Báo cáo Nghiên cứu quá trình xuống cấp cách điện máy biến áp điện lực và ứng dụng phương pháp phổ điện môi để chẩn đoán chất lượng cách điện trong máy biến áp
BỘ CÔNG THƯƠNG
TẬP ĐOÀN ĐIỆN LỰC VIỆT NAM
VIỆN NĂNG LƯỢNG
__________________________________________________________
MÃ SỐ: I- 147
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU CẤP BỘ
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP CÁCH ĐIỆN MÁY BIẾN
ÁP ĐIỆN LỰC VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHỔ ĐIỆN MÔI ĐỂ
CHẨN ĐOÁN CHẤT LƯỢNG CÁCH ĐIỆN TRONG MÁY BIẾN ÁP
Chủ nhiệm đề tài: KS. Lê Văn Khánh
7176
17/3/2009
Hà Nội, 12-2008
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................................. 5
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP LỰC VÀ QUÁ TRÌNH XUỐNG CẤP
CÁCH ĐIỆN TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC...................................................................... 7
I.1. Đặt vấn đề................................................................................................................... 7
I.2. Tác động trực tiếp của môi trường nhiệt đới .............................................................. 8
I.2.1. Tác động của bức xạ mặt trời .............................................................................. 8
I.2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí ........................................................................ 9
I.2.3. Ảnh hưởng của khí hậu........................................................................................ 9
1.3. Ảnh hưởng của độ ẩm đến cách điện của MBA ........................................................ 9
1.3.1. Đối với dầu máy biến áp................................................................................... 10
1.3.2. Ảnh hưởng của oxy trong dầu cách điện .......................................................... 10
1.3.3. Hàm lượng ẩm trong dầu cách điện.................................................................. 11
1.3.4. Quá trình đối lưu............................................................................................... 13
1.3.5. Quá trình bức xạ................................................................................................ 17
1.3.6. Quy luật già cỗi cách điện................................................................................. 20
1.3.7. Quá trình lão hóa cách điện .............................................................................. 23
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐO SỰ
HỒI PHỤC ĐIỆN MÔI ...................................................................................................... 25
2.1 Đáp ứng điện môi dưới tác động điện trường trong miền thời gian ......................... 25
2.2 Đáp ứng điện môi dưới tác động điện trường trong miền tần số.............................. 28
2.3 Nguyên lý của phép đo đáp ứng điện môi dưới tác động điện trường...................... 30
2.3.1 Phép đo trong miền tần số.................................................................................. 30
2.3.2 Phép đo trong miền thời gian............................................................................. 31
2.4 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của đáp ứng điện môi (dielectric response) ................... 33
2.5 Đáp ứng điện môi của hệ thống cách điện giấy – dầu .............................................. 34
CHƯƠNG 3: SỰ XUỐNG CẤP CÁCH ĐIỆN MÁY BIẾN ÁP VÀ MỐI LIÊN QUAN
TỚI CÁC PHÉP ĐO SỰ HỒI PHỤC ĐIỆN MÔI CÁCH ĐIỆN MÁY BIẾN ÁP ............ 36
3.1 Đánh giá mức cách điện máy biến áp ....................................................................... 36
3.1.1. Phân tích hoá học và vật lý ............................................................................... 36
3.1.2. Những phép đo điện.......................................................................................... 37
3.1.2.1 Phương pháp truyền thống......................................................................... 37
3.1.2.2. Đo đáp ứng điện môi................................................................................. 40
3.2. Mô phỏng quá trình đáp ứng của điện môi .............................................................. 42
3.2.1. Các công nghệ mô hình hóa............................................................................. 42
3.2.1.1 Mô hình Debye với các hằng số đơn và hằng số phân phối thời gian. ...... 42
3.2.1.2 Hàm phản ứng tổng quát............................................................................ 44
3.2.1.3 Mô hình X-Y.............................................................................................. 44
3.2.2. Ảnh hưởng của các thông số trong mô hình X-Y lên phản ứng FDS cuối cùng.
..................................................................................................................................... 49
3.2.2.1 Ảnh hưởng của độ dẫn điện dầu ................................................................ 49
3.2.2.2 Ảnh hưởng của các miếng đệm.................................................................. 50
3.2.2.3 Sự biến thiên của hằng số điện môi tại 1kHz............................................. 53
3.2.2.4 Kết luận...................................................................................................... 55
3.2.3. Mô phỏng sử dụng mô hình X ......................................................................... 56
3.2.4. Mô phỏng sử dụng hàm phân phối đáp ứng điện môi ..................................... 57
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TRÊN
THẾ GIỚI ĐỐI VỚI MBA................................................................................................. 59
4.1. GIỚI THIỆU CHUNG............................................................................................. 59
4.1.1 Máy biến áp của điện lực Ceylon ...................................................................... 59
4.1.2 Nghiên cứu các MBA nguồn tại CEB................................................................ 59
4.1.2.1. Bảo trì MBA nguồn .................................................................................. 60
4.1.2.2. Ghi chép thông tin..................................................................................... 61
4.1.2.3. Các trường hợp thay thế MBA nguồn....................................................... 62
4.1.3. Nghiên cứu MBA phân phối của CEB ............................................................. 62
4.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO............................................................................................... 63
4.2.1. Dụng cụ cho những phép đo đặc tính điện môi ................................................ 63
4.2.2. Giới thiệu thiết bị đo IDAX-206....................................................................... 64
4.2.3. Những phép đo ngoài hiện trường .................................................................... 71
4.2.4. Những phép đo trong phòng thí nghiệm........................................................... 71
4.2.4.1 Những phép đo với MBA .......................................................................... 71
4.2.4.2 Những phép đo với buồng thử nghiệm dầu ............................................... 72
4.2.4.3 Những phép đo với tấm ép mẫu................................................................. 73
4.2.4.4 Những phép đo xác định tuổi của Karl Fischer ......................................... 74
4.3. KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT.................................................................................... 74
4.3.1. Những tấm ép mẫu............................................................................................ 74
4.3.2. MBA phân phối trong phòng thí nghiệm.......................................................... 76
4.3.2.1 Sử dụng mô hình X-Y và mô hình X......................................................... 76
4.3.2.2. So sánh phép đo phổ điện môi trong miền thời gian và miền tần số. ....... 77
4.3.3. Các MBA đo ngoài hiện trường........................................................................ 79
4.3.3.1. MBA một pha ........................................................................................... 79
4.3.3.2. MBA 3 pha................................................................................................ 84
4.3.3.3. MBA phân phối......................................................................................... 85
4.3.3.4. Một số kết quả đo đặc biệt........................................................................ 87
4.3.4. Nhận xét............................................................................................................ 88
Chương 5: TỔNG HỢP, ĐÁNH GIÁ KỸ THUẬT, KINH TẾ VÀ ĐỀ XUẤT SƠ ĐỒ
BẢO DƯỠNG HỢP LÝ ĐỐI VỚI MBA LỰC ĐÃ VÀ ĐANG VẬN HÀNH ................. 90
5.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................ 90
5.2. Sự cố ngừng hoạt động của các MBA lực và sự quản lý của Công ty điện lực....... 90
5.3. Tỷ lệ sự cố ảnh hưởng đến tuổi thọ trung bình của MBA ....................................... 92
5.4. Hiệu quả của việc đại tu so với việc mua MBA mới............................................... 93
5.5. Sự thay thế / trang bị mới đối với toàn bộ máy biến áp........................................... 94
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN................................................................................................ 98
PHẦN PHỤ LỤC.............................................................................................................. 100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 107
3
Những chữ viết tắt
HTĐ - Hệ thống điện
MBA - Máy biến áp
IR
PI
- Điện trở cách điện
- Chỉ số phân cực
RVM - Đo phục hồi điện áp
PD - Đo phóng điện cục bộ
PDC - Dòng phân cựcvà khử phân cực
LV - Điện áp thấp
HV - Điện áp cao
FDS - Phổ điện môi trong miền tần số
CEB - Ủy ban điện lực Ceylon
KFT - Chuẩn độ Karl Fischer
MODS- Phần mềm chuyên dụng để phục vụ đo điện
DP - Độ trùng hợp
4
MỞ ĐẦU
Yêu cầu cung cấp điện trong Hệ thống điện Việt Nam đòi hỏi càng ngày
càng cao trong những năm gần đây. Vì thế, việc tránh những sự cố vận hành của hệ
thống điện (HTĐ) trở nên ngày càng quan trọng. Tuy nhiên, do chi phí rất cao của
các thiết bị cao áp, đặc biệt là máy biến áp, việc thay mới để nâng cao độ tin cậy sẽ
là không kinh tế đối với nhiều thiết bị đã quá thời hạn sử dụng vì trên thực tế nhiều
thiết bị này vẫn còn tình trạng khá tốt. Việc đánh giá đúng tình trạng của các MBA
vì vậy là rất cần thiết trước khi đưa ra bất kỳ kết luận nào về việc thay thế hay đại
tu lại các MBA này.
Sự xuống cấp trong cách điện của MBA, mà phần lớn là giấy và dầu, là
nguyên nhân chính của hư hỏng MBA. Tuy nhiên, hầu hết các phân tích hóa học
phải được thực hiện dưới điều kiện khắt khe như trong phòng thí nghiệm và thậm
chí đối với một vài phân tích hóa học còn đòi hỏi phải lấy mẫu giấy trong MBA.
Bên cạnh đó thì các kiểm tra bằng các phép đo điện tỏ ra đơn giản hơn và có thể
được tiến hành tại chỗ, vì lý do này mà các kiểm tra điện thường được dùng nhiều
hơn các kiểm tra hóa học mặc dù chúng không cung cấp trực tiếp các thông tin về
các tham số được chỉ ra ở trên.
Việc xuống cấp khả năng cách điện MBA chủ yếu là do dầu và giấy cách
điện gây ra, đó cũng là nguyên nhân chính gây ra sự cố ở MBA. Những phép phân
tích hoá học và đo điện được sử dụng để kiểm tra điều kiện cách điện MBA. Trong
đó, phép phân tích hoá học cung cấp trực tiếp những thông tin như thành phần
nước, mức độ polimer hóa của giấy, lượng cặn trong dầu, độ axit trong dầu và
lượng khí tan trong dầu. Tuy nhiên, hầu hết các phân tích hoá học phải thực hiện ở
phòng thí nghiệm và một số phân tích hoá học còn cần có các mẫu giấy (vd: Kiểm
tra Chromatography). Trong khi dó, những phép đo điện là đơn giản hơn và có thể
được thực hiện mọi vị trí. Nhờ sự đơn giản và dễ dàng, những phép đo điện hiện
nay thích hợp hơn cho việc đánh giá cách điện MBA thay vì kiểm tra hoá học mặc
dù chúng không cung cấp trực tiếp thông tin như đã nêu trên.
Những phương pháp thử nghiệm điện truyền thống, như đo điện trở cách
điện (IR), chỉ số phân cực (PI) và hệ số tổn hao (tanδ) cung cấp rất ít thông tin về
cách điện MBA bởi vì chúng chỉ có thể cung cấp các giá trị đơn. Phép đo sự khôi
phục điện môi đã khắc phục được những nhược điểm này, cụ thể là những phép đo
điện áp phục hồi (return voltage measurements (RVM), đo dòng phân cực và không
phân cực (PDC) và những phép đo phổ tần số phục vụ cho việc kiểm tra các thông
số cách điện của MBA, đặc biệt phục vụ cho việc đánh giá lượng ẩm trong giấy ép
MBA. Ở những giai đoạn đầu, được đưa vào RVM do việc đo điện áp đơn giản hơn
so với đo các dòng điện nhỏ. Còn có 2 phương pháp khác ứng dụng những thiết bị
điện tử tinh vi trong thời gian gần để đo. Chúng không chỉ là thay đổi công nghệ mà
cách diễn giải kết quả cũng được nâng cao. Tuy nhiên, đối với hầu hết những
phương pháp này, cần biết trước về cách bố trí hình học của cách điện, mà hầu hết
các điện lực đều thiếu các thông tin về cấu trúc MBA. Do đó, phát sinh các khó
khăn khi người ta áp dụng những công nghệ này. Vì lí đo đó, vẫn cần hoàn thiện
cách đưa ra kết quả của tất cả những công nghệ này, việc nghiên cứu bổ sung là rất
5
cần thiết. Cần so sánh kết quả thu được với kết quả của phép phân tích hoá học để
hiệu chỉnh tương quan giữa dữ liệu về phục hồi điện môi và thành phần độ ẩm
trong cách điện.
Những nghiên cứu trong báo cáo này đã được thực hiện nhằm làm sáng tỏ
vấn đề sử dụng phương pháp phổ điện môi trong chẩn đoán sự xuống cấp cách điện
máy biến áp lực.
Phương pháp phổ điện môi (Dielectric Spectroscopy) là phương pháp phân
tích các đáp ứng của điện môi theo tần số của điện áp đặt vào (từ 10-5 Hz đến
107Hz). Trong việc kiểm tra cách điện trong MBA thì so với phương pháp phục hồi
điện áp (RVM) và phương pháp dòng phân cực/hồi phân cực (PDC) thì phương
pháp phổ điện môi là tiên tiến nhất vì chúng mới chỉ xuất hiện trong vài năm gần
đây nhờ sự phát triển của các thiết bị điện tử tinh vi và những công trình nghiên cứu
của nhiều nhà khoa học trên thế giới đối với vấn đề phân tích và diễn giải các kết
quả đo.
6
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY BIẾN ÁP LỰC VÀ QUÁ TRÌNH
XUỐNG CẤP CÁCH ĐIỆN TRONG MÁY BIẾN ÁP LỰC
I.1. Đặt vấn đề
Máy biến áp (MBA) là một trong những thiết bị quan trọng của hệ thống
điện và chúng được lắp đặt trên toàn lãnh thổ, chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố
thời tiết, khí hậu, môi trường và tác động của con người.
Yêu cầu làm việc tin cậy, khả năng sẵn sàng hoạt động cao là các yếu tố
quan trọng nhất của MBA trong hệ thống điện. Để đảm bảo các yêu cầu này công
tác chuẩn đoán, kiểm tra thử nghiệm và bảo dưỡng đóng vai trò rất quan trọng.
Như chúng ta đã biết, ngay sau khi được lắp đặt và đưa vào vận hành sử
dụng MBA đã có nguy cơ bị xuống cấp và hư hỏng. Đây là hiện tượng bình thường
bởi vì MBA là tập hợp của nhiều chi tiết điện từ, cơ khí, thủy lực, khí nén v.v...
được bố trí trong môi trường chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm, mưa gió, bão
v.v... Mặt khác, trong quá trình vận hành sử dụng luôn có sự thay đổi về phụ tải, có
sự bố trí lại mạng điện hoặc bổ sung thêm thiết bị mà nhiều khi không có sự phối
hợp tổng thể của cơ quan nghiên cứu và thiết kế. Cũng cần phải kể đến sự lựa chọn
thiết bị không đúng, sự chỉnh định sai các thiết bị đo lường điều khiển, chỉ thị, sự
vận hành không đúng quy trình kỹ thuật .v.v... Tất cả các yếu tố kể trên gây ảnh
hưởng xấu đến sự làm việc bình thường của toàn hệ thống và hậu quả của nó
thường là làm cho tuổi thọ của thiết bị điện trong đó có MBA giảm đi đáng kể.
Việc thu thập tài liệu về phương pháp phổ điện môi cũng như hệ thống thiết
bị đo theo phương pháp này của các nước tiên tiến trên thế giới để đưa vào áp dụng
tại Việt Nam đòi hỏi tốn nhiều công sức, nhiều thời gian. Song thiết nghĩ đó cũng là
một việc làm rất cần thiết và bổ ích, đề tài nghiên cứu này áp dụng vào thực tế Hệ
thống điện Việt Nam được coi như là lần đầu tiên.
Để đáp ứng sự tăng trưởng của nền kinh tế quốc dân, đòi hỏi ngành điện
ngày càng phát triển và phải có hệ thống điện với chất lượng cao. Do đó, việc
nghiên cứu ứng dụng những tiến bộ của khoa học công nghệ trong lĩnh vực chuẩn
đoán, kiểm tra thử nghiệm và bảo dưỡng để đưa ra những đề xuất phù hợp, phục vụ
cho việc kiểm tra thử nghiệm vận hành các MBA lực hợp lý hơn đối với các vùng
khí hậu khác nhau, tận dụng khả năng mang tải của chúng và đảm bảo cho MBA
vận hành tin cậy an toàn và nâng cao tuổi thọ trong quá trình cung cấp điện. Mặt
khác, Việt Nam nằm trong một vùng khí hậu nhiệt đới, các MBA thường đặt ngoài
trời nên luôn chịu tác động của môi trường như: mưa, gió, nắng, bão, lụt v.v... và
đặc biệt nhiệt độ, độ ẩm thường rất cao. Chính các yếu tố môi trường này cũng góp
phần làm tăng nhiệt độ dầu và nhiệt độ cuộn dây của MBA.
Do đó, việc “nghiên cứu quá trình xuống cấp cách điện máy biến áp điện lực
và ứng dụng phương pháp phổ điện môi để chẩn đoán chất lượng cách điện trong
máy biến áp” sẽ nhằm giúp cho các cán bộ kỹ thuật trong lĩnh vực kiểm tra thử
nghiệm và bảo dưỡng MBA hiểu rõ hơn bản chất, khả năng làm việc của MBA, từ
đó sẽ tìm ra cách vận hành MBA sao cho hợp lý để tận dụng được khả năng tải tối
đa trên cơ sở vẫn đảm bảo tuổi thọ của MBA.
7
Để thực hiện được công việc nghiên cứu trên đối với cách điện MBA trong
HTĐ Việt nam, cần phải khảo sát và phân tích về những tác động và ảnh hưởng của
môi trường nhiệt đới với những yếu tố khí hậu đặc biệt như độ ẩm và nhiệt độ thay
đổi thất thường đến cách điện của MBA ở Việt Nam. Những yếu tố này tác động
liên tục làm thay đổi cấu trúc của vật liệu nói chung và vật liệu điện nói riêng, làm
sai lệch các chế độ vận hành bình thường, làm hư hỏng dần các thành phần của
thiết bị trong hệ thống điện mà đặc biệt là MBA. Vì vậy, trong qúa trình nghiên
cứu, thiết kế chế tạo cũng như lựa chọn, xây lắp và vận hành MBA phải xét đến
những yếu tố khí hậu đặc biệt này. Chỉ trên cơ sở nghiên cứu, phân tích đánh giá
đầy đủ các tác động đối với MBA (kể cả các yếu tố của môi trường) mới có thể
thiết kế - chế tạo, lựa chọn một cách hợp lý và các giải pháp vận hành đúng đắn,
đảm bảo cung cấp điện một cách liên tục và tin cậy cho các công trình công nghiệp
và dân dụng.
Những yếu tố cơ bản của thời tiết ảnh hưởng xấu đến thiết bị điện nói chung
và MBA nói riêng bao gồm: áp suất không khí, nhiệt độ cao, sự thay đổi đột ngột
về nhiệt độ trong một ngày - đêm, cường độ bức xạ của mặt trời, độ ẩm của không
khí. Những yếu tố không thuận lợi khác như: sương muối, hơi nước muối biển, khí
thải từ các nhà máy công nghiệp, bão xoáy nhiệt đới v.v...
Nhằm đảm bảo các công trình điện nói chung và MBA nói riêng làm việc an
toàn và ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt nêu trên, trong qúa trình chế tạo
phải xem xét để thiết bị chịu đựng được tất cả các yếu tố có thể xảy ra trong vùng,
hoặc tổng quát hóa các yếu tố của các vùng tương tự để từ đó chế tạo các thiết bị
phù hợp.
Theo mức độ tác động đến vật liệu điện và các thiết bị điện, khí hậu nhiệt
đới có thể chia ra: khí hậu nhiệt đới ẩm ướt và khô. Ngoài ra khi thiết kế và vận
hành các MBA phải xét đến ảnh hưởng của địa lý như vùng núi, vùng biển v.v...
Đối với các vùng khí hậu nhiệt đới ẩm ướt đặc điểm chính là mưa rào, dông, bão,
sương mù, bụi công nghiệp và các yếu tố sinh học khác. Đối với các vùng khí hậu
nhiệt đới khô, đặc điểm chính là: nhiệt độ không khí cao, cường độ bức xạ mặt trời
lớn, độ ẩm không cao và thường chênh lệch nhiệt độ trong ngày rất lớn.
I.2. Tác động trực tiếp của môi trường nhiệt đới
I.2.1. Tác động của bức xạ mặt trời
Tia cực tím làm tăng độ già hóa của các vật liệu điện hữu cơ (TD: cao su)
làm giảm thời hạn vận hành của các thiết bị điện. Trong bức xạ mặt trời, trong khí
quyển 45% là tia hồng ngoại. Các tia này làm tăng nhiệt độ khí quyển và nhiệt độ
trên bề mặt thiết bị điện, bị đốt nóng nhất là lớp không khí ở độ cao 1,5 m so với
mặt đất. Các bề mặt của vật liệu điện đối với màu sáng nhiệt độ tăng lên từ 10÷15
0C, màu tối tăng lên từ 25÷30 0C. Nhiệt độ không khí cao là nguyên nhân phá hỏng
các kết cấu hóa lý của vật liệu, làm tăng nhanh độ già hóa cách điện của thiết bị
điện. Nhiệt độ môi trường tăng thêm lên 100C so với giá trị trung bình, điện trở
cách điện giảm xuống 50%. Đốt nóng thiết bị vượt quá giá trị cho phép sẽ làm tăng
(tổn hao điện) góc tgδ. Tổn hao điện môi của cách điện sứ ở 500C tăng lên 2 lần, ở
800C tăng lên 4 lần so với đại lượng ở nhiệt độ quy chuẩn 200C [3]
8
I.2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí
Độ ẩm không khí làm tăng sự đọng nước trên bề mặt cách điện. Độ ẩm và
nhiệt độ cao làm tăng dòng rò của cách điện (dòng rò qua bề mặt cách điện). Tác
động liên tục và lâu dài của độ ẩm làm tăng hằng số điện môi và làm giảm độ bền
cách điện. Kết đọng - ẩm - khô lặp lại có thể làm rạn nứt bên trong vật liệu, làm
giảm không những các đặc tính về điện mà còn làm suy giảm độ bền cơ của vật liệu
và thiết bị điện. Sự ẩm thấp do sương muối làm tăng sự han rỉ các kết cấu kim loại.
I.2.3. Ảnh hưởng của khí hậu
Ở các vùng gần biển nhiệt đới thường có độ ẩm cao 90÷95%, có sương mù
thường xuyên và trong sương muối biển, mây mù thường lẫn cát và bụi hữu cơ.
Trong tầng thấp của khí quyển có nồng độ muối cao, không khí bị nhiễm bẩn muối.
Nguồn nhiễm bẩn này có thể hòa tan trong nước và trong đất. Sự lắng đọng của các
giọt nước có lẫn muối trên bề mặt cách điện và các thiết bị là mối nguy hiểm đối
với qúa trình vận hành của các thiết bị điện và cách điện.
Ở các vùng núi có đặc điểm là áp suất khí quyển thấp, có dông và gió mạnh,
chênh lệch nhiệt độ trong ngày lớn. Ở đây mật độ không khí phụ thuộc không chỉ
áp suất mà còn cả nhiệt độ. Việc giảm áp suất không khí khi tăng độ cao so với mặt
biển và tương ứng với nó là giảm mật độ không khí sẽ kéo theo sự giảm điện áp
phóng điện chọc thủng cách điện, đặc biệt đối với các loại thiết bị mà cách điện là
không khí. Càng ở trên cao so với mặt biển hệ số tương đối của độ bền cách điện
khoảng cách khí càng thấp.
Độ cao so với mặt biển (m)
Hệ số độ bền cách điện
1000
1.200
1.500
1.800
2.000
2.500
1,00
0,98
0,95
0,92
0,90
0,85
1.3. Ảnh hưởng của độ ẩm đến cách điện của MBA
Sự có mặt của độ ẩm trong MBA làm hỏng cách điện MBA vì sự giảm sút
của cả độ bền điện và cơ. Nói chung, độ bền cơ của cách điện bị giảm tới một nửa
khi độ ẩm tăng lên gấp đôi [1]; Tốc độ làm hỏng bằng nhiệt và độ ẩm đối với giấy
có tỉ lệ như nhau trong suốt quá trình vận hành [2]. Sự phóng điện có thể xảy ra ở
nơi có điện áp cao vì sự mất cân bằng độ ẩm dẫn đến điện áp bắt đầu phóng điện
cục bộ thấp và cường độ phóng điện cục bộ cao hơn [4]. Sự di chuyển của một số
lượng nhỏ hơi nước đã được kết hợp với dòng điện chạy trên bề mặt của giấy/dầu
và được đánh giá là có khả năng tích điện cao hơn nhiều so với vùng bề mặt cách
điện khô [4; 5]. Thành phần nước ở trong dầu MBA cũng mang đến sự nguy hiểm
bởi sự hình thành các tăm sủi khi phần nước tách ra khỏi phần xenlulô tăng lên tập
trung thành các bóng khí ở trong dầu [6]. Do đó, sự mất cân bằng độ ẩm trong hệ
9
thống cách điện MBA (dầu và giấy) được phát hiện ra là rất quan trọng. Vì vậy, sẽ
rất thuận tiện khi biết được đường cong chia cắt độ ẩm giữa dầu và giấy dưới điều
kiện cân bằng. Khi MBA đang vận hành ở điều kiện cân bằng, sẽ khảo sát nhanh
hơn lượng ẩm trong giấy và đưa ra các dự đoán về sự cố trong tương lai khi đo
lượng ẩm trong dầu. Trong những năm trước, nhiều nhà khoa học đã đưa ra các bản
báo cáo dưới dạng tập hợp các đường cong, nhưng không có một báo cáo nào xem
xét một cách toàn diện và so sánh được với các đường cong khác. Đó là những
nghiên cứu trong suốt các thập niên vừa qua và cũng là nguồn tư liệu quan trọng
đối với ngành điện cũng như đối với cách điện trong việc kiểm tra chất lượng các
thiết bị.
1.3.1. Đối với dầu máy biến áp
Thành phần dầu cách điện MBA được tinh lọc từ dầu thô. Quá trình tinh lọc
bao gồm xử lý axit, hòa tan, tách paraffin, xử lý nước hoặc là sự phối hợp giữa các
phương pháp này tạo ra dầu cách điện đặc trưng. Nó là sự hòa trộn giữa 3 hợp chất
hydrocacbon chính: Ankan, naphtalen và các hydrocacbon thơm. Những phần tử
này không phân cực hoặc phân cực rất yếu. Sự phân cực và các loại ion cũng chiếm
một phần nhỏ, đây có lẽ là phần ảnh hưởng mạnh nhất đến các thuộc tính điện và
hóa của dầu. “Các hợp chất phân cực tìm thấy trong dầu MBA thường chứa đựng
Oxi, Nitơ hoặc sunfur. Các ion thường ở dạng muối hữu cơ chỉ chiếm một số lượng
nhỏ” [7].
Để có cái nhìn hoàn thiện hơn về dầu MBA, sau đây chúng ta sẽ xem xét
quá trình xuống cấp của dầu cách điện
1.3.2. Ảnh hưởng của oxy trong dầu cách điện
Oxy trong khí quyển và trong nước là nguồn gốc của sự oxy hoá dầu. Tốc độ
oxy hoá trong dầu phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng thêm 100C nói chung
tốc độ oxy hoá tăng gấp đôi. Kết quả oxy hoá hình thành axit và chất lắng đọng
trong dầu [1].
Bảng I.1: Các đặc tính của dầu cách điện
Dầu mới
Giới hạn cho phép đối với dầu khi vận hành
(IEC 296)
(IEC 422)
Đặc tính
170<Uđm
Loại 2 Uđm≤36kV 36<Uđm≤70kV 70≤Uđm≤170kV
Loại 1
Tỷ trọng ở 200C
-
-
-
-
≤0,895 ≤0,895
Độ nhớt động ở:
400C
-150C
≤ 16,5
≤ 800
-
-
-
-
-
-
-
-
≤11,0
-
Điểm chảy, 0C
-
-
-
-
≤ -30
≥ 140
≤ -45
≥ 130
Điểm cháy (bình kín),
≥ 115
≥ 115
≥ 115
≥ 115
0C
Chỉ số trung tính
≤ 0,03
≤ 10
≤ 0,03
≤ 10
≤ 0,5
≤ 40
≤ 0,5
≤ 35
≤ 0,5
≤ 30
≤ 0,5
≤ 20
(mg KOH/g)
Hàm lượng nước, ppm
10
Độ bền điện,kV
- dầu bất kỳ
≥ 30
≥ 70
≥ 30
≥ 70
≥ 30
-
≥ 35
-
≥ 40
-
≥ 50
-
- dầu khô,đã lọc
Hệ số tổn hao ở 50Hz,
900C
- dầu bất kỳ
≤ 0,005 ≤ 0,05
≤ 1,5
≤ 0,8
≤ 0,3
≤ 0,2
- dầu khô,đã lọc
-
-
-
-
-
-
Ứng suất ở 250C
≥ 40
≥ 40
≥ 10
≥ 12
≥ 12
≥ 20
(mN/m)
Các đặc tính sau thử
nghiệm oxy hoá, IEC 74
- Khối lượng chất lắng
đọng,%
Nhiệt dung trung bình giữa 25 và 1250C: 0,5 cal/g/
≤ 0,10
≤ 0,40
≤ 0,10
≤ 0,40
0C
- Chỉ số trung tính (mg
KOH/g)
Hệ số dãn nở trung bình giữa 25 và 1250C: 7.10-4/
0C
*Ghi chú: Nói chung dầu loại 2 thích hợp cho xứ lạnh
1.3.3. Hàm lượng ẩm trong dầu cách điện
Nước trong dầu thể hiện dưới dạng hoà tan, hạt nhỏ hoặc dưới dạng tự do ở
đáy thùng dầu. Để lọc tách nước dưới dạng tự do có thể dùng phương pháp ly tâm.
Để tính lượng nước hoà tan trong dầu cần dùng phương pháp sấy chân không [3].
Ảnh hưởng của lượng ẩm đối với tính chất cách điện của dầu phụ thuộc vào
dạng ẩm tồn tại trong dầu. Chỉ một lượng nước rất nhỏ có trong dầu làm giảm độ
bền cách điện một cách đáng kể. Bảng I.2 đưa ra hàm lượng ẩm cực đại cho phép
đối với dầu. Đơn vị đo là phần triệu (ppm), ví dụ miligam nước trong một kilôgam
dầu.
Bảng I.2: Hàm lượng ẩm cực đại cho phép trong dầu
Điện áp,[ kV] Hàm lượng ẩm cực đại,[ ppm]
5
15
30
30
25
20
15
35
69
≥138
Hàm lượng ẩm tăng nhanh khi nhiệt độ dầu cao. Trên đồ thị hình I.1 cho
thấy sự phụ thuộc của hàm lượng ẩm trong dầu theo nhiệt độ.
Khi mức oxy hoá cao đến điểm tạo chất lắng đọng trong dầu, cần tách lớp
lắng đọng bằng hơi áp suất cao hoặc tuần hoàn dầu nóng để làm tan, hoặc xử lý
axit. Trong những điều kiện thuận lợi, việc xử lý dầu rẻ hơn việc thay thế dầu mới.
11
Các chất cách điện như giấy, vải sợi v.v.... rất xốp và hút nước. Một lượng
nước tan trong dầu và được hút vào giấy cách điện. Một khi nước đã thấm vào giấy
rất khó tách ra. Phương pháp hiệu quả nhất để làm khô cách điện trong MBA là sấy
chân không. Đôi khi không đưa lõi MBA vào buồng sấy chân không được ta có thể
sấy khô chúng bằng cách cho tuần hoàn dầu nóng và khô, sau đó dầu này lại được
làm nguội và sấy khô.
Khi vận hành MBA cũng cần chú ý đặc biệt tới nitơ để tránh tạo bọt trong
dầu khi áp suất giảm. Kinh nghiệm cho thấy hệ thống điều chỉnh áp suất phải được
điều chỉnh đến giới hạn để tránh bọt khí nitơ có thể gây vầng quang.
Dầu cách điện hay gọi là dầu MBA có
một ái lực nhỏ với nước. Tuy nhiên sự
hòa tan thường tăng lên rõ rệt theo nhiệt
độ đối với dầu MBA. Nước có thể tồn
tại trong dầu MBA dưới 3 dạng. Trong
các trường hợp thực tế, hầu hết nước chỉ
được tìm thấy ở dạng hòa tan. Tuy nhiên
điều này lại trái ngược hẳn với các khảo
sát về lượng ẩm bằng các công nghệ đo
khác nhau trước đây cho rằng nước cùng
tồn tại với các phân tử dầu, đặc biệt là
trong dầu hỏng. Khi độ ẩm trong dầu
vượt quá giá trị bão hòa, các phần tử
nước tự do trong dầu sẽ ngưng lại thành
giọt hoặc vẩn đục. Độ ẩm trong dầu
được đo bằng đơn vị phần triệu (ppm)
được xác định bằng khối lượng ẩm chia
khối lượng của dầu (µg/g).
Hình I.1: Lượng nước hoà tan cực đại
trong dầu theo nhiệt độ
a. Độ ẩm tương đối
Độ ẩm tương đối (Relative Humidity) có thể được tinh lọc trong giới hạn của
tỉ số hòa trộn độ ẩm r trên tỉ số hòa trộn bão hòa rs, R.H.% = 100r/rs, có tỉ lệ phần
trăm không thứ nguyên. Độ ẩm tương đối của không khí là lượng hơi nước chứa
trong không khí tại thời điểm bão hòa. Độ ẩm tương đối với dầu là lượng độ ẩm lớn
nhất mà dầu có thể chứa được. Bởi vì tỉ số hòa trộn bão hòa là một hàm số của áp
suất, nhiệt độ, độ ẩm tương đối là một chỉ số hỗn hợp của môi trường và phản ánh
nhiều hơn so với hàm lượng nước [32]
b. Giấy
Cách điện rắn của MBA thường được dùng gồm bốn loại như sau: tấm chắn,
giấy (hoặc là giấy Kraft), lớp giấy cách điện xenllulô, và xenlulô. Mặc dù trong
phạm vi của cách điện MBA riêng biệt, nó vẫn có thể chỉ ra được các phần khác
nhau, ví dụ: băng giấy, các trụ giấy, các tấm giấy cách điện xenllulô hình trụ , các
đai góc, các khối v.v… trong phạm vi cân bằng độ ẩm, nói chung là tất cả các ý
kiến cho rằng sản xuất giấy cách điện từ xenlulose sunfat thô, bao gồm chuỗi dài
hoặc ngắn hơn của vòng glucose. Tấm ép được biết đến trong công nghiệp dệt và
xử lý giấy đã hơn 100 năm và được dùng trong các loại máy điện đầu tiên. Lớp giấy
cách điện xenllulô là kết quả từ sự nỗ lực của Hans Tschudi-Faude của công ty
12
H.Weidmann, vào cuối những năm 1920 [32], đây là một ứng dụng tốt hơn so với
tấm ép để đáp ứng yêu cầu của MBA công suất lớn. Nó được làm từ xenlulose
sunfat mức cao và chứa đựng duy nhất các sợi xenlulose nguyên chất mà không có
bất kỳ một chất nào khác. Nó có thể được sấy khô hoàn toàn, khử khí, và tẩm dầu.
Giấy cách điện có thể được sản xuất với các độ dày, hình dạng và các thuộc tính
khác nhau ứng với từng yêu cầu cụ thể.
c. Nước trong giấy
Lượng nước ở trong giấy có thể tìm thấy ở 4 trạng thái: nó có thể bám vào
bề mặt, ở thể hơi, dạng nước tự do trong ống mao dẫn, và ở dạng hấp thụ nước tự
do. Giấy có thể bao gồm nhiều độ ẩm hơn dầu. Ví dụ MBA 40MVA, 110kV với
khoảng 3 tấn giấy có thể chứa 113kg nước [34]. Lượng dầu trong MBA kiểu này
khoảng 40.000 lít. Giả sử độ ẩm tập trung trong dầu là 20ppm, tổng khối lượng độ
ẩm chỉ vào khoảng 2 kg, ít hơn rất nhiều so với giấy. Giá trị độ ẩm tập trung của
giấy được biểu thị bằng giá trị %, được tính bằng cách lấy khối lượng độ ẩm chia
cho khối lượng tấm ép tẩm dầu khô.
d. Áp suất hơi nước
Áp suất hơi nước là áp suất cục bộ do ảnh hưởng của hơi nước. Khi hệ thống
đang trong trạng thái cân bằng và nước ở thể lỏng hoặc rắn, hoặc ở cả hai thể, nó có
thể lên tới áp suất hơi nước bão hòa. Áp suất hơi bão hòa là một giá trị đo khi vật
chất biến đổi thành thể khí hoặc hơi, và nó tăng theo nhiệt độ. Tại điểm sôi của
nước, áp suất hơi nước bão hòa tại bề mặt của nước trở nên cân bằng với áp suất
khí quyển.
v
θ
1.3.4. Quá trình đối lưu.
Hiện tượng đối lưu xảy ra ở vật
thể lỏng và khí. Nhiệt lượng được
truyền đi phụ thuộc vào môi trường, độ
chênh nhiệt độ và chuyển dịch cưỡng
bức xung quanh vật thể [3].
v
θ
Khi làm mát tự nhiên bằng đối
lưu, một lớp của môi trường làm mát
bề mặt vật thể bị gia nhiệt trở nên nhẹ
hơn và chuyển động lên phía trên. Tốc
độ dòng chảy biến đổi từ 0 ở bề mặt đạt
tới giá trị cực đại rồi trở lại về 0 “(xem
hình I.2)”. Mỗi lớp xảy ra quá trình
chuyển động như vừa xét được gọi là
một dải của dòng chảy. Bề rộng của dải
này ở không khí vào khoảng 12 mm; ở
đầu là 3mm. Tốc độ dòng chảy ở
x
Giới hạn biên dòng chảy tầng
Hình I.2- Phân bố độ chênh nhiệt độ tốc độ
hoạt động làm mát gần vật thể khi có dòng
chảy tầng
không khí không quá 1m/s, ở đầu không quá 1cm/s. Quá trình đó gọi là chảy tầng,
các dòng chảy song song với nhau và song song với bề mặt làm mát.
a) Tải nhiệt ở môi trường không khí.
Trước tiên xét sự tải nhiệt bằng đối lưu tự nhiên theo mặt thẳng đứng.
13
Theo Schmidt và Bechman [1] có thể biểu diễn nhiệt lượng truyền tải trong
một đơn vị thời gian theo đơn vị diện tích mặt thẳng đứng dưới dạng:
δ
1,25
q = C
.θ
(I.1)
k
4
t
.H
ao
Trong đó:
δ - mật độ tương đối của không khí
θ - chênh lệch nhiệt độ trung bình của vật gia nhiệt và không khí
tao - nhiệt độ môi trường xung quanh (nhiệt độ tuyệt đối 0K),
tao = 273 + t0 tính theo [0K]
H - chiều cao mặt làm mát, [m]
qk tính theo [W/m2];
C = 10.
Ta có:
δ
1,25
q =10.
.θ
(I.2)
(I.3)
k
4
(
273+ t
)
.H
0
Với giá trị t0 thường gặp ta có:
δ
1,25
−4
⎛
⎞
q ≈ 2,46 1− 9,2.10 t .
.θ
⎜
⎟
0
k
4
⎝
⎠
H
Thay đổi t0 khoảng 10 0C, giá trị qk thay đổi cỡ 1%
Mật độ tương đối của không khí δ được tính gần đúng như sau:
16 − h
δ =
;
16 + h
Với: h là chiều cao so với mặt biển ở vị trí đặt MBA, tính theo [km]. Công
thức này chỉ đúng khi h ≤ 6 km, ở độ cao càng lớn, không khí càng loãng, dẫn nhiệt
kém. Những MBA đặt ở độ cao h ≥ 1000 m phải lưu ý hơn về làm mát.
Trong thực tế H > 1 m dòng bắt đầu chảy rối; khi đó chiều cao bề mặt làm mát
4
H ≈1
không còn vai trò làm mát. Bỏ qua phần cao H ≥ 1 m, gần đúng lấy
. Theo
(I.1c) nhiệt độ môi trường t0 = 20 0C và
, nhiệt truyền trên đơn vị
4
δ =1; H =1
diện tích, [W/m2] là:
1,25
q = 2,42.θ
(I.4)
k
Công thức (I.4) sử dụng khi tính gần đúng.
Chia hai vế của phương trình (I.3) cho θ ta được hệ số truyền nhiệt bằng đối
lưu, [W/m2.0C]:
14
q
θ
0,25
−4
= 2,46 1− 9,2.10 .t
k
⎛
⎞
⎟
(I.5)
(I.6)
α =
.θ
⎜
0
k
4
⎝
⎠
θ
H
Khi tính gần đúng ta có:
q
k
θ
0,25
α =
= 2,42.θ
k
Giá trị αk tăng tỷ lệ với căn bậc bốn của độ chênh nhiệt θ .
Bảng I.3- Thống kê các giá trị qk và αk đối lưu tự nhiên, theo công thức (I.4) và (I.2b).
0
4
t ≈ 20 C; δ ≈1; H ≈1
0
0C
20
30
40
50
60
75
θ
[W/m2]
[W/m2.0C]
103
170
244
6,1
320
6,4
402
6,7
533
qk
5,15
5,67
7,11
αk
Như vậy lượng nhiệt tải từ mặt phẳng Sk ở độ chênh nhiệt độ trung bình θ
giữa vật gia nhiệt và dòng khí có thể được biểu diễn:
0,25
⎛
⎜
⎞
⎟
θ
(I.7)
∆P = S .q = S .α .θ = S .α
.θ
k
k k
k k
k k0
⎜
⎝
⎟
⎠
θ
0
0,25
⎛
⎜
⎞
⎟
θ
Trong đó:
α
= α
.
k
k0
⎜
⎟
⎠
θ
0
⎝
α
- hệ số truyền nhiệt tương ứng với chênh nhiệt độ θ0, ví dụ ứng với
k0
chênh nhiệt độ khi các thông số là định mức.
Trường hợp bề mặt làm mát không phẳng, lượng nhiệt truyền tải bằng không
khí nhỏ hơn khi mặt làm mát phẳng. Mức độ làm giảm khả năng truyền nhiệt được
xác định bằng thực nghiệm.
Công thức (I.4) có thể viết dưới dạng:
0,8
q
⎛
⎜
⎞
⎟
0,8
k
k
(I.8)
θ =
= 0,494.q
⎜
⎝
⎟
⎠
2,42
Khi truyền nhiệt bằng đối lưu tự nhiên trong không khí, thay đổi nhiệt độ θ
chậm hơn tổn thất nhiệt.
Người ta có thể tăng cường truyền nhiệt bằng cách thổi gió cưỡng bức vào
bề mặt gia nhiệt.
15
Biết dòng khí dọc bề mặt thẳng đứng (từ dưới lên trên) có tốc độ v, hệ số
truyền nhiệt αk được tính bằng công thức sau:
- Khi v ≤ 5 m/s ; tk = 50 0C
αk ≤ 26,5 [W/m2.0 C]
(I.9)
- Khi v > 5 m/s ; tk =20 ÷ 100 0C
t −50
⎛
⎞
1
0,22
0,78
k
⎜
⎟
.v
(I.10)
α = 6,13−
.
k
⎜
⎟
98
H
⎝
⎠
Trong đó:
1
2
t =
(
t + t
)
- giá trị trung bình nhiệt độ mặt làm mát (tS) và nhiệt độ
s
k
kk
không khí (tkk), [0C]
H - chiều cao mặt làm mát, [m]
αk - hệ số truyền nhiệt, [W/m2.0 C]
b) Tải nhiệt bằng dầu
Xét dây quấn và lõi thép MBA ngâm trong dầu. Việc truyền nhiệt bằng dầu
phức tạp hơn qua môi trường không khí. Nguyên nhân do dạng bề mặt làm mát
khúc khuỷu, dầu không tiếp cận đồng thời mặt được làm mát.
Hệ số truyền nhiệt của dầu sang vách thẳng đứng hoặc theo chiều ngược lại
là:
t
tb
4
α = 38. θ .
(I.11)
k
50
Trong đó:
θ - chênh nhiệt độ bề mặt gia nhiệt và dầu làm mát.
ttb - nhiệt độ trung bình bề mặt được làm mát.
Thí dụ: θ = 20 0C - độ tăng nhiệt trung bình bề mặt dây quấn so với dầu;
θ01 = 48 0C - độ tăng nhiệt của dầu; t0 = 25 0C
thì ttb = 20 + 48 + 25 = 93 0C
93
50
[W/m2.0C]
q =α .θ
. Phương trình (I.11) có thể viết dưới dạng:
4
α = 38. 20.
≈110
k
q
k
θ
Do α =
, ta có
k
k
k
16
t
1,25
tb
q =α .θ = 38.θ
.
(I.12)
k
k
50
So sánh phương trình này với phương trình (I.3) hoặc (I.8), ta thấy độ tăng
nhiệt tỷ lệ với tổn hao nhiệt theo số mũ 0,8.
Giá trị αk và qk tra từ đường cong sẽ lớn hơn tính theo (I.11) và (I.12).
Trường hợp chung thường lấy αk = 100 W/m2.0C
Trường hợp mặt cần làm mát nằm ngang, như khe hở hướng kính giữa bánh
dây, thường lấy αk lớn nhất bằng 50% giá trị mặt thẳng đứng.
Trường hợp bơm cưỡng bức dòng dầu, điều kiện làm mát tốt hơn, có thể
tăng lên 20 ÷ 30 % so với làm mát tự nhiên, hoặc trường hợp tăng cường còn lớn
hơn.
Để tính sự tăng nhiệt dây quấn so với dầu thường sử dụng hai cách:
1. Xác định các giá trị khác nhau αk của mặt thẳng đứng và mặt nằm ngang.
2. Chấp nhận giả thiết trị số trung bình của hai loại mặt làm mát:
55 ÷ 65 W/m2.0C (nếu làm mát tự nhiên); và 70 ÷ 80 W/m2.0C (nếu làm mát
cưỡng bức).
1.3.5. Quá trình bức xạ
Công suất bức xạ của một đơn vị bề mặt gia nhiệt tính theo công thức Stefan
- Boltzman:
4
4
⎛
⎞
⎟
q
= k.v. t − t
(I.13)
⎜
a1 a2
bx
Trong đó:
⎝
⎠
ta1, ta2 - nhiệt độ tuyệt đối của vật nóng và môi trường xung quanh.
k - hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối.
v - hệ số bức xạ tương đối, bằng tỷ lệ nhiệt phát ra từ vật thể đang xét với
lượng nhiệt phát ra từ vật đen tuyệt đối (cùng kích thước, cùng nhiệt độ, cùng môi
trường). Trị số v phụ thuộc vào loại vật thể, bề mặt vật thể (độ bóng).
Bảng I.4- Thống kê hệ số bức xạ tương đối v của một số vật liệu
Vật liệu
v
Vật liệu
v
Nhôm sulfat
0,08
0,15
0,21
0,6
0,55
0,9
Sơn nhôm
Đồng không ôxy hóa
Đồng thau (mờ)
Đồng ôxy hóa
Cách điện giấy và sơn
Sơn dùng sơn vỏ MBA
Bồ hóng
0,8 ÷ 0,9
0,95
Sắt ôxy hóa
0,7
17
Công thức (I.13) giả thiết là bề mặt bức xạ của vật nhỏ hơn bề mặt của các
vật thể gần đó, có thể phản bức xạ. Khi q tính theo W/m2, ta1, ta2 tính theo 0K, hằng
số k = 5,77.10-8 W/m2.0K4, điền vào công thức (I.13) ta có:
4
4
⎡
⎢
⎤
⎥
⎥
t
t
⎛
⎜
⎞
⎟
⎛
⎜
⎞
⎟
a1
a2
(I.14a)
q
= 5,77v.
−
⎢
bx
⎜
⎟
⎠
⎜
⎝
⎟
⎠
100
100
⎝
⎢
⎥
⎣
⎦
Khi chênh lệch nhiệt độ θ = ta1- ta2 =75 0C, ta có thể viết (I.14a) dưới dạng:
1,25
q
= 2,38.v.θ
.
(
1+ 0,011.t
)
(I.14b)
0
bx
t0 - nhiệt độ môi trường, [0C]
θ - chênh nhiệt độ vật được làm mát và môi trường, [0C].
qbx- công suất bức xạ của một đơn vị diện tích bề mặt nung nóng, [W/m2].
Chia (I.14a) cho độ chênh nhiệt độ θ ta được hệ số đặc trưng cho tải nhiệt
bằng bức xạ gọi là hệ số truyền nhiệt bức xạ:
4
4
⎡
⎤
(
t
100
)
−
θ
t
100
)
⎢
⎣
⎥
⎦
a1
a2
α
= 5,77v
(I.15a)
bx
Ứng với công thức đơn giản:
0,25
α
= 2,38v.θ
(
1+ 0,011.t
)
(I.15b)
0
bx
Đường cong ở hình I.3 biểu diễn quan hệ
0
α
= f
(
θ
)
khi v = 0,87; t0 = 20 C, theo công thức (I.15a).
bx
Công thức (I.15b) chính xác trong khoảng θ = 25÷75 [0C], điều kiện này
trùng với khoảng làm việc của MBA. Bảng I.5 thống kê giá trị αtx và qbx khi thay
đổi giá trị θ cũng như giá trị t0 (theo công thức đơn giản).
Bảng I.5- Hệ số đặc trưng truyền nhiệt bức xạ (v = 0,87) theo công thức (I.14b) và (I.15b)
Nhiệt độ môi trường t0 [0C]
qbx
Độ tăng nhiệt θ
[0C]
Đơn vị
αbx
- 10
0
+10
+ 20
+ 30
+ 40
W/m2
129
4,3
145
161
177
193
209
qbx
30
W/m2 0C
4,85
5,58
5,91
6,43
6,96
αbx
.
W/m2
185
209
232
254
277
299
qbx
40
50
W/m2 0C
4,63
5,22
5,79
6,35
6,92
7,49
αbx
.
qbx
W/m2
244
275
305
334
365
396
18
W/m2 0C
4,88
5,5
6,1
6,68
7,3
7,92
αbx
.
W/m2
306
5,1
346
383
420
7,0
459
496
qbx
60
75
W/m2 0C
5,76
6,38
7,64
8,29
αbx
.
W/m2
405
5,4
458
6,1
506
557
608
8,1
655
qbx
W/m2 0C
6,75
7,42
8,75
αbx
.
So sánh bảng (I.4) và (I.5), ta thấy các hệ số đặc trưng cho đối lưu và bức xạ
nhiệt là giống nhau, chỉ khác nhau ở cách tính diện tích bề mặt. Đối với đối lưu,
diện tích bề mặt tính ứng với toàn thể bề mặt làm mát của vật thể; đối với bức xạ
chỉ tính với bề mặt bao của nó. Ví dụ, vỏ thùng dầu hình sóng diện tích bề mặt đối
lưu Sk tính cho toàn thể diện tích mặt sóng của vỏ, ngược lại diện tích ứng với bức
xạ nhiệt Sbx , bằng tích chiều cao với chiều dài chu vi chúng. Tỷ lệ Sbx/Sk càng nhỏ,
truyền nhiệt đối lưu càng mạnh.
αbx'
W
m 2.oC
7
~3%
2
6
1
θ
5
o
C
20
30
40
60
70
80
50
Hình I.3: Quan hệ giữa hệ số đặc trưng cho truyền nhiệt bức xạ abx và độ chênh nhiệt
độ trung bình q giữa môi trường và vật gia nhiệt 1. Tính theo công thức (I.11a);
2. Tính theo công thức (I.11b) Cả 2 trường hợp t0=200C; n=0,87
Công suất truyền nhiệt từ vật thể ra môi trường có thể biểu diễn dưới dạng:
0,25
⎛
⎞
⎟
θ
⎜
(I.16)
∆P = S .q = S .α .θ = S .α
bx bx bx bx bx bx bxo
.
.θ
⎜
⎟
⎠
θ
0
⎝
0,25
⎛
⎞
⎟
θ
⎜
Trong đó:
α
=α
.
bx
bx0
⎜
⎟
⎠
θ
0
⎝
Với αbx0 - hệ số tải nhiệt tương ứng với độ tăng nhiệt θ0, như nhiệt độ khi tải
định mức.
19
1.3.6. Quy luật già cỗi cách điện
Để xem xét khả năng tải của MBA trong những điều kiện nhất định, cần phải
xác định nhiệt độ có thể đạt tới của dầu và của cuộn dây cũng như sự già cỗi cách
điện.
Các chất cách điện sử dụng trong chế tạo MBA như giấy, các tông, bakêlit,
gỗ và dầu v.v… do tác nhân nhiệt độ, oxy, độ ẩm làm thay đổi đặc tính cách điện
của nó theo thời gian. Các vật liệu khác nhau cũng gây ảnh hưởng lẫn nhau, ví dụ
các sản phẩm do giấy phân huỷ làm ảnh hưởng đến đặc tính của dầu cách điện.
Năm 1930, nhà khoa học Mỹ Montsinger đã đưa ra kết luận về quy tắc 80C, nghĩa
là khi nhiệt độ thay đổi 80C thì hao mòn tương đối của cách điện và thời gian phục
vụ tương ứng của nó cũng thay đổi 2 lần [2]. Ta có thể biểu diễn quy tắc 80C của
Montsinger theo công thức:
t = t0.2−∆θ /8
(I.17)
Trong đó:
t- thời gian phục vụ tính bằng năm;
t0- hằng số ứng với thời gian phục vụ bình thường tính bằng năm;
∆θ- độ chênh nhiệt độ so với nhiệt độ bình thường, ∆θ=980 - θ.
Khi nhiệt độ của cách điện bị nâng cao sẽ dẫn đến giảm độ bền cơ và điện
của nó. Khi đó người ta nói cách điện bị già cỗi đi. Tuổi thọ trung bình của nhóm
cách điện A phụ thuộc vào sự thay đổi nhiệt độ (từ 800C ÷ 1400C) có thể được biểu
diễn như sau:
Z = A.e−aν
(I.18)
Trong đó:
A và a- các hệ số phụ thuộc vào chất cách điện và cấu tạo MBA.
ν - nhiệt độ điểm nóng nhất của cách điện, [0C].
Tuổi thọ của vật liệu cách điện ứng với nhiệt độ định mức (+ 980C).
Zdm = A.e−aν
dm
(I.19)
Tuổi thọ tương đối của cách điện được định nghĩa:
Z
(ν −νdm
)
Z* =
= e−a
(I.20)
Zdm
20
Đại lượng tỷ lệ nghịch với tuổi thọ tương đối gọi là hao mòn cách điện
tương đối:
Zdm
Z
(ν −νdm
)
L =
= ea
(I.21)
Để thuận tiện trong tính toán người ta không dùng cơ số e mà dùng cơ số 2.
Do đó biểu thức xác định hao mòn cách điện tương đối có thể viết:
L = 2a(ν ) / 0,693 = 2(ν ) / ∆
dm
dm
(I.22)
Trong đó:
∆ = 0,693/a
1/0,693 = lne/ln2.
Hằng số ∆ được chọn là 60C. Điều đó có nghĩa là mỗi khi nhiệt độ thay đổi
60C thì hao mòn tương đối và thời gian phục vụ tương ứng của cách điện cũng thay
đổi 2 lần. Sự phụ thuộc này gọi là quy tắc sáu độ. Khi nhiệt độ bằng 980C thì hao
mòn cách điện bằng 1, tức là đúng bằng hao
mòn cách điện định mức. Nhiều nhà nghiên
100
Z
L
*
cứu đã phát triển công trình của Montsinger.
Fabre đưa ra tiêu chuẩn hoá học về mức
polyme hoá của xenlulô có liên quan đến độ
bền cơ học của xenlulô, cho phép dễ dàng
nghiên cứu ảnh hưởng của sự già cỗi cách
điện, theo đó các phần tử xenlulô bị phá vỡ
do tác nhân hoá học. Cách điện xenlulô vẫn
còn giữ các đặc tính điện môi đến giới hạn
nhiệt độ thấp hơn quy tắc 80C của
Montsinger. Giấy mới có mức polyme hoá
khoảng 1300 và trở nên mùn khi mức
polyme hoá giảm xuống 150. Sử dụng giá trị
này như giới hạn thời gian phục vụ của giấy,
Fabre nhận được hằng số 5,50C. Năm 1961,
nhóm chuyên gia MBA của CIGRE và sau
L
10
Z*
1,0
0,2
ν
140
°C
100
130
90
110 120
80
0
đó công bố IEC 1972 đưa ra “quy tắc 6 C”
Hình I.4: Sự phụ thuộc của tuổi thọ
như một chỉ dẫn áp dụng cho MBA.
Arhenius đưa ra quy luật xác định tốc độ
phản ứng hóa học:
tương đối và sự hao mòn cách điện tương
đối của MBA vào nhiệt độ cuộn dây
t = A.e−T / B
(I.23)
Trong đó:
t- thời gian cần thiết cho phản ứng hoá học ở nhiệt độ tuyệt đối;
T, A và B – là các hằng số.
Công thức trên đúng trong khoảng nhiệt độ từ 800C đến 1300C. Ngoài 1400C
các phản ứng mới làm phân huỷ xenlulô.
21
Sự phụ thuộc giữa tuổi thọ tương đối và hao mòn cách điện tương đối của
cách điện loại A với nhiệt độ được biểu diễn trên hình I.4.
Tích của hao mòn cách điện tương đối và thời gian xác định hao mòn cách
điện (giờ, ngày, tháng, năm) trong khoảng thời gian đó:
H = L.T
(I.24)
Trong đó:
L- hao mòn cách điện tương đối;
T- thời gian để xác định hao mòn cách điện
Nếu nhiệt độ không cố định, hao mòn cách điện được xác định bằng tích
phân sau:
T
H = T L.dt = 2(ν −98 / 6 dt
)
i
(I.25)
∫
∫
0
0
Trong tính toán gần đúng người ta thay thế bằng phép cộng. Phân chia biểu
đồ nhiệt độ cuộn dây thành nhiều phần, trong phạm vị của mỗi phần có thể xem
nhiệt độ là không đổi và dựa theo biểu thức (I.22) hay đồ thị trên hình I.4 để xác
định hao mòn tương đối ứng với mỗi phần. Như vậy hao mòn sau thời gian T sẽ
bằng:
n
H =
L t
i i
(I.26)
∑
i=1
Khi nhiệt độ của cách điện nhỏ hơn 800C, hao mòn cách điện tương đối rất
nhỏ và có thể xem như bằng 0.
Hao mòn cách điện trung bình sau một ngày đêm có thể xác định như sau:
Hngay
Lngay
=
(I.27)
24
Hao mòn cách điện trong một năm bằng tổng hao mòn cách điện của các
ngày trong năm.
Thời hạn phục vụ của MBA là thời gian kể từ lúc nó bắt đầu làm việc cho
đến khi cách điện bị huỷ hoại hoàn toàn. Đối với MBA do Liên Xô (cũ) chế tạo,
thời hạn phục vụ của nó được quy định từ 20÷25 năm ứng với nhiệt độ định mức
của môi trường làm mát θo= 200C và nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây trong
điều kiện định mức là 980C.
Thực tế nhiệt độ của môi trường không phải lúc nào cũng bằng 200C mà
thường thấp (vào mùa Đông) hoặc có khi cao hơn (vào mùa Hè). Ngoài ra phụ tải
của MBA luôn thay đổi hàng ngày, hàng năm; trong đó, số ngày có thể lớn hơn
định mức. Vì vậy, trong vận hành có thể cho MBA làm việc với phụ tải lớn hơn
22
định mức một lượng nào đó nghĩa là cho MBA được quá tải mà thời hạn phục vụ
của nó không giảm đi.
1.3.7. Quá trình lão hóa cách điện
Tiêu chuẩn IEC-76 về MBA điện lực quy định nhiệt độ phát nóng cho phép
của nhiệt độ cực đại của dầu (không khí hoặc nước), phát nóng của dây quấn, của
mạch từ. Các vật liệu cách điện thể rắn chia làm 7 cấp với nhiệt độ cho phép như
trong bảng I.6
Bảng I.6: nhiệt độ cho phép theo cấp cách điện
Cấp cách điện
Y
A
E
B
F
H
C
Nhiệt độ giới hạn (0C)
90
105
120
130
155
180 >180
Các MBA khô thường sử dụng cách điện cấp B và H: sợi thuỷ tinh, amiăng,
mica hoặc epoxy.
Các MBA dầu thường sử dụng vật liệu cấp A có nguồn gốc sợi tự nhiên (sợi
bông, gỗ) hoặc sợi nhân tạo xenlulô axêtat, polyamit …
Các vật liệu này có các đặc tính tốt về cơ, điện, nhiệt.
Khi MBA vận hành, dòng điện chạy trong dây quấn của MBA khi đó từ
trường trong lõi thép sẽ sinh ra các tổn hao công suất và biến thành nhiệt làm nóng
các chi tiết của MBA.
Sự tăng nhiệt này làm giảm khả năng sử dụng vật liệu tác dụng. Khi tăng
nhiệt độ thì vật liệu cách điện bị lão hóa. Vật liệu cách điện thường gặp ở MBA là
các loại giấy, bìa, bakêlit, vải sợi, dầu MBA, các loại sơn, nói chung là vật liệu cấp
A và B. Đối với các loại cách điện này người ta nhận thấy tăng nhiệt độ lên 80C với
vật liệu cấp A và 120C với vật liệu cấp B thì tuổi thọ của vật liệu cách điện giảm đi
một nửa. Để vận hành hợp lý MBA có quy định nhiệt độ cho phép lớn nhất. Bảng
I.7 giới thiệu các tiêu chuẩn Quốc tế về độ tăng nhiệt của MBA [1].
Bảng I.7- Tiêu chuẩn độ tăng nhiệt độ cho phép của MBA
(địa điểm lắp đặt máy có chiều cao ≤ 1000 m)
Theo tiêu chuẩn
Thông số nhiệt độ môi trường và độ tăng
nhiệt cho phép
Nhiệt độ môi trường (max)
độ
35
40
35
35
40
40
40
40
35
40
Nhiệt
23
môi trường Nhiệt độ trung bình tháng
làm mát
nóng nhất
25
15
30
20
-
-
25
20
30
20
35
-
30
-
30
-
-
-
30
20
Nhiệt độ trung bình của
năm nóng nhất
Nhiệt độ nước làm mát cực
đại (max)
25
25
25
25
25
25
25
30
25
25
Dầu làm mát tự nhiên
(ON...)
Nhiệt
tăng
của
độ
cao
dây
70
65
65
70
70
70
70
65
65
60
60
65
55
55
60
60
65
70
quấn so với
môi trường
Dầu làm mát cưỡng bức 70
65*
(OD...)
Dầu trong máy không tiếp
xúc với không khí.
Nhiệt
tăng
độ
cao
60
60
55
60
60
60
60
60
55
50
50
55
50
55
50
50
50
60
60
của dầu ở
lớp trên
cùng so với
môi trường.
Dầu trong máy tiếp xúc với
không khí.
60
* Làm mát bằng nước, cho phép 70 0C
* Nếu địa điểm lắp đặt máy cao hơn 1000 m, thì độ tăng nhiệt cho phép giảm xuống:
- Máy biến áp làm mát tự nhiên (... AN), giới hạn nhiệt độ tăng trung bình
của cuộn dây sẽ giảm đi 1 0C cho mỗi khoảng 400m khi độ cao của địa điểm lắp đặt
vượt qua 1000m.
- Đối với MBA làm mát cưỡng bức (... AF) thì cứ 250 m giảm đi 1 0C.
* Tiêu chuẩn ở bảng I.4 có hiệu lực cho MBA có cách điện cấp A, ngâm
0
trong dầu mỏ hoặc dầu tổng hợp có điểm cháy ≤ 300 C. Nếu cách điện cấp cao
hơn, dầu tổng hợp ít cháy hơn thì phải có sự thỏa thuận.
Trên đây là tổng quan về những tác động và ảnh hưởng của môi trường nhiệt
đới và độ ẩm đến cách điện của MBA lực.
24
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG CỦA
PHƯƠNG PHÁP ĐO SỰ HỒI PHỤC ĐIỆN MÔI
2.1 Đáp ứng điện môi dưới tác động điện trường trong miền thời
gian
Những công thức Maxwell, mô tả hiện tượng điện từ, là cơ sở hình thành
công thức toán học về phản ứng điện từ của cách điện.
∇.D = ρ
∂D
∇xH = j +
∂t
∂B
∂t
∇xE = −
(2.1)
∇.B = 0
Trong đó, D - là độ dịch chuyển điện môi, ρ - mật độ điện tích tự do, H - từ
trường, j - mật độ dòng điện ohmic, E điện trường và B là mật độ dòng từ trường
tương ứng. Tuy nhiên, những chất điện môi được nghiên cứu ở đây giả định độ từ
hoá bằng 0. Do vậy, tiếp theo sẽ không đề cập đến thành phần từ trường.
Việc thêm vào những công thức Maxwell, D và E có mối tương quan bởi
đặc tính bên trong của vật liệu cách điện.
D = ε0 E + P
(2.2)
Trong đó: ε0 - độ thẩm thấu không gian tự do và P là véc tơ phân cực phụ
thuộc vào bản chất của vật liệu. Những chất cách điện được xem xét ở đây được giả
thiết là có tính chất giống nhau, cùng loại và phi tuyến. Chúng cho phép áp dụng
các công thức trên mà không phải xem xét các phản ứng điện từ của vật liệu.
Độ dịch chuyển điện môi D thường tuyến tính với điện trường E. Do vậy, D
và E được coi là liên quan lẫn nhau khi sử dụng hằng số tỷ lệ độ thẩm thấu tương
đối εr
D = εrε0 E
Ngoài ra, kết hợp (2.2) và (2.3) P và E có mối tương quan như sau,:
(2.3)
P = ε0 (εr −1)E = χε0 E
(2.4)
(2.5)
χ là độ nhạy cảm điện môi của vật liệu.
bằng cách như trên, kết hợp (2.1) và (2.2) cho ta:
∂E ∂P
∂t ∂t
J = σE + ε0
+
25
Ở đây, J là tổng số mật độ dòng do nguồn điện từ trường và σ là độ dẫn của
vật liệu. Công thức (2.5) cho thấy sự đóng góp của phân cực đối với tổng dòng qua
cách điện.
Các dạng phân cực:
Sự phân cực điện môi được quan sát trong các thành phần có chứa các điện
tích như điện tử, nguyên tử, phân tử, các mạch đại phân tử và các điện tích xuất
hiện các mặt tiếp giáp hay được sinh ra do các khuyết tật trong vật liệu không đồng
nhất. Các dạng phân cực có thể được nhận biết theo khả năng phân cực của từng
thành phần:
1. Phân cực điện tử: sinh ra do sự dịch chuyển đàn hồi và sự biến dạng các
lớp vỏ điện tử của phân tử dưới tác dụng của điện trường bên ngoài. Thời gian xác
lập phân cực điện tử xảy ra cực nhanh (∼ 10-15s) và kéo theo ánh sáng phát ra.
2. Phân cực nguyên tử: tương ứng với sự chuyển dịch của các nguyên tử hay
nhóm các nguyên tử trong phân tử dưới ảnh hưởng của điện trường bên ngoài. Hiện
tượng này cũng rất nhanh để đạt được trạng thái cân bằng (∼ 10-12 -10-13s).
3. Phân cực định hướng (hay lưỡng cực): Sự phân cực này miêu tả chung
cho những thành phần tồn tại moment lưỡng cực như phân tử, nhóm phân tử hay
đại phân tử. Những lưỡng cực này có xu hướng quay theo chiều của điện trường tác
dụng, thời gian thiết lập sự phân cực này lớn hơn nhiều so với hai phân cực trước
và nằm trong một dải rộng từ 10-9 – 103s tùy theo dạng lưỡng cực.
4. Phân cực kết cấu: Sự phân cực này xuất hiện trong các vật liệu không
đồng nhất (dị pha) với thời gian xác lập lâu nhất được tạo nên bởi sự tích tụ các
điện tích trên các mặt ranh giới giữa các miền khác nhau khi mà các miền này có
hằng số điện môi và điện dẫn khác nhau.
Hình 2.1. Các cơ chế phân cực và sự thay đổi của hằng số điện môi theo tần số. pe: phân
cực điện tử, pa: phân cực nguyên tử, po: phân cực lưỡng cực và pi: phân cực kết cấu
26
Khi ta đặt một điện trường lên vật cách điện, những sự phân cực này sẽ xuất
hiện lần lượt theo thời gian thiết lập τ như quan sát trong hình 2.1. Các phân cực
điện tử và nguyên tử là những hiện tượng xảy ra rất nhanh, gần như tức thời, vì thế
chúng không phải là đối tượng nghiên cứu của quá trình phân cực trong vật liệu
cách điện khi mà thời gian đo chỉ nằm trong khoảng từ 10-6 đến 104s. Ngược lại,
các phân cực định hướng và phân cực kết cấu đóng một vai trò quan trọng trong
việc phân tích các thuộc tính về điện của vật liệu.
Dưới tác dụng của điện trường lên vật cách điện, sự chuyển trạng thái từ
không phân cực (trạng thái khi không có điện trường) sang trạng thái phân cực sẽ
không diễn ra một cách tức thời mà từ từ do quán tính của các chuyển động lưỡng
cực (hình 2.1a).
Hình 2.1a Phân cực theo thời gian dưới tác dụng của điện trường tĩnh
Trong hình 2.1a, P∞ miêu tả sự phân cực trong thời gian vô cùng ngắn và PS
là tổng số phân cực bão hoà của vật liệu sau một thời gian vô cùng lâu (không giới
hạn).
Do đó, sự phân cực tại bất kì thời điểm nào sau t=t0 có thể được viết như
sau:
P(t) = P∞ + (PS - P∞)g(t – t0)
đối với t ≥ t0
(2.6)
Trong đó g(t) là 1 hàm số tăng từ từ theo thời gian thoả mãn những điều kiện
sau:
0
⎧
⎨
1
⎩
khi t ≤ t0
khi t → ∞
g(t) =
Và
.
&
g(t) ≥ 0 & g(t) ≥ 0
đối với t ≥ t0
Bằng cách thay thế (2.4) đối với mỗi giới hạn phân cực trong (2.6), tổng số
phân cực do 1 hằng số điện trường E0 có thể được tính như sau:
P(t) = ε0 (ε∞ −1) + (εS −ε∞ ).g(t − t0 ) E0
[
]
(2.7)
27
ε0 và ε∞ hằng số của tần số tĩnh và tần số cao liên quan đến bản chất của vật
liệu tương ứng.
Công thức (2.7) có thể được mở rộng để tìm sự phân cực của chiều dài vật
liệu do bất kì điện trường nào khi bất kì hàm nào có thể được giải thích bằng tổng
hợp của những con số của từng hàm. Bằng cách ứng dụng theo nguyên tắc xếp
chồng và sử dụng nếp của toàn bộ phân cực tại thời điểm t đối với bất kì điện
trường E(t) nào có thể được tính như sau:
t
P(t) = ε0 (ε∞ −1)E(t) + ε0 f (t −τ )E(τ )dτ
(2.8)
∫
−∞
Hàm f(t) là hàm đơn điệu giảm, được biết giống như hàm phục hồi điện môi.
Ở phần đầu tiên của (2.8) tương ứng với quá trình phân cực nhanh trong vật liệu.
Bằng cách kết hợp (2.5) và (2.8), tổng mật độ dòng J(t) cần thiết với hằng số
điện trường có thể được viết như sau:
t
⎧
⎫
⎬
⎭
∂ ε (ε −1)E(t) + ε f (t −τ )E(τ )dτ
⎨
0
∞
0
∫
∂E(t)
∂t
⎩
−∞
J(t) = σE(t) + ε0
+
=
∂t
(2.9)
⎡
⎤
= σE(t) + ε ε δ (t) + f (t) E(t)
⎢
⎥
0
∞
{
123
123
⎢
⎣
⎥
⎦
3
1
2
Ở công thức (2.9), toàn bộ mật độ dòng gồm có 3 thành phần:
1- Mật độ dòng do độ dẫn của vật liệu
2- Mật độ dòng tác động nhanh do quá trình phân cực nhanh
3- Mật độ dòng do quá trình phân cực chậm.
Hơn nữa, có thể nhận thấy trong khoảng thời gian giới hạn bởi các hoạt động
của chất điện môi đặc trưng bởi: độ dẫn σ, độ thẩm thấu điện môi cao tần ε∞ và
hàm phục hồi điện môi f(t).
2.2 Đáp ứng điện môi dưới tác động điện trường trong miền tần số
Khi xem xét điện từ trường thay đổi theo thời gian, có thể mô tả chúng bằng
cách sử dụng 1 hàm tần số hình sin đơn. Sau đó điện trường E(t) thay đổi theo thời
gian có thể được viết như sau:
E(t) = E0e jωt
(2.10)
Phần thực của hàm này là một điện trường vật lý.
Giả thiết rằng, chúng ta nhận được giới hạn thời gian phục hồi và bằng cách
thay thế (2.10) trong (2.2) và (2.8), độ dịch chuyển điện môi D(t) có thể được thấy
trong công thức dưới đây
28
t
D(t) = ε0ε∞ Eme jωt + ε0 f (t −τ )Eme jωt dτ
(2.11)
(2.12)
∫
−∞
Bằng cách thay thế t0= t-τ, ta có
⎧
⎫
∞
⎪
⎪
⎪
⎪
D(t) = ε + f (t)e− jωt dt ε E e jωt
⎨
⎪
⎬
⎪
∞
0
m
∫
0
14243
⎪
⎪
⎩
A
⎭
Nhóm A của công thức (2.12) là tương đương với biến đổi Fourier của hàm
ˆ
f(t), được xác định như là tần số phụ thuộc vào độ nhạy cảm điện χ(ω) . Ở đây:
∞
χ(ω) = χ'(ω) − jχ"(ω) = f (t)e− jωt dt
ˆ
(2.13)
∫
0
Ở đây, χ'(ω) và χ"(ω) là thành phần thực và thành phần ảo của độ nhạy
phức, Khi tất cả chúng đều bắt nguồn từ hàm tương tự hàm f(t), chúng có mối
tương quan với nhau được gọi là phép biến đổi Kramers-Kronig (K-K) [12].
a
x ⋅ χ"(x)
2 lim
χ'(ω) =
dx
x2 −ω2
∫
π
a→∞
0
(2.14)
a
2ω lim
χ'(x)
x2 −ω2
χ"(ω) = −
dx
∫
π
a→∞
0
ˆ
Trong giới hạn tần số, mật độ dòng J(ω) ở chất điện môi do điện trường bên
ˆ
ngoài của E(ω) có thể được viết như sau:
ˆ
ˆ
ˆ
J(ω) = σE(ω) + jω
ε0ε∞ + ε0
χ'(ω) − jχ"(ω) E(ω) =
}
]
⎡
⎢
⎢
⎤
⎥
⎥
1
}
⎧
⎫
⎪
2
678
σ
⎪
⎨
ˆ
= jωε ε + χ'(ω) − j
+ χ"(ω) E(ω) =
⎬
0
⎢
∞
⎥
⎥
(2.15)
142 43
ε0ω
1442443
⎪
⎩
⎪
⎭
⎢
A
⎢
⎣
⎥
⎦
B
ˆ
= jωε0
{
ε'(ω) − jε"(ω)
}
E(ω)
Trong đó ε’ và ε” là thành phần thực và ảo của độ thẩm thấu điện môi.
Phần A và B của công thức (2.15) đại diện cho thành phần dung kháng và
điện kháng của dòng tổng tương ứng. Dòng điện kháng cùng pha với trường điện
ứng dụng, là kết hợp với tổn hao trong chất điện môi. Chu kỳ 1 của dòng điện
29
Tải về để xem bản đầy đủ
110 trang
11/03/2024
2050
Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo Nghiên cứu quá trình xuống cấp cách điện máy biến áp điện lực và ứng dụng phương pháp phổ điện môi để chẩn đoán chất lượng cách điện trong máy biến áp", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
File đính kèm:
- bao_cao_nghien_cuu_qua_trinh_xuong_cap_cach_dien_may_bien_ap.pdf
