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

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

1
PHẦN I: GIAI ĐOẠN I 3
II. Tóm tắt nội dung của giai đoạn I 3
II.1. Đặt vấn đề 3
II.2. Chương 1: 5
II.3. Chương 2: 6
II.4. Kết luận: 7
PHẦN II: GIAI ĐOẠN II 8
CHƯƠNG I : ĐẶC TÍNH HÓA VỀ QUÁ TRÌNH CHỌC THỦNG CỦA VẬT
LIỆU COMPOSITE DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU TẦN
SỐ CÔNG NGHIỆP 8

I.1. Cơ sở lý thuyết về quá trình già hoá và xuống cấp của cách điện bằng vật liệu
composite 8
I.2. Sự xuống cấp không hồi phục của vật liệu cách điện composite 8
I.2.1. Cơ chế đánh thủng 8
I.2.2. Phóng điện từng phần trong lỗ trống (void) của cách điện rắn 10
I.3. Quá trình già hoá và phóng điện trong vật liệu composite - epoxy 12
I.3.1. Quá trình già hoá của vật liệu cách điện composite epoxy/mica trong máy phát
điện 12
I.3.2. Sự hình thành cây điện và ảnh hưởng của khối lượng chất độn lên quá trình
phóng điện trong vật liệu composite epoxy 19
I.3.2.1. Ảnh hưởng của chất gia cường lên thời gian phóng điện 22
I.3.2.2. Mô hình cây điện cho vật liệu composite 23
I.3.3. Mô phỏng cây điện 27
I.3.4. Trường hợp các phần tử đẳng thế 27
I.3.5. Cấu trúc rối loạn 29
I.3.6. Trường hợp các mảnh không đẳng th
ế 31

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

II.5. Nhận xét 51
CHƯƠNG III : QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 53
SỰ KHUYẾCH TÁN CỦA NƯỚC VÀO TRONG VẬT LIỆU COMPOSITE 53
III.1 Đặt vấn đề 53
III.2 Cơ chế của quá trình khuyếch tán nước vào trong vật liệu composite 55
III.3 Mô hình toán học của quá trình khuyếch tán nước 56
III.4 Kết quả đo đạc thực nghiệm và phân tích 61
III.4.1. Quá trình chuẩn bị các mẫu thử 61
III.4.2. Tác động của nhiệt độ 62
III.4.3. Tác động của độ dày 69
III.4.4. Hoạt động của vật liệu theo thời gian ngâm 71
III.5. Đo phóng điện chọc thủng 71
III.6. Đo đặc tính
điện môi 74
III.6.1. Góc tổn hao điện môi Tan
δ
74
III.6.2. Hằng số điện môi tương đối
ε
’ 76
III.6.3. Hệ số tổn hao điện môi tương đối
ε
’’ 80
III.6.4. Nhận xét kết quả 82
CHƯƠNG IV : KẾT LUẬN 83
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

3
I. Các nội dung của đề tài theo đúng đề cương đã được Bộ Công Thương
duyệt

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

thuật điện; ô tô cơ khí; dầu khí; xây dựng dân dụng và trong đời sống … nhờ
kết hợp được các đặc tính cơ học và vật lý học mà bình thường không thể có
được với một vật liệu đơn. Trong ngành kỹ thuật điện cao áp vật liệu
composite với thành phần là nhựa epoxy là loại vật liệu cách điện rất phổ biến
[1÷3]. Thông thường loại vật liệu composite bao gồ
m nhựa epoxy gia cố bằng
sợi thủy tinh để tăng cường tính chất cơ của vật liệu và các tấm mica có tác
dụng như những tấm barie làm tăng khả năng chịu phóng điện của vật liệu.
Vật liệu composite được sử dụng rộng rãi trong vật liệu cách điện cao áp như:
cách điện xuyên trong trạm và cách điện đường dây [4], máy biến áp [5, 6],
vách ngăn trong các thiết bị
đóng cắt khí [7], cách điện của stator máy điện
quay [8, 9].
Ưu điểm chính của vật liệu composite trong các ứng dụng này là tính
chất điện môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn), tính chất cơ học rất tốt,
khối lượng nhẹ, chịu mài mòn, giá thành hạ, dễ thiết kế chế tạo, kích thước và
hình dáng đa dạng Tuy nhiên, do đặc tính của cách điện composite
được
cấu tạo từ nhiều vật thành phần khác nhau mà vùng tiếp giáp giữa các thành
phần luôn là vùng xung yếu về liên kết hoá học và kết cấu vật lý ở vùng này
không ổn định bằng liên kết trong bản thân từng thành phần.
Vì vậy, trong quá trình vận hành điều kiện làm việc của các kết cấu
thường khắc nghiệt chịu tác động thường xuyên của nhiều tác nhân như điện,
cơ học, hóa họ
c, nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết và môi trường thay đổi làm cho các
thành phần của vật liệu bị già hoá đặc biệt đặc biệt là khi chịu tác dụng của
các tác nhân môi trường như nhiệt và nước làm cho liên kết giữa các thành
phần tại lớp tiếp giáp bị suy yếu. Khi hấp thụ một vài phần trăm khối lượng
nước, các đặc tính điện môi của nó bị suy giảm mạnh: đi
ện trở suất giảm,

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

ết lẫn thực nghiệm về lĩnh vực này ở trong nước chưa
được nhiều, nhất là các công trình nghiên cứu khoa học về 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. Đây là vấn đề khoa học mà tác giả sẽ tiến
hành nghiên cứu tiếp trong giai đoạn II.

6
II.3. Chương 2:
Trong chương này đã nêu lên những 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. Cụ thể các nội dung chính được trình bày
trong các phần sau:
1. Cơ sở lý thuyết về quá trình già hoá và xuống cấp của cách điện bằng
vật liệu composite. Tác giả và nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng các điện tích
không gian trong vật liệu cách điện composite khi có tác động của điện
trường là nguyên nhân của sự xuất hiện các hư hỏng trong vật liệu dẫn đến
quá trình già hóa và xuống cấp.
2. Những 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. Trong phần này nhóm nghiên cứu cũng đã trình bày rất chi tiết về quá
trình xâm nhập của nước vào trong vật liệu composite, cũng như quy trình của
quá trình ngấm ẩm và làm khô đối với vật liệu mẫu. Sau đó được đưa đi kiểm
tra bằng các phương pháp đo phóng điện chọc thủng, đo phổ điện môi, đo hệ
số tổn hao điện môi (tgδ), đánh giá phân tích kết quả đo kiểm tra tính chất
điện môi, cách điện củ
a các vật mẫu.
3. Hiện tượng già hóa bề mặt trong chất độn vô cơ epoxy. Trong phần
này tác giả đã chỉ ra rằng hiện tượng già hóa phức tạp là nguyên nhân bởi các
phản ứng lý và hóa tại bề mặt bên trong giữa chất độn và nhựa của vật liệu
composite. Quá trình giảm phẩm chất tương tự như quá trình phóng điện cục

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

20kV/mm). Trong 1 tỷ lệ thời gian dài như trong điều kiện vận hành thật, kết
quả nghiên cứu đã chỉ
ra là cơ chế của sự già hoá là do sự xâm nhập của nước,
nhiệt độ, và điện trường, xa hơn nữa là phân lớp và làm giảm phẩm chất của
vật liệu cách điện. Đó là các điều kiện mà điện trường phóng điện chọc thủng
(breakdown) có thể giảm theo điện trường vân hành.





8
PHẦN II: GIAI ĐOẠN II
CHƯƠNG I : ĐẶC TÍNH HÓA VỀ QUÁ TRÌNH CHỌC THỦNG CỦA
VẬT LIỆU COMPOSITE DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA ĐIỆN ÁP XOAY
CHIỀU TẦN SỐ CÔNG NGHIỆP.
I.1. Cơ sở lý thuyết về quá trình già hoá và xuống cấp của cách điện bằng
vật liệu composite
Vật liệu cách điện composite đã được nghiên cứu từ nhiều năm nay.
Phần lớn trong đó là các vật liệ
u hữu cơ (nhiệt dẻo, nhiệt rắn, cao su). Tuy
nhiên, cơ chế hoạt động trong thời gian dài, trên 30 năm, của chúng vẫn chưa
được tìm hiểu rõ ràng. Đó là lý do mà rất nhiều các nghiên cứu đã được tiến
hành để tìm hiểu về cơ chế xuống cấp của vật liệu. Những nghiên cứu trong
thời gian đầu tập trung vào giai đoạn cuối của tuổi thọ vật liệu với mụ
c đích là
đánh giá tuổi thọ của vật liệu. Đó là những hiện tượng như phóng điện và
hình thành cây điện trong cách điện. Đây là những hiện tượng 1 chiều, có
nghĩa là vật liệu đã xuống cấp và không thể hồi phục lại được nữa [12].
Gần đây, các nghiên cứu lại hướng về các hiện tượng tiền thân của các

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

môi sẽ bị nóng chảy hoặc cháy.
Mặt khác, 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 cách điện.
c) Đánh thủ
ng do phóng điện từng phần
Sự đánh thủng do phóng điện chọc thủng là quá trình phát triển của cây
điện, sinh ra trong những lỗ trống của vật liệu hoặc trên một sự tăng cường
điện trường cục bộ xuất phát từ một khiếm khuyết trong cách điện hoặc trên
một 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 I.1.

10
Sự phát triển của các cây điện và các mô hình hoá của chúng là chủ đề
của rất nhiều nghiên cứu được tiến hành từ những năm 80.

Hình I.1: Một cấu trúc các sợi nhánh tạo bởi các kênh dẫn micro
hình thành nên cây điện với điện trường khác nhau.
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 [13].
I.2.2. Phóng điện từng phần trong lỗ tr
ống (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 [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

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 củ
a 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

12
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 [15].
I.3. Quá trình già hoá và phóng điện trong vậ
t liệu composite - epoxy
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 một lúc tất cả các quá trình hình thành. Do đó trong phần này, các
hiện tượng khác nhau xảy ra trong vật liệu cách điện composite epoxy sẽ
đượ
c phân tích một cách riêng rẽ với các loại vật liệu composite epoxy khác
nhau đặc trưng riêng cho từng quá trình nghiên cứu.

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

trong máy phát điện công suất lớn

14
Tuabin
khu vùc x¶y ra sù cè
bé phËn
kÝch tõ
v
ï
n
g

6
vïng 5vïng 4vïng 3vïng 2
v
ï
ng 1

Hình I.2c : Thanh dẫn stator bị hỏng
Các nghiên cứu được tiến hành trên các vùng khác nhau (được đánh
dấu từ 1 đến 6 – hình I.2c) của thanh dẫn đã bị đánh thủng nhằm mục đích
đánh 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 [9].
Các phương pháp thí nghiệm được tiến hành ở đây là đo
điện dung và
tổn thất điện môi tanδ bằng cầu đo 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).
Các phép đo điện dung và tổn hao tanδ bằng cầu Schering được tiến

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.

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 I.5a chỉ ra một vài sự
phân lớp tại vùng tiếp giáp của cách đ
iện epoxy/mica. Việc các thanh dẫn
stator vận hành 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 I.5a : Vùng 1 và 2 (thanh dẫn stator bị hỏng qua máy quét
điện tử nhìn dưới kính hiển vi SEM)

17

Hình I.5b: Vùng 3, 4, 5 và 6 (thanh dẫn stator bị hỏng
qua máy quét điện tử nhìn dưới kính hiển vi SEM)
Các thí nghiệm già hoá tăng tốc của cách điện stator máy phát được
thực hiện với cả hai hiện tượng già hoá cùng một 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 110
0
C và điện trường là 5,5kV/mm với tần số 420Hz (áp suất trong trường
hợp già hoá với Hydro là 4kg/cm
2
. Hình I.6a và hình I.6b là kết quả thu được

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)

19
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 nhiều
so với các khí tr
ơ.
I.3.2. 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 [21].
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 cao 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 I.7). Một đầu điện cực mũi nhọn sẽ được cắm vào trong mẫu
cách mặt dưới mẫ
u 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 [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

i
nh k bng camera s vi mc ớch tớnh toỏn, xỏc nh s hỡnh thnh cõy v
phỏt trin cõy, thi gian phỏt trin cõy v gõy phúng in. Mụ hỡnh phỏt trin
cõy in ca epoxy c mụ phng li trong hỡnh I.8. Chỳng ta cú th quan

21
sát thấy cây có dạng nhánh và kích thước phân nhánh của cấu trúc cây này
được xác định vào khoảng 1,22.

Hình I.8: Mô hình phát triển cây điện của epoxy 5052
(lưu hóa 7 ngày tại nhiệt độ thường và độ tuổi là 40 ngày)
dưới điện áp xoay chiều 10kV.
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 c
ủa 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
100
0
C 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 I.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 không 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
điệ
n chọc thủng của mẫu.

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

0
C 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 100
0
C có thời gian phóng điện lâu hơn các mẫu lưu hoá ở nhiệt
độ thường khoảng 1,65 lần [24].
I.3.2.1. Ảnh hưởng của chất gia cường lên thời gian phóng điện
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
I.10. Tất cả các mẫu thí nghiệm trong hình đều là các mẫu được lưu hoá ở

23
nhit thng v c kim tra sau khi ch to khong 3 thỏng. Giỏ tr a
ra trong hỡnh l giỏ tr trung bỡnh ca 8 mu cho mi mt hm lng cht gia
cng. Hỡnh I.10 cho thy rừ rng rng thi gian phúng in ca cỏch in
composite epoxy t l thun vi hm lng cht gia cng trong vt liu. õy
l c s cho vic xõy dng mụ hỡnh cho cõy in cho vt liu cỏch in
composite.
Phần trăm thể tích của chất độn (%)
20151050
Thời gian phóng điện chọc thủng (phút)
8000
6000
4000
0
2000
3
Al(OH) + epoxy 5052 mẫu có tuổi = 90

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]:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
−
⎟
⎟
⎠

⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
=
kT
ECU
kT
h
L
L
t
df
b
c
g
2
00
exp
πεα
(I.1)
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, L
c

là chiều dài cây tới hạn, d
f

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