NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÃO HOÁ NHIỆT - NƯỚC

CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE BẰNG PHƯƠNG PHÁP

PHỔ ĐIỆN MÔI

Trần văn Tớp, Phạm Hồng

Bộ môn Hệ Thống Điện – Khoa Điện - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

 

TÓM TẮT

Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu quá trình lão hoá bởi tác nhân nhiệt - nước của vật liệu Composite dùng trong cách điện cuộn dây của máy phát điện công suất lớn bằng phương pháp phổ điện môi. Hằng số điện môi và hệ số tổn hao của vật liệu trong quá trình hấp thụ nước ở nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ môi trường được theo dõi trên một miền tần số từ 10-2Hz đến 106Hz ở điện trường thấp cỡ 1V/mm. Thêm vào đó điện trở suất của vật liệu cũng được đo đạc ở điện trường thấp. Phân tích kết quả này cho phép chúng ta nhận dạng những cơ chế gây ra hiện tượng già hoá trong vật liệu, các hiện tượng điện môi nghi và những ứng dụng thực tế.

 

1. Giới thiệu

             Vật liệu Composite với thành phần là nhựa epoxy là loại vật liệu rất phổ biến trong ngành kỹ thuật điện áp cao. Vật liệu này được sử dụng cho cách điện cho máy biến áp, máy điện, cách điện xuyên trong trạm và cả cách điện đường dây [1,2]. Thông thường loại vật liệu composite bao gồm nhựa epoxy gia cố bằng sợi thuỷ tinh và các tấm mica. Trong khi sợi thuỷ tinh tăng cường tính chất cơ của vật liệu thì meca có tác dụng như những tấm barie tàm tăng khả năng chịu phóng điện của vật liệu. Ưu điểm của loại vật liệu này là các đặc tính điện cơ rất tốt, giá thành hạ, khối lượng nhẹ, dễ thiết kế chế tạo. Các ứng dụng của vật liệu composite làm từ epoxy, sợi thuỷ tinh và mica có thể kể đến như cách điện treo, cách điện đỡ, vách ngăn trong các thiết bị đóng cắt, cách điện trong cuộn dây máy điện…Tuy nhiên do bản chất composite, liên kết giữa các thành phần yếu vì vậy chúng rất dễ bị suy giảm đặc biệt là khi chịu các tác dụng của các tác nhân môi trường nhiệt và nước. Khi hấp thụ một vài phần trăm khối lượng nước, các đặc tính điện môi của nó bị suy giảm mạnh: điện trở suất giảm, hằng số điện môi và tổn hao tăng và có thể dẫn tới hiện tượng phóng diện chọc thủng [3].

            Ảnh hưởng nước và nhiệt độ tới đặc tính điện môi của vật liệu composite đã được nghiên cứu từ nhiều năm qua, cả trên epoxy tinh khiết [4] và composite epoxy [5]. Mặc dù vậy bản chất của quá trình già hoá vẫn chưa được hiểu biết một cách cặn kẽ. Do đó, vẫn chưa tìm được một giải pháp khả thi nào để chống lại quá trình già hoá của composite epoxy do tác động của nước.

            Nội dung bài báo này nghiên cứu quá trình già hoá của vật liệu composite epoxy (được cấu tạo từ nhựa epoxy gia cố bằng sợi thuỷ tinh và các tấm mica) dùng làm cách diện trong các thanh dẫn stator của máy phát điện dưới các tác nhân nhiệt và nước. Các máy phát điện này có công suất rất lớn (≈ 1000MV) dùng trong các trung tâm điện nguyên tử. Thanh dẫn trong các máy phát điện này được làm mát bằng nước, vì thế trong quá trình vận hành rất có thể nước sẽ bị khuyếch tán ra ngoài lớp cách điện composite, và gây nên suy giảm về tính chất cách điện của vật liệu và cuối cùng là phóng điện chọc thủng. Đây là tình huống cần tránh khi vận hành nhà máy điện vì hiện tượng phóng điện này gây nên sự cố và máy phát có thể phải nghỉ đến hàng tuần để thay thế thanh dãn hư hỏng. Do đó cần thiết phải có biện pháp kiểm tra chất lượng một cách định kì và chẩn đoán sớm hiện tượng ngấm của nước trong vật liệu các điện để có biện pháp thay thế kịp thời trước khi có phóng diện chọc thủng. Phát triển một công cụ chuẩn đoán như vậy là một mục tiêu dài trong công việc của chúng tôi, bài báo này chỉ trình bày bước đầu nhằm hiểu rõ hơn ảnh hưởng của việc hấp thụ nước lên tính chất điện môi của vật liệu.

 

2. Vật liệu và thiết bị thực nghiệm

            Vật liệu nghiên cứu thuộc họ composite epoxy, được biết dưới cái tên thương mại là Micadur hoặc Isotenax của Alstom, hay Micapal của General Electric. Nó có cấu trúc xếp lớp bao gồm các tấm mica dày khoảng 80μm, các bó sợi thuỷ tinh dày khoảng 50μm (đường kính mỗi sợi khoảng 5μm), tất cả cùng được nhúng trong nhựa epoxy và được nung ở nhiệt độ thích hợp với chất làm rắn tương ứng. Độ dày thực của lớp cách điện trong cuộn dây máy điện là xấp xỉ 4mm.

            Mẫu được chuẩn bị như sau: Trước tiên chúng được nung trong chân không ở nhiệt độ 1300C để đảm bảo khử hết nước có trong vật liệu, lúc đó vật liệu được coi như hoàn toàn khô và khối lượng của nó khi đó ứng với hàm lượng nước là 0%. Sau đó mẫu được ngâm vào nước đã khử ion (điện trở suất 106Ωcm) ở nhiệt dộ 1000C. Mẫu được cân định kì bằng cân điện tử (độ chính xác 0.1mg) để theo dõi đường đặc tính của hàm lượng nước.

            Điện trở suất và hằng số điện môi của vật liệu được đo theo độ biến thiên của hàm lượng nước trong vật liệu. Điện cực là các lá đồng dán lên vật liệu, hệ đện cực gồm ba điện cực: điện cực cao áp, điện cực đo và điện cực bảo vệ được xắp xếp để điện trường đặt vào vuông góc với chiều của các thành phần composite. Hằng số điện môi phức ε* = ε-jε’’ (với ε’ là hằng số điện môi, còn ε’’  là hệ số tổn hao) được đo trong miền tần số từ 0,01Hz đến 1MHz bằng cách sử dụng tổng dẫn kế của hãng Novocontrol, điện áp đặt vào cỡ khoảng 3V. Điện trở suất của vật liệu được đo bằng cách đo dòng điện ổn định ở khoảng thời gian sau khi đặt điện áp vào 100s, ở thời điểm này dòng điện chạy qua vật liệu được coi như thuần trở, thiết bị để đo dòng là điện kế Keithley 6517.

 

3. Kết quả và phân tích  

3.1. Điện trở suất

            Sự biến thiên của điện trở suất của vật liệu theo hàm lượng nước hấp thụ được chia làm hai chế độ: chế độ thứ nhất ứng với hàm lượng nước thấp (m<0,3%), và chế độ thứ hai có hàm lượng lớn hơn 0,3%. Ở chế độ hàm lượng nước thấp, điện trở suất của vật liệu giảm rất mạnh (6decades khi hàm lượng nước tăng từ 0 đến 0,3%). Ở chế độ thứ hai điện trở suất giảm nhẹ hơn và có xu hướng đạt đến giá trị bão hoà. Quan sát này phù hợp với kết quả thí nghiệm mà Cotinaud và đồng nghiệp [5] đã quan sát thấy trên vật liệu composite chỉ bao gồm sợi thuỷ tinh và nhựa epoxy, trong đó các tác giả đưa ra giả thuyết chế độ thứ nhất ứng với sự hình thành các nhóm phân tử nước trong vật liệu còn chế độ thứ hai ứng với sự bão hoà của nước trong vật liệu, hay nói khác đi là vị trí mà các nhóm phân tử hình thành dần dần được lắp đầy và không có thêm phân tử nào được hấp thụ thêm.

            Cho dù nước được tồn tại trong vật liệu dưới bất kỳ dạng liên kết hoá học nào (nước tồn tại tự do dưới dạng phân tử hay hình thành bởi liên kết Hydro giữa phân tử nước và ma trận epoxyde)  ta có thể dễ dàng quan sát thấy hình dạng của đường cong điện trở suất theo hàm lượng nước có dạng tiêu biểu của lý thuyết thẩm thấu miêu tả sự phụ thuộc của một tính chất điện mô của một vật liệu (trong trường hợp này là điện trở suất) cấu tạo từ một pha dẫn điện nằm rải rác trong một pha cách điện với tỉ lệ thể tích là x%. Nếu tỉ lệ pha dẫn điện vượt quá một ngưỡng Xc nào đó, điện trở suất của vật liệu giảm theo quan hệ [6]:

              (1)

            Trong đó t được gọi là số mũ tới hạn con Po là hệ số ứng với pha dẫn. Trong trường hợp này ta lấy t=1,6 ứng với giá trị lý thuyết của một mạng thẩm thấu ba chiều [6], ta tìm được Po = 2.109  còn Xc = 0,125%. Giá trị ngưỡng này quá bé so với ngưỡng thẩm thấu thông thường (khoảng vài phần trăm). Do khả năng ngậm nước của các chất độn (mica và sợi thuỷ tinh) là bằng không, hiện tượng thẩm thấu chỉ có thể xảy ra trong ma trận epoxy hoặc ở lớp tiếp giáp giữa các lớp. Ta có thể hình dung như sau: Các nhóm phân tử nước hình thành ở trong ma trận epoxy hoặc tại ở các lớp tiếp giáp, lượng nước hấp thụ càng lớn thì càng nhiều các nhóm phân tử nước được hình thành và hợp lại với nhau (hiện tượng thẩm thấu), dẫn tới số kênh dẫn trong vật liệu càng nhiều. Khi vật liệu bị bão hoà (ma trận epoxy và các lớp tiếp giáp không thể nhận thêm nước), pha thẩm thấu không thể phát triển thêm và số kênh sẽ đạt tới trị số không đổi. Trường hợp này ứng với hàm lượng nước đạt tới giá trị 0,3%. Khi số kênh dẫn đạt tới giá trị tới hạn, lượng nước thêm vào chỉ làm tăng tiết diện tiếp xúc giữa các  nhóm phân tử. Khi hàm lượng nước tăng từ 0,37% lên 0,68% giá trị điện trở suất giảm xuống xấp xỉ một nửa (từ 1,7.1010 Ωcm xuống còn 7.109 Ωcm)

 

3.2. Hằng số điện môi tương đối ε

            Các thành phần của hằng số điện môi phức cũng được trình bày theo hàm lượng nước trong vật liệu. Ta quan sát thấy hằng số điện môi tương đối (ε) của vật liệu rất nhạy cảm với nước đặc biệt là ở tần số rất thấp. Tuy nhiên lý thuyết thẩm thấu không thể giải thích được sự tăng vọt của hằng số điện môi ở tần số gần với trường tĩnh điện (). Nghịch lý này đã được Pakhomove [7] giải thích trên kết quả đạt được với màng cách điện làm từ vật liệu nanocomposite có trộn thêm các phần tử kim loại. Các tác giả này đã giả thiết rằng pha dẫn được cấu tạo từ hai pha khác nhau: một pha nhóm phân tử thẩm thấu tạo nên kênh dẫn giữa hai điện cực và làm giảm điện dẫn suất, pha thứ hai là các nhóm phân tử kim loại phân bổ rải rác trong không gian vì thế chưa tạo ra hiện tượng thẩm thấu. Và chính kênh thứ hai này tạo ra hằng số điện môi rất lớn ở tần số thấp. Tương tự như thế trong vật liệu của chúng ta cũng có hai pha nhóm phân tử nước khác nhau, một pha được tạo ra do các nhóm phân tử nước nằm ở lớp tiếp giáp giữa chất độn và epoxy, chúng thẩm thấu và tạo nên kênh dẫn từ điện cực nọ sang điện cực kia. Pha thứ hai hình thành từ các nhóm phân tử nằm rải rác trong ma trận epoxy, chúng không thể tạo thành kênh dãn để giảm điện trở suất của vật liệu mà sẽ làm cho hằng số điện môi tăng cao ở tần số thấp do hiện tượng phân cực ở lớp tiếp giáp [8]. Mặc dù vậy lý thuyết về phân cực ở lớp tiếp giáp này có vẻ như không thể giải thích một cách chi tiết những gì chúng ta quan sát. Thật vậy xét mô hình của Sillars về ảnh hưởng của phân cực lớp tiếp giáp lên hằng số điện môi tĩnh (ở đây là tần số rất thấp) của một hệ vật liệu bao gồm một pha cách điện (trường hợp của chúng ta là composite epoxy) bao quanh một pha dẫn (ở đây là các nhóm phân tử nước). Biểu thức hằng số điện môi khi đó được tính theo [8]:

                (2)

            Ở đây ε là hằng số điện môi ở tần số thấp, εm là hằng số điện môi của vật liệu composite epoxy khi khô (độ khoảng 7 ở tần số 10-2Hz), x là tỉ lệ thể tích của nước còn A là hệ số phân cực ứng với các nhóm phân tử nước có dạng elíp, tức là theo tỉ lệ độ dài theo hai trục a/b (ở đây a là trục theo chiều điện trường) [8]. Nếu a/b = 1/3 (hình cầu dài: prolate). Còn ứng với các nhóm phân tử có dạng rất mỏng a/b = 60 thì hệ số A có thể nhỏ tới 0,001 và nó dẫn tới giá trị ε có thể cao lên tới hàng nghìn như ta quan sát thấy ở tần số thấp. Tuy nhiên vấn đề ở chỗ hằng số thời gian ứng với cơ chế phân cực ở lớp tiếp giáp này được tính như sau [8]:

          (3)

            Trong đó  = 80 và  là hằng số điện môi và điện dẫn của nhóm phân tử nước. Khi hằng số điện môi của vật liệu tăng (nghĩa là khi A tăng hoặc X tăng), theo phương trình (3) thì hằng số thời gian phải tăng, nghĩa là tần số ứng với hiện tượng điện môi nghỉ phải xuất hiện ở tần số càng thấp. Tuy nhiên trên hình vẽ ta lại quan sát thấy xu hướng của phổ hằng số điện môi lại diễn ra theo hướng ngược lại, do đó giải thích hiện tượng này từ quá trình phân cực lớp tiếp giáp tỏ ra thiếu thuyết phục.

            Cơ chế phân cực ở điện cực [9] có thể giải thích một cách tương đối hiện tượng kể trên. Cơ chế này do sự tích tụ của các điện tích ở vùng tiếp giáp giữa điện cực và vật liệu (do sự khác nhau giữa điện dẫn suất của vật liệu làm điện cực và vật liệu điện môi) vì thế có thể tưởn

 

 

g tượng chúng tạo thành những lưỡng cực khổng lồ ở vùng tiếp giáp điện cực-vật liệu và làm hằng số điện môi tăng. Trong trường hợp của chúng ta, các điện tích trong kênh dẫn tạo bởi các nhóm phân tử có thể là nguyên nhân chính gây lên hiện tượng này. Chúng ta sử dụng mô hình đơn giản của Cirkel [10] trong đó hằng số điện môi ở tần số thấp được biểu diễn bằng quan hệ:

           (4)

            Trong đó fo và fL là các hằng số đặc trưng được biểu diễn bằng công thức:

                       (5a)

                     (5b)

            Ở các công thức trên D là hằng số khuyếch tán của các ion (trong trường hợp này là các ion trong kênh dẫn nhóm phân tử). L là độ dài kênh dẫn còn LD là độ dài Debye (độ dày của lớp điện tích tích tụ trên lớp tiếp giáp). Độ dài Debye được tính theo công thức: , trong đó c là mật độ ion trong pha dẫn, e là điện tích của ion còn kT là năng lượng nhiệt. Từ công thức (4) ta thấytăng tỉ lệ nghịch với độ dài Debye, nghĩa là tỉ lệ nghịch với c1/2. Như vậy ta đi đến kêt luận là điện dẫn suất  tỉ lệ thuận với c còn hằng số điện môi ở tần số thấp tỉ lệ thuận với p-1/2. Tần số xảy ra hiện tượng điện môi nghỉ được tính theo[10]:

                 (6)

            Như vậy tần số xảy ra hiện tượng điện môi nghỉ tỉ lệ với p-2/3 hay là tỉ lệ với  . Tức là khi điện dẫn càng cao (vật liệu càng ấm) tần số xảy ra hiện tượng điện môi nghỉ càng tăng về phía tần số cao. Điều này có thể kiểm chứng một cách tương đối trên kết quả thực nghiệm của chúng ta. Cụ thể là ở chế độ nứơc thấp (<0,3%) điện dẫn suất vẫn còn quá bé để chúng ta có thể quan sát thấy hiện tượng điện môi nghỉ ở tần số đo đạc, nói cách khác tần số này nhỏ hơn 10-2Hz. Nó di chuyển vào cửa sổ thực nghiệm khi hàm lượng nước chuyển sang chế độ thứ hai.

 

3.3. Hệ số tổn hao điện môi ε’’

            Như chúng ta đã thảo luận ở trên, cơ chế phân cực điện cực sẽ gây ra tổn hao lớn nhất ở tần số ứng với tần số nghỉ (gần giá trị 10Hz đối với hàm lượng nước cao, và không quan sát thấy ở cửa sổ thực nghiệm với hàm lượng nước thấp).

            Ngoài tổn hao do cơ chế phân cực này gây ra, ta cũng quan sát thấy hệ số tổn hao biến thiên theo nghịch đảo của tần số. Điều này hiển nhên do cơ chế tổn hao này gây bởi hiện tượng điện dẫn trong vật liệu, đường cong thực nghiệm được chia thành 3 thành phần. Thành phần thứ nhất ứng với điện dẫntrong vật liệu:

               (7)

            Phần thứ hai ε’’2 là tổn hao do cơ chế phân cực điện cực gây ra đã thảo luận ở trên. Còn cơ chế thứ ba ε’’3 cũng là một cơ chế phân cực điện môi nghỉ sẽ được nhận dạng ra sau. Để mô tả đóng góp của hai cơ chế này ta sử dụng công thức thực nghiệm của Fuouss-Kirkwood [11]:

                (8)

            Trong đó fm là tần số ứng với tổn hao lớn nhất,  là trị số của hệ số tổn hao lớn nhất còn λ là tham số FK (0<λ<1). Xét một ví dụ về phân tích các đóng góp của cơ chế tổn hao với hàm lượng nước là 0,37%, các trị số thực nghiệm được so sánh với các đường cong theo tổn hao do điện dẫn và hai cơ chế tổn hao do phân cực (hình 5), các tham số trong mô hình này được cho trên bảng 1:

 

Bảng 1: Các tham số tính theo mô hình Fouss-Kirkwood khi hệ số tổn hao được phân tích làm ba thành phần tổn hao

           

Như vậy thành phần thứ hai ứng với tổn hao do cơ chế phân cực điện cực gây nên và do đó fm2 chính là fc. Theo lý thuyết trình bày ở phần III.2 thì , tuy nhiên thực nghiệm của Cirkel cũng chỉ ra là thực tế thì . Điều này khá tương thích với kết quả chúng ta tìm được: khi hàm lượng nước tăng từ 0,37% đến 0,97%, f02 tăng từ 2 lên 22Hz và gần sát với kết quả đo đạc của điện trở suất trong hình 1 trong đó điện trở suất giảm khoảng một đơn vị thập phân (decade).

            Thành phần thứ ba rất có thể là cơ chế phân cực lưỡng cực trong ma trận epoxyde. Tần số nghỉ của nó tăng liên tục với hàm lượng nước hấp thụ. Mặc dù khó có thể nói loại lưỡng cực nào nguyên nhân gây nên hiện tượng này. Khả năng do quá trình phân cực lưỡng cực β và γ của nhựa epoxy (ứng với nhóm hydroxyl và glycidyl) [12] được loại trừ do tần số xảy ra hai quá trình này rất lớn (ở miền GHz) trong quá trình này xảy ra ở tần số thấp hơn nhiều (cực đại là 1,5MHz). Cho dù bản chất của quá trình này có gì đi chăng nữa, hiện tượng tần số tăng với hàm lượng nước cũng phù hợp với hiện tượng bị dẻo hoá của epoxy khi có nước xâm nhập đã được quan sát ở [13].

 

4. Kết luận

Từ những kết quả đã trình bày ở trên, ta có thể rút ra những kết luận sau:

1. Đặc tính cách điện của vật liệu composite epoxy bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự xâm nhập của nước, điện trở suất giảm tới 6 đơn vị trong hệ toạ độ 10 khi hàm lượng nước tăng từ 0 đến 0,3%. Đặc tính này được miêu tả rất tốt bởi lý thuyết thẩm thấu trong đó kênh dẫn dòng điện được hình thành từ các nhóm phân tử nước nằm trong vật liệu

2. Hằng số điện môi tương đối cũng bị ảnh hưởng rất mạnh bởi sự xâm nhập của nước, đặc biệt là ở tần số thấp. Cơ chế phân cực ở lớp tiếp giáp không thể giải thích toàn vẹn được vấn đề, dường như cơ chế phân cực điện cực mới là nguyên nhân chính gây lên sự tăng cao của hằng số điện môi ở tần số thấp.

3. Chúng ta có thể phân biệt được ít nhất ba cơ chế gây nên tổn hao trong bản thân vật liệu. Trong khi ở tần số rất thấp tổn hao do điện dẫn là chủ yếu thì ở tần số cao hơn thì cơ chế tổn hao do phân cực điện cực và một cơ chế do phân cực lưỡng cực gây nên đóng vai trò quan trọng hơn.

4. Trên quan điểm kĩ thuật, sự nhạy cảm của hằng số điện môi và hệ số tổn hao điện môi với hàm lượng nước (đặc biệt ở tần số thấp) gợi ý một công cụ chẩn đoán sớm sự xâm nhập của nước vào vật liệu. Với công suất tiêu thụ rất bé (do làm việc ở tần số thấp) và thời gian khá nhanh (dưới 0,1Hz). Đó cũng là nội dung của một loạt bài báo khác mà chúng tôi sẽ công bố trong thời gian tới.

 

EYETECK

Theo TĐHNN - BKHN