Là tiêu chuẩn của quốc tế về phương pháp thực hiện, giá trị ngưỡng quy định đánh giá độ ẩm cách điện cứng máy biến ápLà tiêu chuẩn của quốc tế về phương pháp thực hiện, giá trị ngưỡng quy định đánh giá độ ẩm cách điện cứng máy biến ápLà tiêu chuẩn của quốc tế về phương pháp thực hiện, giá trị ngưỡng quy định đánh giá độ ẩm cách điện cứng máy biến áp
Cơ sở lý thuyết cho phân tích DFR
Jt Et đt t dt Là
Phân tích đáp ứng tần số điện môi—Lý thuyết và xác nhận
37 Bản quyền © 2018 IEEE Đã đăng ký Bản quyền.
Trong miền thời gian, hàm đáp ứng được xác định thông qua dòng phân cực và khử cực, sau đó chuyển đổi sang miền tần số để phân tích Tại miền tần số, hàm đáp ứng có thể đo trực tiếp bằng cách ghi nhận dòng điện qua lớp cách điện khi áp dụng tín hiệu hình sin Phần ảo của độ thấm phức thể hiện tổn thất trong điện môi.
Trong đó C0 là điện dung hình học của mẫu, IR và IC là thành phần tổn thất và điện dung của dòng điện. Ở đâu
( ) trong đó độ nhạy điện môi phức, là biến đổi Fourier của hàm đáp ứng, f(t)
Phương trình (A.7) có thể được biểu diễn dưới dạng vectơ như trong Hình A.1.
(Helgeson và Gọfvert [B9]) Nếu nhằm mục đớch phõn tớch phản ứng điện mụi, người ta xỏc định độ thấm tương đối phức tạp ( ) , , thì Phương trình (A.5) trở thành:
Hướng dẫn này tập trung vào việc phân tích đáp ứng điện môi trong miền tần số, sử dụng các phép biến đổi Fourier để suy ra miền tần số tương đương của hàm đáp ứng, và cuối cùng là mật độ dòng điện.
Độ dẫn điện có ảnh hưởng rõ rệt hơn ở tần số thấp so với tần số cao, điều này được thể hiện qua biểu thức tổn hao Phần thực của độ thấm phức cũng phản ánh điện dung thực của hệ thống.
Bản quyền © 2018 IEEE Đã đăng ký Bản quyền.
Hướng dẫn của IEEE về kiểm tra đáp ứng tần số điện môi ω ω +
Bản quyền © 2018 IEEE Đã đăng ký Bản quyền.
Tỷ lệ tổn hao trên dòng điện dung được gọi là hệ số tổn hao hoặc tiếp tuyến tổn thất và được biểu diễn dưới dạng:
Đối với vật liệu điện môi trong máy biến áp, hệ số tiêu tán tần số công nghiệp có dải giá trị tương tự như hệ số công suất, tương ứng với cosin của góc bù.
Bổ sung độ ẩm vào lớp cách nhiệt rắn làm tăng quá trình phân cực trong hệ thống cách nhiệt, như thể hiện trong Hình A.2 Sự gia tăng độ phân tán, đặc biệt ở vùng tần số thấp, của cả phần thực và phần ảo của độ thấm của mẫu tấm ép xảy ra khi độ ẩm tăng lên.
Để đo các thành phần của hàm đáp ứng trong miền tần số, điện áp hình sin có tần số cố định được áp dụng vào hệ thống cách điện Điện áp và dòng điện qua lớp cách điện được đo, từ đó điện dung và tổn thất ở mỗi tần số được tính từ tỷ số giữa dòng điện và điện áp cùng với độ lệch pha giữa chúng Kiến thức về điện dung hình học giúp xác định phần thực và phần ảo của độ thấm phức Kết quả thường được biểu diễn dưới dạng biểu đồ log-log của phần thực và phần ảo của độ thấm, điện dung hoặc hệ số tiêu tán so với tần số.
A.1.1 Ảnh hưởng của độ ẩm đến phản ứng điện môi của xenlulo tẩm dầu
Hướng dẫn của IEEE về kiểm tra đáp ứng tần số điện môi
Bản quyền © 2018 IEEE Đã đăng ký Bản quyền. kt a) thành phần thực; b) thành phần ảo
Nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng điện môi của xenlulo tẩm dầu Đối với tấm ép tẩm dầu có độ ẩm nhất định, hình dạng của đường cong điện môi sẽ thay đổi theo nhiệt độ, ảnh hưởng đến tính chất điện của vật liệu Sự biến đổi này cần được nghiên cứu kỹ lưỡng để hiểu rõ hơn về ứng dụng của xenlulo tẩm dầu trong các lĩnh vực công nghiệp.
Bài viết đề cập đến 40 phương trình loại có năng lượng hoạt hóa (Ea), cho phép tạo ra các “đường cong chính” với dải tần số mở rộng bằng cách dịch chuyển độ thấm đo được ở các nhiệt độ khác nhau về một nhiệt độ tham chiếu không thay đổi theo nhiệt độ (CIGRE TB 254 [B3]) Thay vì sự thay đổi độ thấm, chỉ có sự thay đổi tần số của toàn bộ đường cong khi chuyển từ nhiệt độ này sang nhiệt độ khác Sự thay đổi của đường cong điện môi theo hàm số của nhiệt độ tuân theo quy luật Arrhenius.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu ván ép tẩm dầu với độ ẩm trọng lượng 1% được thể hiện trên Hình A.3.
Hình A.2 – Độ thấm của tấm ép tẩm dầu khoáng ở 50 °C e ea
41 a) thành phần thực; b) thành phần ảo
A.1.3 Các ảnh hưởng khác đến phản ứng điện môi của xenlulo tẩm dầu
(LMWA), cho thấy phản ứng tương tự như độ ẩm trên phản ứng điện môi của tấm ép tẩm dầu
Hình A.3 – Độ thấm của tấm ép tẩm dầu khoáng với 1% (theo trọng lượng) độ ẩm
Kỹ thuật đường cong tổng thể (Linhjell, et al [B17]) đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng cơ sở dữ liệu về độ thấm của tấm ép tẩm dầu ở các mức độ ẩm và nhiệt độ khác nhau Cơ sở dữ liệu này được áp dụng để phân tích độ ẩm trong cách điện rắn của máy biến áp Một ví dụ về cơ sở dữ liệu này đã được phát triển trong khuôn khổ nhóm làm việc CIGRE về phản ứng điện môi, như được đề cập trong nghiên cứu của Ekanayake [B5].
Độ ẩm và nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng điện môi của tấm ép tẩm dầu Bên cạnh đó, các thông số khác như axit có trọng lượng phân tử thấp cũng cần được xem xét để hiểu rõ hơn về các yếu tố tác động đến tính chất điện môi.
Hằng số điện môi r của dầu khoáng là 2,2, trong khi độ dẫn điện một chiều của dầu chủ yếu bị ảnh hưởng bởi tạp chất và sản phẩm lão hóa Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của độ dẫn điện này có thể được mô tả hợp lý bằng định luật Arrhenius, với năng lượng kích hoạt khoảng 0,5 eV.
Ở điện áp cao hơn, hiệu ứng phi tuyến tính trở nên rõ ràng Khi áp dụng điện áp xoay chiều lên chất lỏng, các ion sẽ dao động qua lại với biên độ nhất định, như được mô tả trong phương trình (A.10).
Dầu khoáng không phân cực và không phân tán, dẫn đến tổn thất điện môi chủ yếu do sự dẫn truyền của tạp chất ion khi chịu tác dụng của điện trường thấp Độ thấm phức của dầu bao gồm hằng số điện môi và độ dẫn điện một chiều, theo đó, mật độ dòng điện trong dầu khoáng được xác định qua phương trình (A.6).
Dầu khoáng có độ dẫn điện thấp khoảng 10^(-13) S/m, cho thấy phản ứng phi tuyến tính ở tần số thấp tùy thuộc vào điện áp qua khe hở dầu (Neimanis, et al [B18]) Chất lỏng trong máy biến áp hoạt động như chất điện phân yếu (Gọfvert [B6]) và thể hiện phản ứng Ohmic tuyến tính hoàn hảo khi tiếp xúc với điện áp thấp.
A.1.4 Phản ứng điện môi của dầu khoáng
Hình A.4 – Độ thấm của dầu khoáng có độ dẫn điện một chiều 1E-12 pS/m
Dưới ứng suất điện thấp, dầu thể hiện tính chất tuyến tính, với độ thấm không phụ thuộc vào điện áp Phần thực và phần ảo của độ thấm thay đổi theo tần số, được thể hiện rõ ràng trong biểu đồ log-log như trong Hình A.4.
Trường hợp 5 – Ảnh hưởng của việc nối đất kém của tấm chắn tĩnh điện
Khái quát chung
Hướng dẫn này nhằm cung cấp thông tin cần thiết cho người dùng để thực hiện các phép đo Đáp ứng tần số điện môi và giúp họ diễn giải các kết quả thu được từ những phép đo này.
10 Bản quyền © 2018 IEEE Đã đăng ký Bản quyền.
IEEE Std C57.152™-2013, Hướng dẫn của IEEE về kiểm tra chẩn đoán hiện trường máy biến áp, bộ điều chỉnh và lò phản ứng chứa đầy chất lỏng.1, 2
Hướng dẫn này áp dụng cho các phương pháp Đáp ứng tần số điện môi (DFR) của máy biến áp ngâm trong chất lỏng, bao gồm khuyến nghị về thiết bị đo, quy trình kiểm tra và kỹ thuật phân tích dữ liệu Nó có thể được sử dụng trong cả ứng dụng hiện trường và nhà máy.
Nên tham khảo Từ điển Tiêu chuẩn IEEE Trực tuyến về các thuật ngữ trong tiêu chuẩn này.3
Các tài liệu tham chiếu dưới đây là cần thiết cho việc áp dụng tài liệu này, nghĩa là mỗi tài liệu phải được hiểu và sử dụng đúng cách, với việc trích dẫn trong văn bản và giải thích mối quan hệ của nó với tài liệu này Đối với tài liệu có ghi năm, chỉ bản được nêu sẽ được áp dụng Đối với các tài liệu không ghi ngày tháng, phiên bản mới nhất (bao gồm mọi sửa đổi hoặc bản sửa đổi) sẽ được sử dụng.
Từ điển Tiêu chuẩn IEEE Trực tuyến có sẵn tại: http://dictionary.ieee.org.
Bản quyền © 2018 IEEE Đã đăng ký Bản quyền.
4 Tổng quan về phép đo đáp ứng tần số điện môi (DFR)
4.2.1 Cơ sở lý thuyết cho việc thử nghiệm hệ số công suất (PF) và đáp ứng tần số điện môi (DFR) Ở đâu
Q là điện tích tính bằng Coulomb (C)
C là điện dung tính bằng Farads (F)
V là hiệu điện thế tính bằng vôn (V)
Phép đo DFR là một kỹ thuật kiểm tra không xâm lấn và không phá hủy, được phát triển như một công cụ chẩn đoán tiên tiến Kỹ thuật này có thể thực hiện trong miền tần số, giúp xác định độ ẩm của lớp cách điện rắn và độ dẫn điện của lớp cách điện lỏng trong máy biến áp.
Máy biến áp có thể được mô phỏng như một mạng lưới điện dung, điện cảm và điện trở, và cần một kỹ thuật tiện lợi để thử nghiệm cách điện Khi một điện trường (E) được áp dụng lên vật liệu cách điện, nó được thể hiện trong mạch điện dưới dạng tụ điện (C) Sự chênh lệch điện thế (V) được duy trì nhờ nguồn điện áp, dẫn đến việc hình thành điện tích dương trên một bản và điện tích âm trên bản còn lại của tụ điện, với điện tích tỷ lệ thuận với hiệu điện thế giữa chúng Đối với các tụ điện song song, mật độ từ thông (D) sẽ được xác định tại bề mặt của bản tụ.
Tất cả các phương pháp phản ứng điện môi đều thể hiện hiện tượng dẫn điện và phân cực trong cách điện máy biến áp Hệ thống cách điện bằng giấy dầu kết hợp hai môi trường điện môi khác nhau, bao gồm chất lỏng cách điện dẫn ion và chất rắn tẩm ít dẫn điện hơn như tấm ép hoặc giấy Phản ứng điện môi của hệ thống này không chỉ phản ánh đặc tính của từng vật liệu mà còn cách chúng được kết hợp Sự sắp xếp hình học, tình trạng nhiệt, tình trạng của cách điện rắn, và loại dầu đều có ảnh hưởng đáng kể đến phản ứng điện môi.
Đáp ứng tần số điện môi (DFR) là sự biểu diễn của đáp ứng điện môi trong miền tần số Kết quả của DFR có thể được thể hiện qua các tham số liên quan đến các mạch tương đương, bao gồm điện dung và hệ số công suất (hoặc hệ số tiêu tán) theo hàm của tần số Thử nghiệm này còn được biết đến với tên gọi Quang phổ miền tần số (FDS).
Phép đo DFR tương tự như phép thử điện dung và hệ số công suất/hệ số tiêu tán, được thực hiện thông qua việc đo trở kháng phức tạp ở tần số gần với 50/60 Hz Đối với DFR, điện dung và hệ số công suất/hệ số tiêu tán được đo trong dải tần số rộng, từ 1 kHz đến 10 mHz hoặc 0,1 mHz Dải tần số này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện vật lý và nhiệt độ của cách điện được thử nghiệm.
Phổ điện môi thu được là sự thể hiện duy nhất tình trạng của hệ thống cách điện kết hợp bên trong máy biến áp. kỹ thuật
Việc thay thế chân không bằng vật liệu điện môi khác sẽ dẫn đến sự thay đổi giá trị điện dung Khoảng cách giữa các bản tụ điện được xác định bởi tích số trong Công thức (8).
Kết hợp phương trình (1) và phương trình (5) xác định điện dung như trong phương trình (6).
Giả sử các bản của tụ điện dài vô hạn, trường điện là đồng nhất với mật độ từ thông không đổi giữa các bản Điện trường liên quan đến điện tích thông qua các đặc tính hình học và tính chất điện môi của tụ điện, như được thể hiện trong phương trình (4).
A là diện tích bề mặt của bản tụ điện
(số 8) Đối với tụ điện có “chân không” nằm giữa các bản, mối tương quan giữa mật độ từ thông (D) và điện trường
(E) có thể được biểu diễn như sau trong Công thức (3):
Lượng điện tích được lưu trữ trong vật liệu bởi một điện áp đặt vào, so với điện tích được lưu trữ trong chân không.
Độ thấm của chân không được xác định là 8,854 × 10^-12 F/m, và nó được sử dụng để giới thiệu độ thấm tương đối của vật liệu cách điện, thể hiện tỷ lệ giữa độ thấm tuyệt đối và độ thấm của chân không.
Hiệu điện thế V là năng lượng cần thiết để di chuyển một điện tích trong tụ điện, cụ thể là công cần thiết để chuyển điện tích từ bản này sang bản kia, dẫn đến sự hình thành của điện trường ε.
Bản quyền © 2018 IEEE Đã đăng ký Bản quyền.
Hướng dẫn của IEEE về kiểm tra đáp ứng tần số điện môi ε r 0
Bảng 1 – Giá trị độ thấm tương đối của vật liệu và Hình 2 Điện dung (C) [Phương trình (10)], hệ số công suất (PF) [Phương trình (11)] và hệ số tiêu tán (DF)
Vật liệu cách điện không hoàn hảo dẫn đến tổn thất trong hệ thống cần được đo lường Để đánh giá tổn thất điện môi, ta đo dòng điện (IR) sinh ra do tổn hao điện môi, dòng này cùng pha với điện áp thử nghiệm Dòng điện này bị ảnh hưởng bởi các chất gây ô nhiễm và ứng suất điện trong chất điện môi Thành phần điện trở này thường rất nhỏ trong cách điện máy biến áp, nhưng sự gia tăng của nó có thể do nhiều yếu tố như lão hóa sản phẩm phụ, ô nhiễm hóa học, độ ẩm trong cellulose, độ dẫn dầu cao, vết cacbon, hoặc điện trở cao trong lõi.
Mối quan hệ giữa dòng điện tổng (IT), dòng điện trở (IR) và dòng điện dung (IC) được thể hiện trên Hình 1
Dòng điện dung (Ic) liên quan trực tiếp đến điện dung.
Dòng điện dung phụ thuộc vào tần số (f), và khi thực hiện các phép đo lặp lại, mẫu tụ điện thử nghiệm ở cùng điện áp và tần số sẽ cho phản hồi tương tự, giả sử vật liệu cách điện không bị hư hỏng Mối tương quan giữa dòng điện và điện dung cung cấp thông tin về tình trạng cơ học của hệ thống cách điện Theo lý thuyết mạch cơ bản, điện dung tăng khi mắc tụ điện song song và giảm khi mắc tụ điện nối tiếp, từ đó giúp hiểu rõ giá trị điện dung thu được trong quá trình kiểm tra hệ số tiêu tán/hệ số công suất Hệ số này không thứ nguyên, được xác định từ tỷ số giữa điện dung của vật liệu cách điện và điện dung trong không gian tự do, cho thấy điện dung phụ thuộc vào tỷ lệ điện tích tự do trên tổng điện tích Trong giai đoạn này, phương trình có thể được điều chỉnh để phản ánh sự hiện diện của vật liệu cách điện giữa các điện cực của tụ điện.
[Phương trình (12)] được đo giống hệt nhau trong thử nghiệm hệ số công suất tần số đơn hoặc trong thử nghiệm DFR nhiều tần số. (Perkins và cộng sự [B19]).
Bản quyền © 2018 IEEE Đã đăng ký Bản quyền.
Các số trong ngoặc tương ứng với các số trong thư mục trong Phụ lục D.
Mật độ thấp Mật độ cao
Este tổng hợp Giấy tẩm dầu
Quan hệ hằng số điện môi
(11) Hình 1 — Đo trở kháng phức hợp (sơ đồ đơn giản hóa)
Hệ số công suất và hệ số tiêu tán (tan) có độ lớn gần nhau khi góc rất nhỏ (