Ảnh hưởng của thông số chế tạo và chất xúc tác đến mức độ hình thành liên kết ngang trong vật liệu cách điện XLPE cho cáp ngầm HVDC

Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu lưu biến học để xác định sự ảnh hưởng của quá trình chế tạo mẫu và thành phần các chất độn đối với mức độ hình thành liên kết ngang trong vật liệu XLPE sử dụng trong cách điện của cáp ngầm cao thế HVDC.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CHẾ TẠO VÀ CHẤT XÚC TÁC ĐẾN MỨC ĐỘ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT NGANG TRONG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN XLPE CHO CÁP NGẦM HVDC INFLUENCE OF FABRICATION PARAMETER AND ADDITIF ON THE CROSSLINKING DEGREES FOR XLPE HVDC CABLE INSULATION Trần Anh Tùng Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 07/04/2020, Ngày chấp nhận đăng: 14/07/2020, Phản biện: TS Nguyễn Hữu Kiên Tóm tắt: Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu lưu biến học để xác định ảnh hưởng trình chế tạo mẫu thành phần chất độn mức độ hình thành liên kết ngang vật liệu XLPE sử dụng cách điện cáp ngầm cao HVDC Bốn hỗn hợp vật liệu khác hàm lượng loại peroxyde phần tử nano nghiên cứu Quá trình chế tạo mẫu thực nhiệt độ thời gian khác nhau, 160°C 90 phút, 180°C 30 phút 200°C 10 phút Các kết đo lường lưu biến học sau thơng số chế tạo tối ưu cho mẫu vật liệu nhằm đạt mức độ hình thành liên kết ngang cao Từ khóa: XLPE, peroxyde, lưu biến học, liên kết ngang, HVDC Abstract: This paper introduces the results of rheology investigation to determine the influence of the process of samples production and the nature of additifs on the cross-linking degree in XLPE materials used in the insulation of HVDC high voltage underground cables Four different material mixtures of peroxyde and nanoparticles content were investigated Manufacturing of the samples was carried out at different temperatures and times, 160°C for 90 minutes, 180°C for 30 minutes and 200°C for 10 minutes respectively The rheology measurement results then indicate the optimum fabrication parameters for each material mixture to achieve the highest level of cross-linking Keywords: XLPE, peroxyde, rheology, cross-linking, HVDC MỞ ĐẦU Cáp ngầm High Voltage Direct Current (HVDC) đóng vai trò quan trọng lưới điện truyền tải tương lai để truyền tải công suất lớn khoảng Số 23 cách xa Dạng cáp DC có ưu điểm vượt trội so với cáp AC không bị giới hạn khoảng cách truyền tải dòng điện điện dung dòng điện xoay chiều Các loại cáp HVDC sử dụng cách 71 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) điện giấy tẩm dầu chứng tỏ tin cậy nhiều năm Tuy nhiên, để giảm chi phí mức độ phức tạp bảo dưỡng giá thành, loại cáp HVDC sử dụng cách điện polymer phát triển rộng rãi [1] Đối với cách điện polymer cho cáp HVDC sử dụng polyethylene liên kết ngang XLPE, mức độ tạo cầu liên kết ngang để đảm bảo tính chất điện độ ổn định học cao tính chất quan trọng cần kiểm sốt [2] Tính chất lại bị ảnh hưởng nhiều nhiệt độ thời gian chế tạo mẫu Từ đó, nghiên cứu tập trung làm rõ chế hình thành liên kết ngang XLPE nhiệt độ thời gian chế tạo mẫu khác Mức độ hình thành liên kết ngang sau xác định phép đo lưu biến học Hình Cơ chế phản ứng tạo liên kết ngang polyethylene dùng chất xúc tác dicumyl peroxyde CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT NGANG TRONG VẬT LIỆU XLPE Để đảm bảo tính ổn định học cáp vận hành nhiệt độ cao, polyethylene mật độ thấp (LDPE) dùng cách điện cáp cao thường tạo phản ứng hình thành liên kết ngang chuỗi đa phân tử chất xúc tác dicumyl peroxyde nhiệt phân nhiệt độ cao Phản ứng minh họa hình Quá trình nhiệt phân dicumyl peroxyde có ảnh hưởng lớn đến hình thành liên kết ngang chuỗi polyethylene 72 Việc tối ưu thông số gồm thời gian nhiệt độ nhiệt phân cho đạt tỷ lệ hình thành liên kêt ngang cao yêu cầu quan trọng nhằm đảm bảo tính ổn định học cho XLPE VẬT LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO MẪU 3.1 Vật liệu Bốn mẫu Polyethylene dạng hạt tích hợp sẵn chất xúc tác peroxide tạo liên kết ngang phần tử nano với hàm lượng khác sử dụng nghiên cứu Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Bảng Thành phần hỗn hợp vật liệu nghiên cứu LDPE Cacbon đen Peroxide Chỉ số dòng chảy Hỗn hợp A 98,20% 1,8% dicumyl peroxide 0% 0,8 Hỗn hợp B 97,30% 1,9% dicumyl peroxide 0,8% Hỗn hợp C 98,35% 1,65% dicumyl peroxide 0% Hỗn hợp D 97,40% 1,8% terbutylcumyle peroxyde 0,8% khác chất với cacbon đen mẫu B 0,8 Các mẫu vật liệu gọi A, B, C D Trong đó, mẫu B D trộn thêm tỷ lệ định cacbon đen Cacbon đen pha trộn vào mẫu B D nhằm mục đích hạn chế tạo thành tích lũy điện tích khơng gian vật liệu cách điện thành phẩm [3] Chất xúc tác peroxyde mẫu D loại terbutylcumyle peroxyde có chất khác so với mẫu cịn lại sử dụng dicumyl peroxyde 3.3 Đo lường lưu biến học Mức độ hình thành liên kết ngang mẫu vật liệu đo lường phép đo lưu biến học Hàm lượng phần trăm thành phần bốn loại vật liệu giới thiệu bảng 3.2 Chế tạo mẫu Để chế tạo mẫu phẳng có độ dày 0,7 mm, hạt vật liệu nghiền, đun nóng chảy ép khn Nhiệt độ tạo liên kết ngang 160°C, 180°C 200°C, từ cho phép tạo ba loại mẫu khác hỗn hợp vật liệu (được gắn nhãn AX160, AX180 AX200 hỗn hợp A, cách ký hiệu tương tự đặt cho mẫu hỗn hợp lại) Thời gian thực phản ứng tạo liên kết ngang nhiệt độ 160°C, 180°C, 200°C 90, 30 10 phút Số 23 Hình Nguyên lý áp dụng lực xoắn điều hòa lên mẫu polymer phép đo lưu biến học Nguyên lý phép đo lưu biến học sử dụng nghiên cứu áp dụng lực xoắn điều hịa có tần số góc ω tác dụng lên mẫu vật liệu polymer dạng chữ nhật minh họa hình Tỷ số lực xoắn điều hòa ứng suất xoắn tương ứng vật liệu xác định thông số phức G* biểu thức đây: 𝐺∗ = 𝜎0 𝑒 𝑗𝑤𝑡 = 𝐺0 𝑒 𝑗𝛿 𝛾0 𝑒 𝑗(𝑤𝑡−𝛿) = 𝐺 ′ + 𝑗𝐺′′ (1) 73 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong đó: 𝜎 ∗ = 𝜎0 𝑒 𝑗𝑤𝑡 : lực xoắn điều hòa tần số góc ω; 𝛾 ∗ = 𝛾0 𝑒 𝑗(𝑤𝑡−𝛿) : ứng suất xoắn tương ứng vật liệu; δ: góc lệch pha lực xoắn ứng suất xoắn; G’: mơđun đàn hồi phản ánh tính chất đàn hồi vật liệu biến dạng (Pa); G’’: môđun nhớt phản ánh tính chảy vật liệu biến dạng (Pa); Hình Mơđun đàn hồi mơđun nhớt miền tần số mẫu BX Môđun đàn hồi G’ cho phép đánh giá mức độ hình thành liên kết ngang mẫu vật liệu XLPE nhờ vào luật đàn hồi cao su [4-5]: 𝐺′ = 𝜌𝑅𝑇 𝑀𝑐 (2) Trong đó: R = 8,31 J mol-1 K1; ρ: khối lượng riêng vật liệu (kg m3); Hình Mơđun đàn hồi môđun nhớt miền tần số mẫu CX T: nhiệt độ (K); Mc: khối lượng phân tử điểm hình thành liên kết ngang (kg) Hình Mơđun đàn hồi mơđun nhớt miền tần số mẫu DX Hình Mơđun đàn hồi môđun nhớt miền tần số mẫu AX 74 Như Mc nhỏ tương ứng mật độ liên kết ngang nhiều giá trị môđun G’ lớn Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Các mẫu vật liệu nghiên cứu thực phép đo lưu biến học nhiệt độ 120°C (nhiệt độ đo lường Hỗn hợp A Hỗn hợp B chọn vật liệu miền cao su), miền tần số từ 103 Hz đến 102 Hz Hỗn hợp C Hỗn hợp D Mức độ hình thành liên kết ngang T = 160 C T = 180 C T = 200 C Hình Mức độ hình thành liên kết ngang nhiệt độ phản ứng khác hỗn hợp vật liệu KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Kết phép đo lưu biến học mẫu vật liệu hỗn hợp A, B, C, D giới thiệu hình 3, hình 4, hình hình Trị số mơđun đàn hồi G’ miền tần số phép đo cho thấy mức độ hình thành liên kết ngang hỗn hợp A đạt cao phản ứng hình thành liên kết ngang xảy 180°C (mẫu AX180) Mức độ hình thành liên kết ngang mẫu AX160 AX200 gần Bảng tổng hợp hình mức độ hình thành liên kết ngang hỗn hợp vật liệu lại Đối với hỗn hợp B, mật độ hình thành liên kết ngang cao xảy nhiệt độ phản ứng 200°C Mẫu C cho mức độ hình thành liên kết ngang cao 200°C (mặc dù 180°C cho kết tương tự) Đối với mẫu D, mức độ hình thành liên kết ngang cao lại đạt nhiệt độ phản ứng thấp 160°C (mẫu DX160) Số 23 Điều đến từ phức tạp chế phản ứng hỗn hợp D có có mặt loại peroxyde cacbon đen có chất khác so với hỗn hợp vật liệu khác Mặt khác, chi số dòng chảy thấp hỗn hợp vật liệu D vật liệu A khiến cho mức độ hình thành liên kết ngang cao đạt nhiệt độ thấp KẾT LUẬN Các hỗn hợp vật liệu polymer tảng polyethylene mật độ thấp trộn với phụ gia peroxyde cacbon đen hàm lượng khác Các hỗn hợp thực phản ứng tạo liên kết ngang nhiệt độ 160°C, 180°C 200°C Môđun đàn hồi từ kết đo lường lưu biến học cho phép mật độ tạo liên kết ngang không đồng nhiệt độ khác Mật độ liên kết ngang cao mẫu hỗn hợp B C đạt nhiệt độ cao 200°C mức độ hình thành liên kết ngang mẫu hỗn hợp A D đạt nhiệt độ thấp 75 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T.L Hanley, R.P Burford, R.J Fleming and K.W Barber, A General Review of Polymeric Insulation for Use in HVDC Cables, El Ins Mag.19 (1), pp 13-24, 2003 [2] Y Li, L Zhong, L Cao, H Ren, W Zhao and J Gao, DC Breakdown Characteristics of LLDPEbased XLPE with Different Crosslinking Degrees, 2018 Condition Monitoring and Diagnosis (CMD), Perth, WA, 2018, pp 1-4 [3] T Tran Anh et al., Investigation of Space-charge Build-up in Materials for HVDC Cable Insulation in Relationship with Manufacturing, Morphology and Cross-linking by-Products, IEEE International Conference on Solid Dielectrics, Bologna, Italy, June 30 – July 4, 2013 [4] A Hajighasem, K Kabiri, Cationic highly alcohol-swellable gels: synthesis and characterization, Journal of Polymer Research, 2013, 20, 218 [5] Jiang H, Su W, Mather PT, Bunning TJ, Rheology of highly swollen chitosan/polyacrylate hydrogels, Polymer, 1999, 40, 4593 Giới thiệu tác giả: Tác giả Trần Anh Tùng nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện Đại học Toulouse III năm 2012 Hiện tác giả Trưởng Bộ môn Mạng Hệ thống điện, Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: tối ưu khả tải cáp ngầm cao thế, lưới điện thông minh, vật liệu cách điện nanocomposites 76 Số 23 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 23 77 ... tổng hợp hình mức độ hình thành liên kết ngang hỗn hợp vật liệu lại Đối với hỗn hợp B, mật độ hình thành liên kết ngang cao xảy nhiệt độ phản ứng 200°C Mẫu C cho mức độ hình thành liên kết ngang. .. khác Mức độ hình thành liên kết ngang sau xác định phép đo lưu biến học Hình Cơ chế phản ứng tạo liên kết ngang polyethylene dùng chất xúc tác dicumyl peroxyde CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT NGANG TRONG. .. Trị số môđun đàn hồi G’ miền tần số phép đo cho thấy mức độ hình thành liên kết ngang hỗn hợp A đạt cao phản ứng hình thành liên kết ngang xảy 180°C (mẫu AX180) Mức độ hình thành liên kết ngang