CHƯƠNG 10 vật LIỆU CÁCH điện THỂ LỎNG

10.1 Giới thiệuCác điện môi lỏng từ lâu đã đ ợc sử dụng làm vật liệu cách điện trong các máy biến áp, trong tụ điện và cáp điện lực, trong máy cắt cao áp a Vai trò của cách điện thể lỏng

10.1 Giới thiệu

Các điện môi lỏng từ lâu đã đ ợc sử dụng làm vật liệu cách điện trong các máy biến áp, trong tụ điện và cáp điện lực, trong máy cắt cao áp

a) Vai trò của cách điện thể lỏng

Các chất lỏng và dầu cách điện đ ợc dùng với mục đích chủ yếu để ngâm tẩm các cách điện rắn trong các thiết bị

điện khác nhau nh máy biến áp, cuộn cảm, tụ điện, máy cắt, cáp điện dùng dầu, thiết bị điều áp d ới tải, các điện xuyên có dầu

L ợng dầu sử dụng có thể rất nhỏ (một phần lit trong các tụ điện) đến hàng nghìn lit (trong các máy biến áp lực)

Ngoài nhiệm vụ cách điện, dầu và chất lỏng cách điện còn có nhiệm vụ làm mát (tản nhiệt trong các máy biến

áp lực) và dập hồ quang (trong các máy cắt)

b) Phân loại cách điện thể lỏng

Các vật liệu cách điện lỏng có thể phân loại theo các đặc điểm khác nhau :

Theo nguồn gốc hoá học

dầu cách điện tự nhiên Trong các vật liệu cách điện thể lỏng, dầu có nguồn gốc từ dầu mỏ (dầu cách điện

tự nhiên) đ ợc sử dụng sớm nhất Thành phần chính của dầu là các chất hydrocarbon naphthenic bão hoà đ ợc sản suất từ chu trình lọc hoá dầu

chất lỏng cách điện tổng hợp : hydrocarbon tổng hợp (polybutene, alkylbezene ), hydrocarbon cói

chứa halogen (polychloroalcane, polyclorodiphenylethane), chất lỏng siliconepolymethylphenylsiloxane, polydimethylsiloxane), estere hữu cơ (dầu thực vật, phtalate ) dyxylyethane DXE

Theo lĩnh vực sử dụng

máy biến ápmáy cắt, thiết bị điều áp d ới tải.tụ điện

cáp điện lực

Theo cấp nhiệt độ làm việc

đến 95 °C : dầu máy biến áp, các dầu có chứa clo trong tụ điện

đến 135 °C : chất lỏng tổng hợpTheo mức độ chống cháy

vật liệu cháy

VËt liÖu c¸ch

DÇu c¸ch ®iÖn cã nguån

gèc thùc vËt DÇu c¸ch ®iÖn cã nguån gèc tõ dÇu má DÇu c¸ch ®iÖn tæng hîp

hydrocarbon tæng hîp

(polybutene, alkylbezene ), hydrocarbon cãi chøa halogen

(polychloroalcane, polyclorodiphenylethane), chÊt láng silicone

polymethylphenylsiloxane, polydimethylsiloxane), estere h÷u c¬

phtalate, dyxylyethane DXE.

DÇu m¸y biÕn ¸p, m¸y c¾t, thiÕt bÞ

®iÒu ¸p d íi t¶i DÇu tô ®iÖn DÇu c¸p ®iÖn lùc

DÇu trÈu

DÇu lanh

Loại Chất lỏng Sử dụng Đặc điểm

Dầu tự nhiên naphtenic

Hydrocarbon

tổng hợp polybutene PIBalkylbezene AB

di-isopropylphtalate DIPN alkylbiphenyle (MIPB) alkyldiarylalcane (BT, DBT)

không cháy

Ester hữu cơ dầu thực vật

ester đơn giản (BNC, DOS, DOP) phtalate (DEHP)

ester phức tạp

tụ điện xung

tụ điện giấy thay thế PCB MBA phân phối

tgδ bé ở f>10 3 Hz

εr>5

điểm cháy >300 C

Dầu silicone polydimethylsiloxane (PDMS)

polymethylphenylsiloxane PMPS MBAMBA điểm cháy >300 CHấp thụ khí do phóng điện

cục bộ

các chất lỏng khác este oxit

khí hoá lỏng tụ điệncách điện siêu dẫn εr>3

giảm tổn hao do hiệu ứng

b) Điện dẫn và tổn hao điện môi

tgδ đo ở tần số 50 Hz và nhiệt độ 90 C, đối với các chất lỏng ít tổn hao (nh polybutene hay dầu silicone) bằng 10-5 nh ng tăng đến 5.10-1 đối với cá chất lỏng bị ô nhiễm

Điện trở suất nằm trong khoảng từ 1012 đến 1017Ω.m

Hệ số tổn hao điện môi tgδ của chất lỏng đ ợc xác định theo tiêu chuẩn IEC 247 bằng cầu đo Schering ở tần số công nghiệp

c) Độ bền điện

Điện áp phóng điện chọc thủng của chất lỏng phụ thuộc vào nhiều yếu tố : hình dạng, diện tích và khoảng cách giữa các điện cực, bề mặt điện cực, nhiệt độ, quy trình thử nghiệm, thời gian tác dụng của điện áp, mức độ ô nhiễm

Độ bền điện của các chất lỏng cách điện d ới tác dụng của điện áp xoay chiều xác định theo tiêu chuẩn IEC 156, ASTM D1816 trong một cốc thử dầu với hai điện cực dạng hình cầu đ ờng kính 25 mm và khoảng cách giữa chúng

cố định bằng 2,5 mm

Điện áp xoay chiều tần số công nghiệp tăng từ 0 đến khi xảy ra phóng điện với tốc độ tăng điện áp không đổi 2 kV/s, thời gian giữa hai lần phóng điện 5 phút

Điện áp phóng điện đ ợc xác định bằng trung bình cộng của 5 lần đo trong số 6 lần Tuỳ thuộc vào loại chất lỏng,

độ bền điện theo các tiêu chuẩn này thay đổi trong khoảng từ 12 đến 40 kV/mm

Các tiêu chuẩn này quy định các điện cực thử nghiệm có dạng mũi nhọn- cầu, trong đó mũi nhọn có bán kính cong từ 40-70àm, điện cực cầu có đ ờng kính 12,5 mm và khoảng cách giữa hai điện cực từ 3 đến

25 mm

Độ bền điện của các chất lỏng d ới tác dụng của điện áp xung kích xác định theo tiêu chuẩn IEC 897, ASTM D3300

Với khoảng cách giữa hai điện cực là 25 mm, U+ nằm trong khoảng 90-400 kV, và U- từ 65-160 kV

Điện áp phóng điện đ ợc đặc tr ng bởi hai trị số điện áp phóng điện trung bình của 5 lần thí nghiệm khi mũi nhọn mang cực tính d ơng V+ và mũi nhọn mang cực tính âm U-

Do các điện môi lỏng đ ợc sử dụng chung với các vật liệu cách điện khác và có tiếp xúc với vật liệu dẫn điện, cũng

do n ớc và các tạp chất xâm nhập vào thiết bị trong quá trình sản xuất, vận hành nên độ bền điện của chất lỏng trong các thiết bị th ờng thấp hơn nhiều so với các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm

Độ bền điện của các chất lỏng giảm khi diện tích điện cực hoặc thể tích của chất lỏng tăng

Trong dải tần số cao, độ bền điện của các chất lỏng sạch không phụ thuộc vào tần số nh ng trong các chất lỏng cách điện kỹ thuật, điiện áp phóng điện chọc thủng ở tần số thấp lớn hơn ở tần số cao

Ngoài ra điện áp phóng điện còn phụ thuộc vào trạng thái tình hay động của chất lỏng

Độ bền điện của chất lỏng thay đổi với số lần xảy ra phóng điện trên một thể tích chất lỏng nhất định

Ví dụ đối với dầu máy biến áp, độ bền điện là 50-60 kV khi khoảng cách giữa hai điện cực là 2 mm, hằng số điện môi 2,2-2,7 và điện trở suất 1013-1015Ω.cm

Độ nhớt

Các chất lỏng cách điện có độ nhớt nằm trong dải rộng từ 10 centistoke ở nhiệt độ 40 C đối với dầu bến áp, đến 50 centistoke đối với chất lỏng silicone, thậm chí đến 130 centistoke đối với dầu tự nhiên

điểm đông đặc (pour point).

Nhiệt độ đông đặc của các chất chất lỏng cách điện thay đổi từ -60 C (polybutene, silicone) đến -30 C (dầu mỏ cách điện)

khả năng chống cháy

Hàm l ợng n ớc bão hoà trong chất lỏng ở điều kiện bình th ờng vào khoảng 50 ppm đối với dầu mỏ cách

điện, 120 ppm với dầu silicone và 2000 ppm với esters

ổn định phóng điện cục bộ :

Quá trình oxy hoá trong các chất lỏng đặc tr ng bởi chỉ số axit toàn phần TAN (total acide number) và

đ ợc đo bằng mgKOH/g chất lỏng

hàm l ợng n ớc, hàm l ợng khí hoà tan, hàm l ợng tạp chất.

Ng ời ta có thể loại bỏ n ớc và chất khí hoà tan bằng sấy kèm hút chân không

N ớc, đặc biệt là n ớc ở thể tự do rất khó loại bỏ bằng lọc dầu vì các phần tử để lọc sẽ rất nhanh bị bão hoà và n ớc lại tan vào trong dầu

Lọc dầu bằng l ới lọc (cartrige) chỉ có thể lọc đ ợc các tạp chất rắn lớn hơn 5 àm

Việc loại bỏ hoàn toàn các tạp chất, n ớc và các chất khí hoà tan là không thể thực hiện đ ợc

ổn định oxy hoá :

nói chung các chất lỏng cách điện th ờng không màu Tuy nhiên một số vật liệu nh dầu mỏ cách điện có màu vàng hổ phách hoặc vàng nhạt Sự thay đổi màu sác của chất lỏng trong thời gian vận hành có thể do quá

trình oxy hoá, các phản ứng hoá học hay sự lão hoá

với các vật liệu khác trong các thiết bị điện Các điện môi lỏng cần có mức độ t ơng thích với các vật liệu

: là nhiệt độ thấp nhất khi hơi dầu bốc cháy khi tiếp xúc với lửa; Điểm chớp chất của chất lỏng silocone cao nhất đến

315 C trong khi của dầu máy biến áp chỉ 135-140 C cháy và chất lỏng không cháy

điểm chớp cháy (flash point)

màu sắc :

sử dụng t ơng thích (compatibility)

Theo điểm cháy, ng ời ta phân biệt chất lỏng

là nhiệt độ mà chất lỏng sẽ cháy khi gặp lửa Còn nhiệt độ tự cháy là nhiệt độ mà chất lỏng trở thành nhiên liệu cháy

điểm cháy (fire point)

ChÊt láng Tû

trängkg/m3

°C

§iÓm ch¸y °C

PolybuteneAlkyylbezeneAlkyldûaylacane

800-920 850-990 900-1100

2000 1600-2000 1600-2000

0.16 0.11-0.16 0.11-0.16

3-8 3-8

30-+22 -70-35 -70-35

145-230 110-150 110-150

170-310 120-155 120-155

askarel PCBPolychlorodyphenylmethane

1630 1420

10.4 Dầu mỏ cách điện

Trong số các vật liệu cách điện thể lỏng thì dầu cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ đ ợc dùng nhiều nhất

Các loại dầu mỏ cách điện (những chất lỏng cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ) đ ợc sản suất từ dầu thô qua quá trình hoá dầu

Đó là hỗn hợp của nhiều loại hydrocarbon với một l ợng nhỏ các tạp chất chứa l u huỳnh, oxy, nitơ

Thành phần chính xác của các loại dầu cách điện phức tạp hơn và tuỳ thuộc vào nguồn gốc của dầu thô, mức độ

và ph ơng pháp lọc dầu, các chất cho thêm vào

Trong dầu mỏ có nhiều loại hydrocarbon : hydrocarbon bão hoà (alcane và cycloxane) loại parafin CnH2n+2, loại napten CnH2n hydrocarbon thơm CnH2n-6, hydrocarbon không no CnH2n

Một số hydrocarbon không no nh olephine cũng có nh ng ở d ới dạng khí và một số hydrocarbon dị vòng

(heteorocycle) của l u huỳnh C4H8S, C4H4S, C8H8S, nitơ C6H7N, C4H5N, C9H7N, và oxy C10H18O Hợp chất với oxy thì chủ yếu là các loại axit, ví dụ axit naptenic C6H11COOH, các chất keo, hắc ín

hydrocarbon th¬m (benzene, naptalene) vµ mét sè lo¹i kh¸c

Thµnh phÇn cña dÇu c¸ch ®iÖn phô thuéc vµo nguån gèc cña dÇu má chøa nhiÒu napten hay parrafin

Theo thµnh phÇn ho¸ häc ng êi ta chia chóng thµnh c¸c lo¹i :

hydrocarbon paraffin CnH2n+2 (n-alcane vµ iso-alcane),

hydrocarbon naptane CnH2n (cyclo-pentane, cyclohexane, vµ cyclo-heptane),

TÝnh chÊt DÇu m¸y biÕn ¸p DÇu c¸p ®iÖn lùc Ph¸p

70

89581350.0562.25

1011

75

89581350.0502.205.1011

85

837501800.0022.25

1012

53

>900101350.0032.2

1011

45

>900-2250.0052.152.1010

33

>895

<6

>1300.005

>70

TÝnh chÊt cña mét sè lo¹i dÇu m¸y biÕn ¸p theo tiªu chuÈn cña Liªn x« tr íc ®©y

Độ nhớt của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng Đối với dầu mỏ cách điện nó bằng 24-25 mm2/s ở nhiệt độ 20 C và

50 mm2/s ở nhiệt độ 0 C T ơng ứng với các nhiệt độ này trong dầu silicone là 50 và 75

Trong dải tần số công nghiệp và nhiệt độ 90 C, hằng số điện môi của các loại dầu mỏ cách điện thay đổi trong khoảng từ 2.1 đến 2.5 và giảm khi nhiệt độ tăng.

hàm l ợng n ớc và các hạt tạp chất

Điện trở suất, hằng số điện môi và tgδ

Điện trở suất của chất lỏng giảm khi nhiệt độ tăng theo hàm dạng

ở nhiệt độ 90 C, điện trở suất của chúng nằm trong khoảng (15-16).1014Ω.cm

tgδ của các chất lỏng tăng khi nhiệt độ tăng và phụ thuộc vào tần số theo biểu thức

trong quá trình vận hành các tính chất của dầu bị thay đổi và đ ợc gọi là sự già cỗi hay sự lão hoá

Độ bền điện

Trong điều kiện bình th ờng với hàm l ợng n ớc nhỏ hơn 10 ppm và hàm l ợng tạp chất nhỏ hơn 1 ppm, độ bền điện của dầu mới nằm trong khoảng 70-90 kV theo thiết bị thử của CEI

D ới tác dụng của điện áp xung kích, điện áp đánh thủng đạt 120-140 kV

Các tạp chất cực tính n hơi ẩm trong chất lỏng làm giảm độ bền điện của nó đặc biệt khi nó kết hợp với các tạp chất dạng sợi

Sự già cỗi hoá :

Quá trình này kèm theo sự hình thành n ớc, axit thúc đẩy sự lão hoá của các vật liệu cách điện rắn

Sự già cỗi hoá xảy ra chủ yếu do tác dụng của điện tr ờng và nhiệt độ

An toàn sử dụng :

Điểm chớp cháy và điểm cháy của dầu chênh nhau khoảng 10 C; nhiệt độ chớp cháy của hơi dầu thay

đổi tuỳ theo loại dầu

Sử dụng t ơng thích với các chất rắn

Sắt, thép, hợp kim chì-thiếc, crom, cadmi thay đổi rất ít và không có ảnh h ởng đến dầu

Đồng và các hợp kim của đồng là các chất xúc tác oxy hoá và tăng tgδ.Tốc độ ăn mòn tăng với nhiệt độ oxy hoá và thành phần của dầuKhả năng xuất hiện trên bề mặt kim loại một lớp màng làm tăng điện trở tiếp xúc

Các vật liệu cách điện rắn nh giấy, carton cách điện, các vật liệu phân lớp với nhựa phenolformaldehyde, epoxy, vật liệu bông vải sợi, gỗ, chất dẻo trên cơ sở nhựa phenolformaldehyde không ảnh h ởng đến dầu máy biến áp và tuỳ thuộc vào mức độ sạch có thể không ảnh h ởng đến dầu

tụ điện

Các loại cao su flo và silic hữu cơ bền vững hơn cả trong dầu Độ bền của các loại cao su khác phụ thuộc vào thành phần hoá học

Dầu mỏ cách điện là loại điện môi lỏng có c ờng độ cách điện cao và giá thành thấp nhất trong các chất lỏng cách điện do đó đ ợc sử dụng rộng rãi làm vật liệu cách điện

Dầu mỏ cách điện có nhiều công dụng khác nhau, do vậy chúng có các tên gọi khác nhau :

Dầu máy biến áp

cải thiện điều kiện tản nhiệt do tổn hao công suất trong các cuộn dât và trong lòi máy biến áp;

Ng ời ta cũng quy định tiêu chuẩn độ bền điện cuả dầu máy biến áp dùng cho các thiết bị có cấp điện

Loại này đ ợc dùng trong các máy biến áp, máy cắt với các mục đích :

tẩm các vật liệu cách điện sợi, vật liệu xốp, lấp đầy các khoảng trống giữa các cuộn dây, giữa các cuộn dây với vỏ máy biến áp;

dập tắt hồ quang trong các máy cắt dầu

Dầu già cỗi có thể dùng lại đ ợc bằng cách tái sinh, tức là loại bỏ các tạp chất sinh ra trong quá trình già cỗi, loại bỏ tạp chất, giảm hàm l ợng axit Để tái sinh lại các loại dầu đã qua sử dụng sau khi lọc sấy để loại bỏ các tạp chất và n ớc, phải sử dụng một số ph ơng pháp hoá học khác đảm bảo các tính chất hoá lý nh dầu mới Loại bỏ các tạp chất rắn có thể dùng các biện pháp lọc bằng các màng lọc, các xi phông nhiệt hoặc dùng các hỗn hợp hay các chất hấp thụ nh sicagen, xeôlít, hỗn hợp axits kiềm - cao lanh

Trong quá trình vận hành do sự già cỗi, phẩm chất cách điện của dầu th ờng xấu đi Dầu già cỗi th ờng có màu sẫm tối, và đặc là do trong dầu hình thành nhiều keo, nhựa, hắc ín Ngoài ra độ axit trong dầu cũng tăng lên Tốc độ lão hoá tăng lên khi dầu tiếp xúc với không khí (oxy hoá), trong điều kiện nhiệt độ cao, tiếp xúc với kim loại

Để loại bỏ các tạp chất rắn hoặc hàm l ợng n ớc trong dầu cách điện ng ời ta sử dụng các máy quay ly tâm (các serie HC, C, HCM của Liên xô) có công suất lọc từ 2000 đến 10000 lit giờ và đảm bảo chất l ợng yêu cầu của dầu dùng cho các máy biến áp và các thiết bị đến 35 kV

Việc lọc dầu còn tiến hành trong các tr ờng hợp tr ớc khi đổ dầu mới vào các thiết bị, khi phát hiện trong dầu đang vận hành phẩm chất cách điện của dầu bị suy giảm nhiềucó n ớc và cặn

Để loại bỏ n ớc và các chất khí hoà tan trong dầu và các tạp chất nhẹ dạng sợi khỏi các loại dầu cần phải dùng các thiết bị lọc sấy chân không có công suất từ 500 đến 45000 lít giờ Ph ơng pháp năng suất thấp nh ng rất có hiệu quả để lọc sấy dầu là sử dụng các chất hấp thụ xeolit NaA hoặc NaX

Hiệu suất lọc dầu đ ợc kiểm tra trực tiếp bằng độ bền điện, nh ng biện pháp gián tiếp bằng máy đếm

số l ợng các hạt tạp chất

Dầu cáp điện

Các dầu mỏ cách điện dùng để tẩm cáp dầu th ờng khác biệt bởi độ nhớt cao hơn

Dùng cho các loại cáp điện dùng dầu điện áp 6-35 kV và các loại cáp điện áp cao 110-380kV

Loại dầu này th ờng có độ nhớt bé nh ng yêu cầu phải rất sạch, đặc biệt là phải khử các chất khí hoà tan trong đó

Để tẩm cáp giấy-dầu điện áp 1-35 kV, ng ời ta dùng hỗn hợp, ví dụ của dầu KM-25 với nhự thông để tăng

độ nhớt và độ bền với các chất khí

Dầu tụ điện

Các chất lỏng cách điện có nguồn gốc từ dầu mỏ là chất có khả năng cháy, ít ổn định hoá học khi có nhiệt độ cao và khi tiiếp xúc với không khí Nên trong nhiều tr ờng hợp phải thay thế bằng các chất lỏng tổng hợp

Nó là loại ít nhớt trung tính đ ợc làm sạch kỹ bằng ph ơng pháp hấp thụ

Loại chất lỏng này chịu các quy định phòng cháy nổ nh của dầu mỏ Nó không độc hại cho ng ời và môi tr ờng

Chất lỏng polybutene th ờng rất sạch và có các đặc tính cách điện rất tốt đ ợc dùng trong trong các cáp lực dùng dầu, trong các tụ điện giấy mạ kim loại

Sử dụng polyisobutene để tẩm các tụ điện thay thế cho dầu tụ điện từ dầu mỏ có thể làm tăng đáng kể tuổi thọ của tụ điện