Mạch đo hiện tượng phóng điện cục bộ (partial discharge) thiết kế bộ analyser hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng

TRẦN CẨM LINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - Mạng hệ thống đIện LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẠCH ĐO HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ (PARTIAL DISCHARGE)-THIẾT KẾ BỘ ANALYSER HIỂN THỊ TRÊN MÀN HÌNH TINH THỂ LỎNG TRẦN CẨM LINH 2005 - 2007 Hµ néi 2008 HÀ NỘI-2008 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT MẠCH ĐO HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ (PARTIAL DISCHARGE)-THIẾT KẾ BỘ ANALYSER HIỂN THỊ TRÊN MÀN HÌNH TINH THẾ LỎNG NGÀNH: MẠNG VÀ HỆ THỐNG ĐIỆN MÃ SỐ: ……… TRẦN CẨM LINH Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN VĂN TỚP LỜI NÓI ĐẦU Trong thiết bị làm việc với điện áp cao phóng điện tượng phổ biến phóng điện cục (partial discharge) dạng xảy thường xuyên Hiện tượng phản ánh tình trạng làm việc xấu thiết bị hệ thống, nguyên nhân làm cho tình trạng ngày trầm trọng gây tổn thất cho thiết bị hệ thống (cáp, máy phát điện, transformer, lớp cách điện ) Trường hợp nặng nề dẫn đến phá hỏng thiết bị, nguy hiểm đến tính mạng người Để đảm bảo vận hành an toàn, đo tượng phóng điện cục (PD) thiết kế nhằm mục đích phát hiện, mơ tả tượng phóng điện cục sớm đưa thơng báo kịp thời để người tiến hành bảo dưỡng thay tránh hư hại kinh tế Trên sở tín hiệu phóng điện cục nhận biết thông qua phương pháp đo trực tiếp, em tiếp tục xây dựng mơ hình dụng cụ đo tượng phóng điện cục phịng thí nghiệm, hiển thị kết đo hình tinh thể lỏng, thơng báo số lần phóng điện, đưa tín hiệu cảnh báo LED, đồng thời đưa kết thu thập tới cổng MAX 232 giao diện với máy tính Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thày, mơn Hệ thống điện Phịng thí nghiệm Cao áp Vật liệu giúp đỡ, tạo điều kiện vể sở vật chất thời gian cho em suốt thời gian dài thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn TS Trần Văn Tớp, người theo dõi, nắm bắt bước phát triển đồ án tận tình hướng dẫn, bảo, động viên em hồn thành đề tài cách tốt Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Trần Cẩm Linh MỤC LỤC Chương I: Giới thiệu tượng phóng điện cục 1.1 Khái niệm phóng điện cục 1.2 Nguyên nhân 1.3 Dòng điện 1.4 Tác hại tượng tượng phóng điện cục 1.5 Phân loại dạng phóng điện cục 1.6 Các phương pháp đo phát hiện tượng phóng điện cục Chương II: Cách điện thiết bị đo tượng phóng điện cục 2.1 Cách điện vai trò cách điện 18 2.2 Một số thiết bị đo PD thực tế 19 Chương III: Thiết kế dụng cụ đo tượng phóng điện cục 3.1 Giới thiệu chung 24 3.2 Detector- Sơ đồ nguyên lý thiết bị 25 3.2.1 Nguồn điện áp dây nối mạch 25 3.2.2 Bộ lọc tần số 26 3.2.3 Bộ phân áp 27 3.2.4 Bộ lấy tín hiệu 27 3.2.5 Bộ khuếch đại 29 3.3 Thiết kế Analyser đơn giản 33 3.3.1 Sơ đồ khối 33 3.3.2 Các phần chi tiết 34 3.3.3 Mạch nguyên lý hoàn chỉnh 60 3.3.4 Sơ đồ mạch in 61 3.3.5 Mạch in hoàn chỉnh 65 3.3.6 Biến áp nguồn 66 Chương IV: Sơ đồ thuật tốn chương trình chạy chip VXL 4.1 Sơ đồ thuật toán 67 4.2 Code chương trình 72 Kết luận 86 Tài liệu tham khảo 87 Luận văn tốt nghiệp 2008 Trần Cẩm Linh CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ 1.1 Khái niệm Phóng điện cục (Partial discharge) Phóng điện cục (Partial discharge - PD) môi trường cách điện phóng điện phận vật liệu cách điện tác dụng điện trường Cường độ điện trường tập trung phần cách điện yếu vật liệu cách điện (thường khiếm khuyết vật liệu hay công nghệ chế tạo gây không đồng sản phẩm) Khi đặt vật liệu cách điện vào điện trường, phần cách điện yếu nơi tạo điện trường tập trung cao vùng khác giống điện trường má tụ điện hay khe hở điện cực (xem hình 1.1) Hình 1.1: Phóng điện bọt khí vật liệu cách điện ∆Uc cường độ điện trường dọc theo bọt khí Mặc dù phần cịn lại vật liệu cách điện chịu cường độ điện trường đặt vào tính khơng đồng nhất, điện trường tập trung phận cách điện yếu vượt giá trị tới hạn cách điện khu vực yếu bị phá huỷ phóng điện giống đánh thủng tụ điện điện áp Sự phóng điện gọi phóng điện cục Như vậy, phóng điện cục q trình phóng điện xảy phần cách điện, khơng tạo kênh nối hai điện cực 1.2 Nguyên nhân - Hiện tượng phóng điện cục (PD) xuất điều kiện làm việc bình thường thiết bị điện áp cao, nơi mà điều kiện cách điện bị yếu lý tuổi thọ hay nhiệt, cơng phản ứng hóa học Đơi khi, tượng phóng điện cục xuất lỗi sản xuất hay thiết kế thiết bị mới, không đồng vật liệu cách điện, hay ranh giới hai loại vật liệu cách điện khác v.v Trong trình vận hành, bên cách điện máy điện xuất vết rạn nứt, lỗ trống nhỏ chứa không khí, dầu biến áp thường xuất bọt khí Đây chố yếu cách điện dễ xảy tượng phóng điện cục Nguyên nhân số điện mơi chất khí bé so với số điện môi chất cách điện trị số cường độ điện trường nơi lớn so với trị số cường độ điện trường máy điện, trình ion hóa lỗ trống xuất sớm điện áp làm việc gây nên phóng điện cục cách điện Hiện tượng phóng điện cục mơ tả đơn giản hóa mạch tương đương hình vẽ Ca điện dung toàn khối vật liệu cách điện, Cc điện dung lỗ bọt khí Cb điện dung vật liệu cách điện nối nối tiếp với Cc Hình 1.2: Mạch tương đương mơ tả tượng phóng điện bọt khí Khi điện áp dọc theo Cc tăng đủ lớn đến mức tới hạn, có phóng điện bọt khí, tương tự trường hợp Cc phóng điện điện áp dọc theo bọt khí triệt tiêu khoảng thời gian từ đến 1000 ns Quan hệ biên độ phóng điện hay lượng phóng điện tồn phần q điện áp Uc sau: Q = Cb x Uc Sự phóng điện tạo xung dòng điện gây thành phần điện áp biến đổi nhanh Sự thay đổi đo đo điện áp kiểu điện dung (capacitive voltage divider) máy biến áp xung 1.3 Dòng điện Hiện tượng phóng điện cục xảy nhanh, tạo xung dịng điện có tần số cao, gây nhiễu cao tần cho nguồn cung cấp Nhưng điện áp nguồn tín hiệu có cường độ lớn nhiều so với điện áp phóng điện nên phóng điện thơng thường bị dập tắt (khi phóng điện lỗ thủng bị phá huỷ dẫn điện, Hình 1.4: Phóng điện cục để lại thay đổi bề mặt cách điện Khi điện trường bị triệt tiêu lỗ hổng lại tái xuất hiện), cường độ điện trường tiếp tục tăng lên đến mức phóng điện cục tiếp tục xảy Quá trình lặp lặp lại vật liệu cách điện, phát triển thành điện làm rạn bề mặt vật liệu bị yếu hỏng a) b) Hình 1.5: Hiện tượng điện a) Hiện tượng điện; b) Trên vật liệu cách điện giấy 1.4.Tác hại tượng phóng điện cục - Hiện tượng phóng điện cục nguyên nhân gây ảnh hưởng trực tiếp đến tình trạng lão hóa cách điện thiết bị điện Sự phóng điện cục khơng dẫn đến hư hỏng cách điện ảnh hưởng đến mơi trường cách điện sau: - Có bắn phá ion vật liệu cách điện gây phát nhiệt cục dẫn đến thay đổi suy giảm đặc tính hố học vật liệu cách điện Trong trường hợp xấu, điểm phóng điện cục lan rộng dẫn đến phá huỷ dần vật liệu cách điện theo thời gian Hình 1.6 : Sự thối hóa giấy cách điện có tượng phóng điện cục - Sự thay đổi đặc tính hố học ảnh hưởng đến thành phần hoá học, làm tăng tốc độ già hoá vật liệu Mặt khác phóng điện cục ảnh hưởng xấu đến phận khác thiết bị Hình 1.7 : Phóng điện cục gây ảnh hưởng đến phận khác - Phóng điện cục gây điện trường cao quanh vùng phóng điện dẫn đến phóng điện thứ phát (do tạo môi trường dẫn điện xung quanh chỗ phóng điện làm suy yếu tính chất cách điện điện môi) 74 11 D4 - 25 PC4 12 D5 - 26 PC5 13 D6 - 27 PC6 14 D7 - 28 PC7 */ #asm equ lcd_port=0x15 #endasm #include // LCD driver routines #include // SPI driver routine #include #include #include #define ON #define OFF /* AD7895 reference voltage [mV] */ #define VREF 7405L /* AD7895 control signals PORTB bit allocation */ #define ADC_BUSY PIND.5 #define NCONVST PORTA.6 #define CLK PORTB.7 /**********************/ #define RESET_BUTTON #define RESET_HOLD PINB.3 PORTA.7 75 #define UP_BUTTON PINB.4 #define DOWN_BUTTON #define LED_PIN PINB.2 PORTD.7 /* LCD display buffer */ char lcd_buffer[20]; /* ADC variables */ char read_adc_enable=1; unsigned PeakCounter=0; unsigned result; unsigned result_temp; unsigned int TimeCounter=0; // External Interrupt service routine interrupt [EXT_INT0] void ext_int0_isr(void) { // Place your code here read_adc_enable = 1; PeakCounter++; } // External Interrupt service routine interrupt [EXT_INT1] void ext_int1_isr(void) { // Place your code here read_adc_enable = 2; PeakCounter++; } 76 // Timer overflow interrupt service routine interrupt [TIM1_OVF] void timer1_ovf_isr(void) { // Reinitialize Timer value TCNT1H=0xFF; TCNT1L=0xFA; // Place your code here if(TimeCounter>=65535){ PORTD.0=1; PORTD.1=1; TimeCounter = 0; } else{ PORTD.0=0; PORTD.1=0; TimeCounter++; } } #define RXB8 #define TXB8 #define UPE #define OVR #define FE #define UDRE #define RXC #define FRAMING_ERROR (1