Ảnh hưởng của thông số chế tạo và chất xúc tác đến mức độ hình thành liên kết ngang trong vật liệu cách điện xlpe cho cáp ngầm HVDC

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 23 71 
ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG SỐ CHẾ TẠO VÀ CHẤT XÚC TÁC 
ĐẾN MỨC ĐỘ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT NGANG TRONG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN XLPE 
CHO CÁP NGẦM HVDC 
INFLUENCE OF FABRICATION PARAMETER AND ADDITIF 
ON THE CROSSLINKING DEGREES FOR XLPE HVDC CABLE INSULATION 
Trần Anh Tùng 
Trường Đại học Điện lực 
Ngày nhận bài: 07/04/2020, Ngày chấp nhận đăng: 14/07/2020, Phản biện: TS. Nguyễn Hữu Kiên 
Tóm tắt: 
Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu lưu biến học để xác định sự ảnh hưởng của quá trình chế tạo 
mẫu và thành phần các chất độn đối với mức độ hình thành liên kết ngang trong vật liệu XLPE sử 
dụng trong cách điện của cáp ngầm cao thế HVDC. Bốn hỗn hợp vật liệu khác nhau về hàm lượng và 
loại peroxyde cũng như phần tử nano được nghiên cứu. Quá trình chế tạo các mẫu được thực hiện ở 
các nhiệt độ và thời gian khác nhau, lần lượt là 160°C trong 90 phút, 180°C trong 30 phút và 200°C 
trong 10 phút. Các kết quả đo lường lưu biến học sau đó đã chỉ ra thông số chế tạo tối ưu cho từng 
mẫu vật liệu nhằm đạt được mức độ hình thành liên kết ngang cao nhất. 
Từ khóa: 
XLPE, peroxyde, lưu biến học, liên kết ngang, HVDC. 
Abstract: 
This paper introduces the results of rheology investigation to determine the influence of the process 
of samples production and the nature of additifs on the cross-linking degree in XLPE materials used 
in the insulation of HVDC high voltage underground cables. Four different material mixtures of 
peroxyde and nanoparticles content were investigated. Manufacturing of the samples was carried out 
at different temperatures and times, 160°C for 90 minutes, 180°C for 30 minutes and 200°C for 10 
minutes respectively. The rheology measurement results then indicate the optimum fabrication 
parameters for each material mixture to achieve the highest level of cross-linking. 
Keywords: 
XLPE, peroxyde, rheology, cross-linking, HVDC. 
1. MỞ ĐẦU 
Cáp ngầm High Voltage Direct Current 
(HVDC) đóng vai trò quan trọng trong 
các lưới điện truyền tải tương lai để 
truyền tải công suất lớn trên một khoảng 
cách xa. Dạng cáp DC này có ưu điểm 
vượt trội so với cáp AC khi không bị giới 
hạn khoảng cách truyền tải do dòng điện 
điện dung như đối với dòng điện xoay 
chiều. Các loại cáp HVDC sử dụng cách 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
72 Số 23 
điện giấy tẩm dầu đã chứng tỏ sự tin cậy 
trong nhiều năm. Tuy nhiên, để giảm chi 
phí và mức độ phức tạp khi bảo dưỡng 
cũng như giá thành, các loại cáp HVDC 
sử dụng cách điện polymer đang được 
phát triển rộng rãi [1]. Đối với cách 
điện polymer cho cáp HVDC sử dụng 
polyethylene liên kết ngang XLPE, mức 
độ tạo cầu liên kết ngang để đảm bảo tính 
chất điện và độ ổn định cơ học cao là một 
tính chất quan trọng cần kiểm soát [2]. 
Tính chất này lại bị ảnh hưởng nhiều bởi 
nhiệt độ và thời gian chế tạo mẫu. Từ đó, 
nghiên cứu này tập trung làm rõ cơ chế 
hình thành liên kết ngang trong XLPE ở 
các nhiệt độ và thời gian chế tạo mẫu 
khác nhau. Mức độ hình thành liên kết 
ngang sau đó được xác định bằng phép đo 
lưu biến học. 
Hình 1. Cơ chế phản ứng tạo liên kết ngang của polyethylene dùng chất xúc tác dicumyl peroxyde 
2. CƠ CHẾ HÌNH THÀNH LIÊN KẾT 
NGANG TRONG VẬT LIỆU XLPE 
Để đảm bảo tính ổn định cơ học khi cáp 
vận hành ở nhiệt độ cao, polyethylene mật 
độ thấp (LDPE) dùng trong cách điện cáp 
cao thế thường được tạo phản ứng hình 
thành liên kết ngang giữa các chuỗi đa 
phân tử bằng chất xúc tác dicumyl 
peroxyde được nhiệt phân ở nhiệt độ cao. 
Phản ứng này được minh họa trên hình 1. 
Quá trình nhiệt phân dicumyl peroxyde có 
ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành các 
liên kết ngang của chuỗi polyethylene. 
Việc tối ưu các thông số gồm thời gian và 
nhiệt độ nhiệt phân sao cho đạt được tỷ lệ 
hình thành liên kêt ngang cao là yêu cầu 
quan trọng nhằm đảm bảo tính ổn định cơ 
học cho XLPE. 
3. VẬT LIỆU VÀ QUÁ TRÌNH CHẾ TẠO 
MẪU 
3.1. Vật liệu 
Bốn mẫu Polyethylene dưới dạng hạt 
được tích hợp sẵn chất xúc tác peroxide 
tạo liên kết ngang và các phần tử nano với 
các hàm lượng khác nhau được sử dụng 
trong nghiên cứu này. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 23 73 
Bảng 1. Thành phần các hỗn hợp vật liệu được nghiên cứu 
 LDPE Peroxide Cacbon đen Chỉ số dòng chảy 
Hỗn hợp A 98,20% 1,8% dicumyl peroxide 0% 0,8 
Hỗn hợp B 97,30% 1,9% dicumyl peroxide 0,8% 3 
Hỗn hợp C 98,35% 1,65% dicumyl peroxide 0% 2 
Hỗn hợp D 97,40% 1,8% terbutylcumyle peroxyde 0,8% khác bản chất với 
cacbon đen mẫu B 
0,8 
Các mẫu vật liệu lần lượt được gọi là A, 
B, C và D. Trong đó, mẫu B và D được 
trộn thêm một tỷ lệ nhất định cacbon đen. 
Cacbon đen được pha trộn vào các mẫu 
B và D nhằm mục đích hạn chế sự tạo 
thành và tích lũy điện tích không gian 
trong vật liệu cách điện thành phẩm [3]. 
Chất xúc tác peroxyde trong mẫu D là loại 
terbutylcumyle peroxyde có bản chất khác 
so với các mẫu còn lại sử dụng dicumyl 
peroxyde. 
Hàm lượng phần trăm các thành phần của 
bốn loại vật liệu được giới thiệu trong 
bảng 1. 
3.2. Chế tạo mẫu 
Để chế tạo các mẫu phẳng có độ dày 
0,7 mm, các hạt vật liệu được nghiền, đun 
nóng chảy và ép khuôn. Nhiệt độ tạo liên 
kết ngang là 160°C, 180°C và 200°C, từ 
đó cho phép tạo được ba loại mẫu khác 
nhau đối với mỗi hỗn hợp vật liệu (được 
gắn nhãn là AX160, AX180 và AX200 
đối với hỗn hợp A, cách ký hiệu tương tự 
cũng được đặt cho các mẫu của các hỗn 
hợp còn lại). Thời gian thực hiện các phản 
ứng tạo liên kết ngang tại các nhiệt độ 
160°C, 180°C, 200°C lần lượt là 90, 30 và 
10 phút. 
3.3. Đo lường lưu biến học 
Mức độ hình thành liên kết ngang của các 
mẫu vật liệu có thể được đo lường bằng 
các phép đo lưu biến học. 
Hình 2. Nguyên lý áp dụng lực xoắn điều hòa 
lên mẫu polymer trong phép đo lưu biến học 
Nguyên lý của phép đo lưu biến học được 
sử dụng trong nghiên cứu này là áp dụng 
một lực xoắn điều hòa có tần số góc ω tác 
dụng lên một mẫu vật liệu polymer dạng 
chữ nhật như minh họa trên hình 2. 
Tỷ số giữa lực xoắn điều hòa và ứng suất 
xoắn tương ứng trên vật liệu xác định 
thông số phức G* như biểu thức dưới đây: 
𝐺∗ =
𝜎0𝑒
𝑗𝑤𝑡
𝛾0𝑒𝑗(𝑤𝑡−𝛿)
= 𝐺0𝑒
𝑗𝛿
= 𝐺′ + 𝑗𝐺′′ 
(1) 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
74 Số 23 
Trong đó: 
𝜎∗ = 𝜎0𝑒
𝑗𝑤𝑡: lực xoắn điều hòa ở tần số 
góc ω; 
𝛾∗ = 𝛾0𝑒
𝑗(𝑤𝑡−𝛿): ứng suất xoắn tương ứng 
trên vật liệu; 
δ: góc lệch pha giữa lực xoắn và ứng suất 
xoắn; 
G’: môđun đàn hồi phản ánh tính chất đàn 
hồi của vật liệu khi biến dạng (Pa); 
G’’: môđun nhớt phản ánh tính chảy của 
vật liệu khi biến dạng (Pa); 
Môđun đàn hồi G’ cho phép đánh giá mức 
độ hình thành liên kết ngang trong các 
mẫu vật liệu XLPE nhờ vào luật đàn hồi 
cao su [4-5]: 
𝐺′ =
𝜌𝑅𝑇
𝑀𝑐
 (2) 
Trong đó: 
R = 8,31 J mol
-1
 K
 1
; 
ρ: khối lượng riêng của vật liệu (kg m 3); 
T: nhiệt độ (K); 
Mc: khối lượng phân tử giữa các điểm 
hình thành liên kết ngang (kg). 
Hình 3. Môđun đàn hồi và môđun nhớt 
trong miền tần số của các mẫu AX 
Hình 4. Môđun đàn hồi và môđun nhớt 
trong miền tần số của các mẫu BX 
Hình 5. Môđun đàn hồi và môđun nhớt 
trong miền tần số của các mẫu CX 
Hình 6. Môđun đàn hồi và môđun nhớt 
trong miền tần số của các mẫu DX 
Như vậy khi Mc càng nhỏ tương ứng mật 
độ liên kết ngang càng nhiều thì giá trị 
của môđun G’ càng lớn. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 23 75 
Các mẫu vật liệu trong nghiên cứu này 
được thực hiện phép đo lưu biến học ở 
nhiệt độ 120°C (nhiệt độ đo lường này 
được chọn khi vật liệu ở miền cao su), 
trong miền tần số từ 10 3 Hz đến 102 Hz. 
Hình 7. Mức độ hình thành liên kết ngang ở các nhiệt độ phản ứng khác nhau 
của các hỗn hợp vật liệu 
3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 
Kết quả các phép đo lưu biến học đối với 
các mẫu vật liệu của các hỗn hợp A, B, C, 
D được giới thiệu trên hình 3, hình 4, hình 
5 và hình 6. 
Trị số của môđun đàn hồi G’ trong miền 
tần số của các phép đo cho thấy mức độ 
hình thành liên kết ngang đối với hỗn hợp 
A đạt được cao nhất khi phản ứng hình 
thành liên kết ngang xảy ra ở 180°C (mẫu 
AX180). Mức độ hình thành liên kết 
ngang đối với các mẫu AX160 và AX200 
là gần như nhau. 
Bảng tổng hợp trên hình 7 chỉ ra mức độ 
hình thành liên kết ngang ở các hỗn hợp 
vật liệu còn lại. 
Đối với hỗn hợp B, mật độ hình thành liên 
kết ngang cao nhất xảy ra ở nhiệt độ phản 
ứng 200°C. Mẫu C cũng cho mức độ hình 
thành liên kết ngang cao nhất ở 200°C 
(mặc dù ở 180°C cũng cho kết quả tương 
tự). 
Đối với mẫu D, mức độ hình thành liên 
kết ngang cao nhất lại đạt được ở nhiệt độ 
phản ứng thấp nhất 160°C (mẫu DX160). 
Điều này có thể đến từ sự phức tạp trong 
cơ chế phản ứng khi trong hỗn hợp D có 
sự có mặt của loại peroxyde và cacbon 
đen có bản chất khác so với các hỗn hợp 
vật liệu khác. Mặt khác, chi số dòng chảy 
thấp của hỗn hợp vật liệu D cũng như vật 
liệu A có thể khiến cho mức độ hình 
thành liên kết ngang cao nhất đạt được ở 
các nhiệt độ thấp hơn. 
4. KẾT LUẬN 
Các hỗn hợp vật liệu polymer trên nền 
tảng polyethylene mật độ thấp được trộn 
với các phụ gia peroxyde và cacbon đen ở 
các hàm lượng khác nhau. Các hỗn hợp 
này được thực hiện phản ứng tạo liên kết 
ngang ở các nhiệt độ lần lượt là 160°C, 
180°C và 200°C. Môđun đàn hồi từ các 
kết quả đo lường lưu biến học cho phép 
chỉ ra rằng mật độ tạo liên kết ngang 
không đồng nhất tại các nhiệt độ khác 
nhau. Mật độ liên kết ngang cao nhất 
trong các mẫu của hỗn hợp B và C đạt 
được ở nhiệt độ cao nhất 200°C trong khi 
đó mức độ hình thành liên kết ngang 
trong các mẫu của hỗn hợp A và D đạt 
được ở các nhiệt độ thấp hơn. 
Hỗn hợp A Hỗn hợp B Hỗn hợp C Hỗn hợp D
T = 160 C
T = 180 C
T = 200 C
Mức độ hình
thành liên kết
ngang
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
76 Số 23 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] T.L. Hanley, R.P. Burford, R.J. Fleming and K.W. Barber, A General Review of Polymeric 
Insulation for Use in HVDC Cables, El. Ins. Mag.19 (1), pp. 13-24, 2003. 
[2] Y. Li, L. Zhong, L. Cao, H. Ren, W. Zhao and J. Gao, DC Breakdown Characteristics of LLDPE-
based XLPE with Different Crosslinking Degrees, 2018 Condition Monitoring and Diagnosis (CMD), 
Perth, WA, 2018, pp. 1-4. 
[3] T. Tran Anh et al., Investigation of Space-charge Build-up in Materials for HVDC Cable Insulation 
in Relationship with Manufacturing, Morphology and Cross-linking by-Products, IEEE International 
Conference on Solid Dielectrics, Bologna, Italy, June 30 – July 4, 2013. 
[4] A. Hajighasem, K. Kabiri, Cationic highly alcohol-swellable gels: synthesis and characterization, 
Journal of Polymer Research, 2013, 20, 218. 
[5] Jiang H, Su W, Mather PT, Bunning TJ, Rheology of highly swollen chitosan/polyacrylate 
hydrogels, Polymer, 1999, 40, 4593. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Trần Anh Tùng nhận bằng Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện tại Đại học 
Toulouse III năm 2012. Hiện nay tác giả là Trưởng Bộ môn Mạng và Hệ thống 
điện, Trường Đại học Điện lực. 
Lĩnh vực nghiên cứu: tối ưu khả năng tải của cáp ngầm cao thế, lưới điện thông 
minh, vật liệu cách điện nanocomposites. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 23 77