Nghiên cứu đánh giá các đặc tính của cách điện treo bằng composit vận hành trong hệ thống điện việt nam

Viện năng lợng






M số: I 154





Đề tài nckh

Nghiên cứu đánh giá các đặc tính của
cách điện treo bằng composite vận hành
trong hệ thống điện việt nam

7910


Hà Nội 2009

Bộ công thơng

1
MỤC LỤC


Trang
MỞ ĐẦU
4

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE

6
1. Giới thiệu chung
6
2. Công nghệ chế tạo
9
3. Polymer với lớp phủ Silicone
9
4. Các phương pháp thử lão hóa vật liệu
11
5. Tác động của các hệ số khác nhau lên sự suy giảm đặc tính vận hành
về điện
19
6. Các phương pháp phân tích lão hóa vật liệu
21
7. Tiêu chuẩn thử nghiệm và tiêu chí chấ
p nhận với cách điện silicone
và chuỗi hoàn chỉnh ở Việt Nam
26
8. Những nghiên cứu đối với cao su silicone PDMS
28

CHƯƠNG II: THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT VÀ ĐẶC TÍNH
CÁCH ĐIỆN COMPOSITE

32
1. Sự tổng hợp tiền thân của silicone
34
2. Phản ứng trùng hợp của các silicone

35
3. Các cơ chế trùng hợp
35
4. Cách thức lưu hoá polymer ban đầu để đạt tới độ đàn hồi
37
5. Vật li
ệu cách điện cao su silicone – PDMS
37
6. Các đặc tính chủ yếu của PDMS
39
7. Định lượng các đặc tính bề mặt chất đàn hồi PDMS
46
8. Thử nghiệm về điện và môi trường với vật liệu silicone ngoài trời
50

2

CHƯƠNG III: KHẢ NĂNG PHỤC HỒI ĐỐI VỚI CÁCH ĐIỆN
COMPOSITE KHI CHỊU TÁC ĐỘNG PHÁ HUỶ

56
1. Tác động của phóng điện vầng quang
56
2. Các cơ chế có khả năng phục hồi tính kỵ nước
58
3. Khả năng phục hồi cách điện đối với cao su EPDM và Silicone
63
4. Những thách thức trong tương lai với phục hồi cách điện
72

CHƯƠ
NG IV: HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG SỨ CÁCH ĐIỆN
COMPOSITE TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN

75
1. Sử dụng cách điện composite trên thế giới
75
2. Cách điện composite đối với hệ thống điện Việt Nam
85
3. Nhận xét và đánh giá về chất lượng cách điện treo trên lưới điện
Việt Nam
89

KẾT LUẬN

93
PHỤ LỤ
C
TÀI LIỆU THAM KHẢO
96
109

3
Những chữ viết tắt

PDMS: Polydimethylsiloxane
EPDM: Ethylene Propylene Diene Monomer
LMWs: Trọng lượng phân tử thấp
SiR: Cao su silicone
FRP: Polymer gia cường bằng sợi

HTV: Lưu hoá ở nhiệt độ cao
RTV: Lưu hoá ở nhiệt độ phòng
HCs: Nhóm kỵ nước
UV: Tia cực tím
FTIR: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier
XPS: Quang phổ học điện tử tia X
SEM: Quét quang phổ điện tử













4
MỞ ĐẦU
Trong thời gian gần đây, việc sử dụng cách điện composite trong hệ thống
điện Việt Nam đang trở nên phổ biến, đặc biệt đã triển khai trong hệ thống
truyền tải 220kV và lưới phân phối 110, 35, 22kV. Cách điện composite sử
dụng chủ yếu làm cách điện treo, cách điện néo đường dây trên không, cách
điện đỡ thiết bị. Vật liệu chế tạ
o cách điện composite có rất nhiều loại khác
nhau, như cao su silicone (silicone rubber), Ethylene Propylene Rubber
(EPR), Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), Ethylene Propylene

Monomer (EPM), hay hỗn hợp giữa EPR và cao su silicone,… Trên thế giới
đã được ứng dụng trong những thập niên 70 ở một số nước như Canada, Mỹ
và được mở rộng cho các nước khác đến ngày nay. Những tính chất và đặc
tính của nó đã mang lại một số ưu điểm chính trong kỹ thuật và kinh tế, như
đã giảm thiểu su
ất sự cố và tổn thất điện năng, giá thành rẻ hơn so với sử
dụng cách điện làm bằng gốm hay thuỷ tinh có cùng đặc tính kỹ thuật.
Tuy nhiên, việc sử dụng cách điện composite dưới tác động của điều kiện
khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam thì chưa được quan tâm đúng mức.
Các nghiên cứu về tuổi thọ, quá trình lão hoá và khả năng phụ
c hồi của vật
liệu cách điện composite còn rất nhiều hạn chế hoặc chưa được đề cập một
cách chi tiết và cụ thể. Để có thể triển khai sử dụng loại cách điện này một
cách rộng rãi, việc nghiên cứu đánh giá những đặc tính vận hành của chúng
qua những thiết bị với cách điện composite đã được lắp đặt trong điều ki
ện
khí hậu và vận hành cụ thể tại Việt Nam là một việc rất cần thiết.
Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần sau:
∋ Tổng quan về cách điện Composite
∋ 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

5
∋
(*)
Điều tra về sử dụng sứ cách điện composite trong hệ thống điện Việt
Nam
∋
(*)

Phân tích đánh giá các đặc tính của cách điện composite trong điều
kiện vận hành tại Việt Nam, đưa ra các nhận định về ưu nhược điểm của
chúng
∋
(*)
Nghiên cứu và đề xuất khả năng ứng dụng và công nghệ chế tạo trong
điều kiện Việt Nam
(Nội dung
(*)
sẽ được tiếp tục nghiên cứu trong đề tài giai đoạn 2 năm 2010)














6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE

Độ tin cậy đó là đặc tính quan trọng nhất của một vật liệu cách điện dù đó là
cách điện gốm sứ, thuỷ tinh hay composite. Độ tin cậy phụ thuộc vào độ bền
về điện và cơ khí. Với những công nghệ và kỹ thuật sản xuất hiện đại hiện

nay thì có thể tin cậy hoàn toàn. Bằng chứng qua những th
ập niên về sử
dụng cách điện đặc biệt là cách điện composite ở các nước trên thế giới và
kể cả Việt Nam với các ưu điểm về kinh tế và kỹ thuật, ngoài ra với trọng
lượng nhẹ, dễ dàng vận chuyển, lắp đặt và bảo quản, và không bị sứt mẻ khi
vận chuyển cũng như lắp đặt, do đó cách điện composite ngày càng đượ
c sử
dụng nhiều trên hệ thống điện, thay thế dần các cách điện cổ truyền bằng vật
liệu thuỷ tinh hoặc gốm. Trong phần giới thiệu chung sẽ được đề cập tóm tắt
đến những vấn đề cơ bản, thành phần cấu tạo của vật liệu composite cách
điện. Các phần tiếp theo của chương sẽ được trình bày về những ph
ương
pháp thử và phân tích đối với lão hóa vật liệu, các nghiên cứu về điện và môi
trường với cao su silicone và cuối cùng là tổng hợp các nghiên cứu đối với
vật liệu cách điện cao áp ngoài trời cao su silicone PDMS
(Polydimethylsiloxane). Đây là vật liệu hiện nay đang được dùng phổ biến
trên thế giới, và sẽ được nghiên cứu xuyên suốt trong đề tài với các mặt đặc
tính, tính chất vận hành, các điều kiện tác động đế
n vật liệu và khả năng chịu
đựng, để đáp ứng với môi trường nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam.
1. Giới thiệu chung
Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác
nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng
loại vật liệu thành phần riêng rẽ.
Về
mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn
phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn
ta gọi là composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha

7

liên tục. Pha liên tục gọi là nền (matrix). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật
liệu gia cường (reinforced).
Tùy theo bản chất của vật liệu nền người ta có thể chia vật liệu Composite
thành các loại khác nhau:
- Vật liệu Composite nền polymer: PMC
- Vật liệu Composite nền vô cơ ceramic: CMC
- Vật liệu Composite nền kim loại: MMC
Trong phần này ta chỉ đề cập đến loại PMC vì đây là loại Composite được
nghiên cứu và ứng dụng nhiều nh
ất trong công nghệ Vật liệu Composite nói
chung và trong ngành điện nói riêng.
Vật liệu Composite FRP
FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một trong những loại PMC phổ biến
nhất trong các loại vật liệu Composite. Đây là loại Composite thuộc chất dẻo
nhiệt rắn (thermosetting plastic), bao gồm hai thành phần chủ yếu là polymer
và các loại sợi gia cường.
- Polymer: polyeste, vinyleste, epoxy…
- Các loại sợi: sợi thủy tinh, sợi cacbon, aramid (kevlar), polyeste…
- Các chất xúc tác, chất xúc tiến, phụ gia…với tỷ lệ trọng lượng tuy rất nhỏ

nhưng không thể thiếu.
Vật liệu Composite so với các loại vật liệu truyền thống nó có nhiều ưu điểm
nổi bật như: chất điện môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn), tính chất
cơ học rất tốt, nhẹ, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu tác dụng của
môi trường hóa chất tương đối tố
t, 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…
Ngoài những ưu điểm nổi bật ở trên thì nhược điểm chính của cách điện

composit là: chúng là đối tượng dễ diễn ra những thay đổi hoá họ
c trên bề
mặt do thời tiết hoặc do phóng điện cầu khô, khi bị ăn mòn và tạo thành các
đường dẫn, đó chính là những nguyên nhân chính dẫn đến việc phá hỏng

8
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 củ
a cách điện:
- Lõi cách điện là các thanh polymer gia cường làm bằng sợi thuỷ tinh
(FRP). 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.
- Vỏ cách điện được làm bằng vật liệu polymer là thành phần cách điện
chính tạo chiều dài cách điện thích hợp với độ dài dòng rò t
ương ứng với
từng cấp điện áp và chủng loại cách điện. Vỏ được ép chặt vào lõi để đảm
bảo độ bền cơ học.
- Lớp phủ chống lại tác động của thời tiết có một yêu cầu về độ lớn khe hở
và hiện nay được cung cấp thêm với các loại vật liệu khác nhau, hình dạng,
đường kính, độ dày và khoảng cách khác nhau. Vật liệu tạ
o ra lớp phủ chống
lại tác động của thời tiết của cách điện cao áp có thể bao gồm: PDMS,
EPDM, EPR, EPM, hợp chất của EPDM và silicone, etylen vinyl acetate
(EVA), cycloaliphatic và nhựa epoxy aromatic…

Hình 1: Sơ đồ cấu tạo cách điện composite

Vỏ cách
đi
ệ
n HTV
Lõi FRP
Tán cách điện
p
hủ cao su silicone
Gắn phụ kiện
với silicone
Phụ kiện đầu cuối
b
ằn
g
thé
p
m
ạ

k
ẽ
m


9

2. Công nghệ chế tạo
Có khá nhiều công nghệ Composite. Mỗi công nghệ đều có những giới hạn
nhất định trong ứng dụng, nó phụ thuộc vào kích cỡ sản phẩm, kiểu dáng sản
phẩm, số lượng sản xuất, sự gia cường thích hợp và loại resin sử dụng.
Trong mọi công nghệ đều phải có khuôn, vì vậy dựa trên các đặc thù của
thiết kế và khuôn, nhà sản xuất cần phải lự
a chọn công nghệ cho thích hợp.
Dựa trên cơ sở nguyên lý tạo ra sản phẩm, ta có thể phân biệt các loại công
nghệ sau:
* Công nghệ đúc tiếp xúc (Hand lay-up, Spray up).
* Công nghệ đúc chuyển resin RTM (Resin Transfer Moulding).
* Công nghệ đúc nén (Compression Moulding).
* Công nghệ cuốn sợi (Filament Winding).
* Công nghệ đúc kéo (Pultrusion).
* Công nghệ tạo lớp liên tục (Continuous Laminating).
* Công nghệ đúc bằng vữa thủy tinh (Plasterglass).
* Công nghệ ép phun (Injection Moulding).
* Công nghệ đúc ép phun phản ứng RRIM (Reinforced Reaction Injection
Moulding).
* Công nghê đúc chuyển chân không (Vacuum Assisted RTM).
* Công nghệ đổ
ly tâm (Centrifugal Casting).
=> Công nghệ đúc liền khối cho chuỗi cách điện Silicone Rubber là ưu điểm
để đảm bảo với môi trường Việt Nam ngay cả với cấp điện áp đến 500kV.
Phụ kiện hai đầu cách điện silicone ball/socket, sản xuất bằng phương pháp
dập nguội (forged steel).
3. Polymer với lớp phủ Silicone
Vật liệu chế tạo cách điện composite có rất nhiều loại khác nhau như: cao su
silicone (silicone rubber), Ethylene Propylene Rubber (EPR), Ethylene
Propylene Diene Monomer (EPDM), Ethylene Propylene Monomer (EPM),

hay hỗn hợp EPR và cao su silicone …

10
EPDM và EPM có tính chất chống ăn mòn, chống vết nứt, lực xé cao cũng
như khả năng chịu mài mòn tốt. Tuy nhiên khả năng chịu tia cực tím cũng
như khả năng chống lão hoá kém nên cách điện composite bằng vật liệu
EPDM hoặc EPM thường sử dụng cho các thiết bị trong nhà và có cấp điện
áp từ 35kV trở xuống. Cao su silicone có tính kháng nhiễm bẩn cao vì thuộc
loại vật liệu polymer có tính chống bám nước mạ
nh nhất, ngoài ra khả năng
chịu tia cực tím và khả năng chống lão hoá của cao su silicone cũng rất cao;
cách điện bằng silicone rubber hoặc các hợp chất của silicone rubber được
sử dụng nhiều cho các cách điện ngoài trời đặc biệt là các đường dây truyền
tải cao áp và siêu cao áp.
Cách điện polymer cho đường dây truyền tải bắt đầu được sản xuất tại và
Mỹ vào giữa năm 1975 và sau đó. Năm 1977, tại Canada, Hydro-quebec
đã
lắp đặt 282 cách điện composite do 3 nhà máy khác nhau sản xuất trên 16
km đường dây truyền tải 735 kV. Và tiếp sau là 1100 cách điện composite
trên 120 km đường dây. Thêm vào đó cách điện composite cũng được lắp
đặt tại các đường dây 120, 230 và 315 kV. Các chủng loại vật liệu khác nhau
đã được dùng để chế tạo ra cách điện composite. Ban đầu chúng bao gồm
cao su EPR do Ceraver of France (1975) Ohio Brass of USA (1976), Sedivar
of USA (1977) và Lapp of USA (1980) tạo ra; cao su Silicone (SIR -
Silicone Rubber: Polydimethylsiloxane PDMS) do Rosenthal of Germany
(1976) và Reliable of USA (1983) tạo ra; và nhựa epoxy cycloaliphatic do
Transmission Development of the UK (1977) tạo ra. Ngày nay thì cách điện
composite đã được sản xu
ất tại khắp thế giới.
Ban đầu SIR được lưu hoá tại nhiệt độ thường (RTV: room temperature

vucalnised)- SIR đó có độ bền kéo thấp. Sau đó SIR được lưu hoá tại nhiệt
độ cao (HTV: high temperature vucalnised). Cách điện composite SIR được
dùng tại Đức năm 1977 với cấp điện áp 123kV và vào năm 1979 dùng ở cấp
điện áp 245 kV.
Việc sử dụng cách điện polymer ngày càng chiếm được thị phần rộng hơn.
Ngày nay t
ại Mỹ dạng cách điện polymer chiếm tới khoảng 60-70% trên
tổng số cách điện cao áp được lắp đặt mới, và thị phần của chúng vẫn tiếp

11
tục tăng trưởng. Tại Ireland 75% tổng số đường dây trên 20kV sẽ sử dụng
cách điện polymer thay thế cách điện thuỷ tinh. Ohio Brass (1986) giới thiệu
một hỗn hợp cao su EPM và SIR và sau đó thì thay đổi bằng hợp chất của
cao su EPDM và SIR vào năm 1989. Hỗn hợp này theo tỉ lệ 10 (EPDM hoặc
EPM) trên 3 (SIR) tạo ra đặc tính cơ tốt hơn, đó là độ cứng của EPDM và
đặc tính chống đọng nước tuyệt vời c
ủa SIR. Một công ty đã sản xuất hỗn
hợp này đại trà và bán được hơn 2,5 triệu cách điện của lưới phân phối, 0,1
triệu cách điện đầu cột trên đường dây truyền tải và 0,4 triệu cách điện treo
mà hiện nay được lắp đặt tại rất nhiều nơi khác nhau trên thế giới. Điều này
đã cho thấy rõ sự chấp nhận rộng rãi các ưu điểm của ch
ất vật liệu này[25].
4. Các phương pháp thử lão hóa vật liệu
Để phát triển vật liệu với độ bền phù hợp với lão hóa cách điện do tất cả
nguyên nhân tác động, do đó sự cần thiết đối với mô phỏng môi trường để
đạt được những kinh nghiệm có giá trị trong thực tế. Đối với những khả
năng khác nhau và những kiểu thử nghiệm được phát triển để
dự báo những
tác động độ lão hóa trong tính chất nổi trội của vật liệu được gọi là phương
pháp thử gia tốc lão hóa.

Hình 2: Các hệ số trong thử lão hóa của cách điện polymer
Các ứng suất môi trường
Các ứng suất điện
Nhiệt
UV
Axit
Gió
Mưa
Tuyết
Muối
Suy
giảm về
sinh học
Hồ quang
Vầng quang/
Dòng rò
Sự khử polymer hoá
(p
hân hoá chuỗi

,
ôx
y
hoá
)

Tổn thất các phần tử LMW
Tổn thất
đàn
h
ồi
Ăn mòn
&X
ù
x
ì
Tạo vết
n
ứt
Tổn thất về
k
ỵ
n
ư
ớc
Sụt giảm độ bền cơ khí
Sụt giảm độ bền điện
Ứng
suất
Ảnh

hưởng
Kết
quả

12
a) Những thử nghiệm lão hóa nhân tạo ngắn hạn
Những tác động của môi trường đối với một thời gian ngắn (1 năm) đã được
theo dõi và những sự hình thành có thể tạo ra những tác động giống nhau
trong cùng một thời gian ngắn. Điều này mang lại ít thời gian ở những tác
động trong phạm vi dài của lĩnh vực lão hoá vật liệu, bởi những kiến thức
giúp cho việc thiết kế, c
ải thiện và lựa chọn một cách điện đối với một vài
ứng dụng đặc biệt.
Một vài phương pháp thử gia tốc lão hóa của vật liệu được phát triển như:
- Thử nghiệm chịu đựng axit: Những mẫu thử nghiệm bị tác động bởi axit
nitric loãng và sulphuric ở trong nhiệt độ phòng trong một khoảng thời gian
5 tuần. Một vài sự đánh thủng về vật lý và hoá họ
c sẽ được theo dõi.
- Thử nghiệm thuỷ phân: Thuỷ phân được đo bởi những mẫu thí nghiệm bị
tác động trực tiếp đối với nước sôi trong một khoảng thời gian 5 tuần và bề
mặt của vật liệu được theo dõi bằng tia hồng ngoại để đo đánh thủng hoá
học, rạn nứt vật lý dưới phóng đại gấp 10 lần.
- Thử nghiệm lão hóa tăng cườ
ng – QUV: Những mẫu thí nghiệm được đặt
trực tiếp với tia cực tím trong một buồng đo thời tiết. thiết bị đèn hồ quang
carbon UV được sử dụng như một nguồn ánh sáng. Nó có chiều dài sóng
trong dải 300-400 nm. Độ ẩm tương đối được duy trì ở mức (50±5)% và
nhiệt độ được đặt ở 30
0
C. Những mẫu được đưa ra ánh sáng UV thông

thường với 1000 giờ. Biết rằng với 200 giờ của thời gian thử nghiệm tương
đương với 01 năm dưới tác động trực tiếp thực tế bên ngoài trời chỉ cân nhắc
đối với chiều dài sóng tia UV (300-400 nm). Đó là thử nghiệm chính liên
quan đến phá hỏng vật liệu polymer.
- Thử nghiệm kháng cự khí ozôn: Các mẫu thí nghiệm được đặt trong một
bình đóng kín nối v
ới một máy phát khí ozôn. Máy phát ozôn chạy trong 30
phút mỗi ngày để thu đuợc một tổng hợp ozôn điều này sẽ đảm bảo không
thu hẹp trong suốt thời gian 24h. Những mẫu này được tác động trực tiếp bởi
những vòng quay và chạy trong 5 ngày mỗi tuần trong thời gian 3 tuần. Mẫu
đánh thủng đối với phân huỷ vật lý và hoá học được theo dõi vào hàng tuần.

13
- Thử nghiệm nhiệt: Nó được thực hiện bởi nơi đặt cách điện ở nhiệt độ
100
0
C cho 600 giờ trong một lò tuần hoàn. Một vài sự méo mó hình dạng
hoặc khiếm khuyết bởi nhiệt sẽ được theo dõi.
b) Thử nghiệm nhúng tán sứ chuyển động quay
Phương pháp này thực hiện thử lão hóa thể hiện sự ảnh hưởng những điều
kiện trường phạm vi ngắn bên dưới ứng suất từ thấp đến vừa. Mục đích
chính của phương pháp là để theo dõi trong thời gian lão hóa sớ
m của vật
liệu. Thử nghiệm được chấm dứt trước khi xuất hiện một vài tạo rãnh. Sự
cần thiết trong thời gian không hoạt động đối với cao su silicone cũng được
đề cập. Khi một mẫu thí nghiệm xuất hiện dòng điện dò đỉnh vượt quá 1
mA, với hơn 5 vòng trong một hàng, nó chỉ ra thời kỳ cuối của lão hóa sớm.
Tạo thử nghiệm bao gồm 4 mẫu cách
điện, mỗi mẫu được gắn trên một
khung bánh răng tương ứng với mỗi phần góc 90

0
. Bánh răng quay tròn với
900 nhịp, do vậy mỗi mẩu được đặt thời gian 1 phút ở mỗi vị trí đối với 4 vị
trí như ở trên. Trong trường hợp này nó hoàn thành một vòng quay trong 4
phút. Vị trí đầu tiên ngâm trong dung dịch muối, vị trí thứ 2 đặt nằm ngang
ở vị trí tránh ẩm ướt cho phép nước không nhỏ giọt lên như một phần tử kỵ
nước, vị trí thứ 3 ở vị trí năng lượng hoá bên trong mẫu
được cung cấp một
điện áp từ bên trên đáy và dòng rò đỉnh được ghi lại bởi một thiết bị ghi
dòng, và ở vị trí thứ 4 mẫu thử nghiệm đặt ở một vị trí không hoạt động nằm
ngang. Dung dịch muối đã sử dụng ở vị trí 1 không bị ion hoá với Nari
clorua vởi tỷ lệ 1,5 g/l. Đồng clorua được thêm vào để làm chậm lại sự tăng
trưởng của tả
o.

Hình 3: Thử nghiệm nhúng tán sứ quay tròn (tốc độ quay 1 vòng/phút)

14
c) Những thử nghiệm đối với bánh xe tạo đường dẫn điện
Tiến hành trong thời kỳ dài của một vật liệu được sử dụng trong thiết kế
cách điện có quan hệ trực tiếp đối với dòng rò và phóng điện cầu khô đang
phát triển có lợi. Kinh nghiệm vận hành được biết với biên độ và tần suất
phóng điện cầu khô vào vật liệu cách
điện không phụ thuộc vào một mình
thiết kế, mà còn phụ thuộc vào những đặc tính bề mặt của vật liệu polymer
đã sử dụng. Trong nhiều năm, các phương pháp tạo đường dẫn trong buồng
đã được phát triển với độ tin cậy cao trong việc đáp ứng đủ dữ liệu, dựa trên
kết quả mong đợi đối với một mô hình cách điện đặc biệt bên dướ
i những
điều kiện nhiễm bẩn nặng.

Những buồng tạo đường dẫn có thể được phân loại trên phương diện quá
trình ẩm ướt của mẫu thí nghiệm vào 3 nhóm tên là: buồng bánh xe tạo
đường dẫn điện, buồng xương muối và buồng mưa bụi.
Các phương pháp thử nghiệm bánh xe tạo đường dẫn điện bắt buộc tuần
hoàn khô và ướt trên bề mặt, cho tác d
ụng ứng suất của mẫu thí nghiệm để
mô phỏng sự hình thành hồ quang bề mặt nhóm khô. Sự ăn mòn hoặc tạo
rãnh chỉ tiến hành kết hợp với phóng điện hồ quang trên toàn bộ các nhóm
khô, nó được phát triển trong suốt thời gian hoặc ngay sau khi kết tủa. Sự
biến dạng bề mặt, ăn mòn, hoặc carbon hoá là những kết quả từ nhiệt hồ
quang sinh ra và những biến dạng này tích lu
ỹ đến khi bề mặt giữa các điện
cực không thể duy trì dài hơn đối với điện áp đã đặt vào và sự đánh thủng
lớp cách điện hoặc ngay cả hư hỏng mẫu thí nghiệm sẽ xảy ra.

Hình 4: Thử nghiệm tạo đường dẫn điện tán sứ

15
d) Những khả năng thử lão hóa tăng cường trong tự nhiên dài hạn.
- Trạm thử nghiệm lão hóa tự nhiên KOEBERG: Trạm thử nghiệm này ở
KIPTS (Koeberg insulator pollution test station) Nam Mỹ gồm có những
buồng thử nghiệm đối với cấp điện áp 11, 22, 33, 66 và 132 kV với buồng
điều khiển, trạm giám sát môi trường, thiết bị giám sát ô nhiễm và các hệ
thống đo lường dòng rò. Danh mục ô nhiễm ở KIPTS thuộc mức cực k
ỳ cao
2000 µS/cm.
Trong tự nhiên buồng thử lão hóa cách điện được giám sát qua một thời gian
6 tháng hoặc 12 tháng. Những kết quả thử nghiệm ở thời điểm độc lập có
nghĩa rằng những kết quả thử nghiệm từ một năm có thể được so sánh với
những kết quả từ một vài năm khác.

- Buồng tạo sương ở Okinawa: Được xây dựng bở
i công ty điện Furukawa.
Theo tiêu chuẩn IEC 61109 đối với các thử lão hóa tăng tốc của vật liệu cách
điện composite trong nhà. Nó chỉ rõ mức độ những mẫu thử nghiệm ngắn
hạn đáp ứng các mức ứng suất của đơn vị điện (77kV xoay chiều được nối
đất). Buồng với diện tích 4,4 m
2
, chiều cao 3,3m. Nó được thiết kế để nghiên
cứu ảnh hưởng thay đổi về nhiệt độ, độ ẩm, sự kết tủa và tác động của muối
và sự chiếu tia cực tím UV như yêu cầu IEC 61109. Nó cũng có thể thực
hiện thử lão hóa tăng cường trên sự bám dính các phụ kiện đầu cuối và đoạn
đầu cực của cách điện cao su trong nhà. Tải thử nghiệm có thể áp dụ
ng là 20
KN.

e) Những khả năng thử lão hóa môi trường nhiều ứng suất
Những thử nghiệm lão hóa truyền thống được mô tả ở trên như thử nghiệm
sương muối, thử nghiệm bánh xe tạo đường dẫn điện, thử nghiệm nhúng
bánh xe chuyển động quay, v.v…, số thí nghiệm đồng thời các ứng suất với
sự hạn chế đã áp dụng. Hơn nữa, những
ứng suất liên quan với những thí
nghiệm riêng rẽ thường không hiện thực. Những chế độ hư hỏng nguyên
nhân bởi các ứng suất vượt quá không bị bắt gặp trong thực tế làm việc. Do
đó, những thử nghiệm nhiều ứng suất được áp dụng trong các chu kỳ lặp lại
và mô phỏng trong những điều kiện làm việc thực tế. Chu kỳ về khí hậu

16
được phát triển để thể hiện các điều kiện làm việc. Những ứng suất được tạo
ra hiệu quả bởi ứng dụng mô phỏng phối hợp điện áp, bức xạ cực tím UV,
hơi ẩm và nhiễm bẩn. Độ ẩm, sương hoặc phun mưa được xem như hơi ẩm.

Một số buồng thử nghiệm mẫu như:

+ Buồng thử lão hóa môi trường ven biển.
Để mô phỏng các chu kỳ khí hậu ở môi trường ven biển San francisco một
buồng môi trường nhiều ứng suất được phát triển cho cách điện cao su
silicone 28 kV. Buồng thử nghiệm là khối lập phương khá to bằng thuỷ tinh
plexi với các kích thước khoảng 1,8m x 1,8m x 1,8m . 8 đèn UVA-340 lắp
đặt dọc 1,219 m được sử dụng để mô phỏng bức xạ cực tím UV 1mW/cm
2
,
chiều dài bước sóng khoảng 313 nm. 4 vòi phun tạo sương muối và sương
mù sạch. Hai vòi phun mưa được lắp đặt. Một lò nhiệt 1450 W được sử dụng
để phát nhiệt. Làm lạnh được sử dụng một hệ thống Movin. Máy biến áp thử
nghiệm cao thế 0 – 100 kV, 40 kVA được sử dụng phóng năng lượng đối với
vật liệu cách điện để đạt đến yêu cầu tác động điện áp. Máy bi
ến áp này cho
phép thử lão hóa cách điện lên tới 138 kV(đường dây).


Hình 5: Buồng thử nghiệm cách điện thang 275 kV

17
+ Buồng thử nghiệm lão hóa cách điện
Nó được xây dựng tại Nhật bản. Mục tiêu của công trình xây dựng này là
đánh giá việc thực hiện dài hạn của kiểu cách điện mới, như lớp men bán
dẫn, lớp phủ cao su silicone RTV và cách điện polymer với sự biểu hiện
thay đổi các mức ứng suất điện áp. Điện áp phân bố dọc theo chuỗi cách
điện siêu cao áp (EHV) và cự
c cao áp (UHV) là không đồng mức, đặc biệt

trong trường hợp đối với các cách điện polymer kiểu thanh dọc. Ngay cả
trong trường hợp cách điện thuỷ tinh có quan hệ phân bố điện trở đồng mức
về lớp mạ, phân bố điện áp không đồng mức được quan sát bên dưới sự
nhiễm bẩn khắc nghiệt và các điều kiện ẩm ướt, kết quả thu được là s
ự thoát
nhiệt trên một vài vật. Do đó, các thử nghiệm lão hóa toàn bộ (thử nghiệm
cách điện lành lặn bên dưới các ứng suất) là cần thiết trước khi các cách điện
được lắp đặt với đường dây truyền tải siêu cao áp hoặc cực cao áp, hoặc các
chuỗi cách điện thang đo lớn nhất đối với trạm 275 kV có thể được thử
nghiệm bên trong buồng này bên dưới điều kiệ
n năng lượng hoá và ứng suất
phối hợp.
+ Những lắp đặt thử lão hóa đã phát triển ở Pakistan.
Lắp đặt đã được phát triển để điều tra về cách thức và hiệu quả của cách điện
polymer ở trong vùng ô nhiễm nặng và nắng của Pakistan. Sự phát triển đối
với lắp đặt thử nghiệm với 3 mục đích khác nhau được liệt kê bên dướ
i:
- Lắp đặt đối với thử lão hóa tự nhiên bên ngoài trong môi trường sạch: Với
lắp đặt này, một khả năng đối với cố định các cách điện trong môi trường
không khí ở chiều cao khoảng 10 m từ mặt đất. Trên thí nghiệm này dựng
đứng các cách điện với hình dạng và các kích cỡ khác nhau có thể được gắn
liền và được phóng điện với điện áp cung cấp từ một máy bi
ến áp cao áp
1 kVA đã lắp đặt trong phòng thí nghiệm. Một đường cáp cách điện cao áp
chạy từ máy biến áp tới đầu của vật thử nghiệm.
Tại đó đã phát triển hệ thống theo dõi dòng điện rò giao diện với máy tính
cũng được lắp đặt để tiếp tục các giám sát luồng điện chạy qua bề mặt cách
điện và ghi lại một vài các gía trị trên 5µA cùng với thờ
i gian.

18
- Lắp đặt đối với thử lão hóa bên ngoài tự nhiên trong môi trường ô nhiễm
nặng: Các cách điện được cài đặt trong môi trường không khí ở độ cao
khoảng 15m từ mặt đất. Cách điện với các loại và kích cỡ khác nhau có thể
được dính vào nhau và được phóng điện với điện áp cao từ một máy biến áp
cao thế 1 kVA. Một dây cáp cách điện cao áp chạy từ máy biến áp đến đầu
của vật thử nghi
ệm dựng đứng. Những ảnh hưởng xấu của nhà máy xi măng
như bụi bẩn, ô nhiễm hoá chất, và phát nhiệt cực cao, hiệu ứng bề mặt cách
điện xẩy ra nhanh.
Hệ thống theo dõi dòng rò đã mô tả ở trên cũng được lắp đặt ở đó để tiếp tục
các giám sát luồng điện chạy qua bề mặt cách điện và ghi lại một vài các gía
trị trên 5µ
A.
- Lắp đặt thử lão hóa trong buồng thí nghiệm:
Lắp đặt đã phát triển trong phòng Lab trường đại học bao gồm các khả năng
sau: Thử lão hóa tăng tốc bằng tia cực tím UV; thử chịu đựng khí ozôn; thử
lão hóa nhiệt; thử lão hóa nhiều ứng suất; và thử lão hóa buồng chân không.
Buồng thử lão hóa nhiệt gồm lò hơi nước, thiết bị điều khiển và đèn chiếu
UV, buồng chân không có bơm chân không và có khả n
ăng treo cách điện để
cung cấp cấp điện.
Buồng thử lão hóa nhiều ứng suất có khả năng đối với điều khiển độ ẩm,
nhiệt, ánh sáng UV, điện áp cung cấp lên đến 10 kV, phun muối/sương,
v.v…


Hình 6: Buồng môi trường được lắp tại trường đại học kỹ thuật công nghệ
Pakistan

19


Hình 7: Buồng thử lão hóa nhiều ứng suất được lắp đặt tại đại học kỹ thuật
công nghệ Pakistan



Hình 8: Khả năng thử lão hóa của đại học Kỹ thuật công nghệ Pakistan.
a) Buồng thử lão hóa trong phòng thí nghiệm
b) Cách điện được lắp trong vùng ô nhiễm công nghiệp trong suốt thời gian
thử tính kỵ nước.
c) Cách điện polymer ở môi trường bên ngoài dưới thử nghiệm lão hóa
tự nhiên.

5. Tác động của các hệ số khác nhau lên sự suy giảm đặc tính vận hành
về điệ
n
+ Ảnh hưởng của nhiệt độ: Một trong các hệ số có ý nghĩa quan trọng nhất
vào suy giảm đối với các vật liệu lão hóa hữu cơ khi bị tác động trực tiếp
bức xạ tia cực tím UV. Tỷ lệ lão hóa gấp đôi đối với việc tăng nhiệt độ lên
từng 10
0
C.

20
+ Ảnh hưởng của nhiễm bẩn nặng:
Nhiễm bẩn hình thành một lớp trên bề mặt nó là nguyên nhân gây ra tổn thất
của trọng lượng phân tử thấp (LMW: Low molecular weight). LMW đảm
nhiệm duy trì tính kị nước tốt của bề mặt lần lượt hạn chế sự hình thành rãnh

truyền dẫn nước. Sự suy giảm đặc tính của nó khi tính kỵ nước bị mất do
dòng điện rò và các kích thích phóng điện hồ
quang qua bề mặt của cách
điện là tăng lên.
Một nguồn điện phải tin cậy được sử dụng cho việc đánh giá điện áp chịu
đựng/đánh thủng nhiễm bẩn của các cách điện polymer có tính kỵ nước, đặc
biệt dưới các điều kiện nhiễm bẩn nặng bởi vì sự hư hỏng của nguồn điện là
có thể xả
y ra.
+ Ảnh hưởng của độ ẩm:
Rõ ràng rằng độ ẩm có thể là những phóng điện bề mặt hữu cơ ban đầu, sau
đó có thể nguy hiểm đến các bộ phận được phủ cao su silicone. Sự nguy
hiểm này có thể được dò tìm bằng cách đo trong suốt thời gian xung dòng rò
và đem phân tích mô hình phóng điện bề mặt những hiện tượng xảy ra đó.
Hơn nữa, mô hình phóng điện có thể
được sử dụng để chỉ ra nguy hiểm tới
trạng thái bề mặt. Phép đo với tần số 50 Hz dòng rò toàn bộ bề mặt không
được cung cấp với một vài tương quan về ý nghĩa nguy hiểm bề mặt.
+ Ảnh hưởng khi tính dẫn điện tăng
Sự tăng lên trong tính dẫn điện và tỷ lệ lưu lượng của nhiễm bẩn gây ra
nguyên nhân tăng tốc trong rãnh của v
ật liệu cách điện cao su silicone.
+ Ảnh hưởng của các thông số hỗn hợp
Nói chung đối với tất cả vật liệu polymer được khẳng định rằng những đặc
tính vật liệu tác động lên thời gian tạo rãnh đáng kể. Góc tiếp xúc và xù xì
bề mặt của vật liệu biến đổi không liên quan đến kiểu của lão hóa. Hệ số
khuếch tán của mẫu vật tăng lên với nhi
ệt độ của bồn nước. Bề rộng góc
nhiễu xạ tia X, đồng hồ đo nhiệt lượng chênh lệch DSC (differential
scanning calorimetery) nghiên cứu chỉ ra không bổ sung các pha mới trong

cấu trúc cách điện bởi quá trình lão hóa. Phần trăm biến đổi của tinh thể vật
liệu được ghi chú với độ tuổi về nhiệt và độ tuổi tuần hoàn các mẫu vật. Sự

21
thu nhỏ entanpi của vật liệu trong vùng hình thành rãnh được theo dõi từ
những kết quả của đồng hồ đo nhiệt lượng chênh lệch. Điều này thể hiện
rằng trong cấu trúc cách điện chỉ nguy hiểm bề mặt xuất hiện. Những kết
quả sức bền kéo chỉ ra rằng lão hóa của vật liệu thay đổi đặc tính cơ học vật
liệu. Thử nghiệm u
ốn khúc và tác động chỉ ra rằng sự giòn/xù xì là nguyên
nhân tăng lên số lần tạo rãnh của vật liệu. Phân tích về mặt cơ khí động lực
chỉ ra rằng môđun dự trữ của vật liệu tăng lên với sự tăng tần số. Sự biến đổi
môđun dự trữ của vật liệu với lão hóa vật liệu đã được theo dõi. Tổn thất góc
tang của vậ
t liệu là cao ở tần số thấp bất kể loại nào của lão hóa vật liệu.
Phân tích đường cong tín hiệu tiêu chuẩn đa hoà tan cung cấp dấu hiệu của
sự trệch hướng dòng rò từ hình sin thông thường với thành phần sóng hài
thêm vào. Cường độ của những thành phần tần số cao và thấp tăng lên khi
xảy ra phóng điện bề mặt.
6. Các phương pháp phân tích lão hóa vật liệu
Hiện tượng lão hóa có thể dò tìm bởi các ph
ương pháp khác nhau. Có rất
nhiều phương pháp hữu ích để dò tìm và phân loại lão hóa với các phương
pháp không phá huỷ. Sự chính xác về hiểu biết đối với trạng thái suy giảm
và tuổi thọ còn lại của vật liệu đã sử dụng trong một cách điện đặc biệt có
thể được dò tìm bởi đo các dòng rò, đo tính kỵ nước, tiến hành FTIR, phổ
quang điện từ tia X, phân tán năng lượng tia X, Quang phổ khối ion th
ứ cấp,
phép ghi sắc khí gas, la de gây ra quang phổ huỳnh quang, phân tích trọng
lượng nhiệt, kiểm tra bề mặt bởi thiết bị quét hiển vi điện tử, phép đo hệ số

tổn thất, đo âm thanh, đo phân bố điện trường v.v , sẽ được trình bày bên
dưới.
+ Đo dòng rò
Sự suy giảm cách điện cao su silicone nguyên nhân hầu hết bởi luồng dòng
rò trên bề mặt bên trong môi trường nhiễm bẩn và bởi k
ết quả sự ăn mòn từ
các yếu tố nhiệt và điện. Được nhìn nhận rằng hầu hết dòng điện rò là thông
số phù hợp để đánh giá hư hỏng do ăn mòn. Dòng điện rò liên tục được theo

22
dõi để thu được hình ảnh rõ nét của hư hỏng do ăn mòn bởi thí nghiệm với
độ tin cậy trong dài hạn. Đặt một bộ biến đổi dòng nối tiếp với cách điện ở
đầu cố định và đo điện áp đi qua nó bởi một bộ khuếch đại chính xác và ghi
lại chúng bằng tay sau khoảng thời gian vài ngày hoặc bởi một máy tính sau
khi một vài khoảng thời gian đạt được. Phép đo b
ằng máy tính bao gồm
chuyển đổi điện áp tương tự sang dạng số và sau đó định dạng bằng RS232.
Tất cả những điều này dễ dàng được hoàn thành bởi phần cứng rẻ tiền.
Những con số được nhập vào máy tính bởi cổng của nó và được lưu giữ
trong một vài file. Sự kích hoạt dòng rò bị ảnh hưởng nhanh chóng bởi một
vài thay đổi về thời tiết ho
ặc một vài thông số khác. Ngay cả thay đổi nhẹ về
độ ẩm xem như ảnh hưởng vào thay đổi giá trị dòng rò. Đó là lý do tại sao
thường hay sử dụng thông số để phân tích.
+ Đo tính kỵ nước
Đó là một thủ tục đơn giản bằng tay bao gồm một phép đo lựa chọn các đặc
tính kỵ nước của bề mặt cách điện ở môi trường bên ngoài.
Cho các mục đích thự
c hành mức độ không thấm nước của bề mặt cách điện
có thể được chia thành 7 nhóm kỵ nước HCs (hydrophobicity classes) theo

hướng dẫn phân loại STRI (Smithsonian tropical research institute).
HC1 là nhóm hầu như không thấm nước nhưng ngược lại HC7 bề mặt hoàn
toàn thấm nước. Nhóm trung gian được định nghĩa bởi góc âm số lượng lớn
của các nhỏ giọt và kích cỡ của vùng bị ẩm trong mỗi trường hợp.
+ Quang phổ hồng ngoạ
i trong biến đổi Fourier (FTIR)
Quang phổ hồng ngoại trong biến đổi Fourier là một kỹ thuật phân tích vật
liệu, nó cung cấp cho chúng ta thông tin cấu trúc và chỉ rõ thành phần. Nó
cũng có thể được sử dụng cho phép đo định lượng. Hầu hết nó được sử dụng
để chỉ ra các hợp chất hữu cơ nhưng trong một vài trường hợp các hợp chất
vô cơ cũng có thể được nhận biết.
Trong công nghệ
này, “Mẫu dưới thử nghiệm” bị tác động bởi bức xạ hồng
ngoại. Mẫu hấp thụ những tần số phù hợp với tần số rung nguyên tử của nó.
Một mức nhúng thu được ở những tần số này bên trong “quang phổ hồng
ngoại”. Quang phổ hồng ngoại này sau đó được quét phù hợp với đường

23
cong tiêu chuẩn lưu trữ trong thư viện tham khảo của máy tính để chỉ rõ vật
liệu hoặc phù hợp với những tham khảo ban đầu để đo sự hư hỏng của vật
liệu.
Bức xạ hồng ngoại giới hạn một vùng của quang phổ điện từ có số lượng
sóng gồ ghề từ 13000 đến 10 cm
-1
, hoặc chiều dài sóng từ 0.78 đến 1000 µm
Sơ đồ cơ cấu của đồng hồ đo quang phổ FTIR (Fourier transform infrared
spectroscopy)

Hình 9: Cơ cấu của đồng hồ đo FTIR

+ Kỹ thuật sử dụng tia X và quang phổ học

- Quang phổ quang điện tia Z: đôi khi được gọi là quang phổ điện tử đối với
phân tích hoá học (ESCA; electro spectroscopy for chemical analysis), và
cũng được sử dụng trong đặc tính hoá bề mặt cao su silicone. Nó nhiều bề
mặt đặc biệt hơn FTIR và cho các thông tin từ độ sâu 0.5 – 4 nm. Trong suốt
phép đo, nó được thực hiện trong m
ột buồng chân không cao, một mẫu được
tiếp xúc trực tiếp đến lượng tử ánh sáng tia X với năng lượng đầy đủ để tách
rời các điện tử hạt nhân từ các phần tử lên bề mặt mẫu vật. Sự khác nhau
giữa năng lượng của lượng tử tia đến X và năng lượng động của điện tử phát
ra là tỷ lệ với năng lượ
ng liên kết chúng. Sự thật rằng năng lượng liên kết là
đặc tính hoá đối với mỗi phép đo định tính phần tử kích hoạt của các phần tử
hiện diện ở bề mặt. So sánh con số của các điện tử phát ra từ các phần tử
khác nhau cho các thông tin về thành phần nguyên tử của lớp bề mặt. Thông
tin về cấu trúc hoá học cũng có thể thu được từ những sự liên kế
t giữa các
năng lượng ảnh hưởng tới các nguyên tử yêu cầu đến các điện tử phát ra.

24
- Phân tán năng lượng tia X (EDX): những phần tử bên trong vật liệu cũng
phát những đặc tính tia X, vì thế chúng cũng có thể chỉ ra việc sử dụng phân
tích phân tán năng lượng tia X.
- Quang phổ khối ion thứ cấp (SIMS): trong kỹ thuật này các mẫu được bắn
phá bởi các nơtron. Các nơtron xảy ra tương tác với các hạt nhân của nguyên
tử qua lực hạt nhân. Những sự biến đổi trong mật độ hạt phân bố như
một

chức năng về chiều sâu được dò tìm. Chiều sâu thâm nhập của kỹ thuật này
khoảng 200 nm và có một giải pháp bên dưới với một đồng hồ đo nanô.

+ Quét quang phổ điện tử (SEM)
Nó được sử dụng để thu thập thông tin về bề mặt địa hình của vật liệu cao su
silicone. Nó cho chúng ta một hình ảnh về sự phóng đại cực nhỏ của bề mặt
vậ
t được liệu đã được phân tích.
Trong SEM một chùm tia điện tử gây ra tốc độ và tâm điểm đối với cú đập
bề mặt vật liệu để phân tích. Khi chùm tia đập vào mẫu vật, các điện tử của
nó chia thành 4 nhóm: Dừng lại, hấp thụ, chệch hướng và phản xạ các điện
tử.
Tất cả các điện tử này được rò tìm bởi các bộ rò biến đổ
i và tương ứng hình
ảnh đã được miêu tả chi tiết của hình dáng bề mặt xù xì của vật liệu tới đồng
hồ thang đo micro. Hình ảnh này có thể được xuất ra để xem ở những vị trí
khác như dạng hình ảnh lưu trữ số và có thể được xem trên máy vi tính.