Bộ Công thơng
tập đoàn điện lực Việt Nam
Viện năng lợng Bỏo cỏo tng kt ti cp b
Mã số: I-146
7182
17/3/2009
Hà nội - 10/2008
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thanh Hi
NH GI KH NNG PHC HI CCH
IN B MT CA SILICON S DNG
TRONG CCH IN CAO P CH TO
BNG VT LIU COMPOSITE
PH
SILICONE SAU KHI CHU TC NG PH
HU B MT (PHểNG IN/PLASMA)
CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO
SU SILICONE
48
2. 1. Những đặc tính của cao su silicone- polydimethylsiloxane
49
2. 2. Cách điện cao áp ngoài trời với thành phần cao su silicone
51
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 c
ủa các
phóng điện
56
3.3. Các phương tiện, thiết bị sử dụng để đo đạc xác định các đặc tính
của vật thử nghiệm
58
3
3.4. Các kết quả thực nghiệm
59
CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁCH
ĐIỆN COMPOSITE TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
5
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 ho
ạt 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
ràng cho điều đó. Chuỗi cách đi
ện có các đặc tính như:
• Chống được ăn mòn
• Có khả năng tự làm sạch bề mặt trong điều kiện không có mưa.
ệu 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 h
ạn 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
7
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.
Nội dung nghiên cứu bao gồ
m các phần sau:
o Tổng quan về cách điện composite
o Phân tích thành phần, tính chất và đặc tính của cách điện composite phủ
silicone.
o Nghiên cứu bản chất tính không dính nước của silicone, năng lượng mặt
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
dụng.
o Nghiên cứu khả năng phục hồi các tính chất này sau khi lớp phủ chịu
những tác động phá hủy như phóng điện bề mặt, plasma.
o Nghiên cứu khả năng ứng dụng trong điều kiện Việt nam, đánh giá tuổi
hỏng, việc xác định các lỗi, các dạng và số lượng nhiễm bẩn tự nhiên, các
hiệ
u ứng dưới mưa, ảnh hưởng của Hidrocacbon, của không khí và gió, các
phương pháp khác nhau để tối ưu hoá khả năng cách điện và đưa ra một
9
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 bằ
ng 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 muố
i 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 đườ
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
thành phần bao gồm: 11
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 v
ới 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 chiề
13
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 thu
ật, 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 c
ủa 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.
Đố
i 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 s
ợi, dạng dây mảnh hoặc ở dạng vải dệt,
chúng được sắp xếp và bố trí theo phương tác dụng của lực. Thông thường
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),
Composite vải (hình 1.2.c).
15
c)b)a)
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
1.3.b), và Composite trực hướng (hình 1.3.c).
a) b) 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
… Hình 1.4. gi
ới thiệu mô hình của vật liệu composite lớp.
θθ
θ
90
00
90
0
0
0
0
θ
17
16
12
8
4
14
10
6
2
0
-2
-4
-6
-8
Sù t¨ng lªn so víi n¨m truíc [%]
1000 tÊn
1200
1000
800
600
400
200
0
19881987198619851984198319821981
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
750t
andere
Thermo
plasle 300t
Poly
imide
200t
Epoxide
3500t
Epoxide
1500t
Aramid -
fasern
2500t
S-Glass -
fasern
2000t
Kohlenstoffasern
4000t
Kohlenstoffasern
1500t
Aramid -
fasern
1000t
S-Glass -
fasern
750t
Hình 1.6 : Sự phát triển của thị trường tiêu thụ vật liệu nền và vật liệu sợi ở
Mỹ.
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 vậ
t 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 lượ
ng 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 v
ật 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 c
ủa môi trường nhiệt đới (nhiệt độ và độ ẩm
cao).
22
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 nh
ọn 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 thấ
y cây có dạng nhánh và kích thước phân nhánh của cấu trúc cây
này được xác định vào khoảng 1,22.
Hình 1.9
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 hi
ện 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
23
được trình bày trong hình 1.10 cùng với các mẫu composite epoxy 10%
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:
Trong đó L
b
~ 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,
Copyright: Tài liệu đại học ©