Đăng ký thành viên

Phát triển cách điện polyme dùng cho các yêu cầu của mạng lưới điện ngày nay

Công nghệ cách điện composite đã phát triển dần dần để thay thế cho sứ hoặc thủy tinh nhờ tính năng vượt trội trong một số ứng dụng nhất định (Ảnh st)

Các vật cách điện composite là loại chủ yếu dùng cho các ứng dụng đường dây trên không trên toàn thế giới và cũng đang tăng trưởng nhanh chóng trong ứng dụng tại các trạm biến áp. Thực vậy, phải mất 5 thập kỷ kinh nghiệm dịch vụ cũng như nhiều thế hệ sản phẩm trước khi công nghệ này cuối cùng có thể mang lại độ tin cậy tương tự như thủy tinh tôi hoặc sứ.

Bài viết này xem xét việc kết hợp giữa nghiên cứu và học hỏi kinh nghiệm hiện trường đã giúp nhận dạng và giải quyết những thiếu sót cũng như thúc đẩy niềm tin vào các sản phẩm này.  

Người ta đã phát triển các vật cách điện polyme đầu tiên vào những năm 1950 và bao gồm các thiết kế nguyên khối làm từ các vật liệu kết cấu như epoxy. Vào thời kỳ đó, các vật cách điện bằng sứ và thủy tinh truyền thống là công nghệ tiên tiến và thực tế là việc ban hành các tiêu chuẩn IEC đầu tiên đã giúp quy định kỹ thuật cho các vật cách điện. Ngược lại, công nghệ vật cách điện composite dùng cho các ứng dụng truyền tải điện áp cao hơn 100kV chưa được cân nhắc một cách nghiêm túc cho đến ít nhất 25 năm sau.

Tiền đề cơ bản của vật cách điện composite là khi kết hợp các vật liệu khác nhau sẽ góp phần cải thiện chức năng dựa trên các đặc tính chính tương ứng của chúng. Ví dụ, vật cách điện thanh hoặc ống nhựa gia cố bằng sợi (FRP) cung cấp độ bền cơ trong khi vỏ bằng polyme cung cấp khả năng bảo vệ chống lại môi trường khắc nghiệt. Cả hai đều góp phần vào chức năng cơ bản của cách điện. 'Cú hích' thực sự đối với các vật cách điện này bắt đầu từ những năm 1970 và khởi đầu bởi sự tiến bộ trong cả FRP và các vật liệu vỏ bọc. Ngoài ra, người ta đã áp dụng các công nghệ chế tạo mới để chế tạo các vật cách điện lắp ráp hoàn chỉnh và các chất đưa vào này đã cải thiện các quy trình đúc các vỏ bọc trên các thanh/ống cũng như để gắn các phụ kiện đầu cuối.

Trong giai đoạn đưa vào áp dụng, các vật cách điện composite là loại vật liệu có tính chuyên dụng cao và thậm chí còn là “các vật ngoại lai”. Chúng cũng khá đắt do số lượng sản xuất ít, thường làm từ các thành phần phi tiêu chuẩn, bán thành phẩm. Do đó, việc sử dụng ban đầu chủ yếu chỉ giới hạn ở các ứng dụng đặc biệt như đối với các khu vực có mức độ ô nhiễm cực đoan, bị phá hoại hoặc có rủi ro địa chấn cao trong trường hợp các vật cách điện thiết bị. Điển hình cho những cải tiến này là có rất ít tiêu chuẩn và trải nghiệm vận hành lâu dài dành cho người dùng bị hạn chế. Kết quả là, không có gì lạ khi chúng gặp phải một loạt các lỗi thiết kế dẫn đến nhiều sự cố dịch vụ tương ứng. Một ví dụ nổi tiếng là sự thiếu hiểu biết về các vấn đề về bọc kín có thể xảy ra nói chung và đặc biệt trong trường hợp vật cách điện có vỏ bằng Teflon không có liên kết giữa vỏ bọc và thanh cách điện. Thay vào đó, giao diện quan trọng này chứa đầy dầu mỡ và biến mất sau một thời gian hoạt động tương đối ngắn. Thiết kế vật cách điện này đã hỏng tương đối nhanh chóng do phóng điện bên trong, phóng điện bề mặt thanh hoặc hiện tượng gãy giòn do hơi ẩm xâm nhập.

Kể từ thời điểm đó, công nghệ cách điện composite đã phát triển dần dần để thay thế cho sứ hoặc thủy tinh nhờ tính năng vượt trội trong một số ứng dụng nhất định.

Công nghệ cách điện composite đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển và tiêu chuẩn hóa riêng biệt, đây là công nghệ phổ biến đối với các sản phẩm kỹ thuật này. Vật cách điện ngày nay, gọi là 'thế hệ thứ ba' hoặc 'thế hệ thứ ba cộng', đặc trưng bởi các thành phần chất lượng cao có lịch sử sử dụng.

Công nghệ hoàn thiện

Công nghệ vật cách điện composite hiện đã đạt đến mức độ chín muồi cao, có thể chứng minh bằng một số yếu tố, bao gồm:

• Có sẵn các tiêu chuẩn sản phẩm toàn diện, do thử nghiệm và kinh nghiệm hiện trường xác minh;

• Kinh nghiệm dịch vụ trên toàn thế giới trong tất cả các loại ứng dụng và ở mọi cấp điện áp;

• Tự động hóa sản xuất để tăng khối lượng, giảm chi phí và giảm rủi ro do lỗi con người;

• Tiêu chuẩn gần đúng cho các thành phần phụ chính như thủy tinh E-CR;

• Cải tiến các quy tắc thiết kế cụ thể, chẳng hạn như ngưỡng cho vầng quang giọt nước.

Dưới đây là ví dụ về những thành tựu gần đây cũng như xác định nhu cầu để nghiên cứu và phát triển thêm:

1. Hành vi kỵ nước dưới ứng suất điện áp DC

Hai dự án khoa học đã hoàn thành ở Đức nhằm cải thiện việc định lượng các hiệu ứng kỵ nước khác nhau (tức là lưu giữ, phục hồi và chuyển giao). Bằng cách sử dụng Thử nghiệm thả rơi động, khả năng duy trì tính kỵ nước chống lại phóng điện vầng quang do giọt nước cảm ứng gây ra được đo bằng thời gian trước khi vượt quá tiêu chí sự cố (tức là 1 mA) trong thời gian xác định trước là 0,25 giây.

Việc nhận dạng nhiều tham số có thể cải thiện khả năng tái lập của thử nghiệm này, trong số đó có bản thân việc lắp đặt thiết bị thử nghiệm và các mẫu thử nghiệm (tức là phương pháp làm sạch, độ nhám bề mặt, v.v.). Người ta phát hiện một kết quả quan trọng liên quan đến việc duy trì tính kỵ nước dưới ứng suất điện xoay chiều (AC) so với một chiều (DC) (xem Hình 3). Ứng suất điện áp thể hiện dưới dạng ứng suất điện trường trung bình (tức là điện áp đặt vào chia cho khoảng cách đường rò). Đường cong DC+ nằm phía trên đường cong AC, tuy nhiên đường cong DC+ dốc hơn. Xu hướng này áp dụng cho tất cả các vật liệu khảo sát trong các dự án này. Phát hiện này giúp giải thích trải nghiệm dương tính với các vật liệu vỏ kỵ nước. Hiệu ứng này đã được phát hiện trong các thử nghiệm với giá trị ứng suất AC_rms tương đương với điện áp DC và phản ánh trong vận hành bởi thực tế là khoảng cách đường rò thường sử dụng cho các ứng dụng DC nhiều hơn so với AC, trong cùng một môi trường có mức ô nhiễm tương đương.

Hình 3: Duy trì tính kỵ nước

2. Bảo vệ chống lại phóng điện vầng quang

Người ta chấp nhận rộng rãi rằng các hiệu ứng nhiệt của phóng điện vầng quang là không đáng kể. Tuy nhiên, phóng điện quầng quang lâu dài sẽ tạo ra axit và các gốc hóa học trong các điều kiện dịch vụ và chúng có thể tấn công lớp mạ điện trên các phụ kiện cũng như vỏ bằng polyme. Nhờ kinh nghiệm lâu năm với tất cả các công nghệ cách điện, phóng điện vầng quang do thiết kế chuỗi cách điện không phù hợp sẽ không còn xảy ra nữa. Thật không may, thực tế cho thấy vẫn có thể xảy ra những rắc rối như vậy ở các cấp điện áp truyền tải thấp hơn do sự cạnh tranh gay gắt dẫn đến hiếm khi sử dụng các vòng chống vầng quang ở các cấp điện áp ≤145kV. Lực lượng đặc nhiệm của IEEE đã nhận dạng các phát hiện này. Công việc như vậy đã đưa ra các quy tắc mới về các ngưỡng ứng suất điện trường để ngăn ngừa vầng quang phần cứng liên tục cũng như vầng quang giọt nước. Máy tính ngày nay và các chương trình mô phỏng sẵn có mạnh đến mức có thể xác nhận các thiết kế chuỗi vật cách điện bằng kỹ thuật số. Tuy nhiên, khi sử dụng các thiết kế và linh kiện mới, bao gồm cả nhà cung cấp hoặc địa điểm sản xuất mới, người ta khuyến cáo thử nghiệm lại trong phòng thí nghiệm các thiết kế 'quan trọng'.

Hình 4 thể hiện một ví dụ thực tế về một chuỗi sứ căng có kích thước không đủ khi sử dụng trong hệ thống điện xoay chiều hai pha (145kV và 16,7Hz). Ngay cả trong điều kiện thời tiết thuận lợi, thiết kế chuỗi sứ này đã gây ra phóng điện vầng quang vĩnh cửu với cường độ đến mức có thể dẫn đến sự cố của bộ điều khiển điện tử tại trạm biến áp. Người ta đã cung cấp một số vật cách điện để thanh tra trực quan cận cảnh. Đúng như dự đoán, phía đất không có phóng điện vầng quang và không có hư hại gì trong khi có bằng chứng rõ ràng về hư hại ở phía có điện. Tùy thuộc vào cường độ phóng điện vầng quang, loại hư hại này có thể xuất hiện chỉ sau vài tháng.

Hình 4: Phóng điện vầng quang vĩnh cửu trên đầu nối vật cách điện

3. Phát triển hơn nữa cao su silicon dùng cho cách điện ngoài trời

Kinh nghiệm về vật cách điện composite có vỏ bằng polyme đã có từ khoảng 40 năm nay và xu hướng rõ ràng là cao su silicon đã trở thành vật liệu được lựa chọn. Một lý do cho điều này là hiệu ứng kỵ nước dài hạn và động. Điều này thậm chí còn trở thành một yếu tố tiết kiệm chi phí ở những khu vực dịch vụ bị ô nhiễm nặng, nơi cần phải rửa các vật cách điện truyền thống thường xuyên. Tuy nhiên, kinh nghiệm dịch vụ cũng cho thấy rằng cần phải phát triển hơn nữa các công thức cao su silicon ở một số khía cạnh nhất định. Ba lĩnh vực chính là trọng tâm của công việc phát triển hiện nay là silic hóa bề mặt, nứt/tách bề mặt sâu và sự phát triển của nấm mốc trên bề mặt.

Silic hóa

Silic hóa bề mặt là sự hư hại bề mặt gây ra các lớp oxit silic trên bề mặt lớp vỏ. Các phép đo trên các bề mặt vật cách điện bị lão hóa tại hiện trường cho thấy chiều dày điển hình là từ 100 đến 300µm. Ngược lại với một bề mặt nguyên sơ, độ đàn hồi của vật liệu polyme trong mặt cắt ngang của lớp oxit silic giảm đáng kể và trên thực tế thể hiện trạng thái giòn khi chịu ứng suất cơ, chẳng hạn như các xiêm bị uốn cong. Nếu đo một vật liệu bị hư hại như vậy theo độ bền cơ, thì độ bền kéo sẽ giảm trong khi độ bền xé không bị ảnh hưởng nghiêm trọng. Điều này có thể giải thích bởi thực tế là do khi uốn, lớp oxit silic giòn bị vỡ ngay lập tức và dẫn đến các vết nứt gây ra hiệu ứng vết khía trên vật liệu khối còn nguyên vẹn. Các ví dụ về quá trình silic hóa trên vỏ LSR của máy biến áp đo lường đã được báo cáo tại Đại hội THẾ GIỚI INMR 2015 ở Munich, Đức (xem các Hình 5 và 6). Lớp phủ silicon RTV bịt kín bề mặt LSR giúp ngăn chặn sự xâm nhập của ô nhiễm và nước vào các vết nứt này, tránh làm tăng thêm nguy cơ hư hại. Biện pháp khắc phục này tỏ ra thành công và người ta vẫn đang sử dụng thiết bị bị ảnh hưởng.

Hình 5: Bề ngoài của hư hỏng loại A

Hình 6: Bề ngoài của hư hỏng loại B

Lý do của sự suy giảm như vậy vẫn chưa được hiểu đầy đủ. Phân tích Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) đã chỉ ra rằng các quá trình thủy phân là nguyên nhân cốt lõi. Vật liệu LSR thường không làm giàu bằng nhôm trihydrat (ATH) để cải thiện khả năng chống xói mòn mà thay vào đó có lớp đệm silica để cung cấp các tính chất cơ học yêu cầu. Một giả thuyết cho rằng việc xử lý bề mặt không phù hợp có thể dẫn đến những hư hại có thể quan sát thấy. Tuy nhiên, điều này rất khó xác nhận với cao su silicon lưu hóa.

Nứt hoặc tách sâu bề mặt

Vết nứt hoặc vết nứt sâu trên bề mặt là một dạng xuống cấp đánh dấu bằng vết nứt nghiêm trọng dọc theo toàn bộ vỏ (Hình 7). Hư hại như vậy gây ra rủi ro lớn vì thanh vốn không chịu được tác động ngoài trời này sẽ tiếp xúc với môi trường. Với sự xâm nhập của độ ẩm và ô nhiễm, bề mặt tiếp xúc giữa vỏ và thanh bị ảnh hưởng và có nhiều khả năng xảy ra hiện tượng phóng điện bên dưới.

Hình 7: Vỏ bị nứt làm lộ thanh

Người ta cần cân nhắc hai khía cạnh liên quan đến các dạng rắc rối tiềm ẩn này:

1. Đánh giá sự xuống cấp và ước tính rủi ro khi tiếp tục sử dụng vật cách điện. Nhưng theo “nguyên tắc chung”, hư hại của vỏ không thể để lộ thanh.

2. Vì những phát hiện đó thể hiện “tình trạng hiện tại” nên không thể đưa ra tiên đoán nào về nguy cơ thiệt hại tích lũy thêm. Do đó, người ta khuyến cáo rằng cần thanh tra tất cả vật cách điện với loại hư hỏng này ít nhất hàng năm. Điều này sẽ áp dụng cho tất cả vật cách điện thuộc loại cổ điển đó và đang sử dụng trong khu vực dịch vụ cụ thể. Trong trường hợp silic hóa, nếu vỏ vẫn kỵ nước, vật cách điện bị ảnh hưởng có thể vẫn hoạt động vì lớp oxit silic bảo vệ vật liệu khối còn nguyên vẹn không bị hư hỏng thêm.

Nấm mốc tăng trưởng do lưu kho không đúng cách

Nấm mốc tăng trưởng trên vật cách điện đang vận hành có liên quan đến sự tương tác giữa các bề mặt của chúng với môi trường. Nếu có nguồn dinh dưỡng, đủ độ ẩm và nhiệt độ cũng như các loài sinh vật tương ứng, tất cả đều có mặt thì các bề mặt của vật cách điện truyền thống và composite đều có thể trở thành 'thuộc địa' của nấm mốc. Ảnh hưởng trong trường hợp bề mặt gốm trơ là tương đối nhỏ vì vật liệu này có tính ưa nước. Như vậy, sự tăng trưởng của nấm mốc chỉ có thể làm tăng một độ dày nhất định của lớp ô nhiễm. Nhưng trong trường hợp vật cách điện composite có bề mặt kỵ nước, đặc tính cải thiện tính năng này có thể tạm thời bị mất. Tuy nhiên, kinh nghiệm cho thấy rằng chỉ trong một số ít trường hợp nấm mốc sẽ tăng trưởng đến mức cần phải làm sạch cách điện composite. Hơn nữa, quyết định làm sạch cách điện chủ yếu được thực hiện như một biện pháp phòng ngừa nếu có thể nhận dạng sự xâm nhập mạnh mẽ. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm cho thấy chỉ có nấm thối trắng (Phanerochaete chrysosporium) mới có thể phân hủy PDMS (tức là thành phần chính trong cao su silicon). Gần đây, người ta báo cáo các trường hợp nấm mốc phát triển sau khi tích trữ lâu dài vật cách điện composite trong thùng vận chuyển tiếp xúc với mưa và nhiệt độ mùa hè. Những thùng như vậy thường làm bằng gỗ và thường phải xử lý đặc biệt (tức là ISPM 15 – Tiêu chuẩn quốc tế về các biện pháp kiểm dịch thực vật) trước khi có thể nhập khẩu chúng vào hầu hết các quốc gia.

Kinh nghiệm cho thấy rằng thiết kế thùng gỗ đòi hỏi phải có sự thỏa hiệp: một mặt cần có lỗ hoặc khe để thông gió bên trong nhưng mặt khác, kích thước của lỗ phải nhỏ để ngăn chặn sự xâm nhập của ô nhiễm hoặc các sinh vật. Tuy nhiên, tùy thuộc vào điều kiện khí hậu, những chiếc thùng này có thể bị lão hóa trong thời gian ngắn, đặc biệt là khi để phơi nhiễm hoàn toàn. Nếu không bảo vệ vật cách điện bên trong thùng hoặc nếu lớp bảo vệ đã bị mất khi lấy một số vật cách điện ra, nước có hàm lượng hữu cơ từ gỗ có thể tiếp xúc với bề mặt cách điện và khiến nấm xâm nhập. Rất nhiều loài có thể tạo ra ô nhiễm sinh học như vậy. Ví dụ, vật cách điện có thể bị nấm như Aspergillus niger và Cladiosporium bao phủ (xem Hình 8). Các loài này chỉ bám trên bề mặt và có thể loại bỏ dễ dàng. Các khu vực bám bề mặt này có thể khôi phục lại trạng thái kỵ nước hoàn toàn sau khi loại bỏ. Một số loài nấm kết hợp xâm lấn vật cách điện, chẳng hạn như các loài nấm mốc Chaetomium và Cladosporium bằng cách nào đó tương tác cộng sinh với Methylobacteria. Quần cư Methylobacteria tạo ra một bề mặt hơi hồng trên mặt vật cách điện (như trong Hình 9). Mặc dù nấm mốc này có thể dễ dàng loại bỏ, nhưng màu hồng có thể lan vào cao su silicon và tồn tại trong vật liệu khối. Diện tích bề mặt của các loài nấm còn lại cũng kỵ nước nên không có vấn đề về chức năng. Nhưng người ta cần giải quyết khía cạnh thẩm mỹ này. Điều đáng chú ý là biến đổi khí hậu đang khiến cơ sở hạ tầng điện ngày càng dễ bị nấm mốc tấn công.

Hình 8: Sự xâm lấn của nấm Aspergillus niger và Cladiosporium có thể loại bỏ dễ dàng

Hình 9: Sự xâm lấn của nấm Chaetomium, Cladosporium và Methylobacteria

Kết luận

Vật cách điện composite hiện nay là một thành phần quan trọng trong việc truyền tải điện trên toàn thế giới. Với hơn 50 năm kinh nghiệm hiện trường cũng như các tiêu chuẩn sản phẩm toàn diện với các chu kỳ bảo trì theo quy định, vật liệu cách điện polyme này thực sự có thể là một công nghệ chín muồi.  

Biên dịch: Chu Thanh Hải

Theo "IMNR", tháng 05/2024