Ảnh hưởng của độ ẩm lên tổn thất điện môi trên cách điện giấy dầu

Tuy nhiên, trong một số trường hợp, đặc biệt là khi cách điện nhiễm ẩm phân bố không đều, sự nhiễm ẩm không thể hiện qua sự tăng của tổn thất điện môi dẫn đến việc đánh giá sai tình tr ạ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học :

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày …… tháng …… năm ………

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm : 1………

2………

3………

4………

5………

Xác nhận của Chủ tịch Hội Đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

ĐÀO TẠO SĐH Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Tp HCM, ngày tháng năm

Họ và tên học viên: NGUYỄN TRẦM NGỌC TUYỀN Phái : Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 27/12/1983 Nơi sinh : TP.HCM

Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV : 09180094

I - TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM LÊN TỔN THẤT ĐIỆN MÔI TRÊN

CÁCH ĐIỆN GIẤY/DẦU

II - NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Tìm hiểu các cơ sở lý thuyết liên quan đến tổn thất điện môi và cách điện giấy/dầu

- Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm lên tổn thất điện môi trên cách điện giấy/dầu trong trường hợp độ ẩm phân bố không đều thông qua các mô hình khác nhau

- Khảo sát bổ sung sự ảnh hưởng của tần số và nhiệt độ lên các mô hình trên trong trường hợp độ ẩm phân bố không đều

- Đưa ra các nhận xét và kết luận cho các trường hợp đã khảo sát

III - NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/2010

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHI ỆM VỤ : 06/12/2010

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS HỒ VĂN NHẬT CHƯƠNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN KHOA QUẢN LÝ

QU ẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CHUYÊN NGÀNH

Sau gần 06 tháng nỗ lực thực hiện, luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ

ẩm lên tổn thất điện môi trên cách điện giấy/dầu” đã được hoàn thành Ngoài sự cố

gắng của bản thân, tôi đã nhận được sự khích lệ rất lớn từ phía thầy cô, gia đình và

bạn bè

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS.Hồ Văn Nhật Chương, người đã

tận tình hướng dẫn, hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn các thầy cô Khoa Điện – Điện tử và đặc biệt là các thầy tại bộ môn Hệ Thống Điện đã truyền đạt cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm quý báu

Xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi có

thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Xin cảm ơn các bạn đồng môn và các đồng nghiệp đã hỗ trợ và đóng góp

những ý kiến quý báu cho luận văn

Các thiết bị điện cao áp là phần tử chính, quan trọng cũng như mang giá trị lớn trong hệ thống điện Do đó, việc kiểm tra, đo lường, bảo dưỡng và đánh giá tình

trạng hiện tại của các thiết bị là cần thiết do quá trình lão hóa liên tục của cách điện

từ khi đưa vào vận hành Hơn nữa, các yếu tố ảnh hưởng từ môi trường như nhiệt

độ, độ ẩm cũng góp phần làm giảm tuổi thọ của thiết bị và có khả năng dẫn đến

những sự cố ngoài tầm kiểm soát nếu không theo dõi và xác định đúng tình tr ạng của thiết bị

Việc kiểm nghiệm các thiết bị điện thường tập trung vào kiểm tra tình trạng cách điện của thiết bị có còn đạt yêu cầu vận hành hay diễn tiến xấu của tình trạng cách điện là nhanh hay chậm có khả năng dẫn đến sự cố hay không

Tình trạng của các vật liệu cách điện phụ thuộc rất lớn vào yếu tố độ ẩm Theo thống kê, khoảng 70% sự cố hư hỏng các thiết bị cao áp có liên quan mật thiết đến tình trạng nhiễm ẩm

Thông thường, việc nhiễm ẩm của cách điện thể hiện rất rõ qua việc tăng bất thường một cách nhanh chóng tổn thất điện môi Tuy nhiên, trong một số trường hợp, đặc biệt là khi cách điện nhiễm ẩm phân bố không đều, sự nhiễm ẩm không thể

hiện qua sự tăng của tổn thất điện môi dẫn đến việc đánh giá sai tình tr ạng thiết bị,

tiểm ẩn nguy cơ xảy ra sự cố khi đang vận hành

Trong các loại vật liệu cách điện, cách điện giấy dầu được sử dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị (tụ cao áp, cách điện xuyên, biến dòng điện, biến điện áp…) do tính chất vượt trội về độ bền điện, độ bền cơ và khả năng kháng ẩm cao Đây cũng

là loại cách điện có khả năng bị nhiễm ẩm theo dạng phân bố không đều cao

Nội dung chính của luận văn là khảo sát sự ảnh hưởng của độ ẩm lên tổn thất điện môi trên cách điện giấy dầu trong trường hợp cách điện bị nhiễm ẩm phân bố không đều Ngoài ra, còn bổ sung thêm sự ảnh hưởng của các yếu tố tần số và nhiệt

độ để khảo sát toàn diện hơn tình trạng của cách điện

Chương 1 : Tổng quan về đề tài

Chương 2, 3 : Các cơ sở lý thuyết về các hiện tượng xảy ra trong quá trình

vận hành cách điện trong và sự tổn thất điện môi trong cách điện

Chương 4 : Tổng quan về cách điện giấy dầu và các thiết bị sử dụng cách

điện giấy dầu

Chương 5 : Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm lên tổn thất điện môi trên cách

điện giấy dầu trong trường hợp độ ẩm phân bố không đều Dựa trên các cơ

sở lý thuyết và các mô hình cho đi ện môi nhiễm ẩm không đều đã được xây

dựng, luận văn kiểm chứng lại kết quả sự thay đổi của tổn thất điện môi từ

đó đưa ra các nhận xét, kết luận và chứng minh tình trạng nhiễm ẩm của cách điện không luôn luôn phản ánh thông qua sự tăng cao của tổn thất điện môi Các mô hình đã đư ợc xây dựng bao gồm mô hình nối tiếp đại diện cho cách điện nhiễm ẩm theo lớp, và mô hình song song nối tiếp đại diện cho cách điện nhiễm ẩm một phần cục bộ Khi khảo sát các mô hình, sẽ thay đổi các thông số về kích thước hình học của lớp ẩm và độ tạp chất của nước để xem xét việc tác động của các yếu tố trên với tổn thất điện môi Việc so sánh giữa các mô hình còn giúp cho việc đánh giá tình tr ạng nhiễm ẩm nào của cách điện là nguy hiểm nhất, từ đó có các điều chỉnh phù hợp trong thiết kế và vận hành thiết bị

Chương 6 : Dựa trên các mô hình đã được kiểm chứng ở chương 5, luận văn

khảo sát bổ sung thêm sự ảnh hưởng của yếu tố tần số và nhiệt độ lên tổn thất điện môi trên cách điện giấy dầu trong trường hợp nhiễm ẩm phân bố không đều để có các kết quả toàn diện hơn Từ việc xem xét thêm sự ảnh hưởng của tần số và nhiệt độ, luận văn đưa ra các nhận xét và kết luận mới trong việc vận hành và kiểm nghiệm thiết bị

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tổng quan về vật liệu cách điện 1

1.2 Tính c ần thiết của đề tài 3

1.3 Cách thức tiếp cận vấn đề của đề tài 5

1.4 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 5

CHƯƠNG 2 : TỔN HAO ĐIỆN MÔI 2.1 Định nghĩa chủ yếu và các công thức 6

2.2 Sơ đồ thay thế một điện môi có tổn hao 9

2.3 Quan h ệ của góc tổn thất điện môi tgδ với các yếu tố khác nhau 11

2.3.1 Quan hệ của tgδ với tần số 11

2.3.2 Quan hệ của tgδ với nhiệt độ 11

2.3.3 Quan hệ của tgδ với độ ẩm 12

2.3.4 Quan hệ của tgδ với điện áp 12

2.4 Phương pháp đo hệ số tổn hao điện môi tgδ 12

CHƯƠNG 3 : CÁCH ĐIỆN TRONG – NHỮNG TÍNH CHẤT CHUNG 3.1 Nh ững đặc điểm của cách điện trong 16

3.2 Tổ hợp điện môi dạng chủ yếu của cách điện trong 18

3.3 Độ bền điện lâu dài của cách điện trong 19

3.3.1 Các dạng già hóa của cách điện trong 19

3.3.2 Các quy luật chung của sự già hóa điện của cách điện trong 20

3.3.3 Phóng điện cục bộ trong cách điện 22

3.4 Cường độ điện trường làm việc cho phép của cách điện trong 29

3.5 Sự già hóa nhiệt của cách điện trong 31

3.6 S ự thấm ẩm cách điện trong 32

3.7 Độ bền điện ngắn hạn của cách điện trong 34

4.1 T ổng quan 35

4.2 Phóng điện cục bộ trong cách điện giấy dầu 35

4.3 Độ bền điện của cách điện giấy dầu 41

4.4 Các thiết bị điện sử dụng cách điện giấy tẩm dầu 45

4.4.1 Cáp điện 45

4.4.2 T ụ công suất cao áp có cách điện giấy dầu 48

4.4.3 Cách điện xuyên sử dụng cách điện giấy dầu 51

4.4.4 Biến dòng điện sử dụng cách điện giấy dầu 56

4.4.5 Bi ến điện áp sử dụng cách điện giấy dầu 58

CHƯƠNG 05 : KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM LÊN TỔN TH ẤT ĐIỆN MÔI CỦA CÁCH ĐIỆN GIẤY-DẦU TRONG TRƯỜNG HỢP ĐỘ ẨM PHÂN BỐ KHÔNG ĐỒNG ĐỀU 5.1 T ổng quan về phép đo hệ số PF/DF đặc trưng cho tổn thất điện môi 60

5.1.1 Tổng quan 60

5.1.2 Nguyên lý của thử nghiệm PF/DF 61

5.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến phép đo PF/DF 62

5.1.4 Nguyên lý cơ bản của mạch đo trong các thiết bị đo PF/DF 63

5.1.5 Đánh giá các kết quả đo hệ số PF/DF 66

5.2 Các mô hình s ử dụng để khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm lên hệ số PF/DF trong trường hợp độ ẩm phân bố không đều đối với cách điện giấy dầu 67

5.2.1 Tổng quan sự ảnh hưởng của độ ẩm lên các hệ số PF/DF đối với trường hợp phân bố không đều trong cách điện giấy dầu 6 7 5.2.2 Mô hình các phần bị ẩm và khô của cách điện nối tiếp với nhau (trường hợp nối tiếp) 69

5.2.3 Mô hình các phần bị nhiễm ẩm và khô của cách điện được mắc hỗn hợp (Trường hợp song song và nối tiếp) 73

5.3.1 Phương pháp khảo sát 76

5.3.2 Khảo sát sự thay đổi của hệ số PF/DF trên các mô hình nối tiếp và song song nối tiếp khi thay đổi các giá trị α, λ và tanδR w R khác nhau 77

5.3.2.1 Trường hợp nối tiếp α=0.01 và song song nối tiếp α=0.01, λ=9 77

5.3.2.2 Trường hợp nối tiếp α=0.05 và song song nối tiếp α=0.05, λ=9 81

5.3.2.3 Trường hợp nối tiếp α=0.5 và song song nối tiếp α=0.5, λ=9 85

5.3.2.4 Trường hợp nối tiếp với cùng giá trị tanδR w R, thay đổi giá trị α 89

5.3.2.5 Trường hợp song song nối tiếp với cùng giá trị tanδR w R, thay đổi các giá trị α và λ 91

5.4 Nh ận xét chung và kết luận 96

5.4.1 Nhận xét 96

5.4.2 Kết luận 97

CHƯƠNG 06 : KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ẨM LÊN TỔN THẤT ĐIỆN MÔI CỦA CÁCH ĐIỆN GIẤY-DẦU TRONG TRƯỜNG HỢP ĐỘ ẨM PHÂN B Ố KHÔNG ĐỒNG ĐỀU THEO TẦN SỐ VÀ NHIỆT ĐỘ 6.1 Ảnh hưởng của các thông số tần số và nhiệt độ lên hệ số công suất/tổn thất điện môi của cách điện giấy dầu bị nhiễm ẩm không đồng đều 99

6.1.1 Đặt vấn đề và các giả thiết 99

6.1.2 Mô hình Single-Debye để khảo sát sự thay đổi của nước trong lớp cách điện ẩm dưới tác động của tần số và nhiệt độ 100

6.1.3 Phương pháp khảo sát ảnh hưởng của các thông số tần số và nhiệt độ lên hệ số công suất/tổn thất điện môi của cách điện giấy dầu bị nhiễm ẩm không đồng đều 103

6.2 Các kết quả khảo sát 104

6.2.1 Khảo sát sự thay đổi hệ số công suất/tổn thất điện môi với nhiệt độ cố định T = 25P 0 P C trong dải tần số từ 1Hz đến 1 kHz, thay đổi các thông số α, λ, x

104

6.2.1.2 Trường hợp song song nối tiếp với α=0.01, λ=9 và x thay đổi 107 6.2.1.3 Trường hợp nối tiếp với α=0.05 và song song nối tiếp với α=0.01 và

λ=9, x thay đổi 108 6.2.1.4 Trường hợp nối tiếp với α=0.5 và song song nối tiếp với α=0.5 và

λ =9, x thay đổi 109 6.2.1.5 Trường hợp nối tiếp với x=1%, song song nối tiếp với x=1%; α =0.4

λ thay đổi và song song nối tiếp với x=1%, λ=9, α thay đổi 111 6.2.1.6 Trường hợp nối tiếp với x=10%, song song nối tiếp với x=10%;

α = 0.4; λ thay đổi và song song nối tiếp với x=10%; λ=9; α thay đổi 113 6.2.1.7 Trường hợp nối tiếp với x=30%, song song nối tiếp với x=30%; α=0.4; λ thay đổi và song song nối tiếp với x=30%; λ=9; α thay đổi 114 6.2.2 Khảo sát sự thay đổi hệ số công suất/tổn thất điện môi với nhiệt độ cố định T = 25P

0 P

C trong dải tần số từ 1Hz đến 3MHz, thay đổi các thông số α, λ, x 117 6.2.3 Khảo sát sự thay đổi hệ số công suất/tổn thất điện môi trong dải tần số từ 1Hz đến 1kHz thay đổi các thông số α, λ, x và xét đến ảnh hưởng nhiệt độ 110 6.2.3.1 Trường hợp nối tiếp α=0.01 và song song nối tiếp α=0.01;λ=9 120 6.2.3.2 Trường hợp nối tiếp α=0.05 và song song nối tiếp α=0.05;λ=9 123 6.2.3.2 Trường hợp nối tiếp α=0.5 và song song nối tiếp α=0.5;λ=9 125 6.2.4 Khảo sát sự thay đổi hệ số PF/DF trong dải nhiệt độ từ 1P

0 P

C đến 1000P

0 P

C thay đổi các thông số α, λ, x ứng với các giá trị f khác nhau 128 6.2.4.1 Trường hợp nối tiếp α=0.01 và song song nối tiếp α=0.01;λ=9 với

x =10% 128 6.2.4.2 Trường hợp nối tiếp α=0.05 và song song nối tiếp α=0.05;λ=9 với

x = 10% 129

10% 130

6.3 Các nhận xét 132 6.4 Kết luận 134

CHƯƠNG 01

1.1./ Tổng quan về vật liệu cách điện :

- Vật liệu cách điện có ý nghĩa cực kỳ quan trọng trong kỹ thuật điện Đó là các vật

liệu được sử dụng để tạo ra cách điện quanh phần dẫn điện của các thiết bị điện Công dụng của cách điện là không cho phép dòng đi ện đi theo hướng không được phép đi, ngoài hướng đã được định trước của sơ đồ điện

- Vật liệu cách điện có thể được phân loại theo trạng thái khí, lỏng, rắn

- Vật liệu cách điện còn có thể được phân loại theo bản chất hóa học loại vô cơ hay

hữu cơ

- Ngoài ra, tùy theo chế độ làm việc của các loại cách điện có thể chia thành : cách điện cho đường dây/trạm và cách điện cho các thiết bị Vật cách điện trong trạm dùng để cố định và cách điện các thanh góp, thanh dẫn trong các trạm phân phối và nhà máy điện Vật cách điện trong đường dây dùng để đỡ hoặc treo và cách điện các dây dẫn điện của đường dây tải điện

-Tương ứng với nhiệm vụ cố định các bộ phận mang điện, các loại vật cách điện trước tiên phải có một độ bền cơ đủ lớn có thể chịu được mọi tải trọng cơ có thể xuất hiện trong vận hành Đối với các thiết bị có điện áp cao, độ bền cơ phải đảm

bảo trong điều kiện đồng thời có tác dụng của điện trường lớn Bởi vì trong đi ều kiện này, những hư hỏng nhỏ, cục bộ có thể không ảnh hưởng đáng kể đến độ bền

cơ thuần túy, nhưng nhiều khi có thể giảm thấp điện áp phóng điện đáng kể, phải

loại bỏ Để làm tốt nhiệm vụ cách điện giữa các bộ phận mang điện khác nhau, các vật cách điện và các cơ cấu cách điện của trang thiết bị điện một mặt phải chịu được tác dụng lâu dài của điện áp làm việc lớn nhất cho phép mà không ảnh hưởng đến

thời gian phục vụ của chúng, mặt khác phải chịu được quá điện áp tác dụng trong một thời gian ngắn nghĩa là chịu được phần lớn những trị số quá điện áp khí quyển

và quá điện áp nội bộ với một chi phí đầu tư, xây lắp và vận hành chấp nhận được

- Vật cách điện với tính cách là một phần tử độc lập, bản thân nó có phần cách điện trong và cách điện ngoài Khả năng cách điện của vật cách điện bị mất đi do phóng điện xuyên thủng phần cách điện trong (xuyên thủng bề dày điện môi), hoặc do phóng điện hồ quang trên bề mặt cách điện ngoài

- Tuy nhiên, khi bị phóng điện xuyên thủng thì vật cách điện bị phá hủy trở thành

vô dụng vì tính chất cách điện không thể phục hồi được, còn khi bị phóng điện bề

mặt thì tính chất cách điện của vật cách điện tự phục hồi sau khi hồ quang chấm

dứt

- Vật liệu và cấu tạo của vật cách điện phải đảm bảo sự làm việc bình thường của nó trong thời gian dài, trong những điều kiện đồng thời có tải trọng cơ, tác dụng của điện trường cao, của điều kiện khí hậu, môi trường

- Ở điện áp dưới 35 kV, vật cách điện đường dây và phần lớn các loại vật liệu cách điện của trạm có cấu tạo cách điện trong tương đối đơn giản thường bằng một loại

vật liệu cách điện rắn Vật cách điện của các thiết bị điện áp từ 35 kV trở lên có cấu

tạo cách điện trong phức tạp hơn, thường là phối hợp vài ba loại vật liệu cách điện khác nhau

- Thông thường, sử dụng sứ, thủy tinh, nhựa composit và cao su silicon để chế tạo

vật cách điện ngoài trời, nhựa epoxy để chế tạo vật cách điện cho các trang thiết bị điện trong nhà Cách điện trong của cấp điện áp từ 35 kV trở lên thường được thực hiện bằng tổ hợp giấy – dầu hay dầu – màn chắn, còn cách điện ngoài là vỏ sứ

- Cách điện bao gồm các đặc tính về điện và cơ Trong đó, các đặc tính điện bao gồm các đặc trưng về điện áp thử nghiệm tần số công nghiệp, điện áp thử nghiệm xung

- Để lựa chọn mức cách điện cho hệ thống dựa trên ba điều kiện chính :

 Điện áp làm việc lâu dài lớn nhất cho phép

 Quá điện áp nội bộ

 Quá điện áp khí quyển

1.2./ Tính cần thiết của đề tài :

- Các thiết bị điện cao áp là phần tử chính, quan trọng cũng như mang giá trị lớn của

hệ thống điện Do đó, việc kiểm tra, đo lường, bảo dưỡng và đánh giá được tình

trạng hiện tại của các thiết bị là cần thiết Công việc kiểm tra tập trung chủ yếu vào

việc kiểm tra cách điện cho các thiết bị

- Việc kiểm tra định kỳ và đo lường các thiết bị cao áp được thực hiện do các nguyên nhân sau :

+ Đảm bảo tính vận hành an toàn, liên tục của thiết bị

+ Đánh giá tình trạng hiện tại của thiết bị có đạt yêu cầu vận hành hay không

do bắt đầu quá trình hoạt động đồng nghĩa v ới bắt đầu quá trình lão hóa không ngừng của thiết bị dưới sự tác động của nhiều yếu tố

+ Giảm được chi phí sửa chữa, thời gian cắt điện, nâng cao tính an toàn cả về

mặt con người và thiết bị

- Đối với các thiết bị điện cao áp sử dụng cách điện giấy dầu hoặc dầu (biến dòng điện, biến điện áp, máy biến áp, sứ xuyên), các phép đo về điện dung và tổn thất điện môi thường được sử dụng như các yếu tố chính để đánh giá chất lượng và khả năng vận hành của thiết bị

- Tại Việt Nam, theo quy định kiểm tra định kỳ 3075/EVN năm 2003 các thiết bị như máy biến áp lực, sứ xuyên, biến điện áp, biến dòng đi ện đều phải tiến hành kiểm tra điện dung và tổn thất điện môi 03 năm một lần

- Trong thực tế, tiêu chuẩn đánh giá loại cách điện giấy dầu trong các thiết bị điện cao áp là đạt hay không chủ yếu dựa trên số liệu về tổn thất điện môi phải nằm trong một giới hạn nhất định nào đó tùy theo tính chất cụ thể của loại cách điện và

cấp điện áp mà thiết bị đó vận hành Thông thường, sự tăng nhanh của đại lượng tổn thất điện môi đồng nghĩa với việc cách điện của thiết bị không còn tốt và tiềm ẩn nguy cơ sự cố tùy theo tốc độ và mức độ tăng

- Một trong những nguyên nhân phổ biến dẫn đến việc hư hỏng các thiết bị là sự hiện diện vượt quá ngưỡng cho phép của độ ẩm trong chất cách điện (giấy dầu) dẫn đến việc tổn thất điện môi tăng mạnh phản ảnh qua sự tăng mạnh của hệ số tổn thất

điện môi Theo thống kê khoảng 70% sự cố các thiết bị có liên quan đến vấn đề nhiễm ẩm Sau đây là một số nguyên nhân dẫn đến việc xuất hiện độ ẩm trong chất cách điện :

+ Việc xâm nhập ẩm trực tiếp thông qua các vị trí kết nối không kỹ, hoặc các

bộ thở để hở

+ Độ ẩm có sẵn trong các vật liệu cách điện có độ dày lớn như gỗ, giấy… do

việc tẩm sấy không đạt yêu cầu

+ Sự phân rã của giấy/dầu theo thời gian khi cách điện đã bị lão hóa

- Tuy nhiên, trong một số trường hợp, đặc biệt là các thiết bị sử dụng cách điện giấy

dầu với tỉ lệ giấy nhiều hơn dầu (máy biến dòng, sứ xuyên), việc phân bố không đều

của độ ẩm trên chất cách điện sẽ không làm cho tổn thất điện môi và điện dung tăng trong khi vẫn làm cho chất cách điện xấu đi rất nhiều về mặt tính chất Điều này dẫn đến các sự cố không lường trước được và làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc vận hành liên tục và an toàn của thiết bị nói riêng và cho hệ thống điện nói chung

- Theo trường hợp trên, phép đo điện dung và hệ số tổn thất điện môi khi sử dụng

với các thiết bị cao áp cách điện giấy dầu (với tỉ lệ giấy nhiều hơn dầu) như các biến dòng, sứ xuyên sẽ tồn tại các hạn chế sau :

+ Việc phân bố không đồng nhất của độ ẩm không phải luôn luôn thể hiện qua việc tăng cao của tổn thất điện môi

+ Ngoài ra, độ ẩm trong dầu không thể hiện được độ ẩm trong các lớp giấy cách điện

- Do đó, việc đánh giá tình tr ạng của một thiết bị nếu chỉ dựa trên các số liệu về điện dung và hệ số tổn thất điện môi là không đầy đủ và không phản ảnh đúng chất lượng của chất cách điện cũng như tình trạng của thiết bị

- Nội dung của luận văn này là chứng minh các hệ quả của việc phân bố không đồng đều độ ẩm trong chất cách điện giấy/dầu (tỉ lệ giấy cao hơn dầu), đặc biệt là sự

hiện diện độ ẩm cao trong cách điện giấy/dầu sẽ không thể hiện qua độ tăng của tổn thất điện môi Ngoài ra, luận văn còn khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố tần số , nhiệt độ với tổn thất điện môi trên cách điện giấy dầu nhiễm ẩm phân bố không đều

1.3./ Cách thức tiếp cận vấn đề của đề tài :

- Dựa trên các lý thuyết cơ bản, các cách mô hình điện môi, các mô hình sự phân bố của độ ẩm không đều trên cách điện giấy dầu đã được xây dựng để kiểm chứng sự thay đổi của tổn thất điện môi khi thay đổi các mức độ ẩm và rút ra các nhận xét,

1.4./ Ý nghĩa thực tiễn của đề tài :

- Bổ sung thêm khía cạnh cần quan tâm về việc phân bố độ ẩm trên chất cách điện giấy dầu, đặc biệt là trường hợp độ ẩm phân bố không đồng đều khi đánh giá các thiết bị điện

- Nêu lên tầm quan trọng trong việc tẩm sấy tốt các chất cách điện để hạn chế tình trạng tồn tại các chất ẩm phân bố không đồng đều có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị

- Khi đánh giá tình trạng các thiết bị dựa trên thông số chính là tổn thất điện môi và điện dung cần phải đảm bảo thiết bị đang ở trong tình trạng tốt (không bị nhiễm ẩm, các mối nối, bộ thở kín…)

- Khảo sát sự tác động của yếu tố tần số và nhiệt độ lên tổn thất điện môi trên cách điện bị nhiễm ẩm không đều nhằm xác định tình trạng của cách điện trong các điều

kiện làm việc khác nhau

- Tình trạng của thiết bị về nhiệt độ, đặc biệt là trong trường hợp cách điện của thiết

bị nhiễm ẩm không đều ảnh hưởng lớn đến kết quả kiểm nghiệm thiết bị, ngoài ra

tần số đặt trong quá trình kiểm nghiệm cũng tác đ ộng nhiều đến kết quả kiểm nghiệm có khả năng dẫn đến những đánh giá sai lệch về tình trạng thiết bị

CH ƯƠNG 02

2.1 / Định nghĩa chủ yếu và các công thức :

- Dưới tác động của điện trường lên bất cứ một vật chất nào cũng có một vài tổn thất năng lượng và bị chuyển thành năng lượng nhiệt Thông thường nói về tổn hao công suất có nghĩa là công suất trung bình ở một khoảng thời gian nào đó bị tiêu tán trong vật chất Theo nguyên tắc chung tổn hao công suất trong mẫu vật liệu tỉ lệ thuận với bình phương điện áp đặt lên điện môi

- Phần lớn các điện môi có tổn thất công suất phụ thuộc vào tần số điện áp đặt và tổn hao công suất ở điện áp xoay chiều lớn hơn so với điện áp một chiều, và tăng rất nhanh khi tăng cả tần số và điện áp

- Giá trị tổn hao công suất trong điện môi gọi là tổn hao điện môi Đây là thuật ngữ chung để xác định tổn thất công suất trong điện môi dưới tác động của điện áp xoay chiều và một chiều Thông thường khi xem xét tổn hao điện môi có nghĩa là tổn hao xoay chiều

- Góc tổn hao điện môi : Ta xây dựng biểu đồ vectơ của dòng điện và điện áp trong

một tụ điện được mắc dưới điện áp xoay chiều như sau :

- Nếu trong tụ điện hoàn toàn không tổn hao (điện môi lý tưởng) thì vectơ dòng điện

sẽ sớm pha so với điện áp là 90P

0 P

, và dòng hoàn toàn là dòng kháng Trên thực tế vectơ dòng dịch pha một góc ϕ nhỏ hơn 90P

0 P

- Dòng điện tổng I có thể phân tích thành hai thành phần, IR a R là dòng điện tích cực và

điện phản kháng Như vậy độ dịch pha biểu thị tính chất của tụ điện Do

trong tụ điện chất lượng của góc dịch pha rất gần 90P

0 P

Để dễ hiểu ta lấy góc δ là phụ

để cho ϕ đạt tới 90P

0 P

: δ = 90P

0 P

vật liệu kém chất lượng hơn thì tgδ ở hàng phần trăm hay cao hơn nữa nếu dùng ở tần số thấp

- Công thức để tính tổn hao toàn phần và tổn hao riêng trong điện môi

Tổn hao công suất trên đoạn cách điện PR a Rcó điện dung C được tính như sau :

PR a R = UP

2 P

.ω Λ.ε.εR o R.tgδ (2.4)

ω = 2πf;

𝜀𝜀𝑜𝑜 = 1036−9π �𝑚𝑚�𝐹𝐹

𝑃𝑃𝑎𝑎 = 𝑈𝑈2 𝑓𝑓 Λ.1,8 10𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀10 = 5,56 10−11 𝑓𝑓 Λ 𝜀𝜀 𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 (2.5)

Công thức (2.3), (2.4), (2.5) được sử dụng rất rộng rãi Chúng đúng cho bất kỳ một

dạng hình học nào của điện môi Nếu như trong thể tích của điện môi không đồng

nhất thì giá trị tgδ và các tham số khác của điện môi cũng không gi ống nhau Các

công thức trên tgδ được hiểu là giá trị trung bình cho toàn đi ện môi; trong kỹ thuật cách điện tgδ của điện môi không đồng nhất được xác định theo các giá trị P, ω, C

Nếu ta lấy thể tích là một khối vuông có cạnh là dx, ta có :

PR a R = EP

2 P

.ω.εR o R.ε.(dx)P

3 P

.tgδ

V = (dx)P

3

𝑝𝑝 = 𝑃𝑃𝑉𝑉 = 𝐸𝐸𝑎𝑎 2 𝜔𝜔 𝜀𝜀𝑜𝑜 𝜀𝜀 𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 (2.6) Thay giá trị :

γR a R được gọi là điện dẫn suất tích cực của điện môi ở điện áp xoay chiều

Ở điện áp một chiều, tương tự ta có :

𝑝𝑝𝑑𝑑𝑑𝑑 =𝐸𝐸𝜌𝜌 = 𝐸𝐸2 2 𝛾𝛾 �𝑚𝑚𝑤𝑤3� (2.10)

Phần lớn các trường hợp khi cường độ điện trường ở mọi điểm trong điện môi giống nhau sẽ luôn có bất đẳng thức : p ≥ pR dc R và γR a R≥ γ

2.2./ Sơ đồ thay thế điện môi có tổn hao :

- Có thể thay thế một điện môi có tổn hao bằng một trong hai sơ đồ sau :

- Đối với mô hình thay thế ghép song song ta có :

𝑃𝑃𝑅𝑅𝑠𝑠 = 𝜔𝜔 𝜔𝜔𝑆𝑆 𝑈𝑈2.1 + 𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀2𝜀𝜀 (2.14)

𝑃𝑃𝑅𝑅𝑠𝑠 = 𝑃𝑃𝑎𝑎 = 𝑈𝑈2 𝜔𝜔 𝜔𝜔𝑝𝑝 𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀𝜀 (2.15) Quan hệ giữa CR P R, CR S R, RR P R, RR S R khi chuyển từ sơ đồ mắc song song sang sơ đồ mắc nối tiếp

- Vậy giá trị tgδ không phụ thuộc vào sơ đồ thay thế được lựa chọn

- Hệ số điện môi phức : Điện môi có tổn hao có thể xem như điện môi có hệ số điện môi là đại lượng phức :

𝑣𝑣 = 𝜀𝜀′𝜀𝜀̌ =𝜀𝜀′ − 𝑗𝑗𝜀𝜀" (2.20)𝜀𝜀′

𝑣𝑣� = 𝑣𝑣′ + 𝑗𝑗𝑣𝑣" (2.21) 𝑣𝑣� : được gọi là độ cứng phức riêng của điện môi

Điện dẫn suất của điện môi ở dòng điện xoay chiều có thể được biểu thị qua dạng số

phức

𝛾𝛾�𝑎𝑎 = 𝛾𝛾′ + 𝑗𝑗𝛾𝛾" (2.22)

2.3./ Quan h ệ của góc tổn thất điện môi tgδ với các yếu tố khác nhau :

2.3.1./ Quan hệ của tgδ với tần số :

- Nếu xét một điện môi mà tổn hao thuần túy chỉ là điện dẫn, khi đó tổn hao tgδ tỉ lệ nghịch với tần số

- Tuy nhiên, đối với các điện môi là tổng hợp của các loại điện môi khác nhau về tính chất thì quan hệ giữa tgδ và tần số trở nên cực kỳ phức tạp Trên thực tế, khi xem xét quan hệ của tgδ của vật liệu cách điện với tần số ở một dải tần số nào đó có thể thấy những quan hệ rất khác nhau, tgδ có thể tăng hay giảm hoặc qua những điểm cực trị, thậm chí qua một vài điểm cực trị

2.3.2./ Quan h ệ tgδ với nhiệt độ :

- Theo nguyên tắc tgδ tăng rất nhanh khi nhiệt độ tăng Như vậy tgδ gia tăng là do giảm điện trở suất ρ, và khi tgδ tăng lên thì dòng đi ện xuyên thấu cũng tăng lên, đồng thời tăng điện dẫn hấp thụ S

- Tổn hao điện môi là do tồn tại các phần tử lưỡng cực và có giá trị max ở nhiệt độ

TR k R nào đó Thực chất là tổn hao do ma sát khi các lưỡng cực định hướng theo điện trường Khi nhiệt độ tăng lên thì mức độ định hướng của lưỡng cực tăng, mặt khác lại giảm năng lượng do ma sát vì đ ộ nhớt giảm Yếu tố đầu tiên làm tăng công suất tổn hao, và dẫn đến tgδ tăng lên Yếu tố thứ hai lại làm giảm các đại lượng trên

- Do vật chất có cực ngoài tổn hao lưỡng cực còn có tổn hao điện dẫn, loại tổn hao điện dẫn tăng theo nhiệt độ Trên thực tế tgδ có thể được quan sát ở dạng đường cong có cực trị Đặc điểm tgδ của điện môi có cực là khi thay đổi đồng thời cả tần

số và nhiệt độ thì điểm max của tgδ sẽ được dịch chuyển về phía có nhiệt độ cao

2.3.3./ Quan hệ tgδ với độ ẩm :

- Ở vật liệu bị ngấm ẩm, thông thường giá trị tgδ tăng rất nhanh khi độ ẩm tăng lên

Độ ẩm làm giảm mạnh tính chất cách điện của vật liệu

2.3.4./ Quan h ệ tgδ với điện áp :

- Để đánh giá chất lượng của cách điện (đặc biệt là cách điện cho các thiết bị cao áp), ngoài giá trị tuyệt đối của tgδ, trong rất nhiều trường hợp điều quan trọng là đặc tính thay đổi của tgδ với điện áp đặt

- Trong nhiều trường hợp tgδ hầu như không phụ thuộc vào điện áp đặt, tuy nhiên

phần lớn trường hợp tgδ có quan hệ với điện áp đặt theo dạng : ở điện áp nhỏ hơn

một giá trị UR min R nhất định thì tgδ hầu như không thay đổi Khi vượt quá giá trị UR min R

tgδ sẽ tăng rất nhanh theo điện áp đặt

2.4./Phương pháp đo hệ số tổn hao điện môi tgδ :

- Đo góc tổn hao điện môi là một trong những phương pháp phổ biến nhất nhằm phát hiện tình trạng suy thoái chung của cách điện Sự già hóa, thấm ẩm, sự xuất

hiện nhiều bọc khí trong cách điện thường dẫn đến sự tăng tổn hao điện môi tgδ Ở điện áp xoay chiều tần số công nghiệp, tổn hao điện môi gây ra chủ yếu bởi phân

Hình 2.3 : Sơ đồ thay thế cách điện và đồ thị vectơ tương ứng

cực kết cấu và phân cực lưỡng cực Theo sơ đồ thay thế hình 2.3 dòng điện tổng

chạy qua điện môi bằng :

𝑠𝑠 = 𝑈𝑈 �𝑅𝑅 +1 1

𝑟𝑟 + 1𝑗𝑗𝜔𝜔ΔC+

11𝑗𝑗𝜔𝜔𝜔𝜔ℎℎ

- Vì R rất lớn nên coi 1/R ≈ 0, tức dòng điện rò rất bé, còn dòng điện điện dung

chạy trong hai nhánh CR hh R và r.∆C là

𝑠𝑠𝑑𝑑 = 𝑈𝑈 𝜔𝜔 �𝜔𝜔ℎℎ + Δ𝜔𝜔1 + (𝜔𝜔 𝜏𝜏)1 2� = 𝑈𝑈.ω 𝜔𝜔𝜔𝜔Với CR ω R phụ thuộc vào tần số ω

- Với CR 0 R – điện dung của cách điện ở điện áp một chiều, ω=0

CR 0 R = CR hh R + ∆C, có nghĩa là ở điện áp một chiều, điện dung của cách điện được xác định bởi kích thước hình học của nó và bởi cả sự phân cực nhanh và phân cực

chậm Còn CR ∞ R - điện dung của cách điện ở tần số rất cao ω → ∞, lúc này khoảng

thời gian của nửa chu kỳ điện áp rất ngắn, phân cực chậm không kịp phát triển, trong điện môi chỉ có các phân cực nhanh, do đó điện dung của cách điện được xác định chủ yếu bởi kích thước hình học của cách điện và phân cực nhanh, như vậy CR ∞ R

= CR hh R

- Biểu thức trên cho thấy tgδ chỉ phụ thuộc vào tỉ số CR 0 R/CR ∞ R và τ, mà CR 0 R/CR ∞ R không

phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của cách điện, còn τ=r.∆C cũng không thay đổi theo kích thước vì r và ∆C thay đổi tỉ lệ nghịch với nhau Vì vậy, tgδ là một chỉ tiêu đánh giá phẩm chất và tình trạng của cách điện mà không phụ thuộc vào kích thước của nó

- Đối với những cơ cấu cách điện có điện dung lớn (máy biến áp, máy phát điện, động cơ công suất lớn, cáp, tụ …) trị số tgδ có thể cho biết những khuyết tật chiếm

một phần thể tích đáng kể của cách điện (như sự già hóa chung, sự thấm ẩm) nhưng

nó không thể phát hiện một cách chính xác những khuyết tật tập trung Trong những

cơ cấu cách điện có điện dung không lớn, dưới 200-300 pF (máy biến dòng, cách điện xuyên …) thì trị số tgδ thay đổi rõ rệt đối với cả những chỗ xấu tập trung Tóm

lại điện dung và thể tích của cơ cấu cách điện càng bé thì việc phát hiện sự suy giảm

khả năng cách điện theo hệ số tổn hao tgδ càng chính xác

- Nếu chênh lệch giữa trị số tgδ đo được và trị số bình thường tgδR bt R không lớn thì

cũng chưa thể khẳng định là cách điện vẫn tốt mà trong đó có thể xuất hiện những

chỗ xấu cục bộ với tgδ tăng cao

- Trong điều kiện vận hành, thường đo tgδ ở điện áp không quá 10 kV, không phụ thuộc vào điện áp định mức của thiết bị, vì đo với điện áp cao hơn đòi hỏi thiết bị to

lớn, cồng kềnh

- Ngoài ẩm và sự già hóa chung, một nguyên nhân khác làm tăng tổn hao điện môi

là do sự ion hóa các bọc khí trong kết cấu cách điện Có thể phát hiện loại khuyết tật này bằng cách đo quan hệ tgδ theo điện áp

- Khi điện áp còn bé thì tgδ hầu như không thay đổi, nhưng khi U ≥ U R i R thì tgδ sẽ tăng rất nhanh Trong điều kiện phòng thí nghiệm có nguồn cao áp lớn, thường xác định quan hệ tgδ = f(U) trong phạm vi từ (0,5-1,5)UR lv R Nếu cách điện tốt thì trong

phạm vi điện áp đó, tgδ thực tế không thay đổi Nếu có bọc khí thì khi U ≥ UR i R, tgδ

sẽ tăng nhanh

- Đối với những kết cấu cách điện dễ bị ion hóa như cách điện cáp, tụ… thì điện áp làm việc phải nhỏ hơn điện áp ion hóa UR i R, nếu không thì cách điện sẽ chóng già cỗi Đối với loại cách điện đó, nhất thiết phải xác định quan hệ tgδ = f(U) để kịp thời phát hiện sự suy giảm của cách điện ngay trong giai đoạn mới bắt đầu

C HƯƠNG 03 CÁCH ĐIỆN TRONG – NHỮNG TÍNH CHẤT CHUNG

3.1./Những đặc điểm của cách điện trong :

- Cách điện trong bao gồm những cơ cấu cách điện có cấu tạo, kích thước, chức năng khác nhau, đặc tính cơ-điện khác nhau, nhưng đều không tiếp xúc trực tiếp với khí quyển Những cơ cấu cách điện này được đặt trong những vỏ kín bằng kim loại hay vật liệu cách điện, hoàn toàn cách ly với môi trường bên ngoài Về cấu tạo, cách điện trong được chế tạo bằng điện môi rắn, lỏng, khí cũng như là t ổ hợp các điện môi trên và áp dụng nguyên tắc điều chỉnh điện trường để đạt được các đặc tính điện tốt, kích thước bé, thời gian phục vụ lâu dài và giá thành phải chăng

- Cách điện trong có nhiều điểm khác biệt so với cách điện ngoài Trước hết do không tiếp xúc trực tiếp với môi trường khí quyển bên ngoài nên độ bền điện của cách điện trong không chịu ảnh hưởng của sự thay đổi của điều kiện khí quyển trong thời gian ngắn và trong một phạm vi giới hạn cho phép Phẩm chất của cách điện trong chỉ chịu ảnh hưởng của trị số trung bình nhiệt độ, độ ẩm của môi trường xung quanh trong một khoảng thời gian dài xấp xỉ với thời gian phục vụ của cách điện

- Đặc điểm thứ hai là, trong cơ cấu cách điện trong luôn có thành phần điện môi rắn, nên một khi đã bị phóng điện xuyên thủng thì độ bền điện của cách điện cũng bị phá hủy, không tự phục hồi dù đã đư ợc tách khỏi nguồn áp Vì vậy, cách điện trong có thành phần điện môi rắn phải có độ dự trữ về độ bền điện cao hơn cách điện ngoài khoảng 1.5 lần

- Mọi cơ cấu cách điện trong đều có độ bền điện giảm theo thời gian tác dụng của điện áp Quan hệ này gồm có năm phạm vi đặc trưng Trong thời gian tác dụng bé, tính bằng vài micro giây (vùng A), sự phóng điện xuyên thủng cách điện có tính

chất điện thuần túy, không gắn liền với quá trình hóa, cơ, nhiệt và quan hệ giữa các điện áp xuyên thủng và thời gian tác dụng của điện áp tương tự như đặc tính volt – giây của khoảng cách khí Trong khoảng thời gian từ 10µs đến 103

/104 µs (vùng

B), điện áp xuyên thủng gần như không đổi, vì thời gian phát triển của của phóng điện xuyên thủng do điện thuần túy bé hơn nhiều, còn các quá trình nhiệt, cơ và hóa thì chưa kịp phát triển Trong khoảng thời gian từ 0,01s đến 1 phút (vùng C), điện

áp xuyên thủng giảm và giảm rất rõ khi có điện môi lỏng, đó là do sự hình thành các

cầu dẫn điện từ các tạp chất và các quá trình chậm khác Trong khoảng thời gian từ

1 phút đến hàng giờ (vùng D) điện áp xuyên thủng giảm, gây nên bởi sự phá hủy tính ổn định nhiệt của cách điện hay bởi quá trình già cỗi do điện Cuối cùng khi

thời gian tác dụng điện áp lớn hơn 10 giờ (vùng E), độ bền điện của cách điện suy giảm chậm, gây ra bởi sự già cỗi cách điện dưới tác dụng điện, nhiệt và cơ từ bên ngoài

- Tương ứng với mối quan hệ giữa độ bền điện của cách điện trong và thời gian tác dụng của điện áp có tính đến tác dụng điện có khả năng xảy ra trong thực tế vận hành, đối với cách điện trong người ta thường quan tâm đến :

+ Độ bền điện ngắn hạn là độ bền điện khi chịu tác dụng của quá điện áp khí quyển (thời gian tác dụng từ 1 đến 1000 µs) và quá điện áp nội bộ (thời gian tác dụng từ 1ms đến vài giây)

+ Độ bền điện lâu dài, tương ứng với thời gian tác dụng từ vài ba giờ đến suốt thời gian phục vụ của cách điện

- Nếu cách điện có độ bền điện đủ cao để chịu được các trường hợp quá điện áp

xuất hiện ngắn hạn trong hệ thống điện thì thời gian phục vụ của nó được xác định bằng độ bền điện lâu dài bằng điện áp làm việc tác dụng trong suốt thời gian phục

vụ của cách điện

- Khác với cách điện ngoài, độ bền điện ngắn hạn và lâu dài của cách điện trong chỉ

có thể xác định với sự hư hỏng hoàn toàn và không thể tự phục hồi của cơ cấu cách điện thử nghiệm Vì vậy, không thể biết được trị số thực của độ bền điện của cách điện trong, cũng không thể xác định được trị số theo kết quả thử nghiệm từ mô hình cách điện tương tự vì trị số của độ bền điện của cách điện trong có mức tản mạn cao

so với cách điện ngoài

3.2./Tổ hợp điện môi – dạng chủ yếu của cách điện trong :

- Đối với điện môi được dùng để chế tạo cách điện trong của các thiết bị điện áp cao

có nhiều đòi hỏi khắt khe

- Trước tiên, chúng phải đảm bảo sao cho các cơ cấu cách điện có độ bền điện ngắn

hạn và lâu dài cao Độ bền điện lâu dài của cách điện trong được quyết định không bởi chỉ độ bền điện bản thân mà còn bởi các đặc tính khác của điện môi và phụ thuộc nhiều vào kết cấu của cách điện

- Để đảm bảo độ bền điện lâu dài cao thì cách đi ện phải đồng nhất và đặc chắc Dưới tác dụng của điện trường cao, chỉ cần trong cách điện có một số khuyết tật dưới dạng những phần tử cực nhỏ với điện dẫn suất hay hệ số điện môi khác nhiều

so với bản thân vật liệu cách điện là có thể dẫn đến hư hỏng cách điện, đặc biệt là

- Trong vận hành, phần lớn các trường hợp cách điện trong chịu tác dụng cơ, rung,

chấn động … Vì vậy, điện môi rắn dùng làm cách điện trong phải có độ bền cơ đủ cao

- Tính không cháy, nổ của điện môi đóng vai trò quan tr ọng Trong trường hợp bị phóng điện xuyên thủng không lường trước được thì bản thân điện môi không là một nguồn gây cháy nổ

- Thực nghiệm cho thấy, trong rất nhiều trường hợp không có một điện môi riêng rẽ nào có thể thỏa mãn với mức độ cần thiết toàn bộ các yêu cầu đã nêu, lời giải tối ưu

là sử dụng tổ hợp một số loại điện môi thích hợp nào đó

- Một số tổ hợp điện môi thường được sử dụng :

 Cách điện bằng giấy tẩm dầu

 Cách điện kiểu dầu màn – chắn

 Cách điện trên cơ sở mica

 Cách điện đúc trên cơ sở nhựa epoxy

3.3./Độ bền điện lâu dài của cách điện trong :

3.3.1./Các dạng già hóa của cách điện trong :

- Khi vận hành, trong kết cấu của cách điện trong diễn ra nhiều quá trình hóa lý

phức tạp làm thay đổi cấu trúc và thành phần của nó Do đó phẩm chất cách điện suy thoái theo thời gian, độ bền điện và cơ giảm, tổn hao điện môi và điện dẫn tăng

- Sự suy thoái theo thời gian của các đặc tính của cách điện trong điều kiện vận hành bình thường gọi là sự già hóa tự nhiên

- Sự già hóa làm giảm thời gian phục vụ của cách điện trong, vì với thời gian độ bền điện của nó giảm đến mức không chịu đựng được tác dụng điện trong vận hành và

có nguy cơ bị phóng điện xuyên thủng

- Các quá trình gây nên sự già hóa của cách điện trong có thể chia làm hai nhóm :

 Các quá trình làm thay đ ổi thành phần hay cấu trúc của bản thân vật liệu cách điện Cách điện của các thiết bị có điện áp cao chịu tác dụng của điện trường mạnh không chỉ khi có tác dụng của các dạng quá điện áp mà ở ngay

cả điện áp làm việc Do đó, sự già hóa gây ra bởi các quá trình xuất hiện ở điện trường mạnh có ý nghĩa hết sức quan trọng

 Các quá trình thâm nhập vào cách điện từ môi trường xung quanh những

tạp chất khác nhau, làm xấu đi các đặc tính điện của cách điện

- Trong các điều kiện vận hành thực tế, các quá trình già hóa khác nhau có thể diễn

ra độc lập nhau, và có ảnh hưởng lẫn nhau, làm tăng tốc độ già hóa và rút ngắn thời gian phục vụ cách điện Độ ẩm, oxy và các chất khác từ môi trường xung quanh thâm nhập vào trong cách điện có thêm làm tăng đáng kể tốc độ các quá trình già hóa trong bản thân cách điện

3.3.2./ Các quy lu ật chung của sự già hóa điện của cách điện trong :

- Trong những điều kiện nhất định, cường độ điện trường cao có thể gây nên sự già hóa cách điện Kết quả chủ yếu, nhưng không phải là duy nhất, của sự già hóa đó là

độ bền điện tức thời giảm theo thời gian Vào thời điểm khi điện áp xuyên thủng UR ct R

cách điện giảm đến trị số của điện áp tác dụng thì quá trình già hóa kết thúc bởi sự xuyên thủng của cách điện

- Do vậy, tiến trình già hóa cách đi ện được phản án qua quan hệ UR ct R= f(t) Điện áp tác dụng càng cao, quá trình già hóa càng mãnh liệt, độ bền điện càng giảm nhanh

Do điều kiện già hóa và sự phát triển của quá trình đó khác nhau, do b ản thân kết

cấu cách điện không thể hoàn toàn giống nhau nên quá trình già hóa do đi ện mang tính chất ngẫu nhiên Việc xác định toàn bộ đường cong già hóa UR ct R = f(t) đòi h ỏi nhiều thời gian và tốn kém Do đó, thường trong nghiên cứu thực nghiệm quá trình già hóa điện người ta chỉ xác định một số điểm giới hạn, có nghĩa là do thời gian mà

độ bền điện tức thời giảm đến trị số điện áp tác dụng Các số liệu nhận được cho quan hệ thời gian phục vụ τ của cách điện theo điện áp tác dụng U khi không có quá điện áp

- Quan hệ τ = f(U) hay τ = ϕ(E) với E là cường độ điện trường trung bình trong cách điện gọi là đường cong đời sống của cách điện

- Việc xác định đường cong đời sống cũng có nhiều khó khăn Cho đến nay, với

- Do quá trình già hóa bị chi phối bởi nhiều nhân tố ngẫu nhiên nên thời gian phục

vụ của cách điện trong cũng là m ột đại lượng ngẫu nhiên, trị số của nó tuân theo một số dạng phân bố cực trị

- Phóng điện cục bộ là nguyên nhân chủ yếu nhưng không phải là duy nhất gây nên

sự già hóa cách điện cao áp Khi chịu tác dụng lâu dài của điện áp, trong cách điện cũng xảy ra các quá trình già cỗi điện hóa Bản chất của các quá trình này như sau : dưới tác dụng của điện trường các ion hay các phần tử mang điện khác, vốn có không tránh khỏi trong các điện môi kỹ thuật, chuyển dịch và tích tụ ở gần các điện cực, chúng có thể tham gia vào các phản ứng hóa học tạo nên những chất làm xấu tính chất cách điện

- Phóng điện cục bộ xuất hiện ở một điện áp nào đó UR CB R (hoặc cường độ điện trường nào đó ER CB R), tại nơi điện trường cục bộ tăng cao hoặc tại nơi cách điện yếu,

ví dụ trong bọc khí Mỗi một xung phóng điện cục bộ riêng rẽ kèm theo sự tản ra

một năng lượng rất bé không gây một hiệu ứng phá hoại cách điện đáng kể Tuy nhiên sự phóng điện lặp lại nhiều lần trong một khoảng thời gian dài sẽ phá hủy dần dần cho đến khi xuyên thủng cách điện

3.3.3/Phóng điện cục bộ trong cách điện :

3.3.3.1./Cơ sở lý thuyết về hiện tượng phóng điện cục bộ trong cách điện :

- Phóng điện cục bộ trong cách điện cao áp xuất hiện trong các bọc khí hay trong điện môi lỏng giữa các lớp cách điện rắn Các bọc khí có thể xuất hiện trong cách điện trong quá trình chế tạo, do sự co ngót của nhựa đúc hay hỗn hợp cách điện, do

sự tiếp xúc không tốt giữa điện cực và bề mặt điện môi hoặc do tẩm chưa tốt cách điện nhiều lớp Trong vận hành, các bọc khí xuất hiện do sự rạn nứt hoặc sự phân

lớp cách điện dưới tác dụng của phụ tải cơ hay do sự phân hủy điện môi kèm theo thải khí hay dưới tác dụng của phóng điện cục bộ phát triển đầu tiên trong điện môi

- Thường kích thước của các bọc khí trong cơ cấu cách điện cao áp theo hướng điện trường không vượt quá một vài phần mười milimét và chiếm một phần bé trong toàn bộ bề dày cách điện Tuy nhiên chúng chính là những chỗ yếu trong cách điện,

bởi vì khí có đ ộ bền điện thấp hơn điện môi rắn và lỏng, trong khi đó cường độ trường trong bọc khí cao hơn trong phần cách điện còn lại do hệ số điện môi của khí

bé hơn nhiều so với điện môi bao bọc xung quanh Do những nguyên nhân này nên khi đặt điện áp lên cách điện thì phóng điện cục bộ xuất hiện trước tiên trong những

bọc khí này

3.3.3.2./Quy lu ật phát triển của phóng điện cục bộ :

a Ở điện áp xoay chiều :

- Để làm sáng tỏ đặc điểm của sự phát triển phóng điện cục bộ ở điện áp xoay chiều, người ta sử dụng sơ đồ thay thế cách điện có bọc khí – trong đó CR b R – điện dung của

bọc khí CR n R – điện dung của phần cách điện nối tiếp với bọc khí và CR t R – điện dung của phần cách điện còn lại Sự phóng điện của khe hở K mô phỏng sự xuyên thủng

bọc khí Như vậy điện áp xuyên thủng khe hở K bằng điện áp xuyên thủng bọc khí

UR ct R Điện trở R đặc trưng cho khe hở phóng điện trong bọc khí

- Giả thiết tại thời điểm t = 0 cho tác dụng lên cách điện một điện áp xoay chiều

Hình 3.4 : Sơ đồ thay thế của cách điện có bọc khí

u = UR m R.sinωt Trước khi xuất hiện phóng điện cục bộ, điện áp trên bọc khí biến thiên theo quy luật UR b R = UR mb R.sinωt, trong đó 𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚 = 𝑈𝑈𝑚𝑚 𝐶𝐶𝑛𝑛

𝐶𝐶𝑛𝑛 +𝐶𝐶𝑚𝑚

- Tại thời điểm tR 1 R điện áp UR b Rđạt trị số UR ct R và khe hở K bị xuyên thủng, có nghĩa là

xuất hiện phóng điện cục bộ đầu tiên trong bọc khí Do CR n R nhỏ và 𝜔𝜔.𝐶𝐶1

𝑛𝑛 >> R nên điện áp UR b R giảm nhanh Hằng số thời gian R.CR b R có trị số rất bé, khoảng 10P

-9 P

– 10P -8 P

s

Vì vậy, thực tế điện áp UR b R trên CR b R giảm tức thời đến trị số điện áp tắt UR t R ≠ 0, khi đó phóng điện cục bộ ở bọc khí tắt, thực nghiệm cho thấy 𝜂𝜂 = 𝑈𝑈𝑡𝑡

𝑈𝑈𝑐𝑐𝑡𝑡 = 0.5 ÷ 0.8 Thời gian duy trì của một lần phóng điện khoảng (10P

-8 P

– 10P -7 P

)s, nhỏ hơn rất nhiều so với chu kỳ của điện áp tác dụng (10P

-2 P

)s, vì vậy có thể coi như bằng không và lượng sụt

áp ∆UR b R = UR ct R – UR t R trên điện dung CR b R khi phóng điện cục bộ xảy ra tức thời

- Sau khi phóng điện cục bộ đầu tiên tắt, điện áp trên CR b R lại bắt đầu tăng, cũng với

dạng hình sin, nhưng bây giờ tương ứng với quan hệ UR b R = UR mb R.sinωt - ∆UR b R Tại thời điểm tR 2 R, điện áp UR b R lại đạt trị số UR ct R và phóng điện cục bộ xảy ra lần thứ hai Sau khi phóng điện cục bộ lần thứ hai tắt thì điện áp trên CR b R lại tăng theo quy luật UR b R =

UR mb R.sinωt - 2∆UR b R Khi t = tR 3 R xuất hiện phóng điện cục bộ lần 3 và quá trình diễn ra tương tự Tại thời điểm tR 4 R tương ứng với UR b R = UR mb R, phóng điện cục bộ tạm ngưng; điện áp UR b R trên bọc khí giảm dần rồi thay đổi cực tính, và tại thời điểm tR 5 R lại tiếp

tục một chuỗi phóng điện cục bộ mới

- Nếu chấp nhận giả thiết về thời gian tồn tại của mỗi lần phóng điện gần như bằng không thì số lần phóng điện cục bộ trong nửa chu kỳ của điện áp tác dụng nR T/2 R

không phụ thuộc vào tần số và đối với trường hợp bọc khí đối xứng thì :

Nhân tử số và mẫu số vế phải với 𝐶𝐶𝑚𝑚 +𝐶𝐶𝑛𝑛

𝐶𝐶𝑛𝑛 và chuyển từ trị số biên độ của điện áp sang trị số hiệu dụng sẽ nhận được

𝑛𝑛~ = 4 𝑓𝑓.𝑈𝑈𝑈𝑈 − 𝜂𝜂𝑈𝑈𝐶𝐶𝐶𝐶

𝐶𝐶𝐶𝐶(1 − 𝜂𝜂)Trong đó :

UR CB Rđược gọi là điện áp xuất hiện phóng điện cục bộ

- Trong kết cấu cách điện có thể có nhiều bọc khí ở những vị trí khác nhau, có kích thước khác nhau và điện áp xuyên thủng khác nhau Mỗi bọc khí đó tương ứng với điện áp xuất hiện phóng điện cục bộ của nó UR CBi R Điện áp UR CB R của toàn kết cấu cách điện bằng trị số bé nhất trong các trị số có được, còn tổng số lần phóng điện cục bộ trong một đơn vị thời gian được xác định theo biểu thức NR ~ R = ΣnR ~i R Ở một trị

số đã cho của điện áp tác dụng lên cách điện U, tổng đó chỉ tính theo các bọc khí mà

Hình 3.5 : Quá trình phóng điện cục bộ trong cách điện có bọc khí

ở điện áp xoay chiều

đối với chúng U ≥ UR Cbi R Quan hệ của số lần phóng điện cục bộ, NR ~ R theo điện áp U

có dạng rất phức tạp, nó phụ thuộc số bọc khí, độ bền điện của chúng và nếu điện trường trong cách điện là không đồng nhất thì nó còn chịu ảnh hưởng của vị trí bọc khí trong thể tích cách điện Những yếu tố kể trên có tính chất ngẫu nhiên, vì vậy ở

những kết cấu cách điện, bên ngoài như nhau, nhưng quan hệ NR ~ R = f(U) có thể khác nhau nhiều

b Ở điện áp một chiều :

- Ở điện áp một chiều (f=0), ảnh hưởng quyết định của sự phân bố điện áp trong cách điện là điện trở rò Vì vậy, ta dùng sơ đồ thay thế như hình, trong đó RR b R – điện

trở rò của bọc khí, RR n R – điện trở rò của phần cách điện nối tiếp với bọc khí

Hình 3.6 : Quan hệ giữa số lần phóng điện cục bộ theo trị số điện áp tác dụng

- Để đơn giản, xét trường hợp đặc biệt khi CR b R.RR b R = CR n R.RR n R có nghĩa là sự phân bố điện áp theo điện dung CR b R và CR n R trùng với sự phân bố điện áp theo điện trở RR b R và

- Do R << RR n R và R << RR b R, điện áp UR b R – tương tự như trường hợp phóng điện cục bộ

ở điện áp xoay chiều, sau khoảng 10P

-9 P

– 10P -8 P

- Tại thời điểm tR 1 Rđiện áp trên CR b Rđạt đến trị số UR ct R và xuất hiện phóng điện cục bộ

lần thứ hai Quá trình tiếp theo sẽ lặp lại tương tự, trong đó khoảng thời gian giữa hai lần phóng điện cục bộ bằng

𝑈𝑈𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝑈𝑈𝑐𝑐𝑡𝑡𝑅𝑅𝑚𝑚𝑅𝑅+ 𝑅𝑅𝑛𝑛

𝑚𝑚

là điện áp tác dụng lên cách điện, khi trong bọc khí xuất hiện phóng điện cục bộ

Vì T = CR n R.RR n R = εR 0 R.ε.ρR v R trong đó ε và ρR v R – tương ứng là hệ số điện môi và điện trở

suất khối của cách điện, nên số lần phóng điện cục bộ trong một đơn vị thời gian trong một bọc khí ở điện áp một chiều là :

của các thiết bị điện một chiều, việc kiểm tra tình trạng của cách điện và kịp thời

sấy khô phải được đặc biệt chú ý

3.3.3.3./Tác d ụng phá hoại cách điện của phóng điện cục bộ :

- Khi trong bọc khí xuất hiện phóng điện cục bộ, các điện tử trong khe phóng điện

với tốc độ nhanh bắn phá vào vách bọc khí

- Mặc dù trị số tuyệt đối của năng lượng phóng điện cục bộ không lớn, nhưng nó được truyền cho một diện tích rất bé của vách bọc khí, nên làm tăng cao đột ngột nhiệt độ cục bộ nơi đó, có thể lên đến hàng trăm độ C Ngoài ra trong bọc khí bị phóng điện cục bộ xuất hiện những hoạt tính hóa học mạnh như ozon, oxit azốt, có tác dụng phân hủy nhiều loại điện môi Khi phóng điện cục bộ lặp lại nhiều lần, bề mặt bọc khí bị khoét sâu dần và sau đó phóng điện tập trung vào chỗ bị khoét sâu

cục bộ này, kéo dài ra và phân nhánh Khe phóng điện ngày càng dài thì độ bền điện

của cách điện càng giảm Quá trình kết thúc bởi sự phóng điện xuyên thủng cách điện theo khe đã đư ợc dọn sẵn bởi hiện tượng phóng điện cục bộ lâu dài trước đó

Tốc độ phá hủy cách điện phụ thuộc vào mức độ mãnh liệt của phóng điện cục bộ

và tính chất hóa lý của điện môi tạo thành cách điện

- Một số ít điện môi như sứ, mica… chịu được tốt tác dụng lâu dài của phóng điện

cục bộ mà không bị một hư hỏng nào rõ rệt, còn phần lớn các vật liệu cách điện khác đều bị phá hủy tương đối nhanh bởi phóng điện cục bộ Do đó để nâng cao

thời gian phục vụ của kết cấu cách điện trong này phải có những biện pháp hạn chế

mức độ mãnh liệt của phóng điện cục bộ

3.4./Cường độ điện trường làm việc cho phép của cách điện trong :

- Cường độ điện trường làm việc ER lv R có tác dụng quyết định đến cường độ quá trình già hóa điện, công suất tổn hao điện môi, cũng như là hệ số an toàn của độ bền điện đối với quá điện áp ngắn hạn; khi có quá điện áp thì cường độ điện trường đạt đến trị số KR qanb R.ER lv R, với KR qanb R – là bội số quá điện áp nội bộ

- Sự lựa chọn trị số cho phép của cường độ điện trường làm việc ER lvcp R để đảm bảo

độ an toàn đủ cao cho sự làm việc bình thư ờng của cách điện trong suốt thời gian phục vụ yêu cầu là công việc phức tạp và quyết định nhất trong thiết kế kết cấu cách điện Những sai lầm khi lựa chọn trị số ER lvcp R có thể làm xấu rất nhiều chỉ tiêu kinh tế

của thiết bị ER lvcp R cao thì cách đi ện sẽ bị hư hỏng sớm đòi hỏi phải thường xuyên sửa chữa một cách không cần thiết hoặc thay thế hoàn toàn thiết bị Nếu chọn ER lvcp R