Phương pháp xử lý kỵ nước và tính năng chống chịu ô nhiễm của các vật cách điện

Bề mặt vật cách điện bị hư hại (Ảnh st)

Các đường dây trên cao trong các khu vực bị nhiễm bẩn phải được thiết kế với các mức cách điện và chiều dài đường rò dựa trên các đặc tính môi trường của chúng. Các điều kiện ô nhiễm có thể làm tăng dòng rò dọc theo các bề mặt của vật cách điện, dẫn đến phóng điện bề mặt, tác động cắt đường dây và có thể gây mất điện.

Có nhiều lựa chọn khác nhau để ứng phó với điều kiện dịch vụ bị ô nhiễm. Một là tăng chiều dài đường rò và lựa chọn biên dạng vật cách điện phù hợp nhất. Cách thứ hai bao gồm việc bọc các lớp phủ cách điện bằng cao su silicon. Các vật cách điện này mang lại lợi ích của một bề mặt kỵ nước nhưng phải được chỉ định và thiết kế đúng để tránh rủi ro hỏng vĩnh viễn do phơi nhiễm liên tục phóng điện vầng quang. Giải pháp thay thế thứ ba, nhận được sự quan tâm ngày càng tăng trong những năm gần đây, là phủ lớp silicon lên các vật cách điện bằng thủy tinh hoặc sứ.

Gần đây, cũng đã có nghiên cứu về việc phủ lớp kỵ nước tự nhiên và thậm chí là các xử lý bề mặt “siêu kỵ nước” nhằm đạt được khả năng chống thấm nước của silicon nhưng không dùng silicon. Bài viết đã được biên tập này trình bày những phát hiện từ các cuộc điều tra gần đây về tính năng chống chịu ô nhiễm của các phương pháp xử lý đó.

Hầu hết tất cả các phương pháp xử lý đã có hiện nay đều dựa trên các silane (hợp chất vô cơ có thành phần chính gồm hai nguyên tố silic và hydro) hoặc các hóa chất hữu cơ khác xoay quanh mục tiêu chung là tạo ra bề mặt kỵ nước. Trung tâm Nghiên cứu Sediver (Pháp) cũng như các phòng thí nghiệm khác đã tham gia nghiên cứu đổi mới liên quan đến các biên dạng vi mô, nano hoặc thậm chí phân cấp. Lĩnh vực này rất phức tạp và liên quan đến quá trình chuyển dịch từ mô hình Wenzel sang mô hình Cassie-Baxter (xem Hình 1), các phương án còn chưa được triển khai trên quy mô công nghiệp mà vẫn chỉ ở giai đoạn nghiên cứu cơ bản. Trong số các mục tiêu được hầu hết các phòng thí nghiệm tìm kiếm là trạng thái siêu kỵ nước, tức là góc tiếp xúc trên 150°.

Hình 1: Ví dụ về bề mặt có kích thước nano mong muốn được nhắm tới để tạo ra bề mặt (siêu) kỵ nước bằng cách buộc chuyển dịch từ mô hình Wenzel sang mô hình Cassie-Baxter (Ảnh st)

Ví dụ ở bên phải trong Hình 1 cho thấy góc tiếp xúc lớn nhưng giọt nước dính vào bề mặt và không bao giờ lăn ra. Đây là một ví dụ điển hình của mô hình Wenzel nhưng chỉ xử lý được một phần mục tiêu tổng thể, tức là nó kỵ nước nhưng không chống thấm nước và do đó không lý tưởng khi xử lý các vật cách điện được sử dụng trong các ứng dụng ngoài trời.

Đánh giá độ bền lâu & sự lão hóa của các ứng viên tiềm năng

Trung tâm Nghiên cứu Sediver gần đây đã tiến hành sàng lọc chuyên sâu các phương án xử lý bề mặt hiện có. Công việc ban đầu bao gồm kiểm tra khả năng của các phương pháp xử lý ứng viên nhằm duy trì các ứng suất điện, chẳng hạn như vật cách điện đang mang điện trong môi trường mù muối. “Các vật cách điện sống sót” sau đó sẽ được thử nghiệm trong môi trường ô nhiễm, như được mô tả dưới đây.

Trong dải các lựa chọn khác nhau để thay đổi đặc tính của bề mặt thủy tinh hoặc sứ, nhiều lựa chọn không thành công do thiếu độ bám dính và bị bong tróc hoặc dễ bị trầy xước. Điều quan trọng nhất trong trường hợp vật cách điện ngoài trời là đảm bảo độ ổn định điện và chức năng của bề mặt đã được xử lý. Hình 2 cho thấy một vật cách điện bằng thủy tinh đã được xử lý hóa chất gốc silane trong khi đang mang điện phơi nhiễm dài hạn sương mù muối. Mặc dù quá trình xử lý ban đầu cho thấy các đặc tính cách điện tốt nhưng bề mặt xuống cấp nhanh chóng dưới tác động của các hiệu ứng phóng điện hồ quang dải khô nhỏ xung quanh chốt vật cách điện.

Hình 2: Xử lý bề mặt thủy tinh trên vật cách điện có chiều dài đường rò riêng 20mm/kV (USCD, pha  đất) trở nên dẫn điện với các vết lớn sau 800 giờ trong môi trường sương mù muối 40g/l. Chu kỳ thử nghiệm là 8 giờ mỗi ngày có sương mù và 16 giờ mỗi ngày không có sương mù nhưng vẫn mang điện (Ảnh st)

Năm ứng viên bổ sung đã được thử nghiệm và so sánh với một vật cách điện thủy tinh phủ silicon được sử dụng làm vật tham khảo. Hình 3 thể hiện cách bố trí thử nghiệm. Ban đầu, thời gian thử nghiệm không được cân nhắc và ý tưởng đó là để theo dõi phản ứng của các mẫu theo thời gian.

Hình 3: Bố trí thử nghiệm sương mù muối để sàng lọc các phương pháp xử lý khác nhau đối với các bề mặt thủy tinh (siêu) kỵ nước. 8h sương mù muối, 16h không có sương nhưng mang điện. USCD = 20mm/kV (Ảnh st)

Hình 4 mô tả những phát hiện chính, trong đó tính kỵ nước được đánh giá là một hàm của thời gian. Hai ứng viên dường như duy trì đặc tính này trong ít nhất 2.000 giờ, với kết quả tương tự như một vật cách điện bằng thủy tinh phủ silicon. Các ứng viên này được giữ lại cho các bước tiếp theo của chương trình.

Hình 4: Đánh giá tính kỵ nước trong thử nghiệm mù muối (F là tham chiếu lớp phủ silicon) (Ảnh st)

Kết quả của giai đoạn đầu tiên này cho thấy hai ứng viên đầy triển vọng. Sau đó, chúng được thử nghiệm tính năng ô nhiễm trong thử nghiệm tính năng mù muối 40g/l theo tiêu chuẩn IEC 60507, trong đó chúng được so sánh với vật cách điện bằng thủy tinh thông thường và bằng thủy tinh phủ silicon.

Hình 5: Kết quả thử nghiệm so sánh trong thử nghiệm mù muối (Ảnh st)

Các kết quả cho thấy cả hai ứng viên dường như đều có các mức tính năng tương tự như lớp phủ silicon. Tuy nhiên, như thể hiện trong Hình 6, tính kỵ nước dường như bị ảnh hưởng khi kết thúc thử nghiệm. Không phát hiện thấy quá trình phục hồi nào, không giống như lớp phủ silicon mang lại lợi ích cho quy trình động. Điều này đặt ra một câu hỏi khác liên quan đến phương pháp thử nghiệm – tương tự như được thực hiện đối với cao su silicon hoặc các lớp phủ silicon. Mặc dù một phương pháp phóng điện bề mặt nhanh có thể cho thấy những kết quả tốt hơn, nhưng thực tế là không nên cân nhắc mối đe dọa đủ lớn mà sự thận trọng phải áp dụng khi xem xét các kết quả thử nghiệm trong phòng.

Hình 6: Sự mất tính kỵ nước của các mẫu được thử nghiệm trong các điều kiện mù muối (Ảnh st)

 Bám bụi quan sát tại hiện trường

Các kết quả thử nghiệm mù muối, mặc dù đạt được những giá trị thú vị, nhưng lại gây lo ngại khi so sánh công nghệ này với các bề mặt silicon mang lại các đặc tính động như phục hồi và chuyển dịch tính kỵ nước qua chiều dày của chất ô nhiễm. Rõ ràng là bước tiếp theo trong việc khảo sát này đòi hỏi phải xác minh rằng các phương pháp xử lý thể hiện đặc tính tự làm sạch vốn là đặc tính cơ bản để ngăn chặn các dòng rò trong chất ô nhiễm.

Để đánh giá tính hiệu quả của các ứng viên tiềm năng, các chuỗi cách điện đã qua xử lý đã được lắp đặt gần các nguồn ô nhiễm như nhà máy xi măng cũng như môi trường công nghiệp và ven biển kết hợp. Theo định kỳ, một vật cách điện được tháo ra để đánh giá tình trạng cũng như lượng ô nhiễm lắng đọng. Sau đó, các mức Mật độ lắng đọng muối tương đương (ESDD) và Mật độ cặn lắng không hòa tan (NSDD) được so sánh với một vật cách điện tương tự chưa được xử lý được lắp đặt ở cùng một vị trí (xem Hình 7).

Hình 7: Bố trí các vật cách điện “giả” thu bụi trong không khí gần nhà máy xi măng. Trong mỗi bức ảnh, chuỗi bên trái được xử lý, chuỗi bên phải thì không. Ảnh bên trái cho thấy hình thức điển hình của các chuỗi trong quá trình thử nghiệm. Ảnh bên phải cho thấy sự khác biệt về hình thức sau khi rửa vật cách điện trong chuỗi, đã được thực hiện định kỳ để đánh giá ESDD/NSDD (Ảnh st)

Việc đánh giá ESDD và NSDD đã được thực hiện vào những thời điểm khác nhau trong năm do khu vực này có chu kỳ ô nhiễm điển hình hàng năm. Kết quả gợi ý rằng việc xử lý này không tự làm sạch, với các mức độ lắng đọng nói chung có thể được coi là tương tự (xem Hình 8). Tại một thời điểm nào đó trong năm, chuỗi đã xử lý có NSDD thấp hơn một chút nhưng đến cuối năm mức NSDD sẽ cao hơn so với chuỗi chưa xử lý. Các mức ESDD là tương tự nhau.

Hình thức của các vật cách điện sau khi rửa cũng khác nhau. Như minh họa trong Hình 9, vật cách điện đã được xử lý sẽ làm sạch tốt hơn. Điều này có thể được giải thích là do tình trạng kỵ nước của quá trình xử lý làm thay đổi hình thái của các cặn lắng, khiến chúng dễ dàng bị phá vỡ hơn trong quá trình làm sạch (xem Hình 10).

Hình 8: ESDD và NSDD được thu thập từ các vật cách điện giả trong chu kỳ một năm (Ảnh st)

Hình 9: Hình thức các vật cách điện trước và sau khi làm sạch. Ảnh trên: Vật cách điện chưa được xử lý trước và sau khi rửa; Ảnh dưới: Vật cách điện đã được xử lý trước và sau khi rửa (Ảnh st)

Hình 10: Hình thái các chất ô nhiễm (Kính hiển vi điện tử quét phóng đại 5000 lần - SEM x 5000). Trái: Không được xử lý; Phải: Đã được xử lý (ảnh st)

Một nghiên cứu tương tự đã được thực hiện trong môi trường kết hợp các điều kiện công nghiệp và ven biển và các kết quả nhất quán với các quan sát trước đó (xem Hình 11). Các chất ô nhiễm tích tụ trong điều kiện tương tự giữa các bề mặt được xử lý và không được xử lý. Điều này minh họa rằng kỵ nước không nhất thiết có nghĩa là có đặc tính tự làm sạch và do đó không đáp ứng nhu cầu giảm thiểu các sự kiện ô nhiễm trên đường dây trên không. Việc chuyển dịch tính kỵ nước không tồn tại với các phương pháp xử lý này. Hình 12 tóm tắt các thử nghiệm ô nhiễm sương mù sạch được thực hiện trên các mẫu này. Việc xử lý không mang lại lợi ích gì.

Hình 11: So sánh ESDD và NSDD ở địa điểm thứ hai kết hợp ô nhiễm công nghiệp và ven biển giữa 2 cách xử lý khác nhau và vật cách điện không được xử lý (Ảnh st)

Hình 12: Tính năng điện của các mẫu từ địa điểm thứ hai được thử nghiệm trong điều kiện sương mù sạch với các cặn lắng tự nhiên được phân loại là “nặng” theo IEC 60815 (với độ lệch chuẩn so với một số mẫu được thử nghiệm cho mỗi loại) (Ảnh st)

Các mẫu mang điện trong các điều kiện hiện trường

Một bộ các kết quả thực địa thứ ba đến từ trạm thử nghiệm của EDF ở xã Martigues, nằm trên bờ biển Địa Trung Hải của Pháp trong một môi trường công nghiệp. Dòng điện rò được so sánh với các vật cách điện thủy tinh chưa qua xử lý, các vật cách điện thủy tinh phủ silicon và các mẫu đã được xử lý (sử dụng ứng viên tốt nhất từ ​​các trình tự trước đó). Mặc dù không phải là một địa điểm bị ô nhiễm nặng nhưng dẫu sao Martigues vẫn rất thú vị vì thông tin có thể được thu thập trong một môi trường như vậy. Hình 13 cho thấy dòng điện rò được đo trong 3 năm trên mỗi chuỗi trong số ba chuỗi được đóng điện ở USCD = 46mm/kV. Không có hiện tượng phóng điện bề mặt xảy ra trong quá trình thử nghiệm, rất có thể là do ứng suất điện đặt vào. Thủy tinh đã qua xử lý có tính năng tương tự như vật cách điện chưa được xử lý và mất đi tính kỵ nước. Mẫu thủy tinh phủ silicon vẫn hoạt động hoàn toàn với hoạt độ thấp.

Hình 13: Dòng điện rò đo tại xã Martigues. Trái: Thủy tinh chưa qua xử lý. Giữa: Thủy tinh đã qua xử lý. Phải: Thủy tinh phủ silicon (Ảnh st)

Kết luận

Việc áp dụng phương pháp xử lý kỵ nước trên các vật cách điện bằng gốm dường như không cho thấy lợi ích thực sự trong điều kiện ô nhiễm, đặc biệt là so với các lớp phủ silicon. Mặc dù nghiên cứu ở đây chỉ tập trung vào các vật cách điện bằng thủy tinh, nhưng các kết quả tương tự có thể được kỳ vọng từ các bề mặt sứ vì men là một lớp thủy tinh.

Bản chất hữu cơ của các phương pháp xử lý được xem xét trong nghiên cứu này không tồn tại được trong các điều kiện ứng suất của môi trường và do đó chúng không mang lại những lợi ích của việc chuyển dịch và phục hồi tính kỵ nước, cũng như lớp phủ silicon. Nhiều thử nghiệm khác nhau được thực hiện cho thấy các phương pháp xử lý nhanh chóng mất đi tính kỵ nước sau khi phơi nhiễm hoạt động điện trên bề mặt. Một đặc điểm tiêu cực khác của các phương pháp xử lý là không có khả năng tự làm sạch. Để mang lại lợi ích lâu dài, các phương pháp xử lý này lý tưởng nhất là ngăn chặn bụi tích tụ trên bề mặt vật cách điện. Thay vào đó, điều đã được quan sát trong các điều kiện hiện trường là các lớp bụi bám trên bề mặt vật cách điện và che khuất bản chất kỵ nước của quá trình xử lý.

Ngoài ra, các dòng điện rò được đo tại trạm thử nghiệm đang mang điện. Các mẫu đã xử lý có các giá trị tương đối gần với một mẫu chưa qua xử lý, chủ yếu là do tính kỵ nước bị mất dần. Ngược lại, lớp phủ silicon hoạt động tốt. Lợi ích duy nhất của các phương pháp xử lý đã hé lộ trong nghiên cứu này là khả năng thúc đẩy quá trình rửa dễ dàng hơn vì cặn lắng có thể được loại bỏ với ít thời gian và áp lực nước hơn. Tuy nhiên, tính năng này có thể tỏ ra thú vị đối với các trạm biến áp dễ tiếp cận và rửa sạch hơn so với các đường dây dài trên không.

Tương lai của các phương pháp xử lý nhằm giảm nguy cơ phóng điện bề mặt liên quan đến ô nhiễm các đường dây trên không sẽ yêu cầu các đặc tính tự làm sạch bằng các phương pháp hóa học chịu được hoạt động điện. Các vật liệu hữu cơ dường như không phải là ứng viên như vậy và các vật cách điện phủ silicon hiện nay vẫn vượt trội chủ yếu là do khả năng silicon chuyển dịch tính kỵ nước sang lớp ô nhiễm.

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo “inmr”, tháng 1/2024