Nghiên cứu khả năng phục hồi cách điện bề mặt của silicon sử dụng trong cách điện cao áp chế tạo bằng vật liệu compozit phủ silicon sau khi chịu tác động phá huỷ bề mặt (phóng điện, plazma...)

Bé C«ng th−¬ng

tËp ®oµn ®iÖn lùc ViÖt Nam

ViÖn n¨ng l−îng

Báo cáo tổng kết Đề tài cấp bộ

M· sè: I-146

7182

17/3/2009

Hµ néi - 10/2008

Chñ nhiÖm ®Ò tµi: NguyÔn Thanh Hải

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG PHỤC HỒI CÁCH

ĐIỆN BỀ MẶT CỦA SILICON SỬ DỤNG

TRONG CÁCH ĐIỆN CAO ÁP CHẾ TẠO

BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE PHỦ

SILICONE SAU KHI CHỊU TÁC ĐỘNG PHÁ

HUỶ BỀ MẶT (PHÓNG ĐIỆN/PLASMA)

1

2

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE 6

1.1. Giới thiệu chung 8

1.2. Vỏ polymer và lớp phủ cao su silicone của cách điện composite 31

1.3. Các phương pháp kiểm tra cách điện composit 35

1.4. Kết quả kiểm tra cách điện composit 38

1.5. Xếp hạng vật liệu đối với cách điện ngoài trời 42

1.6. Hiệu ứng phân cực điện áp khi vận hành 45

1.7. Các đặc tính nhiễm bẩn lên cách điện polime 46

CHƯƠNG II : ĐẶC TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO

SU SILICONE

48

2. 1. Những đặc tính của cao su silicone- polydimethylsiloxane 49

2. 2. Cách điện cao áp ngoài trời với thành phần cao su silicone 51

CHƯƠNG III: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG PHỤC HỒI ĐẶC

TÍNH KHÔNG DÍNH NƯỚC CỦA CAO SU SILICONE SAU

KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA VẦNG QUANG/PLASMA

56

3.1. Vật liệu

3.2. Các điều kiện thử nghiệm trong quá trình chịu tác động của các

phóng điện

56

3.3. Các phương tiện, thiết bị sử dụng để đo đạc xác định các đặc tính

của vật thử nghiệm

58

3

3.4. Các kết quả thực nghiệm 59

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÁCH

ĐIỆN COMPOSITE TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM

70

4.1. So sánh cách điện gốm truyền thống với cách điện composite

(polymer)

70

4.2. Ứng dụng cách điện composite tại hệ thống điện Việt Nam 71

4.3. Một số sản phẩm cách điện composite được chào bán trên thị

trường Việt Nam

72

KẾT LUẬN 78

PHỤ LỤC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

81

115

4

Những chữ viết tắt

HTĐ: Hệ thống điện

VLC: Vật liệu composite

Cao su silicone: SIR

Polydimethylsiloxane: PDMS

HTĐ: Hệ thống điện

DDK: Đường dây tải điện trên không

SIR –HTV : Cao su silicone lưu hóa ở nhiệt độ cao

5

MỞ ĐẦU

Cách điện bằng sứ và thủy tinh là những cách điện được sử dụng phổ biến từ

trước đến nay trong Hệ thống điện của Việt Nam. Trên thực tế, khi sử dụng

loại cách điện này thường hay gặp phải một số vấn đề như: trọng lượng quá

nặng, thường xuyên phải bảo dưỡng, tuổi thọ rất thấp khi hoạt động trong

môi trường ô nhiễm. Bên cạnh những ưu điểm như độ bền cơ lý cao, dễ dàng

thay đổi chiều dài chuỗi đối với cách điện đường dây, không bị lão hóa dưới

tác động của thời tiết thì cách điện ngoài trời bằng sứ và thủy tinh dễ bị

phóng điện dẫn đến phá hủy trong các môi trường khắc nghiệt và có độ

nhiễm bẩn cao. Mặc dù đã có nhiều biện pháp cải tiến như tăng thêm chiều

dài chuỗi sứ, vệ sinh sứ định kỳ hay sử dụng sứ có đường rò dài hơn nhưng

quá trình phóng điện bề mặt gây ra hư hỏng vẫn xảy ra thường xuyên.

Giải pháp tối ưu mới được áp dụng trong vài năm gần đây và tỏ ra có hiệu

quả là sử dụng cách điện bằng vật liệu composit đã và đang được sử dụng

ngày càng nhiều trong các thiết bị điện cao áp và siêu cao áp ngoài trời trên

toàn thế giới. Sự phát triển mạnh mẽ của cách điện composit là do những ưu

điểm vượt trội của chúng so với cách điện thuỷ tinh và cách điện sứ thông

thường.

Chuỗi cách điện composit với lớp phủ bằng cao su silicon là minh chứng rõ

ràng cho điều đó. Chuỗi cách điện có các đặc tính như:

• Chống được ăn mòn

• Có khả năng tự làm sạch bề mặt trong điều kiện không có mưa.

(Thông qua cơ chế: Bụi bám trên bề mặt sẽ bị gom lại thành từng giọt

như hình trên và khi nước bốc hơi sẽ mạng bụi bám đi theo)

6

• Không thấm nước

• Chống được sự phá huỷ của tia cực tím.

• Các tính chất lý hoá không bị thay đổi dưới tác động của nhiệt độ từ

140o

C đến 320o

C.

• Hoạt động được trong môi trường ô nhiễm nặng như trong môi trường

sương muối, axit, bụi bẩn công nghiệp...

Cao su silicone là thành phần quan trọng nhất của cách điện composite vì

chúng có nhiệm vụ chống lại các hiện tượng phóng điện bề mặt, các tác

động của thời tiết. Tuổi thọ của cách điện phụ thuộc phần lớn vào chất lượng

lớp phủ này. Trong các loại vật liệu phủ này thì lớp phủ cao su silicone

được cho là có ưu điểm nhất.

Đây là ưu điểm vượt trội của cao su silicone so với các chất cách điện khác

và cũng chính là nội dung của đề tài này: Nghiên cứu khả năng phục hồi

cách điện bề mặt của silicon sử dụng trong cách điện cao áp chế tạo

bằng vật liệu composite phủ silicon sau khi chịu các tác động phá huỷ bề

mặt (phóng điện, plasma)

Với những đặc trưng như trên, cao su silicon nguyên chất đã được ứng dụng

vào vật liệu cách điện cho đường dây trên không một cách rất hiệu quả. Tuy

nhiên, việc sử dụng vật liệu cách điện 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.

Do đó các nghiên cứu về tuổi thọ, quá trình già hoá và khả năng phục hồi

của vật liệu cách điện composite còn rất hạn chế hoặc chưa chưa được đề

cập một cách chi tiết và cụ thể. Nghiên cứu này sẽ đề cập đến các vấn đề về

7

cách điện composite phủ silicone, phân tích các tính chất đặc thù của

silicone như đặc tính không dính nước của silicone và đặc biệt là khả năng

phục hồi tính chất này (chính là khả năng cách điện) trên bề mặt sau khi chịu

các tác động phá hủy như phóng điện bề mặt (vầng quang hay cầu khô),

plasma. Ứng dụng để cải thiện vật liệu cách điện composite trong quá trình

sản xuất.

Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần sau:

o Tổng quan về cách điện composite

o Phân tích thành phần, tính chất và đặc tính của cách điện composite phủ

silicone.

o Nghiên cứu bản chất tính không dính nước của silicone, năng lượng mặt

ngoài và dòng rò trên bề mặt silicone vai trò của tính chất này trong khả

năng cách điện của silicone và đặc điểm của chất này trong quá trình sử

dụng.

o Nghiên cứu khả năng phục hồi các tính chất này sau khi lớp phủ chịu

những tác động phá hủy như phóng điện bề mặt, plasma.

o Nghiên cứu khả năng ứng dụng trong điều kiện Việt nam, đánh giá tuổi

thọ và tình trạng làm việc trong điều kiện này

8

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE

Cách điện cao áp bằng composit đã được thừa nhận và lắp đặt ở ngoài trời

tại những nơi nguy hiểm ngày càng tăng trên khắp thế giới. Hiện tại chúng

chiếm tới 60 đến 70% trên tổng số cách điện được lắp đặt mới tại Bắc Mỹ.

Sự tăng trưởng khác thường của việc sử dụng nhiều cách điện composit là

do những ưu điểm vượt trội của chúng so với cách điện thuỷ tinh và cách

điện sứ thông thường. Các ưu điểm này bao gồm : khối lượng nhẹ, độ bền cơ

trên tỉ lệ trọng lượng cao hơn, chống lại các hành động phá hoại, có khả

năng tốt hơn trong các môi trường ô nhiễm nặng và trong điều kiện ẩm ướt,

đồng thời chúng có thể chịu được điện áp tương đương hoặc tốt hơn so với

cách điện sứ và thuỷ tinh. Tuy nhiên, do cách điện composit là vật liệu mới,

nên chưa thể đánh giá đánh giá được về tuổi thọ cũng như độ tin cậy trong

thời gian dài, và do đó chưa được người sử dụng quan tâm nhiều. Cộng với

việc chúng có thể chịu đựng được sự xói mòn và không tạo ra các đường dẫn

trong điều kiện nhiễm bẩn lớn và độ ẩm cao. Những điều này dẫn đến việc

phát triển việc phóng điện cầu khô và dưới một tình huống nào đó có thể gây

ra các sự cố đối với cách điện polyme. Trong tài liệu này giới thiệu những

kinh nghiệm thực tế gần đây khi sử dụng cách điện cao áp composit ở ngoài

trời, các phương pháp kiểm tra, sự già hoá, sự xếp hạng vật liệu, vai trò của

các chất độn tăng cường, vai trò của các thành phần khối lượng phân tử thấp

hiện có trong cách điện. Các cơ chế tạo ra việc mất đi và hồi phục lại tính sợ

nước, một trong những đặc tính quan trọng nhất của polime, các cơ chế phá

hỏng, việc xác định các lỗi, các dạng và số lượng nhiễm bẩn tự nhiên, các

hiệu ứng dưới mưa, ảnh hưởng của Hidrocacbon, của không khí và gió, các

phương pháp khác nhau để tối ưu hoá khả năng cách điện và đưa ra một

9

phương pháp mới để đánh giá tình khả năng của cách điện polime trong điện

trường.

Trong các phần tiếp theo của chương, cấu trúc, những đặc điểm cách điện

cùng với khả năng chịu tác động môi trường vận hành của các thành phần

cấu tạo nên cách điện composite như lõi cách điện bằng tổ hợp sợi thủy tinh

epoxy; vỏ cách điện bằng polymer với lớp phủ cao su silicone.

1.1. Giới thiệu chung

Cách điện composite đã được sử dụng ngày càng nhiều trong cả dải điện áp

truyền tải và phân phối đồng thời chiếm được một thị phần rộng hơn. Sự

thúc đẩy chủ yếu mức tăng trưởng thực sự như vậy vì tại những vị trí được

cảnh báo thường gặp thì những ưu điểm lớn của chúng so với các cách điện

vô cơ (chủ yếu là cách điện sứ và thuỷ tinh) được phát huy. Một trong những

ưu điểm chính của cách điện composite đó là năng lượng bề mặt của chúng

thấp cùng với việc duy trì được đặc tính chống đọng nước bề mặt trong các

điều kiện thời tiết ẩm như sương mù, sương muối và mưa.

Các ưu điểm khác bao gồm : do trọng lượng nhẹ nên kinh tế hơn khi thiết kế

cột hoặc có thể lựa chọn việc nâng cấp điện áp của hệ thống hiện có mà

không cần thay đổi kích thước cột. Một ví dụ về điều này là trường hợp của

nước Đức đã tăng điện áp từ 245 đến 420kV và ở Canada, nơi 2 đường dây

115kV dài 50km đã được nâng lên 230 kV bằng cách sử dụng cách điện

composite dạng chữ V nằm ngang trên các cột cũ. Trọng lượng nhẹ của các

chuỗi cách điện composit cũng cho phép tăng khoảng cách giữa dây dẫn và

đất cũng như khoảng cách pha-pha từ đó làm giảm cường độ điện trường và

từ trường, giảm ảnh hưởng của chúng đến môi trường công cộng. Trọng

lượng nhẹ của cách điện composit cũng giúp tránh được việc phải sử dụng

10

các trục nặng khi giữ và lắp đặt cách điện, điều này giúp tiết kiệm chi phí, do

tỉ lệ độ bền cơ trên trọng lượng cao hơn nên có thể xây dựng các cột với

khoảng cách dài hơn, cách điện đầu cột cũng ít xảy ra việc phá hỏng nghiêm

trọng do các hành động phá hoại như là bắn đạn súng săn, đây cũng là

nguyên nhân gây ra việc cách điện sứ bị vỡ và rơi xuống đất, có khả năng tốt

hơn nhiều so với cách điện sứ khi lắp đặt ngoài trời trong các điều kiện bị ô

nhiễm nặng nề cũng như trong các cuộc kiểm tra ngắn hạn kết hợp với

phương pháp quan sát hình dáng của cách điện, có thể chịu đựng điện áp

tương đương hoặc cao hơn so với cách điện sứ và thuỷ tinh. Việc lắp đặt dễ

dàng nên có thể tiết kiệm được chi phí nhân công đồng thời khi sử dụng cách

điện composit làm giảm chi phí bảo trì và chi phí vệ sinh cách điện, mà đối

với cách điện sứ và thuỷ tinh thì việc vệ sinh này đòi hỏi phải được thực

hiện thường xuyên trong các môi trường nhiễm bẩn nặng.

Những nhược điểm chính của cách điện composit như sau : chúng là đối

tượng để diễn ra những thay đổi hoá học trên bề mặt do thời tiết hoặc do

phóng điện cầu khô, khi bị ăn mòn và tạo thành các đường dẫn, đó chính là

những nguyên nhân chính dẫn đến việc phá hỏng cách điện, tuổi thọ trung

bình của cách điện cũng rất khó đánh giá, chưa biết được độ tin cậy lâu dài

đồng thời rất khó xác định được lỗi của cách điện.

Cách điện composite gồm có 3 thành phần và thiết kế của từng thành phần

phải tối ưu hoá để thoả mãn khả năng chịu tác động cơ và điện trong suốt

thời gian vận hành của cách điện, tức là trong khoảng từ 30 đến 40 năm. Các

thành phần bao gồm: