L ỜI CAM Đ OAN
5. Nhiệm vụ nghiờn cứu của luận ỏn
3.6.3. Tỏc động của độ dày
Trong phần này, đề tài sẽ nghiờn cứ ảu nh hưởng của độ dày lờn hoạt động điện mụi của vật liệu và từ đ ú suy ra quan hệ giữa tổn hao đ ệi n mụi, đ ệi n ỏp và độ ẩm để làm rừ cơ chế suy giảm cỏch đ ệi n (gõy rạn nứt) của vật liệu.
Chuẩn bị mẫu th cũử ng nh cỏc i n c c s dụư đ ệ ự ử ng trong ph n này ầ được th c ự hiện tương tự phần trước. Khỏc nhau duy nhất là độ dày. Cỏc kết quả đ o đạc đ ệi n mụi được thực hi n i n trường 50V/mm để so sỏnh. ệ ở đ ệ
Hỡnh 3.24a: Tỏc động của hàm lượng nước lờn ε’ của mẫu thử 1mm
Hỡnh 3.24b: Tỏc động của hàm lượng nước lờn ε’’ của mẫu thử 1mm
Cỏc hoạt động i n mụi của vật liệu cú độ dày 1mm tương tự ớđ ệ v i mẫu thử cú độ dày 3,5mm. Sự gia t ng của hằng số đ ệ ă i n mụi ε’ cựng với hàm lượng n c khụng hi n ướ ể thị rừ bằng hệ số ổ t n hao i n mụi đ ệ ε’’, đặc biệt ở tần số thấp với độ ẩm vừa phải. Đ ều i này một lần nữa khẳng định rằng trong vận hành dưới tỏc động củ đ ệa i n ỏp xoay chiều cựng với nhiệt độ và độ ẩm thỡ hệ ố ổ s t n hao i n mụi ó ch ra nh ng d u hi u lóo hoỏ đ ệ đ ỉ ữ ấ ệ của vật liệu.
Hỡnh 3.25a: Tỏc động của độ dày lờn ε’ của mẫu thử khụ
Hỡnh 3.25b: Tỏc động của độ dày lờn ε’’ của mẫu thử khụ
Hỡnh 3.26b: Tỏc động của độ dày lờn ε’’ của mẫu thử 0,08%
Hỡnh 3.27a: Tỏc động của độ dày lờn ε’ của mẫu thử 0,12%
Hỡnh 3.28a: Tỏc động của độ dày lờn ε’ của mẫu thử 0,15%
Hỡnh 3.28b: Tỏc động của độ dày lờn ε’’ của mẫu thử 0,15%
Hỡnh 3.29b: Tỏc động của độ dày lờn ε’’ của mẫu thử 0,40%
Hỡnh 3.30a: Tỏc động của độ dày lờn ε’ của mẫu thử 0,96%
thấy ảnh hưởng của độ dày lờn cỏc tớnh chất đ ệi n mụi với từng hàm lượng nước. Và khẳng định rằng hằng số đ ệ i n mụi ε’ gần nh khụng đổ độư i, c l p v i độ dày và v i m t ậ ớ ớ ộ mức độ ẩm. Hơn nữa, hệ số tổn hao đ ện mụi i ε’’ trong mẫu th 1mm l n h n m t chỳt ử ớ ơ ộ so với mẫu thử 3,5mm trong trường h p ớt ợ ẩm hơn (cho t i 0,12%) và tiếp đớ ú thấp hơn rừ rệt với vật li u r t ẩm. ệ ấ
Sự chờnh lệch về độ ổn định của cỏc tớnh chất đ ện mụi (được thể hiện trờn hỡnh i 3.29b và hỡnh 3.30b) là do sự khỏc nhau về đ ệ i n dẫn suất tỷ khối giữa hai trường h p. ợ Đú c ng là h u qu tỏc động c a độ dày lờn quỏ trỡnh khuy ch tỏn nước vào trong v t ũ ậ ả ủ ế ậ liệu (chương 2).
Hỡnh 3.31: Tỏc động của dày lờn độ ε’ ở tần số 50Hz
(m=0,96%, hỡnh 3.31). Khi tỉ ệ l độ m đạt tới giỏ trị cao, hằng số đ ệẩ i n mụi ε’ cũng nh ư hệ số tổn hao i n mụi đ ệ ε’’ (m=0,96%, hỡnh 3.32) của v t li u độ dày 3,5mm l n h n ậ ệ ở ớ ơ của vật liệu ở độ dày 1mm.
3.6.4. Tỏc động của nhiệt độ
Ở nhi t ệ độ mụi trường (≈ 25°C), hàm lượng nước trong vật li u tương đối n ệ ổ định trong suốt th i gian thớ nghiệm. Khi nhiệt độ tăờ ng, m u th cú th khụ i trong ẫ ử ể đ quỏ trỡnh đo đạc. Để giảm tỏc động này, quỏ trỡnh đo đạc th c nghiệm được đặt trong ự một phũng mụi trường mà nhiệt độ cú thể thay đổi từ 10°C tới gần 100°C và độ ẩm từ 10% đến 98%. Cỏc kết quả đ o đạc được thực hiện b ng cỏch thay đổi nhiệt độ từ 10°C ằ đến 85°C, mụ đc ớch để hạn ch thay đổi hàm lượng nước trong quỏ trỡnh thớ nghiệm. ế Độ ẩm trong phũng mụi trường được cố định m c 85% vớứ i m i m c nhi t độ. Duy trỡ ọ ứ ệ ổn định hàm lượng n c trong v t li u, ướ ậ ệ được ki m tra b ng cỏch dựng cõn. i n ể ằ Đ ệ trường sử dụng cho o đ đạc là 50V/mm. Giữa 2 lầ đn o với nhiệt độ khỏc nhau, cú m t ộ khoảng thời gian chờ 10 phỳt để cú th cõn b ng nhi t độ trong m u th . ể ằ ệ ẫ ử
3.6.4.1. Kết quả thực nghiệm và phõn tớch
Hỡnh 3.34: Tỏc động của nhiệt lờn độ ε’’, mẫu thử khụ.
Kết quả trờn hỡnh 3.33 cho thấy tỏc động của nhiệt độ lờn hằng số đ ện mụi i ε’ của mẫu thử khụ. Nhận thấy cú sự thay đổi lớn về hằng s i n mụi ố đ ệ ε’ ở nhiệt độ cao. Hằng số đ ện mụi biểu thị cho thấy cú sự sụ i t gi m cựng v i giỏ tr đỉnh c a h số tổn ả ớ ị ủ ệ hao đ ệi n mụi ε’’ (hỡnh 3.34). Tần su t xu t hi n c a giỏ trị đỉnh này rừ ràng phụ thuộc ấ ấ ệ ủ vào nhiệt độ và nú xờ dịch về phớa tần số cao khi giỏ trị đỉnh của hệ số tổn hao i n đ ệ mụi ε’’ xuấ t hi n khi nhi t độ tăệ ệ ng (hỡnh 3.35). Vựng t n s mà giỏ tr đỉnh c a h số ầ ố ị ủ ệ tổn hao đ ện mụi i ε’’ xuất hi n luụn n m cỏc t n s th p (dưới 10Hz) cho phộp gi ệ ằ ở ầ ố ấ ả thuyết m t c ch sụộ ơ ế t gi m ch m d ng (chu i phõn t dài) hay Maxwell-Wagner ả ậ ạ α ỗ ử (cỏc bề ặ m t giữa cỏc thành phần).
Hỡnh 3.36: Ảnh hưởng nhiệt độ lờn ε’ với hàm lượng nước m=0,08%
Hỡnh 3.37: Ảnh hưởng của nhiệt độ lờn ε’’ với hàm lượng nước m=0,08%
Với mẫu thử ẩm ớt (m=0,08%), kết quả thực nghiệm trờn hỡnh 3.36 và 3.37 cho thấy luụn phõn biệ đỉnh sụt giảm trước nhưng hiện tượng phõn tỏn ở tầt n s th p (Low ố ấ Frequency Dispersion-LFD) chiế ưm u thế nhiề u hơn. Vật liệu cũn rất nhạy với sự gia tăng nhiệt độ đặc biệt ở tần số thấp. Sự di chuyển cỏc đ ện tớch được thực hiện bởi cỏc i hoạt động khụng liờn tục (nhảy) làm tă ng ε’ và ’’. ε
Quỏ trỡnh nhảy của cỏc đ ệi n tớch giữa cỏc bú của hiện tượng LFD được nhiệt độ làm mạnh h n. Cỏc bú trong v t li u nghiờn c u này cú th là cỏc bú nước cỏch ly, cỏc ơ ậ ệ ứ ể bú nước bao quanh đ ệi n tớch khoỏng và cỏc bú nhự ẩa m. Và hoạt động i n mụi là do đ ệ
là do cỏc đ ệi n tớch chuyển động giữa cỏc bú, đ ệi n tớch nhảy từ bú này sang bú khỏc trong vật liệu. Chỉ số n g n v i c u trỳc cỏc bú, trong trường h p này n ắ ớ ấ ợ ≈1, đ ềi u này tạo ra sự phõn bố lớn của cấu trỳc.
Hỡnh 3.38: Ảnh hưởng nhiệt độ lờn ε’ với hàm lượng nước m=0,15%
Hỡnh 3.39: Ảnh hưởng của nhiệt độ lờn ε’’ với hàm lượng nước m=0,15%
Với mẫu thử rấ ẩt m (hàm lượng n c >0,6%), c ng th y r ng ho t ướ ũ ấ ằ ạ động nh ư vậy của hằng số đ ện mụi giống như trong phần 3.6.2: hằng số đ ện mụi phõn làm 2 i i phần theo tần số, vựng chuyển dịch cú xu hướng di chuyển về phớa tần số cao vớ ựi s gia tăng hàm lượng nước. Hệ số tổn hao i n mụi luụn cho th y ho t động h u nh đ ệ ấ ạ ầ ư
0,15%), hoạt động của hằng số đ ệ i n mụi khỏ phức tạ ở ầp t n số thấp trong khi hệ ố ổ s t n hao đ ệi n mụi giảm một cỏch đơn đ ệi u khi nhiệt độ giảm.
Hỡnh 3.40: Ảnh hưởng nhiệt độ lờn ε’ với hàm lượng nước m=0,62%
Hỡnh 3.42: Ảnh hưởng nhiệt độ lờn ε’ với hàm lượng nước m=0,96%
Hỡnh 3.44: Ảnh hưởng nhiệt độ lờn ε’ khi mẫu thử bóo hoà
Hỡnh 3.45: Ảnh hưởng của nhiệt độ lờn ε’’ khi mẫu thử bóo hoà
Ảnh hưởng c a nhi t độủ ệ lờn cỏc tớnh ch t ấ đ ệi n mụi của vật liệu ở 50Hz được trỡnh bày trong hỡnh 3.46 và 3.47. Nhận thấy rằng, trong mọi trường hợp đều cú sự gia tăng nhẹ (< 2) của hằng số đ ện mụi ở i 50Hz. Tuy nhiờn, hằng số điện mụi tăng thấp cựng với nhiệt độ, khi so sỏnh với trường hợp do h p th nước. ấ ụ
Hỡnh 3.46: Tỏc động của nhiệt độ lờn ε’ ở tần số 50Hz
Hỡnh 3.47: Tỏc động của nhiệt độ lờn ε’’ ở tần số 50Hz
Hệ số tổn hao i n mụi đ ệ c a v t li u cho th y độ nh y cao đối v i nhi t độ hơn ủ ậ ệ ấ ạ ớ ệ là đối với hằng số đ ệ i n mụi. Hệ số tổn hao i n mụi đ ệ t ng lờn 10 l n khi nhi t độ ă ầ ệ đạt 65°C với mẫu thử chứa 0,15% độ ẩm. Vớ i mẫu thử ẩm hơn (≥ 0,62%), mức tăng chỉ là 4 đến 5 lần. Hoạt động này gắn chặt với cơ chế rạn n t do nhi t, mà nguyờn nhõn ứ ệ chớnh gõy góy hỏng i n mụi khi cú nước. đ ệ
Nhiệt độ cú ảnh hưởng đỏng kể lờn cỏc tớnh chấ đ ệ t i n mụi c a v t li u mọi ủ ậ ệ ở mức tần số đo đạc. Với vật liệu khụ, xuất hiện đỉnh sụt giảm ở cỏc tần số thấp và đỉnh này xờ dịch về phớa tần số cao khi nhiệt độ t ng. Vớ ậă i v t li u m, hi n tượng phõn tỏn ệ ẩ ệ ở tần s th p (Low Frequency Dispersion-LFD) là n i tr i và nhi t ố ấ ổ ộ ệ độ cú xu hướng làm tăng tỏc động này. Tỏc động của nhiệt độ tầở n s cụng nghi p (50Hz) cho th y ố ệ ấ nguy hiểm khi kết hợp nhiệt độ v i nước (tăng hệ số tổớ n hao i n mụi và t ng r n n t đ ệ ă ạ ứ do nhiệt).
3.7. Kết luận chương 3
1. Đặc tớnh cỏch đ ệi n của vật liệu composite epoxy b nh hưởng m nh m bởi ị ả ạ ẽ sự xõm nhập của nước, khi hàm lượng nước ngấm vào trong vật liệ ău t ng t 0ừ ữ0,35% đ ệi n tr su t c a v t li u gi m r t m nh (t 10ở ấ ủ ậ ệ ả ấ ạ ừ 15Ω.cm xuống 1010Ω.cm). Đặc tớnh này được miờu tả ấ r t cụ thể ở b i lý thuyết th m th u trong ú kờnh d n dũng i n được hỡnh ẩ ấ đ ẫ đ ệ thành từ cỏc nhúm phõn tử nước nằm trong vật liệu.
2. Khi hấp thụ một vài ph n tr m kh i lượầ ă ố ng n c ph m ch t c a đặc tớnh i n ướ ẩ ấ ủ đ ệ mụi giảm rất mạnh tại tần số 50Hz củ đ ệa i n trường cao khi hàm lượng nước cao (đ ểi n hỡnh khoảng 0,96%). Khi cỏch đ ệi n bị nhiễ ẩm m, nước ẩm đọng lại làm cho liờn kết giữa cỏc thành phần tại lớp tiếp giỏp (epoxy-sợi thủy tinh) bị suy yếu dẫn đến độ kết dớnh thấp, phõn lớp bờn trong t i vựng mặt phõn cỏch làm tăng hi n tạ ệ ượng bề mặt khi hấp thụ nước. Ứng su t v i n cao d n ấ ề đ ệ ẫ đến s kh i ự ở đầu c a phúng i n c c b , ủ đ ệ ụ ộ chuyển động của cỏc đ ệi n tớch được truyền d c theo m t phõn cỏch bờn trong, cỏc đặc ọ ặ tớnh đ ệi n mụi của vật liệu bị suy giảm mạnh: đ ệi n trở suất giảm, hằng số đ ệ i n mụi và tổn hao tăng và đ ện trường phúng đ ện chọc thủng cú thể giảm theo đ ện trường vận i i i hành cuối cựng là phúng đ ệi n chọc thủng.
3. Việc hệ thống cỏch đ ệi n của MBA vận hành ở nhiệt độ cao trong một thời gian dài là nguyờn nhõn gõy ra sự mất liờn k t c a cỏc l p cỏch i n này. C hai quỏ ế ủ ớ đ ệ ả trỡnh già hoỏ cơ học và nhiệt độ gõy ra sự phõn lớp này và đ ềi u này đó dẫn đến sự hỡnh thành những lỗ trống trong cỏch đ ệi n. Sự phõn lớp là kết quả của quỏ trỡnh cỏc chất như: khụng khớ, nước hoặc cỏc phõn tử khối lượng nhỏ thõm nhập vào trong vật liệu
mật độ phõn lớp trong vật liệu giảm đi.
4. Quỏ trỡnh già hoỏ do nhiệt độ, độ m và đ ệẩ i n trường lờn cỏch đ ệi n composite epoxy/thủy tinh sẽ tạo nờn s phõn tỏch trong v t li u, t ú hỡnh thành và phỏt tri n ự ậ ệ ừ đ ể cỏc lỗ trống trong vật liệu, cỏc lỗ ống mới hỡnh thành này sẽ kế ợ tr t h p v i cỏc l tr ng ớ ỗ ố tồn tại trong vật liệu để hỡnh thành nờn cỏc đường nứt lớn và gõy nờn quỏ trỡnh lóo hoỏ và suy giảm cỏch đ ệi n trong vật liệu composite.
Từ những kết quả lý thuyết và thực nghiệm luận ỏn rỳt ra một số kết lu n sau ậ đõy:
1. Luận ỏn đó nghiờn cứu ỏp dụng phương phỏp phổ đ ệ i n mụi trong miền tần số (Frequence Spectroscopy Dielectric Method - FSDM) - một phương phỏp hiện đại ó đ được sử dụng trờn th gi i nh ng l n ế ớ ư ầ đầu tiờn được ỏp d ng t i Vi t Nam để o đạc ụ ạ ệ đ xỏc định cỏc đặc tớnh đ ệi n mụi của cỏch đ ệi n (gúc tổn hao đ ệi n mụi tanδ, hằng s i n ố đ ệ mụi tương đối ε’, hệ ố s tổn hao i n mụi ’’) trong cỏc trường h p đặc bi t: cú xột đến đ ệ ε ợ ệ ảnh hưởng c a nhi t độủ ệ và m cao. độẩ
2. Luận ỏn đó xõy dựng được mụ hỡnh thớ nghiệ m lóo húa tăng tốc với cỏc thụng số phự hợp với đ ều kiện vận hành tại Việt Nam. Tại phũng thớ nghiệm, cỏc mẫu thửi cú cấu trỳc khỏc nhau với những i u kiện lóo hoỏ khỏc nhau sẽ đ ề được phõn tớch theo cỏc khớa cạnh tỏc động mụi trường xung quanh như: nhiệt độ và độ ẩm cao.
3. Luận ỏn đó chỉ ra rằng, cơ chế phõn cực ở lớp ti p giỏp khụng th gi i thớch ế ể ả toàn vẹn được v n đề, mà c ch phõn c c i n c c m i là nguyờn nhõn chớnh gõy nờn ấ ơ ế ự đ ệ ự ớ sự tăng cao c a h ng s iện mụi tương đối ủ ằ ố đ ε’ và chỉ số tổn hao i n mụi đ ệ ε’’ tầở n s ố thấp. Chỉ số ổ t n hao i n mụi đ ệ ε’’ đặc biệt nhạy với hàm lượng n c trong vậướ t li u trờn ệ toàn miền t n sầ ố và là chỉ ố s tin cậy để ỏnh giỏ tỡnh trạđ ng cỏch i n. đ ệ
4. Đặc tớnh cỏch đ ệi n của vật liệu composite epoxy b nh hưởng m nh m bởi ị ả ạ ẽ sự xõm nhập của nước, khi hàm lượng nước ngấm vào trong vật liệ ău t ng t 0ừ ữ0,35% đ ệi n tr su t c a v t li u gi m r t m nh (t 10ở ấ ủ ậ ệ ả ấ ạ ừ 15Ω.cm xuống 1010Ω.cm). Đặc tớnh này được miờu tả ấ r t cụ thể ở b i lý thuyết th m th u trong ú kờnh d n dũng i n được hỡnh ẩ ấ đ ẫ đ ệ thành từ cỏc nhúm phõn tử nước nằm trong vật liệu.
5. Kết quả nghiờn cứu của luận ỏn đó chỉ ra rằng: cú thể phõn biệt được ớt nhất ba cơ chế gõy nờn tổn hao trong bản thõn vật liệu. Trong khi ở tần s rấố t th p t n hao ấ ổ do đ ệi n dẫn là chủ yếu thỡ tầở n s cao h n c ch tổố ơ ơ ế n hao do phõn c c iện cực và ự đ một cơ chế do phõn cực lưỡng cực đúng vai trũ quan trọng hơn.
6. Khi hấp th mộụ t vài ph n tr m kh i lượầ ă ố ng n c phẩướ m ch t c a đặc tớnh i n ấ ủ đ ệ mụi giảm rất mạnh tại tần số 50Hz củ đ ệa i n trường cao khi hàm lượng nước cao (đ ểi n hỡnh khoảng 0,96% độ bề đ ện i n mụi gi m t i 20kV/mm). Khi cỏch đ ệả ớ i n b nhi m m, ị ễ ẩ
thủy tinh) bị suy yếu dẫn đến độ kết dớnh th p, phõn l p bờn trong t i vựng m t phõn ấ ớ ạ ặ cỏch làm tăng hiện t ng bượ ề mặt khi h p th nước. Ứấ ụ ng su t v i n cao d n đến s ấ ề đ ệ ẫ ự khởi đầu của phúng đ ệi n cục bộ, chuyể động của cỏc đ ện i n tớch được truyền dọc theo mặt phõn cỏch bờn trong, cỏc đặc tớnh đ ệi n mụi của vật liệu bị suy giảm mạnh: i n trở đ ệ