Báo cáo 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)

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 140oC đến 320oC. • 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: 11 a) Lõi cách điện là các thanh polymer gia cường làm bằng sợi thuỷ tinh (FRP : fiberglass reinforce polymer). Đây là một sự gia cường với polieste, vinyl este hoặc nhựa epoxy để cung cấp thêm độ bền cơ. Nhựa epoxy FRP là vật liệu được sử dụng rộng rãi nhất để làm các thanh gia cường này. Các đầu cực kim loại thì được làm bằng dạng thép tôi, sắt đúc mềm, sắt mềm hoặc nhôm và chúng được lựa chọn để làm tăng thêm độ bền cơ đồng thời chống lại sự ăn mòn. Hình dạng của chúng cũng rất quan trọng vì để hạn chế khả năng tạo ra phóng điện corona và đây chính là nguyên nhân làm vật liệu polime trở nên giòn và có thể bị vỡ, dẫn đến việc phá hỏng cách điện do độ ẩm thấm vào bên trong thanh gia cường bằng sợi thuỷ tinh. Trong nhiều thiết kế hiện nay, đầu cực kim loại kết hợp với một chất bịt kín bằng silicon và đều được ép vào thanh gia cường. Trong một thiết kế gồm 2 vòng đai hình 0 để đảm bảo khả năng bịt kín chống lại việc độ ẩm có thể thấm vào thanh FRP mà kết quả của việc này là xảy ra việc nứt vỡ và ăn mòn cách điện. b) Vỏ cách điện được làm bằng vật liệu polymer là thành phần cách điện chính tạo chiều dài cách điện thích hợp với độ dài dòng rò tương ứng với từng cấp điện áp và chủng loại cách điện. Vỏ được ép chặt vào lõi để đảm bảo độ bền cơ học. c) Lớp phủ chống lại tác động của thời tiết có một yêu cầu về độ lớn khe hở và hiện nay được cung cấp thêm với các loại vật liệu khác nhau, hình dạng, đường kính, độ dày và khoảng cách khác nhau. Vật liệu tạo ra lớp phủ chống lại tác động của thời tiết của cách điện cao áp có thể bao gồm : dimetylpolysiloxane EPDM, EPR, EPM, hợp chất của EPDM và silicon, etylen vinyl acetate (EVA), cycloaliphatic và nhựa epoxy aromatic. Đối với các cách điện điện áp thấp đặt ngoài trời hoặc cách điện trong nhà thì dùng 12 thêm polietilen mật độ cao (HDPE), polytetrafluor-etilen (PTFE), polyurethene (PUR), polyolefin elastomer và các vật liệu khác. Đối với nghiên cứu này, chủ yếu tập trung nghiên cứu về lớp phủ cao su silicone dimetylpolysiloxane EPDM hiện tại đang được dùng phổ biến nhất trên thế giới. Hình 1.1. Sơ đồ cầu trúc cách điện composite 1.1.1. Tổng quan về lõi composite của cách điện 1.1.1.1. Thành phần Composite là một loại vật liệu nhân tạo. Nó được hình thành và ứng dụng đã lâu nhưng trong những thập niên gần đây mới được phát triển mạnh. Vật liệu Composite so với các loại vật liệu truyền thống nó có nhiều ưu điểm nổi bật như : chất điện môi tốt (góc tổn hao nhỏ, điện trở suất lớn), tính chất cơ học 13 rất tốt, nhẹ, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu tác dụng của môi trường hóa chất tương đối tốt, kích thước và hình dáng đa dạng. Do đó, chúng ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học 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 v.v… Dưới góc độ kỹ thuật, vật liệu Composite 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 hai có chức năng chính là truyền tải và chịu tải (điện áp, nhiệt độ …) được gọi là cốt hay chất tăng cường. Nhiệm vụ đầu tiên của chất tăng cường là phát huy đặc tính riêng của mình, đó là tính bền và tính cứng, khả năng chịu được điện áp, cách điện, chịu nhiệt cao, chịu mài mòn.v.v… Các tính chất tổ hợp và trội của vật liệu Composite hoàn toàn khác với các tính chất của vật liệu thành phần khi để riêng rẽ tuy rằng trong vật liệu Composite các tính chất riêng của từng vật liệu thành phần không hoàn toàn bị mất đi. Đối với vật liệu Composite hiện đại và mới, ngày nay vật liệu nền thường là vật liệu kim loại, polymer, thủy tinh 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 nền là kim loại, polymer, thủy tinh và gốm sứ là điều cần thiết. Chất tăng cường có thể ở dạng hạt, dạng sợi, dạng dây mảnh hoặc ở dạng vải dệt, chúng được sắp xếp và 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 vật liệu Composite chỉ bao gồm từ 2 vật liệu thành phần. Tuy nhiên trong ứng dụng thực tế, khi cần thiết ta thường cho thêm chất phụ gia, ví dụ 14 như chất tăng cường bám dính, chất độn, chất màu, chất đóng rắn, chất làm mềm. v.v… Vật liệu nền 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 vật liệu Composite, bảo vệ sợi trước sự tác dụng bên ngoài của môi trường. + Phân bố đều ứng suất và truyền lực cho chất tăng cường. Mặc dù hầu như toàn bộ đồ bền và độ cứng do chất tăng cường quyết định nhưng vật liệu nền cũng có thể gây ra phá hủy cho vật liệu Composite nếu ứng suất quá lớn xuất hiện ở các hướng không được tăng cường bằng vật liệu cốt. Trong việc thiết kế các kết cấu và chi tiết nếu dùng vật liệu Composite ta có một ưu điểm lớn là có thể lựa chọn tự do 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 dày ở từng vùng, từng chỗ phù hợp với độ bền, độ cứng, độ biến dạng. Vật liệu composite cốt sợi/nhựa hữu cơ (sợi thường dùng là 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 đồng phương (hình 1.2.a), Composite “Mat” (hình 1.2.b), Composite vải (hình 1.2.c). 15 c)b)a) Hình 1.2: Lớp vật liệu Composite Dưới góc độ cơ học, vật liệu Composite được xếp vào 3 nhóm chính: Composite đẳng hướng (hình 1.3.a), Composite đẳng hướng ngang (hình 1.3.b), và Composite trực hướng (hình 1.3.c). a) b) c) Hình 1.3 :Vật liệu Composite lớp Trong thực tế, ta thường gặp vật liệu composite 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 lớp 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. giới thiệu mô hình của vật liệu composite lớp. θθ θ 9000 900 0 00θ Hình 1.4 : Mô hình của vật liệu composite lớp 16 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 vật liệu composite : Tuy vật liệu composite nền nhựa có nhiều ưu điểm nhưng vật liệu composite 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 xử phá hủy của cấu trúc vật liệu composite cũng khác so với ứng xử 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. 1.1.1.2. 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 500.000 tấn (Hình 1.5). 17 16 12 8 4 14 10 6 2 0 -2 -4 -6 -8 S ù t ¨n g lª n s o v í i n ¨m t ru í c [% ] 10 00 t Ên 1200 1000 800 600 400 200 0 19881987198619851984198319821981 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 1.6. 18 Sîi AramidSîi thñy tinh S Sîi Cacbon Nhùa Polyimide 19921985 19921985 Sîi Aramid Mét sè lo¹i kh¸c Mét sè lo¹i kh¸c Nhùa Epoxide Nhùa nhiÖt dÎo Nhùa Polyimide Mét sè lo¹i kh¸c Sîi Cacbon Sîi thñy tinh S andere Thermo plasle 1500t Poly imide 750t andere Thermo plasle 300t Poly imide 200t Epoxide 3500t Epoxide 1500t Aramid - fasern 2500t S-Glass - fasern 2000t Kohlenstoffasern 4000t Kohlenstoffasern 1500t Aramid - fasern 1000tS-Glass - fasern 750t Hình 1.6 : Sự phát triển của thị trường tiêu thụ vật liệu nền và vật liệu sợi ở Mỹ. 19 1.1.1.3. Tình hình nghiên cứu vật liệu composite nền nhựa epoxy ở Việt Nam và thế giới Hiện nay các nước tiên tiến trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về vật liệu cách điện Composite đặc biệt là quá trình già hoá và phá huỷ vật liệu (sự xâm nhập của điện tích làm thay đổi phân bố trường, sự hình thành phóng điện cục bộ và hình thành cây điện - electrical treeing). 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 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.[25] 1 2 3 20 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). 21 1.1.1.4. 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.10). 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