Xác định hàm lượng ẩm bằng các chẩn đoán nâng cao tại hiện trường ( phần 1)

13/04/2020
DIRANA_2

Tác giả: Maik Koch và Micheal Krueger – OMICRON Áo

Giới thiệu chung
Bài báo này thảo luận các phương pháp để đo hàm lượng ẩm trong máy biến áp – sử dụng phương pháp đáp ứng điện môi và biểu đồ cân bằng (equilibrium diagrams). Độ ẩm trong cách điện giấy – dầu là một đặc tính chỉ trạng thái cực kỳ quan trọng gây ra hư hại từ ba cơ chế: làm giảm sức chịu đựng của điện môi, làm gia tăng sự lão hóa của cellulose và nguyên nhân phát sinh bọt nước khi ở nhiệt độ cao.
Trong những năm gần đây, các phương pháp phân tích điện môi đã được phát triển, chúng suy ra hàm lượng ẩm trong vật liệu cách điện cứng từ các đặc tính của điện môi như là hệ số tổn hao hay dòng điện phân cực. Phương pháp đáp ứng điện môi cung cấp những lợi thế đáng kể so với việc xác định độ ẩm qua biểu đồ cân bằng truyền thống, ví dụ như là không cần chờ tới trạng thái cân bằng ẩm. Trong bài viết này, một phương pháp mới được giới thiệu, nó kết hợp các phép đo trong miền tần số và miền thời gian, phương pháp này tạo ra những chẩn đoán tin cậy có thể cho ngay cả các cách điện đã rất già cỗi.
Phần thứ hai của bài báo sẽ phân tích các biểu đồ cân bằng đã dùng để xác định hàm lượng ẩm. Vì ứng dụng truyền thống của các biểu đồ này dẫn đến những kết quả sai lệch, cách diễn giải nâng cao của những biểu đồ cân bằng sử dụng độ ẩm tương đối trong dầu được giới thiệu. Độ bão hòa tương đối trong dầu và cellulose cung cấp các phép đo dễ dàng, chính xác, liên tục và phản ánh ngay lập tức tiềm năng phá hủy của nước trong các cách điện giấy-dầu. Những ví dụ về xác định hàm lượng ẩm ngoài hiện trường so sánh phương pháp mới với cách tiếp cận truyền thống và mô tả sự đánh giá các kết quả phân tích hàm lượng ẩm.

Độ ẩm của cách điện giấy – dầu trong MBA
Máy biến áp đại diện cho những mắt xích đắt tiền nhất kết nối từ nguồn điện đến nơi sử dụng. Do áp lực giá thành trong các thị trường điện tự do, ngành điện cần thay đổi cách bảo dưỡng từ dựa theo thời gian sang phương pháp dựa theo tình trạng thiết bị (CBM).

Các hiệu ứng nguy hiểm của nước
Nước trong cách điện giấy – dầu gây ra 3 hiệu ứng nguy hiểm: làm giảm sức chịu đựng của điện môi, làm gia tăng sự lão hóa của cellulose và nguyên nhân phát sinh bọt nước khi ở nhiệt độ cao. Hình 1 (bên trái) minh họa ảnh hưởng của độ ẩm tương ứng với sự bão hòa và tính axít lên sức chịu đựng điện môi dầu. Các phân tử nước tự phân ly và kích hoạt các chất axit phân ly hỗ trợ các quá trình phá hủy với các phần tử mang điện tích. Điều đáng nói ở đây là, điện áp chọc thủng tương quan tốt với tỷ lệ bão hòa ẩm (%) hơn là với hàm lượng ẩm (ppm).

 

anh-huong-cua-thanh-phan-nuoc
Hình 1: Ảnh hưởng của thành phần nước
Hình trái: Điện áp chọc thủng của dầu phụ thuộc vào độ ẩm tương ứng với độ Bão hòa và trị số acid tổng (Total Acid Number – TAN).
Hình phải: vòng đời của cách điện rắn phụ thuộc vào hàm lượng ẩm và nhiệt độ.

Do quá trình thủy phân, chuỗi dài cellulose bị phân tách thành các mảnh nhỏ hơn. Nước được sinh ra từ các phản ứng này, acid đóng vai trò như chất xúc tác. Vì vậy, mức độ trùng hợp (degree of polymerisation – DP: số lượng vòng nối glucose trên chuỗi cellulose) giảm từ 1000-1500 xuống còn 200-400 là thời điểm kết thúc vòng đời của cellulose. Hình 1 (bên phải) minh họa tuổi thọ trung bình của giấy với giả thuyết DP bắt đầu =1000 và DP kết thúc =200

Kỹ thuật tiên tiến nhất (state-of the art) để xác định hàm lượng ẩm

Quyết định bảo trì như việc sấy khô MBA tại hiện trường đòi hỏi sự hiểu biết về hàm lượng ẩm. Công nghệ tiên tiến nhất cho các phép đo hàm lượng ẩm là biểu đồ cân bằng, ở đây người ta cố suy ra hàm lượng ẩm trong cách điện cứng từ hàm lượng ẩm chứa trong dầu. Phương pháp này không thành công bởi một vài lý do, ở đó sự lão hóa của của dầu và chuẩn độ nước là tác nhân chính. Hơn nữa, chuẩn độ hỗn hợp Karl Fischer bị nhiễm ẩm trong quá trình vận chuyển đến phòng thí nghiệm, các quá trình khác làm nước thoát ra từ mẫu thử, do đó không mang lại sự tương đồng trong việc so sánh kết quả.

Do vậy, giải pháp phân tích điện môi đã được phát triển để quy đổi ra độ ẩm trong giấy và tấm ép từ các đặc trưng điện môi của cách điện. Những phương pháp này hứa hẹn mang lại độ chính xác cao hơn và có thể được dùng trong việc xác định độ ẩm ngoài hiện trường. Bài báo này mô tả một phương pháp phân tích điện môi mới, đó là sự kết hợp đo phổ miền thời gian và miền tần số và đồng thời đưa ra kết quả đáng tin cậy cũng như cho các máy biến áp già cỗi. Hơn nữa, bài báo còn giới thiệu về những cải tiến cơ bản cho các biểu đồ cân bằng.

Đo đặc tính điện môi

Đặc tính điện môi của cách điện

Cách điện nhiều lớp của máy biến áp lực bao gồm dầu và giấy cho thấy các hiện tượng phân cực và dẫn điện. Những phương pháp chẩn đoán điện môi đo tác động của phân cực bề mặt, bắt nguồn từ các bề mặt giữa giấy và dầu. Sự phân cực được xếp chồng bởi độ dẫn điện 1 chiều của cenllulose và dầu. Kết quả mật độ dòng điện tổng theo miền tần số J(w) tạo bởi cường độ điện trường hình sin E(w) có thể được mô tả (1):mo-ta-cuong-do-dien-truong-sinE

Phần ảo của mật độ dòng điện quy đổi ra giá trị điện dung đặc trưng bởi hằng số điện môi ở tần số cao e và độ nhạy ở tần số thấp c’. Phần thực bao gồm dòng điện thuần trở chạy qua điện dẫn DC so và dòng điện thuần trở gây tổn hao điện môi c’’. Quán tính của các phân tử lưỡng cực và các phần tử mang điện tích dịch chuyển trong điện trường gây ra những tổn hao điện môi này.

Các sản phẩm lão hóa có tính dẫn điện ảnh hưởng đến những hiện tượng này. Suy xét độ ẩm từ những yếu tố ảnh hưởng khác là chìa khóa quan trọng để phân tích các phép đo điện môi.

Đẩy nhanh phép đo đặc tính điện môi

Đáp ứng điện môi của cách điện có thể ghi lại trong phổ miền thời gian hoặc phổ miền tần số. Mỗi phép đo dòng điện theo phổ miền thời gian ghi nhận giá trị dòng nạp và dòng xả của cách điện. Chúng được biết đến như là Dòng điện phân cực/Khử phân cực (Polarization and Depolarization Currents – PDC).

Các phép đo phổ miền tần số được bắt nguồn từ các phép đo Tang Delta đã biết từ lâu với một dải tần rộng, đặc biệt ở các tần số thấp. Giải pháp đo này được gọi là Phổ miền tần số (Frequency Domain Spectroscopy – FDS).

Sự phối hợp của dòng điện phân cực theo miền thời gian với phổ miền tần số làm giảm thời gian thí nghiệm đi rất nhiều so với các kỹ thuật hiện có. Thực chất, các phép đo trong miền thời gian có thể được thực hiện trong thời gian ngắn nhưng chúng bị giới hạn trong các tần số thấp (dải dưới 1 Hz). Ngược lại, các phép đo trong miền tần số có thể thực hiện cho các tần số cao nhưng lại mất rất nhiều thời gian ở các tần số thấp. Thiết bị mới thu thập dữ liệu trong miền tần số từ 5kHz đến 0,1Hz (theo PDC) và miền thời gian từ 0,1Hz đến 100µHz hoặc nhỏ hơn (theo FDS). Để đánh giá sâu thêm nữa, dữ liệu miền thời gian được chuyển đổi qua miền tần số. Hình 2 (bên trái) minh họa sự kết hợp các phép đo điện môi theo phổ miền thời gian và tần số.

Ứng dụng mới giảm thời gian của chu trình đo xuống còn 25% so với các phép đo miền tần số thuần túy. Ví dụ như, để có dữ liệu cho dải tần từ 1kHz xuống 0,1 mHz thì cần đến 11 giờ với phép đo miền tần số, nhưng chỉ nhỏ hơn 3 giờ đối với thiết bị mới (hình 2 – bên phải). Một phép đo dòng phân cực và khử phân cực sẽ cần 5,5h để ghi lại dữ liệu ở khoảng thời gian từ 1s đến 10000s tương ứng trong dải tần 1Hz đến 0,1mHz.

ket-hop-do-pho-mien-thoi-gian-va-tan-so
Hinh trái: kết hợp đo phổ miền thời gian và tần số.

 

 

 

bang-so-sanh-thoi-gian-va-dai-tan-do-voi-cong-nghe-khac
Hình phải: bảng so sánh thời gian và dải tần đo với công nghệ khác

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Thời gian đòi hỏi để đo vòng đời chính xác cho một cách điện cụ thể phụ thuộc vào tình trạng của cách điện đó. Để phân tích tiếp hàm lượng ẩm, các đặc tính của cách điện cứng nên được xác định như đã giải thích trong hình 4. Các cách điện khô và nguội đòi hỏi phải đo xuống tới tần số cực thấp, các khoảng thời gian dài như hình 2 – bên phải – là cần thiết. Đối với các cách điện nóng hoặc có độ dẫn điện cao yêu cầu một dải tần số nhỏ hơn nhiều so với dải từ 1kHz đến 0,1Hz, do vậy quá trình giảm xuống vài phút. Đối với dải 1kHz đến 0,1mHz phù hợp với hầu hết các máy biến áp, hệ thống mới cần 25 phút, trong khi một phép đo trong miền tần số thuần túy cần 1 giờ 5 phút.

Thực hiện phép đo

Một phép đo đáp ứng điện môi là một phép đo ba đầu dây bao gồm  điện áp phát, dòng  điện cảm biến (đo) và một đầu bảo vệ (Guard). Công nghệ Guard đảm bảo cho một phép đo không có nhiễu ngay cả ở các điều kiện cách điện hay sứ bị nhiễm bẩn. Đối với các Máy biến áp 2 cuộn dây, sau khi tách ra khỏi lưới, đầu phát áp được đưa vào 2 đầu cuộn cao áp, đầu vào dòng điện nối với cuộn hạ áp và đầu bảo vệ nối với vỏ máy. Phép đo không cần  đợi Máy biến áp nguội đi hay đạt tới trạng thái cân bằng ẩm.

DIRANA có hai kênh đầu vào cho phép rút ngắn thêm thời gian khi đo MBA 3 cuộn dây. Trong trường hợp này, đầu ra điện áp có thể đưa vào cuộn Trung áp, trong khi các kênh đầu vào được kết nối vào cuộn Hạ áp và cuộn Cao áp (hình 3). Tính năng này giảm được nửa thời gian thí nghiệm đối với việc phối hợp miền thời gian và miền tần số.

so-so-2 kenh-do-cho-may-bien-ap-3-cuon-day
Hình 3: Sơ đồ 2 kênh đo cho máy biến áp 3 cuộn dây

 

(Còn tiếp…)

Quý độc giả theo dõi tiếp các phần tại:

Xác định hàm lượng ẩm bằng các chuẩn đoán nâng cao tại hiện trường (phần 2)

Xác định hàm lượng ẩm bằng các chuẩn đoán nâng cao tại hiện trường (phần 3)

 

 

 

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

Send us
an Email

Contact