Luận văn 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 điệnplazma

Chuyên khảo kỹ thuật phân tích Luận văn nghiên cứu khả năng phục hồi cách điện bề mặt của silicon sử dụng trong cách điện cao áp, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng

• Tác giả: Nguyễn Thanh Hải
• Trường học: Viện Năng lượng - Tập đoàn Điện lực Việt Nam
• Chuyên ngành: Vật liệu composite, Cách điện cao áp
• Đề tài: 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 tác động phá hủy bề mặt (phóng điện/plasma)
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ
• Năm xuất bản: 2008
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về cách điện composite

Cách điện composite đã được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện cao áp và siêu cao áp ngoài trời. Vật liệu này có nhiều ưu điểm vượt trội so với cách điện truyền thống như sứ và thủy tinh. Khả năng phục hồi cách điện và đặc tính không dính nước của bề mặt silicon trong vật liệu compozit phủ silicon là những yếu tố quan trọng được nghiên cứu. Cách điện composite có khối lượng nhẹ, độ bền cơ học cao, và khả năng chống lại các tác động môi trường như ô nhiễm và ẩm ướt. Tuy nhiên, tuổi thọ và độ tin cậy lâu dài của vật liệu này vẫn cần được đánh giá kỹ lưỡng.

1.1. Cấu trúc và thành phần của cách điện composite

Cách điện composite bao gồm ba thành phần chính: lõi cách điện làm từ sợi thủy tinh gia cường polymer, vỏ cách điện bằng polymer, và lớp phủ chống thời tiết bằng cao su silicone. Lớp phủ này đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ bề mặt khỏi các tác động của phóng điện plasma và môi trường khắc nghiệt. Khả năng phục hồi của lớp phủ sau khi chịu tác động của phóng điện bề mặt là một trong những yếu tố chính được nghiên cứu.

1.2. Ưu điểm và nhược điểm của cách điện composite

Cách điện composite có nhiều ưu điểm như khối lượng nhẹ, độ bền cơ học cao, và khả năng chống lại các tác động môi trường. Tuy nhiên, vật liệu này cũng có một số nhược điểm như dễ bị ăn mòn bề mặt và khó đánh giá tuổi thọ lâu dài. Khả năng phục hồi cách điện của bề mặt silicon sau khi chịu tác động của phóng điện plasma là một trong những vấn đề cần được nghiên cứu sâu hơn.

II. Đặc tính của cao su silicone trong cách điện composite

Cao su silicone là thành phần quan trọng trong vật liệu compozit phủ silicon, đóng vai trò chính trong việc bảo vệ bề mặt khỏi các tác động của phóng điện plasma và môi trường khắc nghiệt. Đặc tính không dính nước của cao su silicone giúp duy trì khả năng cách điện trong điều kiện ẩm ướt. Nghiên cứu này tập trung vào khả năng phục hồi của bề mặt silicon sau khi chịu tác động của phóng điện bề mặt và plasma.

2.1. Đặc tính không dính nước của cao su silicone

Cao su silicone có đặc tính không dính nước, giúp duy trì khả năng cách điện trong điều kiện ẩm ướt. Đặc tính này được duy trì nhờ cơ chế tự làm sạch bề mặt, giúp loại bỏ bụi bẩn và các chất ô nhiễm. Khả năng phục hồi của bề mặt silicon sau khi chịu tác động của phóng điện plasma là một trong những yếu tố chính được nghiên cứu.

2.2. Ảnh hưởng của phóng điện plasma lên bề mặt silicon

Phóng điện plasma có thể gây ra sự phá hủy bề mặt của vật liệu compozit phủ silicon, làm giảm khả năng cách điện. Nghiên cứu này tập trung vào khả năng phục hồi của bề mặt silicon sau khi chịu tác động của phóng điện plasma. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá mức độ phục hồi của bề mặt silicon và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này.

III. Nghiên cứu khả năng phục hồi cách điện bề mặt silicon

Nghiên cứu này tập trung vào khả năng phục hồi của bề mặt silicon trong vật liệu compozit phủ silicon sau khi chịu tác động của phóng điện plasma. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá mức độ phục hồi của bề mặt silicon và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này. Kết quả nghiên cứu cho thấy bề mặt silicon có khả năng phục hồi đáng kể sau khi chịu tác động của phóng điện plasma, giúp duy trì khả năng cách điện trong điều kiện khắc nghiệt.

3.1. Phương pháp thí nghiệm và thiết bị sử dụng

Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá khả năng phục hồi của bề mặt silicon sau khi chịu tác động của phóng điện plasma. Các thiết bị sử dụng bao gồm máy đo điện áp, máy phát plasma, và các thiết bị phân tích bề mặt. Các điều kiện thí nghiệm được thiết lập để mô phỏng các tác động môi trường thực tế.

3.2. Kết quả thí nghiệm và đánh giá

Kết quả thí nghiệm cho thấy bề mặt silicon có khả năng phục hồi đáng kể sau khi chịu tác động của phóng điện plasma. Khả năng phục hồi của bề mặt silicon phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và thời gian phục hồi. Kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện vật liệu cách điện sử dụng trong các hệ thống điện cao áp.

IV. Ứng dụng cách điện composite trong điều kiện Việt Nam

Cách điện composite đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện cao áp tại Việt Nam. Nghiên cứu này đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu compozit phủ silicon trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy cách điện composite có khả năng chống lại các tác động môi trường và duy trì khả năng cách điện trong điều kiện khắc nghiệt.

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

Cách điện composite có nhiều ưu điểm vượt trội so với cách điện truyền thống như sứ và thủy tinh. Vật liệu này có khối lượng nhẹ, độ bền cơ học cao, và khả năng chống lại các tác động môi trường. Khả năng phục hồi của bề mặt silicon sau khi chịu tác động của phóng điện plasma là một trong những yếu tố quan trọng được nghiên cứu.

4.2. Ứng dụng cách điện composite tại Việt Nam

Cách điện composite đã được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống điện cao áp tại Việt Nam. Nghiên cứu này đánh giá khả năng ứng dụng của vật liệu compozit phủ silicon trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cho thấy cách điện composite có khả năng chống lại các tác động môi trường và duy trì khả năng cách điện trong điều kiện khắc nghiệt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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. Sử dụng vật liệu composite trong tương lai Nhờ những ưu việt nổi bật mà vật liệu composite không ngừng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành công nghiệp nói chung và kỹ thuật điện nói riêng. Số lượng vật liệu composite được sử dụng hàng năm ở tất cả các nước trên thế giới tăng nhanh ví dụ : riêng ở thị trường Châu Âu sau 7 năm (1981-1988), lượng vật liệu composite được sử dụng đã tăng lên trên 500.

16 1200 16 14 1000 12 Sù t¨ng lªn so víi n¨m truíc [%] 10 800 8 6 1000 tÊn 600 4 2 400 0 -2 200 -4 -6 0 -8 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 Hình 1.5 : Số lượng vật liệu composite được sử dụng hàng năm và tốc độ tiêu thụ vật liệu composite của năm sau so với năm trước trên thị trường châu Âu. Đối với các kết cấu mà trọng lượng được chọn làm chỉ tiêu thiết kế đầu tiên thì rõ ràng vật liệu composite nền nhựa được tăng cường bằng các sợi (sợi thủy tinh, sợi Aramid và sợi các bon) đã được khẳng định chắc chắn chỗ đứng của mình. Và được phân bố theo tỷ lệ vật liệu nền và vật liệu sợi như ta thấy ở hình 1. 17 Sîi thñy tinh S Sîi thñy tinh S Sîi Aramid Sîi Aramid Aramid - Aramid - fasern S-Glass - fasern fasern S-Glass - 1000t 2500t 2000t fasern 750t Mét sè lo¹i kh¸c Kohlenstoffasern Kohlenstoffasern Mét sè 1500t 4000t lo¹i kh¸c Sîi Cacbon Sîi Cacbon 1985 Mét sè lo¹i kh¸c 1992 Nhùa Polyimide Nhùa Polyimide Nhùa nhiÖt dÎo Poly andere imide andere 200t Poly imide Thermo 750t plasle Thermo 1500t plasle 300t Epoxide Epoxide 1500t 3500t Nhùa Epoxide 1985 1992 Hình 1.6 : Sự phát triển của thị trường tiêu thụ vật liệu nền và vật liệu sợi ở Mỹ.

Tình hình nghiên cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy ở Việt Nam và thế giới 1 2 3 Hình 1.7: Một ví dụ về ảnh hưởng của nước lên mặt tiếp giáp của VLC: (1) mặt tiếp giáp bị ẩm, (2) hình thành vết phồng giữa mặt tiếp giáp, (3) các liên kết bị đứt. Do điều kiện vận hành của các thiết bị điện cao áp mà các nghiên cứu này thường xét đến sự ảnh hưởng của điện trường và nhiệt độ lên cách điện. Các tác nhân già hoá thường được mô phỏng để nghiên cứu là già hoá bởi điện trường bằng cách tác dụng lên vật liệu một số lần điện áp xung với giá trị cực đại khoảng vài chục kV/mm, và tác dụng nhiệt độ … Đối với ảnh hưởng của độ ẩm thì các nghiên cứu chưa được đề cập đến nhiều do đặc thù khí hậu của các nước này là khô và độ ẩm thấp. Nội dung chủ yếu của các nghiên cứu này là xét đến sự ảnh hưởng và tác động của 19 nước lên mặt tiếp giáp (hình 1.7), làm suy giảm đặc tính cơ, lý, hoá của vật liệu composite trong điều kiện vận hành như làm mát bằng nước, do nước mưa, hoặc gia tốc.

Như vậy, có thể nhận thấy rằng hạn chế của các nghiên cứu này đến ngày nay là chỉ xét đến ảnh hưởng của điện trường và nhiệt độ hoặc chỉ là sự xâm nhập của nước vào trong vật liệu trong điều kiện đơn giản mà không có sự kết hợp của cả ba tác nhân (nhiệt độ + độ ẩm cao dưới tác động của điện trường). Đây là vấn đề khoa học mà hiện tại cần thiết phải tiến hành nghiên cứu. Ở nước ta hiện nay, vật liệu composite đã được sử dụng trong một số lĩnh vực công nghiệp tuy số lượng chưa nhiều nhưng tốc độ ngày một tăng rất nhanh. Cách điện ngòai trời bao gồm cách điện treo trên đường dây tải điện, cách điện đỡ ngòai trạm biến áp với thành phần composite đã được đưa vào vận hành trong hệ thống điện Việt Nam ngày càng nhiều.

Nhiều cơ sở nghiên cứu trong nước đã tập trung đầu tư, nghiên cứu và triển khai ứng dụng vật liệu mới phục vụ công nghiệp quốc phòng, công nghiệp dân sinh và đã đạt được một số thành tựu như: cách điện trong của máy biến áp (công ty cổ phần chế tạo thiết bị điện Đông Anh), các công sự và lô cốt ngầm, vòm chứa máy bay, bể chứa, ống dẫn nước thải bằng Vật liệu composite nền nhựa (trường ĐH Bách Khoa Hà Nội); Xuồng máy, dụng cụ gia đình (Viện Khoa học Việt Nam); nhà lắp ghép, tàu xuồng (Viện nghiên cứu vật liệu mới – TP.HCM) và một số sản phẩm khác của một số cơ sở nghiên cứu và sản xuất khác trong nước. Tuy vậy, số lượng các công trình nghiên cứu cả về lí thuyết lẫn thực nghiệm về lĩnh vực này ở trong nước chưa được nhiều đặc biệt là các nghiên cứu về ảnh hưởng của môi trường nhiệt đới (nhiệt độ và độ ẩm cao). 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.

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 trung 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 II. 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.8 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 21 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 100C theo như gợi ý của nhà sản xuất. Từng mẫu thí nghiệm sẽ được thực hiện quá trình phóng điện chọc thủng theo mô hình hình 1.8 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 1. 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 1,22.9 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 100C 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 22 được trình bày trong hình 1.10 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 khôn 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.10 Các kết quả thí nghiệm đối với mẫu composite epoxy 10% ATH trình bày cùng epoxy tinh khiết trong hình 1.10 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 100C 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 100C so thời gian phóng điện lâu hơn các mẫu lưu hoá ở nhiệt độ thường khoảng 1,65 lần. 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 1. Tất cả các mẫu thí nghiệm trong hình đều là các mẫu được lưu hoá ở nhiệt 23 độ thường và được test sau khi chế tạo khoảng 3 tháng.

Giá trị đưa ra trong hình là giá trị trung bình của 8 mẫu cho mỗi một hàm lượng chất gia cường.11cho thấy rõ ràng rằng thời gian phóng điện của cách điện composite epoxy tỷ lệ thuận với hàm lượng chất gia cường trong vật liệu. Đây là cơ sở cho việc xây dựng mô hình cho cây điện cho vật liệu cách điện composite Hình 1.