián đoạn phần tử hữu hạn Điều kiện

bờ Von Neuman được thêm vào tập hợp các điện trở và toàn bộ hệ được sáng tỏ Một ví dụ về sự phân bố thế được minh hoạ trong hình 1.17 Sự khác nhau về điện trở giữa hai pha trong điện môi có thể được xác định rõ ràng trong biểu đồ thế, mà ở đó các chất tăng cường xuất hiện như các đốm biểu đồ và cảm ứng ra sự gia tăng cường độ điện trường cao xung quanh các mảnh chất gia cường (Hình 1.17)

Hình 1.17

1.2 Vỏ polymer và lớp phủ cao su silicone của cách điện composite

Cách điện polime đã được sử dụng ngoài trời trong khoảng 50 năm Chúng bao gồm một dải rộng các loại vật liệu và công thức Đó là các hợp chất epoxy diphenol được sử dụng rất nhiều trong nhà điều khiển vào giữa những năm 1940 Vào những năm 1950 thì loại nhựa epoxy cycloaliphatic được sử dụng trong các ứng dụng ở ngoài trời tại vương quốc Anh do chúng có khả năng tốt hơn Vào đầu những năm 1960 tại vương quốc Anh cách điện bằng nhựa epoxy cycloaliphatic đã được sử dụng như là loại cách điện treo tới cấp điện áp 400kV và trong các trạm máy cắt đến 500 kV

Cách điện polime cho đường dây truyền tải bắt đầu được sản xuất tại Châu

Âu và Mỹ vào giữa năm 1975 và sau đó Năm 1977, tại Canada, quebec đã lắp đặt 282 cách điện composit do 3 nhà máy khác nhau sản xuất trên 16 km đường dây truyền tải 735 kV Và sau đó là 1100 cách điện composit trên 120 km đường dây Thêm vào đó cách điện composit cũng được lắp đặt tại các đường dây 120, 230 và 315 kV Các chủng loại vật liệu

Hydro-bao gồm cao su EPR do Ceraver of France (1975) Ohio Brass of USA (1976), Sedivar of USA (1977) và Lapp of USA (1980) tạo ra; cao su Silicon (SIR – Silicon Rubber: Polydimethylsiloxane PDMS) do Rosenthal of Germany (1976) và Reliable of USA (1983) tạo ra; và nhựa epoxy cycloaliphatic do Transmission Development of the UK (1977) tạo ra Ngày nay thì cách điện composit đã được sản xuất tại khắp thế giới

Ban đầu SIR được lưu hoá tại nhiệt độ thường (RTV: room temperature vucalnised)- SIR đó có độ bền kéo thấp Sau đó SIR được lưu hoá tại nhiệt

độ cao (HTV: high temperature vucalnised) Cách điện composit SIR được dùng tại Đức năm 1977 với cấp điện áp 123kV và vào năm 1979 dùng ở cấp điện áp 245 kV

Việc sử dụng cách điện polime ngày càng chiếm được thị phần rộng hơn Ngày nay tại Mỹ dạng cách điện polime chiếm tới khoảng 60-70% trên tổng

số cách điện cao áp được lắp đặt mới, và thị phần của chúng vẫn tiếp tục tăng trưởng Tại Ireland 75% tổng số đường dây trên 20kV sẽ sử dụng cách điện polime thay thế cách điện thuỷ tinh Ohio Brass (1986) giới thiệu một hỗn hợp cao su EPM và SIR và sau đó thì thay đổi bằng hợp chất của cao su EPDM và SIR vào năm 1989 Hỗn hợp này theo tỉ lệ 10 (EPDM hoặc EPM) trên 3 (SIR) tạo ra đặc tính cơ tốt hơn, đó là độ cứng của EPDM và đặc tính chống đọng nước tuyệt vời của SIR Một công ty đã sản xuất hỗn hợp này đại trà và bán được hơn 2,5 triệu cách điện của lưới phân phối, 0,1 triệu cách điện đầu cột trên đường dây truyền tải và 0,4 triệu cách điện treo mà hiện nay được lắp đặt tại rất nhiều nơi khác nhau trên thế giới Điều này đã cho thấy rõ sự chấp nhận rộng rãi các phẩm chất của chất vật liệu này

Trong một vài trường hợp, người ta vẫn cảm thấy miễn cưỡng khi sử dụng cách điện composit bởi vì độ tin cậy dài hạn của chúng vẫn chưa chắc chắn, chưa biết được tuổi thọ của chúng và thiếu các công nghệ thích hợp để xác định khuyết điểm của cách điện Tuy nhiên, có rất nhiều tổ chức trong đó có

cả IEC và IEEE đã thử đưa ra các vấn đề này, các tiêu chuẩn phát triển và các phương pháp kiểm tra đối với cách điện polime

Cách điện composit gồm có 3 thành phần và thiết kế của từng thành phần phải tối ưu hoá để thoả mãn khả năng chịu tác động cơ và điện trong suốt thời gian vận hành của cách điện, tức là trong khoảng từ 30 đến 40 năm Tại tâm của hệ thống cách điện là các thanh polime gia cường làm bằng sợi thuỷ tinh (FRP : fiberglass reinforce polimer) Đây là một sự gia cường với polieste, vinyl este hoặc nhựa epoxy để cung cấp thêm độ bền cơ Nhựa epoxy FRP là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để làm các thanh gia cường này Các đầu cực kim loại thì được làm bằng dạng thép tôi, sắt đúc mềm, sắt mềm hoặc nhôm và chúng được lựa chọn để làm tăng thêm độ bền

cơ đồng thời chống lại sự ăn mòn Hình dạng của chúng cũng rất quan trọng

vì để hạn chế khả năng tạo ra phóng điện corona và đây chính là nguyên nhân làm vật liệu polime trở nên giòn và có thể bị vỡ, dẫn đến việc phá hỏng cách điện do độ ẩm thấm vào bên trong thanh gia cường bằng sợi thuỷ tinh Trong nhiều thiết kế hiện nay, đầu cực kim loại kết hợp với một chất bịt kín bằng silicon và đều được ép vào thanh gia cường Trong một thiết kế gồm 2 vòng đai hình 0 để đảm bảo khả năng bịt kín chống lại việc độ ẩm có thể thấm vào thanh FRP mà kết quả của việc này là xảy ra việc nứt vỡ và ăn mòn cách điện

Lớp phủ chống lại tác động của thời tiết có một yêu cầu về độ lớn khe hở và hiện nay được cung cấp thêm với các loại vật liệu khác nhau, hình dạng,

đường kính, độ dày và khoảng cách khác nhau Vật liệu tạo ra lớp phủ chống lại tác động của thời tiết của cách điện cao áp có thể bao gồm : SIR, EPDM, EPR, EPM, hợp chất của EPDM và silicon, etylen vinyl acetate (EVA), cycloaliphatic và nhựa epoxy aromatic Đối với các cách điện điện áp thấp đặt ngoài trời hoặc cách điện trong nhà thì dùng thêm polietilen mật độ cao (HDPE), polytetrafluor-etilen (PTFE), polyurethene (PUR), polyolefin elastomer và các vật liệu khác

SIR được sản xuất đầu tiên vào năm 1944 Khi chuỗi dimetylpolysiloxane là quá dài (Con số đơn vị siloxane được đưa ra là vài ngàn) thì chất lỏng silicon trở nên dẻo với một độ kết dính- độ bền chắc của nó được tạo ra là vì silicon được tạo ra bằng cách thêm vào các chất độn và các tác nhân khác Cộng thêm là với cách điện ngoài trời, SIR có thể được sử dụng trong cách điện của những dây cáp đặc biệt hoạt động trong các điều kiện nhiệt độ cao (>1500C ở gần các lò và trong những động cơ điện đặc biệt), nhưng những ứng dụng này sẽ không được trình bày trong tài liệu này

Trong SIR, năng lượng liên kết của Si-O là 1,76x10− 19J (106 kJ/mol hoặc 1,10 eV), năng lượng này cao hơn so với mức 1,42x10− 19J (85 kJ/mol hoặc 0,882 eV) của liên kết C-C trong cao su EPDM Do đó SIR có khả năng chống lại bức xạ UV và bức xạ nhiệt do phóng điện cầu khô cao hơn so với EPDM Sau khi đặt SIR vào môi trường phóng điện mạnh, thì silica (SiO2) một loại thuỷ tinh không dẫn điện được tạo ra trên bề mặt Trong cao su EPDM thì hợp chất được tạo ra thì có dẫn điện

Trong hợp chất của lớp phủ chống lại tác động của thời tiết, chất độn được thêm vào để nâng cao khả năng chống lại việc tạo thành các đường dẫn và

sự ăn mòn cũng như cung cấp thêm khả năng cơ học như là độ bền sức căng,

độ chống xói mòn, độ bền kéo, ứng suất và làm giảm khả năng bén lửa Kiểu chất độn sử dụng là alumina trihydrate (ATH), Al2O3.3H2O hoặc hydrate alumina và silica (bột thạch anh) Các dạng chất độn này hiện nay được sử dụng rất rộng rãi và chiếm khoảng 40 đến 55% tổng số hợp chất SIR và EPDM Bột thạch anh thì được sử dụng rộng rãi trong nhựa epoxy cycloaliphetic

Lớp phủ chống lại tác động của thời tiết của cách điện gia cường bọc một lớp mỏng RTV-SIR được sử dụng ngày càng rộng rãi trên thế giới trong các trạm ngoài trời và ở những nơi bị nhiễm bẩn nặng, có một kết quả thực hiện tương tự đối với lớp phủ SIR Đã có những hướng dẫn từ rất sớm đối với việc sử dụng cách điện composit trên đường dây truyền tải dựa vào kinh nghiệm, tài liệu do nhà sản xuất cung cấp và các kiểm tra trong phòng thí nghiệm

1.3 Các phương pháp kiểm tra cách điện composit

Hiện nay chưa có một nguyên lý nào chỉ rõ việc kiểm tra tuổi thọ nhanh của cách điện polime composit hoặc vật liệu cách điện Có một số tổ chức của quốc gia và quốc tế đã đạt được kết quả trong việc phát triển các tiêu chuẩn, các hướng dẫn sử dụng và kiểm tra cách điện composit Các tổ chức này gồm IEEE, IEC, CIGRE, Viện nghiên cứu tiêu chuẩn quốc gia Hoa Kỳ (AXST) và Liên hiệp các nhà sản xuất điện quốc gia (XEMA) Một vài các tiêu chuẩn và hướng dẫn gần đây được đưa ra và một sự tổng kết các tiêu chuẩn khác có thể được tìm thấy trong phần 46 Các kiểm tra của IEC mô tả trong 41 đã bị phê phán vì có quá nhiều kiểm tra độ nhiễm bẩn mà không có

sự kiểm tra quá trình già hoá và từ đó đề xuất việc cải tiến quy trình kiểm tra cũng được thực hiện Hầu hết sự kiểm tra trong phòng thí nghiệm tồn tại hiện nay đối với độ ăn mòn nhanh là rất có ích trong việc xếp hạng vật liệu

Chúng bao gồm phòng sương muối, các mặt phẳng nghiêng chứa chất thải rắn, các kiểm tra rãnh tròn dẫn xoay và rãnh tròn dẫn cố định mà trong đó các vòi bơm nước được bật vào giây thứ 20 và tắt vào giây thứ 40 của mỗi phút để đưa ra các hiệu ứng tương tự như là các rãnh tròn xoay truyền thống Kiểm tra rãnh tròn dẫn được phát triển đầu tiên bởi Ontario Hydro, Canada bằng việc kiểm tra cách điện mỏng

Khi kiểm tra quá trình già hoá nhanh trong phòng sương mù, các mẫu kiểm tra đồng thời phải chịu tác động của cả áp lực điện và sương muối Các dòng điện rò, dòng điện xung và sự nạp điện nhanh được xác định trong suốt quá trình thử nghiệm kéo dài có thể lên đến 1000h, bằng cách sử dụng hệ thống thu thập dữ liệu tự động Thường thì NaCl được cho thêm vào vòi nước (250 đến 300µS/cm) để tạo ra độ dẫn điện cao hơn nhiều, ≤14,7 mS/cm (10±0,5

kg muối trên mỗi m3 nước) Tuy nhiên, các vi sinh vật có mặt trong vòi phun nước có thể phát triển rất nhanh và cô đặc thành một lớp trên cách điện Đây là tính dẫn điện và tính chống dính nước cao và nó dẫn đến việc phá hỏng quá trình kiểm tra cách điện Chúng ta phải thêm một lượng CuCl2vào nước (12g/m3) để giải quyết vấn đề này

Tốc độ phun của nước muối dưới dạng sương mù và tốc độ đọng thành giọt của sương mù trên bề mặt polime có tác động rất lớn đến sự phát triển của dòng điện rò mặc dù áp lực của điện trường được duy trì ở cùng một mức như nhau Phương pháp kiểm tra bằng sương mù sạch bằng cách sử dụng hơi nước là để phản ánh sự nhiểm bẩn tại các vùng công nghiệp ở cách xa bãi biển Tuy nhiên, có vấn đề là kết quả kiểm tra của các phòng thí nghiệm khác nhau thì có sự chênh lệch rất lớn cho dù họ cùng sử dụng phương pháp này Trong phần 75 đã giới thiệu rằng trong phương pháp sương mù sạch có

40g cao lanh Roger trên một lít nước và hơi nước đi vào là (0,05±20%) kg/m3/h Tỉ lệ hơi nước đã được dùng bởi vì nó tạo ra một điện áp phóng điện thấp hơn so với trong tài liệu của IEC Sự kiểm tra theo phương pháp sương mù sạch đưa ra một mức chịu điện áp thấp hơn so với khả năng chịu điện áp của đường dây ngoài trời, nguyên nhân là do cách điện khi kiểm tra phải chịu nhiều mức nhiễm bẩn giống nhau hơn so với trong điều kiện tự nhiên

Đối với rãnh tròn dẫn có 4 hoặc nhiều hơn các mẫu có thể được kiểm tra các rãnh tròn xoay cho phép ngâm mẫu kiểm tra vào dung dịch muối với thời gian đã được ấn định trước là 20s, nhưng cũng có thể ngắn hơn là 8s[45], hoặc thậm chí là 3s Trong phần tiếp theo của chu trình lượng nước thừa ra

từ các mẫu được loại bỏ hết và trong chu trình tiếp theo thì mức áp lực điện đặt vào nằm trong dải từ 0,35 kV/cm đến 0,8 kV/cm cho phép quá trình phóng điện cầu khô phát triển Cũng nên kể ra rằng tài liệu thực tế của IEEE

về thử nghiệm rãnh tròn dẫn cho rằng các vòng tròn xoay qua 4 vị trí trong một chu trình và mất thời gian là 8s để đi từ một vị trí đến vị trí tiếp theo, thời gian chờ (không chuyển động) là 22s

Trong các kiểm tra mặt nghiêng của ASTM thường sử dụng một khoảng thời gian ngắn và không mang lại các thông tin về dòng điện rò Một cách ứng dụng của phương pháp này có thể được tìm thấy trong phần Một sự kết hợp phương pháp kiểm tra sương mù và kiểm tra mặt nghiêng đã mang lại những thông tin nhanh về rãnh tròn và độ chống ăn mòn của vật liệu cách điện ngoài trời Cũng nên nói thêm rằng, cần phải hết sức cẩn thận khi kiểm tra nhiều mẫu trong phòng sương mù bởi vì các hiệu ứng không giống nhau của

độ ẩm , và sự phân bố trường điện từ ảnh hưởng bởi các mẫu khác ở gần bên, ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra

1.4 Kết quả kiểm tra cách điện composit

Phần này giới thiệu các kiểm tra được thực hiện trong 6 phòng thí nghiệm

mà dùng sương muối và rãnh tròn dẫn đối với 4 công thức khác nhau của lớp phủ RTV-SIR trên các thanh sứ, cung cấp các kết quả chắc chắn về sự xếp hạng vật liệu theo dòng điện rò, theo lượng nạp điện tích luỹ và tổng số dòng điện xung Điều này giúp nâng cao độ tin cậy của các kết quả kiểm tra cách điện sử dụng phương pháp sương muối và rãnh tròn dẫn Sự ảnh hưởng của bức xạ UV lên quá trình già hoá cũng được gộp trong quá trình kiểm tra này

Nó cũng giúp quan sát được quá trình già hoá do nguyên nhân ăn mòn và nứt vỡ Dạng EPR nói chung là tốt hơn so vơi nhựa epoxy Các cách điện thanh composit 72 và 230 kV làm bằng cao su EPDM, EPM và RTV-SIR cũng được kiểm tra sự già hoá trong điều kiện phủ lớp ximăng và trong môi trường sương mù sạch, sương muối hoặc trong điều kiện phủ một lớp xi măng và môi trường sương muối Sự khác nhau quan trọng về khả năng chịu đựng quá trình già hoá được tìm thấy trong các dạng cách điện khác nhau

Khả năng ăn mòn và tạo thành các rãnh dẫn của các loại cách điện epoxy, HTV và EPDM khác nhau cũng đã được thảo luận Khả năng chống lại sự

ăn mòn và tạo rãnh dẫn của dòng điện một chiều cũng thấp hơn khi so sánh với dòng xoay chiều (60Hz) Nó bao gồm cả việc thiết kế lớp phủ chống lại tác động của thời tiết theo một nguyên tắc quan trọng về ăn mòn và tạo rãnh dẫn của cách điện Cách điện HTV-SIR, với đường rò là 27,6 mm trên 1 kV