Viện năng lợng M số: I 154 Đề tài nckh Nghiên cứu đánh giá các đặc tính của cách điện treo bằng composite vận hành trong hệ thống điện việt nam 7910 Hà Nội 2009 Bộ công thơng 1 MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU 4 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE 6 1. Giới thiệu chung 6 2. Công nghệ chế tạo 9 3. Polymer với lớp phủ Silicone 9 4. Các phương pháp thử lão hóa vật liệu 11 5. Tác động của các hệ số khác nhau lên sự suy giảm đặc tính vận hành về điện 19 6. Các phương pháp phân tích lão hóa vật liệu 21 7. Tiêu chuẩn thử nghiệm và tiêu chí chấ p nhận với cách điện silicone và chuỗi hoàn chỉnh ở Việt Nam 26 8. Những nghiên cứu đối với cao su silicone PDMS 28 CHƯƠNG II: THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT VÀ ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN COMPOSITE 32 1. Sự tổng hợp tiền thân của silicone 34 2. Phản ứng trùng hợp của các silicone 35 3. Các cơ chế trùng hợp 35 4. Cách thức lưu hoá polymer ban đầu để đạt tới độ đàn hồi 37 5. Vật li ệu cách điện cao su silicone – PDMS 37 6. Các đặc tính chủ yếu của PDMS 39 7. Định lượng các đặc tính bề mặt chất đàn hồi PDMS 46 8. Thử nghiệm về điện và môi trường với vật liệu silicone ngoài trời 50 2 CHƯƠNG III: KHẢ NĂNG PHỤC HỒI ĐỐI VỚI CÁCH ĐIỆN COMPOSITE KHI CHỊU TÁC ĐỘNG PHÁ HUỶ 56 1. Tác động của phóng điện vầng quang 56 2. Các cơ chế có khả năng phục hồi tính kỵ nước 58 3. Khả năng phục hồi cách điện đối với cao su EPDM và Silicone 63 4. Những thách thức trong tương lai với phục hồi cách điện 72 CHƯƠ NG IV: HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG SỨ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 75 1. Sử dụng cách điện composite trên thế giới 75 2. Cách điện composite đối với hệ thống điện Việt Nam 85 3. Nhận xét và đánh giá về chất lượng cách điện treo trên lưới điện Việt Nam 89 KẾT LUẬN 93 PHỤ LỤ C TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 109 3 Những chữ viết tắt PDMS: Polydimethylsiloxane EPDM: Ethylene Propylene Diene Monomer LMWs: Trọng lượng phân tử thấp SiR: Cao su silicone FRP: Polymer gia cường bằng sợi HTV: Lưu hoá ở nhiệt độ cao RTV: Lưu hoá ở nhiệt độ phòng HCs: Nhóm kỵ nước UV: Tia cực tím FTIR: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier XPS: Quang phổ học điện tử tia X SEM: Quét quang phổ điện tử 4 MỞ ĐẦU Trong thời gian gần đây, việc sử dụng cách điện composite trong hệ thống điện Việt Nam đang trở nên phổ biến, đặc biệt đã triển khai trong hệ thống truyền tải 220kV và lưới phân phối 110, 35, 22kV. Cách điện composite sử dụng chủ yếu làm cách điện treo, cách điện néo đường dây trên không, cách điện đỡ thiết bị. Vật liệu chế tạ o cách điện composite có rất nhiều loại khác nhau, như cao su silicone (silicone rubber), Ethylene Propylene Rubber (EPR), Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), Ethylene Propylene Monomer (EPM), hay hỗn hợp giữa EPR và cao su silicone,… Trên thế giới đã được ứng dụng trong những thập niên 70 ở một số nước như Canada, Mỹ và được mở rộng cho các nước khác đến ngày nay. Những tính chất và đặc tính của nó đã mang lại một số ưu điểm chính trong kỹ thuật và kinh tế, như đã giảm thiểu su ất sự cố và tổn thất điện năng, giá thành rẻ hơn so với sử dụng cách điện làm bằng gốm hay thuỷ tinh có cùng đặc tính kỹ thuật. 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 phụ c 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 ki ện khí hậu và vận hành cụ thể tại Việt Nam là một việc rất cần thiết. Nội dung nghiên cứu bao gồm các phần sau: ∋ Tổng quan về cách điện Composite ∋ Phân tích thành phần, tính chất và đặc tính cách điện composite ∋ Phân tích nghiên cứu khả năng phục hồi các tính chất cách điện của cách điện composite khi chịu các tác động phá huỷ 5 ∋ (*) Điều tra về sử dụng sứ cách điện composite trong hệ thống điện Việt Nam ∋ (*) Phân tích đánh giá các đặc tính của cách điện composite trong điều kiện vận hành tại Việt Nam, đưa ra các nhận định về ưu nhược điểm của chúng ∋ (*) Nghiên cứu và đề xuất khả năng ứng dụng và công nghệ chế tạo trong điều kiện Việt Nam (Nội dung (*) sẽ được tiếp tục nghiên cứu trong đề tài giai đoạn 2 năm 2010) 6 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE Độ tin cậy đó là đặc tính quan trọng nhất của một vật liệu cách điện dù đó là cách điện gốm sứ, thuỷ tinh hay composite. Độ tin cậy phụ thuộc vào độ bền về điện và cơ khí. Với những công nghệ và kỹ thuật sản xuất hiện đại hiện nay thì có thể tin cậy hoàn toàn. Bằng chứng qua những th ập niên về sử dụng cách điện đặc biệt là cách điện composite ở các nước trên thế giới và kể cả Việt Nam với các ưu điểm về kinh tế và kỹ thuật, ngoài ra với trọng lượng nhẹ, dễ dàng vận chuyển, lắp đặt và bảo quản, và không bị sứt mẻ khi vận chuyển cũng như lắp đặt, do đó cách điện composite ngày càng đượ c sử dụng nhiều trên hệ thống điện, thay thế dần các cách điện cổ truyền bằng vật liệu thuỷ tinh hoặc gốm. Trong phần giới thiệu chung sẽ được đề cập tóm tắt đến những vấn đề cơ bản, thành phần cấu tạo của vật liệu composite cách điện. Các phần tiếp theo của chương sẽ được trình bày về những ph ương pháp thử và phân tích đối với lão hóa vật liệu, các nghiên cứu về điện và môi trường với cao su silicone và cuối cùng là tổng hợp các nghiên cứu đối với vật liệu cách điện cao áp ngoài trời cao su silicone PDMS (Polydimethylsiloxane). Đây là vật liệu hiện nay đang được dùng phổ biến trên thế giới, và sẽ được nghiên cứu xuyên suốt trong đề tài với các mặt đặc tính, tính chất vận hành, các điều kiện tác động đế n vật liệu và khả năng chịu đựng, để đáp ứng với môi trường nhiệt đới nóng ẩm của Việt Nam. 1. Giới thiệu chung Vật liệu composite là vật liệu tổ hợp từ hai hoặc nhiều loại vật liệu khác nhau. Vật liệu mới được tạo thành có tính chất ưu việt hơn nhiều so với từng loại vật liệu thành phần riêng rẽ. Về mặt cấu tạo, vật liệu composite bao gồm một hay nhiều pha gián đoạn phân bố đều trên một pha nền liên tục. Nếu vật liệu có nhiều pha gián đoạn ta gọi là composite hỗn tạp. Pha gián đoạn thường có tính chất trội hơn pha 7 liên tục. Pha liên tục gọi là nền (matrix). Pha gián đoạn gọi là cốt hay vật liệu gia cường (reinforced). Tùy theo bản chất của vật liệu nền người ta có thể chia vật liệu Composite thành các loại khác nhau: - Vật liệu Composite nền polymer: PMC - Vật liệu Composite nền vô cơ ceramic: CMC - Vật liệu Composite nền kim loại: MMC Trong phần này ta chỉ đề cập đến loại PMC vì đây là loại Composite được nghiên cứu và ứng dụng nhiều nh ất trong công nghệ Vật liệu Composite nói chung và trong ngành điện nói riêng. Vật liệu Composite FRP FRP (Fiber Reinforced Polymer) là một trong những loại PMC phổ biến nhất trong các loại vật liệu Composite. Đây là loại Composite thuộc chất dẻo nhiệt rắn (thermosetting plastic), bao gồm hai thành phần chủ yếu là polymer và các loại sợi gia cường. - Polymer: polyeste, vinyleste, epoxy… - Các loại sợi: sợi thủy tinh, sợi cacbon, aramid (kevlar), polyeste… - Các chất xúc tác, chất xúc tiến, phụ gia…với tỷ lệ trọng lượng tuy rất nhỏ nhưng không thể thiếu. 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 rất tốt, nhẹ, khả năng chịu nhiệt, chịu mài mòn, chịu tác dụng của môi trường hóa chất tương đối tố t, 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… Ngoài những ưu điểm nổi bật ở trên thì nhược điểm chính của cách điện composit là: chúng là đối tượng dễ diễn ra những thay đổi hoá họ c 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 8 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 củ a cách điện: - Lõi cách điện là các thanh polymer gia cường làm bằng sợi thuỷ tinh (FRP). 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. - 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 t ương ứng với từng cấp điện áp và chủng loại cách điện. Vỏ được ép chặt vào lõi để đảm bảo độ bền cơ học. - 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 tạ o ra lớp phủ chống lại tác động của thời tiết của cách điện cao áp có thể bao gồm: PDMS, EPDM, EPR, EPM, hợp chất của EPDM và silicone, etylen vinyl acetate (EVA), cycloaliphatic và nhựa epoxy aromatic… Hình 1: Sơ đồ cấu tạo cách điện composite Vỏ cách đi ệ n HTV Lõi FRP Tán cách điện p hủ cao su silicone Gắn phụ kiện với silicone Phụ kiện đầu cuối b ằn g thé p m ạ k ẽ m 9 2. Công nghệ chế tạo Có khá nhiều công nghệ Composite. Mỗi công nghệ đều có những giới hạn nhất định trong ứng dụng, nó phụ thuộc vào kích cỡ sản phẩm, kiểu dáng sản phẩm, số lượng sản xuất, sự gia cường thích hợp và loại resin sử dụng. Trong mọi công nghệ đều phải có khuôn, vì vậy dựa trên các đặc thù của thiết kế và khuôn, nhà sản xuất cần phải lự a chọn công nghệ cho thích hợp. Dựa trên cơ sở nguyên lý tạo ra sản phẩm, ta có thể phân biệt các loại công nghệ sau: * Công nghệ đúc tiếp xúc (Hand lay-up, Spray up). * Công nghệ đúc chuyển resin RTM (Resin Transfer Moulding). * 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 ép phun (Injection Moulding). * Công nghệ đúc ép phun phản ứng RRIM (Reinforced Reaction Injection Moulding). * Công nghê đúc chuyển chân không (Vacuum Assisted RTM). * Công nghệ đổ ly tâm (Centrifugal Casting). => Công nghệ đúc liền khối cho chuỗi cách điện Silicone Rubber là ưu điểm để đảm bảo với môi trường Việt Nam ngay cả với cấp điện áp đến 500kV. Phụ kiện hai đầu cách điện silicone ball/socket, sản xuất bằng phương pháp dập nguội (forged steel). 3. Polymer với lớp phủ Silicone Vật liệu chế tạo cách điện composite có rất nhiều loại khác nhau như: cao su silicone (silicone rubber), Ethylene Propylene Rubber (EPR), Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), Ethylene Propylene Monomer (EPM), hay hỗn hợp EPR và cao su silicone … [...]... hiện dài hạn của kiểu cách điện mới, như lớp men bán dẫn, lớp phủ cao su silicone RTV và cách điện polymer với sự biểu hiện thay đổi các mức ứng suất điện áp Điện áp phân bố dọc theo chuỗi cách điện siêu cao áp (EHV) và cực cao áp (UHV) là không đồng mức, đặc biệt trong trường hợp đối với các cách điện polymer kiểu thanh dọc Ngay cả trong trường hợp cách điện thuỷ tinh có quan hệ phân bố điện trở đồng... công nghệ Pakistan a) Buồng thử lão hóa trong phòng thí nghiệm b) Cách điện được lắp trong vùng ô nhiễm công nghiệp trong suốt thời gian thử tính kỵ nước c) Cách điện polymer ở môi trường bên ngoài dưới thử nghiệm lão hóa tự nhiên 5 Tác động của các hệ số khác nhau lên sự suy giảm đặc tính vận hành về điện + Ảnh hưởng của nhiệt độ: Một trong các hệ số có ý nghĩa quan trọng nhất vào suy giảm đối với các. .. cân bằng Rõ ràng rằng với nghiên cứu dạng phân tán LMWS và các hệ số ảnh hưởng đến nó bao gồm số lượng lớn sự tập trung LMWS, loại cao su, lão hóa, độ dày của lớp nhiễm bẩn và nhiệt độ, là những thành phần sống còn đến sự hiểu biết xa hơn của quá trình phục hồi tính kỵ nước bề mặt 31 CHƯƠNG II: THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT VÀ ĐẶC TÍNH CÁCH ĐIỆN COMPOSITE Cách điện composite với sự tạo khuôn tán cách điện. .. phân bố điện trường Phân bố điện trường quanh các cách điện bị ảnh hưởng bởi tính dẫn bề mặt vật liệu của cách điện và bởi hình học của nó Các khiếm khuyết tự nhiên, mức ô nhiễm và độ ẩm cũng ảnh hưởng đến phân bố này cho tới một vài quy mô Dù sao, hầu hết thay đổi hiển nhiên trong điện trường quanh cách điện xảy ra bởi sự hình thành các vùng dòng rò cao và đó là nguyên nhân tại sao phép đo điện trường... các đường dây trên không, các cách điện đang cung cấp được trợ giúp về mặt cơ khí và an toàn điện Kích cỡ và thiết kế đặc biệt của các cách điện cao áp sẽ biến đổi theo điện áp dây, các điều kiện môi trường, vật liệu xây dựng và chế tạo Cách điện phục vụ trong đời sống có thể bị tác động bởi các hệ số như về điện, cơ khí và môi trường Nhiễm bẩn trên không, tác động trực tiếp của tia cực tím UV và hư... chống lão hoá của cao su silicone cũng rất cao; cách điện bằng silicone rubber hoặc các hợp chất của silicone rubber được sử dụng nhiều cho các cách điện ngoài trời đặc biệt là các đường dây truyền tải cao áp và siêu cao áp Cách điện polymer cho đường dây truyền tải bắt đầu được sản xuất tại và Mỹ vào giữa năm 1975 và sau đó Năm 1977, tại Canada, Hydro-quebec đã lắp đặt 282 cách điện composite do 3... cố định các cách điện trong môi trường không khí ở chiều cao khoảng 10 m từ mặt đất Trên thí nghiệm này dựng đứng các cách điện với hình dạng và các kích cỡ khác nhau có thể được gắn liền và được phóng điện với điện áp cung cấp từ một máy biến áp cao áp 1 kVA đã lắp đặt trong phòng thí nghiệm Một đường cáp cách điện cao áp chạy từ máy biến áp tới đầu của vật thử nghiệm Tại đó đã phát triển hệ thống theo... triển hệ thống theo dõi dòng điện rò giao diện với máy tính cũng được lắp đặt để tiếp tục các giám sát luồng điện chạy qua bề mặt cách điện và ghi lại một vài các gía trị trên 5µA cùng với thời gian 17 - Lắp đặt đối với thử lão hóa bên ngoài tự nhiên trong môi trường ô nhiễm nặng: Các cách điện được cài đặt trong môi trường không khí ở độ cao khoảng 15m từ mặt đất Cách điện với các loại và kích cỡ khác... ra đặc tính cơ tốt hơn, đó là độ cứng của EPDM và đặc tính chống đọng nước tuyệt vời của SIR Một công ty đã sản xuất hỗn hợp này đại trà và bán được hơn 2,5 triệu cách điện của lưới phân phối, 0,1 triệu cách điện đầu cột trên đường dây truyền tải và 0,4 triệu cách điện treo mà hiện nay được lắp đặt tại rất nhiều nơi khác nhau trên thế giới Điều này đã cho thấy rõ sự chấp nhận rộng rãi các ưu điểm của. .. phóng điện với điện áp cao từ một máy biến áp cao thế 1 kVA Một dây cáp cách điện cao áp chạy từ máy biến áp đến đầu của vật thử nghiệm dựng đứng Những ảnh hưởng xấu của nhà máy xi măng như bụi bẩn, ô nhiễm hoá chất, và phát nhiệt cực cao, hiệu ứng bề mặt cách điện xẩy ra nhanh Hệ thống theo dõi dòng rò đã mô tả ở trên cũng được lắp đặt ở đó để tiếp tục các giám sát luồng điện chạy qua bề mặt cách điện . cách điện composite trong hệ thống điện Việt Nam ∋ (*) Phân tích đánh giá các đặc tính của cách điện composite trong điều kiện vận hành tại Việt Nam, đưa ra các nhận định về ưu nhược điểm của. hồi cách điện 72 CHƯƠ NG IV: HIỆN TRẠNG SỬ DỤNG SỨ CÁCH ĐIỆN COMPOSITE TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN 75 1. Sử dụng cách điện composite trên thế giới 75 2. Cách điện composite đối với hệ thống điện. M số: I 154 Đề tài nckh Nghiên cứu đánh giá các đặc tính của cách điện treo bằng composite vận hành trong hệ thống điện việt nam