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

Ngày nay một loại cách điện composite khác với thành phần là nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh được sử dụng khá thông dụng làm các vách ngăn trong máy biến áp, lõi của cách điện thanh của đườ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG 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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG

Hà Nội - 2014

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

Chương 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 hưởng của môi trường 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 phương pháp kỹ thuật cơ bản chế tạo VLC 31

1.6 KẾT LUẬN 32

Chương 2: 33

QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH SỰ KHUẾCH TÁN CỦA NƯỚC TRONG VẬT LIỆU COMPOSITE 33

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 33

2.2 CƠ CHẾ QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN NƯỚC VÀO TRONG VẬT LIỆU COMPOSITE 35

2.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN NƯỚC 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 PHƯƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG MÁY BIẾN ÁP 44

CHƯƠNG 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 tương 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

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 hướng 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 – Trường 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 – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi học tập và hoàn thành khóa học

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 hướng 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

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

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 tương 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

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 dưới 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 Lượng nước 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 nước 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 nước 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 nước của mẫu thử chiều dày 3,5mm tại nhiệt độ 550 C, 800C, 950C 43

Hình 3.1 Sơ đồ thí nghiệm đo điện áp phóng điện chọc thủng 47

Hình 3.2 Cường độ phóng điện chọc thủng theo hàm lượng nước 48

Hình 3.3.Tgδ theo tần số tại hàm lượng nước khác nhau(mẫu có độ dày xấp xỉ 3,5mm, 150V/mm) 50

Hình 3 4 tgδ theo tần số tại điện trường khác nhau 51

(mẫu sấy khô có độ dày 3,5mm) 51

Hình 3.5 tgδ theo tần số tại điện trường khác nhau 51

(hàm lượng nước khoảng 0,05%) 51

Hình 3.6 Đặc tính điện trở suất theo hàm lượng nước trong VLC 58

Hình 3.7 Tác động của nhiệt độ lên ε‟của mẫu thử khô 60

Hình 3.8 Tác động của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử khô 61Hình 3.9 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε‟ của mẫu thử hàm lượng nước 0,15% 61Hình 3.10 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử hàm lượng nước 0,15% 62Hình 3.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε‟ của mẫu thử có hàm lượng nước 0,6% 62Hình 3.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử có hàm lượng nước 0,6% 63Hình 3.13 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε‟ của mẫu thử có hàm lượng nước 0,95% 63Hình 3.14.Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử có hàm lượng nước 0,95%64Hình 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε‟ của mẫu thử ở trạng thái bão hòa 64

Hình 3.16: Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ε‟‟ của mẫu thử ở trạng thái bão hòa… 65

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 được 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 lượng nước (0,08; 0,12; 0,15%) 57

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vật liệu composite (VLC) là loại vật liệu mới ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học kỹ thuật và công nghiệp tiên tiến trên thế giới: hàng không vũ trụ, đóng tàu, kỹ 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

Ngày nay một loại cách điện composite khác với thành phần là nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh được sử dụng khá thông dụng làm các vách ngăn trong máy biến

áp, lõi của cách điện thanh của đường dây tải điện trên không Cách điện composite

sử dụng rộng rãi và chủ yếu làm cách điện treo, cách điện néo đường dây trên không, cách điện đỡ thiết bị, cách điện xuyên trong trạm biến áp và cách điện đường 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 thường xuyên chịu tác động khắc nghiệt 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 là khi chịu tác dụng của 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 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) [2]

Hiện nay hầu hết các thiết bị điện có cách điện bằng VLC được nhập từ nước ngoài, 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 phục 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 kiện khí hậu và vận hành cụ thể tại Việt Nam

- Đánh giá về ảnh hưởng của môi trường,tuổi thọ của vật liệu composite

- Sớm có thể đưa ra được công cụ chẩn đoán được 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 như đảm bảo độ tin cậy trong hệ thống điện

3 Đối tượng 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 trường vận hành Việt Nam như nhiệt độ, khí hậu, độ ẩm

4 Phương pháp nghiên cứu

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 Phương pháp này là phương pháp chẩn đoán không phá hủy cách điện, cho phép xác định các tính chất điện môi(hằng số điện môi tương đối ε‟, hệ số

tổn hao điện môi ε‟‟ và góc tổn hao điện môi δ, xác định đặc trưng kết quả lão hóa

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

5 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận,luận văn gồm có 3 chương

- Chương 1: Tổng quan về composite và tình hình nghiên cứu composite nền nhựa epoxy dùng trong các thiết bị điện cao áp

- Chương 2: Quá trình thực nghiệm và phân tích sự khuếch tán của nước trong vật liệu composite

- Chương 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 hướng dẫn khoa học PGS.TS.Nguyễn Đình Thắng, người 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 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, các thầy cô giáo của Bộ môn Hệ thống điện - Viện Điện - Trường 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 được sự đánh giá, góp ý của quý thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để hoàn thiện luận văn này

Chương 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 được chế tạo tổng hợp từ hai hay nhiều vật

liệu khách nhau nhằm mục đích tạo ra một vật liệu mới có tính năng ưu việt hơn

hẳn vật liệu ban đầu Vật liệu composite so với các loại vật liệu truyền thống nó có

nhiều ưu điểm nổi bật như phát huy được ưu điểm của vật liệu gốc, tính chất điện

môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn ), đặc biệt chúng có được tính cơ học rất

tốt nhẹ, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu hồ quang, chịu tác dụng của môi

trường hóa chất tương đối tốt, có thể chế tạo với kích thước và hình dáng rất đa

dạng như ống, tấm, thanh [3],[4],[5] Do đó vật liệu composite ngày càng được ứng

dụng rộng rãi trong các lĩnh vực 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 vv

1.1 CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN

Khi đặt vào trong điện trường, các hiện tượng vật lý cơ bản xảy ra trong điện

môi là dẫn điện(đặc trưng bởi điện dẫn suất:  hoặc điện trở suất:); phân cực điện

môi(đặc trưng bởi hằng số điện môi tương đối: ); tổn hao điện môi (đặc trưng bởi

tang của góc tổn hao điện môi:); hiện tượng đánh thủng (đặc trưng bởi độ bền cách

điện hay cường độ điện trường 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 trường làm việc: nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, điện trường, tia sóng ngắn,

tần số của điện trường, dao động cơ học…[3]

1.1.1 Điện dẫn suất và điện trở suất của vật liệu cách điện

a Điện trở suất

+ Điện trở suất khối ( ):

v v

S

R cm h

   (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)

Rs: điện trở bề mặt hình vuông khối điện môi đo đƣợc ()

L : bề rộng của khối điện môi (cm)

( )

s s







 (1.4) Điện dẫn suất mặt phụ thuộc vào các yếu tố sau:

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 tương đối:

C



 (1.7)

Với: C0: điện dung của tụ điện có cùng kích thước với điện môi là chân không

1.1.3 Tổn hao điện môi

Ta có: tg r

c

I I

  (1.8) Trong đó:

- Thành phần tác dụng Ir đặc trưng cho tổn hao công suất trong điện môi cùng pha với điện áp U (hình 1.1)

- Thành phần phản kháng Ic vượt trước điện áp 900

Hình 1.1 Mô tả góc tổn hao điện môi

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 được 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 được 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 trưng bằng cường độ điện trường tại điểm chọc thủng

h

U E

E bd  dt  dt (kv/mm) (1.9) 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 lượng 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 lượng phân tử của các chất này có thể lên tới khoảng một triệu, còn các kích thước hình học của những phân tử lên đến mức chúng không hòa tan được hoặc nếu có hòa tan thì dung dịch cũng giống như hệ keo

Dựa theo nguồn gốc của các vật liệu cao phân tử người ta có thể phân chúng thành hai loại lớn: loại thứ nhất, đó là vật liệu nhân tạo được 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 được 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 như dầu mỏ than đá

Vì vậy ngày nay người 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 như: tính chịu nhiệt cao, không hút ẩm, độ bền cơ cao và ổn định, chịu được bức xạ của năng lượng và

là vật liệu rẻ tiền Vật liệu vô cơ được chia thành các nhóm sau:

+ Thủy tinh: - Thủy tinh tụ điện

+ 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

1.4 NHỰA CÁCH ĐIỆN

Bảng 1.1 Đặc tính của các loại nhựa tổng hợp điển hình

Phần lớn các loại nhựa được sử dụng trong kỹ thuật cách điện không hòa tan trong nước và ít hút ẩm.Nhưng chúng lại hòa tan trong các dung môi hữu cơ thích hợp Thông thường 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 được 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

Tên nhựa trọng Tỷ

Giới hạn bền kéo KG/c

m2

Độ giãn dài tương đối khi keo đứt%

Độ chịu nóng

0

C

Nhiệt dẫn suất

cm đô

w

.

Hệ số dãn

nở theo chiều dài Tk1.105

Độ thấm nước Sau 24 giờ

cm



E

mm KV

polietilen

0.91-0,97

100 -150

300-750 90-120 3 16-18 0,01

1015-1017

2,3 - 2,4

0,0001

- 0,0005

2,4 - 2,6

0,0001 - 0,0003

20-35 Polietrafloe

tilen 2,3

150 -300

250-300 250 3,4 10 0,01

1017-1018

1,9 - 2,2

0,0001

- 0,0002

20-30 Polivinylcl

orit

1,4-1,7

300 -500 50-150 60-70 0,8 5-8 0,1

1015-1016

3-5 0,08

0,03-

15-20 Polimetylm

etacrilat 1,2

400 -700 2-10 70-90 2 9 0,35

0,08

100-120 3 10-13 1,5

1014-1015

3-4 0,035

0,01-

20-80 phenolfoc

madehyt

1,25-1,3

500 -550 1-1,5

110-120 2 4-7 0,15

1015-1017

6,5

5- 0,1

110-150 1,7 8-10 0,1-0,6

1015-1017

4,5

3-0,002 -0,02

15-20 Silic hữu

cơ

1,6-1,75

200 -500 -

180-220 0,8 10,5 0,1

1015-1017

3-5 0,03

0,01-

15-20

nhân tạo và xơ tổng hợp vv Dựa theo nguồn gốc các loại nhựa người ta chia thành các loại nhựa tự nhiên,nhựa nhân tạo và nhựa tổng hợp [3]

Dựa theo nguồn gốc các loại nhựa người 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 Dưới 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 được 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) được gọi là cốt hay chất tăng cường Nhiệm

vụ quan trọng nhất là tăng cường hay phát huy đặc tính riêng của mình, đó là tính bền và tính cứng, khả năng chịu được 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 cường) thường là vật liệu sợi thủy tinh, kim loại polime và gốm sứ Đối với các chi tiết và kết cấu làm việc trong môi trường điện áp và nhiệt độ cao, việc chọn vật liệu cốt (chất tăng cường) là sợi thủy tinh, polymer, mica, gốm sứ Chất tăng cường có thể dạng hạt, dạng sợi, dạng dây mảnh hoặc được dệt dạng vải, chúng được sắp xếp bố trí theo phương tác dụng của lực Thông thường vật liệu tăng cường 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 thường cho thêm chất phụ gia, ví dụ như chất tăng cường bám dính, chất độn, chất màu, chất đóng rắn, chất làm mềm vv

Vật liệu cốt (chất tăng cường ) có 3 nhiệm vụ sau:

+ Tạo ra hình dáng và giữ được hình dáng của chi tiết và kết cấu

+ Giữ cho sợi ổn định trong lòng VLC, bảo vệ sợi trước sự tác dụng của bên ngoài môi trường

+ Phân bố đều ứng suất và truyền lực cho chất tăng cường

Mặc dù hầu như toàn bộ độ bền và độ cứng do chất tăng cường quyết định nhưng vật liệu nền cũng có thể gây nên phá hủy VLC nếu ứng suất quá lớn xuất hiện ở các hướng không được tăng cường bằng vật liệu cốt Trong thiết kế các kết cấu và chi tiết nếu dùng VLC ta có một ưu điểm lớn là có thể tự do lựa chọn kết cấu của các lớp, qua đó ta có thể thực hiện được mức độ trực hướng và dị hướng của vật liệu composite theo ý muốn chủ quan, có nghĩa là ta có thể điều khiển theo ý muốn hướng của sợi theo hướng tác dụng của ngoại lực hay đường đi của lực trong kết cấu

Qua đó ta có thể điều khiển được độ cứng và độ bền theo từng vị trí và từng vùng của chi tiết cũng như kết cấu Vì vậy các kết cấu cũng như chi tiết có thể được thiết kế có hình thù, kích thước 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 thường dùng là sợi thủy tinh, cacbon, kevlar nhựa thường 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 người ta phân biệt vật liệu composite ra:

- Composite trực hướng (hình 1.3c)

Hình 1.3: Vật liệu Composite lớp Trong thực tế ta thường gặp VLC lớp dưới dạng tấm hoặc vỏ,chẳng hạn tấm

có thể gồm nhiều lớp đồng phương,nhiều lớp vải,nhiều lớp “Mat” hoặc là tổ hợp của các đồng phương,vải và “Mat‟vật liệu trong mỗi lớp có thể khác nhau,phương 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 ưu 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 lưu ý trong kết cấu bằng VLC: tuy VLC nền nhựa có nhiều ưu điểm nhưng VLC nền nhựa có độ bền nhiệt tương đối thấp rất nhạy cảm với ảnh hưởng của độ ẩm,của môi trường nước và chất lỏng cũng như 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 thường được 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 trưng của vật liệu composite có các giá trị khá tản mạn [6]

1.5.1 Cấu tạo và tính chất lý hóa của nhựa epoxy

- Silicone và một số loại nhựa khác

Trong các loại nhựa thường hay chọn làm vật liệu nền cho vật liệu nền cho vật liệu composite nhựa epoxy được dùng với phạm vi rộng nhất do có nhiều ưu điểm nổi bật so với các loại nền nhựa khác Khi cần sử dụng loại vật liệu composite

có các tính chất cách điện tốt, tính cơ học cao ngay cả ở nhiệt độ trên 1000

C người

ta chọn epoxy làm vật liệu nền

Các tính chất của nhựa epoxy là:

- Hấp thụ và mất nước kém, đảm bảo ổn định kích thước tốt

- Độ bền cơ đảm bảo tốt ở nhiệt độ lên tới 1000C

- Tính chất điện môi tốt: góc tổn hao =2,5.102hằng số điện môi tương đối,r  4, 2, điện trở suất =5.1015.cm,độ bền điện Uc =18 -20kV/mm

- 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 được 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 ưu điểm lớn là ứng suất dư nhỏ, kích thước sản phẩm ít bị thay đổi Thực tế cho thấy VLC nền nhựa epoxy sẽ đạt được độ bền cơ học rất tốt nếu chọn được loại nhựa epoxy có tính chất cơ học và độ bám dính với bề mặt sơn thật tốt

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 như chất tăng cường 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 nhưng ưu điểm đối với vật liệu cách điện chính vì vậy VLC được sử dụng rộng rãi trong ngày kỹ thuật điện [3] Trước 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 như thủy tinh

Ở loại epoxy bình thường với nhiệt độ bình thường 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 được 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 người ta phân biệt trong các loại nhựa epoxy khác nhau thành 2 nhóm

+ Nhóm thứ nhất được sản xuất và sử dụng epohalogenhydrin (gọi chung là epocholohydrin) vì vậy mà nhóm này có nhóm epoxy đứng ở cuối

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

mà các nhóm epoxy của nó có thể đứng giữa

Qua các vị trí khác nhau của nhóm epoxy ( trong công thức phân tử hóa học)

mà cả hai nhóm nhựa epoxy cũng được 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 được dùng phổ biến trên thị trường thế giới là các nhựa

polyglycidylether Các loại nhựa này được sản xuất thông qua việc biến đổi các polyphenol và epichorohydrin Trong môi trường giàu kim loại kiềm sau khi tách HCl Chất polyphenol thường được dùng nhiều nhất là bisphenol A

Chất bisphenol A có thể điều chế qua việc trùng ngưng từ acetone và phenol trong môi trường axit Chất bisphenol A còn được 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 như 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

Phương pháp hình thành nhựa epoxy thuộc nhóm 2 là phương 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 được hình thành Cụ thể qua việc epoxy hóa polyepoxy được hình thành

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 được điều chế,

ví dụ bằng phương pháp ngưng 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 chưa no

Bất cứ cấu trúc cơ bản nào của polyme, các nhựa này được đặc trưng 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 được đóng rắn xong Thông thường việc hình thành kết cấu mạng của nhựa epoxy được 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 xướng quá trình polymer hóa được dùng ở đây là bortrifuoorid Để có thể xuất hiện được 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 được 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

Hình 1.5 Mô hình đóng rắn của nhựa epoxy

Ở các loại nhựa epoxy với số tay với lớn hơn 2s( ví dụ: loại nhựa epoxy được hình thành từ gốc novolac - polyphenol) thì mạng không gian 3D chỉ có thể hình thành được chất đóng rắn 2 tay với Hình 1.5 biểu diễn quá trình diễn ra phản ứng đóng rắn của nhựa epoxy 2 tay với với chất đóng rắn 3 tay với

Mặt khác các chất đóng rắn cho nhựa epoxy (ngoại trừ BF3) không phải là các chất khởi xướng của quá trình polymer hóa Chất đóng rắn cho nhựa epoxy phải phù hợp cho mỗi nhóm epoxy nhưng không được quá nhiều hoặc quá ít, cả hai trường hợp đều không tốt vì đều không tạo ra được sự liên kết mạng không gian tối

ưu Điều này biểu hiện rõ qua vật liệu VLC bị mất đi các tính chất cơ học, lý học và hóa học của nó

1.5.2 Sợi thủy tinh – khả năng liên kết giữa sợi thủy tinh và nhựa epoxy

Chất tăng cường (sợi thủy tinh):

Chất tăng cường thường được sử dụng như là sợi gia cố nhờ có tính chất cơ khí tốt và không bị lão hóa do nhiệt, thủy tinh là chất gia có cơ bản trong công nghiệp sản xuất VLC trên cơ sở nhựa tổng hợp [7]

Hình 1.6 Sợi thủy tinh quan sát dưới kinh hiển vi điện tử

Sợi thủy tinh vô cơ sử dụng trong vật liệu được nghiên cứu là thủy tinh loại

E, cũng có tính chất điện tốt như: cường độ điện trường cánh điện(6†10)kV/mm và

hệ số tổn hao điện môi trường tương đối thấp(3.10-3

÷5.10-3), những hệ số này tăng nhanh khi nhiệt độ tăng do sự chuyển dẫn các ion [7]

a Thành phần cấu tạo

Sợi thủy tinh là khái niệm tổng quát cho tất cả các loại sợi được chế tạo từ vật liệu thủy tinh, được kéo thành sợi khi thủy inh nóng chảy Thành phần hóa học của thủy tinh không cố định nhưng thông thường tỷ lệ giữa các thành phần hóa học

có giá trị như bảng 1.2 [7]

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của một vài loại sợi thủy tinh

Thành phần hóa học Thủy tinh

E [%]

Thủy tinh

C [%]

Thủy tinh A [%]

Thủy tinh A cho thêm

b Khả năng phủ màng của nhựa epoxy

Sự phủ màng và tốc độ phủ màng của nhựa lên bền mặt sợi bị ảnh hưởng bởi việc tiền xử lý sợi và độ nhấp nhô bề mặt của sợi thủy tinh Độ nhám của bề mặt sợi thủy tinh có liên quan tới việc hình thành bọt khí trong lòng vật liệu composite Sự phủ màng của nhựa lên bề mặt sợi quả thực là yếu tố quan trọng đối với sự bền vững của liên kết ở bề mặt tiếp xúc, tuy nhiên không có mối liên hệ trực tiếp vì cả hai yếu tố chịu ảnh hưởng bởi bề mặt sợi thủy tinh rất khác nhau

Khả năng phủ màng của nhựa lên bề mặt sợi phụ thuộc vào diện tích bề mặt

và ứng suất của trung gian Quá trình nhựa epoxy phủ màng lên bề mặt sợi thủy tinh

diễn ra tốt là điều kiện để tạo ra khả năng bám dính tốt, quá đó độ bền của VLC sẽ tốt hơn Giữa các sợi với nhau có thể còn các bọt khí vô cùng nhỏ, các bọt khí này

sẽ ảnh hưởng đến độ bền của VLC Đó cũng là kết quả của khả năng bao phủ màng không triệt để của nhựa lên sợi Nếu năng lượng bề mặt càng lớn, góc phủ màng càng nhỏ dần đến không, khi đó khuynh hướng tạo thành các bọt khí trên bề mặt sợi

ít xảy ra, khả năng phủ màng của nhựa lên sợi tốt hơn

1.5.3 Ảnh hưởng của môi trường làm việc đến VLC nền epoxy cốt sợi thủy tinh

1.5.3.1 Ảnh hưởng của môi trường cơ học và lý học

Lão hóa là sự thay đổi tính chất của vật liệu với nghĩa xấu đi theo thời gian Trong quá trình lão hóa vấn đền cần quan tâm là sự thay đổi của tính chất vật liệu diễn ra từ từ trong thời gian dài dưới ảnh hưởng của thời tiết, nhiệt độ, độ ẩm, các tính chất cơ học của vật liệu chất dẻo hay VLC nên chất dẻo phụ thuộc nhiều vào thời gian chịu tác dụng tải trọng, điện trường, điện áp xoay chiều, thời tiết, môi trường các biểu hiện bên ngoài của hiện tượng lão hóa chính là bản chất vật lý của hiện tượng, nó cũng được biểu lộ qua tác dụng cơ học, nhiệt độ và các ảnh hưởng của thời tiết trong khi đó sự lão hóa bên trong vật liệu lại được biểu hiện thông qua các yếu tố hóa học và cấu trúc

Các yếu tố ảnh hưởng cần phải kể đến:

 Tác dụng của điện trường, điện áp xoay chiều tác động trong suốt quá tình vận

Môi trường hóa học(dấu cách điện, khí SF6, nước)

Do hiện tượng lão hóa các ứng suất ở bề mặt tiếp xúc sợi/nhựa ảnh hưởng có tính chất quyết định đến các tính chất cơ học của VLC Nếu khảo sát vật liệu hiện

tại hai thời điểm trước va sau quá trình lão hóa xảy ra ta thấy do có sự co ngót của vật liệu điện nên làm xuất hiện thêm ứng suất riêng trong lòng VLC

Sự hình thành các vết nứt:

Khi đề cập đến hậu quả của quá trình lão hóa của VLC nền nhựa cốt sợi người

ta phải đề cập đến việc hình thành các vết nứt Xu hướng hình thành vết nứt do lão hóa gây nên càng tăng khi có độ dòn của VLC tăng lên Vết nứt thường xuất hiện bắt đầu từ bề mặt vật liệu sau đó lan dần vào trong Qua nghiên cứu người ta khẳng định các vết nứt được tạo ra do lão hóa luôn phát triển theo mặt ngăn cách sợi/nhựa

vì vậy VLC cốt sợi các vết nứt thường xuất hiện như các đường trên mặt bàn cờ

1.5.3.2 Ảnh hưởng của môi trường hóa học: cách điện, nước, nhiệt độ và độ ẩm

Nhìn chung VLC khi chế tạo được tiến hành ở nhiệt độ cao, do đó khi trở về nhiệt độ bình thường sẽ xuất hiện biến dạng và dẫn đến sự thay đổi kích thước của vật liệu và làm xuất hiện các ứng suất dư trong lòng vật liệu Khác với vật liệu nền kim loại nhưng rất giống với một số vật liệu xốp khác, VLC nền nhựa rất nhạy cảm với chất lỏng, nhiệt độ và hơi ẩm, dễ hút ẩm và chất lỏng cho tới khi bão hòa gây nên sự giãn nở trong lòng vật liệu, làm xuất hiện thêm phần ứng suất và biến dạng Kết quả là ảnh hưởng rất lớn đến độ bền, tuổi thọ và độ biến dạng của các kết cấu làm từ VLC

Với đặc tính dễ bám nước (hidrophil) của bề mặt thủy tinh, qua thí nghiệm nhiều tác giả cho thấy khả năng thẩm thấu rất nhanh của các phân tử nước vào trong lòng VLC theo các đường khe hổng dọc theo sợi thủy tinh Đây là yếu tố khá quan trọng cần phải để ý tới VLC sẽ hư hại càng nhanh nếu vật liệu nền cũng dễ bám nước và có khả năng ngậm khá nhiều nước và dung dịch Các công trình nghiên cứu của một số tác giả về cơ chế tác dụng của nước và các chất lỏng đối với VLC nhưng đều bao gồm một trong hai cơ chế sau:

+ Khi nước hoặc chất lỏng đã xâm nhập vào các lớp của VLC, chúng di chuyển dọc theo bề mặt sợi thủy tinh làm phá vỡ các liên kết giữa bề mặt sợi thủy tinh/ nhựa làm yếu đi lực liên kết (sự bám dính) giữa sợi/nhựa Ngoài ra nước cũng như chất lỏng có thể được xem như chất làm mềm nhựa (biểu hiện thông qua sự thay đổi

modun đàn hồi E) 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 đến hiện tượng phóng điện chọc thủng (breakdown)

+ Khi nước đã xâm nhập vào các lớp của VLC, chúng tác dụng trực tiếp lên nhựa tại bề mặt sợi thủy tinh tại đây các ion kim loại kiềm ở bề mặt sợi thủy tinh có thể tham gia quá trình này Các quá rình diễn ra ở cơ chế đầu tiên chính là bản chất vật

lý của vấn đề Quá trình này là một quá trình thuận nghịch Các tính chất của VLC

có thể trở lại gần như cũ nếu ta sấy khô VLC Ngược lại các hư hại do các phản ứng hóa học của nước gây nên lại là quá trình không thuận nghịch Vì vậy, khi VLC đã

bị ngấm nước lâu, sau khi sấy khô giá trị của độ bền của VLC không hoàn toàn đạt được giá trị ban đầu của chúng Tuy vậy, nếu ta sử dụng chất tăng cường bám dính

kị nước (hidrophol) phù hợp, ta có thể hạn chế hoặc trì hoãn lại các quá trình làm hư hại VLC dưới tác dụng của nước

1.5.4 VLC làm cách điện trong máy biến áp

Mẫu vật liệu nghiên cứu thuộc họ composite epoxy/glass (nền nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh), các mẫu này được lấy tại công ty Cổ phân chế tạo thiết bị điện Đông Anh (với thành phần:60,25% sợi thủy tinh và 39.75% nhựa epoxy)

Đặc tính kỹ thuật của nhựa Epoxy DER331:

- Đương lượng Epoxy (g/eq): 182†192; độ nhớt tai 250C (cps): 11.000÷14.000

- Độ nhớt nóng chảy: 485; tỷ trọng tại 250C (g/ml):1,16

- Trọng lượng ở 250C (lbs/gal): 9,7; giới hạn độ bền kéo(KG/cm2

): 800÷900

- Độ chịu nóng (0C): 120÷140; điện trở suất ρ (Ω.cm): 5.1015

- Góc tổn hao δ = 2,5.10-2 và hằng số điện môi tương đối εr= 4,2

- Độ bền điện Uc (kV/mm) = 18÷22

- Phần trăm epoxide(%): 22,4 † 23,6; Màu (Platium Cobalt):75 max

- Hàm lượng: 700max; Thời gian sử dụng 24 tháng

Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật cơ tính và tỷ trọng của sợi loại E

Loại

Độ cứng (GPa)

Độ bền (GPa)

Độ bền chịu nén

ζnén

(kg/cm2)

Độ bền khi kéo đứt

ζkéo(kg/cm2)

Độ giãn cho đến khi bị đứt (%)

Tỷ trọng (kg/m3)

Chúng được dùng làm cách điện (các thanh chắn và thanh chèn – hình 1.7) trong khi chế tạo MBA và có cấu trúc xếp lớp bao gồm các sợi thủy tinh có chiều dày ≈ 55μm ( đường kính mỗi sợi ≈ 6μm), các lớp này cũng được nhúng trong nhựa epoxy để cho nhựa epoxy phải tiếp xúc hết với bề mặt sợi thủy tinh thì mới có thể truyền lực từ sợi qua nhựa đạt được hiệu quả cao nhất và nhựa tạo thành một lớp liên tục bao quanh sợi, qua đó sợi không những được bảo vệ và hạn chế sử hư hại khi tiếp xúc trực tiếp với các sợi dây khác mà còn tạo ra sự phân bố đều ứng suất dọc sợi Cuối cùng được nung ở nhiệt độ thích hợp với các chất làm rắn tương ứng

Các tấm chắn và thanh chèn trong MBA trong quá trình vận hành rất có thể

bị nước khuyếch tán vào bên trong ở mặt tiếp giáp, và gây nên sự suy giảm về tính chất cách điện của vật liệu và cuối cùng là phóng điện chọc thủng Một khi nước ngấm vào phần cách điện, nó sẽ chịu tác động nhanh chóng của các phản ứng hóa học giữa nhựa epoxy và nước Nếu chúng ta cũng xem xét tới hậu quả kết hợp giữa điện trường và sức nóng do dòng điện chạy trong dây quấn của máy biến áp gây ra, vật liệu nghiên cứu ở đây nhanh chóng bị già hóa trong quá trình vận hành và tính chất điện môi sẽ bị giảm mạnh Đây là tình trạng cần phải được cảnh báo và chuẩn đoán sớm trong quá trình vận hành MBA, bởi hiện tượng phóng điện này gây nên

sự cố và MBA có thể phải ngừng vận hành trong một thời gian, để thay thế cách điện bị hư hỏng

Hình 1.7 Mặt cắt của một hệ thống cách điện MBA giữa cuộn dây cao áp và hạ áp

1.5.5 Các phương pháp kỹ thuật cơ bản chế tạo VLC

Các phương pháp kỹ thuật cơ bản chế tạo vật liệu composite với mục đích là nghiên cứu các quá trình và thiết bị dùng để tăng tính chất của vật liệu composite và

để chế tạo chúng thành những sản phẩm sử dụng theo yêu cầu Trong quá trình chế tạo, trong nguyên liệu có thể xảy ra các phản ứng hóa học,các biến dạng và cuối cùng là sự thay đổi bất thuận nghịch các tính chất vật lý và cơ học của vật liệu Song có một điểm cần lưu ý là các phản ứng xảy ra trong quá trình tổng hợp composite không lặp lại trong suốt quá trình chế tạo chúng

Phương pháp chế tạo có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng sản phẩm,phương pháp chế tạo bị chi phối bởi tính chất của vật liệu composite cũng như yêu cầu về hình dáng,tính chất của sản phẩm cuối cùng Việc lựa chọn phương pháp chế tạo nói chung là rất phức tạp,phải chú ý đến nhiều khía cạnh như: tính chất vật liệu ban đầu,yêu cầu về chất lượng sản phẩm,yêu cầu về lợi ích kinh tế

Dựa trên cơ sơ nguyên lý tạo ra sản phẩm ta có thể đưa ra các loại công nghệ chế tạo vật liệu composite như sau:

+ Công nghệ đúc tiếp xúc (Hand lay-up,Spray-up)

+ Công nghệ đúc chuyển resin (Resin Transfer Moulding –RTM)

+ 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 đúc ép phun phản ứng (Reinforced Reaction Injection RRIM)

Moulding-+ Công nghệ đúc chuyển chân không (Vacuum Assisted RTM)

+ Công nghệ đổ ly tâm(Centrifugal casting)

+ Công nghệ đúc cao áp (Injection moulding)

Trong các phương pháp kể trên đối với môi trường Việt Nam cho đến cấp điện

áp 500kV theo quan điểm cuả tôi nên sử dụng công nghệ đúc cao áp-injection moulding cho khâu chính trong sản xuất cách điện composite

Với công nghệ đúc cao áp,cách điện sẽ đảm bảo được chất lượng đồng đều trên toàn bộ cái cách điện,đảm bảo an toàn vận hành cho các phần tử của cách điện giữa nhựa và cốt(chất tăng cường).Đây cũng là phương pháp hiện được sử dụng rộng rãi tại các cơ sở sản xuất cách điện composite trên thế giới

1.6 KẾT LUẬN

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 VLC, 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 thức 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

50 Hz, môi trường nhiệt đới (nhiệt độ và độ ẩm cao)

Việc nghiên cứu xác định sự khuếch tán của nước vào VLC khi bị tác động bởi các yếu tố nhiệt độ - độ ẩm cao và hậu quả của nó lên tính chất điện môi của VLC nói chung và đặc biệt đến VLC 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 vật liệu mới này Trong chương sau đề tài tập trung nghiên cứu quá trình khuếch tán của nước vào VLC và những yếu tố ảnh hưởng đến sự khuếch tán của nước vào

trong vật liệu như: nhiệt độ, độ ẩm, độ dày vật liệu

Chương 2:

QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH SỰ KHUẾCH TÁN CỦA

NƯỚC TRONG VẬT LIỆU COMPOSITE

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Nội dung chương này sẽ nghiên cứu sự lão hoá trên vật liệu composite dưới tác động của nhiệt độ - độ ẩm (do nước), hậu quả do nước ngấm vào trong các tấm chắn và thanh chèn cách điện dùng trong máy biến áp.Trong quá trình vận hành máy biến áp mặc dù các tấm chắn và thanh chèn này được ngâm trong dầu cách điện nhưng dưới tác động của các yếu tố điện, cơ, hóa học và sự thẩm thấu từ bên ngoài trong dầu luôn tồn tại một hàm lượng nước rất nhỏ.Theo thời gian các tấm chắn và thanh chèn này sẽ bị một lượng nước khuếch tán vào trong làm cho đặc tính điện môi của nó bị suy giảm mạnh Cụ thể nước được tìm thấy ở đây là:

+ Trong quá trình vận hành, hơi ẩm có thể xâm nhập vào máy biến áp thông qua: hộp hút ẩm xilicagen, gioăng cao su ở mặt bích bị lão hóa, các vết hàn kín, trong quá trình lắp đặt, sửa chữa thay thế sứ đầu vào, thay thế bộ điều áp dưới tải, lọc dầu

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới tuổi thọ của MBA,trong đó tác động của ôxy trong không khí và độ ẩm môi trường đóng vai trò quan trọng Nhiệt độ vận hành cao làm tăng nhanh quá trình ôxy hóa.Kết quả là sinh ra các khí hòa tan trong dầu, chất kết tủa và các sản phẩm axit làm tăng tổn hao điện môi tanδ.Hàm lượng nước trong giấy cách điện và trong dầu khi MBA xuất xưởng là 0,5 % và 10 ppm (phần triệu) thì khi vận hành có thể lên đến 1 % và 50 ppm

+ Ngoài ra, ôxy trong khí quyển và trong hàm lượng nước chứa trong dầu là nguồn gốc của sự ôxy hóa dầu.Tốc độ ôxy hóa phụ thuộc vào nhiệt độ, nếu nhiệt độ tăng

100oC thì tốc độ ôxy hóa tăng gấp đôi.Kết quả là sinh ra các khí hòa tan trong dầu và hình thành axit và các chất lắng đọng trong dầu.Dầu cách điện hay gọi là dầu máy biến áp có một ái lực nhỏ với nước.Tuy nhiên, sự hòa tan thường tăng lên rõ rệt theo nhiệt độ đối với dầu máy biến áp

Nước có thể tồn tại trong dầu máy biến áp dưới ba dạng.Trong các trường hợp thực tế, hầu hết nước chỉ được tìm thấy ở dạng hòa tan.Tuy nhiên, điều này lại trái ngược hẳn với các khảo sát về lượng ẩm bằng các công nghệ đo khác nhau trước đây cho rằng nước cùng tồn tại với các phân tử dầu, đặc biệt là trong dầu hỏng Khi độ ẩm trong dầu vượt quá giá trị bão hòa, các phần tử nước tự do trong dầu sẽ ngưng lại thành giọt hoặc vẩn đục

Lượng nước ở trong giấy có thể tìm thấy ở 4 trạng thái: nó có thể bám vào bề mặt, ở thể hơi, dạng nước tự do trong ống mao dẫn, và ở dạng hấp thụ nước tự do Giấy có thể bao gồm nhiều độ ẩm hơn dầu Ví dụ máy biến áp 150MVA, 400kV với khoảng 7 tấn giấy có thể chứa 223kg nước Lượng dầu trong máy biến áp kiểu này khoảng 80.000 lít.Giả sử độ ẩm tập trung trong dầu là 20ppm, tổng khối lượng độ

ẩm chỉ vào khoảng 2 kg, ít hơn rất nhiều so với giấy.Giá trị độ ẩm tập trung của giấy được biểu thị bằng giá trị phần trăm (%), được tính bằng cách lấy khối lượng

độ ẩm chia cho khối lượng tấm ép tẩm dầu khô

Ngoài ra, sự xuống cấp của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ, độ thủy phân của ôxy, điều kiện cơ và điện trong MBA Nhiệt độ cách điện trong MBA đặc biệt phụ thuộc và biểu đồ phụ tải và điều kiện môi trường vận hành Nhiệt độ của điện môi giấy-dầu-tấm chắn, thanh chèn là tham số già hóa chính cho những thay đổi tính chất điện, hóa, cơ của vật liệu Lượng ôxy hòa tan trong dầu là nhân tố chính tham gia vào tốc độ xuống cấp của cách điện rắn và dầu, đặc biệt khi có mặt độ ẩm và nhiệt độ vận hành cao

Theo tiêu chuẩn IEC60422 thì khi hàm lượng nước giấy cách điện xenlulô vượt quá tiêu chuẩn cho phép sẽ gây ra: giảm độ bền điện, tăng khả năng lão hóa giấy cách điện và sinh khí ở nhiệt độ cao