Nghiên cứu quá trình lão hóa cách điện composite dùng trong các thiết bị điện cao áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------

NGUYỄN VIẾT CHÍNH

NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÃO HÓA
CÁCH ĐIỆN COMPOSITE DÙNG TRONG
CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP

Chuyên ngành Kỹ thuật điện

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS. NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

Hà Nội - 2014
0


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa
MỤC LỤC ....................................................................................................................0
LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................3
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................5
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................9
Chƣơng 1: ...................................................................................................................12

TỔNG

QUAN

VỀ

COMPOSITE

VÀ

TÌNH

HÌNH

NGHIÊN

CỨU

COMPOSITE NỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC ...................................12
THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP .........................................................................................12
1.1. CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN ......................12
1.1.1. Điện dẫn suất và điện trở suất của vật liệu cách điện. .....................................12
1.1.2. Phân cực điện môi. ...........................................................................................13
1.1.3. Tổn hao điện môi. .............................................................................................14
1.2. ĐIỆN MÔI HỮU CƠ ..........................................................................................15
1.3. ĐIỆN MÔI VÔ CƠ .............................................................................................16
1.4. NHỰA CÁCH ĐIỆN ..........................................................................................17
1.5. CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CÁCH ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE..18
1.5.1. Cấu tạo và tính chất lý hóa của nhựa epoxy ....................................................21
1.5.2. Sợi thủy tinh – khả năng liên kết giữa sợi thủy tinh và nhựa epoxy. ..............25

1.5.3. Ảnh hƣởng của môi trƣờng làm việc đến VLC nền epoxy cốt sợi thủy tinh ..27
1.5.4. VLC làm cách điện trong máy biến áp ............................................................29
1.5.5. Các phƣơng pháp kỹ thuật cơ bản chế tạo VLC. ............................................31
1.6. KẾT LUẬN .........................................................................................................32
Chƣơng 2: ...................................................................................................................33
QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH SỰ KHUẾCH TÁN CỦA NƢỚC
TRONG VẬT LIỆU COMPOSITE ...........................................................................33

1


2.1. ĐẶT VẤN ĐỀ .....................................................................................................33
2.2. CƠ CHẾ QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN NƢỚC VÀO TRONG VẬT LIỆU
COMPOSITE. ............................................................................................................35
2.3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN NƢỚC. ............36
2.4. KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH. ...............................40
2.4.1. Chuẩn bị các mẫu thử. ......................................................................................40
2.4.2. Thiết bị thí nghiệm. ..........................................................................................41
2.4.3. Tác động của nhiệt độ. .....................................................................................42
2.5. NHẬN XÉT .........................................................................................................44
2.6. CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG MÁY BIẾN ÁP. ........44
CHƢƠNG 3 ................................................................................................................47
KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÍCH .....................................................................47
3.1. ĐO PHÓNG ĐIỆN CHỌC THỦNG ..................................................................47
3.2. ĐO ĐẶC TÍNH ĐIỆN MÔI ................................................................................49
3.2.1. Góc tổn hao điện môi δ ....................................................................................49
3.2.2. Đo hằng số điện môi tƣơng đối ε‟ vàhệ số tổn hao điện môi ε‟‟.....................52
3.2.3. Đo điện trở suất. ...............................................................................................58
3.3. TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ. ..........................................................................60
3.4. KẾT LUẬN .........................................................................................................65

KẾT LUẬN ................................................................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..........................................................................................68

2


LỜI CẢM ƠN
Bằng tấm lòng biết ơn sâu sắc tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Nguyễn
Đình Thắng đã rất nhiệt tình dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hƣớng dẫn tôi
nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến các thầy, các cô trong bộ môn Hệ
thống điện – Viện Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ tôi
trong suốt quá trình học thạc sỹ và trong quá trình làm luận văn tốt nghiệp.
Nhân đây tôi cũng xin cảm ơn Viện đào tạo sau Đại học – Trƣờng Đại học
Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi học tập và hoàn thành khóa học.
Học viên

Nguyễn Viết Chính

3


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn “Nghiên cứu quá trình lão hóa cách điện
Composite dùng trong các thiết bị điện cao áp” do PGS.TS. Nguyễn Đình Thắng
hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Những kết quả trong luận văn
là do tôi làm thực nghiệm.
Hà Nội, ngày 16 tháng 9 năm 2014
Tác giả luận văn

Nguyễn Viết Chính

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
VLC :vật liệu cách điện composite
MBA :máy biến áp lực
GIS

:Gas insulated substaion –trạm biến áp cách điện khí

PD :Partial Díchage –phóng điện cục bộ
FRA: Frequence Response Analysis-phân tích đáp ứng tần số
Breakdown :phóng điện chọc thủng
FSDM: Frequence Spectroscopy Dielectric Method –phƣơng pháp phổ
điện môi theo miền tần số
AEM: Accelerated Experiment Method-phƣơng pháp thí nghiệm lão hóa
tăng tốc
RVM: Response Voltage Measurement-đo điện áp phục hồi
PDC : Polarisation and Depolarisation Current –đo dòng phân cực và
khử phân cực
MP: Mô hình –pissis
LFD: Low Frequency Dispersion-phân tán ở tần số thấp
A/D: Analog Digital-chuyển đổi tƣơng tự /số
DP: Degree polymer-độ polymer hóa
ISO: Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hóa
ASTM: American Society for Testing and Materials –Hiệp hội vật liệu
thử nghiệm hoa kỳ
IEC:Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế

TCVN:Tiêu chuẩn Việt Nam

5


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô tả góc tổn hao điện môi .......................................................................14
Hình 1.2. Lớp vật liệu composite ...............................................................................19
Hình 1.3: Vật liệu Composite lớp ..............................................................................20
Hình 1.4: Mô hình Vật liệu Composite lớp ...............................................................20
Hình 1.5. Mô hình đóng rắn của nhựa epoxy ............................................................25
Hình 1.6. Sợi thủy tinh quan sát dƣới kinh hiên vi điện tử. ......................................25
Hình 1.7. Mặt cắt của một hệ thống cách điện MBA giữa cuộn dây cao áp và hạ áp
.....................................................................................................................................31
Hình 2.1. Lƣợng nƣớc hoà tan cực đại trong dầu theo nhiệt độ ................................35
Hình 2.2.Mô tả lý thuyết về dung tích trống ..............................................................36
Hình 2.3.Mô tả lý thuyết về phân tử ..........................................................................36
Hình 2.4.Cơ chế nhảy của phân tử nƣớc trong ma trận của vật liệu .........................37
Hình 2.5.Mô tả sự thay đổi động học khuếch tán với hoạt động “fickien”...............39
Hình 2.6. Các mẫu gia công để đo đạc cơ chế của việc khuyếch tán nƣớc ..............40
Hình 2.7. Cân điện tử để cân mẫu thử .......................................................................41
Hình 2.8. Thiết bị đo tgδ mẫu thử ..............................................................................42
Hình 2.9.Cơ chế động học quá trình khuếch tán nƣớc của mẫu thử chiều dày 3,5mm
tại nhiệt độ 550C, 800C, 950C .....................................................................................43
Hình 3.1. Sơ đồ thí nghiệm đo điện áp phóng điện chọc thủng ................................47
Hình 3.2. Cƣờng độ phóng điện chọc thủng theo hàm lƣợng nƣớc ..........................48
Hình 3.3.Tgδ theo tần số tại hàm lƣợng nƣớc khác nhau(mẫu có độ dày xấp xỉ
3,5mm, 150V/mm) .....................................................................................................50
Hình 3. 4. tgδ theo tần số tại điện trƣờng khác nhau .................................................51
(mẫu sấy khô có độ dày 3,5mm) ................................................................................51

Hình 3.5. tgδ theo tần số tại điện trƣờng khác nhau ..................................................51
(hàm lƣợng nƣớc khoảng 0,05%)...............................................................................51
Hình 3.6. Đặc tính điện trở suất theo hàm lƣợng nƣớc trong VLC ...........................58
Hình 3.7. Tác động của nhiệt độ lên ε‟của mẫu thử khô ...........................................60
6


Hình 3.8. Tác động của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử khô .........................................61
Hình 3.9. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ε‟ của mẫu thử hàm lƣợng nƣớc 0,15% ......61
Hình 3.10. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử hàm lƣợng nƣớc 0,15% ...62
Hình 3.11. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ε‟ của mẫu thử có hàm lƣợng nƣớc 0,6% ..62
Hình 3.12. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử có hàm lƣợng nƣớc 0,6% 63
Hình 3.13. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ε‟ của mẫu thử có hàm lƣợng nƣớc 0,95% 63
Hình 3.14.Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử có hàm lƣợng nƣớc 0,95%64
Hình 3.15. Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ε‟ của mẫu thử ở trạng thái bão hòa ..........64
Hình 3.16: Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử ở trạng thái bão hòa… 65

7


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1.Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp điển hình. .........................................17
Bảng 1.2. Thành phần hóa học của một vài loại sợi thủy tinh ..................................26
Bảng 1.3. Đặc tính kỹ thuật cơ tính và tỷ trọng của sợi loại E ..................................30
Bảng 2.1.Kết quả phân tích độ ẩm của mẫu thử ở 3 mức nhiệt độ ...........................42
Bảng 3.1. Giá trị tgδ theo tần số đo đƣợc ở các mức độ ẩm khác nhau ....................49
Bảng 3.2. Các tham số trong mô hình ........................................................................56
Bảng 3.3. Giá trị đo hằng số điện môi ε‟ và hệ số tổn hao điện môi ε‟‟ của VLC với
hàm lƣợng nƣớc (0,08; 0,12; 0,15%) .........................................................................57

8


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vật liệu composite (VLC) là loại vật liệu mới ngày càng đƣợc 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 thuật điện, ô tô cơ khí, dầu khí, xây dựng dân dụng và
trong đời sống… nhờ kết hợp đƣợc các đặc tính cơ học và vật lý học mà bình
thƣờng không thể có đƣợc với một vật liệu đơn.
Ngày nay một loại cách điện composite khác với thành phần là nhựa epoxy
cốt sợi thủy tinh đƣợc sử dụng khá thông dụng làm các vách ngăn trong máy biến
áp, lõi của cách điện thanh của đƣờng dây tải điện trên không. Cách điện composite
sử dụng rộng rãi và chủ yếu làm cách điện treo, cách điện néo đƣờng dây trên
không, cách điện đỡ thiết bị, cách điện xuyên trong trạm biến áp và cách điện
đƣờng dây, cách điện trong máy biến áp, vách ngăn trong các trạm phân phối kiểu
GIS (Gas Insulated Substation), cách điện stator của máy điện quay.
Tuy nhiên, do đặc tính composite vùng tiếp giáp [1] giữa các thành phần
luôn là vùng xung yếu do 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 các kết cấu thƣờng xuyên chịu tác động khắc nghiệt của nhiều
tác nhân nhƣ: điện, cơ học, hóa học, nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết và môi trƣờng thay
đổi làm cho các thành phần của vật liệu bị già hoá, đặc biệt là khi chịu tác dụng của
môi trƣờng nhƣ: nhiệt và nƣớc làm cho liên kết giữa các thành phần tại lớp tiếp giáp
bị suy yếu.Khi hấp thụ một vài phần trăm khối lƣợng nƣớc, các đặc tính điện môi bị
suy giảm mạnh :điện trở suất giảm, hằng số điện môi và tổn hao tăng và có thể dẫn
tới hiện tƣợng phóng điện chọc thủng (breakdown) [2].
Hiện nay hầu hết các thiết bị điện có cách điện bằng VLC đƣợc nhập từ nƣớc
ngoài, tuy nhiên, việc sử dụng cách điện composite dƣới tác động của điều kiện khí
hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam thì chƣa đƣợc quan tâm đúng mức.Các nghiên

cứu về tuổi thọ, quá trình lão hoá và khả năng phục hồi của vật liệu cách điện

9


composite còn rất nhiều hạn chế hoặc chƣa đƣợc 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 đƣợc lắp đặt trong điều kiện khí hậu và vận hành cụ thể tại Việt Nam
là một việc rất cần thiết.
Xuất phát từ các vấn đề nêu trên, đề tài “Nghiên cứu quá trình lão hóa cách
điện Composite dùng trong các thiết bị điện cao áp”
2. Mục đích nghiên cứu
- Có cái nhìn tổng quát về vật liệu composite và ứng dụng trong hệ thống
điện.
- Đánh giá về ảnh hƣởng của môi trƣờng,tuổi thọ của vật liệu composite.
- Sớm có thể đƣa ra đƣợc công cụ chẩn đoán đƣợc quá trình lão hoá của VLC
từ đó đề ra các biện pháp khắc phục trong quá trình chế tạo VLC giúp hạ giá thành
cũng nhƣ đảm bảo độ tin cậy trong hệ thống điện
3. Đối tƣợng nghiên cứu
Nội dung luận văn tập trung khảo sát khả năng phục hồi các tính chất cách
điện của vật liệu composite ( cụ thể là các tấm chắn và thanh chèn của máy biến áp)
qua một số nghiên cứu – thí nghiệm khi chịu các tác động phá hủy có khả năng xảy
ra tại môi trƣờng vận hành Việt Nam nhƣ nhiệt độ, khí hậu, độ ẩm.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phổ điện môi là một phƣơng pháp kỹ thuật rất đáng xem xét bởi vì độ nhạy
của nó với các tính chất điện và điện môi đối với sự lão hoá,và khả năng triển khai
nhanh chóng. Phƣơng pháp này là phƣơng pháp chẩn đoán không phá hủy cách
điện, cho phép xác định các tính chất điện môi(hằng số điện môi tƣơng đối ε‟, hệ số
tổn hao điện môi ε‟‟ và góc tổn hao điện môi δ, xác định đặc trƣng kết quả lão hóa

do nhiệt độ - độ ẩm và nhận biết hậu quả của nó đối với cách điện.

10


5. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận,luận văn gồm có 3 chƣơng.
- Chƣơng 1: Tổng quan về composite và tình hình nghiên cứu composite nền
nhựa epoxy dùng trong các thiết bị điện cao áp.
- Chƣơng 2: Quá trình thực nghiệm và phân tích sự khuếch tán của nƣớc trong
vật liệu composite.
- Chƣơng 3: Kết quả đo đạc và phân tích.
Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành
và lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hƣớng dẫn khoa học PGS.TS.Nguyễn Đình
Thắng, ngƣời đã luôn chu đáo, tận tình và có những nhận xét góp ý, chỉ đạo kịp thời
về nội dung và tiến độ của luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn những nhận xét góp ý, tạo điều kiện thuận lợi và
sự giúp đỡ tận tình của Viện SĐH Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô
giáo của Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội
và bạn bè đồng nghiệp trong quá trình làm luận văn.
Mặc dù đã hết sức cố gắng song do thời gian và khả năng còn hạn chế, luận
văn còn nhiều thiếu sót và hạn chế, em rất mong nhận đƣợc sự đánh giá, góp ý của
quý thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để hoàn thiện luận văn này.

11


Chƣơng 1:
TỔNG QUAN VỀ COMPOSITE VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
COMPOSITE NỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC

THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP
Vật liệu composite là loại vật liệu đƣợc chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật
liệu khách nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ƣu việt hơn
hẳn vật liệu ban đầu. Vật liệu composite so với các loại vật liệu truyền thống nó có
nhiều ƣu điểm nổi bật nhƣ phát huy đƣợc ƣu điểm của vật liệu gốc, tính chất điện
môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn ), đặc biệt chúng có đƣợc tính cơ học rất
tốt nhẹ, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu hồ quang, chịu tác dụng của môi
trƣờng hóa chất tƣơng đối tốt, có thể chế tạo với kích thƣớc và hình dáng rất đa
dạng nhƣ ống, tấm, thanh [3],[4],[5]. Do đó vật liệu composite ngày càng đƣợc ứng
dụng rộng rãi trong các lĩnh vực kỹ thuật và công nghiệp hiện đại nhƣ: hàng không
vũ trụ đóng tàu, kỹ thuật điện, ô tô cơ khí, dầu khí,xây dựng dân dụng và trong đời
sống vv...
1.1. CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN
Khi đặt vào trong điện trƣờng, các hiện tƣợng vật lý cơ bản xảy ra trong điện
môi là dẫn điện(đặc trƣng bởi điện dẫn suất:  hoặc điện trở suất:); phân cực điện
môi(đặc trƣng bởi hằng số điện môi tƣơng đối: ); tổn hao điện môi (đặc trƣng bởi
tang của góc tổn hao điện môi:); hiện tƣợng đánh thủng (đặc trƣng bởi độ bền cách
điện hay cƣờng độ điện trƣờng đánh thủng Eđt) và thay đổi các đặc tính cơ lý hóa
điện dẫn đến lão hóa.
Các tính chất điện môi (tính chất cách điện) của vật liệu đều phụ thuộc vào
điều kiện môi trƣờng làm việc: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện trƣờng, tia sóng ngắn,
tần số của điện trƣờng, dao động cơ học…[3].
1.1.1. Điện dẫn suất và điện trở suất của vật liệu cách điện.
a. Điện trở suất

12


+ Điện trở suất khối ( ):
S

h

v  Rv . (.cm)

(1.1)

Trong đó:
Rv : điện trở của khối điện môi đo đƣợc ()
S : Diện tích của bản mặt điện cực (cm2)
h : bề dày của khối điện môi (cm)
+ Điện trở suất mặt (

:
 s  RS .

L

h

(1.2)

Trong đó:
Rs: điện trở bề mặt hình vuông khối điện môi đo đƣợc ()
L : bề rộng của khối điện môi (cm)
h :chiều rộng cạnh hình vuông ( cm)
b, Điện dẫn suất
+ Điện dẫn suất khối:
v 

1

v

(

1
)
.cm

(1.3)

+ Điện dẫn suất mặt:
s 

1

1
( )
s 

(1.4)

Điện dẫn suất mặt phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- Bản chất vật liệu cách điện.
- Độ ẩm môi trƣờng xung quanh.
- Bề mặt vật liệu cách điện.
1.1.2. Phân cực điện môi.
Ta có:

q = C.U

(1.5)

Với C: điện dung của tụ điện.
Trong đó q gồm hai thành phần: q =q0 +q

13


q0: điện tích trên bản cực của tụ điện khi điện môi bên trong tụ là chân không.
q : thành phần điện tích tăng thêm trên bề mặt bản cực do quá trình phân cực ở bên
trong điện môi tạo ra.
Hằng số điện môi tƣơng đối:
r 

q
q0

(1.6)

Từ (1.5) và (1.6) ta có: q   r .qo  C.U   r .qo
mặt khác

qo  CO .U  C.U  CO .U . r

 r 

C
CO

(1.7)

Với: C0: điện dung của tụ điện có cùng kích thƣớc với điện môi là chân không.
1.1.3. Tổn hao điện môi.
Ta có:

tg 

Ir
Ic

(1.8)

Trong đó:
- Thành phần tác dụng Ir đặc trƣng cho tổn hao công suất trong điện môi cùng pha
với điện áp U (hình 1.1).
- Thành phần phản kháng Ic vƣợt trƣớc điện áp 900

Hình 1.1. Mô tả góc tổn hao điện môi

14


1.1.4. Hiện tƣợng đánh thủng.
Ở điều kiện nhiệt độ (t0) áp suất (p), tần số (f) nhất định, điện môi của vật
liệu cách điện có một điện áp giới hạn, nếu ta đặt vào vật liệu cách điện đó một điện
áp vƣợt quá mức chịu đựng thì sẽ xảy ra hiện tƣợng đánh thủng điện môi.Khi đó vật
liệu mất tính cách điện, trở thành dẫn điện bởi một hồ quang điện nối liền hai điện
cực. Vật liệu cách điện thể khí có khả năng phục hồi tính chất cách điện sau khi
phóng điện, nhƣng đối với vật liệu cách điện thể rắn, sau khi đã phóng điện.Điện áp

ngƣỡng chịu đựng bị giảm hẳn.Nếu tiếp tục cung cấp điện áp thì vật liệu cách điện
sẽ bị phóng thủng tại vị trí cũ với điện áp thấp hơn rất nhiều. Tại vị trí phóng điện ta
có thể quan sát đƣợc thấy tia lửa điện hồ quang có thể gây ra nóng chảy, làm rạn nứt
vật liệu cách điện hay điện cực.
Dựa vào điện áp đánh thủng (Udt) ta xác định đƣợc độ bền của điện môi Ebđ,
Ebđ là khả năng chịu đựng của vật liệu cách điện khi điện áp đặt vào mà không bị
phá hủy nó đặc trƣng bằng cƣờng độ điện trƣờng tại điểm chọc thủng.
Ebd  E dt 

U dt
(kv/mm) (1.9)
h

Trong đó:
h: bề dày vật liệu cách điện tại điểm đánh thủng (mm).
Udt :điện áp đánh thủng phụ thuộc vào h(kv).
Eđt phụ thuộc vào các yếu tố:
- Phụ thuộc vào bản chất của vật liệu cách điện.
- Nhiệt độ, độ ẩm,tần số và thời gian đặt điện áp.
- Phụ thuộc theo bề dày vật liệu cách điện.
1.2. ĐIỆN MÔI HỮU CƠ
Số lƣợng lớn nhất của vật liệu cách điện hữu cơ thuộc về các hợp chất cao
phân tử. Đó là những chất có phân tử rất lớn, đôi khi trong một phân tử có hàng
chục ngàn nguyên tử. Khối lƣợng phân tử của các chất này có thể lên tới khoảng
một triệu, còn các kích thƣớc hình học của những phân tử lên đến mức chúng không
hòa tan đƣợc hoặc nếu có hòa tan thì dung dịch cũng giống nhƣ hệ keo.
15


Dựa theo nguồn gốc của các vật liệu cao phân tử ngƣời ta có thể phân chúng

thành hai loại lớn: loại thứ nhất, đó là vật liệu nhân tạo đƣợc sản xuất ra bằng cách
chế biến hóa học những chất cao phân tử có sẵn trong thiên nhiên (ví dụ :xenlulôza
chế biến thành estexenlulôza); loại thứ hai có tầm quan trọng lớn hơn đối với kĩ
thuật cách điện và nhiều nghành kỹ thuật khác, đó là vật liệu cao phân tử tổng hợp
đƣợc sản xuất ra bằng cách tổng hợp từ các chất thấp phân tử. Đa số những vật liệu
đó có thể điều chế ra bằng nguyên liệu rẻ tiền, dễ tìm kiếm trong thiên nhiên nhƣ
dầu mỏ than đá...
Vì vậy ngày nay ngƣời ta chú ý nhiều đến việc nghiên cứu, hoàn thiện và ứng
dụng các vật liệu đó với nhiều mục đích khác nhau, trong đó có vật liệu cách điện
và trong công nghiệp đã xuất hiện các dây chuyền sản xuất tự động đem lại hiệu quả
kinh tế cao.
1.3. ĐIỆN MÔI VÔ CƠ
Điện môi vô cơ là một loại vật liệu quan trọng trong kỹ thuật điện và vô
tuyến điện. Đa số các điện môi vô cơ có những tính chất tốt nhƣ: tính chịu nhiệt
cao, không hút ẩm, độ bền cơ cao và ổn định, chịu đƣợc bức xạ của năng lƣợng và
là vật liệu rẻ tiền.... Vật liệu vô cơ đƣợc chia thành các nhóm sau:
+ Thủy tinh:

- Thủy tinh tụ điện
- Thủy tinh định vị
- Thủy tinh bóng đèn
- Men thủy tinh
- Thủy tinh có chất độn
- Xơ thuy tinh

+ Vật liệu cách điện bằng gốm sứ
+ Mica và các vật liệu trên cơ sở của mica
+ Amian và vật liệu chứa amian
+ Vật liệu xét –nhét điện,áp điện và êlectret
+ Cách điện oxit và cách điện florua

16


1.4. NHỰA CÁCH ĐIỆN
Bảng 1.1. Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp điển hình.

Tên nhựa

Tỷ
trọng

Giới
hạn
bền
kéo
KG/c
m

polietilen

polistirol

2

Độ
giãn
dài
tƣơng
đối khi

keo
đứt%

C

100
-150

300750

90-120

1,05

350
-600

1-4

70-90

150
-300

250300

250
60-70

Nhiệt

dẫn
suất

w
đô.cm

3

Hệ số dãn
nở theo
chiều dài
Tk1.10

16-18

5

Độ
thấm
nƣớc
Sau 24
giờ

0,01

E

..cm

10

15

-10
0,8

6-8

0,04

10

Polivinylcl
orit

1,41,7

300
-500

50-150

Polimetylm
etacrilat

1,2

400
-700

2-10

poliamit

1,11,15

700
-900

1,11,25

800
-900

-

phenolfoc
madehyt

1,251,3

500
-550

1-1,5

polyeste

1,11,45

250
-270

1,61,75

200
-500

3,4

10

0,01

10

5-8

0,1

10

17

17

-10
0,8

17

16

-10

2,3

Silic hữu
cơ

0

0.910,97

Polietrafloe
tilen

Epoxy

Độ
chịu
nóng

18

-10

13

70-90

2

9

0,35

10
10

90

5-10
-

100120

3

tg

2,3
2,4
2,4
2,6
1,9
2,2

0,0001
0,0005

0,0001
0,0003
0,0001
0,0002

3-5

0,030,08

1520

3,5
4,5

14

0,020,08

2035

3-4

0,0150,035

1520

3-4

0,010,03

2080

56,5

0,010,1

1020

34,5

0,002
-0,02

1520

3-5

0,010,03

1520

14
15

13

2

110120

2

180220

1,5

-

-10

120140

110150

10-13

10



15
16

6-6,5

0,1

10
10

4-7

0,15

10

14
15

-10
1,7

8-10

0,1-0,6

10

15

-10
0,8

10,5

0,1

10

17

17

15

-10

17

Phần lớn các loại nhựa đƣợc sử dụng trong kỹ thuật cách điện không hòa tan
trong nƣớc và ít hút ẩm.Nhƣng chúng lại hòa tan trong các dung môi hữu cơ thích
hợp. Thông thƣờng nhựa có tính kết dính và khi chuyển từ trạng thái lỏng sang rắn
nhựa sẽ gắn chặt vào vật rắn tiếp xúc với nó.
Trong kỹ thuật cách điện chúng đƣợc dùng làm thành phần cấu tạo quan
trọng nhất của nhiều loại sơn, các hỗn hợp, các chất dẻo, phim ảnh, các vật liệu xơ
17

KV
mm

1520
2035
2030


nhân tạo và xơ tổng hợp vv... Dựa theo nguồn gốc các loại nhựa ngƣời ta chia thành
các loại nhựa tự nhiên,nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp [3].
Dựa theo nguồn gốc các loại nhựa ngƣời ta chia thành các loại nhựa tự nhiên,
nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp [3].
1.5. CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CÁCH ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE

a. Dƣới góc độ kỹ thuật:
VLC 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 đƣợc gọi là chất
liên kết hay nền(matrix). Còn vật liệu thành phần chính thứ 2 có chức năng chính là
truyền tải và chịu tải (điện áp, nhiệt độ) đƣợc gọi là cốt hay chất tăng cƣờng. Nhiệm
vụ quan trọng nhất là tăng cƣờng hay phát huy đặc tính riêng của mình, đó là tính
bền và tính cứng, khả năng chịu đƣợc điện áp cao, chịu nhiệt cao chịu mài mòn.v.v.
Các tính chất tổ hợp và trội của VLC hoàn toàn khác với tính chất của vật liệu thành
phần khi để riêng rẽ tuy rằng trong VLC các tính chất riêng của từng vật liệu thành
phần không hoàn bị thay đổi [3].
Ngày nay vật liệu cốt(chất tăng cƣờng) thƣờng là vật liệu sợi thủy tinh, kim
loại polime và gốm sứ. Đối với các chi tiết và kết cấu làm việc trong môi trƣờng
điện áp và nhiệt độ cao, việc chọn vật liệu cốt (chất tăng cƣờng) là sợi thủy tinh,
polymer, mica, gốm sứ. Chất tăng cƣờng có thể dạng hạt, dạng sợi, dạng dây mảnh
hoặc đƣợc dệt dạng vải, chúng đƣợc sắp xếp bố trí theo phƣơng tác dụng của lực.
Thông thƣờng vật liệu tăng cƣờng là pha gián đoạn và nền là pha liên tục. Dạng đơn
giản nhất của VLC chỉ bao gồm từ hai vật liệu thành phần. Tuy nhiên trong ứng
dụng thực tế, khi cần thiết ta thƣờng cho thêm chất phụ gia, ví dụ nhƣ chất tăng
cƣờng bám dính, chất độn, chất màu, chất đóng rắn, chất làm mềm..vv.
Vật liệu cốt (chất tăng cƣờng ) có 3 nhiệm vụ sau:
+ Tạo ra hình dáng và giữ đƣợc hình dáng của chi tiết và kết cấu.
+ Giữ cho sợi ổn định trong lòng VLC, bảo vệ sợi trƣớc sự tác dụng của bên
ngoài môi trƣờng.
18


+ Phân bố đều ứng suất và truyền lực cho chất tăng cƣờng.
Mặc dù hầu nhƣ toàn bộ độ bền và độ cứng do chất tăng cƣờng quyết định
nhƣng vật liệu nền cũng có thể gây nên phá hủy VLC nếu ứng suất quá lớn xuất
hiện ở các hƣớng không đƣợc tăng cƣờng bằng vật liệu cốt. Trong thiết kế các kết

cấu và chi tiết nếu dùng VLC ta có một ƣu điểm lớn là có thể tự do lựa chọn kết cấu
của các lớp, qua đó ta có thể thực hiện đƣợc mức độ trực hƣớng và dị hƣớng của vật
liệu composite theo ý muốn chủ quan, có nghĩa là ta có thể điều khiển theo ý muốn
hƣớng của sợi theo hƣớng tác dụng của ngoại lực hay đƣờng đi của lực trong kết
cấu.
Qua đó ta có thể điều khiển đƣợc độ cứng và độ bền theo từng vị trí và từng
vùng của chi tiết cũng nhƣ kết cấu. Vì vậy các kết cấu cũng nhƣ chi tiết có thể đƣợc
thiết kế có hình thù, kích thƣớc bề dầy ở từng vùng từng chỗ phù hợp với độ bền độ
cứng độ biến dạng phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.
Vật liệu composite cốt sợi/nhựa hữu cơ (sợi thƣờng dùng là sợi thủy tinh,
cacbon, kevlar....nhựa thƣờng dùng là nhựa epoxy, polyeste...)có rất nhiều ứng dụng
trong các ngành công nghiệp hiện đại và đời sống . Tùy thuộc vào sự phân bố của
sợi trong nhựa ngƣời ta phân biệt vật liệu composite ra:
- Composite đồng phƣơng (hình 1.2 a)
- Composite “Mat” (hình 1.2b)
- Composite vải (hình 1.2 c)

Hình 1.2. Lớp vật liệu composite
b. Dƣới góc độ cơ học : Vật liệu composite đƣợc xếp làm 3 nhóm chính:
- Composite đẳng hƣớng (hình 1.3a).
- Composite đẳng hƣớng ngang (hình 1.3b).
19


- Composite trực hƣớng (hình 1.3c).

Hình 1.3: Vật liệu Composite lớp
Trong thực tế ta thƣờng gặp VLC lớp dƣới dạng tấm hoặc vỏ,chẳng hạn tấm
có thể gồm nhiều lớp đồng phƣơng,nhiều lớp vải,nhiều lớp “Mat” hoặc là tổ hợp
của các đồng phƣơng,vải và “Mat‟vật liệu trong mỗi lớp có thể khác nhau,phƣơng

của cốt trong các lớp cũng khác nhau vv..

Hình 1.4: Mô hình Vật liệu Composite lớp
Vật liệu composite nền nhựa cốt sợi còn có ƣu điểm là khả năng dập tắt dao
động của cấu trúc tốt hơn,tính dãn nở nhiệt thấp,tính dẫn nhiệt nhỏ,khả năng chống
ăn mòn cao.Một số vấn đề cần lƣu ý trong kết cấu bằng VLC: tuy VLC nền nhựa có
nhiều ƣu điểm nhƣng VLC nền nhựa có độ bền nhiệt tƣơng đối thấp rất nhạy cảm
với ảnh hƣởng của độ ẩm,của môi trƣờng nƣớc và chất lỏng cũng nhƣ áng sáng.
Do cấu trúc của vật liệu composite hoàn toàn khác so với cấu trúc của các loại
vật liệu truyền thống cho nên ứng suất phá hủy của cấu trúc vật liệu composite cũng
khác so với ứng suất phá hủy của các cấu trúc kim loại. Ở kim loại, sự phá hủy
thƣờng đƣợc mở đầu bằng việc hình thành các vết nứt và sau đó là sự phát triển của
các vết nứt, còn ở vật liệu composite có thể có rất nhiều cơ chế phá hủy. Việc phân
bố ngẫu nhiên các cơ chế phá hủy dẫn đến việc xác định các hằng số đặc trƣng của
vật liệu composite có các giá trị khá tản mạn [6].
20


1.5.1. Cấu tạo và tính chất lý hóa của nhựa epoxy
1.5.1.1 Các tính chất lý học
Trong các chất dẻo,một số các loại nhựa sau đây thƣờng đƣợc sử dụng làm vật
liệu nền cho vật liệu composite:
- Nhựa polyester không no.
- Nhựa Epoxy.
- Nhƣạ phenol.
- Nhựa Melamin.
- Silicone và một số loại nhựa khác.
Trong các loại nhựa thƣờng hay chọn làm vật liệu nền cho vật liệu nền cho
vật liệu composite nhựa epoxy đƣợc dùng với phạm vi rộng nhất do có nhiều ƣu
điểm nổi bật so với các loại nền nhựa khác. Khi cần sử dụng loại vật liệu composite

0

có các tính chất cách điện tốt, tính cơ học cao ngay cả ở nhiệt độ trên 100 C ngƣời
ta chọn epoxy làm vật liệu nền.
Các tính chất của nhựa epoxy là:
- Hấp thụ và mất nƣớc kém, đảm bảo ổn định kích thƣớc tốt.
- Độ bền cơ đảm bảo tốt ở nhiệt độ lên tới 1000C.
2

- Tính chất điện môi tốt: góc tổn hao =2,5.10 hằng số điện môi tƣơng
đối,  r  4, 2 , điện trở suất =5.10 .cm ,độ bền điện Uc =18 -20kV/mm.
15

- Khả năng kết dính cao với nhiều loại vật liệu.
- Khả năng chịu nhiệt cao do có các nhân thơm.
- Chịu tốt với nhiều tác nhân hóa học tùy thuộc vào nhân tố đóng rắn mà epoxy chịu
đƣợc nhiều tác dụng hóa học khi sử dụng.
Đặc biệt epoxy có tính bám dính rất tốt đối với rất nhiều loại vật liệu. So với
các loại nhựa khác,epoxy có độ co ngót sau khi đóng rắn thấp, vì vậy VLC sau khi
chế tạo xong có ƣu điểm lớn là ứng suất dƣ nhỏ, kích thƣớc sản phẩm ít bị thay đổi.
Thực tế cho thấy VLC nền nhựa epoxy sẽ đạt đƣợc độ bền cơ học rất tốt nếu chọn
đƣợc loại nhựa epoxy có tính chất cơ học và độ bám dính với bề mặt sơn thật tốt.

21


Tuy nhiên các tính chất cơ học của nhựa epoxy và độ bám dính với bề mặt sợi
lại phụ thuộc vào công nghệ chế tạo VLC và một số chất khác nhƣ chất tăng cƣờng
bám dính, chất làm mềm, chất đóng rắn. vv..
So với nhựa polyester, epoxy có độ co ngót nhỏ độ bám dính tốt ,khả năng

phủ màng tốt cho nên trong lòng VLC ít hình thành các mao mạch và lỗ hổng dọc
sợi đây là nhƣng ƣu điểm đối với vật liệu cách điện chính vì vậy VLC đƣợc sử dụng
rộng rãi trong ngày kỹ thuật điện [3]. Trƣớc khi làm nền cho VLC nhựa epoxy ở
một trong hai dạng sau :
- Dạng lỏng loãng với độ nhớt thấp hoặc lỏng đặc sệt với độ nhớt cao.
- Dạng rắn nhƣ thủy tinh.
Ở loại epoxy bình thƣờng với nhiệt độ bình thƣờng và tùy theo trạng thái lỏng
loãng, lỏng đặc, đặc, đặc sệt và rắn mà màu của epoxy cũng thay đổi từ vàng nhạt,
vàng, vàng đậm nâu đến nâu đậm. Tỷ trọng của các nhựa epoxy trong khoảng 1,14 1,2.
1.5.1.2. Cấu tạo hóa học của nhựa epoxy
Trong cấu trúc nhựa epoxy bao giờ cũng có ít nhất 2 nhóm epoxy
trở lên.
Đây là nhóm rất nhạy cảm với phản ứng và là phân hoạt động cơ bản của tất
cả các loại nhựa epoxy. Nhóm này tham gia chủ yếu vào cấu trúc nhựa epoxy.
Nhựa epoxy đƣợc sản xuất công nghiệp đầu tiên là nhựa polyglycidylether với
cấu trúc hóa học sau:

Theo cách chế tạo và tùy theo các nhóm Glycidyl có trong nhựa mà ngƣời ta
phân biệt trong các loại nhựa epoxy khác nhau thành 2 nhóm.
+

Nhóm thứ nhất đƣợc sản xuất và sử dụng epohalogenhydrin (gọi chung là

epocholohydrin) vì vậy mà nhóm này có nhóm epoxy đứng ở cuối.
+

Nhóm thứ hai đƣợc sản xuất qua việc epoxy hóa các hợp chất không no vì vậy

mà các nhóm epoxy của nó có thể đứng giữa.
22

Qua các vị trí khác nhau của nhóm epoxy ( trong công thức phân tử hóa học)
mà cả hai nhóm nhựa epoxy cũng đƣợc phân biệt bởi các liên kết trong quá trình
đóng rắn.
Cấu tạo và sự hình thành của nhựa epoxy thuộc nhóm 1.
Các loại nhựa epoxy đƣợc dùng phổ biến trên thị trƣờng thế giới là các nhựa
polyglycidylether. Các loại nhựa này đƣợc sản xuất thông qua việc biến đổi các
polyphenol và epichorohydrin. Trong môi trƣờng giàu kim loại kiềm sau khi tách
HCl. Chất polyphenol thƣờng đƣợc dùng nhiều nhất là bisphenol A.
Chất bisphenol A có thể điều chế qua việc trùng ngƣng từ acetone và phenol
trong môi trƣờng axit. Chất bisphenol A còn đƣợc gọi là dian.

epichlorohydrin

bisphenol A hay dian (polynhenol)
Nhựa epoxy trong vật liệu nghiên cứu là DGEBA (DiGlicydil Ether
Bíphenol A), có công thức hóa học nhƣ sau:

Các nhóm epoxy ở mỗi cực của chuỗi và các nhóm OH ở giữa phân tử tạo ra
phản ứng mạnh của nhựa epoxy với các chất làm cứng dạng anđêhít.
Sự hình thành của nhựa epoxy thuộc nhóm 2.
Phƣơng pháp hình thành nhựa epoxy thuộc nhóm 2 là phƣơng pháp epoxy
hóa, bằng cách biến đổi các hợp chất không no cùng với các axit thông qua việc
phân chia các liên kết đôi. Tại vị trí liên kết đôi bị phá vỡ, các nhóm epoxy sẽ đƣợc
hình thành. Cụ thể qua việc epoxy hóa polyepoxy đƣợc hình thành.

23

1.5.1.3. Cơ chế hình thành đóng rắn của nhựa epoxy.
Khái niệm đóng rắn ở đây chính là sự tạo màng không gian 3 chiều (3D) của
nhựa epoxy trong quá trình chế tạo vật liệu composite. Các polymer đƣợc điều chế,
ví dụ bằng phƣơng pháp ngƣng tụ epichlorohydrin( 1-clo-2,3-epoxipropan) với
biphenol A (4,4 izopropy lidenedi-phenol) nhựa Novolac (phenolic) hoặc các chất
polyhidroxi khác hoặc bằng cách epoxy hóa các polymer chƣa no.
Bất cứ cấu trúc cơ bản nào của polyme, các nhựa này đƣợc đặc trƣng bởi các
nhóm epoxy hoạt động, cho phép tạo liên kết ngang một cách dễ dàng trong thời
gian sử dụng. Ví dụ: bằng cách thêm một chất amino, một axit hữu cơ hoặt
anhydrit, một phức chất borontriflorua hoặc một polymer hữu cơ.
Các nhóm epoxy rất dễ tác dụng với các nhóm amin, anhydrid hoặc với các
nhóm carboxyl. Đó là nhóm có chức năng hình thành kết cấu mạng của nhựa epoxy.
Khi quá trình tạo màng không gian 3D của nhựa epoxy hoàn thành, điều đó có
nghĩa lúc đó nhựa epoxy đã đƣợc đóng rắn xong. Thông thƣờng việc hình thành kết
cấu mạng của nhựa epoxy đƣợc diễn ra qua phản ứng trùng hợp (addition).
Quá trình nối ghép các nguyên tử hydro với các nhóm epoxy diễn ra theo công
thức sau:

Ngoài ra các nhóm epoxy còn có khả năng polymer hóa. Chất khởi xƣớng quá
trình polymer hóa đƣợc dùng ở đây là bortrifuoorid. Để có thể xuất hiện đƣợc một
cấu trúc không gian 3D thông qua phản ứng trùng hợp thì số tay với của hệ số phải
lớn hơn 2. Nếu các nhựa epoxy có 2 tay với (nhựa epoxy với 2 nhóm epoxy trong
cấu tạo phân tử) cần đƣợc đóng rắn thì phải sử dụng chất đóng rắn nhiều tay với, có
nghĩa chất đóng rắn thì phải sử dụng chất đóng rắn có hơn 2 nhóm phản ứng trong
cấu tạo phân tử.

24