Mối quan hệ giữa tuổi thọ cách điện và tích điện không gian trong cáp HVDC-XLPE

94 Vũ Thị Thu Nga 
MỐI QUAN HỆ GIỮA TUỔI THỌ CÁCH ĐIỆN VÀ 
TÍCH ĐIỆN KHÔNG GIAN TRONG CÁP HVDC-XLPE 
CORRELATION BETWEEN INSULATION LIFE AND 
SPACE CHARGE IN HVDC-XLPE CABLE 
Vũ Thị Thu Nga 
Trường Đại học Điện lực; ngavtt@epu.edu.vn 
Tóm tắt - Một trong số các yếu tố ảnh hưởng đến sự làm việc của 
cáp điện một chiều cao áp (HVDC) là sự biến thiên của phân bố 
điện trường trong lớp cách điện sinh ra từ sự kết hợp giữa chênh 
lệch nhiệt độ trong cáp, không đồng nhất về điện dẫn và sự tích 
điện không gian. Mục đích của nghiên cứu này là thảo luận về mối 
quan hệ giữa tuổi thọ của cách điện với sự tích điện không gian 
trong cáp điện một chiều cao áp cách điện polymer liên kết ngang 
(HVDC-XLPE) dựa trên các mô hình về tuổi thọ cách điện phụ 
thuộc vào ứng xuất điện, với sự xem xét của việc không hoặc có 
xảy ra hiệu ứng đảo chiều điện cực của điện áp đặt. Trong các mô 
hình này, ảnh hưởng của hệ số tăng cường điện trường (FEF), 
mật độ trung bình của điện tích (QM) và mức năng lượng của các 
điện tích tích lũy trong vật liệu khi có điện trường đặt đến độ bền 
của vật liệu cũng được đề cập. Phép đo thực nghiệm điện tích 
không gian cùng các đại lượng liên quan đến tuổi thọ cách điện 
trên các mẫu phẳng và cáp mô hình sẽ được thảo luận. 
Abstract - One of the factors that affects HVDC cable is the field 
distribution inside the insulation resulting from combined processes 
of temperature gradient in the cables, non-linear conductivity and 
space charge accumulation. The purpose of this work is to present 
and discuss a relationship between insulation life and space charge 
in HVDC-XLPE cable based on the models of insulation life under 
electric stress with and without voltage inversion. In these models, 
criteria such as Field Enhancement Factor-FEF, space-averaged 
charge density (QM) and minimum and maximum trap depths 
( min, max) and their influence on material's durability are also 
mentioned. Space charge measurements and results concerning 
insulation life on plaque samples and model cable will be 
discussed. 
Từ khóa - tuổi thọ cách điện; HVDC; tích điện không gian; hệ số 
tăng cường điện trường; phương pháp PEA. 
Key words - insulation life; HVDC; space charge; field 
enhancement factor; pulsed electro-acoustic method. 
1. Đặt vấn đề 
Về mặt kinh tế, khả năng làm việc ở nhiệt độ cao, dễ 
dàng chế tạo bảo dưỡng và thân thiện với môi trường, cáp 
cách điện polymer có nhiều ưu điểm hơn cáp cách điện 
giấy [1]. Vật liệu cách điện polymer được sử dụng trong 
hệ thống truyền tải điện AC đã đạt nhiều thành tựu lớn, 
tuy nhiên khi sử dụng trong truyền tải điện DC thì phải 
đối mặt với thách thức do sự hình thành tích điện không 
gian dưới tác động của các ứng lực điện và nhiệt. Hơn 
nữa, khi làm việc dưới điện áp DC, phân bố điện trường 
không còn là điện dung ở trạng thái ổn định mà chuyển 
sang phân bố điện trở khi đi qua chế độ quá độ (là thời 
gian mà các tích điện không gian được tích lũy). Do đó, 
tác động trực tiếp của tích điện không gian là làm méo sự 
phân bố điện trường trong cách điện dẫn đến việc xác định 
phân bố điện trường dưới điện áp DC không đơn giản. 
Như vậy, một trong các vấn đề chính của cách điện 
polymer trong cáp HVDC là liên quan đến sự hình thành 
tích điện không gian. Đó chính là nguyên nhân làm giảm 
hiệu suất làm việc và tuổi thọ của cáp. 
Các phép đo lượng tích điện không gian trong cách điện 
đã trở nên khá phổ biến trong quá trình nghiên cứu tích điện 
không gian dưới ứng lực điện. Một số hệ thống đo lường 
đã tồn tại với những giá trị tiêu biểu về độ nhạy, độ phân 
giải, mô hình hình học của mẫu đo, đo lường ... Đó là 
những công cụ hiệu quả trong việc tối ưu hóa cấu trúc vật 
liệu bán dẫn/cách điện cho cáp HVDC. Trong bài báo này, 
tác giả giới thiệu phương pháp đánh giá tuổi thọ của vật 
liệu cáp dựa vào các phép đo thực nghiệm độ tích điện 
không gian trên vật mẫu phẳng và cáp mô hình. 
2. Phương pháp đánh giá 
2.1. Mô hình tương quan giữa tuổi thọ vật liệu cách điện 
và tích điện không gian 
Vật liệu polymer trải qua những thay đổi liên tục trong 
suốt trong thời gian hoạt động của nó, thành phần hóa học 
và cấu trúc vi mô của nó có thể thay đổi dưới sự ảnh hưởng 
kết hợp của điện, cơ nhiệt và độ ẩm làm nhiều thuộc tính có 
thể bị biến đổi. Ví dụ, tính dẫn điện và tổn thất điện môi có 
thể sẽ tăng lên trong quá trình làm việc và do đó độ bền cơ 
học cũng như độ bền điện môi của nó bị xấu đi. Cuối cùng, 
vật liệu có thể bị già hóa; kết quả là nó không thể thực hiện 
chức năng cách điện theo đúng tiêu chuẩn yêu cầu. 
Vấn đề thay đổi tuổi thọ của vật liệu cách điện dưới tác 
động kết hợp của các ứng suất điện và nhiệt dưới tác dụng 
của điện áp AC là sự kết hợp ảnh hưởng của các ràng buộc 
riêng biệt. Sự già hóa do nhiệt, nói chung tương ứng với sự 
suy thoái hóa học của vật liệu trong hầu hết các trường hợp 
được mô phỏng bởi luật Arrhenius, sự thay đổi tuổi thọ của 
vật liệu được đặc trưng bởi công thức [2], [3]: 
Lt(T) = L0t exp [ 
−G
kB
(
1
T0
−
1
T
)] (1) 
Trong đó, L0t là tuổi thọ của vật liệu ở nhiệt độ tương 
ứng T0, nó thường là nhiệt độ khí quyển; G là năng lượng 
kích hoạt, năng lượng kích hoạt càng lớn, sự biến động về 
tuổi thọ của cáp càng nhanh. 
Sự già hóa của vật liệu do tác động của điện trường 
được xác định theo luật nghịch đảo công suất theo công 
thức [3]: 
Lt(E) = L0E (
E
E0
)
−n
 (2) 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 95 
Trong đó; L0E là tuổi thọ của vật liệu ở điện trường 
tương ứng E0, n là hệ số công suất liên quan đến sự già hóa 
vật liệu, thường được xác định bởi quá trình hiệu chỉnh phù 
hợp kết quả thực nghiệm của điện áp với thời gian phá hủy 
vật liệu (đặc tính V-t). Giá trị n càng lớn thì tuổi thọ của 
vật liệu càng ngắn. 
Khi không có tác động của điện trường, chỉ có sự già 
hóa do nhiệt tác động vào tuổi thọ của vật liệu. Tuy nhiên, 
dưới một ràng buộc điện áp, tuổi thọ của vật liệu sẽ chịu 
tác động của cả già hóa do nhiệt và điện trường, tuổi thọ 
vật liệu trong trường hợp này được xác định bởi sự kết hợp 
của 2 ràng buộc trên [4]: 
Lt(E, T) = L0 (
E
E0
)
−n′
exp [ 
−G
kB
(
1
T0
−
1
T
)] (3) 
Dưới tác dụng của điện trường DC, sự tích điện 
không gian trong vật liệu có thể là nguồn gốc của sự suy 
thoái vật liệu bởi sự tăng cường của điện trường cục bộ [5]. 
Ở điện trường rất cao, sự xuất hiện điện tích bứt phá từ các 
điện cực gây nên hiện tượng cây điện và mất ổn định nhiệt. 
Dưới điện trường nhỏ hơn, sự già hóa diễn ra chậm hơn và 
tuổi thọ vật liệu được kéo dài hơn, tuy nhiên sự xuất hiện 
của các điện tích không gian (bởi sự thay đổi hình thái của 
vật liệu) có thể góp phần làm tăng tỷ lệ già hóa (liên quan 
đến sự hình thành các khuyết tật trong vật liệu). Như vậy, 
thời gian phá hủy vật liệu tương quan với số lượng điện 
tích tích lũy trong vật liệu [6]. 
Khi cáp điện được thiết kế làm việc với bộ chuyển đổi 
nguồn điện áp SVC (Voltage Source Converter), sự đảo 
chiều luồng công suất sẽ được thực hiện bởi sự thay đổi 
hướng của dòng điện mà không đảo chiều điện áp. Trong 
trường hợp đó, tuổi thọ cách điện sẽ được xác định thông 
qua định luật nghịch đảo công suất – thời gian phá hủy vật 
liệu là hàm của ứng lực điện lớn nhất qua vật liệu: 
N
F
CL 
=
max
1
.
(4) 
Trong đó: Fmax là ứng lực điện lớn nhất qua vật liệu cách 
điện, N là hệ số già hóa và còn được biết như là độ bền điện 
áp (Voltage Endurance Coefficient VEC) và C là hằng số. 
Việc tích tụ không gian dưới điện áp DC có thể tham 
gia vào quá trình lão hóa thông qua việc thay đổi cấu trúc 
vật liệu [7] và có thể làm tăng VEC. Theo công thức 4, xét 
giá trị của VEC là 10, tương ứng với các khuyến nghị của 
Cigré cho các loại cáp đùn cao áp (HV) [8], nếu tăng 10% 
giá trị điện trường (Fmax) thì dẫn đến giảm tuổi thọ khoảng 
3 lần. Đối với cách điện không tối ưu, lượng tích điện 
không gian (yếu tố bóp méo trường) tăng tỷ lệ với điện áp 
đặt. Để giữ được tuổi thọ cáp trong giới hạn có thể chấp 
nhận được, phải giảm điện áp đặt tối đa cho cáp trong thiết 
kế và do đó cũng sẽ làm giảm hiệu suất truyền tải điện. 
Trong trường hợp hệ thống cáp làm việc với bộ chuyển 
đổi điện áp LCC (Line commutated Converters), sự đảo 
ngược điện cực điện áp xuất hiện. Do vậy, cáp cũng phải 
được thiết kế chế tạo để thích ứng với sự làm việc của loại 
ứng lực điện này. Trong trường hợp này, cáp được thử 
nghiệm [9] thông qua các bài kiểm tra tuổi thọ nhanh kết 
hợp với các phép đo điện tích không gian, và đã chứng 
minh rằng tuổi thọ của vật liệu cách điện không chỉ phụ 
thuộc vào điện trường mà còn phụ thuộc vào các thông số 
khác nhau liên quan đến tích lũy điện tích không gian như: 
số lượng điện tích trung bình (QM) thu được dưới điện 
trường đặt Eđặt, tốc độ tiêu tán điện tích (s) trong thời gian 
khử cực tính (E = 0) và tần số đảo ngược phân cực (f). Theo 
mô hình đã được đưa ra bởi Cavallini và cộng sự [10], tỷ 
số giữa tuổi thọ khi có (L1) và không có (L) sự đảo chiều 
phân cực điện áp như sau: 
𝐿1
𝐿
=
1
1+𝐾.𝑠−𝑎1𝑄𝑀(𝐸đặ𝑡).𝑓
𝑎2
 (5) 
Trong đó: 
K, a1 và a2 là các hệ số quan hệ (>0). 
 =
d
M dxtx
d
tQ
0
),(
1
)( 
(6) 
)10ln(
)log(
)(
.
1
minmax0 − 
−
==
Tk
td
tQd
Q
s BM
M 
(7) 
d là khoảng cách giữa các điện cực; QM0 được xác định 
ngay sau khi volt-off, có thể xem xét bằng lượng điện tích 
xuất hiện trong khoảng thời gian volt-on; min, max là độ sâu 
nhỏ nhất và lớn nhất (tương đương với mức năng lượng đạt 
được nhỏ nhất và lớn nhất) của điện tích tích lũy trong vật 
liệu; N0 là năng lượng đơn vị trong khoảng giữa [ min - max]. 
Theo mối quan hệ trong biểu thức (5), ta có thể nhận 
thấy rằng, tuổi thọ cách điện cáp giảm với tần số đảo ngược 
phân cực và số lượng điện tích không gian tồn tại trong vật 
liệu (QM). Đối với vật liệu polymer, QM là hàm của điện 
trường đặt (Eđặt) [9, 10] cho các ứng suất điện ở chế độ 
ohmic theo hàm QM = Eđặtb, b tương đương với tỷ lệ tích 
lũy điện tích với ứng suất đặt. Theo (5), ta thấy tuổi thọ của 
vật liệu khi có sự đảo chiều điện cực (L1) giảm tỷ lệ nghịch 
với tốc độ tiêu tán điện tích. Nó có nghĩa là trong trường 
hợp có sự đảo chiều điện cực, vật liệu nên đẩy các điện tích 
ra nhanh nhất có thể khi điện áp về 0 trong khoảng thời 
gian đảo chiều điện cực. Trong các nghiên cứu cho vật liệu 
khác nhau (ví dụ trên XLPE), các hệ số tương quan (K, a1 
và a2) liên quan đến tuổi thọ cách điện không được thay đổi 
khi thay đổi điều kiện xử lý vật liệu, mà chỉ có các thông 
số liên quan đến điện tích không gian như yếu tố tăng 
cường điện trường, mật độ điện tích bị mắc kẹt và tỷ lệ tiêu 
tán điện tích trong quá trình thay đổi điện áp được thay đổi. 
2.2. Mẫu, phương pháp và điều kiện thực nghiệm 
2.2.1. Mẫu đo 
Các phép đo điện tích không gian được thực hiện trên 
mẫu vật liệu cách điện phẳng và mô hình cáp mẫu. 
Đối với mẫu phẳng: từ các mẫu phẳng vật liệu cách điện 
XLPE và vật liệu bán dẫn (semiconducting - SC) được 
cung cấp từ công ty chế tạo cáp điện, chúng được cắt thành 
hình đĩa với đường kính tương ứng là 10 cm đối với cách 
điện và 12 mm đối với bán dẫn. Ba lớp bán dẫn - cách điện 
- bán dẫn được tiếp tục xử lý liên kết ngang cùng nhau ở 
nhiệt độ 180°C trong 15 phút dưới áp lực để tạo thành mẫu 
đo gồm 3 lớp. Hai lớp bán dẫn được tạo với độ dày khác 
nhau là 200 và 600 µm. Lớp bán dẫn phía trên (600 µm) 
được tiếp xúc với điện cực PEA (điện cực PEA được nối 
với cảm biến sóng âm) để làm suy giảm sự phản xạ của 
sóng âm mà có thể xuất hiện trên bề mặt của mẫu đo và 
điện cực PEA. Lớp bán dẫn phía dưới (200 µm) để giữ độ 
96 Vũ Thị Thu Nga 
phân giải không gian phù hợp trong phép đo. Độ dày của 
lớp cách điện giới hạn đến 500 µm với mục đích đạt được 
điện trường đặt lên tới 40 kV/mm với điện áp đặt tối đa của 
thiết bị PEA là 30 kV. Hình 1 thể hiện mẫu đo phẳng được 
tạo bởi 3 lớp SC/XLPE/SC, với độ dày tương ứng là 
600 µm/500 µm/200 µm. 
Hình 1. Cấu trúc của mẫu phẳng 
Đối với mẫu cáp mô hình: phép đo được thực hiện trên 
cáp có độ dài 3 m, đường kính lõi đồng là 8,2 mm; lớp bán 
dẫn bên trong và ngoài có độ dày tương ứng là 1 mm và độ 
dày của lớp cách điện là 4,5 mm (Hình 2). 
Hình 2. Cấu trúc của mẫu cáp mô hình 
2.2.2. Phương pháp thực nghiệm 
Trong nghiên cứu này, tác giả lựa chọn phương pháp 
xung sóng âm - điện PEA (pulsed electro-acoustic) [11] để 
đo sự tích điện không gian, bởi phương pháp này đơn giản 
và linh hoạt với một dải rộng về độ dày của mẫu đo có thể 
từ hàng trăm micro mét đến vài mili mét cho vật liệu XLPE 
bằng cách thích ứng các đặc tính của thiết bị như độ rộng của 
xung hoặc độ dày của bộ cảm biến điện. Một ưu điểm nữa 
của phương pháp PEA là có thể thực hiện phép đo dễ dàng 
trong cả hai trường hợp volt-on và volt-off, do tính chất kích 
thích và thông qua việc sử dụng các tụ điện tách biệt. Phương 
pháp PEA cũng cung cấp độ phân giải theo thời gian rất cao 
và do đó có thể phát hiện nhanh các hiện tượng thay đổi theo 
thời gian của tích điện không gian, ví dụ như các khối điện 
tích được gọi là “gói tích điện nhanh” [12]. 
Phương pháp này cũng có thể đáp ứng trong việc đo 
điện tích không gian trong mẫu cáp đồng trục với ưu điểm 
là có thể tính toán cả sự ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ 
trong cáp. Tuy nhiên, kết quả có phần sai số do hiệu ứng 
của sự chênh lệch nhiệt độ và tính đến cả cấu trúc hình trụ, 
sự suy giảm sóng âm trong quá trình hiệu chỉnh từ tín hiệu 
thô đo được bởi PEA cáp. 
2.2.3. Điều kiện thực nghiệm 
Đối với mẫu phẳng: các phép đo điện tích không gian 
được đặt với điện áp đặt thể hiện trên Hình 3, bao gồm quá 
trình phân cực/khử cực ở 10, 20, 30 kV/mm, mỗi bước điện 
áp được thực hiện trong 3h, tới điện trường 40 kV/mm sau 
đó đảo ngược điện cực điện áp tới -40 kV/mm trong 3h và 
cuối cùng để thời gian khử cực (V = 0) trong 3h. Đặt bước 
nhảy tăng và giảm của điện trường là 1 kV/mm/s. Phép đo 
được thực hiện trong dải điện trường ở nhiệt độ cố định từ 
25 đến 50°C. Tín hiệu điện tích không gian được ghi lại 
trong toàn bộ thời gian đo với tần số 1 tín hiệu/s. 
Đối với mẫu cáp mô hình: phép đo điện tích không gian 
được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ phòng (không có 
sự chênh lệch nhiệt độ trong cáp) để có sự tương đồng so 
sánh kết quả với mẫu phẳng. Trong các phép đo, cáp được 
đặt điện áp -80 kV trong 90 phút (lớp bán dẫn bên ngoài 
được nối đất (V = 0)). Với điện áp đặt này, điện trường 
tương đương khoảng -25 kV/mm ở lớp bán dẫn bên trong. 
Hình 3. Điện trường đặt áp dụng cho các phép đo tích điện 
không gian trên các mẫu phẳng 
Trong nghiên cứu này, tác giả thực hiện nghiên cứu tính 
toán và trình bày các thông số ảnh hưởng đến tuổi thọ cách 
điện dựa vào phép đo điện tích không gian gồm: 
- Hình ảnh của mật độ tích điện không gian; 
- FEFmax và vị trí của chúng ở thời gian ngắn; 
- Giá trị QM0, max, min. 
3. Kết quả và thảo luận 
3.1. Sự tích điện không gian 
Sự phát triển của điện tích không gian theo thời gian - 
không gian có thể được sử dụng mã màu để thể hiện mật 
độ của điện tích. Từ sự thể hiện này, trạng thái của vật liệu 
được xác định một cách tổng quan dưới quan sát sự tích 
điện của điện tích với các mức điện trường khác nhau. 
Cũng từ sự quan sát này, chúng ta cũng có thể đưa ra các ý 
tưởng ban đầu về tốc độ tiêu tán điện tích trong khoảng thời 
gian volt-off. Ví dụ, Hình 4 mô tả tích điện của vật liệu 
XLPE được thực hiện trong phép đo. Trục X thể hiện thời 
gian (mỗi khoảng thời gian là 3h), trục Y thể hiện độ dày 
của vật liệu (anod ở phía trên, cathode ở phía dưới trước 
khi đảo ngược điện cực). Thang màu thể hiện mật độ điện 
tích tích lũy trong vật liệu (màu xanh thể hiện điện tích âm, 
màu vàng thể hiện điện tích dương). 
Ở 10 kV/mm, các điện tích được bứt phá từ cả hai điện 
cực anode và cathode và hình thành homocharge (điện tích 
cùng dấu với điện cực) trên các điện cực. Trong khoảng 3h 
volt-off tỷ lệ tích điện âm vẫn còn nhưng với mật độ rất nhỏ, 
thể hiện sự tiêu tán nhanh của điện tích sau khi điện áp đặt 
bằng không. Khi điện trường tăng 20 kV/mm đến 
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 5(126).2018, Quyển 1 97 
40 kV/mm, sự tích điện xuất hiện nhanh hơn trong vật liệu 
và lượng điện tích âm chiếm một khoảng không gian lớn 
trong khối vật liệu. Khi đảo ngược điện cực của điện áp, sự 
bứt phá điện tích ở hai điện cực vẫn tồn tại, tuy nhiên điện 
tích dương có sự phân tán nhanh hơn vào trong khối vật liệu. 
Ta có thể nhận thấy rằng, sự đảo chiều điện cực điện áp là 
nguồn gốc của sự hình thành mạnh mẽ cầu điện tích dương, 
nó có xu hướng trung hòa các điện tích âm trong vật liệu. 
Hình 4. Tích điện không gian cho mẫu phẳng. Thang màu thể 
hiện mật độ điện tích không gian (C/m3) 
3.2. Sự phát triển của hệ số tăng cường điện trường 
(FEF) theo không gian - thời gian 
Sự tích điện của điện tích không gian trong vật liệu làm 
thay đổi giá trị điện trường. Giá trị FEF được xác định là tỷ 
số của điện trường cục bộ, xác định được khi có điện tích 
trên điện trường Laplacien (điện trường ban đầu khi đặt 
điện áp), hệ số FEF sẽ bằng 1 nếu không có sự tích điện 
xuất hiện trong vật liệu. Nếu tồn tại điện tích không gian 
tích lũy trong vật liệu, giá trị của FEF nhất thiết sẽ lớn hơn 
1 ở bất kỳ vị trí nào trong vật liệu. Do vậy, điều này rất phù 
hợp cho sự xem xét quá trình phát triển theo thời gian của 
vị trị FEFmax. Vị trí này trong khoảng thời gian phân cực 
(có điện áp đặt) có thể mang tới rất nhiều thông tin thú vị, 
ví dụ: FEFmax tồn tại ở gần điện cực (anode hay cathode) 
có thể tượng trưng cho khả năng tồn tại điện tích trái dấu 
với điện cực đó. Tương tự, giá trị FEFmax tồn tại ở giữa khối 
điện môi có thể là do có sự tích điện homocharge. 
Hình 5 miêu tả sự phát triển theo thời gian của FEFmax 
(cột bên trái) và vị trí của nó (cột bên phải) ở điện trường đặt 
khác nhau trong trường hợp mẫu phẳng XLPE-HVDC. Ở tất 
cả các mức điện trường đặt 10 kV/mm đến 40 kV/mm và -
40 kV/mm, giá trị cao nhất của điện trường tồn tại ở trong 
khối điện môi do có sự hình thành homocharge ở cả 2 điện 
cực. Giá trị FEFmax đạt khoảng 1,22 sau 3 giờ đặt điện áp. 
3.3. Cơ chế tiêu tán của điện tích tích lũy trong vật liệu 
Tổng số lượng điện tích tồn tại trong vật liệu không thể 
xác định đầy đủ bằng giá trị FEF, ví dụ: khi tồn tại liên tục 
các lớp điện tích âm và dương trong vật liệu, ta có thể tính 
toán giá trị FEF đạt trị số nhỏ, nhưng thực tế số lượng điện 
tích có thể là tương đối cao và là tác nhân đẩy nhanh quá 
trình già hóa vật liệu thông qua quá trình tích lũy năng 
lượng cơ - điện [7]. Vấn đề liên quan hơn trong việc xác 
định số lượng điện tích tích lũy là tính toán lượng điện tích 
trung bình dọc theo chiều dày của mẫu đo (QM). Số lượng 
điện tích này được ước tính ngay sau khi điện áp đặt bằng 
không (volt-off) và nó cũng được xem xét coi như là số 
lượng điện tích tích lũy trong khoảng thời gian volt-on. 
Hơn nữa, sự phát triển của QM theo thời gian còn liên quan 
trực tiếp đến sự tiêu tán điện tích. Sử dụng mô hình tiêu tán 
điện tích phù hợp [13], những thông số thích hợp liên quan 
đến các bẫy điện tích (mật độ, mức năng lượng) có thể được 
đưa ra từ các đường cong của QM. 
Hình 5. Sự phát triển của FEFmax và vị trí của nó theo 
thời gian dưới điện trường đặt khác nhau. 
X = 0/d đặc trưng cho điện cực là cathode/anode 
Hình 6 thể hiện các đường cong khác nhau của QM(t) 
thu được trong thời gian của quá trình khử cực (V = 0) 
trong trường hợp mẫu phẳng XLPE-HVDC ở các điện 
trường đặt khác nhau. Ta nhận thấy rằng, trước khi đổi 
chiều điện cực điện áp, số lượng điện tích (ở thời điểm bắt 
đầu của khử cực) tăng với điện trường đặt. Tuy nhiên, giá 
trị QM(t = 0, -40 kV/mm) sau khi đổi chiều phân cực giảm 
dưới giá trị đạt được ở 30 kV/mm. Điều này do sự tổ chức 
lại phức tạp của điện tích không gian được điều khiển bởi 
sự đảo chiều điện áp, ví dụ sự kết hợp giữa sự tồn tại lượng 
điện tích âm trong khối vật liệu ở 40 kV/mm và sự bứt phá 
mạnh mẽ điện tích dương từ điện cực anode sau khi đảo 
chiều điện cực (xem Hình 4). Từ các đường cong của QM 
(Hình 6), theo mô hình tiêu tán điện tích của Dissado [13], 
ta có thể xác định được các giá trị của max và min, thể hiện 
trong Bảng 1 với mức năng lượng từ 0,99 đến 1,18 eV. Từ 
các giá trị của QM0 và max, min ta nhận thấy rằng độ sâu của 
các điện tích tích lũy trong vật liệu (tương ứng với mức 
năng lượng của nó) càng lớn thì các điện tích đã bị tích lũy 
trong vật liệu tiêu tán càng khó khi volt-off. 
3.4. Mẫu cáp đồng trục 
Để kiểm tra sự tương quan giữa mẫu phẳng và cáp thực 
tế, mẫu cáp được sử dụng đo sự tích điện không gian bằng 
hệ thống đo PEA cáp. Thông qua thuật toán giải mã phân 
tích kết quả đo của PEA cáp [14], ta thu được điện tích 
không gian trong lớp cách điện trên mẫu cáp đồng trục, thể 
hiện trên Hình 7. 
Các profile của điện tích thể hiện sự hình thành 
heterocharge (điện tích trái dấu với điện cực) cả trên 2 điện 
cực (thể hiện bởi 2 mũi tên) với số lượng lớn hơn ở gần 
0 50 100 150
1.1
1.2
1.3
t(min)
0 50 100 150
0
0.5
1
t(min)
0 50 100 150
1.1
1.2
1.3
t(min)
0 50 100 150
0
0.5
1
t(min)
0 50 100 150
1.1
1.2
1.3
t(min)
F
E
F
m
a
x
0 50 100 150
0
0.5
1
t(min)
x
E
m
a
x/
d
0 50 100 150
1.1
1.2
1.3
t(min)
0 50 100 150
0
0.5
1
t(min)
0 50 100 150
1.1
1.2
1.3
t(min)
0 50 100 150
0
0.5
1
t(min)
10kV/mm
20kV/mm
30kV/mm
40kV/mm
-40kV/mm
98 Vũ Thị Thu Nga 
phía lớp bán dẫn bên ngoài. Đây là nguyên nhân dẫn tới sự 
đảo ngược điện trường phân bố trong vật liệu (điện trường 
lớp bán dẫn bên ngoài cao hơn lớp bán dẫn bên trong) so 
với điện trường ban đầu khi đặt điện áp (Laplacien). Sự ảnh 
hưởng của điện tích không gian tích lũy trong cáp cũng sẽ 
làm biến dạng điện trường và làm tăng hệ số FEF, yếu tố 
làm giảm hiệu suất hoạt động của cáp. Tuy nhiên giá trị của 
FEF trong mẫu cáp khó có thể so sánh bằng định lượng với 
FEF trên mẫu phẳng bởi ảnh hưởng của sự không đồng nhất 
của điện trường dọc theo độ dày của cách điện cáp (do cáp 
đồng trục). 
Hình 6. Sự phát triển của QM theo thời gian thu được trong 
3h sau khi phân cực (volt-on) ở điện trường đặt khác nhau 
Bảng 1. Giá trị FEFmax và các thông số xác định được theo 
mô hình tiêu tán điện tích khi có sự tích điện không gian trong 
vật liệu XLPE 
Eapp (kV/mm) 10 20 30 40 -40 
FEFmax 1,23 1,22 1,22 1,22 1,21 
QM0(C/m3) 0,26 0,46 0,6 x 0,6 
 min (eV) 0,99 1 1 x 0,99 
 max (eV) 1,17 1,18 1,18 x 1,17 
Hình 7. Sự phát triển của mật độ điện tích theo thời gian 
 trong cách điện của cáp điện đồng trục XLPE-HVDC 
dưới điện áp đặt -80 kV trong 3 giờ 
4. Kết luận 
Tác giả đã giới thiệu phương pháp đánh giá tuổi thọ của 
vật liệu sử dụng trong cáp HVDC từ các thông số tính toán 
được từ phép đo điện tích không gian. Các thông số được 
quan tâm là độ méo điện trường tối đa, mật độ điện tích còn 
lại sau khi volt-off. Với việc sử dụng các thông số này, mặc 
dù kết quả còn sơ lược, chúng ta vẫn có thể có một bức 
tranh về độ bền của vật liệu dưới ứng lực điện DC khi có 
hoặc không có sự đảo chiều điện cực. Hơn nữa, sự so sánh 
về tuổi thọ (độ bền) của các vật liệu khác nhau cũng có thể 
được thực hiện khả thi thông qua các phép đo điện tích 
không gian trong cáp điện XLPE-HVDC. 
Lời cảm ơn: Cảm ơn Phòng thí nghiệm LAPLACE 
(Toulouse, Pháp) đã giúp đỡ tác giả thực hiện các phép đo 
thực nghiệm. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] T. L. Hanley et al., “A General Review of Polymeric Insulation for 
Use in HVDC Cables”, IEEE Electr. Insul. Mag., Vol. 19, No. 1, 
2003, pp. 13-24. 
[2] R. Liu, “Long-Distance DC Electrical Power Transmission”, IEEE 
Electr. Insul. Mag., Vol. 29, No. 5, 2013, pp. 37-46. 
[3] L. Simoni, “A General Approach to The Endurance of Electrical 
Insulation Under Temperature and Voltage”, IEEE Trans. Electr. 
Insul., Vol. EI-16, No. 4, 1981, pp. 277-289. 
[4] G. Mazzanti and M. Marzinotto, Extruded Cable for High-Voltage 
Direct- Current Transmission. Hoboken, New Jersey: JohnWiley & 
Sons, Inc, 2013. 
[5] G C. Montanari, “Bringing an Insulation to Failure: The Role of 
Space Charge”, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 18, No. 2, 
2011, pp. 339-364. 
[6] G. Mazzanti, et al., “Electrical Aging and Life Models: The Role of 
Space Charge”, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 12, No. 5, 
2005, pp. 876-890. 
[7] L.A Dissado et al., “The Role of Trapped Space Charges in The 
Electrical Aging of Insulating Materials”, IEEE Trans. Dielectr. 
Electr. Insul., Vol. 4, 1997, pp. 496-505. 
[8] Cigré Working Group 21.01, “Recommendations for Testing DC 
Extruded Cable Systems for Power Transmission at Rated Voltage 
up to 250 kV”, 2003, pp. 1-29. 
[9] G. C. Montanari et al., “Evaluation of DC Insulation Performance 
Base on Space-charge Measurements and Accelerated Life Test”, 
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 7, 2000, pp. 322-328. 
[10] A. Cavalini et al., “Life Model Base on Space-charge Quantities for 
HVDC Polymeric Cables Subjected to Voltage-polarity Inversions”, 
IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 9, 2002, pp. 514-523. 
[11] T. Maeno et al., “Measurement of Spatial Charge Distribution in 
Thick Dielectric Using the Pulsed Electro-acoustic Method”, IEEE 
Trans. Electr. Insul., Vol. 23, 1988, pp.433-439. 
[12] S. Delpino et al., “Fast Charge Packet Dynamics in XLPE Insulated 
Cable Model”, Proceedings Conference on Electrical Insulation and 
Dielectric Phenomena, Vancouver (Canada), 2007, pp. 421-424. 
[13] L. A. Dissado et al., “Space Charge Injection and Extraction in High 
Divergent Fields”, Proceedings Conference on Electrical Insulation 
and Dielectric Phenomena, Harbin (China), 1999, pp. 23-26. 
[14] B. Vissouvanadin et al., “Deconvolution Techniques for Space 
Charge Recovery Using Pulsed Electroacoustic Method in Coaxial 
Geometry”, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical 
Insulation, Vol. 21, Iss. 2, 2014, pp. 821-828. 
(BBT nhận bài: 09/4/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 24/5/2018) 
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
time(s)
Q
M
(C
/m
3
)
10kV/mm
20kV/mm
30kV/mm
-40kV/mm