Báo cáo: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHỤC HỒI CÁCH ĐIỆN BỀ MẶT CỦA SILICON SỬ DỤNG TRONG CÁCH ĐIỆN CAO ÁP CHẾ TẠO BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE PHỦ SILICONE SAU KHI CHỊU TÁC ĐỘNG PHÁ HUỶ BỀ MẶT (PHÓNG ĐIỆN/PLASMA)

Bé C«ng th−¬ng

tËp ®oµn ®iÖn lùc ViÖt Nam

ViÖn n¨ng l−îng

Báo cáo tổng kết Đề tài cấp bộ

M· sè: I-146

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHỤC HỒI CÁCH ĐIỆN BỀ MẶT CỦA SILICON SỬ DỤNG TRONG CÁCH ĐIỆN CAO ÁP CHẾ TẠO BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE PHỦ SILICONE SAU KHI CHỊU TÁC ĐỘNG PHÁ HUỶ BỀ MẶT (PHÓNG ĐIỆN/PLASMA)

Chñ nhiÖm ®Ò tµi: NguyÔn Thanh Hải

7182 17/3/2009

Hµ néi - 10/2008

1

MỤC LỤC

Trang

3 MỞ ĐẦU

6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE

8 1.1. Giới thiệu chung

1.2. Vỏ polymer và lớp phủ cao su silicone của cách điện composite 31

35 1.3. Các phương pháp kiểm tra cách điện composit

38 1.4. Kết quả kiểm tra cách điện composit

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

45 1.6. Hiệu ứng phân cực điện áp khi vận hành

46 1.7. Các đặc tính nhiễm bẩn lên cách điện polime

48 CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO

SU SILICONE

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

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

56 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

56 3.1. Vật liệu

3.2. Các điều kiện thử nghiệm trong quá trình chịu tác động của các

phóng điện

58 3.3. Các phương tiện, thiết bị sử dụng để đo đạc xác định các đặc tính

2

của vật thử nghiệm

59 3.4. Các kết quả thực nghiệm

70 CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁCH

ĐIỆN COMPOSITE TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

70 4.1. So sánh cách điện gốm truyền thống với cách điện composite

(polymer)

71 4.2. Ứng dụng cách điện composite tại hệ thống điện Việt Nam

72 4.3. Một số sản phẩm cách điện composite được chào bán trên thị

trường Việt Nam

78 KẾT LUẬN

81 PHỤ LỤC

3

115 TÀI LIỆU THAM KHẢO

Những chữ viết tắt

HTĐ: Hệ thống điện

VLC: Vật liệu composite

Cao su silicone: SIR

Polydimethylsiloxane: PDMS

HTĐ: Hệ thống điện

DDK: Đường dây tải điện trên không

4

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

• Chống được ăn mòn

• Có khả năng tự làm sạch bề mặt trong điều kiện không có mưa.

ràng cho điều đó. Chuỗi cách điện có các đặc tính như:

(Thông qua cơ chế: Bụi bám trên bề mặt sẽ bị gom lại thành từng giọt

5

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

• Hoạt động được trong môi trường ô nhiễm nặng như trong môi trường

140oC đến 320oC.

sương muối, axit, bụi bẩn công nghiệp...

Cao su silicone là thành phần quan trọng nhất của cách điện composite vì

chúng có nhiệm vụ chống lại các hiện tượng phóng điện bề mặt, các tác

động của thời tiết. Tuổi thọ của cách điện phụ thuộc phần lớn vào chất lượng

lớp phủ này. Trong các loại vật liệu phủ này thì lớp phủ cao su silicone

được cho là có ưu điểm nhất.

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

cập một cách chi tiết và cụ thể. Nghiên cứu này sẽ đề cập đến các vấn đề về 6

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.

o Tổng quan về cách điện composite

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

Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần sau:

o Nghiên cứu bản chất tính không dính nước của silicone, năng lượng mặt

silicone.

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

o Nghiên cứu khả năng phục hồi các tính chất này sau khi lớp phủ chịu

dụng.

o Nghiên cứu khả năng ứng dụng trong điều kiện Việt nam, đánh giá tuổi

những tác động phá hủy như phóng điện bề mặt, plasma.

7

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

8

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

9

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

10

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

11

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

12

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

13

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),

14

Composite vải (hình 1.2.c).

a)

b)

c)

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

a)

b)

c)

1.3.b), và Composite trực hướng (hình 1.3.c).

Hình 1.3 :Vật liệu Composite lớp

Trong thực tế, ta thường gặp vật liệu composite lớp dưới dạng tấm hoặc vỏ,

chẳng hạn tấm có thể gồm nhiều lớp đồng phương, nhiều lớp vải, nhiều lớp

« Mat », hoặc là tổ hợp của các lớp đồng phương, vải và mat ; vật liệu trong

mỗi lớp có thể khác nhau, phương của cốt trong các lớp cũng khác nhau vv

900

0 θ

0 θ

0θ

0 θ

900

Hình 1.4 : Mô hình của vật liệu composite lớp

15

… Hình 1.4. giới thiệu 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

16

500.000 tấn (Hình 1.5).

16

1200

14

12

1000

]

%

10

[

8

800

c í u r t

6

m ¨ n

4

600

i

n Ê t 0 0 0 1

2

0

400

í v o s n ª

l

-2

-4

200

g n ¨ t ù S

-6

0

-8

1981

1982

1983

1984

1985

1986

1987

1988

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

17

như ta thấy ở hình 1.6.

Sîi thñy tinh S

Sîi thñy tinh S

Sîi Aramid

Sîi Aramid

Aramid - fasern 1000t

Aramid - fasern 2500t

S-Glass - fasern 2000t

S-Glass - fasern 750t

Mét sè lo¹i kh¸c

Kohlenstoffasern 1500t

Kohlenstoffasern 4000t

Mét sè lo¹i kh¸c

Sîi Cacbon

Sîi Cacbon

1985

1992

Mét sè lo¹i kh¸c

Nhùa Polyimide

Nhùa nhiÖt dÎo

Nhùa Polyimide

andere

andere

Poly imide 200t

Poly imide 750t

Thermo plasle 1500t

Thermo plasle 300t

Epoxide 1500t

Epoxide 3500t

Nhùa Epoxide

1985

1992

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

18

Mỹ.

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

1

2

3

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]

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

19

chủ yếu của các nghiên cứu này là xét đến sự ảnh hưởng và tác động của

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

20

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.

Hình 1.8

21

Các mẫu được chuẩn bị bao gồm vật liệu epoxy tinh khiết (0% ATH) và composite epoxy. Epoxy tinh khiết được thí nghiệm để thu được các đặc tính cơ bản của tính chất đánh thủng điện môi và sau đó chất độn ATH có dạng bột được thêm vào epoxy với các hàm lượng khác nhau để tạo nên các mẫu composite. Có 3 loại mẫu với tỷ lệ khối lượng chất độn lần lượt là 5, 10 và

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

22

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

23

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:

24

Trong đó Lb ~ 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,

Lc là chiều dài cây tới hạn, df là kích thước phân nhánh của hình dạng cây, k = 1.38x10-23Js và h = 6.626x10-34Js lần lượt là hằng số Boltzman và Plank. T 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

25

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 điện môi trong việc hình thành cây điện sẽ tăng lên đột ngột.

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

26

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 hệ dị thể nói chung.

1.1.1.5. Mô phỏng số hóa vật liệu composite và so sánh với kết quả thí nghiệm

Trong phần mô phỏng này, cây điện được coi như là có điện trở thấp hơn khi vật liệu chưa bị tổn thương về điện, sự phát triển là quá trình tích luỹ nội tại mà trong đó mỗi bước phụ thuộc rất nhiều vào bước trước đó. Tính đặc thù này có lợi cho việc sử dụng mô hình phóng điện điện trở thời gian ngắn điều khiển bằng điện áp. Trong mô hình này, cấu trúc composite được mô tả bởi hệ thống điện trở mà ở đó tâm khối của mỗi phần tử là nút nối với các phần tử khác gần nhất bằng 1 điện trở. Các điện trở này được giả định là sẽ chuyển thành vật dẫn điện khi dòng điện đạt giá trị ngưỡng

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.

27

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).

28

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.

29

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 tử.

• Mỗi phần tử được coi như những chất điểm mà điều này làm ngăn

cản việc phụ thuộc vào hệ số thể tích của chất gia cường

30

• Mỗi phần tử được giả thiết là đẳng thế, đây là phần quan trọng nhất bởi vì điện trường tăng cường thực sự giữa 2 mảnh phụ thuộc rất nhiều vào đặc trưng hình học giữa các mảnh cũng như là tính chất hoá lý của chất nền bên trong. Hơn nữa, đảm bảo rằng các mảnh đẳng thế trái với các đặc tính thực nghiệm như là hiệu ứng MWS.

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

Trường hợp các mảnh không đẳng thế

Việc mô phỏng được thực hiện dựa trên mô hình không đẳng thế của các phần tử chất tăng cường và như thế phương pháp phần tử hữu hạn sẽ được sử dụng với việc chia nhỏ thành các mắt lưới. Việc mô phỏng thực tế được phát triển nhờ việc sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh ImageJ. Như mô tả trong hình 1.16, ảnh chụp hiển vi đầu tiên được nhị phân hoá trong hình 1.16b, và chuyển thành các đường viền bao quanh từng phần tử như trong hình 1.16c.

Hình 1.16

31

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, Hydro-

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

khác nhau đã được dùng để chế tạo ra cách điện composit. Ban đầu chúng 32

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

33

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

34

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

(>150 0 C 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 19− J (106 kJ/mol hoặc

1,10 eV), năng lượng này cao hơn so với mức 1,42x10 19− J (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

35

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), Al 2 O 3 .3H 2 O 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

36

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 m 3 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

CuCl 2 vào nước (12g/m 3 ) 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

37

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/m 3 /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

38

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

39

dẫn của cách điện. Cách điện HTV-SIR, với đường rò là 27,6 mm trên 1 kV

cho thấy rằng quá trình phóng điện cầu khô không phát triển trong điều kiện

sương muối khắc nghiệt, trong khi sự phát triển của dòng điện rò rất lớn với

khoảng cách 17,3 mm/kV. Có một công ty điện lực lớn đã thông báo rằng:

trong một điều kiện thời tiết khắc nghiệt, không xảy ra một sự phóng điện bề

mặt nào tại bất kỳ một cách điện SIR nào trên đường dây 138 kV (377 bộ

cách điện) và 230 kV (1430 bộ cách điện) của họ, trong khi đó có rất nhiều

quá trình phóng điện bề mặt trong các đường dây 138kV và 230 kV sử dụng

cách điện EPDM và cách điện sứ .

Cách điện cao áp ngoài trời bằng thuỷ tinh và sứ được phủ một lớp HTV-

SIR có khả năng tốt hơn so với phủ lớp silicon thường trong quá trình kiểm

tra DC và khi có sương muối hoặc có hiện tượng phóng điện cầu khô. Bởi vì

họ đã sử dụng các kết quả quá trình ăn mòn xảy ra do điện áp một chiều DC,

điều này có thể ảnh hưởng đến các kết quả kiểm tra, các điện cực than chì và

dây platium. Các kim loại khác như là nhôm, thép không gỉ, đồng thau và

đồng cũng đã được thử dùng nhưng đều không thoả mãn bởi vì chúng bị ăn

mòn và sự ăn mòn này làm hỏng bề mặt của mẫu kiểm tra. Lớp phủ polime

HTV-SIR trên các hệ thống 66 kV được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1973

và hiện nay đã được sử dụng rộng rãi. Mục đích của họ là để hồi phục lại

khả năng chống dính nước bề mặt đối với việc cải thiện sự nhiễm bẩn của sứ

xuyên ngoài trời, cách điện thuỷ tinh và cách điện sứ. Trên cả chiều dài của

cách điện sứ được phủ một lớp HTV-SIR thì có điện áp phóng điện bề mặt

cao hơn so với cách điện mà không có lớp phủ khi có mặt sự nhiễm bẩn trên

bề mặt của chúng tương đương với mật độ lắng đọng muối (ESDD) là 0,07

40

đến 0,16 mg/cm 2 .

Cách điện SIR được đánh giá tại điều kiện vận hành ngoài trời trong 9 năm

và người ta thấy chúng vẫn còn khả năng chống thấm nước trong cả điều

kiện độ ẩm cao và không cao. Chúng ta cũng thấy rằng những thay đổi hoá

học đối với dòng DC lớn hơn so với dòng AC. Dòng điện rò của cách điện

SIR bị nhiễm bẩn cũng nhỏ hơn và ít xảy ra hơn so với cách điện sứ. Mức độ

chịu điện áp của cách điện SIR giảm tỉ lệ với sự tăng ESDD như trong hình

1. Mức độ chịu điện áp của cách điện SIR phụ thuộc vào ESDD theo một

quy luật công suất tương tự như đối với cách điện sứ.

Khả năng chịu điện áp của SIR cũng giảm tỉ lệ với việc tăng mật độ lắng

đọng không hoà tan (NSDD) trong dải từ 0,1 đến 5 mg/cm 2 và khả năng này

giảm khi chiều dài của cách điện giảm.

Các hiệu ứng của vật liệu phủ chổng tác động của thời tiết của cách điện

polime ngoài trời, được trình bày như là thiết kế khí động lực đối việc làm

sạch cách điện nhiễm bẩn tự nhiên bằng gió và mưa, thảo luận về khả năng

xây dựng và định hướng đối với khả năng ăn mòn và tạo rãnh dẫn trong điều

kiện sương muối khắc nghiệt một chiều DC hoặc xoay chiều AC. ( 250 đến

1000µS/cm). HTV-SIR với chất độn ATH chiếm 30 phần trên 100(pph)

trong SIR, EPDM (ATH chiếm từ 45 đến 200 pph) và nhựa epoxy (ATH

bằng 220 pph) cũng đã được sử dụng. Tỉ lệ khoảng cách rò trên vùng bề mặt

của cách điện là hằng số bằng 5,6x10 8− /mm ±10% và áp lực điện trung bình

được sử dụng trên thực tế. Dòng điện rò sẽ giảm khi tỉ lệ khoảng cách này

tăng lên. Đối với cách điện HTV-SIR thì dòng điện rò trong sương muối

41

tăng lên cùng với sự tăng áp lực điện.

Kiểm tra SIR trong một rãnh tròn dẫn sử dụng một độ mặn khoảng 1,33

mS/cm cho thấy rằng độ ăn mòn của dòng 1 chiều DC lớn hơn nhiều so với

AC xoay chiều. Độ ăn mòn bị hạn chế tại vùng gần điện cực của dòng 1

chiều DC nhưng nó lại bao phủ một vùng rộng hơn đối với dòng xoay chiều

AC. Với DC, có một lượng vật liệu bị mất đi nhiều hơn so AC và nó còn mất

đi nhiều hơn tại điều kiện điện trường cao hơn ( 0,83 và 0,5 kV/cm). Sự

kiểm tra trong rãnh tròn dẫn của SIR với chất độn là bột thạch anh (10 đến

50%) bị hỏng bởi các rãnh, SIR độn ATH (50%) trong khi kiểm tra, EPR

độn ATH (50-55%) và nhựa epoxy cycloaliphatic độn bột thạch anh (65%)

đều hoạt động tốt. Các kiểm tra đều bị dẫn điện bởi độ ẩm của các vật mẫu

(với 356µS/cm nước trong mỗi 120 giây)

Các đầu cáp cấp điện áp 25 kV làm bằng SIR, EVA và EPDM được kiểm tra

trong điều kiện sương muối (50 đến 1200µS/cm) để so sánh với các hiệu

ứng của thành phần lớp phủ bề mặt, thiết kế xây dựng, các phương pháp làm

giảm độ căng điện trong điều kiện nhiễm bẩn . Điều này được xác định là

các đầu sứ có thành phần điện trở rãnh tốt, khả năng làm thoả mãn có thể đạt

được với việc làm giảm khoảng cách rò hơn so với hiện có.

Nhựa epoxy thơm với các chất độn khác (silane epoxy đã xử lý bột thạch

anh, oxit nhôm và dolomite được kiểm tra trong một vòng rãnh (3,5 mS/cm).

Những tác nhân tách được chuyển đi bằng cách sử dụng isopropanol. Mẫu

epoxy với thành phần silan duy trì bề mặt chống dính nước của chúng trong

thời gian dài hơn so với các chất độn khác[94]. Sau quá trình già hoá có thể

tìm thấy được rằng nhóm cacbonxylic tăng và nhóm thơm giảm. Tính chống

dính nước mà ta quan sát thấy được cho là ở trong chất độn, bởi vì nhựa thì

42

không có tính chống dính nước và tác nhân tách rời không chứa đựng silane.

Trên bề mặt của nhựa epoxy, các tinh thể axit oxalic có dạng bột trắng được

tạo thành sau quá trình kiểm tra trong các vòng rãnh và sau khi có phóng

điện cục bộ xảy ra trong nhựa epoxy. Axit formic và axit Glycotic cũng

được xác định . Vai trò của nhựa epoxy với thành phần silane dạng bột thạch

anh cho thấy những khả năng tốt của chúng chống lại sự thoái hoá của thuộc

tính chống dính nước nhưng SIR đã thực hiện tốt hơn so với epoxy trong khi

kiểm tra một vòng rãnh sử dụng lượng muối hoà tan là 0,5 mS/cm .

Việc nghiên cứu sử dụng phổ electron đối với các phân tích hoá học (ESCA)

trên cách điện EPDM và SIR, đã được sử dụng nhiều tại 130 kV (pha nối

đất) trong phạm vi nông nghiệp, cho thấy rằng lượng cácbon giảm và lượng

oxy tăng lên trên bề mặt của EPDM, trong khi đối với SIR thì sự thay đổi

thành phần là không đáng kể . Trên bề mặt của SIR lượng ATH được giảm

xuống sau 5yr trên đường dây . Một số sự quan sát tương tự cũng được

thông báo trên cách điện SIR và EPDM và được thực hiện tại 300 kV. Kết

quả này đã được xác nhận độc lập sử dụng PSCA sau quá trình kiểm tra

trong điều kiện sương muối và đồng thời cũng chỉ ra sự tập trung cao hơn

của các phân tử oxy trên bề mặt so với trong số lượng lớn SIR . Cũng có đề

xuất rằng điều này là do các phản ứng liên kết chéo của silan từ quá trình

phóng điện cầu khô . Quá trình oxy hoá bề mặt của EPDM và hợp chất

EPDM/SIR được đánh giá bằng cách lấy ra một số lượng nhỏ polyme và

phân tích nó qua phép chuyển đổi Fourier (FTIR) và phổ quang điện tia X

(XPS).

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

Các thành phần polyme khác nhau cho phép kiểm tra ngặt nghèo. Tuy nhiên,

43

có một sự nhất trí chung rằng cách điện HTV-SIR có khả năng tốt dưới điều

kiện nhiễm bẩn nặng và được sử dụng tốt hơn so với cách điện sứ. Mức chịu

điện áp của SIR, EPR và nhựa epoxy trong điều kiện nhiễm bẩn cao hơn so

với sứ . Một số cách điện EPDM (34,5 đến 500 kV) có khả năng kém hơn,

xuất hiện các lỗ thủng và bị phá hỏng . EPR có khả năng tốt hơn so với nhựa

epoxy . Điện áp phóng điện của HTV-SIR sau khi để trong điều kiện sương

muối kết hợp với ximăng trong khoảng thời gian sấy khô là 1giờ và lâu hơn

(đến 6,5 giờ), điện áp này là khá lớn và chắc chắn lớn hơn so với EPM và

EPDM, mặt khác EPM lại cao hơn EPDM . Nói một cách gián tiếp là sau

một quá trình kiểm tra ngoài trời chu kỳ dài của HVDC và HVAC thì SIR

vẫn giữ lại được khả năng tốt trong khi lại phá hỏng EPDM . Khi đã bị già

hoá, SIR có khả năng chống thấm nước cao hơn so với EPDM .

Những cách điện thanh dài làm bằng EPDM với lớp phủ chống lại tác động

của thời tiết cho thấy khả năng tốt hơn so với sứ ở HVDC và HVAC nhưng

sau nhiều năm vận hành chúng đã bị thoái hoá và có những vết nứt trên bề

mặt, bị ăn mòn, các lỗ thủng và một lớp trắng trên bề mặt do tác động của

thời tiết như là tia cực tím, mức độ ô nhiễm. Điện áp phóng điện của RTV-

SIR, HTV-SIR và EPR giảm khi đã kiểm tra với việc tăng tỉ lệ hơi nước vào

. SIR thì có điện áp phóng điện cao hơn so với EPR và sứ. Tuy nhiên, sự

khác biệt giữa SIR và EPR (và cả sứ) giảm đáng kể dưới điều kiện ẩm ướt

hơn . Tính hiệu quả của SIR đã được chứng minh trong hiện tượng “ phóng

điện bộ đơn” trong một bộ đa cách điện sứ HVDC. Phóng điện được loại trừ

khi một số bộ cách điện được phủ lớp RTV-SIR .

So sánh giữa sự già hoá tự nhiên lớp phủ RTV-SIR trên sứ và sự già hoá

cách điện SIR chỉ ra rằng khả năng chống dính nước của lớp phủ RTV-SIR

thấp hơn so với cách điện SIR. Có thể nói rằng những cách điện thanh dài

44

bằng sứ phủ RTV-SIR có đỉnh của dòng điện đối với cả cách điện hoạt động

mạnh ở dc (+300 kV) và ac (130 kV pha nối đất) tương đương với dòng điện

của cách điện SIR .

Điều này đã cho thấy rằng cách điện SIR vẫn bảo toàn được tính chống dính

nước của chúng trong khi EPDM trở thành dính nước hoàn toàn sau 7 năm

trong quá trình kiểm tra và hoạt động ở +300 kV , SIR có khả năng tốt hơn

so với sứ và EPDM thì tồi hơn so với SIR. Tuy nhiên EPDM được tăng

cường thêm SIR khối lượng phân tử thấp có khả năng chống dính nước tốt

hơn và có dòng điện dò thấp hơn. Cách điện sứ phủ RTV-SIR có những khả

năng tương tự như cách điện RTV-SIR khi đặt vào các thiết bị ngoài trời

HVAC và HVDC trong nhiều năm .

Khoảng cách mặt đất của cách điện đầu cột bằng sứ chính là nguyên nhân để

cũng dễ bị phá vỡ và rơi dây dẫn xuống, trong khi cách điện đầu cột không

phải bằng sứ thì có thể chịu được những sự phá hoại này cả về cơ và điện .

Các kiểm tra trong điều kiện sương muối (0,28 đến 0,6 kV/cm, 1600 µS/cm)

cho thấy rằng nhựa epoxy (gia cường thêm ATH, 220 đến 350pph) có khả

năng thấp hơn so với SIR (ATH, 30 đến 130pph) và EPR (ATH, 30 đến

250pph). Trường hợp này xảy ra kể cả khi nhựa epoxy có mức gia cường

ATH cao hơn.

Khối lượng phân tử mất đi của nhựa epoxy, EPR và HTV-SIR đã được thẩm

tra trong suốt quá trình kiểm tra ở điều kiện sương muối (1600 µS/cm;

0,4kV/cm). Tại cùng một mức gia cường (ATH tại 105pph), và tại cùng mức

thời gian kiểm tra, nhựa epoxy có lượng thành phần mất đi lớn hơn so với cả

EPR và HTV-SIR, trong đó EPR lại mất đi nhiều hơn so với HTV-SIR.

HTV-SIR có một dòng điện dò thấp hơn so với EPDM khi kiểm tra trong

điều kiện sương muối (1000 µs/cm; 0,28 đến 0,6 kV/cm) với các chiều phân

45

cực DC dương (+) và âm (-) hoặc AC . Trong cách điện nhựa epoxy, góc

liên kết giảm từ 74 0 xuống ~30 0 sau 6 năm đối với thiết bị ngoài trời và

dòng điện dò bề mặt tăng do bị mất đi tính chống dính nước.

1.6. Hiệu ứng phân cực điện áp khi vận hành

Thời gian để phá hỏng trong suốt quá trình kiểm tra ở điều kiện sương muối

của thanh HTV-SIR và thanh EPDM có một lượng gia cường cố định bằng

ATH hoặc bột thạch anh, tại AC (60Hz) và DC dương (+) là như nhau. Đối

với DC âm (-), thời gian để phá hỏng giảm đi một qua một hệ số lớn ~4. Các

thanh polime được kiểm tra theo hướng thẳng đứng và đặt điện áp DC ở phía

trên. Hình 2 cho thấy sự khác nhau của các điện tích tích luỹ trong EPDM

khi đặt chúng vào môi trường sương muối đối với AC, DC (+) và (-), và so

sánh chúng với HTV-SIR AC và DC (+). Điện tích tích luỹ và dòng điện dò

có giá trị cao nhất đối với DC (-) và EPDM thì cao hơn so với HTV-SIR

dưới các điều kiện như nhau.

46

Hình 1.18.

Điện tích tích luỹ trong các thanh EPDM và HTV-SIR khi đặt ở điều kiện

sương muối cho thấy sự khác biệt giữa AC (60 Hz), (+) DC và (-)DC. Các

điều kiện : độ dẫn của dạng nước muối trong sương là 250 µS/cm; độ căng

điện là 0,6 kV/cm.

Khi sương có độ dẫn điện thấp (250 µS/cm), mẫu SIR có thời gian phá hỏng

thực tế dài hơn trong AC, +DC và -DC so với các mẫu EPDM, trong khi tại

môi trường sương muối có độ dẫn điện cao [1 µS/cm] thì ngược lại.

Trong điều kiện sương có mức dẫn điện thấp (250 µS/cm) đối với cùng một

mức chất độn (30 đến 250 pph), ATH và silica có những tính chất chống lại

việc tạo thành rãnh trên EPDM tương tự như nhau bởi chúng có cùng mức

thời gian để tạo thành các rãnh (ở AC, +DC và -DC) trong khi tại điều kiện

sương có độ dẫn điện cao (1mS/cm) ATH có một mức chống lại nhiễm bẩn

và tạo rãnh cao trong EPDM hơn là silica [86]. Điều này đã đề xuất rằng

Hidro trong nước đóng một vai trò quan trọng đối với độ dẫn điện cao của

sương.

1.7. Các đặc tính nhiễm bẩn lên cách điện polime

Có thể nói gián tiếp rằng cả hai loại nhiễm bẩn công nghiệp và nhiễm bẩn ở

vùng biển tạo thành các lớp nhiễm bẩn giống nhau lên bề mặt cách điện SIR

. Điều kiện sương muối tạo ra trên cách điện không hoạt động một ESDD là

~0,02 mg/cm 2 sau khi đặt chúng vào sương muối 3mS/cm trong một khoảng

thời gian ≤ 2 giờ và bằng 0,02 đến 0,05 mg/cm 2 khi vận hành tại 0,4 kV

trong 10 và 120 phút. Cách điện SIR của đường dây truyền tải sau một số

năm vận hành thì có độ dầy lớp nhiễm bẩn từ 8µm (ESDD là 0,05 mg/cm 2 )

đến 23 µm ( ESDD là 0,026 mg/cm 2 ). Nhiễm bẩn tự nhiên là bụi các bon ở

trên các cách điện trên đường dây ở gần đường cao tốc và bụi, phân chim từ

47

các vùng nông nghiệp.

Đối với nhiễm bẩn nhân tạo như Tonoko, cao lanh và Aerosil đều được tính

đến . Bột Tonoko, hay là đất sét, chứa đựng hỗn hợp SiO 2 (58 đến 76%),

Al 2 O 3 (14 đến 30%) và Fe 2 O 3 (từ 2 đến 6%) với nước cũng đã được sử

dụng rộng rãi . Cỡ phần tử là 6,2 µm và mật độ bột là 2,76 g/cm 3 . Đối với

cao lanh cỡ phần tử là 5,8µm, mật độ là 2,6 g/cm 3 và cấu tạo chủ yếu là

SiO 2 (46%), Al 2 O 3 (37%), Fe 2 O 3 (0,9%) . Nguyên liệu chủ yếu tạo thành

Tonoko là mutcovit (KAl 2 Si 3 Al 10 (OH) 2 ) và thạch anh. Cao lanh được cấu

tạo từ thành phần chính là kaolinite (Al 2 Si 3 O 5 (OH) 4 ) và thạch anh . Có thể

ghi chú rằng có các dạng khác nhau của cao lanh bao gồm Brasil, Rogers,

Mexican, Georgian và Italian . Các bề mặt nhiễm bẩn cao lanh thì tương đối

đồng nhất hơn. Điều này là do cao lanh có tính dính nước trong khi Tonoko

có hàm lượng SiO 2 cao hơn thì có tính chống dính nước .

Điện áp phóng điện DC của nhiễm bẩn cao lanh của SIR thấp hơn 15% so

với Tonoko, và với nhiễm bẩn Aerosil thì thấp hơn cả hai loại trên bởi vì nó

có tính hút nước và có dạng lớp trên bề mặt dầy hơn nhiều . Sau 7 năm vận

hành gần bờ biển, không có sự khác biệt đáng kể vào về ESDD có thể quan

sát được trên cách điện sứ và composit . Các giá trị độ tin cậy 95% của

48

ESDD đối với SIR, EVA và sứ lần lượt là 0,107; 0,087 và 0,116 mg/cm.

CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO

SU SILICONE

Bản chất tính không dính nước của silicone, năng lượng mặt ngoài và dòng

rò trên bề mặt silicone ; vai trò của chúng trong khả năng cách điện của

silicone và đặc điểm trong quá trình sử dụng được phân tích tại chương này

Cao su silicone hiện nay đang được sử dụng cũng với cách điện sứ và thủy

tinh trong các kết cấu cách điện ngòai trời. Một trong những lợi thế của cách

điện cao su silicone - polydimethylsiloxane (PDMS) là đặc tính kỵ nước

(tính không dính nước - hydrophobic) trên bề mặt của nó. Đối với các cách

điện bằng sứ và thủy tinh, nước luôn tạo thành một mặt màng mỏng bám

trên bề mặt cách điện mang tính chịu nước (bám nước - hydrophilic). Khi có

hiện tượng nhiễm bẩn, tức các màng nước này mang yếu tố nhiễm bẩn, dòng

rò trên bề mặt sứ sẽ tăng lên, dẫn tới nguy cơ phóng điện trên bề mặt sứ cách

điện. Bề mặt không dính nước của cao su silicone đã ngăn ngừa không cho

tạo ra một màng nước nhiễm bẩn như vậy trên bề mặt của nó (cách điện

composite phủ cao su silicone). Nếu trên bề mặt cách điện polymer thuần

túy có xảy ra hiện tượng phóng điện, đặc tính không dính nước của polymer

sẽ bị mất đi do bị ô-xy hóa bề mặt trong quá trình phóng điện. Tuy nhiên,

cao su silicone lại có một khả năng độc đáo – đó là sự hồi phục khả năng

không dính nước sau khi bị phóng điện bề mặt.

Các nhà nghiên cứu trên thế giới đã đưa ra một mô hình về quá trình phục

hồi khả năng không dính nước của cao su silicone trong suốt vòng đời vận

hành của chúng : Trong giai đoạn 1, đặc tính nguyên thủy không dính nước

49

trên bề mặt cao su silicone được đảm bảo nguyên vẹn (Hình 2.1). Trong giai

đọan 2, sau một thời gian bị tác động của các yếu tố ngoại vi, một lớp mỏng

vô định hình (amorphous) giống thủy tinh đã hình thành tại bề mặt cao su

silicone làm giảm quá trình phục hồi đặc tính không dính nước. Việc nghiên

cứu vòng đời gồm 2 giai đọan này với tác động của các yếu tố ngoại vi sẽ có

ý nghĩa trong việc phát triển và hoàn thiện công nghệ sản xuất cách điện

composite với lớp phủ silicone.

2.1. Những đặc tính của cao su silicone- polydimethylsiloxane

2.1.1 Mô tả chung

Cao su silicone Polydimethylsiloxane (PDMS) là loại polymer được sử dụng

50

phổ biến để sản xuất cách điện cao áp ngòai trời. Nó có cấu tạo như sau:

2.1.2 Công nghệ sản xuất Polydimethylsiloxane

Silicon dioxide (SiO2) được dùng để tách silicon bằng phản ứng với điện

cực carbon. Quá trình diễn ra theo phản ứng như sau:

Sau đó, khối cao phân tử được hình thành bởi quá trình polymer hóa.

2.1.3 Tạo polymer với kết cấu bắc cầu (crosslinked network)

Có hai phương pháp tạo kết cấu bắc cầu cho polymer: lưu hóa ở nhiệt độ cao

và lưu hóa ở nhiệt độ trong phòng.

Đối với trường hợp lưu hóa ở nhiệt độ cao (High temperature vulcanising),

cao su silicone rubbers được tạo các liên kết bắc cầu bằng cách phân hủy

peroxide tại nhiệt độ trên 100°C. Sau đó các radical được tạo ra từ peroxide

bị phân hủy sẽ kết hợp lại và tạo thành mối liên kết bắc cầu.

Đối với trường hợp lưu hóa tại nhiệt độ trong phòng, có hai phương pháp

được sử dụng. Phương pháp thứ nhất là dùng phản ứng ngưng tụ nhóm

silanol để tạo các mối liên kết siloxane với sự giải phóng nước:

Phương pháp thứ hai là phản ứng với sự tham gia của silicon hydrogen Si-H

với các liên kết carbon chưa bão hòa, thường là nhóm vinyl (-CH=CH2).

51

Phương pháp này cho phép kiểm sóat rất tốt mật độ liên kết bắc cầu:

2.1.4 Quá trình tạo thành cao su silicone phục vụ sản xuất cách điện cao áp

ngòai trời.

Để đáp ứng các yêu cầu về cách điện cao áp, ngòai những đặc tính sẵn có

của cao su silicone, người ta còn cho thêm các chất độn để gia tăng độ bền

cơ học, cho thêm aluminum trihydrate (ATH) để chống cháy vì bản thân

cao su silicon rất nhậy cảm với nhiệt độ cao, dễ gây cháy. Phản ứng để bổ

sung thêm ATH như sau:

2.2. Cách điện cao áp ngòai trời với thành phần cao su silicone

2.2.1 Ứng dụng của cách điện với thành phần cao su silicone

Cao su silicone, từ khi giới thiệu trong năm 1960, đã vững chắc

trên con đường đạt được thị phần từ cách điện sứ và thủy tinh như là các

cách điện cao áp ngòai trời. (Ví dụ như cách điện treo trên đường dây tải

52

điện, bushings, chống sét van và các đầu cáp lực...).

Hình 2.2. Cách điện treo composite cho DDK với thành phần cao su silicone

Cao su silicone có đặc tính không dính nước trên bề mặt, có dòng rò bề mặt

nhỏ và có khả năng chịu các tác động vật lý rất cao. Đó là những ưu điểm

nổi trội so với các loại cách điện truyền thống bằng sứ và thủy tinh. Ngòai

ra, trọng lượng nhẹ, đặc tính chịu được độ nhiễm bẩn cao cũng là những yếu

tố quan trọng của cách điện composite với lớp phủ cao su silicone.

2.2.2 Về vấn đề vận hành lâu dài trong hệ thống điện

Trọng tâm của vấn đề là đánh giá quá trình vận hành lâu dài trên hệ thống

điện của cách điện composite. Hiện tại, trên thế giới vẫn chưa có những tiêu

chuẩn cho việc thử nghiệm tăng tốc độ lão hóa cách điện polymer hoặc vật

liệu cách điện polymer mặc dù một vài nước, hoặc các trung tâm nghiên cứu

đang tiến hành xây dựng những tiêu chuẩn như vậy; chẳng hạn như IEEE,

IEC, CIGRE, American National Standards Institute (ANSI), National

53

Electric Manufacturers Association (NEMA).

Tuy nhiên, phương pháp đánh giá có hiệu quả nhất vẫn là theo dõi vận hành

của các cách điện composite trên hê thống điện qua nhiều năm. Một trong

những vấn đề cần phải quan tâm, đó là sự lão hóa bề mặt lõi cách điện làm

cho nước ngấm vào lõi sợi thủy tinh cách điện của cách điện composite.

Thêm nữa đó là sự lão hóa bề mặt cao su silicone có liên quan tới độ phục

hồi đặc tính không dinh nước trên bề mặt của chúng. Vào năm 1974, hai nhà

nghiên cứu Niemi and Orbeck đã đưa ra giả thuyết rằng sự phá hủy cách

điện polymer là do kết quả của quá trình rạn nứt gây nên bởi các phóng điện

trực tiếp xuất phát từ các dòng rò giá trị cao và đánh lửa tại các nơi đọng khô

bề mặt cách điện (dry band arcing). Giả thuyết này được tiếp tục phát triển

bởi các nhà nghiên cứu trên thế giới. Họ đã chỉ ra rằng sự lão hóa của bề mặt

cách điện cao su silicone ở ngòai hiện trường bắt đầu với sự mất đặc tính

không dính nước gây ra bởi đánh lửa tại các điểm đọng khô (dry band

arcing). Đánh lửa tại các nơi đọng khô bề mặt cách điện đã phá hủy bề mặt

cách điện bằng cách phân hủy chuỗi polymer và làm đóng vón các phần tử

độn trong polymer (filler), kết cục là gây ra hiện tượng rạn nứt và mất đặc

tính cách điện. Tuy nhiên, đánh lửa tại các điểm đọng khô (dry band arcing)

chỉ có thể phát sinh khi khả năng không dính nước của cao su silicone bị suy

giảm, bởi bề mặt có tính kỵ nước (không dính nước) thì sẽ không có dòng

rò. Và như vậy, có thể nói rằng phóng điện vầng quang – conrona trên bề

mặt cao su silicone – có đặc tính không dính nước – là cơ chế gây ra quá

trình lão hóa cách điện.

Phóng điện vầng quang và đánh lửa các điểm đọng khô là hai hiện tượng có

bản chất rất khác nhau bởi vầng quang sinh ra do điện trường cao trong khi

đánh lửa lại có liên quan tới dòng rò. Điện trường cao vượt quá ngưỡng ion

54

hóa không khí có thể phát sinh bởi trường không đồng nhất tại nơi giọt nước

(vầng quang gây ra bởi gịot nước đọng) hoặc tại các khiếm khuyết về mặt

hình dạng của cách điện do thiết kế. Các hậu quả của hiệu ứng vầng quang

đã được kiểm chứng với sự quan sát bề mặt bị lão hóa của cách điện cao su

silicone trước khi phát hiện bất cứ dòng rò nào có giá trị vượt quá 0.5mA.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy sự phá hủy bề mặt cách điện có thể tránh

được nếu bề mặt song song với trường điện không phải chịu cường độ

trường lớn hơn 0.4 – 0.6 kV/mm. Điều này có thể thực hiện được bằng cách

thay đổi sự phân bố trường – tức thay đổi về mặt hình dạng cách điện – bằng

các vòng triệt tiêu vầng quang (corona rings). Nếu như đặc tính không dính

nước của bề mặt bị mất đi do vầng quang, nước đọng sẽ tạo thành màng dẫn

điện bằng cách hòa tan trong nó các thành phần nhiễm bẩn có trong môi

trường, tiếp theo là đọng khô cục bộ rồi dẫn đến đánh lửa các điểm đọng khô

- dry band arcing. Điều này sẽ dẫn tới sự phá hủy bề mặt cách điện cao su

silicone. Quá trình này xảy ra trong thời kỳ ẩm ướt, sau đó ngừng lại ở thời

kỳ khô. Sự phục hồi đặc tính không dính nước khi đó sẽ xảy ra. Chu trình

này sẽ được lặp lại ở thời kỳ ẩm ướt và cuối cùng có thể sẽ xảy ra phóng

điện ở cách điện.

Các nhà nghiên cứu (Shah et al. ) đã đề xuất ra một cơ chế phóng điện khởi

nguồn từ sự tương tác giữa các giọt nước và các chất nhiễm bẩn trên bề mặt

cách điện tạo thành khu vực ngậm nước (hydrophilic) có tính dẫn điện.

Những dòng rò nhỏ này sẽ gây hiệu ứng nhiệt trên bề mặt giữa các khu vực

đó và tạo thành vùng dẫn điện lớn hơn với các kênh dẫn (filaments). Các

phóng điện cục bộ (phóng điện tự dập tắt - self-quenching discharges) giữa

các kênh dẫn được phát sinh từ những nơi trường không đồng nhất. Cuối

cùng, cách điện bị phá hủy khi có phóng điện dọc theo các kênh dẫn bị ướt.

55

Cơ chế này được thể hình 2.3a. Mẫu cách điện cao su silicone bị lão hóa với

đặc tính không dính nước không đồng nhất (inhomogeneous hydrophobicity)

– do lão hóa được thể hiện ở hình 2.3b. Mẫu này được sử dụng trên hệ thống

điện hơn 20 năm.

56

Hình 2.3. Mẫu cách điện cao su silicone bị lão hóa

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

3.1. Vật liệu

Vật liệu được dùng cho các nghiên cứu ở đây là cao su silicone nền PDMS

với một số tính chất khác nhau.

3.2. Các điều kiện thử nghiệm trong quá trình chịu tác động của các

phóng điện

3.2.1 Các phóng điện vầng quang

Hệ thống thử nghiệm được thiết lập gồm hai điện cực tròn gắn kết trong một

hộp thủy tinh đóng kín. Dạng hình học của điện cực trên đã được thiết kế để

đạt được sự đồng nhất điện trường trên vật thử. Hệ thống thử nghiệm và các

điện cực được thể hiện trên các hình 3.1 và 3.2. Điện cực tròn phía trên có

đường kính 87mm. Chiều dài của 7 kim phía trong cùng là 12mm, 12 kim

nằm giữa là 11mm và 12 kim nằm ngòai là 9mm. Đầu các kim này được

vuốt tròn với bán kính 56 µm ±4.2. Điện cực tròn phía dưới có đường kính

140mm và được nối đất. Điện áp thử nghiệm đặt vào có giá trị 20kV/50Hz.

Việc truyền các điện tích vầng quang được thực hiện qua các điện cực (thể

hiện bằng Watts) và được gọi là công suất của điện cực. Đối với thí nghiệm

này, có hai dạng cấu hình hê thống thử nghiệm được thực hiện. Các màng

mỏng PDMS hoặc là được đặt trực tiếp lên điện cực dưới, tạo công suất điện

cực khỏang 1.5W; hoặc được đặt lên một đĩa thủy tinh (dày 3mm, đường

kính 120mm). Dạng thử nghiệm thứ hai cho công suất điện cực vào khoảng

57

2.6W. Và dạng này được dùng cho thí nghiệm và phân tích các kết quả thu

được (trừ khi có hiệu ứng đặc biệt từ sơ đồ thử nghiệm với công suất điện

cực 1.5W).

Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm

58

Hình 3.2. Vị trí của các kim trên điện cực nhìn từ phía dưới lên Tất cả hệ thống được đặt trong một công-te-nơ kín nhằm điều chỉnh được nhiệt độ ổn định tại 22±2 °C. 3.2.2 Plasma tần số radio (RF)

Tác động của plasma tần số radio được tiến hành trong buồng phản ứng

dạng LCD-1200-400A hãng Shimadzu, Japan với dung tích khỏang 75x10-3

m3. Tác động được thực hiện với áp suất 26.6 Pa từ luồng ô-xy tinh khiết

với tốc độ thổi 4.37x10-6 m3 s-1. Tần số là 13.56 MHz và công suất là 40W.

Đĩa điện cực được quay nhằm tạo tính đồng nhất cho tác động của plasma

lên vật thử nghiệm.

3.2.3 Plasma vi sóng (MW)

Tác động của vi sóng (Microwave treatments) được thực hiện trong buồng

phản ứng V15-G với tần số vi sóng. Các thông số khác như sau: áp suất

27Pa với khí ô-xy tinh khiết hoặc không khí khô thổi với tốc độ 8.3x10-7 m3

s-1. Tần số 2.45 GHz và công suất 40 hoặc 100W.

3.3. Các phương tiện, thiết bị sử dụng để đo đạc xác định các đặc tính

của vật thử nghiệm

3.3.1 Đo góc tiếp xúc - Contact angle measurements

Ramé Hart goniometer được sử dụng để đo góc tiếp xúc của giọt nước với

bề mặt cách điện. Các phép đo được thực hiện với cây kim vẫn được giữ

nguyên trong giọt nước.

3.3.2. Cân bằng Wilhelmy

Góc tiếp xúc động được đo bằng Tensiometer Sigma 70 (KSV Instruments,

Finland) với điều khiển tự động hòan tòan qua máy tính.

3.3.3 Hệ thống máy quang phổ và hiển vi điện tử được sử dụng trong thực

nghiệm:

- Reflection infrared spectroscopy (IR)

- X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)

59

- Scanning Electron Microscopy (SEM)

- Atomic Force Microscopy (AFM)

3.3.4 Các phép đo phản xạ neutron - Neutron reflectivity measurements

3.3.5 Kính hiển vi quang học - Optical microscopy

Hình 3.3. Kính hiển vi quang học 3.3.6 Size exclusion chromatography (SEC) 3.3.7 Gas chromatography – mass spectrometry (GC-MS)

Các phần phân tử gam thấp được phân tích bằng GC-MS, bằng cách sử dụng

sắc ký khí Finnigan GCQ khí chromatograph / mass spectrometer (chế độ

EI)

3.4. Các kết quả thực nghiệm

3.4.1. Sự mất mát và phục hồi tính kỵ nước: các phóng điện

Sự mất đi và phục hồi lại đặc tính kỵ nước – tính không dính nước do bị

phóng điện bề mặt (vầng quang hay plasma) đã được nhiều nhà nghiên cứu

trên thế giới phân tích, đánh giá. Đó là những quá trình diễn ra rất phức tạp

bởi cao su silicone đồng thời cùng một lúc bị tác động của một loạt các hiệu

60

ứng: bức xạ, ion, điện tử, ozzone, tia cực tím.v.v...Thêm vào đó, các hiệu

ứng đó còn phụ thuộc vào bản chất cấu trúc vật liệu và các thành phân có

trong vật liệu. Có thể nhận định một cách tổng quát về tác động của vầng

quang/plasma lên cao su silicone như sau: (1) làm tăng lượng oxy trên bề

mặt do sự hình thành các nhóm silanol và carbonyl; (2) tạo các liên kết ôxy

hóa bắc cầu (oxidative crosslinking); (3) lão hóa tổng thể cấu trúc vật liệu.

Năm mẫu PDMS đã được chuẩn bị cho nghiên cứu mức độ phục hồi tính kị

nước, đồng thời các tính chất cơ học của lớp bề mặt giống thuỷ tinh silica

cũng được nghiên cứu. Cái chữ viết tắt được sử dụng cho PDMS , chỉ khác

nhau trong mật độ liên kết (/ MC) như sau: P0.7: MC = 700 g mol-1; P8: MC = 7500 g-mol -1; P12 MC = 11 600 g mol-1; P17: MC = 16 500 g mol-1 và P38: MC = 38 300 g mol-1. Các vật liệu đã bị phóng điện vầng quang

hoặc plasma không khí. Phóng điện -plasma không khí đã được sử dụng để

nghiên cứu ảnh hưởng của phóng điện bề mặt với một cường độ cao (100W)

trên mức độ oxi hoá bề mặt và sự phục hồi tính kị nước sau đó.

Chi tiết được trình bày tiếp tại các phần tiếp theo.

3.4. 2 Sự mất đi đặc tính không dính nước

Đặc tính bề mặt không dính nước của cao su silicone đã bị mất đi một cách

tạn thời do bị oxy hóa bề mặt trong khi bị bị tác động của vầng quang trong

không khí, sóng rađio (RF), microwave hoặc xử lý bằng plasma.

Quá trình ôxy hóa đã tạo ra các kết cấu phi hữu cơ như SiOx và các nhóm

silanol phân cực trên bề mặt cách điện. Quá trình được thể hiện qua những

61

phản ứng sau đây:

Sự hình thành nhóm hydroxyl (Si-CH2OH) và peroxides (Si-CH2OOH) bởi

phản ứng giữa nguyên tử oxy bị kích thích và cao su silicone theo phương

trình 1và 2 (Scheme 1 &2):

62

Hình 3.4. Các phản ứng oxy hóa

Hình 3.5. Sự ngưng tụ các nhóm silanol, tạo thành nhóm bắc cầu oxygen

Các nghiên cứu về cao su silicone sau khi bị tác động của các thí nghiệm với

sương muối (salt-fog) dưới điện trường cao với quan sát bằng quang phổ

hồng ngoại và quang phổ tia X đã cho thấy rằng sự tác động trong thí

nghiệm đã làm giảm lượng carbon từ 51% xuống còn 44% đồng thời lượng

oxy tăng từ 23% lên 33%. các nhóm SiOx đã hình thành thành một lớp trên

bề mặt cách điện.

Khi cao su silicone bị tác động của oxygen-plasma hoặc vầng quang thì các

hiệu ứng tương tự cũng xảy ra và tạo thành các nhóm silanol (Phương trình

3, Hình 3.4).

Các nguyên tử silicon dương cực sẽ phản ứng với các nguyên tử oxy âm cực

mạnh hơn là phản ứng với các nguyên tử carbon có tính âm cực yếu hơn.

Như vậy, các nguyên tử Si sẽ tạo thành nhóm bắc cầu Si-O-Si (crosslinks

SiOx). Sự ngưng tụ của các nhóm silanol cũng sẽ gây nên sự hình thành

SiOx. Quá trình này được thể hiện trên hình 3.5.

Thêm vào đó, các phóng điện vầng quang sẽ làm sinh ra các sản phẩm như

63

NOx, HNO2 và HNO3 và chúng sẽ hòa tan vào nước hiện diện trên bề mặt

của cao su silicone. Nước mang tính axit này có thể sẽ ảnh hưởng tới quá

trình điện ly các chuỗi polymer trên bề mặt cách điện.

3.4.3. Sự phục hồi đặc tính kỵ nước ( không dính nước)

Cũng với các mẫu thử nghiệm mô tả tại phần 3.4.1,

mô phỏng mức độ phục hồi tính kị nước sau khi bị phóng điện vầng quang

đã được nghiên cứu bằng cách phóng điện vầng quang ba mẫu khác nhau

của P17 tới 1h. Các mẫu bị phóng điện theo 3 cách khác nhau.

Góc tiếp xúc đo đựơc thường ở trong khoảng tin cậy của khuôn khổ góc tiếp

xúc. Vật liệu sau đó bị phóng điện vầng quang trong thời gian 0,5 h, 1 h

hoặc 3 h để nghiên cứu ảnh hưởng của các mật độ liên kết ngang đến khả

năng phục hồi tính kị nước sau đó. Quan sát chỉ ra rằng sự phục hồi đã được

khôi phục độc lập với mật độ liên kết ngang của các vật liệu bị phóng điện

vầng quang 0,5 h. Đối với các vật liệu bị phóng điện vầng quang 1 h, tỷ lệ

phục hồi tăng với tăng mật độ liên kết ngang .Mức độ phục hồi của vật liệu

bị phóng điện vầng quang trong 3 h tương tự với vật liệu bị phóng điện 1 h,

tức là tỷ lệ phục hồi tăng với tăng mật độ liên kết . Sự phân tán trong số liệu

góc tiếp xúc tuy nhiên rộng hơn sau khi phóng điện vầng quang 3 h . Độ trễ

trực tiếp chỉ là 2-5 ° sau khi phóng điện vầng quang và nó sẽ tăng dần với

thời gian phục hồi ~ 10 °. Hiện tượng trễ nhỏ trong mẫu mới bị phóng điện

phản sự di chuyển theo khối chậm của lớp bề mặt đã bị oxy hoá.

Sự phục hồi tính kị nước của các vật liệu bị phóng điện không khí-plasma

cường độ cao hơn so với vầng quang cho thấy không có sự phụ thuộc hệ

thống vào mật độ liên kết ngang của vật liệu tại bất kỳ liều lượng được sử

dụng nào (30-720 s airplasma). Thời gian để phục hồi lại tính kị nước ban

64

đầu đối với các mẫu bị phóng điện không khí-plasma ngắn hơn là các mẫu

bị phóng điện vầng quang. Hơn nữa sự khác biệt trong thời gian phục hồi

giữa nguyên vật liệu khác nhau tăng nhanh chóng với việc tăng liều phóng

điện không khí-plasma. Hiện tượng trễ góc tiếp xúc là 2-5° trực tiếp sau khi

bị phóng điện không khí-plasma và tăng dần dần với thời gian phục hồi để

cuối cùng đạt đến 25°.

Sự phụ thuộc nhiệt độ :

Sự phụ thuộc nhiệt độ của việc phục hồi tính kị nước đã được nghiên cứu

bằng sự lão hóa của vật liệu bị phóng điện tại bốn nhiệt độ khác nhau (từ 22-

114° C). Việc phục hồi tính kị nước của tất cả các vật liệu bị phóng điện

Corona cho thấy một sự phụ thuộc nhiệt độ Arrhenius. Sơ đồ Arrhenius biểu

diễn trong Hình 3.6 thu được bởi các logarithm của thời gian tương hỗ để

đạt r = 70 ° so với nhiệt độ tương hỗ. Số liệu mức phục hồi cho một loạt các

vật liệu bị phóng điện Corona 1 h được biểu diễn.

Hình 3.6: Quan hệ

tương hỗ của logarithm thời gian để tiến tới góc tiếp xúc sau ở 70 ° sau 1h

phóng điện Corona: P0.7 ((cid:31)), P8 (?), P12 (∆) P17 (?) và P12 biến dạng đến

65

15% sau khi bị phong điện((cid:31))

Các mẫu đã bị biến dạng đến 15% căng để gây ra một

fragmentation lớp bề mặt cho thấy sự tăng mức phục hồi gần 2 order biên độ (Hình 3.6). Năng lượng hoạt hoá có dải giữa 30 và 60 kJ mol-1 với mức trung bình là 42 kJ mol-1 và một dung sai tiêu chuẩn là 10 kJ mol-1..Năng

lượng hoạt hoá độc lập với mật độ liên kết chéo (trung bình gồm tất cả các lần phóng điện): P0.7: 43 kJ mol-1; P8: 45 kJ mol-1; P12: 41 kJ mol-1; P17: 41 kJ mol-1; P38: 35 kJ mol-1) và thời gian bị phóng điện Corona (trung bình

± dung sai tiêu chuẩn): 40 ± 8 kJ mol-1 (0,5 h); 49 ± 10 kJ mol-1 (1 h); 42 ±

13 kJ mol-1 (3 h). Các mẫu biến dạng đến 15% sức căng cho thấy năng

lượng hoạt hoá tương tự, trung bình dung sai ± theo tiêu chuẩn: 38 ± 8 kJ mol-1. Điều này chỉ ra rằng cùng một cơ chế đã thống trị, mặc dù các vết đứt

gãy đã được khởi tạo trong lớp giống silic. Các mẫu bị phóng điện không

khí-plasma cho thấy sự sai khác rất rõ rệt so với luật Arrhenius.

Hình 3.7: Quan hệ tương

hỗ của logarithm thời gian để tiến tới góc tiếp xúc sau ở 70 ° sau 180 s

phóng điện không khí-plasma. Vật liệu: P8.

Tất cả các dữ liệu đều phù hợp với dạng đường cong thể hiện ở hình 3.7 với

độ dốc nghiêng ở nhiệt độ thấp và một đường thẳng phẳng tại nhiệt độ cao

66

hơn.

Sự phục hồi đặc tính không dính nước của cao su silicone xảy ra sau khi bị

tác động của vầng quang/plasma. Quá trình phục hồi này cũng rất đa dạng và

phức tạp liên quan tới một loạt quá trình điện hóa. Một số quá trình có thể

được trình bày như sau:

1. Quá trình định hướng lại các nhóm phân cực tại bề mặt cách điện thành

một búi.

2. Sự ngưng tụ các nhóm silanol tại bề mặt

3. Sự nhiễm bẩn bề mặt ngoài cách điện

4. Sự thay đổi độ sần sùi bề mặt cách điện

5. Sự mất đi các thành phần giàu oxy vào không khí

6. Sự dịch chuyển các nhóm có trọng lượng phân tử thấp thành một búi và ra

bề mặt cách điện.

Tính mềm dẻo của cao su silicone không bị oxy hóa hoặc bị oxy hóa nhẹ đã

tạo ra sự định hướng lại rất nhanh của các nhóm phân cực. Lực tác động ở

đây đối với sự hồi phục tính chất không dính nước là sự giảm thiểu năng

lượng bề mặt. Tuy nhiên, các nghiên cứu cho thấy rằng nhiễm bẩn bên ngòai

bề mặt cách điện không gây nên sự phục hồi khả năng kỵ nước của cao su

silicone. Chính sự dịch chuyển của một lượng cao su silicone với trọng

lượng phân tử thấp từ các búi ra ngòai bề mặt là cơ chế chính của sự hồi

phục tính kỵ nước (không dính nước) của cách điện cao su silicone PDMS.

Quá trình phục hồi đặc tính không dính nước được tổng kết ở hình 3.8. Một

lớp giống như silica có tính ngậm nước đã được hình thành trên bề mặt trong

quá trình bị tác động của vầng quang/plasma. Lớp phủ này ngăn ngừa sự

67

khuyếch tán những lượng PDMS (silicone) có trong lượng phân tử thấp ra

ngòai bề mặt, và kết quả là gây ra tốc độ phục hồi thấp cho đặc tính kỵ nước

vốn có của cao su silicone. Tuy nhiên, sự phá vỡ lớp phủ bề mặt SiOx sẽ làm

tăng tốc độ hồi phục đặc tính không dính nước.

Hình 3.8. Mô tả quá trình dịch chuyển của các siloxan trọng lượng phân tử

thấp qua (a) lớp SiOx bị phá vỡ (b) bề mặt lớp phủ SiOx

3.4.4. Sự lão hóa nhiệt của cao su silicone PDMS

Các hiện tượng xảy ra với cách điện cao su silicone như nhiệt phát sinh tử

các phóng điện, vầng quang là tương đối giống nhau. Chúng gây ra các hiện

68

tượng phá vỡ kết cấu chuỗi polymer.

Hình 3.9. Những quá trình phản ứng cắt đứt chuỗi liên kết polymer 3.4.5. Ảnh hưởng yếu tố môi trường tới đặc tính kỵ nước - hydrophobicity

Trong quá trình vận hành, cao su silicone chịu sự tác động của nước dưới

dạng mưa, sương, của các tia cực tím từ ánh nắng mặt trời. Sựu ảnh hưởng

của những yếu tố này được trình bày tại các phân dưới đây.

3.4.5.1 Tác động của nước

Sự tăng trọng lượng của PDMS nguyên chất ngâm trong nước tinh khiết tại

nhiệt độ phòng là Η 0.07 wt.%88. Nhưng cao su silicone PDMS với các chất

độn thêm đã hút nước nhiều hơn so với PDMS nguyên chất. Các thực

nghiệm cho thấy cách điện PDMS ngâm lâu trong nước dần dần sẽ đánh mất

69

tính không dính nước của mình. Quá trình này chủ yếu là do hiện tượng

hydratisation kết cấu khung của cao su silicone, do hiện tượng thủy phân kết

cấu siloxane tạo thánh các nhóm ngậm nước silanol hoặc do sự phá hủy bề

mặt, các chất độn ở phía bề mặt.

3.4.5.2 Các tia bức xạ cực tím UV

Cao su silicone PDMS không hấp thụ các tia UV trong quãng 300-400 nm.

Nói chung, các nghiên cứu cho thấy, các bức xạ tia cực tím từ mặt trời làm

70

tăng độ không dính nước của cao su silicone.

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

CÁCH ĐIỆN COMPOSITE TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

4.1. So sánh cách điện gốm truyền thống với cách điện composite

(polymer)

Lịch sử:

Cuối những năm 1950: cách điện composite trọng lượng nhẹ NCI được cho

là cần thiết cho các DDK 1000 kV

Năm 1959: GE lần đầu tiên phát triển cách điện composite, nhưng gặp vấn

đề với lão hóa epoxy.

Đầu thập niên 1960: Europeansintroduce lần đầu tiên giới thiệu cách điện

composite hiện đại với lõi sợi thuỷ tinh

Những ưu điểm của cách điện composite so với cách điện gốm sứ:

Giảm 90% trọng lượng giảm

Giảm hư hỏng do bị vỡ

Chi phí lắp đặt thấp hơn

Bề ngoài thân thiện, dễ chịu

Nâng cao chất lượng để kháng với những tải cơ học

Nâng cao chất lượng xử lý quá tải

Nâng cao chất lượng cách điện

71

Nâng cao hiệu quả hoạt động chống nhiễm bẩn

4.2. Ứng dụng cách điện composite tại hệ thống điện Việt Nam

Từ khi tuyến đường dây tải điện 500kV Bắc Nam được đưa vào vận hành,

nhiều công nghệ và thiết bị hiện đại, tiên tiến đã được giới thiệu và một phần

đưa vào sử dụng trong hệ thống điện Việt Nam trong đó có cách điện

composite.

Tuy nhiên, đối với điều kiện vận hành của Việt Nam với đặc thù khí hậu

nóng ẩm, nắng nhiều, mưa và dông sét nhiều, việc đưa cách điện composite

vào sử dụng, cụ thể trên các đường dây tải điện còn gặp nhiều trở ngại với

một số nguyên nhân chính như sau:

a) Khả năng chịu đựng khí hậu nói chung là khắc nghiệt của Việt Nam

của cách điện composite chưa được kiểm chứng một cách rõ ràng.

Nhất là độ lão hóa do các điều kiện bên ngòai cũng như đ/k vận hành.

b) Các số liệu thống kê về sự cố vận hành do sứ composite, tuổi thọ của

cách điện composite cũng chưa được rõ ràng vì đòi hỏi thời gian dài

vận hành.

c) Trong sửa chữa, bảo dưỡng, cách điện bằng composite có những ưu

điểm nổi trội như nhẹ, dễ dàng thao tác trong lắp đặt nhưng lại mặt

yếu là khó phát hiện chỗ hư hỏng (nứt mẻ, gãy...) bằng mắt thường so

với cách điện bằng thủy tinh hoặc gốm sứ. Điều này dẫn đến những

khó khăn nhất định trong vận hành, bảo dưỡng sửa chữa, phát hiện và

khắc phục sự cố đường dây.

d) Yếu tố giá cả cũng là một vấn đề đáng quan tâm mặc dù những năm

gần đây, giá thành sản xuất cách điện composite cũng đã có giảm đi

72

so với các loại cách điện khác.

Hiện nay, cách điện composite đang được sử dụng chủ yếu trên các tuyến

đường dây thuộc lưới điện phân phối 22kV tại các Điện lực tỉnh, chủ yếu tập

trung tại các tỉnh phía Bắc như Hà Giang, Lào Cai, Lạng Sơn. Ngòai ra, rải

rác tại các Điện lực tỉnh Nghệ An, Hà Tĩnh, một số tỉnh Nam Bộ.v.v...Tuyệt

đại đa số các cách điện composite đang được sử dụng trên lưới 22kV này

đều là sản phẩm nhập từ Trung Quốc do các cơ sở sản xuất của Trung Quốc

thiết kế và chế tạo với thành phần cao su silicone nhập ngọai từ Mỹ hoặc các

nước châu Âu.

Về chất lượng của các cách điện composite trên lưới phân phối, hiện tại

chưa có số liệu thống kê cụ thể và chi tiết bởi chúng mới được đưa vào lưới

khỏang 5 năm gần đây. Cá biệt có một số tuyến 22kV ở Hà Giang với cách

điện composite đã vận hành gần 10 năm nhưng cũng không phát hiện có

những khiếm khuyết trầm trọng.

Hiện tại, trên lưới truyền tải điện của hệ thống điện Việt Nam mới có tuyến

110kV và 220kV Bà Rịa – Phú Mỹ sử dụng cách điện composite. Tuyến Phú

Mỹ Bà Rịa 110kV: khỏang 5 năm, 220kV khỏang 2 năm, các số liệu thống

kê hiện đang được thu thập.

4.3. Một số sản phẩm cách điện composite được chào bán trên thị

trường Việt Nam

a) Cách điện composite DTR của hãng Dong Woo sản xuất

Do Công ty cổ phần xây lắp công nghiệp 68 cung cấp với những giới thiệu

• Độ bền cơ khí cao.

73

đặc tính mà chuỗi cách điện bằng silicon mang lại:

• Lực bẻ gãy tại 1 điểm cao với kích thước nhỏ.

• Chống được sự va đập, thậm chí cả khi dùng súng ngắn để thử.

• Giảm trọng lượng so với cách điện truyền thống từ 10 đến 300 lần.

• Chi phí vận chuyển giảm.

• Chi phí đóng gói và lưu kho giảm.

• Chi phí lắp đặt giảm.

• Kết cấu giá đỡ nhẹ hơn.

• Khoảng cách dòng rò lớn hơn với cùng một khoảng cách phóng điện.

• Điện áp có thể gây phóng điện cao hơn trong môi trường ô nhiễm.

• Khả năng chống được hồ quang điện cao hơn.

• Chống được tia cực tím, bào mòn.

• Khả năng tự làm sạch bề mặt.

• Thích ứng cho mọi môi trường hoạt động (kể cả môi trường có nhiều

muối, axit, bụi bẩn).

Thông số kỹ thuật chuỗi cách điện DTR:

Các chỉ số DTR

Điện áp danh 15KV 25KV 35KV 110KV 220KV định

Kích thước

330 445 540 1220 2130 giữa 2 tâm lỗ

(mm) Kích

thước Chiều dài dòng 439 647 880 3150 5650 dò (mm)

Đường kính 15.87 16.1 16.17 16 16 chốt (mm)

74

Khoảng cách 215 268 356 1035 1940

điện cách

(mm)

Độ bền Khô 100KV 150KV 170KV 230KV 395KV

điện áp

tần số Thông Ướt 70KV 115KV 140KV 200KV 350KV công số kỹ nghiệp thuật Thử Dương 180KV 235KV 255KV 550KV 1000KV

xung Âm 260KV 320KV 345KV 645KV 1100KV điện áp

75

7.000KN 7.000KN 7.000KN 7.000KN 7.000KN Lực kéo phá 10,000KN 10,000KN 10,000KN 10,000KN 10,000KN huỷ Chỉ số 12.000KN 12.000KN 12.000KN 12.000KN 12.000KN cơ học Số lượng tán 4 6 8 24 48 chuỗi

76

Bản kiểm nghiệm chuỗi cách điện

77

b) Cách điện composite do Công ty composite Sao Đỏ chào bán

- Sứ chuỗi cách điện Silicon-Polyme 24kv,35kv

- Sứ đứng Epoxy dùng làm cầu giao,cầu chì,các loại thiết bi đóng,ngắt

trong cac' bộ thiết bị điện gồm sứ 35kv loại vành to,nhỏ.24kv loại

vành to, nhỏ.Sứ 15kv.Sứ 10kv

- Sứ đỡ thanh xà,thanh cái bằng vật liệu silicon

78

- Sứ dùng trong các bộ thiết bị điện bằng vất kiệu silicon

KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu phân tính của toàn bộ nội dung đề tài đã được trình bày ở

trên ta có thể rút ra một số kết luận sau đây:

1. Việt Nam nằm trong một vùng khí hậu nhiệt đới, các cách điện đặt

ngoài trời nên luôn chịu tác động của môi trường như: mưa, gió, nắng, bão,

lụt, sương muối, hơi nước muối biển, nhiễm bẩn công nghiệp, bão cát, bão

xoáy nhiệt đới v.v... . và đặc biệt nhiệt độ, độ ẩm thường rất cao. Chính các

yếu tố môi trường này tác động liên tục làm thay đổi cấu trúc của vật liệu

nói chung và vật liệu điện nói riêng, làm sai lệch các chế độ vận hành bình

thường, làm hư hỏng dần các cấu trúc cách điện.

2. Để sử dụng và vận hành một cách tối ưu, đem lại hiệu quả kinh tế

và an tòan cho công tác vận hành hệ thống điện, việc nghiên cứu đánh giá

các đặc tính cách điện của các chủng loại cách điện trong đó cách điện

composite là một việc cần thiết.

3. Cách điện composite, từ khi giới thiệu trong năm 1960, đã chiếm

lĩnh một vị trí vững chắc trong thị phần cách điện từ cách điện sứ và thủy

tinh như là các cách điện cao áp ngòai trời. Lớp phủ bề mặt cao su silicone

của cách điện composite có đặc tính không dính nước trên bề mặt, có dòng

rò bề mặt nhỏ và có khả năng chịu các tác động vật lý rất cao. Đó là những

ưu điểm nổi trội so với các loại cách điện truyền thống bằng sứ và thủy tinh.

Ngòai ra, trọng lượng nhẹ, đặc tính chịu được độ nhiễm bẩn cao cũng là

những yếu tố quan trọng của cách điện composite với lớp phủ cao su

silicone.

Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy Một trong những lợi thế của cách

điện cao su silicone - polydimethylsiloxane (PDMS) là đặc tính kỵ nước

79

(tính không dính nước - hydrophobic) trên bề mặt của nó. Đối với các cách

điện bằng sứ và thủy tinh, nước luôn tạo thành một mặt màng mỏng bám

trên bề mặt cách điện mang tính chịu nước (bám nước - hydrophilic). Khi có

hiện tượng nhiễm bẩn, tức các màng nước này mang yếu tố nhiễm bẩn, dòng

rò trên bề mặt sứ sẽ tăng lên, dẫn tới nguy cơ phóng điện trên bề mặt sứ cách

điện. Bề mặt không dính nước của cao su silicone đã ngăn ngừa không cho

tạo ra một màng nước nhiễm bẩn như vậy trên bề mặt của nó (cách điện

composite phủ cao su silicone). Cao su silicone lại có một khả năng độc đáo

– đó là sự hồi phục khả năng không dính nước sau khi bị phóng điện bề mặt

bới vầng quang/plasma. Quá trình phục hồi đặc tính không dính nước được

diễn ra bới một lớp giống như silica có tính ngậm nước đã được hình thành

trên bề mặt trong quá trình bị tác động của vầng quang/plasma. Lớp phủ này

ngăn ngừa sự khuyếch tán những lượng PDMS (silicone) có trong lượng

phân tử thấp ra ngòai bề mặt, và kết quả là gây ra tốc độ phục hồi thấp cho

đặc tính kỵ nước vốn có của cao su silicone. Tuy nhiên, sự phá vỡ lớp phủ

bề mặt SiOx sẽ làm tăng tốc độ hồi phục đặc tính không dính nước.

4. Việc 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) là một bước đầu

tiên trong một chương trình nghiên cứu & triển khai liên quan tới công nghệ

chế tạo vật liệu và thiết bị cách điện bằng composite. Những bước tiếp theo

cần phải tiến hành là:

- Thống kê và phân tích đánh giá tòan bộ hiện trạng vận hành của các

cách điện composite trên hệ thống điện Việt Nam qua các dữ liệu thu thập

được từ trước đến nay

- Kết hợp với kết quả nghiên cứu của đề tài này để phân tích xác định

đúng những ưu điểm và nhược điểm thực tế khi sử dụng cách điện

80

composite trên lưới điện Việt Nam

- Xây dựng đặc tính cách điện cho cách điện composite vận hành

trong điều kiện lưới điện Việt Nam

- Tiếp cận công nghệ sản xuất cách điện composite, có thể tiến hành

sản xuất thử dạng pilot để thử nghiệm vận hành

- Tiến tới liên danh hoặc có thể doanh nghiệp Việt Nam tự lực nhập

81

công nghệ sản xuất đại trà.

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC 1

Cấu tạo và tính chất lý hoá của nhựa epoxy

a. Các tính chất lý học

Trong các chất dẻo, một số các loại nhựa sau đây thường được sử dụng

làm vật liệu nền cho VậT LIệU COMPOSITE:

- Nhựa Polyester không no

- Nhựa Epoxy - EP

- Nhựa Phenol

- Nhựa Melamin

- Nhựa Silikon và một số loại nhựa khác.

Trong các loại nhựa thường hay chọn làm vật liệu nền cho vật liệu

composite, nhựa EP được dùng với phạm vi rộng nhất do có nhiều ưu điểm

nổi bật so với các loại nền nhựa khác [27]. Khi cần sử dụng loại Vật liệu

composite nền nhựa có các tính chất cách điện tốt, [25, 26] tính cơ học cao ngay cả ở nhiệt độ trên 1000C, người ta sẽ nghĩ ngay đến việc chọn EP làm

vật liệu nền. Đặc biệt EP có tính bám dính rất tốt đối với rất nhiều loại vật

liệu. So với các loại nhựa khác, EP có độ co ngót sau khi đóng rắn thấp, vì

vậy Vật liệu composite sau khi chế tạo xong có ưu điểm lớn là ứng suất dư

nhỏ, kích thước sản phẩm ít bị thay đổi. Thực tế cho thấy Vật liệu composite

nền nhựa EP sẽ đạt được độ bền cơ học tuyệt vời nếu chọn được loại nhựa

EP có tính chất cơ học và có độ bám dính với bề mặt sơn thật tốt [28]. Tuy

nhiên, các tính chất cơ học của nhựa EP và độ bám dính với bề mặt sợi lại

phụ thuộc vào công nghệ chế tạo Vật liệu composite và một số chất khác

82

như: chất tăng cường bám dính, chất làm mền, chất đóng rắn.vv…So với

nhựa Polyester, EP có độ co ngót nhỏ, độ bám dính tốt, khả năng phủ màng

tốt cho nên trong lòng Vật liệu composite ít hình thành các mao mạch và lỗ

hổng dọc sợi, đây là những ưu điểm đối với vật liệu cách điện, chính vì vậy

mà vật liệu composite được sử dụng rộng rãi trong ngành kỹ thuật điện [29].

Trước khi làm vật liệu nền cho Vật liệu composite, nhựa EP ở một trong hai

dạng sau:

- Dạng lỏng loãng với độ nhớt thấp hoặc lỏng đặc sệt với độ nhớt

cao

- Dạng rắn như thuỷ tinh.

Ở các loại EP bình thường, với nhiệt độ phòng và tuỳ theo trạng thái

lỏng loãng, lỏng đặc, đặc, đặc sệt và rắn mà màu của EP cũng thay đổi từ

vàng nhạt, vàng, vàng đậm, nâu đến nâu đậm. Tỷ trọng của các nhựa EP

trong khoảng 1,14 – 1,2.

b. Cấu tạo hoá học của nhựa EP.

- CH - CH2 O

Trong cấu trúc nhựa EP bao giờ cũng có ít nhất từ 2 nhóm EP

trở lên

Đây là nhóm rất nhạy cảm với phản ứng và là phần hoạt động cơ bản

của tất cả các loại nhựa EP. Nhóm này tham gia chủ yếu vào cấu trúc của

nhựa EP. Vì vậy, khi nói đến nhựa EP người ta nhớ đến ngay nhóm nhạy

cảm này. Nhựa EP được sản xuất công nghiệp đầu tiên là nhựa

R - O - CH2 - CH - CH2

O

Polyglycidylether với cấu trúc hoá học sau:

(1-1)

Theo cách chế tạo và tuỳ theo các nhóm Glycidyl có trong nhựa mà

người ta phân biệt trong các loại nhựa EP khác nhau thành 2 nhóm [27],

83

[28].

• Nhóm thứ nhất được sản xuất có sử dụng Epohalogenhydrin (gọi

chung là Epochlorhydrin) vì vậy mà nhóm này có nhóm EP đứng ở

cuối.

• Nhóm thứ 2 được sản xuất qua việc epoxy hoá các hợp chất không no

vì vậy mà các nhóm epoxy của nó có thể đứng giữa. Qua các vị trí

khác nhau của các nhóm EP (trong công thức phân tử hoá học) mà cả

2 loại nhóm nhựa EP cũng được phân biệt bởi liên kết trong quá trình

đóng rắn [27, 28].

Cấu tạo và sự hình thành của nhựa EP thuộc nhóm 1

Các loại nhựa EP được dùng phổ biến trên thị trường thế giới là các

nhựa Polyglycidylether. Các loại nhựa này được sản xuất thông qua việc

biến đổi các Polyphenol và Epichlorhydrin. Trong môi trường giàu kim loại

kiềm sau khi tách HCl.

Chất Polyphenol thường được dùng nhất là Bisphenol A. Chất

Bisphenol A có thể điều chế được qua việc trùng ngưng từ Aceton và phênol

H H H H - C - C - C - H

Cl O

trong môi trường axit. Chất Bisphenol A còn được gọi là Dian

CH3

HO - - C - - OH CH3

Epochlorhydrin (1.2)

Bisphenol A hay Dian (Polyphenol) (1.3)

Tuỳ theo mục đích sử dụng như cần độ nhớt của nhựa EP cao hay

thấp mà người ta thay 1-2 Mol Epichlorhydrin bằng Mol Bisphenol A (có

nghĩa thay đổi tỉ lệ Mol của Bisphenol A sang Epochlohydrin) người ta sẽ

nhận được loại nhựa EP với nhiều hoặc ít đại phân tử mà công thức tổng

quát của nó được biểu diễn qua công thức (1-4). Điều đó có nghĩa các loại

84

nhựa EP có thể có khối lượng phân tử hoàn toàn khác nhau.

H H H

CH3

CH3

H H H - O - C - C - C - O -

- C - C - C - H

H H H H - C - C - C - O -

CH3

CH3

H

H

O

O

O

n

(1-4)

Từ công thức cấu tạo hoá học trên ta thấy ngoài các nhóm EP còn có

các nhóm Hydroxyl và đặc biệt là các nhóm Ether rất ì với phản ứng. Các

nhựa EP có phân tử tương đối thấp với n =2 – 4 có thể tự phủ mạng qua các

nhóm EP trong khi các nhựa EP có phân tử cao hơn cần phải qua nhóm

Polyole. Các Polyole có các phản ứng đóng rắn được thực hiện qua việc đổi

chỗ (hoặc thay thế) bởi nhóm EP và nhóm Hydroxyl. Nếu dùng các phenol

có giá trị cao hơn ta sẽ có loại nhựa EP có khả năng phủ mạng tốt hơn và khi

đóng rắn các phản ứng đóng rắn sẽ diễn ra thường nhanh hơn.

Sự hình thành của nhựa EP thuộc nhóm 2:

Phương pháp hình thành nhựa EP thuộc nhóm 2 là phương pháp Epoxy hoá.

bằng cách biến đổi các hợp chất không no cùng với các axit thông qua việc

phân chia các liên kết đôi. Tại vị trí liên kết đôi bị phá vỡ, các nhóm EP sẽ

được hình thành. Cụ thể qua việc Epoxy hoá củ Polybutadien, nhựa

polyepoxy được hình thành.

c. Cơ chế hình thành đóng rắn của nhựa EP

Khái niệm đóng rắn ở đây chính là sự tạo màng không gian 3 chiều (3D) của

nhựa EP trong quá trình chế tạo Vật liệu composite.

Các nhóm EP rất thích tác dụng với các nhóm Amin, Anhydrid hoặc với các

nhóm Carboxyl. Đó là nhóm có chức năng hình thành kết cấu mạng của

nhựa EP. Khi quá trình tạo màng không gian 3D của nhựa EP hoàn thành,

điều đó có nghĩa lúc đó nhựa EP đã được đóng rắn xong. Thông thường việc

hình hành kết cấu mạng của nhựa EP được diễn ra qua phản ứng trùng hợp

(addition). Quá trình nối ghép các nguyên tử Hydro với các nhóm EP diễn ra

85

theo công thứ sau:

- CH - CH2 - A

+ HA

- CH - CH2

OH

O

(1-5)

Ngoài ra các nhóm EP còn có khả năng Polymer hoá. Chất khởi

xướng quá trình Polymer hoá được dùng ở đây là Bortrifuorid. Theo [27, 29]

để có thể xuất hiện được một cấu trúc không gian 3D thông qua phản ứng

trùng hợp (addition) thì số tay với của hệ phải lớn hơn 2. Nếu các nhựa EP

có 2 tay với (nhựa EP với 2 nhóm EP trong cấu tạo phân tử) cần được đóng

rắn thì phải sử dụng chất đóng rắn nhiều tay với, có nghĩa chất đóng rắn phải

có hơn 2 nhóm phản ứng trong cấu tạo phân tử. Ở các loại nhựa EP với số

tay với lớn hơn 2 (VD loại nhựa EP được hình thành từ gốc Novolak –

polyphenol) thì mạng không gian 3D chỉ có thể hình thành được với chất

đóng rắn 2 tay với. (Hình 1.7) biểu diễn quá trình diễn ra phản ứng đóng rắn

ký hiÖu:nhùa 2 tay víi

ký hiÖu:nhùa 3 tay víi

của nhựa EP 2 tay với với chất đóng rắn 3 tay với.

Hình 1.7: Mô hình đóng rắn của nhựa Epoxy [27, 31].

Các chất đóng rắn cho nhựa EP (ngoại trừ BF3) không phải là các chất khởi

xướng của quá trình polymer hoá. Nhiệm vụ của các chất khởi xướng quá

trình polymer hoá là phải làm cho phản ứng đó diễn ra nhanh. Chất đóng rắn

86

cho nhựa EP phải phù hợp cho mỗi nhóm EP nhưng không được quá nhiều

hoặc quá ít, cả hai trường hợp đều không tốt vì không tạo ra được sự kết

mạng không gian tối ưu. Điều này biểu hiện rất rõ qua việc Vật liệu

composite bị mất đi các tính chất cơ hợc, lý học và hoá học của nó.

PHỤ LỤC 2

Vật liệu composite nền nhựa epoxy/sợi thuỷ tinh

a. Chất tăng cường (sợi thuỷ tinh)

Thành phần cấu tạo:

Sợi thuỷ tinh là khái niệm tổng quát cho tất cả các loại sợi được chế tạo từ

vật liệu thuỷ tinh nóng chảy. Nó được kéo thành sợi thuỷ tinh nóng chảy.

Nhiệt độ nóng chảy của thuỷ tinh phụ thuộc vào vật liệu thành phần và các

thành phần hoá học của các chất cấu thành. Thành phần hoá học của thuỷ

tinh không cố định nhưng thông thường tỷ lệ giữa các thành phần hoá học có

giá trị như bảng 1-1.

Bảng 1-1: Thành phần hoá học của một vài loại sợi thuỷ tinh [27]

Thuỷ tinh A Thành phần Thuỷ tinh E Thuỷ tinh C Thuỷ tinh A cho thêm Bo hoá học [%] [%] [%] [%]

54,4 65,0 72,5 67,5 SiO2

14,5 4,0 1,5 5,0 Al2O3 (+Fe2O3)

8,5 5,0 0 1,5 B2O3

CaO 17,0 14,0 9,0 6,0

MgO 4,5 2,0 3,5 3,5

0,5 8,0 13,0 16,0 Na2O + K2O

87

Độ bền kéo [MPa] 2,45 2,27 1,60 1,15

Tính chất của sợi thuỷ tinh nói chung là khác nhau. Nó không những phụ

thuộc vào thành phần hoá học của các vật liệu thành phần mà còn phụ thuộc

vào quy trình sản xuất sợi. Người ta phân biệt sợi thuỷ tinh thành 2 loại: loại

sợi thuỷ tinh dệt - loại sợi thuỷ tinh được hình thành qua việc xe, vấn, bện lại

với nhau được (loại này dùng để cách âm, nhiệt, điện, và lọc) – các loại sợi

thuỷ tinh được dùng làm vật liệu tăng cường cho vật liệu Polymer gồm sợi

thuỷ tinh E, C và A. Các loại sợi này đều xuất phát từ loại sợi thuỷ tinh E.

Loại sợi này bao gồm Borsilicat với một lượng nhỏ oxyt kiềm (hàm lượng

nhỏ hơn 0,8%). Sau khi kéo được tới đường kính Φ = 5÷14 µm, sợi đạt được

độ bền cao. Loại sợi thuỷ tinh dùng làm chất tăng cường cho polymer

thường có đường kính Φ = 8 ÷ 10 µm. Sau khi phủ bọc một lớp mỏng bằng

chất Siliziummetal, các sơ thuỷ tinh được xe hoặc bện thành các sợi hoặc lõn

sợi. Các sợi và lõn sợi này bao gồm tới hàng nghìn xơ nhỏ. Sợi thuỷ tinh E

trên thị trường thường ở dạng Roving được cắt thành các đoạn ngắn từ 10 –

75mm và được kết ép lại với nhau tạo thành các tấm mỏng có trật tự sắp xếp

ngẫu nhiên bất kì tạo thành các tấm Mat.

Trong khi sản xuất sợi thuỷ tinh nếu giai đoạn làm lạnh diễn ra cực ngắn, có

nghĩa ta làm lạnh sợi thuỷ tinh thật nhanh thì cấu trúc sợi thuỷ tinh sẽ trở nên

“xốp hơn”. Tương ứng với thể tích lớn là khối lượng riêng nhỏ. Đây là điểm

khác cơ bản giữa thuỷ tinh khối và sợi thuỷ tinh cùng các thành phần hoá

học giống nhau. Cấu trúc của sợi thuỷ tinh khác cấu trúc của các loại sợi hoá

học khác. Ở các sợi hoá học, các phân tử hướng theo chiều dài sợi. Khi duỗi

thẳng ra thì độ bền độ biến dạng có thể được nâng cao do hướng song song

của các phân tử vẫn còn giữ lại được trong sợi. Ngược lại ở sợi thuỷ tinh sau

khi sản xuất xong, sợi thuỷ tinh đã ở trạng thái định hình theo cấu trúc

không gian 3 chiều (3D) vì vậy khả năng duỗi thẳng không còn nữa. Do sự

88

định hình không gian 3 chiều nên sợi thuỷ tinh này rất cứng và rất chắc. Loại

cấu trúc 3D này hạn chế sự trương nở trong môi trường lỏng, hơi ẩm và

nguyên nhân của hiện tượng đàn hồi hầu như tuyệt đối cho tới khi bị phân

huỷ của sợi thuỷ tinh.

Các tính chất cơ học:

- Độ bền cơ học:

Độ bền của sợi thuỷ tinh phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo. Với tốc

độ kéo sợi lớn và làm nguội nhanh, độ bền kéo của sợi sẽ tăng lên. Nếu kéo

sợi thuỷ tinh ở trạng thái nóng chảy và được làm nguội lạnh rất nhanh trong một khoảng thời gian cực ngắn (10-4 giây) tới nhiệt độ dưới nhiệt độ hoá tinh

thể Tg, sợi thuỷ tinh vẫn tiếp tục giữ được cấu trúc của thuỷ tinh lỏng. So

với thuỷ tinh khối đặc được làm lạnh từ từ, khối lượng riêng của sợi thuỷ

tinh thấp hơn. Thực tế sợi thuỷ tinh có khối lượng riêng xấp xỉ bằng khối

lượng riêng của thuỷ tinh lỏng. Theo [27] khối lượng riêng ρ của sợi thuỷ

tinh E thấp hơn thuỷ tinh khối là 2,7%. Khi làm lạnh, với tốc độ làm lạnh

nhanh, theo [27] ngay ở một sợi thuỷ tinh mảnh cũng có sự khác nhau giữa

khối lượng riêng ở bề mặt sợi và ở trong lòng sợi, bề mặt của sợi sẽ đông

đặc trước trong khi đó lõi của sợi vẫn chưa đông đặc. Do sự giãn nở của

thuỷ tinh đã đông đặc cho nên sau khi làm lạnh lõi sợi thuỷ tinh sẽ bị kéo co

lại mạnh hơn so với bề mặt sợi. Do đó, trong lòng sợi luôn luôn tồn tại trạng

thái ứng suất kéo và trên bề mặt sợi là trạng thái ứng suất nén. Năng lượng

bề mặt của sợi thuỷ tinh cũng góp phần làm tăng ứng suất nén trên bề mặt

sợi.

Khi sợi chịu tải trọng kéo, đầu tiên ứng suất do tải trọng ngoài gây nên phải

vượt qua được ứng suất nén đang tồn tại trên bề mặt sợi, sau đó quá trình

phá huỷ của sợi mới xuất hiện.

Sự phá huỷ sợi thuỷ tinh luôn luôn xuất phát từ bề mặt sợi, điều đó có nghĩa

89

độ bền của sợi phụ thuộc rất mạnh vào chất lượng bề mặt sợi thuỷ tinh cũng

như liên kết trên bề mặt sợi/ nhựa. Theo [27] lực liên kết phân tử trong sợi

về mặt lý thuyết đối với sợi thuỷ tinh E có giá trị độ bền trong khoảng 1 –

1,5 Gpa nhưng do sự không đồng đều về cấu trúc cho nên đối với sợi thuỷ

tinh E ứng suất này chỉ đạt được một nửa. Theo [27] độ bền phá huỷ của sợi

phụ thuộc trực tiếp vào đường kính sợi. Với đường kính của sợi càng nhỏ thì

độ bền của chúng càng tăng.

- Độ biến dạng: Dưới tác dụng của tải trọng kéo, sợi thuỷ tinh biến dạng đàn

hồi cho tới khi bị phá huỷ. Không có trạng thái biến dạng dẻo. Biến dạng

phá huỷ của sợi thuỷ tinh phụ thuộc vào các thành phần hoá học của sợi thuỷ

tinh và độ mảnh của nó.

- Modul đàn hồi E: Mô đul đàn hồi E của sợi thuỷ tinh phụ thuộc vào hàm

lượng các chất thành phần và các điều kiện công nghệ khi sản xuất. Sợi thuỷ

tinh có Modul đàn hồi không cao. So với các loại sợi thuỷ tinh khác sợi thuỷ

tinh E có Modul đàn hồi cao hơn. Theo [27], sợi thuỷ tinh E có modul đàn

hồi E = 73 -79 GPa trong khi ở các sợi thuỷ tinh khác chứa kim loại kiềm

chỉ có E = 45 -60 GPa. Modul của Vật liệu composite cốt sợi thuỷ tinh cho

dù cách sắp xếp của sợi thuỷ tinh theo kiểu gì thì E cũng chỉ có giá trị

khoảng 1/6 giá trị modul của sợi thuỷ tinh.

- Độ bền lâu: Ở sợi thuỷ tinh E, do cấu trúc của sợi cực kì bền cho nên ảnh

hưởng của thời gian đối với chúng dưới tác dụng của tải trọng, nhiệt độ là

không đáng kể. - Độ bền nhiệt: Ở nhiệt độ tO =-1800C Sợi thủy tinh đạt được giá trị độ bền lớn nhất. Trong khoảng tO = 0 - 2000C độ bền kéo của sợi thuỷ tinh E hầu như không thay đổi theo thời gian. Trong khoảng t0 = 200 - 2600C độ bền

kéo giảm theo thời gian.

90

- Độ bền hoá học của sợi thuỷ tinh

Các phản ứng cơ sở: Khi nói đến độ bền hoá học của sợi thuỷ tinh ta luôn

hiểu là có liên quan đến ứng xử của thuỷ tinh đối với môi trường nước và

các dung dịch lỏng. Thực tế không phải thuỷ tinh rất bền với hoá chất mà

xảy ra phản ứng hoá học giữa thuỷ tinh và hoá chất là có, tuy rằng trong quy

mô rất hẹp. Ứng xử của thuỷ tinh với môi trường nước và hoá chất ở dạng

dung dịch tuy vậy không đơn giản, muốn hiểu nó ta phải tìm lại nguồn gốc

đối với 2 phản ứng cơ bản đó là hoà tan và sự tan ra (disolution and

leaching) của một số chất thành phần của sợi thuỷ tinh vào trong dung dịch

lỏng. Khi xét đến ảnh hưởng của môi trường cũng như hoá chất ở dung dịch

lên thuỷ tinh ta thấy: tất cả bề mặt sợi đều tấn công trong đó nước và độ ẩm

giữ vai trò quan trọng. Các trường hợp diễn ra thông thường nhất là 2 tác nhân H+ và OH- của nước và môi trường hoá học đã cùng nhau tham gia gây

hư hại. Ngược lại môi trường khô không có nước và hơi ẩm thuỷ tinh hầu

như không tham gia phản ứng hoặc ít xảy ra phản ứng.

Bề mặt của sợi thuỷ tinh tươi (mới sản xuất) thường có các liên kết mở hai

còn gọi là liên kết tay chờ. Các liên kết mở này kết hợp rất nhanh ví dụ với

nước của môi trường xung quanh và tự làm bão hoà thông qua việc tạo thành

nhóm liên kết ≡Si – OH. Điều đó có nghĩa: đầu tiên các i-on của bề mặt sợi

thuỷ tinh bị loại bỏ, tiếp theo đó là làm hư hại đến các cấu trúc còn lại của

sợi. Bề dầy và trật tự sắp xếp của lớp này nói chung phụ thuộc vào các thành

phần hoá học của các chất trong thuỷ tinh vào dung dịch hoá chất và vào độ

ẩm của môi trường xung quanh. Nếu tiếp tục cho các chất tác dụng lên lớp

này (ví dụ như nước) ta thấy có 1 lớp kem quánh, dẻo, nhớt được hình thành.

Lớp này có thể được hạn chế rất mạnh các tính chất vốn sẵn có của sợi thuỷ tinh như tính bám dính. Tóm lại với 2 tác nhân gây hư hại H+ và OH- thông

thường làm mạng cấu trúc SiO2 của thuỷ tinh trực tiếp bị thay đổi, điều đó

91

có nghĩa sợi thuỷ tinh dần dần bị phá hoại. So với thuỷ tinh khối đặc thì sợi

thuỷ tinh có diện tích bề mặt sợi rất lớn, nó tạo ra khả năng làm mòn sâu vào

sợi làm cho mặt sợi bị xù xì, tiết diện sợi ngày càng nhỏ đi.

Xét về tương tác hoá học của sợi thuỷ tinh với nước và chất lỏng chứa nước, mối quan hệ giữa 2 tác nhân gây hư hại H+ và OH- (được thông qua nồng độ các iôn H+ - định nghĩa qua độ pH) và thành phần hoá học của sợi thuỷ tinh

sẽ quyết định độ hư hại trên bề mặt sợi thuỷ tinh. Trong thực tế căn cứ vào

độ pH người ta chia ra 3 cơ chế phản ứng sau đây:

• Sự tấn công của môi trường axit khi độ pH < 4

• Sự tấn công của môi trường kiềm khi độ pH > 10

• Sự tấn công thuỷ phân của môi trường trung hoà khi 4 < pH <10

Sau đây là 3 cơ chế phản ứng hoá học dưới tác dụng của H+ và OH-: • ≡Si – O – Na + H2O → ≡ Si – OH + Na+ + OH- (1-6) • ≡ Si – O – Si ≡ + OH- → ≡ Si – O – Si – OH → (1-7a)

≡ Si – O- + ≡ Si – OH

Khi có mặt của H2O nhóm ≡Si – O- có thể tác dụng tiếp theo: ≡ Si – O- +H2O → ≡ Si – OH + OH- (1-7b) ≡Si – O – Na + HCl → ≡ Si – OH + Na+ + Cl- = (1-8)

Tuy nhiên, rất hiếm có trường hợp từng phản ứng riêng rẽ xảy ra mà trong

từng trường hợp riêng một luôn có sự tác dụng chồng chéo diễn ra qua nhiều

yếu tố. Đây chỉ là nguyên lý, nếu xét về tổng thể thì sự tấn công của môi

trường lên thuỷ tinh còn tuân theo một quy luật. Quy luật đó biểu diễn tốc độ

phản ứng hoá học phụ thuộc vào nhiệt độ theo hàm số mũ của e.

Qua 3 cơ chế phản ứng, đã kết luận rằng giữa sợi thuỷ tinh và dung dịch

không có trạng thái cân bằng diễn ra, cùng lắm là diễn ra trạng thái cân bằng

động. Việc tách ra của các iôn kiềm từ mạng cấu trúc của sợi dẫn đến việc

92

bào mòn đường kính của sợi, do vậy mà bề mặt sợi sẽ dần dần bị nhám, ứng

suất kéo sẽ giảm đi. Theo Buckwalter khi bề mặt sợi càng bị nhám, quá trình

ăn mòn sẽ diễn ra càng nhanh hơn.

b. Trạng thái ứng suất trên bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa.

Trạng thái ứng suất trên bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa giữ một vai trò quan trọng

quyết định đến các tính chất cơ học của Vật liệu composite. Chỉ khi sự bám

dính giữa sợi nhựa đạt được chất lượng hoàn hảo thì khi đó tải trọng mới

được truyền chọn vẹn từ nhựa sang sợi và ngược lại. Lúc này Vật liệu

composite mới đạt được độ bền cao nhất. Liên kết giữa sợi/ nhựa ở bề mặt

tiếp xúc có thể sẽ bị ảnh hưởng qua các yếu tố thời gian như lão hoá, thời

tiết, ăn mòn, hơi nước, tác dụng của hoá chất, của cơ học và nhiệt độ. Đặc

biệt diện tích tiếp xúc giữa bề mặt nhựa/ sợi thuỷ tinh đóng vai trò hết sức

quan trọng, ví dụ với cùng một thể tích như nhau một sợi thuỷ tinh với

đường kính 7µm có diện tích bề mặt lớn gần 1000 lần so với diện tích bề

mặt của một hình lập phương thuỷ tinh khối. Vì vậy, để tận dụng được các

tính chất ưu việt nhất của sợi thuỷ tinh thì xu hướng cần hướng tới là làm thế

nào để nhựa phải tiếp xúc hết với bề mặt của sợi qua đó mới có thể truyền

lực từ sợi qua nhựa đạt được hiệu quả cao nhất. Khác với các loại nhựa khác,

nhựa EP có khả năng bám dính rất tốt với bề mặt thuỷ tinh vì vậy không cần

thiết phải sử dụng chất tăng cường bám dính để tạo ra liên kết giữa nhựa EP

và sợi thuỷ tinh. Trạng thái ứng suất giữa sợi thuỷ tinh và nhựa EP là một

quá trình hoá lý rất phức tạp. Quá trình này phụ thuộc vào vô số các ảnh

hưởng của điện tích bề mặt trong đó không những chỉ có các lực bám dính

(Adhesion), lực hấp thụ (Adsoption), lực ma sát, khả năng phủ màng của

nhựa mà còn nhiều yếu tố vật lý khác giữ một vai trò quan trọng, đặc biệt

các tương tác hoá học và các nội lực trong phân tử (các lực tương hỗ trong

phân tử) cũng đóng một vai trò quan trọng. Trong trường hợp lý tưởng nhất,

93

nhựa tạo thành một lớp liên tục bao quanh sợi tăng cường, qua đó sợi không

những được bảo vệ và hạn chế sự hư hại khi tiếp xúc trực tiếp với các sợi

dây khác mà còn tạo ra sự phân bố đều ứng suất dọc theo sợi. Đây là một

vấn đề hoàn toàn thực tế, tuy vậy thường là không diễn ra.

Qua các điều kiện sản xuất và điều kiện môi trường, trên bề mặt sợi thuỷ

tinh luôn luôn tồn tại một lớp nước rất mỏng. Lớp nước mỏng này rất khó loại trừ kể cả đốt nóng ở nhiệt độ 1000C và trong điều kiện chân không. Lớp

nước mỏng thường trực này như một vật chắn ngăn cản việc tạo ra trực tiếp

những lớp nhựa đóng rắn làm chậm lại quá trình bám dính [27], [31].

Tuy nhiên với lượng nước quá nhỏ và lớp nước rất mỏng nó có tác dụng như

một chất làm mềm chống lại hiện tượng dòn ở bề mặt tiếp xúc, qua đó mà

một lớp đàn hồi trung gian được hình thành hạn chế sự tách sớm giữa sợi và

nhựa. Với lớp nước bề mặt sợi thuỷ tinh có thể sẽ tạo ra một tế bào điện

phân, trạng thái cân bằng của tế bào điện phân này có thể ảnh hưởng đến

tuổi thọ của Vật liệu composite. Sự hình thành lực bám dính và độ bền bám

dính dựa trên cơ sở năng lượng của bề mặt tiếp xúc. Các nghiên cứu về năng

lượng ở bề mặt tiếp xúc cho ta được sự hiểu biết về tính chất phủ màng và

độ bền bám dính ở bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa. Người ta đã khẳng định rằng

Vật liệu composite sẽ có các tính chất cơ học tốt hơn nếu quá trình đóng rắn

diễn ra từ từ. Hiện tượng này cần đưa ta trở lại khái niệm về ảnh hưởng của

năng lượng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc giữa pha rắn và pha lỏng. Đặc biệt nhựa EP có thể kết hợp với các nhóm OH- của bề mặt sợi thuỷ tinh tạo thành

các phản ứng hoá học ngay cả khi không có chất tăng cường bám dính. Các

phản ứng này tạo ra một liên kết khá tốt ngay sau khi nhựa PE được đóng

rắn. Việc sử dụng Aminosilanen làm chất đóng rắn sẽ nâng cao đáng kể chất

lượng của Vật liệu composite khi phải làm việc lâu dài trong môi trường của

nước đặc biệt trong môi trường axit, kiềm ở nhiệt độ khá cao. Tốc độ và kiểu

94

cách đóng rắn có ảnh hưởng lớn đến độ bền lâu của Vật liệu composite. Việc

đóng rắn nóng diễn ra ở nhiệt độ quá cao hoặc qúa nhanh sẽ rất dễ dẫn đến

việc hình thành các vết nứt dọc theo sợi thuỷ tinh. Khuynh hướng tạo thành

các vết nứt khi quá trình đóng rắn diễn ra quá nhanh có thể sẽ bị giảm qua

tác dụng của silanen vì khi đó quanh sợi thuỷ tinh sẽ có một lớp mỏng có

tính đàn hồi hình thành, lớp mỏng này có tác dụng triệt tiêu các ứng suất cắt

được tạo ra trong quá trình đóng rắn. Qua sự thay đổi ứng suất, dưới tác

dụng của tải trọng động, hiện tượng mỏi xuất hiện dẫn đến việc phá huỷ các

liên kết ở bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa. Đặc biệt dưới tác dụng của tải trọng

động mặt phẳng tiếp xúc sợi/nhựa bị ảnh hưởng mạnh nhất.

c. Ứng suất trên bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa

Xét về phương diện vi mô, bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa có nhiệm vụ truyền ứng

suất. Ứng suất được truyền từ trong lòng sợi tới bề mặt sợi, từ bề mặt sợi lại

được truyền sang bề mặt nhựa (chỗ tiếp xúc sợi/nhựa) rồi từ đó lại tiếp tục

được truyền sang nền nhựa và ngược lại. Quy trình này phụ thuộc vào hướng

tác dụng của tải trọng. Việc truyền tải giữa sợi thuỷ tinh và bề mặt nhựa chỗ

tiếp xúc diễn ra nhờ chất tham gia phản ứng có 2 tay với (chất đóng rắn),

một tay nối với bề mặt sợi thuỷ tinh, tay với còn lại nối với bề mặt nhựa qua

đó tạo ra một liên kết sợi/nhựa. Tất nhiên quá trình truyền tải từ thuỷ tinh

sang nhựa còn ảnh hưởng bởi một loạt các yếu tố như: co ngót trong quá

trình đóng rắn và làm lạnh, trương nở do ảnh hưởng của chất lỏng hoặc hơi

ẩm, chủng loại chất tăng cường bám dính, số lượng chất tăng cường bám

dính, các điều kiện phản ứng khi phản ứng xảy ra giữa bề mặt sợi thuỷ tinh

và chất tăng cường bám dính, các lỗi trên bề mặt sợi và nhiều yếu tố khác.

Trong quá trình đóng rắn của nhựa, nhiệt độ trong lòng vật liệu tăng lên

nguyên nhân do hoặc là ta phải cung cấp nhiệt lượng để qúa trình đóng rắn

diễn ra (khi ta dùng chất đóng rắn nóng) hoặc nhiệt lượng tự sinh ra trong

95

quá trình đóng rắn (nếu chất đóng rắn thuộc loại đóng rắn lạnh). Do vậy sau

khi đóng rắn sẽ hình thành các ứng suất dư trong lòng vật liệu. Các ứng suất

này có quan hệ mật thiết với modul đàn hồi E của các vật liệu thành phần,

với sự chênh lệch nhiệt độ, với hệ số dãn nở của nhiệt và với chất bám dính

giữa sợi và nhựa. Các ứng suất dư này có thể là ứng suất kéo hoặc ứng suất

nén tuỳ theo các thuỷ tinh bao bọc nhựa hay nhựa bao bọc sợi thuỷ tinh [27].

Trên bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa do phương thức tác dụng của chất bám dính,

một vùng nhựa cứng hơn được tạo ra bao bọc lấy bề mặt sợi thuỷ tinh, lớp

bọc này có thể dày khoảng 0,5µm. Các ứng suất trong nhựa được tạo ra do

hiện tượng co ngót xuất hiện trong quá trình đóng rắn càng làm tăng thêm

ứng suất cắt ở bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa. Lớp nhựa cứng bọc xung quanh sợi

thuỷ tinh không những chỉ làm cho liên kết giữa sợi/nhựa tốt lên mà còn góp

phần nâng cao Modul đàn hồi E của sợi thuỷ tinh.

d. Khả năng phủ màng của nhựa epoxy.

Sự phủ màng và tốc độ phủ màng của nhựa lên bề mặt sợi bị ảnh hưởng bởi

việc tiền xử lý sợi và độ nhấp nhô bề mặt của sợi thuỷ tinh. Độ nhám của bề

mặt sợi thuỷ tinh có liên quan đến việc hình thành bọt khí trong lòng Vật

liệu composite. Sự phủ màng của nhựa lên bề mặt sợi quả thực là yếu tố

quan trọng đối với sự bền vững của liên kết ở bề mặt tiếp xúc, tuy nhiên

không có môi liên hệ trực tiếp vì cả hai yếu tố chịu ảnh hưởng bởi bề mặt sợi

thuỷ tinh rất khác nhau.

Khả năng phủ màng của nhựa lên bề mặt sợi phụ thuộc vào diện tích bề mặt

và ứng suất của pha trung gian. Khi sản xuất Vật liệu composite cần chú ý

rằng bề mặt thuỷ tinh có thể được phủ màgn bởi các chất có trong phân tử

thấp lẫn các chất có trong phân tử cao. Theo [27] ứng suất bề mặt (sức căng

bề mặt) tới hạn là độ căng bề mặt giữa bề mặt của vật thể rắn và chất lỏng,

với độ căng bề mặt này, độ căng bề mặt tới hạn sẽ ở trạng thái cân bằng. Độ

96

căng bề mặt tới hạn càng lớn, khả năng lan truyền của chất lỏng càng rộng,

điều đó có nghĩa khả năng phủ màng càng cao. Quá trình nhựa EP phủ màng

lên mặt sợi thuỷ tinh diễn ra tốt là điều kiện để tạo ra khả năng bám dính tốt,

qua đó độ bền của Vật liệu composite sẽ tốt hơn. Giữa các sợi với nhau có

thể còn có các bọt khí vô cùng nhỏ, các bọt khí này ảnh hưởng xấu đến độ

bền của Vật liệu composite. Đó cũng là kết quả của khả năng phủ màgn

không triệt để của nhựa lên sợi. Nếu năng lượng bề mặt càng lớn, góc phủ

màng càng nhỏ dần đến không, khi đó khuynh hướng tạo thành các bọt khí

trên bề mặt sợi ít xảy ra, khả năng phủ màng của nhựa lên sợi sẽ tốt hơn.

e. Ảnh hưởng của môi trường làm việc đến vật liệu Composite nền nhựa

epoxy/cốt vải thuỷ tinh.

Vật liệu composite nền nhựa là loại vật liệu rất nhạy cảm với môi trường.

Trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa của Việt Nam: mưa nắng nhiều,

độ ẩm cao, thời tiết thay đổi thất thường không theo một quy luật nhất định,

Vật liệu composite bị ảnh hưởng rất mạnh, tuy vậy các kết quả nghiên cứu

về vấn đề này hầu như chưa có. Sau đây chúng tôi sẽ giới thiệu một số cơ sở

khoa học nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường đến các ứng xử cơ học

của Vật liệu composite.

Ảnh hưởng của hiện tượng lão hóa

Khái niệm lão hoá: Ta hiểu lão hoá là sự thay đổi tính chất của vật liệu với

nghĩa xấu đi theo thời gian, [5]. Trong quá trình lão hoá vấn đề cần quan tâm

là sự thay đổi các tính chất của vật liệu diễn ra từ từ trong thời gian dài dưới

ảnh hưởng của thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. v.v... Các tính chất cơ

học của vật liệu chất dẻo hay vật liệu composite nền chất dẻo phụ thuộc rất

nhiều vào thời gian chịu tác dụng của tải trọng, điện trường, điện áp xoay

chiều, thời tiết, môi trường ... Các biểu hiện bên ngoài của hiện tượng lão

hoá chính là bản chất vật lí của hiện tượng, nó cũng được biểu lộ qua tác

97

dụng cơ học, nhiệt độ và các ảnh hưởng của thời tiết trong khi đó sự lão hoá

bên trong vật liệu lại được biểu hiện thông qua các yếu tố hoá học và cấu

trúc.

Các yếu tố ảnh hưởng cần phải kể đến:

(cid:190) Tác dụng của điện trường, điện áp xoay chiều tác động trong suốt quá

trình vận hành. [15]

(cid:190) Ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm cao (sự thay đổi nhiệt độ và số chu kì

thay đổi nhiệt độ) [18, 19].

(cid:190) Thời tiết thay đổi

(cid:190) Ánh sáng (tia cực tím)

(cid:190) Môi trường hóa học (dầu cách điện, khí SF6, nước, ...)

Do hiện tượng lão hoá, [20] các trạng thái ứng suất ở bề mặt tiếp xúc

sợi/nhựa ảnh hưởng có tính chất quyết định đến các tính chất cơ học của Vật

liệu composite. Nếu khảo sát vật liệu tại 2 thời điểm trước và sau quá trình

lão hoá xảy ra ta thấy do có sự co ngót của vật liệu điện nền làm xuất hiện

thêm ứng suất riêng trong lòng Vật liệu composite.

Sự hình thành các vết nứt:

Khi đề cập đến các hậu quả của quá trình lão hoá của Vật liệu composite nền

nhựa cốt sợi người ta phải đề cập đến việc hình thành các vết nứt. Xu hướng

hình thành vết nứt do lão hoá gây nên càng tăng khi có độ dòn của Vật liệu

composite tăng lên. Vết nứt thường xuất hiện bắt đầu từ bề mặt vật liệu sau

đó lan dần vào trong. Qua nghiên cứu người ta khẳng định rằng các vết nứt

được tạo ra do lão hóa luôn phát triển theo mặt ngăn cách sợi/nhựa vì vậy

Vật liệu composite cốt vải các vết nứt thường xuất hiện như các đường trên

mặt bàn cờ.

Ảnh hưởng của môi trường hóa học: dầu cách điện, nước, nhiệt độ và

98

độ ẩm:

Nhìn chung Vật liệu composite khi chế tạo được tiến hành ở nhiệt độ cao, do

đó khi trở về nhiệt độ phòng sẽ xuất hiện biến dạng và dẫn đến sự thay đổi

kích thước của vật liệu và làm xuất hiện các ứng suất dư trong lòng vật liệu.

Khác với vật liệu nền kim loại nhưng rất giống với một số loại vật liệu xốp

khác, vật liệu Composit nền nhựa rất nhạy cảm với chất lỏng, nhiệt độ và hơi

ẩm, dễ hút ẩm và chất lỏng cho tới khi bão hoà gây nên sự trương nở trong

lòng vật liệu, làm xuất hiện thêm phần ứng suất và biến dạng. Kết quả là ảnh

hưởng rất lớn tới độ bền, tuổi thọ và độ biến dạng của các kết cấu làm từ Vật

liệu composite. Với đặc tính dễ bám nước (hydrophil) của bề mặt thuỷ tinh,

qua thí nghiệm nhiều tác giả cho thấy khả năng thẩm thấu rất nhanh của các

phân tử nước vào trong lòng Vật liệu composite theo các đường khe hổng

dọc theo sợi thuỷ tinh. Đây là yếu tố khá quan trọng cần phải để ý tới. Vật

liệu composite sẽ hư hại càng nhanh nếu vật liệu nền cũng dễ bám nước

(hydrophil) và có khả năng ngậm khá nhiều nước.

PHỤ LỤC 3 Sự xuống cấp không hồi phục của cách điện composite

1. Cơ chế đánh thủng

Sự đánh thủng cách điện, còn được gọi là phóng điện, có thể xảy ra theo

nhiều cơ chế khác nhau. Các nguyên nhân chính là:

a) Đánh thủng điện-cơ học

99

Nguyên nhân của cơ chế phóng điện này là do lực tĩnh điện tác động lên 2 đầu điện cực của cách điện, nếu lực ép tĩnh điện này đủ lớn thì sẽ làm cho độ dày của cách điện giảm xuống và do đó làm tăng cường độ điện trường tác động lên cách điện. Một hiệu ứng như thế này có thể lớn hơn nữa nếu nhiệt độ tăng lên hoặc có sự làm nóng vật liệu và gây ra phóng điện. Tuy nhiên, hiện tượng này rất ít xảy ra

b) Đánh thủng do nhiệt

Khi độ dẫn điện của vật liệu quá lớn, do tăng nhiệt độ, mật độ dòng điện tăng lên làm nóng vật liệu do hiệu ứng Joule. Sự làm nóng này làm tăng độ dẫn điện và do đó tạo ra các khối nhiệt và gây ra phóng điện tại đây. Hiện tượng này có thể gặp trong trường hợp có những điểm nóng bất thường trong hệ.

c) Đánh thủng do phóng điện từng phần

Sự đánh thủng do phóng điện là sự phát triển của cây điện, sinh ra trong những lỗ trống (void) của vật liệu hoặc trên một sự tăng cường điện trường cục bộ xuất phát từ một khiếm khuyết trong cách điện hoặc trên 1 điện cực. Các dòng điện xung tương ứng với sự phóng điện từng phần, và đặc biệt là thác điện tử trong pha khí của khoảng rỗng trong vật liệu, làm xuống cấp vật liệu cách điện. Một cấu trúc các sợi nhánh tạo bởi các kênh dẫn micro hình thành nên cây điện như trong hình 1.

Sự phát triển của các cây điện và các mô hình hoá của chúng là đề tài của

rất nhiều nghiên cứu được tiến hành từ những năm 80.

100

Trong trường hợp quá trình xuống cấp diễn ra trong một thời gian dài, hay chính là cơ chế đánh thủng bởi phóng điện, thì sự hình thành cây điện được xác định. Đây cũng chính là dạng đánh thủng ảnh hưởng lớn đến vật liệu composite epoxy – glass fiber.

2. Phóng điện từng phần trong lỗ trống (void) của cách điện rắn

Sự xuống cấp của cách điện bằng cơ chế cây điện nói chung được hình thành bởi một hư hỏng (khiếm khuyết) trong hệ cách điện. Hư hỏng này có thể ở phần tiếp giáp giữa điện cực và cách điện hoặc nằm bên trong cách điện. Trong trường hợp đầu, sự gia tăng cường độ điện trường do hiệu ứng mũi nhọn có thể dẫn đến sự xâm nhập của các điện tích vào trong cách điện tạo nên các điện tích không gian trong vật liệu.

Phóng điện từng phần là một quá trình đánh thủng cách điện mà chỉ xảy ra trong một chiều dày giới hạn của cách điện. Trong cách điện rắn, hiện tượng này xảy ra trong các lỗ trống, do các khiếm khuyết hoặc “ăn mòn” trong vật liệu. Hiện tượng phóng điện từng phần xuất hiện khi mà các điện tích được tích tụ, tập trung tại mép lỗ trống. Khi lượng điện tích tích tụ được, chính là điện trường của lỗ trống, đủ lớn thì các mầm electron có trong lỗ trống có thể gây ra ion hoá chất khí bởi cơ chế thác điện tử. Sự xói mòn do tác động của điện tích trên thành của lỗ trống làm tăng thêm sự hư hỏng của cách điện và là nguyên nhân hình thành cây điện.

Nguồn gốc của lỗ trống

101

Diễn tiến của vật liệu cách điện từ lúc bắt đầu được sử dụng cho đến khi bị đánh thủng bởi cây điện được nghiên cứu rất nhiều từ trước đến nay. Các chặng đường khác nhau trong tuổi đời của vật liệu được trình bày trong hình

Như trên đã trình bày, sự xuất hiện của phóng điện từng phần tương ứng với giai đoạn đầu của quá trình già hoá vật liệu. Do đó, để xác định được các cơ chế già hoá và ảnh hưởng của các tham số như là nhiệt độ và cường độ điện trường, thì cần phải tìm hiểu sự hình thành và phát triển của các lỗ trống mà chính chúng sẽ là những nơi xảy ra sự phóng điện đầu tiên.

102

Cơ chế ban đầu của sự hình thành nên các lỗ trống, theo hình II.2 là do sự thoái biến ở cấp độ phân tử như là sự tái định dạng các phân tử hay sự chuyển động của các nguyên tử. Những hiện tượng này bắt nguồn từ các lực tĩnh điện và điện cơ học. Sự tồn tại của các dạng phản ứng hoá học cũng có

thể là nguyên nhân đầu tiên của sự xuống cấp vật liệu, ví dụ như là phản ứng oxy hoá.

Các hiện tượng khác cũng có thể là nguyên nhân hình thành các lỗ trống. Các tác động nhiệt – cơ học gây ra ví dụ bởi sự giãn nở khác nhau của điện cực và cách điện hoặc trong trường hợp của vật liệu composite là do các lực xé, ép tạo nên các vết nứt và bong (cốt gia cường ra khỏi chất nền).

Sự xâm nhập của các electron có năng lượng cao trong vùng điện trường cao góp phần vào sự xói mòn trong vật liệu, hay là làm tăng kích thước của lỗ trống. Các điện tích sinh ra bởi điện trường trong vật liệu , hay còn gọi là điện tích không gian, có thể là nhân tố khởi đầu tạo nên các hư hỏng trong vật liệu theo các cơ chế sau: Trong khoảng thời gian đầu, các điện tích này sẽ làm thay đổi giá trị điện trường cục bộ, tạo nên các vùng có điện trường cao đột biến. Các điện tích này cũng có thể làm biến đổi cấu trúc phân tử của vật liệu. Cuối cùng, sự phối hợp của các cơ chế này chính là nguyên nhân phát ra các ánh sáng và làm gẫy các liên kết phân tử.

PHỤ LỤC 4

Phương pháp nghiên cứu và xây dựng định luật già hoá

1. Phương pháp nghiên cứu quá trình già hoá điện - nhiệt

Nghiên cứu già hoá của vật liệu cách điện nói chung và vật liêu composite cách điện nói riêng là dựa trên việc đặc tính hoá các tính chất thay đổi theo thời gian của sự già hoá dưới các tác động cho trước của điện trường và nhiệt độ. Trong phần này chúng ta sẽ xét đến các điều kiện già hoá đối với vật liệu epoxy, thành phần chính của vật liệu composite được nghiên cứu trong đề tài này.

Trước hết cần phải xác định các điều kiện già hoá đối với vật liệu.

103

a) Các điều kiện già hoá

Theo Paloniemi, sự xuống cấp về mặt vật lý của vật liệu là hậu quả của những phản ứng hoá học. Vì vậy, để có thể so sánh sự thay đổi các tính chất với các điều kiện già hoá khác nhau, các tiến trình già hoá ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau sẽ phải được chi phối bởi các phản ứng như nhau. Các phản ứng của sự xuống cấp vì thế phải được chế ngự bởi 1 trong số chúng nhất trong phạm vi nghiên cứu nhiệt độ.

Sandrolini nhận thấy rằng với nhiệt độ lớn hơn 1500C thì tuổi thọ của epoxy là dưới 1000h khi già hoá bằng nhiệt. Các nghiên cứu khác đã khằng định mức nhiệt độ này là vào khoảng 120 đến 1500C. Điều này có nghĩa là phương thức tiến hành già hoá nhiệt chung nhất là áp dụng nhiệt lớn hơn nhiệt độ thiêu kết của vật liệu.

Tương tự như vậy, điều kiện già hoá về điện của epoxy được xác định từ giá trị ban đầu (đối với vật liệu không già hoá) của độ bền điện môi. Ví dụ, sandrolini đã sử dụng điện trường theo công thức sau đối với nhựa epoxy DGEBA:

Với E là điện trường đặt lên cách điện trong quá trình già hoá và ES0 là độ bền điện ban đầu.

b) Làm rõ các đặc tính hàm của vật liệu

Các điều kiện già hoá điện - nhiệt được xác định theo phương pháp đặc tính hoá chọn trước. Thực vậy, vật liệu có thể được đặc tính hoá hoặc theo thời hạn trước khi phá huỷ dưới tác động điện trường không đổi hoặc bằng phép đo độ bền sau khi già hoá. Đây là các phương pháp phá huỷ và đặc tính hoá quá trình hư hỏng của cách điện.

104

Khoảng thời gian trước khi phóng điện đánh thủng khi đó được xác định là tuổi thọ của vật liệu, các tính chất khác cũng có thể được nghiên cứu như là độ bền điện hoặc sự xuất hiện của hiện tượng phóng điện từng phần. Vấn đề khó khăn gặp phải trong các nghiên cứu này là bản chất ngẫu nhiên của các

hiện tượng. Do đó, cần phải thực hiện trên một số lượng lớn các mẫu và tiến hành các phương pháp diễn giải thống kê, thông thường là thống kê Weibull với 2 hoặc 3 tham số. Ngoài ra, đối với vấn đề già hoá gia tốc nói chung thì thời gian thực hiện phải phù hợp với nghiên cứu mà vẫn phải thể hiện được thực tế các điều kiện hoạt động và quá trình làm việc của vật liệu đó.

Kadotani đã dùng một cách tiếp cận khác trong việc xác định tuổi thọ của vật liệu bằng các sử dụng độ bền điện (độ bền xác định bằng việc tăng áp nhanh). Ông đã định nghĩa một giá trị của độ bền điện tương ứng với tuổi thọ vật liệu. Sự già hoá của vật liệu cách điện sẽ làm giảm độ bền điện cho tới giá trị này. Từ các điều kiện già hoá khác nhau, ông tiến hành phép ngoại suy tuổi thọ của vật liệu theo từng điều kiện tác động khác nhau của nhiệt độ và điện trường như trong quá trình sử dụng thực tế. Ví dụ ông sử dụng các mức nhiệt độ 155, 180 và 200 0C và điện trường là 11 và 25kV/mm khi mà điều kiện già hoá của vật liệu trong thực tế sử dụng là 1300C và 6,4kV/mm. Phép ngoại suy xác định tuổi thọ trong quá trình sử dụng thực tế được thực hiện theo định luật Arrhenius, mô hình mũ mà sẽ được trình bày rõ hơn trong phần sau.

Phương pháp nghiên cứu này vẫn còn đang tranh cãi bởi vì nó ngoại suy giá trị tuổi thọ vật liệu cho nhiều năm từ các dữ liệu nghiên cứu trong vài ngày hoặc vài tuần. Điều này hàm ý rằng phương pháp này giả định các vật liệu phản ứng theo cách tương tự nhau trong điều kiện sử dụng và điều kiện già hoá mà thực tế thì các điều kiện này rất khác nhau.

c) Đặc tính hoá các tính chất khác của cách điện

105

Các tính chất đã trình bày ở phần trên của cách điện rất có ý nghĩa trong việc xác định sự phá huỷ của mẫu. Các tính chất khác có thể được tiến hành để tìm hiểu sự biến đổi của các vật liệu nghiên cứu. Champion và Dodd, trong các nghiên cứu của mình về sự hình thành cây điện, đã đặc tính hoá các vật liệu của họ bằng việc quan sát sự thay đổi chỉ số khúc xạ, nhiệt độ thiêu kết của vật liệu cũng như hệ số tổn thất điện môi. Các tính chất điện môi được sử dụng nhiều lần để xác định mức độ già hoá khác nhau.

Các phương pháp hoá lý cũng được sử dụng để xác định sự thay đổi của vật liệu. Tanaka đã liệt kê ra một số kỹ thuật như phân tích nhiệt (Phân tích nhiệt trọng lực, phân tích nhiệt vi sai), các kỹ thuật sắc ký và cả phương pháp phổ khối. Việc quan sát các hư hỏng tầm vi mô cũng được tiến hành. Shibuya đã theo dõi sự xuất hiện và lớn dần của các lỗ trống. Những lỗ trống có kích thước khoảng 0,2 µm cũng có thể quan sát được và kèm theo các quan sát này là các phép đo phóng điện cục bộ.

Định luật già hoá nhiệt và điện

Những nghiên cứu về hiện tượng già hoá được trình bày ở phần trên có mục đích nhằm thiết lập được một định luật về sự già hoá nhiệt và điện của vật liệu cách điện nhằm mục đích biết trước được tuổi thọ của cách điện từ các tác động nhiệt và điện đang tác động lên vật liệu. Chúng tôi sẽ giới thiệu dưới đây một vài định luật cơ bản mà thể hiện sự ứng xử của vật liệu theo thời gian. Các luật này không dựa trên các tính chất của vật liệu.

a) Định luật già hoá nhiệt

Nói chung, các nghiên cứu tiến hành đối với các tác động của nhiệt độ lên vật liệu thường nói đến mô hình Arrhenius. Mô hình này dựa trên sự quan sát tính chất P của vật liệu thay đổi trong khoảng thời gian tác động theo 1 hàm f(P). Tính chất này thường là điện áp đánh thủng.

Sự già hoá có thể được định nghĩa bởi f(P) = R x t với R là tốc độ (hay tỷ lệ) già hoá. Cách tiếp cận này được sử dụng bởi Simoni năm 1981. Khi mà tính chất P đạt đến 1 giá trị tới hạn PL được định nghĩa là giới hạn hư hỏng hoàn toàn của vật liệu. Ta có

Với L là tuổi thọ của vật liệu. Công thức này cho thấy rằng tỷ lệ già hoá của vật liệu tỷ lệ nghịch với tuổi thọ của vật liệu.

106

Mô hình dựa trên phương trình Arrhenius mà định nghĩa tốc độ không đổi của phản ứng hoá học là:

Với RT là tốc độ không đổi của phản ứng được xét, và trong trường hợp này là tỷ lệ già hoá. A và B là những hằng số (B tương đương với năng lượng kích hoạt theo độ K) và T là nhiệt độ tuyệt đối. Do đó:

Với LT là tuổi thọ vật liệu ở nhiệt độ K và kT tỷ lệ nghịch với A.

Ở nhiệt độ thường (T0), hằng số kT có thể được viết như sau:

và bằng cách đặt

Ta có:

Khi biết được tuổi thọ của vật liệu ở hai mức nhiệt độ, ta có thể xác định được 2 tham số B và L0 (tuổi thọ của vật liệu ở nhiệt độ T0).

b) Định luật già hoá về điện

Dưới các tác động của điện trường, định luật xác định tuổi thọ của vật liệu được thiết lập theo 2 mô hình chính sau:

• Quy tắc luỹ thừa đảo: tuổi thọ của vật liệu biểu diễn bằng biểu

107

thức:

• Quy tắc mũ: cũng tương tự như sự già hoá nhiệt, quy tắc này được

xác định dưới dạng:

Với LE là tuổi thọ của vật liệu dưới điện trường E

E0 là giá trị ngưỡng của điện trường mà sự già hoá về điện có tác dụng với điện trường lớn hơn hoặc bằng giá trị này.

C, n, k và h là những hằng số.

Tuy nhiên, khi mà ko có một tác động nào về điện trường lên trên vật liệu ở nhiệt độ thường, tuổi thọ của nó có thể là L0 như đã được định nghĩa trong già hoá nhiệt. Như vậy, trong trường hợp mô hình luỹ thừa nghịch đảo, ta có hệ sau:

Đối với mô hình mũ, hệ trở thành:

do thay E = E0 và LE = L0 = K.

c) Già hoá điện - nhiệt

108

Có thể thấy rằng một quy tắc cộng đơn giản các sự đóng góp già hoá của nhiệt và điện là không thể áp dụng được. Do đó Eyring đã phát triển 1 mô hình cho cả hai tác động điện và nhiệt đồng thời theo phương trình sau:

Với A, B, a và b là những hằng số độc lập về thời gian, nhiệt độ và tác động điện trường. f(E – E0) là hàm tác động của điện trường.

Bằng cách đơn giản hoá f(E – E0) = E – E0, tuổi thọ có được của vật liệu được xác định bằng biểu thức:

bằng cách đặt h = a + b/T0 tương tự như với mô hình mũ của già hoá điện, Simoni đã biểu diễn được tuổi thọ của vật liệu trên đồ thị 3D (∆T, E – E0, lnL) từ mô hình này.

2. Khái niệm về ngưỡng tác động

Trong các luật già hoá được trình bày ở trên có xuất hiện khái niệm ngưỡng đối với tác động của điện trường. Motanari đã mô tả khái niệm ngưỡng như là một giá trị của điện trường tác động mà dưới giá trị này thì tuổi thọ của vật liệu tiến đến vô cùng nếu không tính đến các hệ số già hoá khác.

109

Điện trường ngưỡng, ký hiệu là Eth, thu được bằng phép ngoại suy các kết quả thực nghiệm. Hình II.3 biểu diễn hàm tương quan giữa tuổi thọ vật liệu và các tác động điện trường với điện trường ngưỡng.

Các nghiên cứu gần đây về cơ chế già hoá, dựa trên dòng điện rò qua vật liệu, sự phát triển của điện tích không gian hoặc điện phát quang đã cho thấy rõ các giá trị tác động của điện trường mà bắt đầu ở 1 ngưỡng giá trị nào đó thì các hiện tượng gìa hoá được quan sát 1 cách rõ ràng. Các ngưỡng điện trường thu được từ các phương pháp nghiên cứu khác nhau đối với vật liệu polyethylen là vào khoảng 15-20kV/mm.

PHỤ LỤC 5

Quá trình già hoá và phóng điện trong vật liệu epoxy – composite

Quá trình già hoá và phóng điện trong vật liệu cách điện nói chung và vật liệu composite epoxy nói riêng là một quá trình diễn ra trong một thời gian tương đối dài tương ứng với tuổi thọ của thiết bị (>20 năm). Vì thế trong một khoảng thời gian giới hạn của nghiên cứu, chúng ta không thể quan sát được cùng 1 lúc tất cả các quá trình hình thành. Do đó trong phần này, các hiện tượng khác nhau xảy ra trong vật liệu composite epoxy sẽ được phân tích một cách riêng rẽ với các loại vật liệu composite epoxy khác nhau đặc trưng riêng cho từng quá trình nghiên cứu.

Quá trình già hoá của cách điện composite epoxy/mica trong máy phát điện

Vật liệu composite làm bằng epoxy và sợi thuỷ tinh (mica) được sử dụng rất nhiều trong cách điện của máy phát điện công suất lớn làm mát bằng nước và không khí. Trong phần này chúng ta sẽ xét đến các hiện tượng xảy ra trong vật liệu composite này và đối chứng với các cơ sở lý thuyết đã trình bày ở trên

110

Vật liệu composite epoxy/mica được xét đến ở đây là cách điện dùng trong stator của máy phát điện công suất 990MW, điện áp đầu cực máy phát là 22kV. Máy phát điện này đã sử dụng được trên 15 năm và mới bị xảy ra sự cố do phần cách điện của thanh stator của pha B bị đánh thủng ở phần cong của stator (hình II.4). Nguyên nhân ban đầu của sự xuống cấp cách điện là do lỗi giữa một phần bề mặt thanh dẫn và cách điện bọc bên ngoài (hình II.4b). Trên thanh dẫn bị hỏng có thể dễ dàng nhận thấy sự gắn kết

kém cách điện bên ngoài và những lỗ trống (void) trên cách điện. Sự có mặt của các lỗ trống gần thanh dẫn chỉ ra sự mất liên kết giữa thanh dẫn và cách điện. Mức độ xuống cấp cách điện được đánh giá bởi test độ bền điện môi xoay chiều trong những vùng không bị hỏng của thanh dẫn. Trong quá trình kiểm tra, một số thanh của pha A và pha B bị đánh thủng lần lượt ở mức điện áp 19,8 và 17,8 kV. Điều này chứng tỏ rằng các thanh dẫn trong stator đã bị lão hoá và xuống cấp nghiêm trọng.

Hình II.4

111

Hình II.5

Các nghiên cứu được tiến hành trên các vùng khác nhau (được đánh dấu từ 1 đến 6) của thanh dẫn đã bị đánh thủng nhằm mục đích đanh giá được chính xác vùng nào có sự xuống cấp về cách điện lớn nhất. Vùng 1 và 6 là 2 đầu của thanh dẫn , vùng 1 gần bộ phận kích từ còn vùng 6 gần bộ phận turbine.

Các phương pháp thí nghiệm được tiến hành ở đây là đo điện dung và tổn thất điện môi tanδ bằng máy đo cầu Schering bao gồm bộ phận cao áp Tettex 5283, cầu Tettex 2818 và điện cảm cộng hưởng Tettex 5285. Ngoài ra các mẫu còn được phân tích cấu trúc vi mô bằng các máy quét điện tử SEM, JOEL, JSM-6400).

Các phép đo điện dung và tổn hao tan δ bằng cầu Schering được tiến hành cho 6 vùng của thanh dẫn stator với các mức điện áp đặt vào khác nhau từ 1 đến 11,5kV. Giữ mỗi lần tăng điện áp để đo giá trị mới thì sẽ có 1 khoảng thời gian dừng thích hợp [Waren98] để phép đo trước ko làm ảnh hưởng đến kết quả của phép đo sau đó.

112

Hình II.6 cho thấy giá trị điện dung đo được trong vùng 1 và 2 cao hơn so với giá trị tại các vùng 3 – 6. Phương pháp xác định giá trị điện dung này dùng để phát hiện nước trong cách điện của thanh dẫn máy phát. Kết quả đo tan δ thu được trong hình II.7 cũng tương tự như vậy với giá tăng đột biến, từ 3 đến 4 lần, cách điện trong vùng 1 và 2 so với 4 vùng còn lại. Vùng 2 gần khu vực bị đánh thủng có giá trị tanδ lớn nhất. Đối với cách điện còn tốt, hệ số tổn hao tanδ sẽ không tăng theo điện áp đo như kết quả thu được trên hình II.7. Sự thay đổi hệ số tổn hao này chứng tỏ phép đo có sự tham gia mạnh mẽ của các tổn thất khác khi tăng điện áp đo như tổn thất do phóng điện từng phần, sinh ra do số lượng các lỗ trống tăng lên trong cách điện.

Hình II.6. Đặc tính giữa điện áp đo và điện dung của cách điện

Hình II.7. Đặc tính giữa điện áp đo và tổn hao tanδ

113

Sau khi tiến hành các thí nghiệm về điện, các mẫu cách điện composite epoxy/silica của thanh dẫn stator bị hỏng được đưa vào kính hiển vi quét điện tử (SEM) để tìm hiểu cấu trúc vi mô của vật liệu. Thí nghiệm được tiến trên cả 6 vùng của thanh dẫn. Kết quả thu được trong hình II.8 cho thấy rằng những hư hỏng xuất hiện trong cách điện của thanh dẫn stator. Vùng xám bao gồm giấy mica và thuỷ tinh kết hợp lại với nhau. Vùng sẫm màu là lớp epoxy nằm xen kẽ giữa các băng mica. Hình II.8a chỉ ra một vài sự phân lớp tại vùng tiếp giáp của cách điện epoxy/mica. Việc vận hành của các thanh

dẫn stator ở nhiệt độ cao trong một thời gian dài là nguyên nhân gây ra sự mất liên kết của các lớp cách điện này. Cả hai quá trình già hoá cơ học và nhiệt độ gây ra sự phân lớp này và điều này đã dẫn đến sự hình thành những lỗ trống trong cách điện. Sự phân lớp có thể là kết quả của quá trình các chất như không khí, nước hoặc các phân tử khối lượng nhỏ thâm nhập vào trong vật liệu trong quá trình lưu hoá. Sự gắn kết giữa epoxy và mica sẽ tốt hơn khi mật độ phân lớp trong vật liệu giảm đi.

Hình II.8

114

Các thí nghiệm già hoá gia tốc của cách điện stator máy phát được thực hiện với cả hai hiện tượng già hoá cùng 1 lúc là già hoá điện và nhiệt. Tuy nhiên việc già hoá này lại được chia ra là già hoá nhiệt - điện trong không khí và già hoá nhiệt - điện trong hydro. Điều kiện già hoá ở đây là dưới nhiệt độ 110C và điện trường là 5,5kV/mm với tần số 420 Hz (áp suất trong trường hợp già hoá với Hydro là 4kg/cm2. Hình II.8 là kết quả thu được bằng máy quét điện tử với cả 2 trường hợp già hoá trong không khí (hình II.8a) và trong Hydro (hình II.8b). Vùng xám bao gồm giấy mica và thuỷ tinh kết hợp lại với nhau. Vùng sẫm màu là lớp epoxy nằm xen kẽ giữa các tấm mica.

Hình II.8a cho thấy các lỗ trống lớn xuất hiện tại vùng tiếp giáp và bên trong các lớp mica. Quá trình già hoá nhiệt và điện đã tạp ra các lỗ trống lớn tại vùng tiếp giáp epoxy/mica trong không khí và các lỗ trống này cũng được tìm thấy cả trong lớp mica và trong vùng epoxy. Các lỗ trống mới hình thành này sẽ kết hợp với các lỗ trống tồn tại trong vật liệu để hình thành nên các đường nứt lớn. Ngoài ra quá trình già hoá nhiệt trong không khí diễn ra nhanh hơn trong các khí trơ như hydro. Hình II.8b cho thấy các lỗ trống nhỏ và sự tách lớp bên trong các lớp mica. Sự phân tách trong hình là các được màu trắng còn lỗ trống là ô màu đen. Quá trình già hoá điện trong hydro cũng tạo ra các lỗ trống nhỏ, sự phân tách và gãy trong lớp mica. Không giống như già hoá nhiệt, già hoá điện cho thấy sự phân tách tương đối yếu của lớp mica. Các mẫu già hoá trong hydro cho thấy kích thước của lỗ trống tại vùng tiếp giáp epoxy/mica nhỏ hơn rất nhiều so với các mẫu vật liệu được già hoá trong không khí.

Hình II.9

Như vậy, qua các kết quả thí nghiệm này, có thể nhận thấy rằng quá trình già

hoá bằng nhiệt và điện lên cách điện composite epoxy/mica sẽ tạo nên sự

phân tách trong vật liệu, từ đó hình thành và phát triển các lỗ trống trong vật

liệu, gây nên quá trình lão hoá và suy giảm cách điện trong vật liệu

composite. Việc già hoá bằng không khí thường và bằng hydro cũng cho

thấy rằng không khí với hàm lượng ẩm và oxy tạo nên sự già hoá nhanh hơn

115

nhiều so với các khí trơ.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] P. Rain , D.H. Nguyen , A. Sylvestre, S. Rowe, “Temperature dependence of space charge behavior in silicone”, CEIDP, pp 668-671, Cancun, Mexico, (2002).

[2] T. Suginouchi, M. Kato. M. Hashimoto. Y. Tan-naka and H. Kanai, “Quantitative assessment of the phase tracking method for measurement of the elastic characteristics of arterial wall”, IEEE Ultrasonics Symposium, pp 1605-1608 (2001).

[3] D.H. Nguyen , A. Sylvestre, P. Gonon, S. Rowe, “Dielectric properties analysis of silicone rubber”, ICSD 8th, Toulouse, France, pp 103-106, (2004)

[4] J. R. Macnonald, “Theory of ac space charge polarization effects in photoconductors, semiconductors and electrolytes” Physic review Vol 92, pp 4-17 (1953).

[5] R. Coelho, “Sur la relaxation d’une charge d’espace”, Revue Phys. Appl,

[6] C. G. Garton, “Dielectric loss in thin films of insulating liquids”, J. IEE,

Vol 18, pp 137-146, (1983).

[7] R. Bartnikas, Performance characteristics of dielectric in the presence of space charge, IEEE Transaction on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol 4, pp 544-556, (1997).

[8] K. Miyairi, Low-frequency dielectric

Vol 88, pp 103-121 (1941).

[9] Reuben Hackam, ‘‘Outdoor HV Composite Polymeric Insulator’’, IEEE Transaction on Dielectric and Electrical Insulation, Vol. 6(5), pp.651-659, 1999.

[10] Dieter Kind and Hermann Karner, High Voltage Insulation Technology,

response of polyethylene terephthalate (PET) film, J. Phys. D: Appl. Phys., Vol 19, pp 1973-1980, (1980).

[11] Karner H.C and Idea M., ‘‘Technical Aspects of Interfacial Phenomena

Friedr. Vieweg and Son, 1985.

[12] Cotinaud et al ., ‘‘The effect of water absorption on the electrical properties of glass – fibre reinforced epoxy composite’’, Journal of Materials Science 17(1982), pp. 867-877.

[13] J. P. Reynders, I. R. Jandrell, and S. M. Reynders, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.6, N°5, pp.620, October 1999

116

in Solid Insulating Systems, CPADM , pp.592-596.

[14] R. Hackam, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,

[15] N. Yoshimura, S. Kumagai, S. Nishimura, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol.6, N°5, pp. 632, October 1999.

Vol.6, N°5, pp. 557-585, October 1999.

[16] T. G. Gustavsson, S. M. Gubanski, H. Hillborg, S. Karlsson, U.W. Gedde, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 8. No. 6, pp. 1029 (2001).

[17] J. Kim, M. K. Chaudhury and M. J. Owen, IEEE Transactions on

[18] A. Helgeson, Analysis of Dielectric Response Measurement Methods and Dielectric Properties of Resin-Rich Insulation During Processing, PhD, Kungle Tekniska Högskolan, Stockholm (2000)

[19] E. Tuncer and S .M. Gubanski, J. Phys.: Condens. Matter 12 1873

Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 6. No. 5, pp. 695 (1999).

[20] H. Adachi, K. Adachi, Y. Ishida and T. Kotaka, J. Polym. Sci: Polymer

(2000).

[21] L. Hartman, F. Kremer, P. Pouret, L. Léger, J. of Chemical Physics, 118,

Physics Edition, 17 851 (1978).

[22] P. Runt and J. John, Dielectric Spectroscopy of Polymeric Materials,

6052 (2003).

[23] L. Carette and J. M. Pouchol, Silicones, Technique de l’Ingénieur, Traité

(Washington: American Chemical Society, 1997).

[24] A. K. Jonscher, Dielectric Relaxation in Solids, (London: Chelsea

Plastiques et Composites, A 3 475 (1994).

[25] K. Fukao and Y. Miyamoto, Phys. Rev. E 61, 1743 (2000).

[26] K. Fukao and Y. Miyamoto, Phys. Rev. E 64, 051807 (2001).

[27] Blythe A. R, Electrical properties of polymers, (Cambridge University

Dielectric, 1983).

[28] Nguyễn Hữu Kiên, Viện Năng lượng, Báo cáo đề tài NC KHCN “Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên tính chất điện môi trong vật liệu composite dùng trong MBA điện lực”- 2006 .

[29] R. M. Hill and L. A. Dissado, J. Phys. C: Solid State Phys. 15 5171

Press, 1979).

[30] K. L. Ngai, S. Mashimo and G. Fytas, Macromolecules, 21 3030 (1988).

117

(1982).