Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về đặc tính phóng điện của dầu bắp và dầu phộng ở điện áp xoay chiều AC50 Hz. Kết quả thí nghiệm cho thấy dầu bắp và dầu phộng có độ bền điện xấp xỉ độ bền điện của dầu máy biến áp khoáng (PLC supertrans). Tuy nhiên khi bị lão hóa, độ bền điện của dầu bắp và dầu đậu phộng cao gấp khoảng 1,5 ÷ 2 lần so với dầu khoáng PLC. Kết quả cũng được kiểm tra với hỗn hợp chứa 50% dầu cám gạo + 50% dầu bắp tính theo thể tích. Nghiên cứu cũng khảo sát mối quan hệ giữa điện áp phóng điện và khe hở điện cực của dầu bắp và dầu phộng.
Trang 134 Nguyễn Văn Dũng
NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHÓNG ĐIỆN CỦA DẦU BẮP VÀ DẦU PHỘNG
A STUDY OF BREAKDOWN PROPERTIES OF CORN OIL AND PEANUT OIL
Nguyễn Văn Dũng
Trường Đại học Cần Thơ; nvdung@ctu.edu.vn
Tóm tắt - Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về đặc tính
phóng điện của dầu bắp và dầu phộng ở điện áp xoay chiều
AC-50 Hz Kết quả thí nghiệm cho thấy dầu bắp và dầu phộng có độ
bền điện xấp xỉ độ bền điện của dầu máy biến áp khoáng (PLC
supertrans) Tuy nhiên khi bị lão hóa, độ bền điện của dầu bắp và
dầu đậu phộng cao gấp khoảng 1,5 ÷ 2 lần so với dầu khoáng PLC.
Kết quả cũng được kiểm tra với hỗn hợp chứa 50% dầu cám gạo
+ 50% dầu bắp tính theo thể tích Nghiên cứu cũng khảo sát mối
quan hệ giữa điện áp phóng điện và khe hở điện cực của dầu bắp
và dầu phộng Kết quả thí nghiệm cho thấy điện áp phóng điện của
dầu bắp và dầu phộng nhỏ hơn một ít so với dầu khoáng PLC trên
toàn bộ khe hở điện cực được khảo sát Tuy nhiên, khi lão hóa
điện áp, phóng điện của dầu bắp và dầu phộng tăng cao và xấp xỉ
gấp 2 lần so với dầu khoáng PLC.
Abstract - This paper presents the results of electric breakdown
properties of corn oil and peanut oil at AC-50 Hz Experimental results show that breakdown strength of these two oils is approximately to that of mineral transformer oil (PLC supertrans) However, when ageing, the breakdown strengths of the corn oil and the peanut oil are about 1,5 - 2 times higher than that of the PLC supertrans This result is checked with the blend oil consisting of 50% corn oil and 50% rice bran oil This study also investigates the relationship between breakdown voltage and electrode gap of the two oils Experimental results shows that the breakdown voltage of corn oil and peanut oil is a little lower than that of the PLC supertrans in the whole range of electrode gap investigated However, when ageing, the breakdown votage of these two oils increase greatly and reach a value of about 2 times higher than that of the PLC mineral oil
Từ khóa - dầu bắp; dầu phộng; dầu khoáng PLC; độ bền điện; điện
áp phóng điện; lão hóa
Key words - corn oil; peanut oil; breakdown strength; breakdown
voltage, ageing
1 Đặt vấn đề
Trong thời gian gần đây, dầu sinh học được trích ly từ
hạt thực vật đã được nghiên cứu để thay thế dầu máy biến
áp khoáng có nguồn gốc từ dầu mỏ [1-6] Dầu máy biến áp
khoáng được sử dụng làm dầu cách điện trong các máy biến
áp điện lực từ rất lâu bởi vì dầu khoáng có đặc tính làm mát
dầu khoáng phân hủy sinh học kém, không thân thiện với
môi trường và có điểm chớp cháy thấp [8, 9] Trong khi đó,
dầu sinh học có khả năng phân hủy hoàn toàn, nhiệt độ
chớp cháy cao và được trích ly từ các nguồn thực vật sẵn
có trong tự nhiên hoặc trồng trọt [8, 9] Tuy nhiên dầu sinh
học vẫn có nhược điểm là độ nhớt cao và độ bền oxy hóa
thấp hơn so với dầu khoáng [1, 10] Do đó, việc nghiên cứu
các đặc tính điện của dầu sinh học để thiết kế các chất lỏng
cách điện sinh học mới, đáp ứng tiêu chuẩn dầu cách điện
sử dụng trong máy biến phân phối là vấn đề cần thiết
Hiện tại đã có một số loại dầu cách điện sinh học được
thương mại và ứng dụng thành công trong các máy biến áp
cho rằng dầu cách điện sinh học đã ứng dụng thành công
điều chế trên cơ sở của các loại dầu thực vật có hàm lượng
axít chưa bão hòa cao (oleic và linoleic) như dầu hạt hướng
dương, dầu hoa rum và dầu đậu nành [8] Do có độ bền oxy
hóa thấp, nên một hỗn hợp phụ gia đặc biệt bao gồm một
số phenol và amine được thêm vào dầu sinh học [1, 10]
Việt Nam là đất nước có nhiều nguồn nguyên liệu có
trữ lượng lớn có thể dùng để sản xuất dầu cách điện sinh
học Trong số đó dầu cám gạo, dầu bắp, dầu phộng và dầu
mè có chứa hàm lượng axít oleic và linoleic cao Thành
phần axít béo của dầu bắp và dầu phộng được cho ở bảng
1 Đặc tính phóng điện của dầu cám gạo đã được tác giả
trình bày tại nghiên cứu [12] Từ [12], kết quả thí nghiệm
chỉ ra rằng dầu cám gạo có thể được dùng để thiết kế dầu
cách điện sinh học Tuy nhiên cần tìm biện pháp nâng cao khả năng chống oxy hóa của dầu khi bị lão hóa ở nhiệt độ cao Nghiên cứu này sẽ khảo sát tiếp tục đặc tính phóng điện của dầu bắp và dầu phộng và đề ra biện pháp nâng cao khả năng chống oxy hóa dầu cám gạo Các nghiên cứu về đặc tính phóng điện của dầu bắp và đậu phộng rất hiếm trên thế giới cũng như ở Việt Nam Do đó việc nghiên cứu về hai loại dầu này để tạo nền tảng cơ bản cho việc thiết kế dầu cách điện mới là cần thiết
2 Bố trí thí nghiệm và trình tự thí nghiệm
2.1 Bố trí thí nghiệm
trí như hình 1
Tất cả các thí nghiệm đều được thực hiện với điện áp xoay chiều AC-50 Hz, được tạo bởi máy phát cao áp có thể điều chỉnh được điện áp đầu ra trong khoảng 0÷100kV Thí nghiệm
sử dụng hệ thống điện cực loại cầu - cầu bằng thép có đường kính 12,7mm được chế tạo theo tiêu chuẩn IEC 60156 [13]
Hình 1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 2.2 Mẫu dầu thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện trên ba mẫu dầu là dầu bắp tinh chế, dầu phộng tinh chế và dầu khoáng PLC supertrans
do Petrolimex điều chế Thành phần hóa học và tính chất vật lý của dầu bắp và dầu phộng được cho ở bảng 1 Đặc tính lý hóa của dầu PLC supertrans được cho ở tài liệu [14]
Trang 2ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(112).2017-Quyển 1 35
Bảng 1 Thành phần axít béo của dầu bắp và dầu phộng [15]
TT Thành phần axít béo (%) Dầu bắp Dầu đậu phộng
2.3 Phương pháp và trình tự thí nghiệm
2.3.1 Dầu mới
Đối với thí nghiệm xác định độ bền điện, khe hở điện
cực được lấy theo tiêu chuẩn là 2,5mm [13] Số lần lặp lại
thí nghiệm là 6 lần Điện áp đặt lên hệ thống điện cực được
tăng từ 0 đến khi phóng điện xảy ra với tốc độ gia tăng điện
áp khoảng 1 kV/s Thời gian nghỉ giữa hai lần thí nghiệm
là 2 phút Sau mỗi lần phóng điện, dầu được lắc đều để
khuếch tán muội than ra khỏi khu vực phóng điện
Đối với thí nghiệm xác định quan hệ giữa điện áp phóng
điện và khe hở điện cực, phương pháp thực hiện tương tự
như thí nghiệm xác định độ bền điện Tuy nhiên, khe hở
điện cực d được thay đổi lần lượt là 1mm, 2mm, 3mm,
4mm và 5mm
Thí nghiệm cũng được tiến hành đối với dầu khoáng
PLC supertrans để so sánh kết quả
2.3.2 Dầu bị lão hóa
Quá trình lão hóa dầu được thực hiện theo phương pháp
và thời gian lão hóa là 72h có sử dụng dây đồng làm chất
xúc tác
Dầu sau khi lão hóa được thí nghiệm để xác định độ bền
điện, quan hệ điện áp phóng điện và khe hở điện cực
Phương pháp thực hiện tương tự như trường hợp dầu mới
Thí nghiệm lão hóa cũng được lặp lại đối với dầu khoáng
PLC supertrans để so sánh kết quả
2.3.3 Xử lý số liệu
Số liệu thí nghiệm được xử lý bằng phần mềm Minitab
với phân phối Weibull Biểu thức của hàm phân phối tích
lũy Weibull hai tham số được cho ở công thức 1 Trong
và V là biên độ điện áp
3 Kết quả nghiên cứu
3.1 Độ bền điện
3.1.1 Dầu mới
Đồ thị Weibull của dầu bắp, dầu phộng và dầu khoáng
được xác định tương ứng với xác suất phóng điện tích lũy
là 50%
Hình 2 Đồ thị Weibull của độ bền điện của dầu mới
(18,6kV) Giá trị này thấp hơn khoảng 15% so với độ bền
6% (23,3kV so với 21,9kV) Tuy nhiên, dữ liệu điện áp phóng điện của dầu phộng và dầu khoáng PLC chồng lấp lên nhau Điều này cho thấy không có sự khác biệt đáng kể
về độ bền điện giữa dầu phộng và dầu khoáng PLC Hệ số
PLC Kết quả này cho thấy dữ liệu độ bền điện của dầu phộng tập trung hơn so với dầu bắp và dầu khoáng PLC
3.1.2 Dầu bị lão hóa
Đồ thị Weibull của độ bền điện của dầu bắp, dầu phộng
và dầu khoáng PLC supertrans sau khi bị lão hóa được trình bày ở hình 3 Từ đồ thị ta thấy độ bền điện sau khi lão hóa của dầu bắp và dầu phộng đều cao hơn đáng kể so với dầu khoáng PLC (27,3kV và 30,4kV so với 19,2kV) Mặc dù
độ bền điện của dầu bắp thấp hơn khoảng 10% so với độ bền điện của dầu phộng (27,3kV so với 30,4kV), số liệu điện áp phóng điện của cả hai loại dầu chồng lấp lên nhau Điều này chỉ ra rằng không có sự khác biệt đáng kể về độ bền điện của dầu bắp và dầu phộng sau lão hóa Đồ thị của dầu phộng nghiêng hơn đáng kể so với đồ thị dầu bắp và
bắp và 12,4 cho dầu khoáng PLC) Rõ ràng, số liệu độ bền điện của dầu phộng phân tán mạnh hơn so với dầu bắp và dầu khoáng PLC bị lão hóa
Hình 3 Đồ thị Weibull của độ bền điện của dầu lão hóa
30 20
15 10
9
99 90 80 60 40 30 20 10 5 3 2 1
Điện áp phóng điện (kV)
50
18 21 23
9,805 19,36 6 9,935 22,76 6 Shape Scale N
Dầu bắp mới Dầu phộng mới Dầu PLC mới Weibull - 95% CI
50 40 30 20
15 10
9
99 90 80 60 40 30 20 10 5 3 2 1
Điện áp phóng điện (kV)
50
27 30
18,17 27,85 6 12,41 19,74 6 Shape Scale N
Dầu bắp lão hóa Dầu phộng lão hóa Dầu PLC lão hóa Weibull - 95% CI
Trang 336 Nguyễn Văn Dũng
3.2 Quan hệ giữa điện áp phóng điện và khe hở điện cực
3.2.1 Dầu mới
điện cực d của dầu bắp, dầu phộng và dầu khoáng PLC mới
Đồ thị cho thấy, điện áp phóng điện của dầu bắp tương tự
dầu khoáng PLC Tuy nhiên, điện áp phóng điện của dầu
phộng lớn hơn khoảng 10÷20% so với dầu khoáng PLC, và
sự chênh lệch điện áp phóng điện giữa hai loại dầu càng
tăng khi khe hở điện cực càng lớn Độ phân tán dữ liệu điện
áp phóng điện của ba loại dầu tương tự nhau trên toàn bộ
khe hở khảo sát
Hình 4 Đồ thị quan hệ điện áp phóng điện - khe hở điện cực
của dầu mới 3.2.2 Dầu bị lão hóa
cao gấp khoảng 2 lần so với dầu khoáng PLC, ngoại trừ tại
bắp cao hơn khoảng 5 lần so với dầu khoáng PLC Mặc dù có
điện áp phóng điện lớn, dữ liệu điện áp phóng điện trong
trường hợp dầu bắp và dầu phộng lại phân tán mạnh hơn nhiều
so với dầu khoáng PLC
Hình 5 Đồ thị quan hệ điện áp phóng điện - khe hở điện cực
của dầu lão hóa
4 Bàn luận
Hình 6 trình bày tác động của sự lão hóa đến độ bền điện của dầu cám gạo, dầu bắp, dầu phộng và dầu khoáng PLC Đồ thị ở hình 6 được xây dựng từ số liệu ở hình 2 và hình 3 và từ số liệu của dầu cám gạo ở [12] ứng với điện
áp phóng điện có xác suất tích lũy là 50%
Hình 6 Ảnh hưởng của sự lão hóa đến độ bền điện của dầu
Từ hình 6, rõ ràng sự lão hóa làm thay đổi mạnh độ bền điện của dầu Sau khi lão hóa, độ bền điện giảm khoảng 45% đối với dầu cám gạo và xấp xỉ 13% đối với dầu khoáng PLC Tuy nhiên, độ bền điện của dầu bắp sau lão hóa tăng mạnh đến khoảng 47% và độ bền điện của dầu phộng cũng tăng xấp xỉ 30% Sự suy giảm độ bền điện của dầu cám gạo và
sẽ làm sản sinh ra các thành phần như axít hữu cơ, nước, cặn… chính các thành phần này sẽ giảm độ bền điện của dầu [6, 17] Sự tác động mạnh hơn của sự lão hóa đến độ
Hình 7 Tác động của sự lão hóa đến độ bền điện của
hỗn hợp dầu
bền điện của dầu cám gạo so với dầu khoáng PLC là do dầu khoáng PLC đã được thêm vào chất chống oxy hóa, cũng như khả năng kháng oxy hóa kém của dầu cám gạo do có chứa các axít béo không bão hòa [12] Tuy nhiên, quá trình lão hóa dầu bắp và dầu phộng được dự đoán có thể sinh ra thêm các hợp chất hóa học mới Các hợp chất này hoạt động giống như chất phụ gia, có tác dụng gây cản trở quá trình hình thành sự phóng điện hay làm chậm tốc độ di chuyển của dòng điện tích trong dầu Giả thuyết này được củng cố bằng thí nghiệm với hỗn hợp chứa 50% dầu gạo và 50% dầu
0
10
20
30
40
Khe hở điện cực (mm)
Dầu PLC mới
Dầu bắp mới
Dầu phộng mới
0
10
20
30
40
50
Khe hở điện cực (mm)
Dầu PLC lão hóa Dầu bắp lão hóa Dầu phộng lão hóa
34.3
18.6
23.3
21.9 18.9
27.3
30.4
19.2
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Loại dầu
Dầu mới Dầu lão hóa
34.3
18.9 18.6
27.3 24.7
40
0 5 10 15 20 25 30 35 40
Loại dầu
Dầu cám gạo Dầu bắp Hỗn hợp dầu
Trang 4ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(112).2017-Quyển 1 37
bắp tính theo thể tích Kết quả thí nghiệm được trình bày ở
hình 7 Từ đồ thị hình 7 cho thấy độ bền điện của hỗn hợp
dầu mới tăng xấp xỉ 33% so với dầu bắp mới Đồng thời, độ
bền điện của hỗn hợp dầu sau lão hóa tăng hơn 200% so với
dầu cám gạo lão hóa và gần 50% so với dầu bắp lão hóa
Như vậy, pha dầu bắp vào dầu cám gạo theo một tỉ lệ phần
trăm nhất định sẽ cải thiện được độ bền điện của cả dầu bắp
và dầu cám gạo trước và sau khi lão hóa
5 Kết luận
Nghiên cứu đặc tính phóng điện của dầu bắp và dầu
phộng đã hoàn thành Kết quả thí nghiệm cho thấy nếu chỉ
xét về chỉ tiêu độ bền điện và điện áp phóng điện, dầu bắp
và dầu phộng có tiềm năng lớn để thiết kế làm dầu cách
điện sinh học, thay thế dầu khoáng sử dụng cho máy biến
áp cấp trung thế Ngoài ra, nghiên cứu cũng đã phát hiện
được một phương pháp để hạn chế tác động của sự lão hóa
đến dầu cám gạo bằng cách sử dụng dầu bắp như một chất
phụ gia Các nghiên cứu tiếp theo sẽ kiểm chứng tác động
của dầu bắp đối với dầu khoáng PLC cũng như tác động
của dầu phộng đối với dầu cám gạo và dầu khoáng PLC
Lời cám ơn
Nghiên cứu này được tài trợ từ Quỹ Phát triển Khoa học
và Công nghệ Quốc gia năm 2015 với mã số đề tài là
103.99-2015.57
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T.V Oommen, “Vegetable oils for liquids – filled transformers”,
IEEE Electrical Insulation Magazine, vol 18, 2002, pp 6-11
[2] Y Bertrand and L.C Hoang, “Vegetal oils as substitute for mineral
oils”, Proceedings of the 7 th international conference on properties
and application of dielectric materials, 2003, pp 491-494
[3] D Martin, Z.D Wang, A.W Darwin and I James, “A comparative study of the chemical stability of esters for use in large power
transformers”, Annual report conference on electrical insulation and dielectric phenomena, 2006, pp 493-496
[4] G J Pukel, R Eberhardt, H M Muhr, F Baumann and W Lick
“Large power transformers for alternative insulating fluids”, Proceedings of the 6 th international symposium on high voltage engineering, 2009, pp 1-4
[5] C.C Claiborne, E.J Walsh and T.V Oommen, “An agriculturally based biodegradable dielectric fluid”, Proceeding of conference on transmission and distribution, 1999, pp 876-881
[6] C P McShane, J Corkran, K Rapp and J Luksich, “Natural ester dielectric fluid development”, Proceeding of conference on transmission and distribution, 2006, pp 1-5
[7] H.R Sheppard, “A century of progress in electrical insulation
1886-1986”, IEEE Electrical Insulation Magazine, vol 2, 1986,
pp 20-30
[8] BIOTEMP Biodegradable dielectric insulating fluid (//search.abb.com/library)
[9] Envirotemp FR3 Fluid (www.envirotempfluids.com) [10] G.J Pukel et al, “Large power transformers for alternative insulating fluids”, Proceeding of the 16 th ISHVE, 2009, pp 1-4
[11] Cigre brochure 436, Experiences in service with new insulating liquids, Working group A2 35, 2010
[12] N.V Dũng, “Nghiên cứu đặc tính phóng điện của dầu cám gạo”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 7(104), 2016,
pp.11-14
[13] IEC 60156: 1995 (Insulating Liquids – Determination of the Breakdown Voltage at Power Frequencies – Test Method)
[14] PDS PLC Supertrans (fs.petrolimex.com.vn)
[15] F Gunstone, Fatty acid and lipid chemistry, Blackie: London, 1996
[16] IEC 61125: 1992 Unused Hydrocarbon based Insulating Liquids -Test Methods for Evaluating the Oxidation Stability
[17] A Darwin, C Perrier and P Folliot, “The use of natural ester fluids in transformers”, Proceeding of MATPOST 07, 2007
(BBT nhận bài: 31/12/2016, hoàn tất thủ tục phản biện: 15/02/2017)