Chẩn đoán cách điện chuyên sâu bằng phổ điện môi (phần 1)

10/04/2020
DIRANA_3

Tác giả: Maik Koch, Michael Krueger and Markus Puetter

Tóm tắt
Bài báo này thảo luận và so sánh Phổ điện môi theo miền thời gian và tần số với các phép đo điện môi truyền thống như Hệ số tổn hao ở tần số công nghiệp và Chỉ số phân cực.

Đánh giá tình trạng cách điện giấy dầu của các Máy biến áp, đặc biệt là hàm lượng ẩm, ngày càng trở nên quan trọng cho các Máy biến áp vận hành lâu năm cũng như kiểm soát chất lượng cho các Máy biến áp mới tại nhà máy. Sự đòi hỏi những kỹ thuật chẩn đoán tinh vi, tin cậy, chính xác và dễ sử dụng đã làm nên sự phát triển của các phương pháp Đáp ứng điện môi. Phương pháp đầu tiên, gọi là Phương pháp điện áp hồi phục(2) (RVM) hiện đã lỗi thời. Các phương pháp mới, phương pháp dòng điện phân cực/khử phân cực (3) (PDC) và Phổ miền tần số (4)(FDS), đã chứng minh được chúng thích hợp trong chẩn đoán máy biến áp và hiện được sử dụng rộng rãi.

Bài viết này mô tả chi tiết sự giải thích của các phép đo Đáp ứng điện môi trong miền tần số. Đặc biệt vì các tần số thấp phản ánh hàm lượng nước, nên đo lường chúng là quan trọng nhất để phân tích dữ liệu chính xác. Bên cạnh quét tần số, sự đáp ứng của một điện môi với một quét điện áp đang được kiểm tra và thảo luận qua thực nghiệm.

Bài báo đặc biệt chú trọng so sánh giữa các phương pháp Phổ tần số hiện thời với các kỹ thuật đo truyền thống như Thí nghiệm hệ số tổn hao điện môi ở tần số công nghiệp hay 0.1 Hz, hệ số hấp thụ điện môi và chỉ số phân cực. Các phương pháp truyền thống bị hạn chế bởi một khoảng thời gian hoặc dải tần số giới hạn, các lý do này đã cản trở sự phân biệt của các đặc tính điện môi cụ thể. Ví dụ, nếu xuất hiện tổn hao gia tăng, không thể phân biệt được là do cách điện dầu hay do cách điện của giấy. Những trường hợp đo máy biến áp bằng Phổ điện môi đã minh chứng những ưu điểm của phân tích trong một dải tần số rộng.

Giới thiệu Các Thí nghiệm cách điện

   Máy biến áp lực là những phần tử đắt tiền nhất trong hệ thống điện, để kết nối năng lượng điện từ nguồn điện đến nơi sử dụng. Hiện nay có 03 hệ số tác động mạnh lên chúng bao gồm: Nhu cầu tăng cao của năng lượng điện, trong khi tuổi trung bình của các máy biến áp đang tăng và các chính sách bảo dưỡng bắt buộc phải thay đổi bởi sức ép giá thành trong các thị trường điện tự do. Ngành điện cố gắng tạm ngừng đầu tư vào các thiết bị mới và chuyển sự bảo dưỡng theo thời gian sang các kế hoạch bảo dưỡng theo tình trạng thiết bị (5) (CBM). Để thực hiện được chiến lược này, nhu cầu cho các phương pháp chẩn đoán mới tăng cao – các phương pháp có khả năng đánh giá một cách chính xác tình trạng của thiết bị.

   Vấn đề tuổi thọ của máy biến áp trên thế giới, Tại tất cả các nước phát triển, phần lớn tỷ lệ các máy biến áp gần đạt được tuổi thọ như trong thiết kế. Ví dụ tại Hoa Kỳ, tuổi thọ trung bình của các máy biến áp lớn là 35 năm, trong khi tuổi thọ thiết kế là 40-50 năm. Một tác giả kết luận: “Dữ liệu chúng ta chỉ ra rằng hơn 110.000 máy biến áp lớn được lắp đặt tại Hoa Kỳ, có tới 2% sẽ hỏng trong năm nay, nghĩa là 2200 máy…các đơn vị cần các giải pháp chất lượng, tin cậy, ít phải bảo trì để cung cấp thông tin kịp thời về chất lượng của máy biến áp”. Sự tiết kiệm về kinh tế đã chứng thực tuyên bố này và nó đang phản ánh một xu hướng trên toàn thế giới.

Tại Đức một điều tra gần đây cho thấy độ tuổi trung bình của các máy biến áp 110 kV là 31 năm, các máy 220 kV là 34 năm và các máy 380 kV là 30 năm. Bảng 1 minh họa những sự cố của máy biến áp theo cấp điện áp, gây ra bởi các hệ thống phụ trợ và phụ thuộc vào thời gian vận hành. Điều này rất quan trọng để biết một cách chính xác tỉ lệ lỗi của thiết bị và để phát triển các qui trình chẩn đoán thích hợp.

Su co mba
Hình 1: Sự cố trong máy biến áp Phân loại theo cấp điện áp và vị trí của các phần tử (hình trái) và đồ thị theo thời gian vận hành (hình phải). Cột Tần suất sự cố liên quan với một khoảng tin cậy 90%

   Các thí nghiệm cách điện cho phép xác định các hư hỏng tiềm ẩn của phần tử đang hoạt động, chủ yếu là hệ thống cách điện và sứ. Bởi vậy, các nhà nghiên cứu trong nhiều thập niên đã tìm kiếm các phương pháp phân tích tình trạng và mức độ lão hóa của hệ thống cách điện. Hệ số tổn hao(6) hay hệ số công suất đã được sử dụng trong nhiều thập niên để đánh giá tổn hao trong vật liệu cách điện. Hình 2 minh họa mạch điện tương đương cho tổn hao trong vật liệu cách điện và sơ đồ vec tơ tương ứng. Mọi vật liệu cách điện rắn hay lỏng có thể được coi như một điện dung C, đại diện cho hoạt động lý tưởng của vật liệu cách điện, và một điện trở R, đại diện tổn hao điện. Hệ số tổn hao tand cho biết chất lượng của vật liệu cách điện, tính bằng tỉ số của dòng điện trở IR và dòng điện dung IC. Hệ số công suất cosin là tỉ số dòng điện trở IR và dòng điện tổng I. Đối với góc nhỏ, ta có thể thấy hệ số tổn hao và hệ số công suất là gần như nhau.

Mach dien tuong duong
Hình 2: Mạch điện tương đương cho vật liệu cách điện và sơ đồ vectơ tương ứng

Trong khi các thí nghiệm truyền thống như hệ số công suất, hệ số tổn hao và chỉ số phân cực đo tại các điểm hoặc vùng tần số hẹp, các phương pháp Phổ điện môi mới hơn kiểm soát thông tin ra ngoài một dải tần số rộng và do đó cho phép phân biệt giữa các tác động khác nhau và thông tin chính xác hơn về tình trạng vật liệu. Bài báo này mô tả sự hiểu biết hiện nay về các đặc điểm phụ thuộc vào tần số và điện áp của cách điện giấy-dầu; sau đó sẽ liệt kê các phương pháp đo hiện thời với các ưu điểm cụ thể và so sánh chúng trong những trường hợp thực tế.

Đặc tính điện môi của các cách điện giấy-dầu

   Đáp ứng quét tần số (7)

Áp dụng quét tần số ngoài một dải tần rất rộng cũng có nghĩa là phép đo đáp ứng điện môi. Đối với cách điện giấy-dầu của máy biến áp lực, sự đáp ứng điện môi bao gồm 03 thành phần: Sự đáp ứng của cách điện cellulose (giấy, tấm ép), sự đáp ứng của dầu và tác động phân cực bề mặt. Độ ẩm, nhiệt độ, kết cấu hình học của cách điện, độ dẫn điện của dầu và các chất có tính dẫn điện được tạo thành trong quá trình lão hóa đều ảnh hưởng đến đáp ứng điện môi.

   Sự xếp chồng của đặc tính điện môi.

Hình 3 (bên trái) thể hiện hệ số tổn hao của tấm ép với hàm lượng ẩm 1, 2 và 3% đo ở 20oC. Hình 3 (bên phải) cho thấy hệ số tổn hao của riêng dầu với độ dẫn điện 1 pS/m đo ở 20oC. Chú ý rằng, ở các tần số thấp, tổn hao là lớn so với tấm ép và hệ số tổn hao chỉ là một đường với một độ dốc -20dB/decade, điều đó là do thực tế thì cách điện dầu cho thấy một cách gần đúng đặc tính dẫn khi bỏ qua các quá trình phân cực.

Đặc tính điện môi của tấm ép và dầu cùng được xếp chồng với quá trình phân cực giữa hai bề mặt. Sự phân cực giữa hai bề mặt là đặc trưng cho các điện môi không đồng nhất với hằng số điện môi hoặc điện dẫn khác. Tại đây điện tích mang theo các ion tập trung tại các bề mặt, tạo thành các đám mây điện tích với tính chất lưỡng cực. Kiểu phân cực này chỉ ảnh hưởng ở tần số dưới vài chục Hertz.

he so ton hao
Hình 3: Hệ số tổn hao của tấm ép chỉ có độ ẩm 1, 2 và 3 % (hình trái) và Hệ số tổn hao của dầu có độ dẫn điện 1 pS/m ở 20 oC

Hình 4 đưa ra cùng lúc Hệ số tổn hao điện môi của tấm ép có 1% hàm lượng ẩm và của dầu với tác động của phân cực bề mặt (kết cấu hình học của cách điện). Dải tần số từ 1000-10 Hz bị ảnh hưởng bởi cách điện cellulose, tuy nhiên các cáp đo lường và kỹ thuật đấu nối (trong quá trình sản xuất máy biến áp) cũng ảnh hưởng đến khoảng này. Độ dẫn điện của dầu gây nên độ dốc theo bước ở 1-0.01 Hz. Các sản phẩm hòa tan có tính dẫn điện hình thành trong quá trình lão hóa, bồ hóng và các axit có khối lượng phân tử lớn làm tăng độ dẫn điện của dầu và vì thế ảnh hưởng đến vùng này. Sự phân cực bề mặt (kết cấu hình học của cách điện, tỉ lệ dầu với tấm ép) xác định rõ điểm lớn nhất hay điểm “lồi” ở

0.003 Hz. Tỉ lệ dầu so với tấm ép càng lớn, tác động này càng có ảnh hưởng hơn. Cuối cùng, đặc tính của cellulose lại xuất hiện ở tần số dưới 0.0005 Hz, tại đây phản ánh độ ẩm, quá trình sản xuất và các axit có khối lượng phân tử nhỏ. Các giới hạn tần số tương tự với Hình 4, nhưng sẽ biến đổi trong dải rộng cùng với độ ẩm, độ dẫn điện của dầu, kết cấu hình học của cách điện, nhiệt độ và tổng hợp các sản phẩm có tính dẫn điện sinh ra trong quá trình lão hóa.

he so ton hao cua ca dau và tam ep
Hình 4: Hệ số tổn hao của cả dầu và tấm ép với tác động của phân cực bề mặt (kết cấu hình học của cách điện).

   Tác động của độ ẩm. Đối với sự đáp ứng điện môi của tấm ép, độ ẩm làm tăng một cách đặc biệt tổn hao ở dải tần số thấp. Do vậy, phần đường cong bên phía tay trái của vùng ảnh hưởng bởi kết cấu hình học của cách điện được dùng để xác định tính chính xác của độ ẩm. Vì tấm ép cũng thể hiện ở tần số cao hơn 10 Hz như trong hình 4, điều đó cho thấy rằng cũng có khả năng đo ở dải tần số này. Tuy nhiên, độ ẩm đặc biệt ảnh hưởng ở nhánh tần số thấp của đường hệ số tổn hao. Hình 3 minh họa, rằng phần tần số cao của đường Hệ số tổn hao rất gần với những hàm lượng ẩm có tính thay đổi, trong khi phần tần số thấp cho thấy khác. Vì vậy, nếu dải đo được giới hạn cho những tần số cao, độ chính xác của việc xác định hàm lượng nước sẽ rất nhỏ, chỉ cho phép xác định một cách gần đúng giữa ẩm và khô. Với việc tăng hàm lượng ẩm và độ dẫn điện của dầu, đường cong di chuyển về phía các tần số cao hơn, nhưng hình dáng thì vẫn giống. Hình 5 (bên trái) mô tả hệ số tổn hao ngoài tần số cho hàm lượng ẩm 3% và độ dẫn điện của dầu 10pS/m ở nhiệt độ cách điện 20oC.

he so ton hao của cach dien giay dau
Hình 5: Hệ số tổn hao của cách điện giấy dầu ở nhiệt độ cách điện 20oC với tấm ép có hàm lượng ẩm 3% và dầu với độ dẫn điện 10pS/m (hình trái) và giống như vậy ở nhệt độ 50oC với độ dẫn điện của dầu tương ứng là 43 pS/m (hình phải)

Tác động của Nhiệt độ. Hình 5 (bên phải) minh họa sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên cùng một hệ thống cách điện. Ở 50oC tổn hao của giấy ép cùng với độ dẫn điện của dầu(8) tăng lên trong khi hình dáng của đường cong vẫn còn khá giống nhau.
Kết luận, một sự quét tần số lên tổn hao điện môi của các cách điện giấy dầu như đã mô tả trong hình 4 và hình 5 cung cấp thông tin về tấm ép, dầu và tác động của phân cực bề mặt.

   Đáp ứng quét điện áp(9). Đặt một quét điện áp lên cách điện giấy dầu là một qui trình chẩn đoán cũ và cũng đã được biết như “thí nghiệm tip-up” (10). Sự biến đổi phép đo điện dung và hệ số tổn hao truyền thống tận dụng thực tế là hệ số tổn hao hay hệ số công suất sẽ thay đổi với điện áp xoay chiều đặt vào. Ví dụ điện áp được tăng từ 6 kV đến 36 kV và hệ số tổn hao được ghi lại. Tần số được giữ không đổi ở 0.1 Hz. Theo như cách hiểu chung, độ lớn của sự thay đổi chỉ ra sự già cỗi của cách điện.

Để nghiên cứu đặc tính cách điện được phản ánh thế nào bởi một quét điện áp, một mô hình cách điện bao quát được sử dụng, gọi là “Pancake Model”. Mẫu này bao gồm 8 cuộn hình bánh kếp với các ống dẫn dầu giữa chúng. Tỉ lệ giữa các tấm chắn và miếng đệm với dầu trải từ 15-90%, mô phỏng cách điện chính của các hình dạng máy biến áp khác nhau, dầu biến áp đã qua sử dụng (độ dẫn điện 16.5 pS/m) đổ vào thùng. Hàm lượng ẩm trong cellulose là 1,1 %, đã đo cho các mẫu giấy và tấm ép.

Hình 6 (bên trái) hiển thị hệ số tổn hao ở 0.1 Hz như là một hàm số của điện áp với các tỉ lệ thay đổi giữa dầu và giấy, từ 15 đến 90%. Từ những kết quả quan sát được, lượng dầu lớn làm tăng hệ số tổn hao. Một phép đo hệ số tổn hao ở điểm tần số đơn sẽ không chỉ phản ánh tình trạng vật liệu mà còn cả kết cấu hình học của cách điện. Hơn nữa, đồ thị còn mô tả sự phụ thuộc điện áp của hệ số tổn hao. Rõ ràng là, lượng dầu lớn làm tăng phụ thuộc điện áp (có thể thấy trên các đường cong của mô hình có tỉ lệ dầu/cellulose cao). Hình 6 (bên phải) chứng minh giả định này. Tại đây hệ số tổn hao của riêng dầu được mô tả như một hàm số của lực điện trường đặt vào; điện trường càng mạnh, tổn hao điện môi càng nhỏ. Trong khoa học, tác động này được biết như là tác động Garton(11). Bản thân hệ số  tổn hao điện môi của dầu cách điện phụ thuộc vào các chất có tính dẫn điện sinh ra trong quá trình lão hóa như muội than, axit và độ ẩm.

he so ton hao dien moi o 0.1Hz
Hình 6: Hệ số tổn hao điện môi ở 0.1 Hz với sự thay đổi kết cấu hình học của cách điện của mẫu bánh kếp (Pancake model) (hình trái) và Hệ số tổn hao điện môi của 04 mẫu dầu với sự biến đổi độ già cỗi của mẫu và chỉ số axít (12) (NN: Neutralization number) phụ thuộc vào tác động của lực điện trường (hình phải)

Kết luận, một quét điện áp của hệ số tổn hao điện môi trong máy biến áp lực chủ yếu phản ánh tình trạng và sự phụ thuộc điện áp của dầu trong sự kết hợp với kết cấu hình học của cách điện.

(Còn tiếp….)

Mời quý độc giả theo dõi tiếp bài viết : tại đây

 

 

 

 

 

This entry was posted in . Bookmark the permalink.
024 6683 0230

Send us
an Email

Contact