Báo cáo "Hiện Tượng Lão Hóa Dạng "Cây Nước" Trong Vật Liệu Cách Điện Polyme: Nuững Đặc Điềm Nhận Dạng Và Phương Pháp Tạo "Cây Nước" Trong Phòng Thí Nghiệm " potx

92
TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH Tp 44, s 2, 2006 Tr. 92-
98
HIN TNG LÃO HÓA DNG "CÂY NC" TRONG VT LIU
CÁCH IN POLYME: NH NG !C I"M NHN DNG VÀ
PH$NG PHÁP TO "CÂY NC" TRONG PHÒNG THÍ NGHIM
NGUY"N #ÌNH TH%NG, V& THANH H'I
I. M U
Lão hóa c hiu nh là s bin i tính cht vt liu theo th i gian, d$i tác &ng c'a
môi tr ng: nhit &, & ,m, ánh sáng, tia t- ngo.i, oxy,… Polyme nói chung và polyethylene
(PE) nói riêng là nh8ng vt liu cách in quan tr:ng nht c s- d;ng làm l$p v< cách in
trong công nghip ch t.o cáp in lc và các thit b= in khác. Chúng có & tn hao cách in
tg thp và & bBn cách in cao. Kinh nghim vn hành thc t và các thí nghim dài h.n trên
các mô hình c'a cáp in lc chôn ngEm d$i t cho thy m&t hin tng rt quan tr:ng là
nc khi kt hp vi mt s yu t v môi trng xung quanh s có tác ng x u ti các v!t li#u
cách i#n c$a cáp l%c thuc nhóm polyolefine nh PE và XLPE. Nu nh s- d;ng phGng pháp
nhu&m màu úng cách ta có th quan sát thy nh8ng cu trúc d.ng cây (tree-like structures) J
trong l$p cách in PE hoKc XLPE c'a cáp ang vn hành. Nh8ng cu trúc này xut phát tM
nh8ng chN khuyt tt rt nh< c'a cách in và phát trin theo h$ng c'a in tr ng. Hin tng
rt ph bin này c g:i là cây nc (water treeing) và nó khác vB bQn cht v$i cây in
(electrical treeing) do ion hóa: Hin tng cây n$c này gRn liBn v$i môi tr ng mà cáp vn
hành làm suy yu cách in polymer c'a cáp tin t$i giai o.n lão hóa, các cây in sS c
hình thành gây ánh th'ng cách in. Hin tng lão hóa XLPE kiu cây n$c lEn Eu tiên c
Myashita (Nht BQn) [1]

phát hin ra nYm 1969. Trong gEn 35 nYm nghiên c^u hin tng này ã
có rt nhiBu giQ thuyt vB cG ch phát sinh - phát trin c a ra, nhng cho t$i tn ngày nay
v_n còn nhiBu mâu thu_n, cha rõ ràng trong lí thuyt vB cG ch phát sinh và phát trin c'a cây
n$c do iBu kin phát sinh chúng rt a d.ng.
Vic nghiên c^u cG ch phát sinh và phát trin c'a cây n$c ccng nh nghiên c^u phGng
pháp h.n ch tdc & phát trin c'a chúng trong cách in polymer c'a cáp in lc có ý nghfa

quan tr:ng di v$i các nhà sQn xut cáp và các công ty in lc.
Bài báo này sS mJ Eu cho m&t chuNi các bài vit phân tích các kt quQ nghiên c^u vB d.ng
lão hóa cây n$c do yu td môi tr ng J vt liu cách in PE, polyethylene mt & thp
(LDPE), polyethylene liên kt ngang (XLPE) cho cáp lc trung áp. Trong bài báo sS a ra các
=nh nghfa, nhn d.ng c'a "cây n$c", phân tích các thành quQ nghiên c^u trên th gi$i vB cG
ch lão hóa do hin tng cây n$c J vt liu cách in bing polymer nói chung và XLPE nói
riêng cho t$i th i im hin t.i và nh8ng vn B còn tjn t.i cEn giQi quyt. PhGng pháp t.o
m_u b= lão hóa d.ng "cây n$c" trong phòng thí nghim do tác giQ áp d;ng trong nghiên c^u ã
cho nh8ng kt quQ tdt làm cG sJ  phân tích vB s lão hóa c'a các polyme.
II. NGHIÊN CU V HIN TNG LÃO HÓA DNG "CÂY NC" TRONG V!T
LIU CÁCH IN POLYME
CG ch phát sinh phát trin c'a cây n$c cho t$i hin nay v_n cha có c m&t lí thuyt
nht quán  giQi thích m&t cách rõ ràng. S phát trin c'a cây n$c b= Qnh hJng c'a rt nhiBu
93
yu td môi tr ng ngoài n$c và in tr ng, và quá trình này th ng là phát trin trong m&t
th i gian rt dài; do vy, vic nghiên c^u hin tng lão hóa d.ng cây n$c J cách in XLPE
c'a cáp lc là rt khó và òi h<i th i gian dài.
M&t =nh nghfa có tính tng hp [2] vB hin tng lão hóa d.ng cây n$c có th phát biu nh
sau: nh8ng cây n$c là cu trúc lão hóa trong polyme có nh8ng tính cht:
- Chúng có tính vfnh c-u, m&t khi ã tjn t.i thì sS không b= bin mt i trong m:i tr ng hp.
- Cây n$c phát trin c trong polyme ít nht là do & ,m và tr ng in.
- Khi trong tr.ng thái $t, chúng có & bBn cách in thp hGn polyme không b= lão hoá, nhng
nh8ng cây n$c không phQi là l$p cách in b= phá hum c;c b& và ccng không phQi là  ng ngRn
m.ch (short-circuit path).
- Nh8ng cây n$c có & thm n$c (hydrophilic) cao hGn polyme không b= lão hoá.
Nh8ng cu trúc "cây n$c" này có nh8ng Kc im "nhn d.ng" sau:
- Tính v1nh c2u và th m nc: Nh8ng cây n$c tjn t.i vfnh c-u trong l$p cách in
polyme. Chúng có th c làm khô i, nhng khi Kt vào môi tr ng ' & ,m $t, nh8ng cây
n$c sS xut hin trJ l.i. Quá trình làm khô và cho $t trJ l.i này có th lKp i lKp l.i nhiBu lEn.
- Kh5 n6ng có th7 nhum màu: Vì cây n$c sau khi làm khô sS rt khó phát hin trong

XLPE, vic nhu&m màu cho cây n$c ã c tin hành tM rt s$m, gEn nh ngay sau khi các
nhà nghiên c^u phát hin ra hin tng cây n$c. TM ó n nay, ã có rt nhiBu phGng pháp
nhu&m màu c phát trin và s- d;ng. Hin t.i, phGng pháp tiêu chu,n  nhu&m màu cây n$c
ã c t ch^c CIGRE a ra v$i vic s- d;ng cht nhu&m là Methylene Blue (thudc tím).
- Hàm lng n$c ch^a trong cây n$c: Do quá trình lão hóa t nhiên, n$c sS khuch tán vào
polyme v$i m&t lng nht =nh trong iBu kin có hoKc không có các vt thm n$c trong ó.
Chrng h.n, hàm lng n$c trong PE vào khoQng 100 ppm t.i dQi nhit & môi tr ng tM 20
o
C n
50
o
C khi PE J trong tr.ng thái cân bing (equilibrium state); hàm lng n$c trong v< cách in
XLPE c'a cáp lc vào khoQng 200 ppm. Hàm lng n$c trong các cây n$c so v$i hàm lng
n$c trong PE sS cao hGn khoQng 100 lEn. Ch' yu chúng tjn t.i d$i d.ng l<ng trong các lN cây
n$c.
- Các lN rNng, kênh và  ng d_n: Theo các nhà nghiên c^u [3], cây n$c bao gjm cQ lN rNng,
kênh và  ng d_n tut thu&c vào cu trúc vt liu polyme và môi tr ng làm sinh ra chúng.
Các '(c tính 'i.n môi c1a cây n56c: Trong tr.ng thái $t cách in có hing sd in môi 
r
.
l$n hGn; tg có xu h$ng tYng J nh8ng cây n$c mKc dù không th coi cây n$c nh là kênh d_n
in. Chrng h.n, polyethylene (PE) có tg vào khoQng 0,0005, trong khi tg c'a cây n$c trong PE
có giá tr= vào khoQng 0,002.
v cách in bing polyme có nhiBu cây n$c trong tr.ng thái $t, & bBn cách in sS giQm
sút nhiBu và nó sS ph; thu&c vào s phát trin c'a cây n$c. MKc dù vy, cây n$c không phQi
là  ng ngRn m.ch, nó v_n còn gi8 c tính cht cách in J m&t m^c & nht =nh c th
hin qua giá tr= tg không l$n (tg cây n$c = 0,002) J in áp vn hành.
Hin t.i, quan im ph bin nht vB mô hình phát trin c'a lão hóa d.ng cây n$c là phân
lp các mô hình ra làm 3 d.ng chính do cha tìm ra c cG ch nht quán vB s phát trin c'a
cây n$c. xó là các mô hình in, hóa h:c và cG h:c.

Xét vB cu t.o và hình d.ng c'a cây n$c có th chia làm hai d.ng chính: d.ng lN thông
94
(vented trees) phỏt trin tM l$p bỏn d_n trong cỏp v d.ng hỡnh cỏi nG (bow-tie trees) phỏt trin
tM nh8ng b:t khụng khớ khuyt tt trong l$p cỏch in polyme c'a cỏp hoKc nh8ng chN khuyt
tt do cụng ngh ch t.o cỏp.
H
iện t ợng l o hoá dạng
Cây n ớc
Chọn mô hình
Mô hình điện Mô hình hóa
Điện chuyển Quá trình xuyên
Gia nhiệt điện
môi
Thẩm thấu-
điện
Phóng điện cục bộ, B o
điện tử
Nhiễm bẩn ion
Oxy hoá
Siêu bo ho7,
ng ng tụ n ớc
Thẩm thấu
Mô hình cơ học
Các tác động uốn kéo
ESC
Mỏi cơ học
Nứt do tác động trờng
Hỡnh 1. Cỏc mụ hỡnh phỏt trin lóo húa d.ng cõy n$c
Lỗ khuyết
tật

Lớp bán dẫn bọc lõi dẫn điện
Lõi
Cách điện XLPE
Lớp bọc bên ngo i
Lỗ thông
Cái nơ
Hỡnh 2. Cỏc d.ng cõy n$c phỏt sinh trong l$p cỏch in polyme cỏp in lc
III. PH7NG PHP TO M8U LO HểA DNG CY NC
TRONG PHềNG TH NGHIM
Lóo húa d.ng cõy n$c trong l$p cỏch in polyme cỏp in lc do Qnh hJng mụi tr ng
v tr ng in tM l m&t d.ng lóo húa cú quỏ trỡnh phỏt trin chm. Nh cỏc nghiờn c^u
[3]
ó ch{
ra, cú m_u lóo húa d.ng cõy n$c ly tM l$p cỏch in cỏp in lc ang vn hnh thỡ th i
gian vn hnh cEn thit phQi tM m i nYm trJ lờn. Trong cụng tỏc nghiờn c^u, m&t trong nh8ng
yu td quyt =nh l th i gian thớ nghim cudi cựng a ra kt quQ v cỏc nhn =nh, ỏnh giỏ.
Vỡ vy, ó cú nhiBu phGng phỏp t.o m_u lóo húa d.ng cõy n$c trong phũng thớ nghim c
B xut trong sudt hGn 35 nYm nghiờn c^u hin tng ny nhim rỳt ngRn th i gian hỡnh thnh
cõy n$c trong cỏch in polyme. Nh8ng phGng phỏp ú g:i chung l phGng phỏp t.o m_u
lóo húa kiu tYng tdc (accelerated experiment). Theo phGng phỏp ny, m_u cỏp hoKc m_u vt
liu polyme c a vo mụi tr ng khRc nghit nh in ỏp cao, tEn sd cao, nhit & v & ,m
cao v cho tip xỳc trc tip v$i cỏc dung d=ch húa cht nh mudi nhim ,y nhanh quỏ trỡnh
hỡnh thnh v phỏt trin cõy n$c, tM ú quan sỏt v phõn tớch cỏc thụng sd c'a chỳng. PhGng
phỏp ny c li vB mKt th i gian v cho phộp cỏc nh nghiờn c^u thu thp c cỏc m_u cõy
95
n$c a d.ng ph;c v; cụng tỏc nghiờn c^u.
Trong nghiờn c^u, tỏc giQ v cỏc c&ng s ó tip cn phGng phỏp tYng tdc v B xut m&t
h$ng m$i trong vic t.o m_u lóo húa d.ng cõy n$c trong l$p cỏch in polyme c'a cỏp in
lc v$i mong mudn nghiờn c^u, phõn tớch d.ng thự hỡnh, cỏc Kc tớnh in mụi, dũng rũ c'a
cỏch in polyme b= lóo húa. xú l phGng phỏp t.o m_u lóo húa cõy n$c d>ng l? thụng xuyờn

th u (penetrated vented water treeing) [4]. V$i phGng phỏp ny, cỏc "cõy n$c" c t.o ra sS
xuyờn ht chiBu dy c'a l$p mng polyme (LDPE hoKc XLPE) c dựng lm cỏch in cho
cỏp lc. Quy trỡnh c thc hin nh sau:
- V!t li#u s2 dEng: mng polyethylene mt & thp (LDPE: low density polyethylene) cú
cỏc & dy khỏc nhau tM 40 n 100 àm, m_u polyethylene v$i liờn kt ngang (XLPE:
crosslinked polyethylene) cú & dy 100 àm.
- X- lớ m_u vt v sRp Kt thit b= thớ nghim: Cỏc tm mng polyme c cRt thnh cỏc m_u
th- nghim hỡnh vuụng v$i cỏc kớch th$c a d.ng (40 mm ì 40 mm; 60 mm ì 60 mm,). Sau khi
lm s.ch, m_u c ỏnh rỏp nh| bB mKt bing giy rỏp c} #1500. x t.o ra in tr ng cao v t.o
mụi tr ng tỏc &ng vo m_u th- nghim (mụ ph<ng quỏ trỡnh lóo húa cỏch in cỏp lc ang vn
hnh chụn ngEm trong lũng t), m_u c cho tip xỳc trc tip v$i dung d=ch mudi bóo ho NaCl
hoKc FeSO
4
trong khi ch=u tỏc &ng c'a in ỏp cao (1 3 kV) trong th i gian tM 24 gi t$i 168 gi
(1 tuEn). x thc hin quỏ trỡnh ny, nhúm tỏc giQ ó s- d;ng h in cc dung d=ch mudi - bQn kim
lo.i v$i m_u th- k|p J gi8a bing epoxy nh hỡnh 3.

Điện cực nối với nguồn AC
Dung dịch muối NaCl hoặc FeSO4
Mẫu thử XLPE
Lớp đệm bằng giấy nhôm
Cốc mica không đáy
Bản kim loại (đồng, sắt )
Hỡnh 3. SG j nguyờn lớ th- nghim lóo húa tYng tdc s- d;ng h in cc dung d=ch mudi bQn kim lo.i
x t.o "cõy n$c" d.ng lN thụng bỡnh th ng (vented water trees), m_u th- l mng polyme
nh ó mụ tQ J trờn v ch{ cú m&t l$p duy nht. Cũn t.o ra m_u lóo húa v$i cõy n$c d.ng lN
thụng xuyờn thu, m_u th- sS bao gjm 2 l$p mng polyme c Kt d$i h thdng in cc. Sau ú,
m_u vt c a vo m.ch th- nghim v$i ngujn in ỏp cao (1 - 3 kV) tEn sd 50 Hz trong nh8ng
khoQng th i gian khỏc nhau tM 24 gi t$i 1 tuEn (7 ngy) phỏt sinh cõy n$c.
Mẫu thử v7 hệ

thống điện cực
1:100
Cắt
dòng
Rơ-le
thời
gian
Nguồn AC
Điện
trở
nớc
Điện áp : kVrms; 50Hz
Thời gian : 24 giờ - 1tuần

Hỡnh 4. SG j nguyờn lớ th- nghim & lóo húa d.ng cõy n$c
Sau khi kt thỳc thớ nghim, v$i m;c ớch hin hỡnh d.ng cõy n$c khi cho quan sỏt trờn kớnh
96
hin vi, các m_u lão hóa c a vào ngâm trong dung d=ch thudc tím v$i 10% amoniac trong vòng
24 gi [5]. xdi v$i thí nghim t.o m_u cây n$c d.ng xuyên thu, ch{ ly l$p phía trên, nGi có tip
xúc v$i dung d=ch mudi và ccng là nGi xut hin các cây n$c d.ng xuyên thu. Nh8ng m_u lão hóa
này sS c s- d;ng cho các phân tích, th- nghim vB lão hóa d.ng cây n$c nh: thí nghim vB
hin tng phát nhit, các thí nghim vB o dòng rò, các Kc tính in môi, các thí nghim vB & bBn
cách in c'a m_u b= lão hóa v.v…
IV. K<T QU> QUAN SÁT M8U LÃO HÓA DNG CÂY NC
M_u vt sau khi c x- lí sS c tin hành quan sát trên kính hin vi  phân tích các
thông sd c'a cây n$c nh: mt & cây n$c phát trin trong m_u, hình d.ng và chiBu dài cây n$c.
S- d;ng phGng pháp tYng tdc nh ã mô tQ J trên t.i phòng thí nghim cao áp và hiu ^ng
các in tr ng cao t.i tr ng x.i h:c Khoa h:c K† thut Toyohashi, Nht BQn ã thu c b&
d8 liu m_u lão hóa d.ng cây n$c trên vt liu polyme dùng cho cách in cáp in lc.
Qua quan sát trên kính hin vi m_u LDPE có & dày 100 µm, cây n$c có & dài dài nht

vào khoQng 40 µm, phEn l$n các cây n$c có & dài trung bình tM 10 - 20 µm.

Hình 5. Cây n$c trên lát cRt LDPE c
nhu&m màu bing thudc tím

1. 0 0
1
0.00
100.00
0 100 200 300
D
o dai cay nuoc (
µ
m
)
Mau LDPE
Mau XLPE
Hình 6. xj th= phân bd & dài cây n$c
x phân tích vB & dài cây n$c tjn t.i trong m_u, các tác giQ ã phân tích 2 m_u th- là
màng LDPE và XLPE có & dày 500 µm ã qua quá trình lão hóa, o qua kính hin vi sd lng
và & dài cây n$c và xây dng  ng phân bd & dài c'a các cây n$c quan sát c (hình 6).
Các  ng phân bd cho thy Kc tính vB s phát trin c'a cây n$c t.i các m_u th- là gidng
nhau; chúng ch{ khác nhau vB sd lng và chiBu dài các cây n$c có trong tMng m_u do m_u
khác nhau vB cu trúc hóa h:c. Hình d.ng c'a cây n$c d.ng xuyên thu c quan sát qua kính
hin vi và th hin trên hình 7.
Hình 7. Hình d.ng cây n$c d.ng xuyên thu trong l$p màng LDPE
97
V. NH !N XÉT CHUNG VÀ K<T LU!N
Hin nay trên l$i in trung áp, vic s- d;ng cáp ngEm ã trJ nên ph bin. KhQ nYng tQi c'a
cáp ph; thu&c vào sut nhit trJ c'a môi tr ng lRp Kt, nhit & môi tr ng xung quanh, & chôn

sâu cáp, khoQng cách lRp Kt gi8a các cáp. Hay nói cách khác là trong công tác quy ho.ch thit k
l$i in s- d;ng cáp ngEm vic xác =nh rõ các iBu kin môi tr ng, khí hu; các thông sd kf thut
nh in trJ nhit c'a vt liu lp rãnh cáp, cách th^c lRp Kt cáp in sS quyt =nh n vic vn
hành an toàn n =nh và quyt =nh tui th: c'a cáp.
xdi v$i cáp in lc cách in polyme, nguyên nhân c'a m&t sd s cd  ng cáp là do hu
quQ c'a quá trình lão hóa v$i cG ch chính là hin tng lão hóa d.ng cây n$c do tác &ng c'a môi
tr ng. Qua m&t th i gian vn hành, nh8ng cây n$c tjn t.i trong cách in cáp lc phát trin thành
nh8ng kênh dài, có khi ndi ht cQ bB dày cách in. Vì có nh8ng cây n$c nh vy cho nên & bBn
cách in c'a l$p cách in polyme b= suy giQm rõ rt, khi có xung in áp tác &ng thì xác xut
ánh th'ng cách in t.i nh8ng khu vc có cây n$c là rt cao. Có th nhn =nh ring lão hóa d.ng
cây n$c phát trin m.nh trong iBu kin khí hu nóng ,m và ma nhiBu c'a Vit Nam; vì vy, vic
nghiên c^u hin tng này là m&t vic cEn thit nhim m;c ích cudi cùng là a ra nh8ng bin pháp
ngYn ngMa h8u hiu quá trình lão hóa do cây n$c trong vn hành các tuyn cáp ccng nh trong quá
trình sQn xut cáp lc.
Các h$ng nghiên c^u tip theo sS là m&t sd n&i dung chính sau:
- Hin tng phát nhit trong m_u th- nghim và o dòng rò trong m_u.
- x& bBn cách in c'a m_u lão hóa ph; thu&c theo & ,m môi tr ng xung quanh.
- ‡nh hJng c'a các cht &n trong cu trúc hóa h:c polyme lên & lão hóa d.ng cây n$c c'a
vt liu.
Trên cG sJ kt quQ nghiên c^u, B xut nh8ng cQi tin, i m$i vB mKt công ngh sQn xut cáp
lc liên quan t$i cách in polyme nhim tYng khQ nYng ch=u tác &ng c'a môi tr ng vn hành.
L2i c5m 7n. Các tác gi5 xin bày t@ sA biBt 7n cCa mình tFi GS.TS. Nagao Masayuki và GS.TS.
Hozumi Naohiro - TrL2ng #Mi hNc Khoa hNc KO thut Toyohashi, Nht B5n Qã tn tình giúp QT và
tMo QiUu kiVn QW thAc hiVn mXt s thí nghiVm vU sA hình thành cây nLFc, yBu t quan trNng 5nh
hL\ng QBn tu]i thN cCa cách QiVn XLPE.
TÀI LIU THAM KH>O
1. T. Myashita - Deterioration of Water-immersed Polyethylene Coated Wire by Treeing,
Proceeding 1969 IEEE-NEMA Electrical Insulation Conference, Boston, Sep. 1969,
tr.131-135.
2. Robert Ross - Inception and Propagation Mechanism of Water Treeing, IEEE Trans. on EI, 5

(5) (1998) 660-665.
3. Minema, H.A. Barneveld, and P.D. Rinkel - An Investigation into Mechanism of Water
Treeing in PE HV Cables, IEEE Trans. EL 15 (6) (1980) 416-472.
4. Hai Vu Thanh, M. Nagao, N. Hozumi, and Y. Mutamoto - Proc. Japan IEE 2000 – 2002 (ting
Nht).
5. P. B. Larsen - Dyeing Methods Used for Detection of Water Trees In Extruded Cables
Insulation, Electra 86 (1983) 53-59.
98
6. Jean-Pierre Crine - Electrical, Chemical and Mechanical Processes in Water Treeing, IEEE
Trans. EL 5 (5) (1998) 682-694.
7. E.T. Larina - Cáp cao áp và  ng dây cao áp, Energoizdat, MatxcGva, 1984 (ting Nga).
8. Võ Vit x.n - K† thut in cao áp, x.i h:c Bách khoa Bách khoa Hà N&i, 1972.
9. NguyŽn xình ThRng, Vt liu k† thut in, NXB Khoa h:c k† thut, 2004.
SUMMARY
WATER TREEING PHENOMENON IN POLYMERIC INSULATION MATERIAL FOR
POWER CABLE: CHARACTERISTICS AND METHOD OF PREPARING AGING SAMPLE
IN LABORATORY
This paper describes the water treeing phenomenon in polymeric insulation layer of power
cable. This aging process is a complex phenomenon involving several processes with many
synergistic effects. Although a huge number of studies on the subject have been conducted over
the last 35 years, there is no comprehensive theory able to describe the mechanism of water
treeing phenomenon. In fact, water treeing is likely to be a mixture of electrical, mechanical and
chemical processes. In order to investigate water treeing phenomenon, the method of preparing
aging samples with penetrated vented water trees in laboratory was developed. The shape,
configuration and length of water trees in those aging samples were analyzed.
Key Words: Vented Water Tree, Penetrated Water Tree, Low Density Polyethylene, Crosslinked
Polyethylene

KLa chM: Nh!n bài ngày 22 tháng 3 n6m 2005
NguyŽn xình ThRng, Tr ng x.i h:c Bách khoa Hà N&i

Vc Thanh HQi, Vin NYng lng, Tng Công ty xin lc Vit Nam.