Điện trở cách điện và hệ số phân cực (Phần 1)

17/08/2018
12

Tóm tắt:Thí nghiệm điện trở cách điện (IR Value Test) và Hệ số phân cực (PI Value test) được thực hiện trên máy điện cao áp để xác định sơ bộ tình trạng làm việc của cách điện. Trong các máy điện cao áp và cuộn dây đều bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và tạp chất. Đặc biệt, thí nghiệm Hệ số phân cực được thực hiện để xác định độ khô và sạch của cách điện cuộn dây. Bài viết này trình bày về phép đo điện trở cách điện, đồng thời tổng hợp các hướng dẫn, tiêu chuẩn quốc tế để đánh giá điện trở cách điện và hệ số phân cực của cuộn dây Máy biến áp lực và Máy điện quay.

  1. Điện trở cách điện (Insulation Resistance – IR)

Trong thí nghiệm điện trở cách điện, một nguồn điện áp cao một chiều được đặt vào giữa vật dẫn và đất. Do có điện áp cao DC với giá trị U, sẽ xuất hiện dòng điện I chạy qua cách điện của đối tượng đo. Giá trị điện trở cách điện chính là tỉ số giữa điện áp đặt vào và dòng điện qua cách điện theo đinh luật Ohm:  IR=U/I

Thí nghiệm này có thể thực hiện bằng máy đo điện trở cách điện, các Máy đo điện trở cách điện thường dùng điện áp DC 500V, 2500V và 5000V, giá trị điện áp đặt vào tùy theo điện áp định mức của đối tượng đo.

Các thành phần của dòng điện trong phép đo điện trở cách điện

Sơ đồ tương đương của cách điện trong phép đo IR

Hình 1: Mạch tương đương mô tả 4 thành phần dòng điện khi thí nghiệm điện trở cách điện (theo IEEE43-2013)

Trong đó:

  • IT: Dòng điện tổng (Total value)
  • IC: Dòng điện dung (Capacitance): Tất cả các cách điện đều có bản chất điện môi, nên chúng cũng có tính chất điện dung. Bởi vậy khi đặt điện áp một chiều vào cách điện, ban đầu sẽ xuất hiện dòng điện nạp. Nhưng sau một khoảng thời gian khi thành phần điện dung đã được nạp điện tích hoàn toàn, dòng điện nạp sẽ trở về giá trị zero. Điều đó lý giải vì sao nên đo điện trở cách điện với thời gian đo ít nhất là 1 phút, vì dòng điện nạp sẽ hoàn toàn trở về 0 sau khoảng thời gian 1 phút.
  • IA: Dòng điện hấp thụ (Absorbance): Dòng điện gây nên bởi sự phân cực của các phân tử và kéo theo sự dịch chuyển electron. Dòng điện này xuất hiện từ lúc đặt điện áp vào cho đến khi tất cả các phân tử đều phân cực theo hướng của điện trường, do đó Ithay đổi theo thời gian và giảm về 0 chậm hơn.
  • IG: Dòng điện dẫn (Conductance): dòng điện đi qua thành phần điện trở thực trong cách điện và không đổi theo thời gian
  • IL: Dòng điện rò bề mặt (Surface Leakage): Dòng điện này cũng không đổi theo thời gian đặt điện áp, sinh ra bởi độ ẩm và tạp chất trên bề mặt cách điện.

IT = IC + IA + IG + IL

Hình 2: Các loại dòng điện của cách điện epoxy-mica với dòng điện tương đối thấp (theo IEEE43-2013)

So sánh sự thay đổi giá trị IR hoặc dòng điện tổng theo thời gian đặt điện áp có khả năng cho biết độ sạch và khô của một cuộn dây. Nếu cuộn dây bị nhiễm tạp chất cục bộ ở vật liệu dẫn hoặc bị ẩm, dòng điện tổng IT sẽ khá ổn định theo thời gian, do khi đó dòng rò IL và dòng điện dẫn IG sẽ lớn hơn rất nhiều so với dòng hấp thụ IA. Nếu cuộn dây khô và sạch, thì dòng điện tổng IT thông thường sẽ giảm theo thời gian (hình 2), vì dòng điện tổng bị chiếm ưu thế bởi dòng hấp thụ IA.

Vì vậy, để đánh giá điện trở cách điện có xét đến quá trình phân cực, người ta đưa ra khái niệm hệ số phân cực (Polarization Index – PI), là tỉ số của 02 giá trị IR theo thời gian, tiêu chuẩn hóa cách đọc IR theo thời gian như sau:

  • Các số từ 1-10 là chỉ thời gian tính bằng phút
  • Các số có giá trị trên 15 là chỉ thời gian tính bằng giây.

Ví dụ:   IR30 – Điện trở cách điện trong thời gian 30 giây

IR­1 = IR60: Điện trở cách điện trong thời gian 1 phút

Như đã giải thích ở trên, PI càng cao thì cách điện cuộn dây càng tốt, do khi đó dòng IT giảm nhiều theo thời gian. Tuy nhiên đối với các cách điện không đồng nhất như Máy biến áp, quá trình phân cực xảy ra phức tạp nên PI có thể không phản ánh đúng chất lượng của cách điện.

Tỉ số hấp thụ điện môi (Dielectric Absorption Ratio – DAR)

Hay còn gọi là Hệ số phân cực trong thời gian ngắn, được tính bằng tỉ số giữa giá trị IR trong thời gian 1 phút và IR trong 30 giây (hoặc 15 giây).

  DAR = IR1/IR30

Hiện nay trong các tiêu chuẩn IEC, IEEE hay các khuyến cáo của CIGRE đều không đề cập đến cách đánh giá cách điện cuộn dây của máy điện cao áp theo DAR. Nguyên nhân có thể là khi đo ở thời gian ngắn trong 1 phút, dòng điện hấp thụ IA chưa đạt tới giá trị ổn định. Đặc biệt đối với máy điện quay, dòng IA sẽ trở về 0 sau khoảng thời gian vài phút.

Hệ số phân cực (Polarization Index)

Như đã trình bày ở trên, PI được định nghĩa là tỉ số của giá trị điện trở cách điện theo các khoảng thời gian khác nhau. Tuy nhiên để chuẩn hóa trong việc đo lường và đánh giá, người ta qui định PI là tỉ số giữa giá trị điện trở cách điện trong khoảng thời gian 10 phút IR10 và giá trị điện trở cách điện trong khoảng thời gian 1 phút IR1

PI = IR10/IR1

Việc đo IR ở thời gian 10 phút là đủ để tất cả các phân tử phân cực theo hướng của điện trường và dòng điện hấp thụ IA trở nên ổn định. Cách đánh giá theo PI hiện được sử dụng phổ biến để đánh giá cách điện cho cuộn dây Máy điện quay và Máy biến áp lực.

  1. Đo điện trở cách điện cho cuộn dây Máy biến áp

Thí nghiệm điện trở cách điện xác định giá trị điện trở cách điện giữa cuộn dây với đất hoặc giữa các cuộn dây với nhau. Thí nghiệm điện trở cách điện thường được đo trực tiếp bằng Mega-ohm meter hoặc được tính toán từ các phép đo dòng điện rò và điện áp đặt vào.

Trên thực tế trong phép đo điện trở cách điện khuyến cáo luôn luôn nối tiếp địa vỏ máy biến áp (và lõi từ). Ngắn mạch các pha của từng cuộn dây máy biến áp trên các đầu sứ. Các phép đo điện trở sau đó được thực hiện giữa hai cuộn dây và các cuộn dây khác nối đất.

Không được để hở mạch các cuộn dây trong phép đo điện trở cách điện. Cuộn dây được nối tiếp địa cứng phải được tháo ra để đo điện trở cách điện. Nếu không thể tháo tiếp địa, trong trường hợp các cuộn dây được nối tiếp địa qua trung tính, không thể đo điện trở cách điện của cuộn dây đó. Coi cuộn dây đó như phần nối đất của mạch.

Phép đo điện trở cách điện ảnh hưởng đến kết quả của các phép đo RVM (Điện áp phục hồi – Recovery Voltage Method), FDS (Phổ miền tần số – Frequency Domain Spectroscopy), PDC (Dòng phân cực/rã phân cực – Polarization/Depolarization Current)… nếu như các phép đo này thực hiện ngay sau khi đo điện trở cách điện.

Các cách đấu nối thí nghiệm điển hình

Phụ thuộc vào loại máy biến áp và số lượng cuộn dây, nên sử dụng các đấu nối sau:

Máy biến áp hai cuộn dây

⎯ (HV + LV) – GND

⎯ HV – (LV + GND)

⎯ LV – (HV + GND)

Máy biến áp ba cuộn dây

⎯ HV – (LV + TV + GND)

⎯ LV – (HV + TV + GND)

⎯ (HV + LV + TV) – GND

⎯ TV – (HV + LV + GND)

Máy biến áp tự ngẫu (hai cuộn dây)

⎯ (HV + LV) – GND

Máy biến áp tự ngẫu (ba cuộn dây)

⎯ (HV + LV) – (TV + GND)

⎯ (HV + LV + TV) – GND

⎯ TV – (HV + LV + GND)

Nhiệt độ các cuộn dây và dầu cách điện nên để gần với nhiệt độ tham chiếu 20oC.

Còn tiếp…

Tác giả: Nguyễn Mạnh Thắng- ENTEC A&T

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

Send us
an Email

Contact