Bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu về đặc tính phóng điện của dầu bắp và dầu phộng ở điện áp xoay chiều AC50 Hz. Kết quả thí nghiệm cho thấy dầu bắp và dầu phộng có độ bền điện xấp xỉ độ bền điện của dầu máy biến áp khoáng (PLC supertrans). Tuy nhiên khi bị lão hóa, độ bền điện của dầu bắp và dầu đậu phộng cao gấp khoảng 1,5 ÷ 2 lần so với dầu khoáng PLC. Kết quả cũng được kiểm tra với hỗn hợp chứa 50% dầu cám gạo + 50% dầu bắp tính theo thể tích. Nghiên cứu cũng khảo sát mối quan hệ giữa điện áp phóng điện và khe hở điện cực của dầu bắp và dầu phộng.
34 Nguyễn Văn Dũng NGHIÊN CỨU ĐẶC TÍNH PHĨNG ĐIỆN CỦA DẦU BẮP VÀ DẦU PHỘNG A STUDY OF BREAKDOWN PROPERTIES OF CORN OIL AND PEANUT OIL Nguyễn Văn Dũng Trường Đại học Cần Thơ; nvdung@ctu.edu.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày kết nghiên cứu đặc tính phóng điện dầu bắp dầu phộng điện áp xoay chiều AC50 Hz Kết thí nghiệm cho thấy dầu bắp dầu phộng có độ bền điện xấp xỉ độ bền điện dầu máy biến áp khoáng (PLC supertrans) Tuy nhiên bị lão hóa, độ bền điện dầu bắp dầu đậu phộng cao gấp khoảng 1,5 ÷ lần so với dầu khoáng PLC Kết kiểm tra với hỗn hợp chứa 50% dầu cám gạo + 50% dầu bắp tính theo thể tích Nghiên cứu khảo sát mối quan hệ điện áp phóng điện khe hở điện cực dầu bắp dầu phộng Kết thí nghiệm cho thấy điện áp phóng điện dầu bắp dầu phộng nhỏ so với dầu khống PLC tồn khe hở điện cực khảo sát Tuy nhiên, lão hóa điện áp, phóng điện dầu bắp dầu phộng tăng cao xấp xỉ gấp lần so với dầu khoáng PLC Abstract - This paper presents the results of electric breakdown properties of corn oil and peanut oil at AC-50 Hz Experimental results show that breakdown strength of these two oils is approximately to that of mineral transformer oil (PLC supertrans) However, when ageing, the breakdown strengths of the corn oil and the peanut oil are about 1,5 - times higher than that of the PLC supertrans This result is checked with the blend oil consisting of 50% corn oil and 50% rice bran oil This study also investigates the relationship between breakdown voltage and electrode gap of the two oils Experimental results shows that the breakdown voltage of corn oil and peanut oil is a little lower than that of the PLC supertrans in the whole range of electrode gap investigated However, when ageing, the breakdown votage of these two oils increase greatly and reach a value of about times higher than that of the PLC mineral oil Từ khóa - dầu bắp; dầu phộng; dầu khống PLC; độ bền điện; điện áp phóng điện; lão hóa Key words - corn oil; peanut oil; breakdown strength; breakdown voltage, ageing Đặt vấn đề Trong thời gian gần đây, dầu sinh học trích ly từ hạt thực vật nghiên cứu để thay dầu máy biến áp khống có nguồn gốc từ dầu mỏ [1-6] Dầu máy biến áp khoáng sử dụng làm dầu cách điện máy biến áp điện lực từ lâu dầu khống có đặc tính làm mát cách điện tốt giá thành thấp [7] Tuy nhiên, dầu khoáng phân hủy sinh học kém, khơng thân thiện với mơi trường có điểm chớp cháy thấp [8, 9] Trong đó, dầu sinh học có khả phân hủy hồn tồn, nhiệt độ chớp cháy cao trích ly từ nguồn thực vật sẵn có tự nhiên trồng trọt [8, 9] Tuy nhiên dầu sinh học có nhược điểm độ nhớt cao độ bền oxy hóa thấp so với dầu khống [1, 10] Do đó, việc nghiên cứu đặc tính điện dầu sinh học để thiết kế chất lỏng cách điện sinh học mới, đáp ứng tiêu chuẩn dầu cách điện sử dụng máy biến phân phối vấn đề cần thiết Hiện có số loại dầu cách điện sinh học thương mại ứng dụng thành cơng máy biến áp phân phối, BIOTEMP Envirotemp FR3 [1] CIGRE cho dầu cách điện sinh học ứng dụng thành công máy biến áp phân phối [11] BIOTEMP điều chế sở loại dầu thực vật có hàm lượng axít chưa bão hòa cao (oleic linoleic) dầu hạt hướng dương, dầu hoa rum dầu đậu nành [8] Do có độ bền oxy hóa thấp, nên hỗn hợp phụ gia đặc biệt bao gồm số phenol amine thêm vào dầu sinh học [1, 10] Việt Nam đất nước có nhiều nguồn nguyên liệu có trữ lượng lớn dùng để sản xuất dầu cách điện sinh học Trong số dầu cám gạo, dầu bắp, dầu phộng dầu mè có chứa hàm lượng axít oleic linoleic cao Thành phần axít béo dầu bắp dầu phộng cho bảng Đặc tính phóng điện dầu cám gạo tác giả trình bày nghiên cứu [12] Từ [12], kết thí nghiệm dầu cám gạo dùng để thiết kế dầu cách điện sinh học Tuy nhiên cần tìm biện pháp nâng cao khả chống oxy hóa dầu bị lão hóa nhiệt độ cao Nghiên cứu khảo sát tiếp tục đặc tính phóng điện dầu bắp dầu phộng đề biện pháp nâng cao khả chống oxy hóa dầu cám gạo Các nghiên cứu đặc tính phóng điện dầu bắp đậu phộng giới Việt Nam Do việc nghiên cứu hai loại dầu để tạo tảng cho việc thiết kế dầu cách điện cần thiết Bố trí thí nghiệm trình tự thí nghiệm 2.1 Bố trí thí nghiệm Thí nghiệm xác định độ bền điện UBDS xác định quan hệ điện áp phóng điện UPĐ khe hở điện cực d bố trí hình Tất thí nghiệm thực với điện áp xoay chiều AC-50 Hz, tạo máy phát cao áp điều chỉnh điện áp đầu khoảng 0÷100kV Thí nghiệm sử dụng hệ thống điện cực loại cầu - cầu thép có đường kính 12,7mm chế tạo theo tiêu chuẩn IEC 60156 [13] Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm 2.2 Mẫu dầu thí nghiệm Thí nghiệm thực ba mẫu dầu dầu bắp tinh chế, dầu phộng tinh chế dầu khoáng PLC supertrans Petrolimex điều chế Thành phần hóa học tính chất vật lý dầu bắp dầu phộng cho bảng Đặc tính lý hóa dầu PLC supertrans cho tài liệu [14] ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(112).2017-Quyển Bảng Thành phần axít béo dầu bắp dầu phộng [15] Dầu đậu phộng 13 13 Stearic (18:0) 3 Oleic (18:1) 31 38 Linoleic (18:2) 52 41 Linolenic (18:3) Khác Weibull - 95% CI 90 30 20 10 3 Kết nghiên cứu 3.1 Độ bền điện 3.1.1 Dầu Đồ thị Weibull dầu bắp, dầu phộng dầu khống PLC supertrans trình bày hình Độ bền điện UBDS xác định tương ứng với xác suất phóng điện tích lũy 50% 10 15 23,3 21,9 18,6 20 30 Điện áp phóng điện (kV) Hình Đồ thị Weibull độ bền điện dầu Từ hình 2, ta thấy UBDS dầu bắp nhỏ (18,6kV) Giá trị thấp khoảng 15% so với độ bền điện dầu khoáng PLC (18,6kV so với 21,9kV) UBDS dầu phộng cao UBDS dầu khoáng PLC khoảng 6% (23,3kV so với 21,9kV) Tuy nhiên, liệu điện áp phóng điện dầu phộng dầu khống PLC chồng lấp lên Điều cho thấy khác biệt đáng kể độ bền điện dầu phộng dầu khống PLC Hệ số hình dạng β đồ thị Weibull cho biết mức độ phân tán liệu điện áp phóng điện Dầu phộng có β = 16,4 9,8 9,9 giá trị β dầu bắp dầu khoáng PLC Kết cho thấy liệu độ bền điện dầu phộng tập trung so với dầu bắp dầu khoáng PLC 3.1.2 Dầu bị lão hóa Đồ thị Weibull độ bền điện dầu bắp, dầu phộng dầu khoáng PLC supertrans sau bị lão hóa trình bày hình Từ đồ thị ta thấy độ bền điện sau lão hóa dầu bắp dầu phộng cao đáng kể so với dầu khoáng PLC (27,3kV 30,4kV so với 19,2kV) Mặc dù độ bền điện dầu bắp thấp khoảng 10% so với độ bền điện dầu phộng (27,3kV so với 30,4kV), số liệu điện áp phóng điện hai loại dầu chồng lấp lên Điều khơng có khác biệt đáng kể độ bền điện dầu bắp dầu phộng sau lão hóa Đồ thị dầu phộng nghiêng đáng kể so với đồ thị dầu bắp dầu khoáng PLC (β =6,1 cho dầu phộng, β = 18,2 cho dầu bắp 12,4 cho dầu khoáng PLC) Rõ ràng, số liệu độ bền điện dầu phộng phân tán mạnh so với dầu bắp dầu khống PLC bị lão hóa 99 Weibull - 95% CI 90 Dầu bắp lão hóa Dầu phộng lão hóa Dầu PLC lão hóa 80 70 60 50 40 50 Shape Scale N 18,17 27,85 6,184 32,25 12,41 19,74 30 20 10 10 15 20 30,4 (1) 27,3 2.3 Phương pháp trình tự thí nghiệm 2.3.1 Dầu Đối với thí nghiệm xác định độ bền điện, khe hở điện cực lấy theo tiêu chuẩn 2,5mm [13] Số lần lặp lại thí nghiệm lần Điện áp đặt lên hệ thống điện cực tăng từ đến phóng điện xảy với tốc độ gia tăng điện áp khoảng kV/s Thời gian nghỉ hai lần thí nghiệm phút Sau lần phóng điện, dầu lắc để khuếch tán muội than khỏi khu vực phóng điện Đối với thí nghiệm xác định quan hệ điện áp phóng điện khe hở điện cực, phương pháp thực tương tự thí nghiệm xác định độ bền điện Tuy nhiên, khe hở điện cực d thay đổi 1mm, 2mm, 3mm, 4mm 5mm Thí nghiệm tiến hành dầu khống PLC supertrans để so sánh kết 2.3.2 Dầu bị lão hóa Q trình lão hóa dầu thực theo phương pháp B tiêu chuẩn IEC 61125 [16] với nhiệt độ 120 ± 0,5oC thời gian lão hóa 72h có sử dụng dây đồng làm chất xúc tác Dầu sau lão hóa thí nghiệm để xác định độ bền điện, quan hệ điện áp phóng điện khe hở điện cực Phương pháp thực tương tự trường hợp dầu Thí nghiệm lão hóa lặp lại dầu khoáng PLC supertrans để so sánh kết 2.3.3 Xử lý số liệu Số liệu thí nghiệm xử lý phần mềm Minitab với phân phối Weibull Biểu thức hàm phân phối tích lũy Weibull hai tham số cho công thức Trong biểu thức này, Vo β hệ số tỉ lệ hình dạng, V biên độ điện áp − 50 Shape Scale N 9,805 19,36 16,40 23,79 9,935 22,76 40 = 1− Dầu bắp Dầu phộng Dầu PLC 80 70 60 50 19,2 Palmitic (16:0) Dầu bắp Xác suất phóng điện tích lũy (%) Thành phần axít béo (%) 99 Xác suất phóng điện tích lũy (%) TT 35 30 40 50 Điện áp phóng điện (kV) Hình Đồ thị Weibull độ bền điện dầu lão hóa 36 Nguyễn Văn Dũng Dầu PLC Dầu bắp Dầu phộng 35 Dầu 34.3 Dầu lão hóa 30.4 30 30 27.3 23.3 25 20 18.9 21.9 19.2 18.6 15 10 20 Dầu cám gạo Dầu bắp Dầu phộng Dầu khống Loại dầu Hình Ảnh hưởng lão hóa đến độ bền điện dầu 10 0 Khe hở điện cực (mm) Hình Đồ thị quan hệ điện áp phóng điện - khe hở điện cực dầu 3.2.2 Dầu bị lão hóa Đồ thị quan hệ UPĐ d dầu lão hóa thể hình Từ đồ thị ta thấy, UPĐ dầu bắp dầu phộng cao gấp khoảng lần so với dầu khoáng PLC, ngoại trừ khe hở điện cực 1mm Tại khe hở điện cực này, UPĐ dầu bắp cao khoảng lần so với dầu khống PLC Mặc dù có điện áp phóng điện lớn, liệu điện áp phóng điện trường hợp dầu bắp dầu phộng lại phân tán mạnh nhiều so với dầu khoáng PLC 50 Điện áp phóng điện (kV) 40 Dầu PLC lão hóa Dầu bắp lão hóa Dầu phộng lão hóa 40 Từ hình 6, rõ ràng lão hóa làm thay đổi mạnh độ bền điện dầu Sau lão hóa, độ bền điện giảm khoảng 45% dầu cám gạo xấp xỉ 13% dầu khoáng PLC Tuy nhiên, độ bền điện dầu bắp sau lão hóa tăng mạnh đến khoảng 47% độ bền điện dầu phộng tăng xấp xỉ 30% Sự suy giảm độ bền điện dầu cám gạo dầu khoáng PLC bị lão hóa nhiệt độ cao (120oC) làm sản sinh thành phần axít hữu cơ, nước, cặn… thành phần giảm độ bền điện dầu [6, 17] Sự tác động mạnh lão hóa đến độ 40 40 35 Dầu cám gạo 34.3 Dầu bắp Hỗn hợp dầu 30 Độ bền điện (kV) Điện áp phóng điện (kV) 40 Bàn luận Hình trình bày tác động lão hóa đến độ bền điện dầu cám gạo, dầu bắp, dầu phộng dầu khống PLC Đồ thị hình xây dựng từ số liệu hình hình từ số liệu dầu cám gạo [12] ứng với điện áp phóng điện có xác suất tích lũy 50% Độ bền điện (kV) 3.2 Quan hệ điện áp phóng điện khe hở điện cực 3.2.1 Dầu Hình trình bày đồ thị điện áp phóng điện UPĐ - khe hở điện cực d dầu bắp, dầu phộng dầu khoáng PLC Đồ thị cho thấy, điện áp phóng điện dầu bắp tương tự dầu khống PLC Tuy nhiên, điện áp phóng điện dầu phộng lớn khoảng 10÷20% so với dầu khống PLC, chênh lệch điện áp phóng điện hai loại dầu tăng khe hở điện cực lớn Độ phân tán liệu điện áp phóng điện ba loại dầu tương tự toàn khe hở khảo sát 27.3 24.7 25 20 18.9 18.6 15 10 Dầu Dầu lão hóa Loại dầu 30 Hình Tác động lão hóa đến độ bền điện hỗn hợp dầu 20 10 0 Khe hở điện cực (mm) Hình Đồ thị quan hệ điện áp phóng điện - khe hở điện cực dầu lão hóa bền điện dầu cám gạo so với dầu khoáng PLC dầu khoáng PLC thêm vào chất chống oxy hóa, khả kháng oxy hóa dầu cám gạo có chứa axít béo khơng bão hòa [12] Tuy nhiên, q trình lão hóa dầu bắp dầu phộng dự đốn sinh thêm hợp chất hóa học Các hợp chất hoạt động giống chất phụ gia, có tác dụng gây cản trở q trình hình thành phóng điện hay làm chậm tốc độ di chuyển dòng điện tích dầu Giả thuyết củng cố thí nghiệm với hỗn hợp chứa 50% dầu gạo 50% dầu ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 3(112).2017-Quyển bắp tính theo thể tích Kết thí nghiệm trình bày hình Từ đồ thị hình cho thấy độ bền điện hỗn hợp dầu tăng xấp xỉ 33% so với dầu bắp Đồng thời, độ bền điện hỗn hợp dầu sau lão hóa tăng 200% so với dầu cám gạo lão hóa gần 50% so với dầu bắp lão hóa Như vậy, pha dầu bắp vào dầu cám gạo theo tỉ lệ phần trăm định cải thiện độ bền điện dầu bắp dầu cám gạo trước sau lão hóa Kết luận Nghiên cứu đặc tính phóng điện dầu bắp dầu phộng hồn thành Kết thí nghiệm cho thấy xét tiêu độ bền điện điện áp phóng điện, dầu bắp dầu phộng có tiềm lớn để thiết kế làm dầu cách điện sinh học, thay dầu khoáng sử dụng cho máy biến áp cấp trung Ngoài ra, nghiên cứu phát phương pháp để hạn chế tác động lão hóa đến dầu cám gạo cách sử dụng dầu bắp chất phụ gia Các nghiên cứu kiểm chứng tác động dầu bắp dầu khoáng PLC tác động dầu phộng dầu cám gạo dầu khoáng PLC Lời cám ơn Nghiên cứu tài trợ từ Quỹ Phát triển Khoa học Công nghệ Quốc gia năm 2015 với mã số đề tài 103.99-2015.57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T.V Oommen, “Vegetable oils for liquids – filled transformers”, IEEE Electrical Insulation Magazine, vol 18, 2002, pp 6-11 [2] Y Bertrand and L.C Hoang, “Vegetal oils as substitute for mineral oils”, Proceedings of the 7th international conference on properties [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] 37 and application of dielectric materials, 2003, pp 491-494 D Martin, Z.D Wang, A.W Darwin and I James, “A comparative study of the chemical stability of esters for use in large power transformers”, Annual report conference on electrical insulation and dielectric phenomena, 2006, pp 493-496 G J Pukel, R Eberhardt, H M Muhr, F Baumann and W Lick “Large power transformers for alternative insulating fluids”, Proceedings of the 6th international symposium on high voltage engineering, 2009, pp 1-4 C.C Claiborne, E.J Walsh and T.V Oommen, “An agriculturally based biodegradable dielectric fluid”, Proceeding of conference on transmission and distribution, 1999, pp 876-881 C P McShane, J Corkran, K Rapp and J Luksich, “Natural ester dielectric fluid development”, Proceeding of conference on transmission and distribution, 2006, pp 1-5 H.R Sheppard, “A century of progress in electrical insulation 1886-1986”, IEEE Electrical Insulation Magazine, vol 2, 1986, pp 20-30 BIOTEMP Biodegradable dielectric insulating fluid (//search.abb.com/library) Envirotemp FR3 Fluid (www.envirotempfluids.com) G.J Pukel et al, “Large power transformers for alternative insulating fluids”, Proceeding of the 16th ISHVE, 2009, pp 1-4 Cigre brochure 436, Experiences in service with new insulating liquids, Working group A2 35, 2010 N.V Dũng, “Nghiên cứu đặc tính phóng điện dầu cám gạo”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, số 7(104), 2016, pp.11-14 IEC 60156: 1995 (Insulating Liquids – Determination of the Breakdown Voltage at Power Frequencies – Test Method) PDS PLC Supertrans (fs.petrolimex.com.vn) F Gunstone, Fatty acid and lipid chemistry, Blackie: London, 1996 IEC 61125: 1992 - Unused Hydrocarbon based Insulating Liquids Test Methods for Evaluating the Oxidation Stability A Darwin, C Perrier and P Folliot, “The use of natural ester fluids in transformers”, Proceeding of MATPOST 07, 2007 (BBT nhận bài: 31/12/2016, hoàn tất thủ tục phản biện: 15/02/2017) ... bền điện dầu bắp dầu cám gạo trước sau lão hóa Kết luận Nghiên cứu đặc tính phóng điện dầu bắp dầu phộng hoàn thành Kết thí nghiệm cho thấy xét tiêu độ bền điện điện áp phóng điện, dầu bắp dầu phộng. .. Quan hệ điện áp phóng điện khe hở điện cực 3.2.1 Dầu Hình trình bày đồ thị điện áp phóng điện UPĐ - khe hở điện cực d dầu bắp, dầu phộng dầu khống PLC Đồ thị cho thấy, điện áp phóng điện dầu bắp. .. 20 Dầu cám gạo Dầu bắp Dầu phộng Dầu khống Loại dầu Hình Ảnh hưởng lão hóa đến độ bền điện dầu 10 0 Khe hở điện cực (mm) Hình Đồ thị quan hệ điện áp phóng điện - khe hở điện cực dầu 3.2.2 Dầu