Vào khoảng những năm 80 các chống sét phân phối vỏ polymer bắt đầu được sử dụng, thay thế dần cho các chống sét vỏ sứ, do các ưu điểm nổi bật của vật liệu polymer: nhẹ, đàn hồi, không bị nổ vỡ khi có sự cố, khả năng ngấm ẩm và nhiễm bẩn thấp. Tuy vậy, polymer có thể bị ảnh hưởng bởi hiện tượng già hóa trong điều kiện môi trường.
Năm 1993 Công ty Điện lực Manila MERALCO Philippin đã bắt đầu lắp đặt thử nghiệm các chống sét vỏ polymer, cấp phân phối và để đánh giá, so sánh các chất liệu polymer khác nhau do các ảnh hưởng của môi trường. Năm 1998, MERALCO đã tiến hành thu hồi và khảo sát các tính chất vật lí, hóa, điện của các chống sét vỏ polymer được lắp đặt trước đó hơn 1 năm, đến thời gian khảo sát vẫn làm việc tốt. Có được những kết quả khả quan từ việc thử nghiệm, MERALCO quyết định từ năm 1999 chỉ sử dụng chống sét vỏ polymer trên lưới phân phối do Công ty quản lý.
Do các chống sét vỏ polymer được sản xuất từ các vật liệu rất khác nhau, có thể là cao su silicon (silicon rubber), Ethylene Propylene Rubber (EPR), Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), Ethylene Propylene Monomer (EPM), hay hỗn hợp EPR và cao su silicon.
EPDM và EPM có tính chất chống ăn mòn, chống vết nứt, lực xé cao cũng như khả năng chịu mài mòn tốt.
Cao su silicon có tính kháng nhiễm bẩn cao vì thuộc loại vật liệu cách điện polymer (polymer insulator) có tính chống bám nước mạnh nhất, ngoài ra khả năng chịu tia cực tím của cao su silicon cũng rất cao.
Tính chống bám nước là khả năng rất quan trọng của các vật liệu cách điện, là khả năng tạo thành các giọt nước riêng biệt trên bề mặt khi vật liệu bị nước bám vào. Nhờ khả năng này, thay vì trên bề mặt cách điện tạo thành lớp màng nước ẩm dẫn điện, các giọt nước riêng rẽ sẽ đọng lại, dòng rò sẽ nhỏ, nhờ vậy có thể tránh được hiện tượng phóng điện bề mặt. Mặt khác, giọt nước co lại sẽ tập trung bụi bậm trên mặt cách điện polymer (polymer insulator), khi giọt nước trôi, bụi trôi theo luôn. Cách điện polymer (polymer insulator) coi như được rửa bụi triệt để trên bề mặt sau mỗi trận mưa. Xét về khả năng này, vật liệu polymer rất khác với sứ cách điện, vì vật liệu polymer có tính chống bám nước rất cao, trong khi sứ cách điện không có tính chất này.
Thông thường vật liệu cách điện polymer (polymer insulator) đều có tính chống bám nước khi còn mới, tuy vậy, tùy theo chất liệu và công nghệ sản xuất, gia công mà khả năng này sẽ có thể rất khác nhau sau thời gian trong môi trường làm việc. Qua các thử nghiệm tại các cơ sở nghiên cứu khác nhau cho thấy các mẫu cao su silicon vẫn còn giữ khả năng này sau 8 năm làm việc, trong khi 2 trong 3 mẫu EPDM lại hoàn toàn mất khả năng này.
Chương trình thử nghiệm của MERALCO:
số liệu của 237 chống sét polymer từ 5 nhà sản xuất khác nhau, lắp đặt trên lưới điện 34,5 kV trong khoảng thời gian từ 1993 đến 1997. Các chống sét đều thuộc loại MOV không khe hở, điện áp định mức 27 kV, MCOV 22 kV. Vị trí lắp đặt được chọn là vùng có mức ô nhiễm cao, tần suất sét đánh cao, gần bờ biển, khu công nghiệp với các nhà máy ximăng, luyện thép...
Phương pháp đánh giá: dựa trên ít nhất 2 chu trình mùa khô và mùa mưa, nghĩa là ít nhất 2 năm làm việc trên lưới, và dựa vào các tiêu chí sau (cho các mẫu chống sét được thu hồi): Kiểm tra bằng mắt, thử nghiệm dòng rò, thử nghiệm tính chống bám nước, thử nghiệm tính chống nhiễm bẩn. Thử nghiệm phá hủy được tiến hành cho các mẫu (có lựa chọn) (tháo vỏ polymer và các bộ phận bên trong) để kiểm tra khả năng chống ẩm.
Số các chống sét được thu hồi để thử nghiệm:
Từ tháng 11/1997 đến tháng 09/1998 có 28 chống sét được thu hồi để thử nghiệm theo bảng sau:
Không ghi nhận các mẫu của nhà sản xuất D, E vì thời gian vận hành trên lưới quá ngắn (dưới 1 năm).
Nhược điểm lớn của vật liệu cách điện polymer (polymer insulator) là tính chất bề mặt có thể thay đổi theo thời gian do tia cực tím, ô nhiễm, hơi ẩm, nhiệt độ và điện áp.
Kết quả kiểm tra.
Đối với các mẫu của Nhà sản xuất A: không có hiện tượng nứt nẻ, ăn mòn, thủng hay rạn bề mặt. Tuy vậy, ghi nhận hiện tượng đổ bột trắng (chứng tỏ là chất độn được sử dụng trong thành phần của vật liệu) trên toàn bộ các mẫu, mặc dù các mẫu này mới chỉ vận hành trong thời gian 1 năm 10 tháng. Dưới tác động của tia cực tím, bề mặt của mẫu bị tróc đi và làm lộ ra chất độn. Các mẫu đổi màu từ xanh đậm sang trắng (hiện tượng đổ bột). Các vết bẩn bám trên bề mặt có thể tẩy đi bằng tay hay dùng khăn ướt.
Đối với các mẫu của Nhà sản xuất B, C: không có các hiện tượng trên. Bề mặt các mẫu đổi màu từ xám nhạt sang màu trắng bẩn, có thể do các chất bẩn bám vào. Các vết bẩn này không thể tẩy đi bằng tay hay dùng khăn ướt.
Kết luận: Các mẫu A đều có hiện tượng đổ bột trên bề mặt, kết luận này cũng khớp với các quan sát, kinh nghiệm từ các điện lực khác. Hiện tượng trên có thể dẫn đến phóng điện bề mặt trong điều kiện môi trường ẩm ướt và ô nhiễm. Các mẫu B, C đều không có hiện tượng trên, trừ việc đổi mẫu. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu.
Thử nghiệm dòng rò: Dòng rò bao gồm 2 thành phần: dòng rò xuyên bên trong và bên ngoài bề mặt. Thành phần bên ngoài là dòng điện chạy trên bề mặt cách điện, phụ thuộc vào khả năng chống bám nước, chịu nhiễm bẩn, già hóa của vật liệu. Kết quả thử nghiệm cho thấy dòng rò tăng từ giá trị 2% lên đến 9% dòng chuẩn, một trị số không khác biệt đáng kể. Sau khi lau sạch các chống sét, dòng rò giảm thấp, điều này chứng tỏ ô nhiễm làm tăng giá trị dòng rò.
Thử nghiệm khả năng chống bám nước: theo 7 mức từ HC1 (tuyệt đối không bám nước) cho đến HC7 (hoàn toàn bám nước), như hướng dẫn của Swedish Transmission Research lnstitute. Với mỗi chống sét A và B lắp đặt tại vịnh Manila, sau 1 năm 10 tháng, khả năng chống bám nước của chống sét B cao hơn của chống sét A, tuy rằng các tai sứ trên và dưới cùng của mẫu A vẫn còn khả năng chống bám nước (HC1 đến HC3), nhưng bề mặt lại hoàn toàn bám nước, ngay cả khi được lau sạch, điều này có thể do sự phân bố không đều của vật liệu cao su silicon. Chống sét C đặt tại khu vực nhà máy xi măng, sau 1 năm làm việc vẫn có khả năng chống bám nước (HC1 đến HC2), mặc dù bụi xi măng bám đầy bề mặt.
Kết luận: chống sét vỏ cao su silicon có khả năng chống bám nước tốt, trong khi chống sét vỏ EPDM kém hơn về phương diện này.
Đánh giá mức chịu ô nhiễm và mật độ kết tụ hơi muối ESDD.
Tính giá trị ESDD bằng cách đo độ dẫn điện của chất gây ô nhiễm, và sau đó tính hàm lượng muối NACl tương đương. Chỉ số ESDD ảnh hưởng đến điện áp phóng điện bề mặt của vỏ bọc. Bảng 2 cho thấy chống sét vỏ cao su silicon có trị số ESDD cao hơn của vỏ EPDM, cũng như vỏ sứ. Điều này gây khá ngạc nhiên, vì trái với dự đoán. Tuy vậy, cần biết rằng mức độ bám dính chất nhiễm bẩn cao hơn trên bề mặt không liên quan đến khả năng chống bám nước, trong khi chỉ tiêu chống bám nước mới thực sự là yếu tố quan trọng, cần đến hơn khi chống sét phải làm việc trong môi trường ô nhiễm cao.
Kiểm tra khả năng chống ẩm: ẩm xâm nhập vào trong kết cấu chống sét là nguyên nhân hàng đầu gây nên sự cố của chống sét. Thử nghiệm phá hủy cho 7 chống sét để kiểm tra bên trong xem có ẩm xâm nhập hay không. Kết quả cho thấy không có chống sét nào có hiện tượng nhiễm ẩm, điều này khẳng định chống sét vỏ polymer có tỉ lệ sự cố thấp hơn loại chống sét vỏ sứ gốm.
Thử nghiệm tăng tốc quá trình già hóa: Hiện nay, trong phòng thí nghiệm tại Philippin chưa có những phương pháp thử nghiệm quá trình già hóa cho vật liệu polymer với khả năng mô phỏng được mọi khía cạnh như thực tế ngoài môi trường.
Người sưu tầm tài liệu này xin có thêm một vài ý kiến như sau:
Việc sử dụng cách điện composite (polymer) trên lưới điện ở nước ta còn chưa nhiều. Các vỏ cách điện của chống sét ZnO ở nước ta hiện nay hầu hết đã dùng composite thay cách điện gốm. Dùng cách điện composite thay cách điện gốm cho chống sét có những ưu điểm:
Mặt cách điện bị bám bụi sẽ được rửa sạch sau khi mưa do bề mặt composite không bám nước.
Chống sét vỏ composite nhẹ hơn nhiều so với chống sét vỏ cách điện gốm, do đó dễ vận chuyển và lắp đặt hơn.
Composite dẻo, không bị sứt mẻ khi vận chuyển cũng như khi lắp đặt.
Trong vận hành, tránh được hiện tượng mảnh vở khi chống sét nổ làm hư hỏng các thiết bị khác xung quanh.
Xin lưu ý rằng kết quả thử nghiệm của MERALCO như trên cũng một lần nữa khẳng định thống nhất với ý kiến nhiều quốc gia khác là trong các loại vật liệu cách điện polymer, chỉ có vật liệu cao su silicon là tốt hơn cả, vì vật liệu này không bị lão hóa do tia tử ngoại của nắng như các loại vật liệu khác.
Do công nghệ chế tạo cách điện cao su silicon đã phổ biến nên giá thành cách điện loại này không còn đắt nhiều so với cách điện bằng gốm hoặc thủy tinh, nên nhiều nước (Tây Âu, Mỹ, Nam Phi...) đã dùng phổ biến cách điện cao su silicon cho thiết bị điện trong trạm cũng như cách điện đường dây.
Dùng cao su silicon có các ưu điểm vượt trội: chống bụi tốt, nhẹ nên dễ lắp đặt và vận chuyển, chịu kéo tốt, kích thước nhỏ nên có thể giảm chiều cao cột, không bị vỡ khi có ngoại lực cơ khí tác động.
Năm 1993 Công ty Điện lực Manila MERALCO Philippin đã bắt đầu lắp đặt thử nghiệm các chống sét vỏ polymer, cấp phân phối và để đánh giá, so sánh các chất liệu polymer khác nhau do các ảnh hưởng của môi trường. Năm 1998, MERALCO đã tiến hành thu hồi và khảo sát các tính chất vật lí, hóa, điện của các chống sét vỏ polymer được lắp đặt trước đó hơn 1 năm, đến thời gian khảo sát vẫn làm việc tốt. Có được những kết quả khả quan từ việc thử nghiệm, MERALCO quyết định từ năm 1999 chỉ sử dụng chống sét vỏ polymer trên lưới phân phối do Công ty quản lý.
Do các chống sét vỏ polymer được sản xuất từ các vật liệu rất khác nhau, có thể là cao su silicon (silicon rubber), Ethylene Propylene Rubber (EPR), Ethylene Propylene Diene Monomer (EPDM), Ethylene Propylene Monomer (EPM), hay hỗn hợp EPR và cao su silicon.
EPDM và EPM có tính chất chống ăn mòn, chống vết nứt, lực xé cao cũng như khả năng chịu mài mòn tốt.
Cao su silicon có tính kháng nhiễm bẩn cao vì thuộc loại vật liệu cách điện polymer (polymer insulator) có tính chống bám nước mạnh nhất, ngoài ra khả năng chịu tia cực tím của cao su silicon cũng rất cao.
Tính chống bám nước là khả năng rất quan trọng của các vật liệu cách điện, là khả năng tạo thành các giọt nước riêng biệt trên bề mặt khi vật liệu bị nước bám vào. Nhờ khả năng này, thay vì trên bề mặt cách điện tạo thành lớp màng nước ẩm dẫn điện, các giọt nước riêng rẽ sẽ đọng lại, dòng rò sẽ nhỏ, nhờ vậy có thể tránh được hiện tượng phóng điện bề mặt. Mặt khác, giọt nước co lại sẽ tập trung bụi bậm trên mặt cách điện polymer (polymer insulator), khi giọt nước trôi, bụi trôi theo luôn. Cách điện polymer (polymer insulator) coi như được rửa bụi triệt để trên bề mặt sau mỗi trận mưa. Xét về khả năng này, vật liệu polymer rất khác với sứ cách điện, vì vật liệu polymer có tính chống bám nước rất cao, trong khi sứ cách điện không có tính chất này.
Thông thường vật liệu cách điện polymer (polymer insulator) đều có tính chống bám nước khi còn mới, tuy vậy, tùy theo chất liệu và công nghệ sản xuất, gia công mà khả năng này sẽ có thể rất khác nhau sau thời gian trong môi trường làm việc. Qua các thử nghiệm tại các cơ sở nghiên cứu khác nhau cho thấy các mẫu cao su silicon vẫn còn giữ khả năng này sau 8 năm làm việc, trong khi 2 trong 3 mẫu EPDM lại hoàn toàn mất khả năng này.
Chương trình thử nghiệm của MERALCO:
số liệu của 237 chống sét polymer từ 5 nhà sản xuất khác nhau, lắp đặt trên lưới điện 34,5 kV trong khoảng thời gian từ 1993 đến 1997. Các chống sét đều thuộc loại MOV không khe hở, điện áp định mức 27 kV, MCOV 22 kV. Vị trí lắp đặt được chọn là vùng có mức ô nhiễm cao, tần suất sét đánh cao, gần bờ biển, khu công nghiệp với các nhà máy ximăng, luyện thép...
Phương pháp đánh giá: dựa trên ít nhất 2 chu trình mùa khô và mùa mưa, nghĩa là ít nhất 2 năm làm việc trên lưới, và dựa vào các tiêu chí sau (cho các mẫu chống sét được thu hồi): Kiểm tra bằng mắt, thử nghiệm dòng rò, thử nghiệm tính chống bám nước, thử nghiệm tính chống nhiễm bẩn. Thử nghiệm phá hủy được tiến hành cho các mẫu (có lựa chọn) (tháo vỏ polymer và các bộ phận bên trong) để kiểm tra khả năng chống ẩm.
Số các chống sét được thu hồi để thử nghiệm:
Từ tháng 11/1997 đến tháng 09/1998 có 28 chống sét được thu hồi để thử nghiệm theo bảng sau:
Không ghi nhận các mẫu của nhà sản xuất D, E vì thời gian vận hành trên lưới quá ngắn (dưới 1 năm).
Nhược điểm lớn của vật liệu cách điện polymer (polymer insulator) là tính chất bề mặt có thể thay đổi theo thời gian do tia cực tím, ô nhiễm, hơi ẩm, nhiệt độ và điện áp.
Kết quả kiểm tra.
Đối với các mẫu của Nhà sản xuất A: không có hiện tượng nứt nẻ, ăn mòn, thủng hay rạn bề mặt. Tuy vậy, ghi nhận hiện tượng đổ bột trắng (chứng tỏ là chất độn được sử dụng trong thành phần của vật liệu) trên toàn bộ các mẫu, mặc dù các mẫu này mới chỉ vận hành trong thời gian 1 năm 10 tháng. Dưới tác động của tia cực tím, bề mặt của mẫu bị tróc đi và làm lộ ra chất độn. Các mẫu đổi màu từ xanh đậm sang trắng (hiện tượng đổ bột). Các vết bẩn bám trên bề mặt có thể tẩy đi bằng tay hay dùng khăn ướt.
Đối với các mẫu của Nhà sản xuất B, C: không có các hiện tượng trên. Bề mặt các mẫu đổi màu từ xám nhạt sang màu trắng bẩn, có thể do các chất bẩn bám vào. Các vết bẩn này không thể tẩy đi bằng tay hay dùng khăn ướt.
Kết luận: Các mẫu A đều có hiện tượng đổ bột trên bề mặt, kết luận này cũng khớp với các quan sát, kinh nghiệm từ các điện lực khác. Hiện tượng trên có thể dẫn đến phóng điện bề mặt trong điều kiện môi trường ẩm ướt và ô nhiễm. Các mẫu B, C đều không có hiện tượng trên, trừ việc đổi mẫu. Tuy nhiên, điều này không ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu.
Thử nghiệm dòng rò: Dòng rò bao gồm 2 thành phần: dòng rò xuyên bên trong và bên ngoài bề mặt. Thành phần bên ngoài là dòng điện chạy trên bề mặt cách điện, phụ thuộc vào khả năng chống bám nước, chịu nhiễm bẩn, già hóa của vật liệu. Kết quả thử nghiệm cho thấy dòng rò tăng từ giá trị 2% lên đến 9% dòng chuẩn, một trị số không khác biệt đáng kể. Sau khi lau sạch các chống sét, dòng rò giảm thấp, điều này chứng tỏ ô nhiễm làm tăng giá trị dòng rò.
Thử nghiệm khả năng chống bám nước: theo 7 mức từ HC1 (tuyệt đối không bám nước) cho đến HC7 (hoàn toàn bám nước), như hướng dẫn của Swedish Transmission Research lnstitute. Với mỗi chống sét A và B lắp đặt tại vịnh Manila, sau 1 năm 10 tháng, khả năng chống bám nước của chống sét B cao hơn của chống sét A, tuy rằng các tai sứ trên và dưới cùng của mẫu A vẫn còn khả năng chống bám nước (HC1 đến HC3), nhưng bề mặt lại hoàn toàn bám nước, ngay cả khi được lau sạch, điều này có thể do sự phân bố không đều của vật liệu cao su silicon. Chống sét C đặt tại khu vực nhà máy xi măng, sau 1 năm làm việc vẫn có khả năng chống bám nước (HC1 đến HC2), mặc dù bụi xi măng bám đầy bề mặt.
Kết luận: chống sét vỏ cao su silicon có khả năng chống bám nước tốt, trong khi chống sét vỏ EPDM kém hơn về phương diện này.
Đánh giá mức chịu ô nhiễm và mật độ kết tụ hơi muối ESDD.
Tính giá trị ESDD bằng cách đo độ dẫn điện của chất gây ô nhiễm, và sau đó tính hàm lượng muối NACl tương đương. Chỉ số ESDD ảnh hưởng đến điện áp phóng điện bề mặt của vỏ bọc. Bảng 2 cho thấy chống sét vỏ cao su silicon có trị số ESDD cao hơn của vỏ EPDM, cũng như vỏ sứ. Điều này gây khá ngạc nhiên, vì trái với dự đoán. Tuy vậy, cần biết rằng mức độ bám dính chất nhiễm bẩn cao hơn trên bề mặt không liên quan đến khả năng chống bám nước, trong khi chỉ tiêu chống bám nước mới thực sự là yếu tố quan trọng, cần đến hơn khi chống sét phải làm việc trong môi trường ô nhiễm cao.
Kiểm tra khả năng chống ẩm: ẩm xâm nhập vào trong kết cấu chống sét là nguyên nhân hàng đầu gây nên sự cố của chống sét. Thử nghiệm phá hủy cho 7 chống sét để kiểm tra bên trong xem có ẩm xâm nhập hay không. Kết quả cho thấy không có chống sét nào có hiện tượng nhiễm ẩm, điều này khẳng định chống sét vỏ polymer có tỉ lệ sự cố thấp hơn loại chống sét vỏ sứ gốm.
Thử nghiệm tăng tốc quá trình già hóa: Hiện nay, trong phòng thí nghiệm tại Philippin chưa có những phương pháp thử nghiệm quá trình già hóa cho vật liệu polymer với khả năng mô phỏng được mọi khía cạnh như thực tế ngoài môi trường.
Người sưu tầm tài liệu này xin có thêm một vài ý kiến như sau:
Việc sử dụng cách điện composite (polymer) trên lưới điện ở nước ta còn chưa nhiều. Các vỏ cách điện của chống sét ZnO ở nước ta hiện nay hầu hết đã dùng composite thay cách điện gốm. Dùng cách điện composite thay cách điện gốm cho chống sét có những ưu điểm:
Mặt cách điện bị bám bụi sẽ được rửa sạch sau khi mưa do bề mặt composite không bám nước.
Chống sét vỏ composite nhẹ hơn nhiều so với chống sét vỏ cách điện gốm, do đó dễ vận chuyển và lắp đặt hơn.
Composite dẻo, không bị sứt mẻ khi vận chuyển cũng như khi lắp đặt.
Trong vận hành, tránh được hiện tượng mảnh vở khi chống sét nổ làm hư hỏng các thiết bị khác xung quanh.
Xin lưu ý rằng kết quả thử nghiệm của MERALCO như trên cũng một lần nữa khẳng định thống nhất với ý kiến nhiều quốc gia khác là trong các loại vật liệu cách điện polymer, chỉ có vật liệu cao su silicon là tốt hơn cả, vì vật liệu này không bị lão hóa do tia tử ngoại của nắng như các loại vật liệu khác.
Do công nghệ chế tạo cách điện cao su silicon đã phổ biến nên giá thành cách điện loại này không còn đắt nhiều so với cách điện bằng gốm hoặc thủy tinh, nên nhiều nước (Tây Âu, Mỹ, Nam Phi...) đã dùng phổ biến cách điện cao su silicon cho thiết bị điện trong trạm cũng như cách điện đường dây.
Dùng cao su silicon có các ưu điểm vượt trội: chống bụi tốt, nhẹ nên dễ lắp đặt và vận chuyển, chịu kéo tốt, kích thước nhỏ nên có thể giảm chiều cao cột, không bị vỡ khi có ngoại lực cơ khí tác động.
tuvan_tsd