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

13/04/2020
DIRANA_2

Tác giả: Maik Koch và Micheal Krueger – OMICRON Áo

Phân tích các phép đo điện môi

Giải thích trong miền tần số

Phương pháp phân tích điện môi suy ra độ ẩm trong giấy hay tấm ép từ những đặc tính của điện môi như phép đo dòng điện phân cực/khử phân cực, tổ hợp điện dung và hệ số tổn hao. Độ ẩm ảnh hưởng rất lớn đến những đại lượng này.

 

bieu-do-giai-thich-cho-FDS
Hình4: Biểu đồ giải thích cho FDS thể hiện sự phân biệt giữa các ảnh hưởng của độ ẩm, sự lão hóa, độ dẫn điện của dầu và kết cấu hình học của cách điện

Hệ số tổn hao vẽ lên đường đồ thị theo tần số đưa ra đường cong tiêu chuẩn hình chữ S. Khi tăng hàm lượng ẩm, nhiệt độ hoặc lão hóa, đường cong sẽ dịch chuyển về phía các tần số cao hơn. Độ ẩm ảnh hưởng ở các phần tần số cao và tần số thấp. Phần ở giữa của đường cong với độ dốc lớn phản ánh độ dẫn điện của dầu. Các tình trạng kết cấu hình học của cách điện định rõ điểm “lồi” (hump) bên trái của đoạn có độ dốc lớn. Để xác định hàm lượng ẩm của cách điện, phép đo cần cung cấp dữ liệu phía bên trái của điểm lồi, nơi các thuộc tính của điện môi rắn chi phối.

Phân tích độ ẩm

Xác định độ ẩm dựa vào so sánh đáp ứng điện môi máy biến áp với một đáp ứng điện môi mẫu. Thuật toán thích hợp sẽ sắp xếp lại đáp ứng điện môi mẫu và đem lại hàm lượng ẩm cùng độ dẫn điện của dầu.

Các phép đo tin cậy tại hiện trường dựa vào kho dữ liệu chính xác hàm lượng ẩm của đáp ứng điện môi mẫu. Nguồn dữ liệu cấu thành từ các phép đo cho tấm ép mới tại các nhiệt độ khác nhau, hàm lượng ẩm và dầu đã sử dụng cho xâm nhiễm ẩm. Đặc tính điện môi của tấm ép cũ cũng được đánh giá để bù ảnh hưởng do lão hóa. Để đảm bảo tính chính xác của cơ sở dữ liệu thu được, các kết quả được so sánh với các nghiên cứu trước đó.

Trong thuật toán phân tích độ ẩm, đầu tiên nhệt độ cách điện T từ đáp ứng điện môi đo được C(f) được đưa vào với bản ghi dữ liệu hằng số điện môi tương ứng epb(f) từ cơ sở dữ liệu bổ sung và nội suy. Mô hình X-Y (X-Y model) phối hợp bản ghi dữ liệu hằng số điện môi này cùng với hằng số điện môi dầu phức hợp eOil(f). Mô hình XY cho phép việc tính toán đáp ứng điện môi của một điện môi nhiều lớp tuyến tính. Ở đó X đại diện tỷ lệ của các tấm chắn (barriers) với dầu, Y tỷ lệ giữa các tấm đệm (Spacers) với dầu.

so-do-khoi-thuat-toan-phan-tich
Hình 5:
Hình trái: Lập trình sơ đồ khối của thuật toán phân tích
Hình phải: Miêu tả cách điện của một MBA hình trụ theo mô hình XY

Hằng số điện môi mẫu em(f)= etot(f) được quy đổi thành một điện dung mẫu Cm(f) và sau đó so sánh cùng với đáp ứng điện môi đo được C(f). Điện dung mẫu Cm(f) phù hợp nhất với điện dung đo được C(f) đem lại trị số của hàm lượng ẩm trong cellulose và độ dẫn điện của dầu trong MBA thực tế. Hình 5 – bên trái mô tả lập trình sơ đồ khối của thuật toán phân tích mới.

Xem xét các phụ phẩm có tính dẫn điện sinh ra bởi sự lão hóa

Sự lão hóa của Cellulose và dầu là nguyên nhân sinh ra các phụ phẩm có tính dẫn điện như các acid carboxylic. Những acid này bị tích tụ trong cách điện cứng và bão hòa trong dầu. Độ dẫn điện DC của chúng làm tăng tổn hao và do đó “làm giả” lượng nước.

he-so-hap-ton-hao
Hình 6: Hệ số hấp tổn hao với mẫu giấy tấm ép bị lão hóa và mới có hàm lượng ẩm tương đồng khi cách điện ở cùng một nhiệt độ là 20oC.

Hình 6 so sánh hệ số tổn hao của vật liệu lão hóa so với vật liệu mới. Ở cùng một hàm lượng ẩm giống nhau, tổn hao trong các vật liệu bị lão hóa cao hơn rất nhiều so với vật liệu mới. Theo đó, thuật toán phân tích độ ẩm mà không bù trừ cho các sản phẩm lão hóa có tính dẫn điện sẽ đánh giá quá mức hàm lượng ẩm. Điều này có thể gây nhầm lẫn việc sấy không cần thiết các máy biến áp. Một phần mềm mới được phát triển sẽ cân đối (bù) ảnh hưởng của các chất dẫn điện sinh ra trong quá trình lão hóa, đem đến một phân tích độ ẩm chính xác hơn tại các máy biến áp già cỗi. Dù vậy, các phép đo thiết thực sẽ được sử dụng để cải thiện tính năng của thuật toán bù.

Đo độ ẩm qua cân bằng ẩm

Cân bằng ẩm

Cân bằng ẩm căn cứ vào ba điều kiện: cân bằng nhiệt (nhiệt độ), cân bằng cơ học (áp suất) và cân bằng hóa học. Cân bằng nhiệt động học có thể đạt được, nếu các quan sát bằng mắt thường không thay đổi theo thời gian vị trí. Một cân bằng, về phương diện thời gian, có thể là trong quá trình mang tải không đổi của một máy biến áp. Mặc dù vậy các quan sát sẽ thay đổi theo vị trí. Cân bằng cho thời gian vị trí chỉ có thể đạt được trong các vùng giới hạn cục bộ, ví dụ giữa cellulose và dầu bao quanh ở các nhiệt độ cao và dòng dầu chậm.

Cân bằng ẩm có nghĩa là, không có sự dịch chuyển của các phân tử nước xuất hiện bên trong các vật liệu và giữa dầu và cellulose. Độ ẩm dịch chuyển đến khi áp suất hơi nước P đạt được giá trị giống nhau, do đó những khác biệt trong áp suất hơi ẩm chi phối cho sự dịch chuyển độ ẩm (2):

P (Cellulose)  = P (Oil)  = P (Air) (2)

Giả sử cùng các qui tắc nhiệt độ và áp suất, sự trao đổi độ ẩm có thể được mô tả dưới dạng mức bão hòa tương đối. Hàm lượng ẩm liên quan đến mức độ bão hòa trong các vật liệu liền kề trở nên cân bằng (3). Vật liệu có thể là cellulose, dầu, khí thậm chí là nhựa.

RS (Cellulose) = RS (Oil)= RH (Air) (3)

Các biểu đồ cân bằng truyền thống

Đây là một qui trình tiêu chuẩn cho người vận hành các máy biến áp lực để suy ra độ ẩm bằng khối lượng (%) trong cellulose từ độ ẩm bằng khối lượng trong dầu (ppm). Phương pháp này gồm 3 bước: (1) lấy mẫu dầu ở trạng thái vận hành, (2) đo hàm lượng nước bằng chuẩn độ Karl Fischer, (3) suy ra hàm lượng ẩm trong giấy qua biểu đồ cân bằng từ hàm lượng ẩm trong dầu.

Tuy vậy, các lỗi chủ yếu ảnh hưởng đến qui trình này là:

  • Mẫu dầu, quá trình vận chuyển tới phòng thí nghiệm và phép đo độ ẩm bằng chuẩn độ Karl Fischer,
  • Các trạng thái cân bằng ít khi đạt tới được (phụ thuộc vào nhiệt độ theo giờ/ngày/tháng),
  • Đường dốc lớn (steep gradient) và độ không đảm bảo cao (high uncertainty) trong vùng độ ẩm thấp thay đổi sự chính xác,
  • Các biểu đồ từ các nguồn tài liệu khác nhau dẫn tới các kết quả khác nhau,
  • Gradient nhiệt độ trong cuộn dây (trên 30 K) gây ra phân bố độ ẩm không đồng đều,
  • Cân bằng tùy thuộc vào tính tan được của hơi ẩm trong dầu và khả năng hấp thụ hơi ẩm (moisture adsorption) trong cellulose.
Bieu-do-can-bang
Hình 7: Hình trái: Biểu đồ cân bằng độ ẩm của giấy Kraft KP và dầu cùng với các đường cho tấm ép PB mới và giấy Kraft và tấm ép lão hóa
Hình phải: Biểu đồ cân bằng điều chỉnh khả năng hấp thụ hơi ẩm của giấy Kraft mới trong dầu mới và của giấy Kraft thoái hóa do nhiệt trong dầu lão hóa.

Giá trị của biểu đồ cân bằng bị hạn chế đối với các vật liệu gốc đã được dùng để thiết lập các biểu đồ. Đặc biệt sự lão hóa – một cách căn bản – làm thay đổi khả năng hấp thụ hơi ẩm. Hình 7 bên trái là hiển thị các biểu đồ cho trạng thái cân bằng của KP mới với dầu mới ở các nhiệt độ 20, 40, 60, và 80oC. Thêm nữa tại 60 oC biểu thị trạng thái cân bằng ẩm cho tấm ép mới trong dầu mới, cho giấy Kraft cũ và tấm ép cũ trong dầu cũ. Dóng từ điểm hàm lượng ẩm trong dầu là 20ppm, ứng với các đường cong bên trên ta có hàm lượng ẩm trong giấy Kraft mới là 2,9%, tấm ép mới là 2,6%, giấy cũ và tấm ép cũ trong dầu cũ lần lượt là 2,1% và 1,5%. Như vậy các biểu đồ cân bằng – không thích ứng với các vật liệu cụ thể – không ứng dụng được để tính toán hàm lượng ẩm trong giấy từ lượng ẩm trong dầu.

Các biểu đồ điều chỉnh theo khả năng hấp thụ hơi ẩm

Bước đầu tiên để cải tiến các biểu đồ cân bằng là điều chỉnh chúng theo khả năng hấp thụ hơi ẩm của các vật liệu phức tạp. Các biểu đồ như hình 7 (bên phải) có thể được dùng để xác định hàm lượng nước “thực” trong cellulose, vì chúng được điều chỉnh theo khả năng hấp thụ hơi ẩm của các vật liệu. Chúng vẫn có các nhược điểm cơ bản là hiệu lực các biểu đồ này bị giới hạn bởi các vật liệu phức tạp. Đối với các vật liệu khác và tình trạng lão hóa khác, chúng phải được vẽ lại, do đó, cần hiệu chỉnh là cho từng máy biến áp với những vật liệu cụ thể và các tình trạng lão hóa. Bởi vì nhược điểm này, phần sau đây của bài viết mô tả bước tiếp theo cho các biểu đồ cân bằng đa năng hơn.

Phép đo qua độ bão hòa ẩm của dầu

Trong phép đo này, thay vì sử dụng độ ẩm trong dầu tương quan với khối lượng (ppm), độ bão hòa tương đối trong dầu (%) được sử dụng. Ngoài ra, các biểu đồ được điều chỉnh theo khả năng hấp thụ hơi ẩm của cellulose. Theo công thức số (3), từ các đường đẳng nhiệt hấp thụ hơi nước, hàm lượng ẩm trong cellulose được suy ra từ độ ẩm tương quan với độ bão hòa của dầu xung quanh. Các ưu điểm là:

  • Sự lão hóa của dầu và ảnh hưởng của nó lên mức bão hòa hơi ẩm trở nên không đáng kể, vì nó đã bao gồm trong phép đo độ bão hòa hơi ẩm.
  • Với độ ẩm tương đối trên trục X, các biểu đồ trở nên ít phụ thuộc vào nhiệt độ hơn so với độ ẩm bằng khối lượng trên trục này (hình 8, bên phải)
  • Sai số do lấy mẫu, vận chuyển đến phòng thí nghiệm và phương pháp chuẩn độ được loại trừ.
  • Phép đo chính xác, liên tục và dễ dàng thực hiện trong các hệ thống giám sát.

Hình 8 (bên phải) cho thấy độ ẩm bằng khối lượng trong giấy Kraft thoái hóa do nhiệt độ như là một hàm số của độ ẩm bão hòa. Với sự lão hóa do nhiệt độ, khả năng hấp thụ hơi ẩm của cellulose giảm. Ở trong ví dụ, độ ẩm bão hòa là 4,1% ở nhiệt độ dầu là 47oC hàm lượng ẩm tương đối của giấy Kraft là 2,2%. Giải pháp sử dụng độ bão hòa hơi ẩm của dầu chính là cải tiến đáng kể cho quá trình xác định hàm lượng ẩm trong MBA; cùng với đó là biểu đồ để quy đổi dung lượng liên kết của độ ẩm theo đặc tính của vật liệu cellulose. Trong phần tiếp theo, bài viết sẽ cho biết cách thức để dựng đường cong đặc tính.

Đo và làm hoàn tan ẩm trong cellulose

Độ bão hòa hơi ẩm là một hệ số chính để xác định lượng nước phản ứng với các vật liệu. Hiệu ứng phân rã nước trong MBA làm giảm khả năng cách điện của dầu, gia tốc quá trình lão hóa cellulose và hình thành bọt nước. Các phân tử nước tham gia vào các phản ứng với các vật liệu là nguyên nhân của các hiệu ứng phân rã. Đây không phải là các phân tử có liên kết chắc chắn, Như Hydro liên kết với nhóm OH của các phân tử cellulose tạo thành một lớp phân tử đơn. Chỉ hàm lượng nước tương đối, được đo bởi chuẩn độ Karl Fischer, phản ánh mức độ liên kết và thành phần kém tích cực của nước. Độ ẩm tương quan với bão hòa – không phải tương quan với trọng lượng – mới xác định lượng nước cho hiệu ứng phân rã. Phương pháp này mang lại những lợi ích sau:

  • Không bị tác động bởi các thành phần không phải là dầu và giấy bị lão hóa.
  • Không cần quy đổi qua đường đặc tính cân bằng.
  • Trực tiếp liên quan đến các thành phần gây ra phân rã của nước.

Phép đo chính xác, liên tục và dễ dàng thực hiện trong các hệ thống giám sát.

the-hien-nhiet-do-lop-dau-tren
Hình 8
Hình trái: thể hiện nhiệt độ lớp dầu trên, độ ẩm bão hòa tương đối trong dầu và cellulose đo được, được tính toán bởi một hệ thống giám sát online.
Hình phải: xác định hàm lượng nước trên giấy Kraft bị gia nhiệt qua đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm.

Hình 8 (bên trái) mình họa ứng dụng đo độ bão hòa tương đối sử dụng que thăm điện dung được lắp trong MBA cùng hệ thống giám sát online. Hệ số tải ảnh hưởng đến nhiệt độ lớp dầu trên, yếu tố kéo theo là quá trình khuếch tán làm thay đổi độ bão hòa tương đối của dầu. Về lâu dài, giá trị trung bình độ bão hòa tương đối của dầu cân bằng độ bão hòa tương đối của không gian xung quanh cellulose và trở về 4,1%. Sử dụng đường cong đẳng nhiệt của độ ẩm như hình 8 – bên phải cũng có thể xác định được hàm lượng nước trong cellulose và ở trong trường hợp này là 2,2%.

(Còn tiếp….)

Theo dõi phần tiếp theo tại: https://automationandtesting.vn/app/xac-dinh-ham-luong-am-bang-cac-chuan-doan-nang-cao-tai-hien-truong-phan-3/

Mời quý độc giả tham khảo thêm các bài viết:

Các hạng mục thí nghiệm truyền thống đối với máy biến áp lực

Những kinh nghiệm cùng với ứng dụng thực tế trong phân tích đáp ứng tần số quét cho máy biến áp (phần 1)

Những kinh nghiệm cùng với ứng dụng thực tế trong phân tích đáp ứng tần số quét cho máy biến áp (phần 2)

Các phương pháp nâng cao để chẩn đoán cách điện cho máy biến áp lực (phần 1)

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

 

 

Chẩn đoán cách điện chuyên sâu bằng phổ điện môi (phần 2)

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

Send us
an Email

Contact