BỘ CÔNG THƯƠNG
TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
VIỆN NĂNG LƯỢNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
NĂM 2009 BÁO CÁO TỔNG HỢP
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG
MÔI TRƯỜNG KHÍ HẬU NHIỆT ĐỚI LÊN ĐẶC TÍNH
ĐIỆN MÔI CỦA VẬT LIỆU COMPOSIT DÙNG TRONG
CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP
(GIAI ĐOẠN II)

MÃ SỐ : I - 157

Cơ quan chủ trì đề tài : Viện Năng lượng
Chủ nghiệm đề tài : ThS. Nguyễn Hữu Kiên 7905 Hà Nội – 2009

I.4. Nhận xét 33
CHƯƠNG II : XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH ĐIỆN MÔI - BẢN CHẤT CỦA DÒNG
PHÂN CỰC VÀ KHỬ PHÂN CỰC TRONG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
COMPOSITE 35

II.1 Đặt vấn đề 35
II.2 Các thử nghiệm chẩn đoán khi không mang điện «Off-line » 37
II.2.1. Chẩn đoán bằng các tham số không điện từ 37
II.2.2. Chẩn đoán dựa trên quá trình vận hành 38
II.2.3. Đo điện áp hồi phục « return voltage » 38

2
II.2.4. Đo điện trở cách điện 38
II.2.5. Đo chỉ số phân cực 39
II.2.6. Đo góc tổn hao điện môi tan
δ
39
II.2.7. Đo phóng điện cục bộ (PD) 40
II.3 Chẩn đoán khi đang hoạt động « On-line » 41
II.3.1. Đo phóng điện cục bộ (PD) 41
II.3.2. Thử nghiệm phát hiện sự cố bằng siêu âm và âm thanh 42
II.3.3. Đo và phân tích nhiệt độ của cách điện bằng hồng ngoại 42
II.4. Phương pháp đo dòng phân cực và khử phân cực 42
II.4.1. Sự phân cực trong điện môi rắn 42
II.4.1.1. Phân cực dưới tác dụng của
điện trường tĩnh 42
II.4.1.2. Các dạng phân cực 43
II.4.1.3. Sự phân cực lưỡng cực theo thời gian 45
II.4.2. Sự dẫn điện trong điện môi rắn 47
II.4.3. Quá trình khử phân cực trong điện môi 49

Tên đề tài : Nghiên cứu đánh giá tác động môi trường khí hậu nhiệt
đới lên đặc tính điện môi của vật liệu composite dùng trong các thiết bị điện
cao áp.
Giai đoạn I (năm 2007 đã nghiệm thu) của đề tài đã giải quyết xong các
nội dung sau:
I.1. Tổng quan về các cơ chế gây già hoá, gây phóng điệ
n của vật liệu
composite dùng trong các thiết bị điện cao áp dưới tác động của môi trường
nhiệt đới (nhiệt độ và độ ẩm cao).
I.2. Nghiên cứu đặc tính cơ bản quá trình xâm nhập của nước làm ảnh
hưởng đến tính chất điện môi của vật liệu composite dùng trong các thiết bị
điện cao áp.
Giai đoạn II (năm 2009) của đề tài sẽ xem xét và giải quyết các nội
dung sau:
II.1.
Đặc tính hoá về quá trình chọc thủng của vật liệu composite dưới
tác động của điện áp xoay chiều tần số công nghiệp.
II.2. Xác định đặc tính điện môi (hằng số điện môi và góc tổn hao), và
bản chất của dòng phân cực và khử phân cực (Polarisation and
Depolarisation Current) trong vật liệu composite.
PHẦN I: GIAI ĐOẠN I
II. Tóm tắt nội dung của giai đoạn I
II.1. Đặt vấn đề
Vật liệ
u composite điển hình là một hệ thống gồm hai hoặc nhiều vật
liệu khác nhau với các tính chất hỗ trợ cho nhau. Vật liệu composite là loại
vật liệu mới ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học kỹ
thuật và công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng không vũ trụ; đóng tàu; kỹ

4

hằng số điện môi và tổn hao tăng và có thể dẫn tới hiện tượng phóng điện
chọc thủng (breakdown) [10, 11].

5
Giai đoạn I của đề tài đã trình bày tổng quát và phân tích tình hình
nghiên cứu về vật vật liệu composite nói chung và vật liệu cách điện
composite nói riêng trong nước và ngoài nước.
Trong điều kiện Việt Nam hiện nay thì các thiết bị điện cao áp có cách
điện bằng vật liệu composite đã được sử dụng rộng rãi trong những năm gần
đây. Các thiết bị này hầu hết là được nhập khẩu từ các nướ
c tiên tiến trên thế
giới có điều kiện khí hậu khác so với Việt Nam việc sử dụng vật liệu
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. Tác giả chỉ ra rằng
việc nghiên cứu đánh giá tác động của nhiệt độ và độ ẩm cao lên đặc tính điện
môi củ
a vật liệu cách điện composite được xem là rất cần thiết.
II.2. Chương 1:
Trong chương này đã trình bày tổng quan về các cơ chế gây già hoá,
gây phóng điện của vật liệu composite dùng trong các thiết bị điện cao áp
dưới tác động của môi trường nhiệt đới (nhiệt độ và độ ẩm cao). Qua đó
chúng ta thấy được bức tranh tổng thể về vật liệu composite, quá trình sử
dụng trong tương lai, tình hình nghiên c
ứu vật liệu composite nền nhựa epoxy
ở Việt Nam và thế giới, cấu tạo và tính chất lý hóa của vật liệu composite nền
nhựa epoxy/sợi thủy tinh, Ảnh hưởng của môi trường làm việc đến vật liệu
composite nền nhựa epoxy/cốt vải thuỷ tinh. Qui luật già cỗi và lão hoá của
vật liệu cách điện composite.
Ngoài ra, trong chương này cũng đã chỉ ra số lượng các công trình
nghiên cứu cả về lí thuy

bộ, độ ẩm tác động hoặc tác động bởi sự
phân hủy các sản phẩm SF6 có liên
hệ mạnh mẽ tới tình trạng kết dính trong bề mặt rất nhỏ giữa chất độn và
nhựa. Việc phân lớp trên bề mặt này có thể dẫn đến làm tăng tốc quá trình già
hóa và giảm phẩm chất của các thông số rất quan trọng trong vật liệu là điều
không thể chấp nhận được. Phóng điện cục bộ là sự tác động bởi c
ường độ

7
điện trường tại vị trí cao và sự lan truyền này sẽ dọc theo vị trí có các dấu vết
yếu. Vì vậy, xuất hiện cây điện và phóng điện cục bộ ở bên trong hoặc gần bề
mặt.
II.4. Kết luận:
Các TBĐ cao áp (máy phát điện, MBA, vách ngăn trong các thiết bị
đóng cắt khí, cách điện của stator máy điện quay…) có cách điện bằng VLC
đã được sử dụ
ng rộng rãi tại VN trong những năm gần đây. Các thiết bị này
hầu hết là được nhập khẩu từ các nước tiên tiến trên thế giới có điều kiện khí
hậu khác so với VN. Tuy nhiên, việc sử dụng VLC trong các thiết bị này dưới
tác động của điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của VN thì chưa được quan
tâm đúng mức. Vì vậy tuổi thọ và quá trình già hoá của vật li
ệu cách điện
composite cũng chưa được đề cập tới và nghiên cứu cụ thể. Do đó, việc
nghiên cứu đánh giá tác động của nhiệt độ và độ ẩm cao lên đặc tính điện môi
của vật liệu cách điện composite được xem là rất cần thiết.
Các thí nghiệm đã thực hiện trên mẫu cách điện với sự điều khiển hàm
lượng nước
đã chỉ ra sự giảm phẩm chất của đặc tính điện môi rất mạnh tại
tần số 50Hz của điện trường cao khi hàm lượng nước cao (điển hình khoảng
0,5%). Trên 1 tỷ lệ thời gian ngắn, độ bền điện môi giảm mạnh (tới

quá trình xuống cấp này. Những ti
ến bộ của khoa học và công nghệ đã cho
chúng ta những phương pháp cũng như các thiết bị thí nghiệm mới cho phép
theo dõi sự hình thành và phát triển của các “điện tích không gian” (spaced
charges) trong vật liệu dưới tác động của điện trường. Các điện tích không
gian này được nghi ngờ là nguyên nhân của sự xuất hiện các hư hỏng trong
vật liệu.
I.2. Sự xuống cấp không hồi phục của vật liệu cách đ
iện composite
I.2.1. Cơ chế đánh thủng
Sự đánh thủng cách điện, còn được gọi là phóng điện chọc thủng cách
điện, có thể xảy ra theo nhiều cơ chế khác nhau. Các nguyên nhân chính là:
a) Đánh thủng điện-cơ học

9
Nguyên nhân của cơ chế phóng điện này là do lực tĩnh điện tác động
lên hai 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, khi điện trường tác động lên chất điện môi
v
ượt quá một giới hạn nào đó sẽ làm điện tử được gia tốc, va chạm gây ion
hoá theo dạng thác, tạo thành các tia lửa điện theo các rãnh phức tạp trong
chất điện môi và phá huỷ nó. 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.
b) Đánh thủng do nhiệt
Do chất điệ
n môi bị ngấm ẩm, già hoá hoặc các nguyên nhân khác, điện
trở cách điện giảm, dòng dò tăng. Đến một ngưỡng nào đó của dòng dò chất
điện môi nóng lên làm mật độ điện tử, ion tăng cao dẫn tới dòng điện tăng đột
ngột. Nếu nhiệt toả ra không kịp tản vào môi trường xung quanh thì chất điện

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 [14].
Phóng điện từng phần là tiền đề của một quá trình đánh thủng cách điện
mà chỉ xảy ra trong một chiều dày giới hạn của cách điện. Trong cách điện

11
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.
Mặt khác, 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. 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 điệ
n đầu tiên.
Cơ chế ban đầu của sự hình thành nên các lỗ trống là do sự thoái biến ở
cấp độ phân tử như là sự tái định dạng các phân tử hay sự chuyển động của

I.3.1. Quá trình già hoá của vật liệu 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 [9]. Trong phần này chúng ta sẽ xét đến các hiện tượng
xảy ra trong vật liệu cách điện composite này và đố
i chứng với các cơ sở lý
thuyết đã trình bày ở trên.
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 I.2a và I.2b). Nguyên nhân ban đầ
u của sự xuống cấp cách
điện là do lỗi giữa một phần bề mặt thanh dẫn và cách điện bọc bên ngoài.

13
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 kiểm tra độ bền điện môi xoay chiều
trong những vùng không b
ị 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 I.2a và I.2b).

Hình I.2a: Cách điện bị phá hủy trong máy phát điện công suất lớn

Hình I.2b: Cách điện cuộn dây bị phá hủy

hành cho 6 vùng của thanh dẫn stator với các mức điện áp đặt vào khác nhau
từ 1kV đến 11,5kV. Giữ mỗi lần tă
ng điện áp để đo giá trị mới thì sẽ có một
khoảng thời gian dừng thích hợp [Waren98] để phép đo trước không làm ảnh
hưởng đến kết quả của phép đo sau đó.
Hình I.3 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 đ
o
tanδ thu được trong hình I.4 cũng tương tự như vậy với giá trị 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
I.4. Sự thay đổ
i hệ số tổn hao này chứng tỏ phép đo có sự tham gia mạnh mẽ

15
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 [16÷18].

Hình I.3. Đặc tính giữa điện áp đo và điện dung của cách điện

Hình I.4. Đặc tính giữa điện áp đo và góc tổn hao tanδ
Sau khi tiến hành các thí nghiệm về điện, các mẫu cách điện composite
epoxy/mica của thanh dẫn stator bị hỏng được đưa vào kính hiển vi quét điện

16
tử (SEM) để tìm hiểu cấu trúc vi mô của vật liệu. Thí nghiệm được tiến hành
trên cả 6 vùng của thanh dẫn. Kết quả thu được trong hình I.5a và I.5b cho
thấy rằng những hư hỏng xuất hiện trong cách điện của thanh dẫn stator.

bằng máy quét điện tử với cả hai trường hợp già hoá trong không khí (hình
I.6a) và trong Hydro (hình I.6b). 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 I.6a 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 tạo 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 I.6b cho thấy các lỗ trống nhỏ và sự tách
lớp bên trong các lớp mica. Sự phân tách trong hình là các đường màu trắng

18
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 [19, 20].

Hình I.6a: Quá trình già hóa trong không khí bởi nhiệt và điện
(thanh dẫn stator bị già hóa qua máy quét điện tử nhìn dưới kính hiển vi
SEM)

Hình I.6b: Quá trình già hoá điện trong Hydro
(thanh dẫn stator bị già hóa qua máy quét điện tử nhìn dưới kính hiển vi
SEM)


phằng cùng với điện cực mũi nhọn có bán kính 3µm tạo nên một mô hình
phóng điện mũi nhọn - bản cực [22, 23].
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

20
tớnh c bn ca tớnh cht ỏnh thng in mụi v sau ú cht n ATH cú
dng bt c thờm vo epoxy vi cỏc hm lng khỏc nhau to nờn cỏc
mu composite. Cú 3 loi mu vi t l khi lng cht n ln lt l 5%,
10% v 15% ATH. Hn hp epoxy v ATH c trn u v c lu hoỏ
2 ch khỏc nhau. Mu RT c lu hoỏ nhit mụi trng trong 7
ngy cũn m
u ET c lu hoỏ 24h nhit thng v 4h nhit 100
0
C
theo nh gi ý ca nh sn xut.
mặt này tráng bạc
điện cực cao áp
hình mũi nhọn
52mm
10mm
24mm
2,5mm

Hỡnh I.7: Mụ hỡnh thớ nghim phúng in mi nhn - bn cc
Tng mu thớ nghim s c thc hin quỏ trỡnh phúng in chc
thng theo mụ hỡnh hỡnh I.7 vi in ỏp ti mi nhn l 10kV v tn s 50Hz.
Trong thớ nghim ny, thi gian to thnh cõy in v gõy ra phúng
in l tham s quan trng nht. Cỏc quỏ trỡnh hỡnh thnh cõy in, quỏ trỡnh
phúng in trong kt qu thớ nghim i vi epoxy tinh khit c ghi l

22
3
10% Al(OH)
3
10% Al(OH)
§iÒu kiÖn chu tr×nh luu hãa nhiÖt
Thêi gian phãng ®iÖn chäc thñng (phót)
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
mÉu ®Ó ë nhiÖt
®é ngoµi trêi (ET)
mÉu ®Ó ë nhiÖt
®é phßng (RT)
mÉu cã ®é tuæi=40 ngµy
kh«ng cã chÊt ®én kh«ng cã chÊt ®én

Hình I.9: Ảnh hưởng của điều kiện chu trình lưu hóa nhiệt
của vật mẫu với thời gian phóng điện chọc thủng
Các kết quả thí nghiệm đối với mẫu composite epoxy 10% ATH trình
bày cùng epoxy tinh khiết trong hình 1.9 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 100

ngày, khoảng cách điện cực = 2,5mm, điện
áp thí nghiệm = 10kV xoay chiều

Hỡnh I.10: nh hng ca mt phn cht n n phỏt trin cõy in
theo thi gian phúng in chc thng trong ATH tng cng epoxy 5052
I.3.2.2. Mụ hỡnh cõy in cho vt liu composite
i vi cỏc cỏch in bng polymer thun nh epoxy tinh khit trờn,
cú th gi thit rng s phỏt trin ca cõy in sinh ra t vic hỡnh thnh vựng
tin trin nguy hi (DPZ - Damage Process Zone) chớnh vựng ny ó hỡnh
thnh tr
c tiờn mt vựng bao quanh nh cõy trong quỏ trỡnh phỏt trin v
sau ú c ch phỏt trin cõy in, nh trong hỡnh I.12a, bt u hỡnh thnh v
kt thnh 1 khi t cỏc l trng vi mụ sinh ra bi dao ng nhit bao gm c
vựng tin trin nguy hi phớa trc nh cõy [25].

24
Công thức tính khoảng thời gian phát triển cây điện được phát triển bởi
Ding và Varlow là [26]:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎟
⎠

là kích thước phân nhánh của hình dạng cây, k =
1.38x10
-23
Js và h = 6.626x10
-34
Js lần lượt là hằng số Boltzman và Plank. T là
nhiệt độ tuyệt đối, U
0
là năng lượng hoạt động (kích hoạt) chọc thủng, αC
0

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 điệ
n.
Phương trình này cho thấy rằng tuổi thọ của cách điện sẽ tăng khi kích thước
phân nhánh của cây điện tăng.
vïng
tiÕn triÓn
nguy h¹i
kªnh dÉn cña c©y ®iÖn
lç trèng nhá
E

Hình I.11a: Cấu trúc nhỏ của trường cục bộ xung quanh đỉnh cây.
Vùng tiến triển nguy hại tới hạn trong epoxy tinh khiết không độn