Mạch đo hiện tượng phóng điện cục bộ (partial discharge) thiết kế bộ analyser hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng

Để đảm bảo vận hành an toàn, hiện nay các bộ đo hiện tượng phóng điện cục bộ PD đã được thiết kế nhằm mục đích phát hiện, mô tả hiện tượng phóng điện cục bộ sớm nhất đưa ra thông báo kịp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN

MẠCH ĐO HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ

TR ƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

MẠCH ĐO HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ (PARTIAL DISCHARGE)- THIẾT KẾ BỘ ANALYSER HIỂN

Trong các thiết bị làm việc với điện áp cao thì phóng điện là một hiện tượng phổ biến và trong đó phóng điện cục bộ (partial discharge) là một dạng xảy ra thường xuyên nhất Hiện tượng này phản ánh tình trạng làm việc xấu của thiết bị hoặc hệ thống, nó là nguyên nhân làm cho tình trạng ngày càng trầm trọng hơn gây tổn thất cho thiết bị trong hệ thống (cáp, máy phát điện, transformer, các lớp cách điện ) Trường hợp nặng nề có thế dẫn đến phá hỏng thiết bị, nguy hiểm đến tính mạng con người

Để đảm bảo vận hành an toàn, hiện nay các bộ đo hiện tượng phóng điện cục

bộ (PD) đã được thiết kế nhằm mục đích phát hiện, mô tả hiện tượng phóng điện cục

bộ sớm nhất đưa ra thông báo kịp thời để con người có thể tiến hành bảo dưỡng thay thế tránh các hư hại về kinh tế

Trên cơ sở tín hiệu phóng điện cục bộ đã được nhận biết thông qua phương pháp đo trực tiếp, em tiếp tục xây dựng mô hình một dụng cụ đo hiện tượng phóng điện cục bộ trong phòng thí nghiệm, có thể hiển thị kết quả đo trên màn hình tinh thể lỏng, thông báo số lần phóng điện, đưa ra tín hiệu cảnh báo tại LED, đồng thời đưa kết quả thu thập được tới cổng MAX 232 giao diện với máy tính

Em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thày, cô bộ môn Hệ thống điện và Phòng thí nghiệm Cao áp và Vật liệu đã hết sức giúp đỡ, tạo điều kiện vể

cơ sở vật chất và thời gian cho em trong suốt thời gian dài thực hiện đề tài này

Em cũng xin chân thành cảm ơn TS Trần Văn Tớp, người đã theo dõi, nắm

bắt từng bước phát triển của đồ án này và tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên em hoàn thành đề tài một cách tốt nhất

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Trần Cẩm Linh

Chương I: Giới thiệu hiện tượng phóng điện cục bộ

1.1 Khái niệm về phóng điện cục bộ 1

1.2 Nguyên nhân 2

1.3 Dòng điện 3

1.4 Tác hại của hiện tượng hiện tượng phóng điện cục bộ 4

1.5 Phân loại các dạng phóng điện cục bộ 6

1.6 Các phương pháp đo và phát hiện hiện tượng phóng điện cục bộ 7 Chương II: Cách điện và thiết bị đo hiện tượng phóng điện cục bộ hiện nay 2.1 Cách điện và vai trò cách điện 18

2.2 Một số thiết bị đo PD thực tế 19

Chương III: Thiết kế dụng cụ đo hiện tượng phóng điện cục bộ 3.1 Giới thiệu chung 24

3.2 Detector- Sơ đồ nguyên lý và các thiết bị 25

3.2.1 Nguồn điện áp và dây nối mạch 25 3.2.2 Bộ lọc tần số 26

3.2.3 Bộ phân áp 27

3.2.4 Bộ lấy tín hiệu 27

3.2.5 Bộ khuếch đại 29

3.3 Thiết kế bộ Analyser đơn giản 33

3.3.1 Sơ đồ khối 33

3.3.2 Các phần chi tiết 34

3.3.3 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh 60

3.3.4 Sơ đồ mạch in 61

3.3.5 Mạch in hoàn chỉnh 65

3.3.6 Biến áp nguồn 66

Chương IV: Sơ đồ thuật toán và chương trình chạy trên chip VXL 4.1 Sơ đồ thuật toán 67

Luận văn tốt nghiệp 2008 Trần Cẩm Linh

Kết luận 86 Tài liệu tham khảo 87

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ

1.1 Khái niệm về Phóng điện cục bộ (Partial discharge)

Phóng điện cục bộ (Partial discharge - PD) trong môi trường cách điện là phóng điện trong một bộ phận của vật liệu cách điện dưới tác dụng của điện trường Cường độ điện trường tập trung tại một phần cách điện yếu của vật liệu cách điện (thường là do khiếm khuyết của vật liệu hay công nghệ chế tạo gây ra

sự không đồng nhất của sản phẩm)

Khi đặt vật liệu cách điện vào trong một điện trường, phần cách điện yếu là nơi tạo ra một điện trường tập trung cao hơn những vùng khác giống như điện trường ở 2 má của một tụ điện hay như khe hở giữa 2 điện cực (xem hình 1.1)

Hình 1.1 : Phóng điện tại bọt khí trong vật liệu cách điện ∆Uc là cường

độ điện trường dọc theo bọt khí

Mặc dù các phần còn lại của vật liệu cách điện có thể chịu được cường độ điện trường đặt vào nhưng do tính không đồng nhất, điện trường tập trung tại bộ phận cách điện yếu và khi nó vượt quá giá trị tới hạn nào đó thì lập tức cách điện

ở khu vực yếu này bị phá huỷ do phóng điện giống như sự đánh thủng tụ điện do quá điện áp Sự phóng điện này gọi là phóng điện cục bộ

Như vậy, phóng điện cục bộ là một quá trình phóng điện xảy ra trong một phần cách điện, nó không tạo kênh nối giữa hai điện cực

1.2 Nguyên nhân

- Hiện tượng phóng điện cục bộ (PD) xuất hiện trong điều kiện làm việc bình thường của thiết bị điện áp cao, nơi mà điều kiện cách điện bị yếu đi vì lý do tuổi thọ hay quá nhiệt, sự tấn công của các phản ứng hóa học Đôi khi, hiện tượng phóng điện cục bộ xuất hiện do lỗi sản xuất hay thiết kế ở thiết bị mới, do sự không đồng nhất trong vật liệu cách điện, hay ở ranh giới giữa hai loại vật liệu cách điện khác nhau v.v

Trong quá trình vận hành, bên trong cách điện của máy điện có thể xuất hiện các vết rạn nứt, các lỗ trống nhỏ chứa không khí, trong dầu biến áp thường xuất hiện các bọt khí Đây là những chố yếu về cách điện rất dễ xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ Nguyên nhân là do hằng số điện môi của chất khí bé hơn so với hằng số điện môi của các chất cách điện chính và trị số cường độ điện trường tại những nơi này lớn hơn so với trị số cường độ điện trường chính của máy điện, quá trình ion hóa trong các lỗ trống có thể xuất hiện sớm ngay cả ở điện áp làm việc và gây nên phóng điện cục bộ trong cách điện

Hiện tượng phóng điện cục bộ được mô tả đơn giản hóa bằng mạch tương đương như hình vẽ 2 Ca là điện dung của toàn bộ khối vật liệu cách điện, Cc là điện dung của lỗ bọt khí và Cb là điện dung của vật liệu cách điện nối nối tiếp với

Cc

Hình 1.2: M ạch tương đương mô tả hiện tượng phóng điện trong

bọt khí

Khi điện áp dọc theo Cc tăng đủ lớn đến mức tới hạn, lập tức có sự phóng điện trong bọt khí, tương tự trường hợp Ccphóng điện và điện áp dọc theo bọt khí triệt tiêu trong khoảng thời gian từ 1 đến 1000 ns Quan hệ giữa biên độ phóng điện hay năng lượng phóng điện toàn phần q và điện áp Uc như sau:

Q = Cb x Uc

Sự phóng điện này tạo ra một xung dòng điện và gây ra thành phần điện áp biến đổi nhanh Sự thay đổi này có thể đo được bằng bộ đo điện áp kiểu điện dung (capacitive voltage divider) và máy biến áp xung

1.3 Dòng điện

Hiện tượng phóng điện cục bộ xảy ra rất nhanh, tạo ra các xung dòng điện có tần số cao, gây ra nhiễu cao tần cho nguồn cung cấp Nhưng do điện áp nguồn là tín hiệu có cường độ lớn hơn nhiều so với điện áp phóng điện này nên sự phóng điện này thông thường bị dập tắt (khi phóng điện thì lỗ thủng bị phá huỷ dẫn điện,

Hình 1.4: Phóng điện cục bộ để lại sự thay đổi trên bề mặt cách điện

Khi điện trường tại đây bị triệt tiêu thì lỗ hổng lại tái xuất hiện), khi cường

độ điện trường tiếp tục tăng lên đến một mức nào đó thì phóng điện cục bộ tiếp tục xảy ra Quá trình này lặp đi lặp lại trong vật liệu cách điện, có thể phát triển thành cây điện hoặc làm rạn bề mặt cho đến khi vật liệu bị yếu đi và hỏng

Hình 1.5: Hiện tượng cây điện

a) Hiện tượng cây điện; b) Trên vật liệu cách điện là giấy

1.4.Tác h ại của hiện tượng phóng điện cục bộ

- Hiện tượng phóng điện cục bộ là nguyên nhân gây ảnh hưởng trực tiếp đến tình trạng lão hóa của cách điện trong các thiết bị điện

Sự phóng điện cục bộ tuy không dẫn đến hư hỏng cách điện ngay lập tức nhưng nó ảnh hưởng đến môi trường cách điện như sau:

- Có sự bắn phá do các ion trong vật liệu cách điện gây ra phát nhiệt cục bộ

có thể dẫn đến sự thay đổi và suy giảm đặc tính hoá học của vật liệu cách điện Trong trường hợp xấu, điểm phóng điện cục bộ lan rộng dẫn đến phá huỷ dần vật liệu cách điện theo thời gian

Hình 1.6 : Sự thoái hóa trên giấy cách điện khi có hiện tượng phóng điện

cục bộ

- Sự thay đổi các đặc tính hoá học ảnh hưởng đến các thành phần hoá học, làm tăng tốc độ già hoá của vật liệu Mặt khác phóng điện cục bộ cũng có thể ảnh hưởng xấu đến các bộ phận khác của thiết bị

Hình 1.7 : Phóng điện cục bộ gây ảnh hưởng đến các bộ phận khác

- Phóng điện cục bộ gây ra điện trường cao quanh vùng phóng điện có thể dẫn đến phóng điện thứ phát (do tạo ra môi trường dẫn điện xung quanh chỗ phóng điện làm suy yếu tính chất cách điện của điện môi)

Hình 1.8 : Hiện tượng PD làm hỏng bộ phận trong máy phát điện

Hiện tượng này cũng làm xấu các đặc tính điện của vật liệu cách điện và làm tăng tổn hao, tăng nhiệt độ, giảm tuổi thọ của thiết bị

Trường hợp phóng điện cục bộ có cường độ lớn có thể dẫn đến phá hỏng thiết bị do suy giảm hoặc phá huỷ cách điện

1.5 Phân loại các dạng phóng điện cục bộ

+ Phóng điện cục bộ xảy ra bên trong vật liệu cách điện:

Đây là dạng phóng điện xảy ra ở các lỗ trống trong chất điện môi Trong quá trình hành, so chịu các rung động cơ học, do tác động của nhiệt độ và điện áp mà các lỗ trống xuất hiện ngày càng nhiều và tăng dần về kích thước.Thông thường chất điện môi trong các lỗ trống không khí có hằng số điện môi ~1, giá trị này thấp hơn hằng số điện môi của vật liệu cách điện Mặt khác, vì là không khí nên độ bền cách điện của lỗ trống thấp hơn so với chất cách điện chính vật liệu cách điện Trong trường hợp lỗ trống có dạng hình phẳng và cường độ điện trường trên lỗ trống bằng εlần cường độ điện trường đặt lên vật liệu cách điện (εlà hằng số điện môi của chất cách điện chính trong vật liệu cách điện)Nếu lỗ trống có dạng hình cầu thì cường độ điện trường đặt lên lỗ trống bằng εε

2 1

3 + lần cường độ điện trường đặt lên vật liệu cách điện, khi hằng số điện môi εcó giá trị tương đối lớn (2ε>>1) thì cường độ điện trường đặt lên điện môi gấp 1,5 lần cường độ điện trường đặt lên vật liệu cách điện Như vậy, cường độ điện trường đặt lên lỗ trống thường có trị số lớn hơn so với trị số điện trường đặt lên vật liệu cách điện Vì thế,

phóng điện trong lỗ trống sẽ xảy ra trước tiên, đó là hiện tượng phóng điện cục bộ bên trong

+ Phóng điện cục bộ xảy ra ở lớp không khí trên bề mặt cách điện:

Trường hợp này thường xảy ra ở các sứ xuyên, cuối đường dây cáp, phần nhô ra của cuộn dây trong máy phát, phần tiếp giáp giữa điện cực và bề mặt chất cách điện không được kín, tồn tại một khe hở không khí giữa chúng Khi cường độ điện trường giữa điện cực và bề mặt chất cách điện đạt đến giá trị cường độ phóng điện chọc thủng thì sẽ xuất hiện phóng điện cục bộ ở khe hở

Hình 1.9: Đo hiện tượng phóng điện cục bộ tại chỗ tiếp giáp các điện cực

+ Phóng điện vầng quang:

Thường xuất hiện ở những điểm nhọn hay nơi sắc cạnh cảu điện cực ở điện áp cao, đặt biệt xung quanh các đường dây tải điện cao áp Phóng điện thường xảy ra sớm hơn và thường xuyên hơn khi điện áp trên điện cực mũi nhọn ở nửa chu kỳ

âm

1.6 Các phương pháp đo và phát hiện hiện tượng phóng điện cục bộ

Sự xuất hiện của hiện tượng phóng điện cục bộ trong vật liệu cách điện (của thiết bị điện) đi kèm theo các hiện tượng như:

- Phát ra ánh sáng hoặc tia cực tím (UV)

- Các sản phẩm khí (NOx hay Ôzôn)

- Tiếng ồn có thể nghe thấy

- Bước đầu mất điện trên hệ thống

- Phát ra nhiệt

- Sự ăn mòn cơ học trên vật liệu cách điện khi bị ion hóa

- Phát ra từ trường gây nhiễu

Về nguyên tắc thì bất cứ khả năng nhận biết được hiện tượng nào đi kèm của PD là nhận biết được có phóng điện cục bộ Vì vậy, người ta tạm chia các phương pháp đo hiện tượng PD ra làm 2 kiểu chính:

1.6.1 Các phương pháp đo không điện

+ Phương pháp âm thanh (được sử dụng rộng rãi):

Sóng siêu âm:

Đây là dạng sóng từ 20kHz đến 100kHz nằm ngoài vùng giới hạn nghe của con người Sử dụng sóng siêu âm để phát hiện hiện tượng phóng điện cục bộ, phóng lửa, phát hồ quang Thông thường, người ta hay sử dụng khoảng sóng âm

từ 20kHz-30kHz để phát hiện hiện tượng phóng điện cục bộ

Sóng siêu âm có thể xuyên qua các vật cản, đi qua các khoảng không gian hẹp Các thiết bị sử dụng sóng siêu âm có thể phát hiện khi máy móc đang sử dụng (online) và không phải di chuyển vỏ bảo vệ, đo đạc kiểm tra bên ngoài thiết

bị Thông thường, các thiết bị này dùng kiểm tra các mảng trên hệ thống điện đang vận hành như chuyển mạch, transformer, cáp điện

Hình 1.10 : Mạch đo hiện tượng PD bằng sóng siêu âm

Mạch đo phóng điện cục bộ đơn giản: Phát tín hiệu siêu âm xuyên qua thiết

bị, thu về sóng phản hồi, khi có hiện tượng phóng điện cục bộ tạo ra thay đổi trong tín hiệu phản hồi, tín hiệu siêu âm thu được chuyển đổi thành tín hiệu điện

áp Tín hiệu này được khuyếch đại và chuyển qua hiển thị trên Oscillocope hoặc được điều chỉnh lại trong vùng nghe của con người (20-5000Hz) đưa ra tai nghe

Hoặc các tín hiệu đó tiếp tục được chuyển đổi sang tín hiệu số và đưa lên máy tính xử lý bằng phần mềm thu thập, mô tả được hiện tượng phóng điện cục

bộ dưới dạng đồ thị 2D,3D

Đo PD bằng âm thanh (acoustic):

Nguyên lý nhận biết âm thanh của hiện tượng PD là thu nhận các sóng được phát ra bởi quá trình phóng điện tại phần khiếm khuyết của vật liệu cách điện Khi hiện tượng xuất hiện giống như một “tiếng nổ nhỏ” dạng sóng cơ khí và được truyền qua phần cách điện Khi đó âm thanh được thu về và đưa ra hiển thị dưới dạng đột biến của các sóng trên Oscillocoe hoặc màn hình máy tính

Hình 1.11 : Đo hiện tượng PD bằng âm thanh

Tuy nhiên, phương pháp này thường bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn, gây nhiễu

và sai số đo

+ Phương pháp quang học:

Khi có phóng điện cục bộ, kèm theo phát ra ánh sáng (với quá trình ion hoá khác nhau cho chùm tia ánh sáng khác nhau) Chùm tia này được chuyển đổi thành các thông tin về mức năng lượng của quá trình phóng

Tùy thuộc vào bề mặt của chất cách điện ( các thành phần hóa học như không khí, SF6, dầu) và các hệ số như: áp suất, nhiệt độ thì chùm tia này có thể nằm trong vùng ánh sáng từ tia hồng ngoại đến tia cực tím

Ánh sáng phát ra được chuyển đổi thành tín hiệu điện (thông qua các loại sensor quang-điện) và khuếch đại để xem trên Oscillocope hoặc chuyển đổi thành tín hiệu số, thu thập trên máy tính phân tích,đánh giá đưa ra cảnh báo

Hình 1.12 : Đo phong điện cục bộ bằng phương pháp quang học

Nếu như phần ánh sáng nằm trong vỏ bọc, không thoát ra ngoài người ta có

thể sử dụng các máy chụp để phát hiện vùng ánh sáng

+ Phương pháp hóa học:

Khi có hiện tượng phóng điện cục bộ xuất hiện trong các vật liệu hoặc trên

bề mặt vật liệu cách điện sẽ xuất hiện các phản ứng hóa học kèm theo các chất hóa học mới tạo thành nên người ta sử dụng các thiết bị phân tích hóa học để nhận biết và ước đoán được sự suy giảm do PD gây nên

Các chất cách điện dạng lỏng thường xuất hiện các bọt (bong bóng) dẫn tới phóng điện, khi đó xuất hiện các chất như NOx và ozone Tính toán hàm lượng ozon có thể ước lượng khả năng phóng điện của hiện tượng phóng điện cục bộ

1.6.2 Phương pháp đo điện:

Phương pháp đo điện dựa trên việc đo đạc dòng điện phóng giữa hai cực của vật liệu được đặt làm thí nghiệm khi có hiện tượng phóng điện cục bộ

Phương pháp này được đo đạc theo sơ đồ đơn giản sau

Hình 1.13 : Mạch đo hiện tượng phóng điện cục bộ đơn giản

Mạch này bao gồm:

+Nguồn Vg

+ Trở kháng Z hoạt động như một bộ lọc tín hiệu nguồn

+ Tụ Ct, mắc song song với Cc và điện trở đo lường Zm

Tín hiệu dòng điện sinh ra do hiện tượng phóng điện cục bộ được chuyển đổi thành tín hiệu điện áp bởi điện trở đo lường/ điện áp rơi trên điện trở (dòng chuyển đổi thành điện áp) và sau đó được đo bằng oscillocope

Mạch đo này xuất phát từ mạch đo cơ bản dưới đây:

Cc

Mạch đơn giản trên có thể mô tả như sau: Vật liệu mẫu (dùng để kiểm tra ) được đặt ở 2 điểm A,B nối song song với 1 tụ điện Cc Khi có phóng điện cục bộ thì dòng điện tạo mạch vòng với tần số cao Quá trình phóng điện cục bộ thí nghiệm được tạo nên bởi Ct và Cc, tách ra khỏi nguồn bởi điện trở kháng Z

Trong một khoảng thời gian rất ngắn, ngoài dòng vòng i(t) thì còn có ic và

it lớn hơn nhiều và có pha vuông góc với i(t), như vậy dòng PD so với dòng của nguồn là nhỏ Dòng trên hai tụ Cc và Ct có thể xác định được nhưng có cực khác nhau Có thể đo dòng PD bằng phương pháp trực tiếp (sử dụng RC hoặc RLC) hoặc phương pháp cân bằng (chuyển đổi từ xung dòng sang xung áp )

Phương pháp đo sử dụng mạch cân bằng:

Các xung dòng điện trong dây dẫn được chuyển thành xung điện áp ở mạch lấy tín hiệu, tín hiệu này sẽ được khuyếch đại để quan sát, bằng cách sử dụng mạch cân bằng loại bỏ nhiễu gây ra bởi phóng điện trong dây dẫn

Hình 1.15: Phương pháp đo bằng cầu cân bằng Schering

Phương pháp đo trực tiếp:

 Sử dụng mạch RC (trong phần thiết kế mạch Detector)

Hình 1.16: Phương pháp đo trực tiếp bằng mạch RC

~ Cầu CB Schering Máy biến tăng áp Khuếch đại Hiển

c: Điện dung của lỗ trống

b: Điện dung phần nối tiếp lỗ trống

a: Phần điện dung còn lại của vật mẫu mắc song song với (b+c)

Z: Bộ lọc các thành phần hài bậc cao từ nguồn cao áp, đảm bảo sóng điện

áp từ nguồn chỉ là 50Hz

Điện dung của vật mẫu có giá trị nhỏ hơn so với giá trị của C, vì thế điện

áp nguồn gần như đặt hoàn toàn lên vật mẫu, điện áp đặt lên RC rất nhỏ có thể bỏ qua

Giả sử điện áp nguồn hình sin dạng U = U.sin (ωt) thì điện áp đặt lên khối abc cũng là U Điện áp đặt lên khe hở có trị số:

UC = U

c b

b

+Khi giá trị này vượt quá trị số điện áp phóng điện chọc thủng lỗ trống, hiện tượng phóng điện cục bộ bên trong vật mẫu sẽ xảy ra Khi đó, khe hở sẽ bị nối tắt bởi điện trở của kênh dẫn phóng điện và gây nên sụt áp ∆V Thời gian sụt áp diễn

ra vô cùng ngắn, cỡ nanô giây, có thể coi là tức thời, tức là sẽ xuất hiện một sung điện áp ∆V Sơ đồ các phần tử khi xảy ra phóng điện như sau:

Hình1.17 : Sơ đồ mạch khi xảy ra phóng điện

Xung điện áp này gây nên biến đổi điện áp trên tất cả các phần tử trong mạch Đối với mạch RC, biến đổi điện áp này có thể sử dụng biến đổi Laplace để tính với sơ đồ tương đương:

Hình1.18 : Sơ đồ Laplace tương đương

Tổng trở mạch RC:

ZRC =

RC p

R R

pC

R pC

1 1

1

+

= +

Tổng trở cả mạch:

Z=

pb pa pk

R pC

1 1 //

1 //

bkR V

+ + + + + + +

∆

) (

.

Như đã đề cập ở trên, điện tích q1di chuyển qua lỗ trống khi xảy ra phóng điện là một đại lượng không xác định được, khi ta nối vật liệu cách điện với các phần tử mạch ngoài k và RC thì khi xảy ra phóng điện trong vật liệu cách điện sẽ gây nên một sự sụt áp trên vật liệu cách điện, do đó cũng gây nên sụt áp trên tụ k

làm xuất hiện điện tích q di chuyển trong mạch

VRC =

) (

1

1

/ ) (

k a

Cb kb k a

ak C R p k b a C b a C

q

+

+ + + + + +

+ + +

Nhưng vì a>>b nên a+b≈a Do đó, công thức trên sẽ có dạng:

VRC≈

) (

1

1

) / 1 (

k a

ak C R p C k C a q

+ + + +

+

Biến đổi ngược Laplace của công thức trên, ta có dạng sóng rơi trên RC:

) / exp(

) / 1

C a k C

q

+ +

C

q V

q: Điện tích phóng điện gây nene xung q = b.∆V

τ : Hằng số của thời gian xung, C R m

k a

ak

+ +

Từ biểu thức trên, ta đi đến một số nhận xét sau:

- Biên độ v’ của V tỉ lệ với độ lớn điện tích q của xung phóng điện và hoàn toàn không phụ thuộc vào giá trị của R Chỉ có dạng sóng điện áp sẽ phụ thuộc vào R Nếu R càng nhỏ thì hằng số thời gian τ càng nhỏ, đỉnh sóng càng nhọn

- Nếu a lớn (a>>C và k) thì biên độ v’≈ q/a

- Cũng có thể thấy rằng nếu tỉ số C/k càng lớn thì v’ sẽ càng nhỏ, trong những trường hợp chung thì có thể lấy k=a

Xung áp này sẽ được đưa vào bộ khuyếch đại, tuy nhiên trước khi vào bộ khuyếch đại thì xung sẽ được thay đổi dạng cho đỡ dốc hơn, vì dạng xung V có đỉnh rát dốc làm cho mạch khuyếch đại cũng như mạch đo không phản ứng kịp,

có thể dẫn đến làm sai lệch tín hiệu Do đó, bộ khuyếch đại được chọn phải có dải tần lớn hơn tần số xung fx(fx=1/2πRm Để thực hiện điều đó, ta cho tín hiệu qua một mạch như sau:

Hình 1.19 : Sơ đồ mạch khi đưa tín hiệu vào mạch khuếch đại

Việc tính toán điện áp U trước khi đưa vào bộ khuếch đại dựa vào biến đổi Laplace:

p

v p

V pC R

pC p

+ +

= +

=

τ α

α / 1 /

1

/ 1 /

1

/ 1 )

(

'

1 1

−

p

v p

U

τ α

τ α

τ

/ 1

1 /

1

1 )

τ α

τ

t t

v t

+ Mạch đo PD hiển thị trên Oscillocope: Dòng điện rơi trên trở kháng đo

và tín hiệu được khuếch đại, hiển thị

Hình 1.20: Đo xung điện PD hiển thị trên Oscillocope

+ Bộ Detector đơn giản:

Hình 1.21: Hệ thống đo tín hiệu PD đơn giản

Kết luận: Tóm lại, phóng điện cục bộ là hiện tượng xảy ra ở hầu hết các thiết bị cao áp, nếu quá trình xảy ra trong thời gian dài thì phần cách điện sẽ lão hóa và bị phá hủy nhanh hơn, ảnh hưởng đến độ tin cậy của thiết bị điện Do vậy, rất cần thiết phải có các thiết bị đo đánh giá để kịp thời ngăn chặn các sự cố cũng như bảo dưỡng thay thế kịp thời tránh những tổn hao đáng tiếc

CHƯƠNG 2 : CÁCH ĐIỆN VÀ THIẾT BỊ ĐO HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ

2.1 Cách điện và vai trò của cách điện:

Vật liệu cách điện (hay chất cách điện) là vật liệu dùng để thực hiện việc cách ly về điện giữa các phần mang điện với nhau và giữa phần mang điện với phần không mang điện Chất cách điện là các chất dẫn điện kém, có điện trở suất rất lớn (khoảng 106 - 1015 Ωm) Vật liệu cách điện có thể ở dạng rắn, lỏng hay khí Các loại vật liệu cách điện gồm có: cách điện rắn (ví dụ: gỗ, nhựa, vỏ bọc dây điện), cách điện lỏng (ví dụ: dầu máy biến áp) cách điện khí (không khí, khí SF6)

Đặc trưng chính của vật liệu cách điện :

Đối với các chất cách điện là chất điện môi, các đặc trưng như điện trở suất, độ thẩm điện môi (hằng số điện môi), tổn hao điện môi, độ bền điện môi (điện áp đánh thủng cách điện) được quan tâm khi chế tạo các thiết bị cách điện

Yếu tố quan trọng để đánh giá một vật liệu cách điện là cường độ điện trường đánh thủng Khi cường độ điện trường đặt lên vật liệu vượt quá giá trị này thì sẽ xuất hiện sự phóng điện, phá hủy vật liệu và vật liệu mất đi đặc tính cách điện vốn có Cường độ điện trường đánh thủng cũng là yếu tố quan trọng nhất để lựa chọn cách điện cho các ứng dụng

Trong bất cứ một hệ thống điện nào từ đơn giản cho đến phức tạp sử dụng cách điện như một tính tất yếu đảm bảo an toàn cho thiết bị, con người

Trong quá trình vận hành, cách điện có thể bị suy giảm do chịu các ứng suất cơ học bị lão hóa do nhiệt, điện và các hiện tượng phóng điện, do môi trường làm ảnh hưởng đến sự làm việc của thiết bị, trong trường hợp nặng nề có thể ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống Do vậy, để đảm bảo các thiết bị vận hành an toàn, tin cậy và kinh tế cần có các phương pháp kiểm tra cách điện, từ đó đưa ra các thông số về tình trạng hiện tại của cách điện để có kế hoạch bảo dưỡng hay thay thế Một trong những phương pháp kiểm tra là sử dụng phương pháp chuẩn đoán bằng phương pháp đo phóng điện cục bộ (hay thiết bị đo PD)

2 2 Một số thiết bị đo PD thực tế hiện nay:

Đo đạc và lưu trữ đặc tính của hiện tượng phóng điện cục bộ (PD) nhằm giám sát trạng thái cách điện trong thiết bị (hoặc hệ thống) điện hiện nay được sử dụng rất rộng rãi Kiểm tra PD không những thế còn cung cấp thông tin quan trọng về tuổi thọ của cách điện, rất hữu ích cho việc chuẩn đoán và đánh giá tính nguyên trạng của thiết bị

Các thiết bị đo PD hết sức đa dạng, tùy theo điện áp, điều kiện làm việc cũng như cấu tạo của đối tượng được đo mà có các thiết bị riêng áp dụng cho từng chủng loại đảm bảo an toàn, cung cấp đầy đủ thông tin

a, Đo hiện tượng PD trên cáp điện:

Hình 2.1 : Đo hiện tượng phóng điện cục bộ trên cáp điện

Hiện tượng phóng điện cục bộ xảy ra trong các lỗ trống khí của vật liệu cách điện và phá hỏng từng lớp Do vậy, xác định được vị trí của điểm phóng điện cục bộ là rất quan trọng khi kiểm định chất lượng của cáp Sử dụng phương pháp sóng di chuyển để phát hiện điểm có hiện tượng phóng điện cục bộ (Bộ định vị thu thập thông tin và xác định vị trí, PD detector nhận xung, lọc đưa ra kết quả đo,

bộ phân tích hiển thị, đưa ra các cảnh báo)

Bộ định

L

Khi có hiện tượng phóng điện cục bộ, cáp điện có vai trò như đường dẫn sóng để các xung lan truyền Từ điểm phóng điện, xung sẽ truyền theo hai hướng, một là xung trực tiếp và một là xung phản hồi, và chính xung phản hồi này xác định được vị trí của điểm phóng điện cục bộ

Trên thực tế, xung phản hồi thường bị nhiễu hoặc bị yếu đi nên người ta thường dùng thêm một bộ tiếp sóng để nhận được xung phản hồi tại đầu xa của cáp

Hình 2.2 : Đo hiện tượng phóng điện cục bộ trên cáp điện lực

b, Đo hiện tượng PD trong máy phát điện:

Hình 2.3 : Đo hiện tượng phong điện cục bộ trong máy điện : đo PD tại bushing , đo PD tại phần đệm và đo PD tại điểm cuối của cuộn dây

- Thông thường , người ta hay sử dụng phương pháp đo bằng sóng siêu âm hoặc âm thanh đối với các thiết bị dạng này để tránh tháo dỡ hay lắp đặt thiết bị

Xung trực tiếp

Xung phản hồi

Thiết bị đo Vị trí có hiện tượng PD

quá phức tạp Các bộ đo chỉ cần để bên ngoài và được tiến hành đo, đưa ra kết quả phân tích, và cuối cùng cho đánh giá về lớp cách điện

Cũng có thể sử dụng phương pháp đo điện để xác định được hình dáng và định vị được vị trí của hiện tượng phóng điện cục bộ Trên các bộ đo và phân tích thế hệ mới, tại các điểm có hiện tượng phóng điện cục bộ máy tính có thể mô tả trên không gian 2D, 3D về các lỗ hổng, trống trong vật liệu cách điện

c, Đo hiện tượng PD tại Transformer

Hình 2.4: Đo hiện tượng phóng điện cục bộ Transformer

Transformer là thành phần quan trọng trong hệ thống điện, chúng hoạt động trong các điều kiện khác nhau.Transformer có giá thành khá lớn và sử dụng nhiều trong hệ thống điện

Sử dụng phương pháp đo bằng sóng âm để phát hiện hiện tượng phóng điện cục bộ, giám sát được hiện tượng phóng điện cục bộ

d, Đo hiện tượng PD trong mô tơ:

Hình 2.5 : Đo phóng điện cục bộ trong mô tơ

Trong mô tơ hay các cuộn dây có thể dùng phương pháp đo bằng âm thanh hoặc sóng siêu âm để kiểm tra độ bền cách điện và phát hiện hiện tượng phóng điện cục bộ

+ Đo PD tại GIS:

Hình 2.6 : Đo phóng điện cục bộ tại GIS

Dùng sóng âm VHF/UHF để nhận biết hiện tượng phóng điện cục bộ tại GIS.Chùm tia thu về có thể mô tả vị trí của điểm phóng điện cục bộ

+ Đo PD tại các đầu cực máy điện:

Hình 2.6 : Đo phóng điện cục bộ tại các đầu cực

Sử dụng sóng UHF để đo hiện tượng phóng điện cục bộ ở các đầu cực

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ MẠCH ĐO HIỆN TƯỢNG

PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Trên thực tế với một thiết bị đo PD, các dữ liệu được tập hợp tạo thành bảng hoặc biểu đồ 2D, 3D hiển thị một cách rõ ràng cho người sử dụng Thậm chí, các thiết bị đo còn có thể đưa ra các mức độ cảnh báo khác nhau tùy theo giá trị đo được Ví dụ : bình thường, phóng điện gây ra tác hại, phóng điện có thể phá hủy cách điện , dựa vào sự tính toán, đánh giá giá trị PD trên cơ sở dữ liệu đã được thu thập của vật liệu điện nhất định

Tuy nhiên, trong giới hạn của phòng thí nghiệm nhà trường, ta có thể thiết

kế mạch đo hiện tượng phóng điện cục bộ đơn giản, nhằm mục đích đánh giá, so sánh giữa giá trị lý thuyết và giá trị đo thực tế

Sơ đồ khối của một thiết bị đo hiện tượng phóng điện cục bộ đơn giản

Hình 3.1 : Sơ đồ khối của mạch đo hiện tượng phóng điện cục bộ

Bộ phận detector có nhiệm vụ nhận biết hiện tượng phóng điện cục bộ trên vật liệu, chuyển đổi thành các tín hiệu ban đầu Tại thiết bị đo này, phần detector

có chức năng đo trực tiếp xung phóng điện từ mẫu thí nghiệm (mô hình thay thế hoặc mẫu cách điện thực) đưa ra đầu khuyếch đại

Bộ Analyser nhận tín hiệu đo của Detector trị tuyệt đối hoá, nhận đỉnh, ngưỡng, số hoá thông qua ADC (được điều khiển từ phần vi xử lý) rồi đưa qua hiển thị

Phần thông tin có thể tiếp tục được mở rộng nhờ có cổng nối RS232 vào máy tính

Phần hiển thị: Hiển thị bằng màn hình tinh thể lỏng giá trị đo được

Detector Analyser

Display

Computer

3.2 DETECTOR- SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ VÀ CÁC THIẾT BỊ

(Phần detector này do sinh viên Hoàng Trung Kiên HTĐ3-K48 đã thiết kế trong đồ án tốt nghiệp/TS Phạm Hồng Thịnh hướng dẫn, em xin trình bày sơ qua)

Sơ đồ nguyên lý mạch đo:

Trong sơ đồ đã bao gồm một số thiết bị như bộ lọc tần số cao đầu vào, bộ phân áp, bộ khuyếch đại:

Hình 3.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch đo

Trong đó:

LT: Bộ lọc tần số cao k: Tụ nối

M: Mẫu thí nghiệm TH: Bộ lấy tín hiệu FA: bộ phân áp KĐ: Bộ khuyếch đại

3.2.1 Nguồn điện áp và dây nối vào mạch

Khi cần điện áp lớn thì sử dụng máy biến áp Máy biến áp đảm bảo không xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ ở đầu ra cũng như trong cuộn dây

Trong những trường hợp thử nghiệm không cần điện áp cao thì sử dụng nguồn điện áp với đầu ra có thể điều chỉnh, linh hoạt và thuận tiện cho việc thao tác

Các dây nối có khả năng chống nhiễu cao, đảm bảo không xảy ra phóng điện cục bộ

K

Các dây nối trong mạch phần cao áp dùng ống nhôm Còn dây nối phần hạ

áp dùng dây mềm

3.2.2 Bộ lọc tần số

Để đảm bảo kết quả đo không bị nhiễu, ta cần phải loại bỏ (hạn chế) nhiễu, đảm bảo nguồn cao áp đưa vào hầu như chỉ còn tần số 50Hz Bộ lọc sử dụng là bộ lọc tần số thấp

Ngoài ra, sử dụng bộ lọc sẽ tạo dạng sóng hình sin, thuận lợi cho việc quan sát thời điểm xảy ra phóng điện cũng như số xung phóng điện trong 1 chu kỳ

Sơ đồ nguyên lý mạch lọc tần thấp:

a, Sơ đồ nguyên lý b, Đồ thị bode của mạch lọc tần số thấp

Hình 3.3 : Mạch lọc tần số thấp

Mạch lọc tần số thấp có tác dụng lọc dải tần từ 0-ω 0là tần số cắt Tại đó, biên độ điện áp ra là

2

) (

U

ω + (với U là biên độ điện áp nguồn) Đối với tần số càng cao thì độ suy giảm càng mạnh

Áp dụng mô hình này vào sơ đồ thí nghiệm ta có thể tận dụng được tụ k trong vai trò của C, đồng thời các thành phần điện dung đằng sau cũng tham gia vào mạch lọc tần số

Mức suy giảm điện aps ở tần số cắt là 2 Khi tần số cắt nhỏ hơn 50 Hz thì mức suy giảm điện áp ở tần số 50 Hz là tương đối lớn, như vậy R sẽ chịu điện áp rơi trên nó rất lớn Còn nếu tần số cắt lớn hơn 50Hz thì mức chênh lệch sẽ bớt nhưng kém hiệu quả trong việc giảm thành phần sóng hài bậc cao

Để tăng hiệu quả lọc ta dùng hai tầng lọc:

Hình 3.4 : Bộ lọc tần số

3.2.3 Bộ phân áp

Để xác định điện áp đặt lên cách điện, ta dùng bộ phân áp vì không thể đo trực tiếp giá trị điện áp cao Bộ phân áp sẽ sử dụng 2 tụ điện mắc nối tiếp (C2 và C3) Bộ phân áp được mắc song song với mẫu thí nghiệm Để bộ phân áp không ảnh hưởng đến thông số chung của toàn mạch, ta sẽ dùng 1 tụ điện có điện dung rất nhỏ cỡ pF, tụ còn lại cỡ nF

Vậy với điện áp đặt lên mẫu thí nghiệm là U2 thì điện áp đo ở đầu phân áp:

3 2

2 2 3

C C

C U

C

C C U

Hình 3.5 :Sơ đồ thay thế Laplace khi khe hở bị nối tắt

=

1 1

1 //

1 ) (

pC

R pk p

pa p

Tổng trở Laplace đoạn AE

) (

1 )

pb p

) (

) (

1 ) (

1 ) (

1

1 1

2 1

1 3

11 1

1 1

1 2

a C k p k C R a C R kRa a C R p ka C RR p

RC kR C R p k C RR p pb

p

ZAE

+ + +

+ + +

+ +

+ +

+

=

) (

) (

)) ( )

( ) ( ( ) ( (

1

1

1 1 2 1

1 3

1 1

1 1 1

1 2

a C k p k C R a C R kRa a C R p ka C RR p

b a C k b a RC b a kR b a C R p a

k C RR p pb

Z AE

+ + +

+ + +

+ + + + + +

+ +

+ +

+

Vì a>>b nên a+b~a do đó

pb p

Z AE( ) ≈ 1 Từ đó ta có dòng điện qua b:

b U pb p

U p

p U

Điện áp rơi trên R

R p Z R

p Z p I p

U

cb

EB b

) (

) ( ) ( )

(

+

=Biến đổi điện áp ngược ta nhận thấy trong khoảng thời gian rất nhỏ thì giá trị thu được của URxấp xỉ với giá trị tính toán khi bỏ qua R1 và C1 trong sơ đồ

Do đó, có thể coi dạng tín hiệu không thay đổi khi có thêm bộ lọc

3.2.5 Bộ khuyếch đại

Các tín hiệu đo được rất nhỏ, khó khăn cho quá trình hiển thị và xem thông

số, nên việc khuếch đại tín hiệu là rất cần thiết

Toàn bộ phần khuếch đại được đặt trong hộp nhôm nối đất để chống nhiễu không mong muốn từ bên ngoài

Bên cạnh đó, dùng thêm một bộ lọc tần sao cho tín hiệu đi vào bộ khuếch đại chỉ còn là tín hiệu phóng điện cục bộ

a, Bộ lọc tín hiệu 50 Hz:

Hình 3.6 : Sơ đồ nguyên lý bộ lọc tín hiệu 50Hz

Hình 3.7 :Dạng tín hiệu xung phóng điện cục bộ sau khi qua bộ lọc

b, Bộ phận thay đổi dạng tín hiệu

Sau khi loại bỏ tín hiệu điện áp tần số 50Hz thì ta sẽ còn thành phần hàm

mũ của xung phóng điện cục bộ Thành phần này sẽ không khuếch dại được với

độ chính xác cao, đặc biệt sẽ không đảm bảo được biên độ tín hiệu đầu ra với lý

C1 U1

U2

U5

t

do một trong những đại lượng cần quan tâm của bộ khuếch đại là tốc độ đáp ứng (V/µs, đại lượng này là có giới hạn trong khi dạng hàm mũ để khuếch đại được thì về nguyên tắc tốc độ đó phải là vô cùng, điều này làm cho bộ khuếch đại hoạt động không chính xác Do đó phải thay đổi dạng tín hiệu

Hình 3.8: Bộ thay đổi dạng sóng

Dạng tín hiệu sau khi thay đổi dạng sóng như sau:

Hình 3.9 : Tín hiệu sau khi đã được thay đổi dạng sóng

Như vậy, tín hiệu sau khi đã biến đổi sẽ có giá trị đỉnh chậm sau tín hiệu ban đầu 1 khoảng thời gian sao cho bộ khuếch đại có thể làm việc được

Sử dụng ICTL084 cho bộ khuyếch đại

U6

t

Có thể tổng hợp sơ đồ mạch chính như sau:

Hình 3.10 : Sơ đồ nguyên lý mạch Detector xung PD

b) Tổng hợp các kết quả đo khi thay đổi mẫu thí nghiệm :

Dạng mẫu

Điện áp phóng, (V)

U đỉnh (Um)

Sai lệch Tính toán KQ thực tế

• Kết luận:

- Điện áp ra của khuếch đại từ 0-10V

- Xung điện áp khi có phóng điện cục bộ xuất hiện nhanh từ 10-6 đến 10-8 s

- Sai số của giá trị đỉnh giữa lý thuyết và thực tế không nhiều

- Thực hiện được trên một số vật liệu cách điện nhất định để so sánh giữa lý thuyết và thực tế

3.3 THIẾT KẾ BỘ ANALYSER ĐƠN GIẢN

Hiển thị kết quả đo trên màn hình tinh thể lỏng, (có thể thay đổi vài chế

độ bằng key), có tín hiệu đèn nháy báo hiệu khi xuất hiện quá trình phóng điện cục bộ

3.3.1 , Sơ đồ khối của Analyser

Hình 3.11 : Sơ đồ khối của Analyser (SOC – Start of Conversion; EOC –

End of Conversion; Vi – Pulse height in Volts)

ADC 12bit

MCU

Display (LCD)

Keyboard

Peak Detector

Absolute Value

Polarity Detector

SO

12

Vin

+ Absolute Value Detector : Mạch trị tuyệt đối hóa giá trị của tín hiệu ra của bộ Detector, chuyển phần tín hiệu âm thành tín hiệu dương để phù hợp với đầu vào của ADC

+ Peak detector: Nhận tín hiệu và giữ lại xung đỉnh (Giá trị max của điện áp)

+ Threshold Detector & Polarity Detector: Phần nhận biết ngưỡng và cực của tín hiệu (dấu giá trị đo)

+ ADC 12 bít tốc độ nhanh : Chuyển đổi tín hiệu từ analog sang tín hiệu số dưới dạng nối tiếp

+MCU: Phần vi xử lý: Được lập trình để điều khiển ADC, LED, hiển thị ra màn hình tinh thể lỏng, xuất dữ liệu ra cổng RS232, nhận tín hiệu từ các keyboard

3.3.2, Các phần thiết kế chi tiết:

+ Absolute Value Detector:

Hình 3.12 : Sơ đồ nguyên lý bộ tuyệt đối hóa giá trị xung PD

Bộ Absolute Value Detector thực chất là bộ chỉnh lưu chính xác, tạo xung dương ở đầu ra Bộ khuếch đại thuật toán có nhiệm vụ lặp tín hiệu, tránh điện áp rơi trên D1,D2.(~0,7 V)

Nếu tín hiệu ra từ Detector chỉ khoảng ≤0,7 V thì cũng không bị mất