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

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 học, nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết

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

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 thế 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

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 tanδ 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 Tanδ 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

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 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)

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

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 gồm 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 học, 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: điện 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]

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 nước 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 của 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 cứu 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 thuyết 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

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 của 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 cường độ

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

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

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 liệu 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 mục 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 tiến 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 điện 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

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 vượt 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 điện 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 thủng 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

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 trống (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

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 điện 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 của 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

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 vật 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 được 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 đối 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 đầu của sự xuống cấp cách điện là do lỗi giữa một phần bề mặt thanh dẫn và cách điện bọc bên ngoài

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 bị 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

Tuabin khu vùc x¶y ra sù cè

bé phËn

kÝch tõ

vïng 6

vïng 5 vïng 4 vïng 3

vïng 2

vïng

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 tăng 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 đo 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 đổi hệ số tổn hao này chứng tỏ phép đo có sự tham gia mạnh mẽ

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

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 điện 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)

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 1100C và điện trường là 5,5kV/mm với tần số 420Hz (áp suất trong trường hợp già hoá với Hydro là 4kg/cm2 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

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)

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 trơ

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 mẫu 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

tính cơ bản của tính chất đánh thủng điện môi và sau đó chất độn ATH có dạng bột được thêm vào epoxy với các hàm lượng khác nhau để tạo nên các mẫu composite Có 3 loại mẫu với tỷ lệ khối lượng chất độn lần lượt là 5%, 10% và 15% ATH Hỗn hợp epoxy và ATH được trộn đều và được lưu hoá ở

2 chế độ khác nhau Mẫu RT được lưu hoá ở nhiệt độ môi trường trong 7 ngày còn mẫu ET được lưu hoá 24h ở nhiệt độ thường và 4h ở nhiệt độ 1000C theo như gợi ý của nhà sản xuất

mÆt nµy tr¸ng b¹c

®iÖn cùc cao ¸p h×nh mòi nhän

52mm

10mm

24mm

2,5mm

Hình I.7: Mô hình thí nghiệm phóng điện mũi nhọn - bản cực

Từng mẫu thí nghiệm sẽ được thực hiện quá trình phóng điện chọc thủng theo mô hình hình I.7 với điện áp tại mũi nhọn là 10kV và tần số 50Hz

Trong thí nghiệm này, thời gian tạo thành cây điện và gây ra phóng điện là tham số quan trọng nhất Các quá trình hình thành cây điện, quá trình phóng điện trong kết quả thí nghiệm đối với epoxy tinh khiết được ghi lại định kỳ bằng camera số với mục đích tính toán, xác định sự hình thành cây và phát triển cây, thời gian phát triển cây và gây phóng điện Mô hình phát triển cây điện của epoxy được mô phỏng lại trong hình I.8 Chúng ta có thể quan

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 của thời gian phát triển cây đến lúc phóng điện là 120 phút Trong khi đó, với 12 mẫu epoxy ET (lưu hoá ở nhiệt độ

1000C 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 điện chọc thủng của mẫu

3 10% Al(OH) 3

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 1000C 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 1000C 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

nhiệt độ thường và được kiểm tra sau khi chế tạo khoảng 3 thỏng Giỏ trị đưa

ra trong hỡnh là giỏ trị trung bỡnh của 8 mẫu cho mỗi một hàm lượng chất gia cường Hỡnh I.10 cho thấy rừ ràng rằng thời gian phúng điện của cỏch điện composite epoxy tỷ lệ thuận với hàm lượng chất gia cường trong vật liệu Đõy

là cơ sở cho việc xõy dựng mụ hỡnh cho cõy điện cho vật liệu cỏch điện composite

Phần trăm thể tích của chất độn (%)

20 15

10 5

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: Ảnh hưởng của một phần chất độn đến phỏt triển cõy điện theo thời gian phúng điện chọc thủng trong ATH tăng cường epoxy 5052

I.3.2.2 Mụ hỡnh cõy điện cho vật liệu composite

Đối với cỏc cỏch điện bằng polymer thuần như epoxy tinh khiết ở trờn,

cú thể giả thiết rằng sự phỏt triển của cõy điện sinh ra từ việc hỡnh thành vựng tiến triển nguy hại (DPZ - Damage Process Zone) chớnh vựng này đó hỡnh thành trước tiờn một vựng bao quanh đỉnh cõy trong quỏ trỡnh phỏt triển và sau đú cơ chế phỏt triển cõy điện, như trong hỡnh I.12a, bắt đầu hỡnh thành và kết thành 1 khối từ cỏc lỗ trống vi mụ sinh ra bởi dao động nhiệt bao gồm cả vựng tiến triển nguy hại phớa trước đỉnh cõy [25]

Công thức tính khoảng thời gian phát triển cây điện được phát triển bởi Ding và Varlow là [26]:

h L

L t

df

b

c g

2 0 0

(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 = 6.626x10-34Js lần lượt là hằng số Boltzman và Plank T là nhiệt độ tuyệt đối, U0 là năng lượng hoạt động (kích hoạt) chọc thủng, αC0 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 điện 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

kênh dẫn của cây điện

vùng tiến triển nguy hại

chất độn

E

Hỡnh I.11b: Cấu trỳc nhỏ của trường cục bộ xung quanh đỉnh cõy

Vựng tiến triển nguy hại tới hạn trong epoxy cú chất độn

Từ mụ hỡnh trờn, chỳng ta cú thể phỏt triển khỏi niệm của vựng tiến triển nguy hại cho epoxy tinh khiết sang composite epoxy/ATH Cú thể tưởng tượng ra rằng sự gia tăng kớch thước của vựng tiến triển nguy hại và đưa vào nhiều hơn cỏc lỗ trống kớch thước nhỏ hơn micro trong chất nền cú thể làm giảm khả năng hỡnh thành cõy điện và do đú làm tăng tuổi thọ cỏch điện Việc đỏnh giỏ này dẫn đến việc mụ tả mụ hỡnh cấu trỳc vi mụ như trong hỡnh I.11b Trong chất nền epoxy, cỏc khiếm khuyết tầm micro như là lỗ trống được sinh

ra xung quanh cỏc phần tử ATH kớch thước vi mụ do sự thay đổi cảm ứng trong khu vực chịu ứng suất cơ nhiệt dư cục bộ Vỡ thế, khi cõy bắt đầu phỏt triển từ mũi nhọn đến vựng này, việc cỏc lỗ trống nhỏ hơn micro khụng di chuyển được trong chất nền hoạt động như là cõy vi mụ ở vựng xung quanh cõy đầu tiờn sinh ra từ mũi nhọn Kớch thước của vựng tiến triển nguy hại vỡ thế to lờn và kết quả là khả năng chịu đựng của điện mụi trong việc hỡnh thành cõy điện sẽ tăng lờn đột ngột [27]

Đối với việc đỏnh giỏ số lượng và giải thớch sự quan sỏt khỏc nhau trong thời gian phỏt triển cõy điện đến khi phúng điện với hàm lượng chất gia cường, một vài đặc tớnh quan trọng của cỏch điện composite cũng được tớnh đến ở đõy Chỳng ta biết rằng khi thờm chất gia cường vào vật liệu gốc thỡ hằng số điện mụi sẽ bị thay đổi Cú nhiều lý thuyết khỏc nhau trong việc xỏc

định giá trị điện môi từ 2 thành phần khác nhau Coi như ở đây cách điện composite là hỗn hợp bất kỳ, ta có công thức Log sau [28]:

/41ln

2+

Tuy nhiên ở đây V là điện áp đặt vào mẫu, r là bán kính mũi nhọn và D

là khoảng cách giữa mũi nhọn – bản cực

Đối với mẫu epoxy tinh khiết 90 ngày tuổi như trong hình I.10, giá trị trung bình của thời gian từ lúc hình thành cây đến lúc phóng điện là tg = 170 phút, và kích thước phân nhánh đo được là df = 1,25 Chúng ta có thể chỉ ra rằng mô hình dự báo thời gian từ lúc hình thành cây điện đến khi phóng điện theo phương trình (I.1) là hoàn toàn phù hợp với kết quả thí nghiệm nếu chúng ta lấy:

αC0 = 2 x 10-28m3

U0 = 1,5 x 10-19 J (= 0,94 eV)

Trong tính toán, chung ta lấy εrm = 5, T = 300K và Lc = 2,5 x 10-3m Phương trình (I.1) cũng được áp dụng để đánh giá thời gian từ lúc hình thành cây điện đến khi phóng điện trong vật liệu composite epoxy/mica bằng cách xác định tác động của tỷ lệ chất gia cường lên hằng số điện môi, năng lượng kích hoạt phóng điện và kích thước phân nhánh Các kết quả cho thấy phương trình này phù hợp với các kết quả thí nghiệm với phần trăm khối lượng chất gia cường khác nhau trong hình I.10

Như vậy, trong phần trình bày này, chúng ta có thể thấy đối với chất gia cường bằng bột như ATH, Silice, TiO2, sẽ làm thay đổi một số đặc tính của vật liệu cách điện Trong trường hợp này nói riêng và vật liệu cách điện

composite nói chung việc sử dụng chất gia cường sẽ cải thiện các đặc tính cơ

lý hoá và cả điện của vật liệu đồng thời làm giảm giá thành sản xuất

Tuy nhiên để hiểu rõ hơn quá trình phân bố điện trường và hình thành cây điện trong vật liệu composite epoxy gia cường bằng các hạt kích thước micromet chúng ta sẽ đi sau tìm hiểu vào phần sau: mô phỏng phóng điện trong composite hay hệ dị thể nói chung

I.3.3 Mô phỏng cây điện

Đối với việc mô phỏng này, một đơn vị chiều dài của cây tương ứng với một Ohm (Ω) Mỗi phần tử được nối với 18 phần tử khác gần nhất theo dạng topo bằng 1 điện trở thuần Trước khi đáp ứng điện của mạch được xác định, các thành phần khác được đưa thêm vào như: điện cực liên kết các nút đáy, nguồn điện áp giữa đất và điện cực đáy Điện cực bao gồm các điện trở giá trị thấp (10-15 Ω) Sự phối hợp này của các thành phần tương ứng với điều kiện bờ biểu diễn cho cấu hình mũi nhọn – bản cực như trong thí nghiệm thực

tế Bên trái và phải của mạng được coi là các điện trở giá trị lớn tương ứng với điều kiện bờ Von Neuman

I.3.4 Trường hợp các phần tử đẳng thế

Một cấu trúc hình tổ ong được chọn đầu tiên bởi nó có khả năng phản ánh trường hợp cụ thể là trong đó mỗi phần tử được đặt tại vị trí có khoảng cách không đổi với các phần tử liền kề Giá trị điện trở giữa 2 nút, i và j, được lấy tỷ lệ với khoảng cách, Dij Trường hợp đầu tiên này tạo ra một mạng với giá trị ban đầu như nhau cho tất cả các điện trở [29, 30]

Thế ban đầu đặt lên một phần tử tạo ra một trường tăng cường mạnh

mà hình dáng bên ngoài của điều kiện bờ được chọn như hình I.12

Hình I.12: Mạng lưới điện thế phân bố đều trước một

phóng điện chọc thủng xuất hiện

Điện trường tăng cường rộng tiếp theo sau gây ra một điện áp thấp ban đầu để nối tắt các liên kết đầu tiên Khi một vài điểm ngắn mạch bị đứt, điện trường tăng cường bị giảm và làm Vs tăng tương ứng, như hình I.13 Đường cong đồ thị điện áp nghịch chuyển được quan sát thành 3 phần riêng biệt với nhau: hình thành, phát triển và phóng điện của composite Đồ thị này thực chất chia một mặt là vùng có đáp ứng ổn định [31], tức là điện áp được tăng

để duy trì sự phát triển cây điện và mặt khác là phần cây không ổn định, nơi điện áp đưa ra dẫn điện sự phóng điện phá huỷ hoàn toàn vật liệu (Hình I.13)

Điện trường tăng cường thậm chí trở nên khá lớn khi cây điện hầu hết

đi qua toàn bộ cấu trúc mô phỏng, dẫn đến sự phóng điện hoàn toàn (Hình I.13) Như vậy, có thể thấy xuất hiện trong trường hợp cụ thể này một vài ý nghĩa vật lý Tuy nhiên sự mô phỏng này đưa đến cây điện đánh thủng dạng đường thẳng khi mà phóng điện đi qua toàn bộ cấu trúc Điều này không thể được coi như sự mô tả chính xác cho hệ thực bởi ít nhất 2 lý do: Thứ nhất là các mắt lưới giống nhau thể hiện một sự sắp xếp hoàn hảo của chất tăng

cường trong vật liệu composite Thứ hai là điện trường tăng cường được giả định sản sinh ra các ngắn mạch đơn lẻ tại các liên kết được mô phỏng nhiều nhất, việc này dẫn đến cây điện theo một chiều, không thích hợp với cấu trúc phân nhánh quan sát được trong các mẫu xảy ra phóng điện

Hình I.13: Điện áp ngắn mạch đòi hỏi để tiếp tục

lan truyền phóng điện chọc thủng

I.3.5 Cấu trúc rối loạn

Tính đến các kết quả trước, bước tiếp theo bao gồm một chuỗi các vùng

bị tổn thương với sự sắp xếp rối loạn các phần tử (theo mô phỏng Monte Carlo [32]) Hơn nữa, ngắn mạch không chỉ áp dụng cho các vùng “nóng nhất” mà còn đưa ra số lượng theo sau Giả thuyết này liên quan đến việc ngay cả vật liệu đồng nhất khi có sự thay đổi thất thường các dòng cũng là do cấu trúc đánh thủng phân nhánh [33]

Đặc trưng này được đưa vào trong mô phỏng thông qua tham số δi, mô

tả sự phân bố các dòng nối tắt (ngắn mạch) Nếu imax biểu thị dòng điện đi qua các liên kết nóng nhất, thì mỗi liên kết chịu một dòng điện lớn hơn imax * (1 - δi) khi ngắn mạch Theo định nghĩa này, trường hợp đầu tiên mô tả trong phần trên tương ứng với δi = 0, và sự tăng δi làm tăng số lượng các ngắn mạch mới trong mỗi bước Tham số này quyết gây ra trong cây điện nhiều mô hình nhánh nhưng sự mô phỏng vẫn giữ tính bất định và dự trên hình học topo của pha

Hình I.14: Ảnh hưởng của δi lên mẫu phóng điện chọc thủng

Bây giờ chúng ta có thể thấy lợi ích của việc mô tả ảnh hưởng của tham

số δi này lên hình dáng của cây điện Sự mô phỏng này minh hoạ sự biến đổi nhanh chóng từ ngoằn ngèo sang mô hình thẳng mà có thể so sánh được với

sự biến đổi “cây sang chùm” trong các tài liệu (Hình I.14)

Như vậy là dạng mô phỏng theo cấu trúc rối loạn này là một sự cải thiện hơn hẳn so với mô hình đầu tiên Tuy nhiên nó vẫn còn tồn tại 3 trở ngại nội tại

• Nó không giải thích được nét đặc trưng cho một dạng hình học bất

kỳ bên trong vật liệu, bao gồm cả khoảng cách thực giữa các phần

I.3.6 Trường hợp các mảnh không đẳng thế

Việc mô phỏng được thực hiện dựa trên mô hình không đẳng thế của các phần tử chất tăng cường và như thế phương pháp phần tử hữu hạn sẽ được

sử dụng với việc chia nhỏ thành các mắt lưới Việc mô phỏng thực tế được phát triển nhờ việc sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh ImageJ [23] Như

mô tả trong hình I.15, ảnh chụp hiển vi đầu tiên được nhị phân hoá trong hình I.15b, và chuyển thành các đường viền bao quanh từng phần tử như trong hình I.15c

Hình I.15: Phương pháp xây dựng mạng tương đương

Các mắt lưới được tạo ra với các góc của mắt phải lớn hơn 30º để tránh hiện tượng dịch thế trong quá trình tính toán điện trường Các tính chất về điện được gán cho mỗi pha với vật liệu nền có điện trở lớn gấp 10 lần chất tăng cường và sử dụng phương pháp gián đoạn phần tử hữu hạn Điều kiện bờ Von Neuman được thêm vào tập hợp các điện trở và toàn bộ hệ được sáng tỏ Một ví dụ về sự phân bố thế được minh hoạ trong hình I.16 Sự khác nhau về điện trở giữa hai pha trong điện môi có thể được xác định rõ ràng trong biểu

đồ thế, mà ở đó các chất tăng cường xuất hiện như các đốm biểu đồ và cảm ứng ra sự gia tăng cường độ điện trường cao xung quanh các mảnh chất gia cường (Hình I.16)

Hình I.16: Phân bố thế trong hai pha của vật liệu composite

Cũng giống như việc tính toán ban đầu của cây phóng điện, dòng điện lớn nhất giữa hai nút có thể được thiết lập và điện trở giữa chúng bị phá vỡ Một ví dụ về cây phóng điện được mô tả trong hình I.17 cho trường hợp bản cực dạng phẳng – phẳng mà trong đó điện trường tăng cường chỉ sinh ra do sự

có mặt của các phần tử gia cường Cấu hình này đã chỉ ra sự tương quan rõ ràng giữa sự có mặt của chất tăng cường và sự phát triển của cây điện tại vùng tiếp giáp của chất tăng cường Sự gồ gề, độ bằng phẳng xa cách của cây phóng điện chính cũng được chỉ ra từ khuynh hướng mạnh mẽ tới phát triển ngắn tại vị trí còn lại trong cấu hình này

Hình I 17: Quan hệ giữa khoảng cách hạt nhỏ nhất và cây phóng điện

chọc thủng (điện cực được bố trí phẳng – phẳng)

Hiện tượng này dẫn đến việc lão hoá và xuống cấp 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 của cây phóng điện chọc thủng

I.4 Nhận xét

Composite là loại vật liệu mới có nhiều ưu điểm ngày càng được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong ngành kỹ thuật điện

cao áp Trong các loại vật liệu composite, loại vật liệu composite cốt sợi thủy tinh nền nhựa epoxy chiếm ưu thế về số lượng do các ưu điểm nổi bật như: 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, nó cũng có vấn đề khi phải làm việc trong môi trường chất lỏng (dầu cách điện, nước …), điện trường tần số công nghiệp, môi trường nhiệt đới (nhiệt độ và độ ẩm cao) Do đó, để xác định ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm lên tính chất điện môi trong vật liệu composite dùng trong máy biến áp điện lực không có cách nào khác ngoài việc tiến hành các thí nghiệm lão hóa tăng tốc trong phòng thí nghiệm, qua đó xác định được ngưỡng già hóa của vật liệu cách điện composite

Việc nghiên cứu xác định sự khuyếch tán của nước trong vật liệu cách điện composite khi bị tác động tổng hợp bởi các yếu tố nhiệt độ - độ ẩm cao - điện trường và hậu quả của nó lên tính chất điện môi của vật liệu cách điện composite nói chung và đặc biệt đến vật liệu cách điện composite nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh nói riêng vẫn đang được các nhà khoa học trong nước

và trên thế giới tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện nhằm không ngừng nâng cao chất lượng kỹ thuật cũng như hạ giá thành của loại vật liệu mới này

CHƯƠNG II : XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH ĐIỆN MÔI - BẢN CHẤT CỦA DÒNG PHÂN CỰC VÀ KHỬ PHÂN CỰC TRONG VẬT LIỆU CÁCH

ĐIỆN COMPOSITE II.1 Đặt vấn đề

Hiện nay, phương pháp truyền thống đối với việc đánh giá tình trạng các MBA lực do ngành điện ban hành [34] bao gồm việc thực hiện một cách định kỳ hàng loạt các thử nghiệm thông lệ nhằm thừa nhận đầy đủ tính nguyên vẹn của thiết bị đang vận hành

Phương pháp truyền thống này xem xét tình trạng làm việc của MBA như một hàm của tình trạng của nhiều các bộ phận trong đó dầu cách điện được xem như là một bộ phận riêng rẽ Vì vậy, phạm vi của các thử nghiệm liên quan được quy định dựa trên đề xuất về các giá trị giới hạn và tới hạn đối với từng tham số được thử, và xem xét sự thay đổi của các kết quả đo so với các số liệu ghi trên nhãn máy, so với tiêu chuẩn hoặc số liệu của thử nghiệm lần trước

Nhược điểm của của phương pháp truyền thống:

+ Tình trạng khiếm khuyết của MBA và các thông số đã thử nghiệm có sự liên quan đáng nghi ngờ Ví dụ hệ số tổn hao của cách điện lớn hơn 1%, thường được coi là “xấu” nhưng không có nghĩa là độ dự trữ an toàn của điện môi thực

sự bị suy giảm

+ Có thể xảy ra việc chẩn đoán sai hoặc không chắn chắn Nguyên nhân chính là không nhận diện và khoanh vùng rõ được vấn đề hỏng hóc ở bên trong MBA nên không đưa ra được các phương pháp và kỹ thuật đánh giá phù hợp

+ Không phát hiện được các khiếm khuyết nhỏ trong hạng mục thử nghiệm cụ thể (ví dụ nhiễm bẩn của cách điện các dây dẫn của cuộn dây)

+ Không dự báo trước được tình trạng vận hành trong thời gian còn lại của MBA

+ Không chú trọng đến tầm quan trọng và vai trò của dầu cách điện trong công tác chẩn đoán tình trạng cách điện ở MBA lực

+ Thực hiện các hạng mục thử nghiệm thừa gây lãng phí về thời gian, nhân công, tăng chi phí vận hành và ảnh hưởng đến tính liên tục trong cung cấp điện của cả hệ thống

Chính vì những vấn đề nêu trên, việc chẩn trị (ở đây được giới hạn trong các phương pháp không phá huỷ) sự lão hoá bộ phận cách điện trở nên cần thiết

để kiểm soát tình trạng cách điện qua đó dự kiến trước được những công việc bảo trì Điều này là rất cần thiết để hạn chế những thiệt hại do máy móc gặp sự

cố gây ra [35÷39] Hiện nay để chẩn đoán tình trạng cách điện của MBA, tồn tại nhiều phương pháp chẩn đoán khác nhau, mỗi phương pháp phản ánh một mặt của phần cách điện bị lão hoá hay chỉ hoạt động với một dạng cách điện duy nhất Phát triển những phương pháp và công cụ chẩn đoán liên quan đến sự cố

cụ thể có một vai trò rất quan trọng trong việc đánh giá mang tính định lượng tình trạng suy giảm của cách điện của MBA Hiện nay, để chẩn đoán mức độ nhiễm ẩm, nhiễm bẩn (chủ yếu là nước) trong cách điện rắn (tấm chắn, thanh chèn, giấy) các phương pháp luận cũng như kỹ thuật chẩn đoán đã được thương mại hóa dưới dạng các sản phẩm thiết bị thử nghiệm hợp bộ bao gồm:

- Thử nghiệm đo điện áp phục hồi của điện môi (RVM)

- Thử nghiệm đo dòng phân cực và khử phân cực của điện môi (PDC)

- Thử nghiệm đo phổ điện môi theo miền tần số (FDS)

Mỗi loại phương pháp thử nghiệm đều có các ưu và nhược điểm riêng Tuy nhiên việc kết hợp một cách khoa học các thử nghiệm này sẽ cho chúng ta biết được khá rõ bức tranh về tình trạng nhiễm ẩm, nhiễm bẩn của cách điện rắn

Mặt khác, với mục đích dự báo thời gian tồn tại của máy móc và thực hiện bảo dưỡng có điều kiện, cần thiết phải có một phương pháp chẩn đoán không phá huỷ có khả năng cung cấp thông tin về tình trạng hiện thời của vật liệu, xác định đặc trưng kết quả lão hoá do nhiệt độ và độ ẩm và nhận biết hậu quả của nó đối với vật liệu Phổ điện môi là một phương 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 [40, 41] Trong nội dung của đề tài này chúng tôi sẽ

sử dụng hợp bộ thiết bị thí nghiệm kiểu CPC100+CPTD1+DIRANA của hãng OMICRON (Cộng hòa Áo) và Proseco AG kiểu FT-12 (Thụy sỹ) Bởi vì trong hợp bộ thí nghiệm này phần mềm đo đạc và tính toán nhà chế tạo đã tích hợp cả hai phương pháp chẩn đoán đó là phương pháp phổ điện môi và phương pháp đo dòng phân cực và khử phân cực

Xếp loại các phương pháp này được thực hiện theo nhiều tiêu chuẩn: điện năng hay không điện năng, phá huỷ hay không phá huỷ, thời gian hay tần số, on-line hay off-line… Trong phần tiếp theo, dựa vào đặc thù của thông tin cần nhận biết các phương pháp chẩn đoán được chia thành hai loại như: chúng được thực hiện trong khi vẫn mang điện (On-line) hay khi đã cắt ra khỏi hệ thống (Off-line)

Các thử nghiệm chẩn đoán off-line có ưu điểm là việc tiến hành thí nghiệm chỉ được thực hiện sau khi MBA đã cắt điện, do đó có tính an toàn cao đối với người thử nghiệm đồng thời các số liệu đo thường có độ chính xác cao hơn do ít bị ảnh hưởng của các yếu tố như: sự biến thiên nhiệt độ, nhiễu điện từ trường …

Tuy nhiên, hạn chế của các thử nghiệm chẩn đoán này là thời gian cắt điện thiết bị để thực hiện thử nghiệm thường lớn và làm ảnh hưởng đến việc cung cấp điện Do đó, những thử nghiệm này nên được tiến hành hoặc kết hợp với việc bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế MBA hoặc sau khi phát hiện có những bất thường trên MBA qua các công tác kiểm tra, giám sát và một số thử nghiệm on-line (thử nghiệm dầu)

II.2.1 Chẩn đoán bằng các tham số không điện từ

Đây là một phương pháp sử dụng sóng âm để phân tích những lỗ hổng và bong tróc của bề mặt ma trận epoxy/sợi thủy tinh (phần gia cố) Tình trạng của chất cách điện cũng được đánh giá khi quan sát thay đổi màu sắc của nó [35÷37]

II.2.2 Chẩn đoán dựa trên quá trình vận hành

Vì qua thời gian vận hành cách điện MBA sẽ phải chịu những ứng suất: nhiệt, điện, cơ và các tác nhân gây lão hóa, thoái hóa cũng như các tác động của môi trường bên ngoài và tình trạng của hệ thống điện mà nó đang là một phần tử vận hành trong đó Số năm vận hành được xem như một chỉ số tiêu chuẩn đánh giá sự lão hoá của cách điện Bởi vì số năm vận hành có một ảnh hưởng đến độ bền cơ của cách điện MBA và sau đó là khả năng chịu đựng các lực ngắn mạch thông thường vốn có trong hệ thống lưới điện truyền tải và phân phối Sự tương quan trực tiếp giữa số năm vận hành và sự suy giảm của cách điện khó tránh khỏi một vài sự không chắc chắn nào đó Nhưng nếu kết hợp với các vấn đề khác thì số năm vận hành là một vấn đề rất có ý nghĩa và đáng được quan tâm Ngoài ra, tần số đóng - cắt và các dao động phụ tải thường xuyên cũng thúc đẩy

sự lão hoá nhanh hơn [36]

II.2.3 Đo điện áp hồi phục « return voltage »

Phần cách điện của MBA chịu điện áp liên tục, rồi tiếp đó nó bị ngắn mạch trong một thời gian, và mạch được mở một lần nữa để đo điện áp hồi phục Phương pháp đơn giản này phục vụ để kiểm tra xem độ bền điện môi của

phần cách điện và tính ổn định có thay đổi cùng với sự lão hoá hay không [40,

42]

II.2.4 Đo điện trở cách điện

Phương pháp này được tiến hành bằng cách đặt điện áp một chiều lên cách điện sau 10 phút và đọc giá trị đo điện trở cách điện ở từng khoảng thời gian 1 phút Giá trị điện trở đo được (là tỷ số của điện áp một chiều đặt vào và dòng điện do nó gây ra) trong quá trình thử nghiệm được vẽ trên đồ thị điện trở thay đổi theo thời gian, nó phản ánh sự nhiễm bẩn và hơi ẩm trên bề mặt cách điện, đặc biệt khi có những chỗ rạn vỡ, lỗ kim hoặc khe nứt bên trong cách điện Đây là một phương pháp đơn giản và có chi phí thực hiện bé nhất về mặt trang

bị thử nghiệm và nó thường xuyên được sử dụng Tuy nhiên, sự xuống cấp cục

bộ của phần cách điện rất khó được phân tích bằng phương pháp này [35, 37,

43]

II.2.5 Đo chỉ số phân cực

Chỉ số phân cực là tỷ số của giá trị đo điện trở cách điện sau 10 phút trên giá trị đo điện trở cách điện sau 1 phút khi đặt điện áp một chiều lên cách điện Đây là một chỉ số hữu ích để phân tích phần cách điện bị nhiễm bẩn hay bị ẩm

và nó gần như ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ như hệ số hấp thụ Kht = R60’’/R15’’

đã sử dụng lâu nay nên sử dụng phù hợp để đánh giá các MBA đang vận hành

Tỉ số này lớn hơn 2 với phần cách điện khô ráo trong khi nó tiến gần tới đơn vị

nếu như phần cách điện bị nhiễm bẩn hay bị ẩm [37, 43]

Đo góc tổn hao điện môi (tgδ) bằng cách đặt điện áp xoay chiều lên mẫu cách điện (vì điện áp thử nghiệm này không lớn hơn của vật liệu thử nghiệm nên đây là thử nghiệm không phá hủy), khi đó dòng điện nạp được phân tích thành hai thành:

- Thành phần tác dụng Ir đặc trưng cho tổn hao công suất trong điện môi cùng pha với với điện áp U (hình II.1)

- Thành phần phản kháng Ic vượt trước điện áp 900

Thành phần phản kháng tỷ lệ với hằng số điện môi và cho bằng công thức:

t A r o U C U c

I = ω = ω.ε .ε . (II.1) Trong đó :

U- điện áp thử nghiệm

ω- tần số góc

C- điện dung

A- diện tích [m2]

ε0- hằng số điện môi chân không

εr- hằng số điện môi tương đối của vật liệu

U Ir

It Ic

I

δ ϕ

Hình II.1 Đồ thị vectơ dòng và áp của điện môi