Nghiên cứu quá trình lão hóa cách điện composite dùng trong các thiết bị điện cao áp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN VIẾT CHÍNH NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH LÃO HÓA CÁCH ĐIỆN COMPOSITE DÙNG TRONG CÁC THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP Chuyên ngành Kỹ thuật điện LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐÌNH THẮNG Hà Nội - 2014 MỤC LỤC Trang Trang phụ bìa MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .3 LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .5 MỞ ĐẦU Chƣơng 1: 12 TỔNG QUAN VỀ COMPOSITE VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU COMPOSITE NỀN NHỰA EPOXY DÙNG TRONG CÁC 12 THIẾT BỊ ĐIỆN CAO ÁP 12 1.1 CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN MÔI CỦA VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN 12 1.1.1 Điện dẫn suất điện trở suất vật liệu cách điện 12 1.1.2 Phân cực điện môi .13 1.1.3 Tổn hao điện môi 14 1.2 ĐIỆN MÔI HỮU CƠ 15 1.3 ĐIỆN MÔI VÔ CƠ .16 1.4 NHỰA CÁCH ĐIỆN 17 1.5 CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CÁCH ĐIỆN CỦA VẬT LIỆU COMPOSITE 18 1.5.1 Cấu tạo tính chất lý hóa nhựa epoxy 21 1.5.2 Sợi thủy tinh – khả liên kết sợi thủy tinh nhựa epoxy 25 1.5.3 Ảnh hƣởng môi trƣờng làm việc đến VLC epoxy cốt sợi thủy tinh 27 1.5.4 VLC làm cách điện máy biến áp 29 1.5.5 Các phƣơng pháp kỹ thuật chế tạo VLC 31 1.6 KẾT LUẬN 32 Chƣơng 2: 33 QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM PHÂN TÍCH SỰ KHUẾCH TÁN CỦA NƢỚC TRONG VẬT LIỆU COMPOSITE 33 2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ .33 2.2 CƠ CHẾ QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN NƢỚC VÀO TRONG VẬT LIỆU COMPOSITE 35 2.3 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN NƢỚC 36 2.4 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH 40 2.4.1 Chuẩn bị mẫu thử 40 2.4.2 Thiết bị thí nghiệm 41 2.4.3 Tác động nhiệt độ 42 2.5 NHẬN XÉT 44 2.6 CÁC PHƢƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN TÌNH TRẠNG MÁY BIẾN ÁP 44 CHƢƠNG 47 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÍCH .47 3.1 ĐO PHÓNG ĐIỆN CHỌC THỦNG 47 3.2 ĐO ĐẶC TÍNH ĐIỆN MÔI 49 3.2.1 Góc tổn hao điện môi δ 49 3.2.2 Đo số điện môi tƣơng đối ε‟ vàhệ số tổn hao điện môi ε‟‟ 52 3.2.3 Đo điện trở suất 58 3.3 TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT ĐỘ 60 3.4 KẾT LUẬN 65 KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 LỜI CẢM ƠN Bằng lòng biết ơn sâu sắc xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Nguyễn Đình Thắng nhiệt tình dành nhiều thời gian tâm huyết hƣớng dẫn nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy, cô môn Hệ thống điện – Viện Điện – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình giúp đỡ suốt trình học thạc sỹ trình làm luận văn tốt nghiệp Nhân xin cảm ơn Viện đào tạo sau Đại học – Trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện cho học tập hoàn thành khóa học Học viên Nguyễn Viết Chính LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn “Nghiên cứu trình lão hóa cách điện Composite dùng thiết bị điện cao áp” PGS.TS Nguyễn Đình Thắng hƣớng dẫn công trình nghiên cứu thực Những kết luận văn làm thực nghiệm Hà Nội, ngày 16 tháng năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Viết Chính DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VLC :vật liệu cách điện composite MBA :máy biến áp lực GIS :Gas insulated substaion –trạm biến áp cách điện khí PD :Partial Díchage –phóng điện cục FRA: Frequence Response Analysis-phân tích đáp ứng tần số Breakdown :phóng điện chọc thủng FSDM: Frequence Spectroscopy Dielectric Method –phƣơng pháp phổ điện môi theo miền tần số AEM: Accelerated Experiment Method-phƣơng pháp thí nghiệm lão hóa tăng tốc RVM: Response Voltage Measurement-đo điện áp phục hồi PDC : Polarisation and Depolarisation Current –đo dòng phân cực khử phân cực MP: Mô hình –pissis LFD: Low Frequency Dispersion-phân tán tần số thấp A/D: Analog Digital-chuyển đổi tƣơng tự /số DP: Degree polymer-độ polymer hóa ISO: Tổ chức quốc tế tiêu chuẩn hóa ASTM: American Society for Testing and Materials –Hiệp hội vật liệu thử nghiệm hoa kỳ IEC:Uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế TCVN:Tiêu chuẩn Việt Nam DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô tả góc tổn hao điện môi .14 Hình 1.2 Lớp vật liệu composite .19 Hình 1.3: Vật liệu Composite lớp 20 Hình 1.4: Mô hình Vật liệu Composite lớp .20 Hình 1.5 Mô hình đóng rắn nhựa epoxy 25 Hình 1.6 Sợi thủy tinh quan sát dƣới kinh hiên vi điện tử 25 Hình 1.7 Mặt cắt hệ thống cách điện MBA cuộn dây cao áp hạ áp .31 Hình 2.1 Lƣợng nƣớc hoà tan cực đại dầu theo nhiệt độ 35 Hình 2.2.Mô tả lý thuyết dung tích trống 36 Hình 2.3.Mô tả lý thuyết phân tử 36 Hình 2.4.Cơ chế nhảy phân tử nƣớc ma trận vật liệu 37 Hình 2.5.Mô tả thay đổi động học khuếch tán với hoạt động “fickien” .39 Hình 2.6 Các mẫu gia công để đo đạc chế việc khuyếch tán nƣớc 40 Hình 2.7 Cân điện tử để cân mẫu thử .41 Hình 2.8 Thiết bị đo tgδ mẫu thử 42 Hình 2.9.Cơ chế động học trình khuếch tán nƣớc mẫu thử chiều dày 3,5mm nhiệt độ 550C, 800C, 950C .43 Hình 3.1 Sơ đồ thí nghiệm đo điện áp phóng điện chọc thủng 47 Hình 3.2 Cƣờng độ phóng điện chọc thủng theo hàm lƣợng nƣớc 48 Hình 3.3.Tgδ theo tần số hàm lƣợng nƣớc khác nhau(mẫu có độ dày xấp xỉ 3,5mm, 150V/mm) .50 Hình tgδ theo tần số điện trƣờng khác 51 (mẫu sấy khô có độ dày 3,5mm) 51 Hình 3.5 tgδ theo tần số điện trƣờng khác 51 (hàm lƣợng nƣớc khoảng 0,05%) .51 Hình 3.6 Đặc tính điện trở suất theo hàm lƣợng nƣớc VLC 58 Hình 3.7 Tác động nhiệt độ lên ε‟của mẫu thử khô 60 Hình 3.8 Tác động nhiệt độ lên ε‟‟ mẫu thử khô 61 Hình 3.9 Ảnh hƣởng nhiệt độ lên ε‟ mẫu thử hàm lƣợng nƣớc 0,15% 61 Hình 3.10 Ảnh hƣởng nhiệt độ lên ε‟‟ mẫu thử hàm lƣợng nƣớc 0,15% 62 Hình 3.11 Ảnh hƣởng nhiệt độ lên ε‟ mẫu thử có hàm lƣợng nƣớc 0,6% 62 Hình 3.12 Ảnh hƣởng nhiệt độ lên ε‟‟ mẫu thử có hàm lƣợng nƣớc 0,6% 63 Hình 3.13 Ảnh hƣởng nhiệt độ lên ε‟ mẫu thử có hàm lƣợng nƣớc 0,95% 63 Hình 3.14.Ảnh hƣởng nhiệt độ lên ε‟‟ mẫu thử có hàm lƣợng nƣớc 0,95%64 Hình 3.15 Ảnh hƣởng nhiệt độ lên ε‟ mẫu thử trạng thái bão hòa 64 Hình 3.16: Ảnh hƣởng nhiệt độ lên ε‟‟ mẫu thử trạng thái bão hòa… 65 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1.Đặc tính loại nhựa tổng hợp điển hình .17 Bảng 1.2 Thành phần hóa học vài loại sợi thủy tinh 26 Bảng 1.3 Đặc tính kỹ thuật tính tỷ trọng sợi loại E 30 Bảng 2.1.Kết phân tích độ ẩm mẫu thử mức nhiệt độ 42 Bảng 3.1 Giá trị tgδ theo tần số đo đƣợc mức độ ẩm khác 49 Bảng 3.2 Các tham số mô hình 56 Bảng 3.3 Giá trị đo số điện môi ε‟ hệ số tổn hao điện môi ε‟‟ VLC với hàm lƣợng nƣớc (0,08; 0,12; 0,15%) 57 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Vật liệu composite (VLC) loại vật liệu ngày đƣợc ứng dụng rộng rãi ngành khoa học kỹ thuật công nghiệp tiên tiến giới: hàng không vũ trụ, đóng tàu, kỹ thuật điện, ô tô khí, dầu khí, xây dựng dân dụng đời sống… nhờ kết hợp đƣợc đặc tính học vật lý học mà bình thƣờng có đƣợc với vật liệu đơn Ngày loại cách điện composite khác với thành phần nhựa epoxy cốt sợi thủy tinh đƣợc sử dụng thông dụng làm vách ngăn máy biến áp, lõi cách điện đƣờng dây tải điện không Cách điện composite sử dụng rộng rãi chủ yếu làm cách điện treo, cách điện néo đƣờng dây không, cách điện đỡ thiết bị, cách điện xuyên trạm biến áp cách điện đƣờng dây, cách điện máy biến áp, vách ngăn trạm phân phối kiểu GIS (Gas Insulated Substation), cách điện stator máy điện quay Tuy nhiên, đặc tính composite vùng tiếp giáp [1] thành phần vùng xung yếu liên kết hoá học kết cấu vật lý vùng không ổn định liên kết thân thành phần Vì vậy, trình vận hành, điều kiện làm việc kết cấu thƣờng xuyên chịu tác động khắc nghiệt nhiều tác nhân nhƣ: điện, học, hóa học, nhiệt độ, độ ẩm, thời tiết môi trƣờng thay đổi làm cho thành phần vật liệu bị già hoá, đặc biệt chịu tác dụng môi trƣờng nhƣ: nhiệt nƣớc làm cho liên kết thành phần lớp tiếp giáp bị suy yếu.Khi hấp thụ vài phần trăm khối lƣợng nƣớc, đặc tính điện môi bị suy giảm mạnh :điện trở suất giảm, số điện môi tổn hao tăng dẫn tới tƣợng phóng điện chọc thủng (breakdown) [2] Hiện hầu hết thiết bị điện có cách điện VLC đƣợc nhập từ nƣớc ngoài, nhiên, việc sử dụng cách điện composite dƣới tác động điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm Việt Nam chƣa đƣợc quan tâm mức.Các nghiên cứu tuổi thọ, trình lão hoá khả phục hồi vật liệu cách điện môi nghỉ tăng phía tần số cao.Điều kiểm chứng cách tƣơng đối kết thực nghiệm Cụ thể: + Ở chế độ hàm lƣợng nƣớc thấp ( 3%) điện dẫ suất bắt đầu tăng Do đó, tƣợng điện môi nghỉ bắt đầu xuất tần số ứng với tần số nghỉ (gần giá trị 10Hz) Nhƣ phân tích trên,cơ chế phân cực điện cực gây tổn hao lớn tần số ứng với tần số nghỉ (gần 10Hz hàm lƣợng nƣớc cao không quan sát thấy cửa sổ thực nghiệm với hàm lƣợng nƣớc thấp) Ngoài tổn hao chế phân cực gây ra, kết thực nghiệm cho thấy hệ số tổn hao biến thiên nghịch đảo so với tần số.Điều hiển nhiên chế tổn hao gây tƣợng điện dẫn vật liệu tần số thấp Để phân tích chế gây tổn hao vật liệu, đƣờng cong thực nghiệm đƣợc chia làm phần: + Thành phần thứ ứng với điện dẫn ζ vật liệu: (3.8) + Phần thứ hai tổn hao chế phân cực điện cực gây phân tích + Còn chế thứ ba chế phân cực điện môi nghỉ đƣợc nhận dạng sau Để mô tả đóng góp hai chế sử dụng công thức thực nghiệm Fouss – Kirkwood [16]: (3.9) Trong đó: : tần số ứng với tổn hao lớn 55 : trị số hệ số tổn hao lớn α: tham số Fouss – Kirkwood (0