ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ
NĂM 2010

BỘ CÔNG THƯƠNG
VIỆN NĂNG LƯỢNG
Hà Nội - 2010
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ CÁC ĐẶC TÍNH
CỦA CÁCH ĐIỆN TREO BẰNG COMPOSITE VẬN HÀNH
TRONG
HỆ THỐNG ĐIỆN VIỆT NAM
GIAI ĐOẠN 2 MÃ SỐ I169 Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Năng lượng
Chủ nhiệm đề tài: ThS. Vũ Thanh Hải
8764

cố trên đường dây truyền tải 43

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN COMPOSITE TẠI VIỆT NAM

3.1 Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật gia công compositer - composite 52
3.2. Phương pháp đúc cao áp (Injection moulding) 68
3.3 Giới thiệu quy trình sản xuất cách điện composite có thể sử dụng tại Việt
Nam
77

KẾT LUẬN

85
PHỤ LỤC
TÀI LIỆU THAM KHẢ
O
87 Những chữ viết tắt

EPDM: Ethylene Propylene Diene Monomer
ESDD : Nồng độ muối lắng đọng tương đương - Equivalent Salt Deposit Density
FTIR: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
HCs: Nhóm kỵ nước
HTV: Lưu hoá ở nhiệt độ cao
LMWs: Trọng lượng phân tử thấp
NSDD : Nồng độ chất kết tủa không hòa tan - Non Soluble Deposit Density
PDMS: Polydimethylsiloxane

Việc sử dụng cách điện composite dưới tác động của điều kiện khí hậu nhiệt đới
nóng ẩm của Việt Nam bước đầu đã được khảo sát và đánh giá qua nội dung đã
thực hiện trong giai đoạn 1 (năm 2009) củ
a đề tài cấp Bộ Công Thương « Nghiên
cứu đánh giá các đặc tính của cách điện treo bằng composite vận hành trong hệ thống
điện Việt Nam ». Giai đoạn này đã thực hiện được các nội dung sau:
- Nghiên cứu tổng quan về cách điện composite
- Khảo sát, phân tích thành phần, tính chất và đặc tính cách điện composite
- Phân tích nghiên cứu khả năng phục hồi các tính chất cách điện của cách
điện
composite khi chịu các tác động phá huỷ
- Điều tra sơ bộ về sử dụng sứ cách điện composite trong hệ thống điện Việt
Nam
Các kết quả nghiên cứu giai đoạn 1 cũng đã cho thấy:
1. Hiện nay với các nước trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang ứng
dụng rộng rãi công nghệ vật liệu composite trong hệ thống điện. Vật liệu
composite có nhiều ưu điểm so với các vật liệu cách điện truyền thống như chống
được nứt vỡ tán cách điện, chịu đựng tốt trong các môi trường nhiễm bẩn, có khả
năng phục hồi tính kỵ nước khi bị tác động phá hoại của vầng quang, plasma.v.v…

2. Các đặc tính bề mặt của vật liệu cách điện composite đã được nghiên cứu, đánh
giá qua quan sát và phân tích bằng một số dụng cụ quang học như hiển vi điện tử;
qua đo góc tiếp xúc giọt nước, hay đo quang phổ kế hồng ngoại. Ngoài ra, các
phương pháp cụ thể để đánh giá khả năng lão hoá của vật liệu cũng được khảo sát.
Nghiên cứu cho thấy rằng s
ự phân tán các phần tử PDMS - Polydimethylsiloxane
với trọng lượng phân tử thấp là một cơ chế chính của sự phục hồi tính kỵ nước và
đây là một đặc tính quan trọng của vật liệu cách điện composite.
Việc nghiên cứu & triển khai về vật liệu cách điện composite được thực hiện theo
phương thức như sau:

tại Việt Nam, đưa ra các nhận định về ưu nhược điểm của chúng.
- Nghiên cứu và đề xuất về khả năng chế tạo, chuyển giao công nghệ và ứng
dụng cách điện composite tại Việt Nam.

CHƯƠNG I: ĐÁNH GIÁ VÀ PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG PHỤC HỒI CÁC
ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN COMPOSITE KHI CHỊU CÁC TÁC ĐỘNG PHÁ
HỦY QUA CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
Như đã phân tích trong Báo cáo giai đoạn 1 của đề tài, hiện nay, vật liệu cách điện
bằng composite đang được nghiên cứu rộng rãi và đã được đưa vào sử dụng làm
các vật liệu cách điện ngoài trời bởi chúng có một số đặc tính tốt hơn các vật li
ệu
cách điện bằng sứ và thủy tinh vốn đã được sử dụng làm vật liệu cách điện ngoài
trời trước đó. Nhìn chung, các vật liệu cách điện bằng composite có nhiều ưu điểm
hơn khi so sánh với vật liệu cách điện vô cơ như gốm sứ, thủy tinh: trọng lượng
nhẹ hơn (15%), sức bền cơ học (gấp 2 lần đố
i với độ bền kéo và gấp 5 lần đối với
độ bền va chạm), sức chịu hư hại tốt, dễ lắp đặt, thuận tiện trong việc uốn ép cấu
hình. Khả năng chống thấm nước của các vật liệu cách điện bằng composite đã tạo
ra được một điện trở bề mặt cao ngay cả khi bề mặt bị hư hại do m
ột số tác động
như: bụi, muối, và nước (nước mưa, sương mù). Do vậy dòng rò bị triệt tiêu đến
mức độ thấp nhất.
Các phân tích lý thuyết về khả năng phục hồi các tính chất cách điện của cách điện
composite khi chịu các tác động phá huỷ đã thực hiện ở giai đoạn 1 cho thấy một
số loại composite như: FRP – sợi thủy tinh gia cường (Fiber Reinforced
Compositer), silicone rubber, EPDM (Fthylene Propylene Dine Monomer), EVA
(Ethy1ene Vinylacetate Cocompositer) và PTFE (Po1y Tetrafluoro Ethylene) được
sử dụng làm chất cách điện ngoài trời. Nhìn chung, FRP làm cốt lõi cách điện đảm
bảo độ bền cơ học, còn cao su silicone, EPDM, và EVA được dùng để phủ lên để
làm cách điện cho dây dẫn truyền tải điện. Nói chung composite nguyên chất thích

cực tím từ mặt trời, độ ẩm, sự đọng nước, nhiệt độ …), tải cơ khí, hiện tượng
phóng điện dạng vầng quang và bề
mặt là các nhân tố quan trọng tác động mạnh
đến sự lão hóa. Những tác động có thể đồng thời khiến đẩy nhanh suy giảm tính
chất vật liệu. Lão hóa của vật liệu tán cách điện có thể (1) làm giảm khả năng cách
điện chịu đựng điện áp so với cách điện mới, do đó dẫn đến phóng điện bề mặt tại
điện áp vận hành, và (2) gây ra sự xuố
ng cấp của tán cách điện bởi đường dẫn
(cacbon hóa hoặc ăn mòn của vật liệu tán). Đường dẫn có thể gây ra phóng điện bề
mặt, và ăn mòn nếu nó dẫn đến sự tiếp xúc của lõi sợi thủy tinh với môi trường,
lúc này, cách điện có thể được dự kiến hư hỏng tương đối sớm [5].
Vì vậy, có hai vấn đề cần phải quan tâm khi nghiên cứu tổng thể về vận hành cách
điện, đó là phóng điện bề mặt và sự lão hóa. Hai hiện tượng đó có thể phụ thuộc
vào nhau hoặc là không phụ thuộc. Kinh nghiệm vận hành đã chỉ ra rằng phóng
điện bề mặt trên cách điện composite có thể xảy ra mà không cần một sự lão hóa
đáng kể (đường dẫn hoặc ăn mòn) và trong một số trường hợp, sự ăn mòn cách
điện đã xảy ra mà không dẫn tới một phóng điện bề mặt [6].
Sau một thời gian đưa vào vận hành, chúng ta có thể thấy được một số loại hư
hỏng thường gặp đối với vật liệu cách điện composite như sau:
- Sự gãy giòn đối với lõi bằng sợi thủy tinh:

+ Lõi của cách điện chế tạo bằng sợi thủy tinh để chịu lực, nhưng do cấu trúc
vật liệu giòn và thô của sợi thủy tinh nên hơi ẩm sẽ dễ dàng thâm nhập vào lõi và
nhanh chóng phá hủy nếu vị trí tiếp xúc bị hỏng.
+ Các dạng phá hủy do axit: các khu vực nhiễm bẩn nặng, hình thành môi
trường axit, thậm chí gây nên các cơn mưa axit sẽ gây ăn mòn phần tiếp giáp giữa
cách điện và phụ ki
ện đầu cuối cũng như ăn mòn lớp lõi, cũng như bề mặt cách
điện gây nên phóng điện.
+ Lõi thủy tinh bị ăn mòn do ứng lực, do nhiễm bẩn.

- Hư hỏng về cơ đối với phần lõi:
do các ứng suất cơ học vượt quá mức chịu đựng
khi lõi phải chịu tải trọng quá lớn, cũng có thể là do công nghệ chế tạo lõi là
không đảm bảo, hay do phải chịu những tác động không mong muốn trong quá
trình vận chuyển (bị xoắn, uốn quá độ).
Hình 1.4: Các hư hỏng về cơ đối với lõi.
Ngoài ra cách điện composite còn gặp phải những vấn đề như sau:
- Tuổi thọ của vật liệu composite không được dài so với thủy tinh hoặc gốm sứ.
- Kiến thức và kinh nghiệm trong vận hành loại cách điện composite vẫn còn bị
giới hạn.
- Các tiêu chuẩn về thiết kế, vật liệu cũng như sản xuất loạ
i cách điện này vẫn
chưa rõ ràng, có nhiều công nghệ khác nhau.
Các loại sự cố nói trên đều được các nhà sản xuất và các đơn vị vận hành quan tâm
nghiên cứu, các mẫu hư hỏng, sự cố đều được thu thập, đánh giá phân tích một
cách tỉ mỉ. IEEE gần đây đã có một dự án điều tra về những cách điện composite
này. Bước đầu tiên trong quá trình là các nghiên cứu trên các cách điện composite
trong phòng thí nghiệm và so sánh đánh giá k
ết quả thu được với nhau.
Mục tiêu chính của các nghiên cứu này là cung cấp các phương pháp kiểm tra để
có thể phát hiện các khiếm khuyết bên trong cách điện có tiềm năng dẫn đến hư
hỏng. Ví dụ như phân tích hình ảnh nhiệt và kiểm tra vầng quang UV qua sử dụng
các công cụ phối hợp là để xác định các phần khiếm khuyết tiềm năng trong cách
điện.
Những kinh nghiệm nghiên cứu hình ảnh về nhi
ệt và camera vầng quang này đã
được sử dụng như một phần của chương trình lớn kết hợp với đánh giá phóng điện

Do vậy, sự vận hành cách điện trong các điều kiện về tần số, điện áp và sự ô
nhiễm s
ẽ được đánh giá để làm cơ sở lựa chọn cách điện cho các đương dây truyền
tải điện. Tiêu chuẩn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, ví dụ như tiêu chuẩn IEC
thử nghiệm điều kiện sương muối và sương sạch [7], được phát triển để đánh giá
hiệu quả chống nhiễm bẩn của cách điện đường dây.
Thử nghiệm sương mù sạch – clean fog
là thử nghiệm được sử dụng rộng rãi hơn.
Nó đánh giá hoạt động của một cách điện trạng thái tiền nhiễm bẩn; đó là làm ướt
dần dần bằng cách ngưng tụ hơi nước đồng đều trên bề mặt. Nhu vậy, trạng thái
ướt đã được thiết lập, kết quả là điện áp phóng điện bề mặt giảm nhiều nhất so v
ới
các điều kiện sạch khác. Các thiết kế cách điện dựa trên thử nghiệm này được coi
là phương pháp truyền thống.
Mức độ nhiễm bẩn được thể hiện trong quy định về nồng độ muối lắng đọng
tương đương - Equivalent Salt Deposit Density (ESDD) [7], một tham số được
đo trong thử nghiệm. Nếu đường dây truyền tải đã được xây dựng, thử nghiệm có

thể được sử dụng để đánh giá mức độ nhiễm bẩn có thể chịu đựng được của vật
liệu cách điện mà không gây nên phóng điện bề mặt, nghĩa là khả năng chịu đựng
được nhiễm bẩn.
Thử nghiệm sương mù sạch theo tiêu chuẩn IEC cũng được dùng để đánh giá
nhiễm bẩn của cách điện composite. Thử nghiệm này còn được sử
dụng cho cách
điện composite đã thôi phục vụ, nhằm xác định sự suy giảm khả năng chống bụi
bẩn của vật liệu do lão hóa có thể xảy ra trong quá trình phục vụ.
Theo như những phân tích trước đây, cách điện được kiểm tra đã vận hành từ năm
đến tám năm trên đường dây ở cấp điện áp 220 kV và 500 kV (xem hình vẽ 1.8,
1.9), nhưng sự cố tăng lên do ảnh hưởng củ
a điện trường quá cao gần phụ kiện đầu

tích khác nhau. Vớ
i kết quả của nghiên cứu này, chúng ta có thể xây dựng cơ sở
cho các hiểu biết xa hơn về cơ chế lão hóa của vật liệu composite.
Qua các nghiên cứu trước đó, kết quả cho thấy, các vết phóng điện bề mặt (surface
spot discharge) là nguyên nhân chủ yếu làm cho các vật liệu composite bị lão
hóa, ngoài ra còn có các nhân tố tác động khác như: tia cực tím trong ánh sáng mặt

trời, nhiệt độ, hiện tượng tương tác lẫn nhau của các chất hóa học. Và đo dòng rò
là phương pháp phù hợp nhất để theo dõi các đặc tính bề mặt của cách điện.
Do đó, trong nghiên cứu này, sương mù (đại diện cho các chất gây hư hại) tạo ra
các vết phóng điện bề mặt và tác động của điện áp, được đưa vào mẫu vật để thúc
đẩy cơ chế lão hóa composite.
Một mạch điện được sử dụng để đo và theo dõi dòng rò bề mặt. Mẫu vật dùng để
phân tích được quét qua kính hiển vi điện tử và qua phân tích phân tán năng lượng
tia X.
1.2.1 Sơ đồ thực nghiệm
Hai loại composite: silicone rubber và EPDM được dùng làm mẫu vật lấy ra từ
cách điện đang được sử dụng.
Hai buồng thí nghiệm được chuẩn bị cho nghiên cứu này có cùng kích thước (600
rộng x 900 dài x 800 cao (mm)). Tuy nhiên, hệ th
ống điện cực và phương pháp tạo
sương muối tại 2 buồng là khác nhau. Hình 1.11 (a) là hệ thống điện cực được đưa
vào buồng tạo sương kiểu rung. Hình 1.11 (b) mô tả một hệ thống điện cực được
đưa vào buồng tạo sương kiểu phun sương.
Điện áp cao đặt vào các mẫu được cung cấp từ một máy biến áp 30kVA,
220/13600V đặt bên ngoài buồng. Cương độ
điện trường trung bình là
500VAc/cm
Bakelite và acryl trong suốt được lựa chọn là vật liệu làm thành buồng bởi chúng
có một số ưu điểm về khả năng cách điện và với acryl trong suốt thì ta có thể quan

thí nghiệm lão hóa được đưa ra khỏi buồng thí nghiệm, không chịu bất cứ tác động
điện trường hoặc sương muối nào và để ngoài không khí trong 200 giờ. Sau 200
giờ ta có thể quan sát thấy các vệt nhám và lỗ khuyết tật trở nên mờ đi do các phần
tử trọng lượng nhẹ LMW tồn tại trong EPDM khuyếch tán lấp đầy vào các lỗ
khuyế
t tật hoặc vết nhám (Hình 1.14).

a) EPDM nguyên mẫu b) Cao su silicon nguyên mẫu a) EPDM sau 100 giờ b) Cao su silicon sau 100 giờ
Hình 1.13 : Sự thay đổi hình thái bề mặt vật liệu sau lão hóa a) EPDM nguyên mẫu b) EPDM sau kết thúc 100 giờ

c) EPDM sau kết thúc 200 giờ d) EPDM sau kết thúc 250 giờ
Hình 1.14 : Sự phục hồi bề mặt EPDM sau kết thúc thí nghiệm lão hóa 200 giờ
Qua phân tích mẫu thí nghiệm bằng phân tích phân tán năng lượng tia X – energy
dispersive x-ray analysis, chúng ta có thể quan sát thấy sự thay đổi trên kết cấu bề

mặt mẫu thử. Ở cả hai loại composite, các đỉnh nhôm, cacbon và oxy lần lượt xuất
hiện, và đỉnh silicone xuất hiện ở cao su silicone. Việc xuất hiện cacbon được cho
là bởi các vết phóng điện bề mặt gây ra và bởi sự phân hủy của các chất độn (xem
hình 1.15). Chúng ta có thể tìm thấy một số chất độn ở bề mặt của mẫu vật EPDM.

a) EPDM ban đầu và sau 100 giờ

b) Cao su silicone ban đầu và sau 100 giờ
Hình 1.15 : Phân tích năng lượng phân tán tia X trên bề mặt composite


- Cao su Silicone có điện trở đường dẫn (tracking resistance) tốt hơn nhiều so với
EPDM. Trên bề mặt của EPDM, đường dẫn (tracking) đã xuất hiện sau thời gian
ngắn khoảng 30 giờ, kéo dài trong khoảng từ điện cực bên trên tới điện cực bên
dưới. Trong trường hợp cao su silicone, không có hiện tượng tương tự xảy ra trong
100 giờ.
Các đỉnh nhôm, cacbon, oxy và silicone ở cao su silicone: Việc xuất hiện các đỉnh
này được giả
định là kết quả của tổng hợp các hiện tượng: vết phóng điện bề mặt,
sự phân hủy và phản ứng của các tác nhân, sự di trú của các phân tử trọng lượng
thấp trong vật liệu.
Mặc dù bề mặt của composite đem phân tích bị phá hủy mạnh bởi ăn mòn, nhưng
với cả hai mẫu vật EPDM và cao su silicone vẫn không bị mất đi khả năng cách
đ
iện của chúng.

1.3 Đánh giá cách điện composite trong môi trường chịu ảnh hưởng của gió
cát
Cách điện composite bị lão hóa do tác động điện như vầng quang và các tác động
của môi trường như bức xạ tia cực tím và mưa axit, bởi chúng có thể làm thay đổi
bề mặt hóa học và cấu trúc của composite do đó làm giảm các tính chất mong
muốn của các vật liệu như tính kị nước [3,4,5]. Ở Việt Nam, kinh nghiệm vận
hành với cách điện composite là ít hơn đáng kể so với cách điện sứ và thủy tinh.
Do đó, để đánh giá tác động của khí hậu lên cách điện composite, xem xét các
hiệu ứng, các khiếm khuyết về điện và cơ khí, và nghiên cứu tính khả thi về vận
hành của các cách điện composite tại Việt Nam trong tương lai c
ần phải có cách
tiếp cận hợp lý dựa trên các nghiên cứu, đánh giá về vận hành cách điện composite
trong điều kiện gần tương đương với điều kiện vận hành tại Việt Nam
Phần này sẽ phân tích về một nghiên cứu thực hiện trên cách điện composite thuộc

Số lượng bát sứ 4
Đường kính các bát sứ 140 mm
Khoảng cách bát sứ 46 mm

Mũ và chốt của cách điện số 5 được chọn từ vật liệu gốc, mũ và chốt của cách
điện số 6 được hoạt động ở điều kiện giống cách điện số 2, số 3 và số 4. Các sứ
cách điện đã được mang ra để so sánh với cách điện SIR trong một số thử nghiệm.
1.3.2. Đặc điểm khí hậu của khu vực thực hiện lấy mẫu:
Yazd tỉnh có vị trí cao nguyên miền Trung của Iran. Lượng mưa trung bình thấp;
những điều kiện này gây ra thời tiết nóng và khô ở trung tâm và thời tiết ôn đới ở
xung quanh vùng miền núi (điều kiện này có một số nét tương đồng với khu vực
miền Trung - Tây Nguyên của Việt Nam tuy nhiên khắc nghiệt hơn nhiều).
Xem xét vị trí địa lý và điều kiện khí hậu, vùng này đặc trưng với mức độ bốc hơi
và dao động nhiệt độ hàng ngày cao trong mùa hè.
Nhiệt độ môi trường xung quanh trong mùa hè tối đa đạt đến 45
0
C; đôi khi tốc độ
gió đạt tới 90 km / h và gây ra những cơn bão cát ở vùng sa mạc khô.
Trong tỉnh Yazd, các tia cực tím (UV) bức xạ cường độ rất cao, và năng lượng ánh
sáng trong những giờ ấm nhất trong ngày vượt quá 1.000 wats/m2.
1.3.3. Phân tích kết quả thu nhận được
Để thực hiện các đánh giá cách điện composite, các thí nghiệm phá hủy và không
phá hủy mẫu vật về cách điện đã được thực hiện.
Kiểm tra trực quan
Kiểm tra trực quan cho thấy không có dấu hiệu của sự xói mòn, vết nứt và vết của
hoạt động điện như phóng điện vầng quang trên bề mặt các bát của cách điện số 2,
số 3 và số 4. Ngoài ra, không có dấu hiệu của sự ăn mòn trên bề mặt phụ kiện đầu
cuối của các cách điện. Có một số vệt bẩn lớp màu vàng ở phía trên và phía dưới
cùng của tất cả các bát sứ, chúng liên tục và rất đậm (Xem hình 1.17). Vì vậy,
kiểm tra trực quan cho thấy không có dấu hiệu của sự hư hỏng, quá trình lão hóa
Hình 1.19: Các mức đỉnh của dòng điện rò
Theo hình 1.19, một số vấn đề cần phải được chú ý:
1. Mức độ đỉnh LC của cách điện silicone nhiễm bẩn là rất thấp, lý do là bởi tính
kị nước bề mặt của chúng ngay cả trong điều kiện sương mù sạch cũng như là có
mặt của sự ô nhiễm.
2. Đỉnh LC của cách điện bằng gốm nhiễm bẩn cao hơn so với những loại khác
bởi sự hiện diện của nhiễm bẩn, độ ẩm và tính ưa nước bề mặt của gốm. Phản ứng
phi tuyến của đỉnh LC cho thấy sự hình thành của hoạt động dải khô trên bề mặt
ưa nước trong điều kiện ô nhiễm [14].
3. Sự suy giảm mức đỉnh LC của gốm cách điện nhiễm bẩn nằm giữa 85 giây và
105 giây là do độ hoạt động của dải khô. Mức đỉnh LC tăng lên trong khoảng 110
giây.
Rõ ràng cách điện cao su silicon duy trì tính kỵ nước của chúng mang lại kết quả
là mức đỉnh của dòng điện rò thấp.
Đo độ nhiễm bẩn
ESDD và NSDD đo được trình bày trong Bảng 1.3. Kết quả cho thấy độ nhiễm
bẩn lắng đọng trên cách điện sứ nhiều hơn so với trên cao su silicone, điều này có
thể là do sự khác biệt giữa vật chất và thuộc tính của cách điện sứ và silicone.