Xác định tích điện không gian trong vật liệu cách điện cáp HVDC bằng phương pháp PEA: Phép đo và kỹ thuật hiệu chỉnh phần 1: ứng dụng trong mẫu vật liệu phẳng

Bài viết này mô tả nguyên tắc đo lường của phương pháp PEA và kỹ thuật hiệu chỉnh, cụ thể cho vật liệu mẫu phẳng, đáp ứng tần số của hệ thống được mô tả. Để hiểu rõ hơn mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết của bài viết này.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) XÁC ĐỊNH TÍCH ĐIỆN KHƠNG GIAN TRONG VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN CÁP HVDC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PEA: PHÉP ĐO VÀ KỸ THUẬT HIỆU CHỈNH PHẦN 1: ỨNG DỤNG TRONG MẪU VẬT LIỆU PHẲNG DETERMINING SPACE CHARGE ON INSULATION IN CABLE HVDC BY PEA METHOD: MEASUREMENT AND DECONVOLUTION TECHNIQUE PART 1: APPLICATION ON FLAT MATERIAL SAMPLE Vũ Thị Thu Nga Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 22/04/2020, Ngày chấp nhận đăng: 11/07/2020, Phản biện: TS Nguyễn Hữu Kiên Tóm tắt: Thiết kế cáp đúc polymer HVDC vấn đề thách thức ngành cáp phân bố điện trường độ dày cách điện bị ảnh hưởng mạnh mẽ điện tích khơng gian, kiểm sốt hoạt động hệ thống cáp, đặc biệt độ tin cậy tuổi thọ cáp Thật vậy, điện áp DC đặt lớp điện mơi polymer, điện tích khơng gian tích lũy có tốc độ nhanh chậm, phụ thuộc chủ yếu vào mức điện áp, tính chất cách điện điện cực Nếu mật độ điện tích khơng gian đủ lớn, cường độ trường vượt ngưỡng cho phép điện môi, dẫn đến hỏng cách điện Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định phân bố điện tích khơng gian điện mơi phương pháp có ưu, nhược điểm riêng Tuy nhiên, phương pháp lựa chọn mong muốn nâng cao độ phân giải, mức độ đặt ràng buộc thời gian ghi nhận thơng tin phân bố điện tích không gian điện môi thu không phụ thuộc vào thời gian, ràng buộc mà phụ thuộc vào trạng thái vật liệu mẫu: mẫu phẳng mơ hình cáp thực tế Phương pháp Pulsed Electro-Acoustic (PEA) phương pháp đáp ứng tốt phép đo điện tích khơng gian ràng buộc động khác Hơn nữa, kỹ thuật hiệu chỉnh sử dụng phù hợp sau phép đo yếu tố quan trọng để thu kết tin cậy Trong báo này, tác giả giới thiệu kỹ thuật hiệu chỉnh sau phép đo điện tích khơng gian phương pháp PEA mẫu vật liệu phẳng Từ khóa: đo điện tích khơng gian, phương pháp PEA, hiệu chỉnh điện tích, cáp HVDC Abstract: HVDC polymer molded cable design is one of the most challenging problems in the cable industry because the electric field distribution on the insulation thickness is strongly influenced by space charge, which can control the operation of the cable system, especially its reliability and long life Indeed, when a DC voltage is applied to the polymer dielectric layer, the accumulated space charges depend primarily on the voltage level, the properties of insulating and electrodes If the space charge density is large enough, the field strength may exceed the strength threshold of dielectric, Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) leading to the insulation failed There are many methods for determining the space charge distribution in dielectric, with its advantages and disadvantages However, selected method desired can improve the resolution, constraints and time record information because the obtained space charge distribution depends on time, constraints and the material sample: flat sample or cable model The Pulsed Electro-Acoustic (PEA) method responds well to measurements of space charge under dynamic constraints Moreover, the appropriately calibration technique used after measurements is also a very important factor to obtain reliable results In this paper, the author introduces the deconvolution technique after the space charge measurement of PEA method in a flat material sample Keywords: space charge measurement, pulsed electroacoustic technique, charge calibration, HVDC cable GIỚI THIỆU Trong thập kỷ qua, quan tâm đến truyền tải DC tăng lên nhu cầu trao đổi lượng điện xuyên quốc gia phát triển, liên quan chặt chẽ đến việc tăng lượng từ nguồn lượng tái tạo, lắp đặt khơi khoảng cách xa phụ tải Vì nhiều lý do, đường dây truyền tải điện chiều cao áp (HVDC) giải pháp tốt cho khoảng cách xa giải pháp cho ứng dụng biển [1] Việc sử dụng cáp đúc polymer HVDC cho thấy lão hóa sớm tượng tích lũy điện tích khơng gian điện môi gần điện cực Mong muốn hiểu biết chế hình thành tích lũy điện tích vật liệu cách điện dẫn đến phát triển kỹ thuật đo lường cho phép tiếp cận phân bố không gian mật độ điện tích thập kỷ qua Độ di chuyển chậm điện tích chất cách điện cao phân tử cho phép thực phép đo theo phương pháp không phá hủy với độ phân giải không gian mật độ điện tích Các kỹ thuật khơng phá hủy chia thành ba họ khác tùy theo chất nhiễu để thăm dò điện tích: phương pháp nhiệt (TP, LIMM, TS), xung âm (PWP, LIPP) phương pháp điện âm (PEA) [2] Ba nhóm kỹ thuật không phá hủy dựa nguyên tắc cân lực tĩnh điện lực đàn hồi bị xáo trộn Trong nhóm phương pháp nhiệt, khuếch tán nhiệt sử dụng để thay đổi trạng thái cân tạo phản ứng điện Phương pháp âm học PEA sử dụng biến dạng tạo lan truyền sóng áp suất để thay đổi trạng thái cân tĩnh điện tạo tín hiệu điện [3] Cuối cùng, phương pháp điện âm dựa vào kích thích xung điện, lực tĩnh điện tạo tương tác với điện tích tạo phản ứng học Hiện nay, kỹ thuật khác thiết lập phân bố mật độ điện tích cách điện polymer, nhiên, loại kỹ thuật đo lường có ưu, nhược điểm Phương pháp PEA sử dụng phổ biến đáng tin cậy để phát tích lũy điện tích khơng gian điện môi cáp HVDC nhờ hệ thống Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đo lường tương đối đơn giản, độ phân giải không gian tốt, độ an toàn cao đáp ứng tốt với mẫu vật liệu phẳng cấu hình cáp đồng trục Bài báo mô tả nguyên tắc đo lường phương pháp PEA kỹ thuật hiệu chỉnh, cụ thể cho vật liệu mẫu phẳng, đáp ứng tần số hệ thống mơ tả Kết đo điện tích không gian mẫu vật liệu phẳng nhờ kỹ thuật hiệu chỉnh sau phép đo giới thiệu tượng thường xuất số nguyên nhân như: phụ thuộc vào nhiệt độ, chênh lệch hai điện dẫn số điện môi xuất điện môi làm việc tác động ứng suất điện HVDC SỰ HÌNH THÀNH VÀ TÍCH LŨY ĐIỆN TÍCH KHƠNG GIAN TRONG CÁCH ĐIỆN DƯỚI HVDC Điện tích khơng gian tất hạt điện tích, dương âm, tồn bề mặt bên điện mơi Các điện tích khối điện mơi lưỡng cực (phân tử phân cực…) điện tích/lỗ trống tiêm vào (do ứng suất điện, chùm electron…) ion tạp chất xuất ban đầu tạo trình phân ly ứng suất điện mơi Các điện tích bề mặt điện mơi tồn dạng: điện tích phân cực lưỡng cực, điện tích “hình ảnh” có tồn điện tích khơng gian ngồi điện tích lưỡng cực khối điện mơi, điện tích tạo bứt phá bề mặt điện môi [4], [5] Hình thể loại điện tích khác quan sát chất điện môi tác dụng ứng suất điện đặt cho Sự hình thành tích lũy điện tích khơng gian cách điện nguyên nhân quan trọng gây lỗi đường dây truyền tải cáp HVDC Hiện Số 24 Hình Sơ đồ tóm tắt loại điện tích khơng gian khác khối điện môi Trong trường hợp điện trường cao bị gián đoạn, xảy tượng bứt phá điện tích từ điện cực, tượng khuếch đại khơng hồn hảo giao diện vật liệu khác nhau; hạt mang điện bứt phá từ điện cực gần điện cực di chuyển dẫn đến tích lũy điện tích trái dấu gần điện cực đối diện tồn khối cách điện lỗ trống tính khơng đồng vật liệu; nữa, ion hóa nhiệt dẫn đến hình thành điện tích khơng gian bên lớp cách điện Điều dẫn đến việc thiết lập điện tích khơng gian phần lớn điện môi PHƯƠNG PHÁP PEA ỨNG DỤNG TRONG MẪU VẬT LIỆU PHẲNG 3.1 Nguyên lý phương pháp PEA Nguyên lý phương pháp PEA đặt xung điện trường (độ lớn khoảng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) kV/mm) thời gian ngắn (nano giây) qua vật liệu cách điện, tương tác nhờ lực Coulomb xung điện áp điện tích có sẵn điện mơi tạo dịch chuyển điện tích xung quanh vị trí cân sóng âm có biên độ tỷ lệ với lượng điện tích tạo Tín hiệu âm truyền phía điện cực phát chuyển đổi sóng âm thành tín hiệu điện qua cảm biến điện áp (hình 2) Tín hiệu điện áp đặc trưng cho mật độ điện tích điện mơi [6] Sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh phù hợp cho phép thu phát triển phân bố điện tích khơng gian lớp điện mơi sóng âm mẫu vật liệu điện cực (Al), l độ dày điện cực Al (hình 2) Khi áp lực lan truyền tác dụng đến cảm biến điện áp (piezo) là: px(x,t) = (x).ex(t – l/vAl – x/vp) (3) Đặt  = x/vp (x) = (.vp) = r() mật độ điện tích khơng gian dọc theo độ dày điện môi, áp lực tổng lớp tác động lên độ dày dx là: 𝑥=+∞ 𝑝(𝑡) = ∫𝑥=−∞ 𝑝𝑥 (x, t) = 𝑥=+∞ 𝑙 𝑣𝑝 ∫𝑥=−∞ 𝑒𝑥 (t − 𝑣 − 𝜏) r(τ) dτ (4) 𝐴𝑙 Gọi h(t) hàm truyền hệ thống, vs(t) tín hiệu đo từ cảm biến điện áp (piezo), ta có: vs(t) = h(t).p(t) (5) Để đơn giản, ta chuyển biểu thức dạng tần số f theo chuỗi số Fourier, ta có: Vs(f) = H(f).P(f) Hình Sơ đồ khối phương pháp PEA [1] 3.2 Kỹ thuật hiệu chỉnh phép đo điện tích khơng gian theo phương pháp PEA Giả sử điện mơi có điện tích q (hình 2) đặt xung điện trường e, lực sinh f = q.e (xung điện trường e theo chiều x dọc theo độ dày khối điện môi) Lực tác dụng theo phương x thể tích S.dx chứa mật độ điện tích  là: fx(x,t) = (x).S.dx.ex(t) (1) Áp lực tác dụng lên tiết diện S là: (6) Khi cảm biến điện áp nối với khuếch đại, xung nhận mạch đưa qua khuếch đại g(t) Khi tín hiệu nhận từ phương pháp PEA dạng tần số f là: VPEA(f) = H(f).P(f).G(f) = H(f).G(f).vp.E(f).R(f).exp(2il/vAl) (7) Suy ra, VPEA(f) = S(f).R(f) (8) đó: S(f) = vp.H(f).G(f).E(f).exp(2il/vAl) (9) (2) gọi hàm biến đổi hệ thống Gọi vp, vAl vận tốc lan truyền Hàm truyền lấy từ hiệu px(x,t) = fx(x,t) /S = (x).dx.ex(t) Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) tín hiệu chuẩn VPEA1(f) tạo điện tích (1) hình thành điện cực thấp Al (nối đất) điện áp DC hiệu chỉnh cường độ thấp (Uref) đặt qua mẫu có độ dày d: VPEA1 (f) = S(f).1/vp (10) Với 1 = .Uref/d Phương pháp sử dụng cho mẫu điện môi ghép lớp điện môi khác với số điện mơi truyền sóng âm khác Ví dụ, lớp điện mơi khác hình 4, 1, 2 d1, d2 số điện môi độ dày tương ứng điện môi Từ ta xác định R(f) là: 𝑅(𝑓) = 𝜎1 𝑣𝑝 𝑉 (𝑓) [𝑉 𝑃𝐸𝐴 (𝑓)] (11) 𝑃𝐸𝐴1 Hơn nữa, bỏ qua tượng suy giảm sóng đàn hồi, điện tích khơng gian xác định phần thực biến đổi Fourier ngược R(f): 𝜎 𝑉 (𝑓) 𝜌(𝑡, 𝑣𝑝 ) = 𝑣1 𝑅𝑒 (𝐹 −1 [𝑉 𝑃𝐸𝐴 (𝑓)]) 𝑝 𝑃𝐸𝐴1 (12) Việc xử lý tín hiệu thực phần mềm chun dụng để tính tốn biến đổi Fourier trực tiếp nghịch đảo tín hiệu PEA Do tín hiệu PEA có băng thơng tần số hạn chế, phân chia phổ tín hiệu có hệ thống hiệu chỉnh dẫn đến khuếch đại nhiễu tần số cao Một phép lọc Gaussian (low-pass) sử dụng để loại bỏ nhiễu tần số cao Sơ đồ tóm tắt hiệu chỉnh tín hiệu phác họa hình Hình Sơ đồ tóm tắt hiệu chỉnh tín hiệu PEA [7] Số 24 Hình Điện mơi lớp tạo vật liệu khác XLPE EPDM Tuy nhiên, không liên tục cấu hình đặc biệt tốc độ truyền âm điện môi khác nên việc xử lý tín hiệu thơ phép đo PEA để xác định điện tích khơng gian phải đặc biệt ý ngồi việc xuất điện tích lớp điện mơi cịn có xuất điện tích khơng gian nơi tiếp giáp điện môi Trong kỹ thuật hiệu chỉnh này, tích điện khơng gian bề mặt tiếp giáp điện môi ban đầu tính lý thuyết Gauss điều kiện giới hạn điện Giả định gần ban đầu phân bố trường mang tính chất điện dung điện tích bề mặt tiếp giáp điện mơi (do khác biệt độ dẫn hai vật liệu) bị bỏ qua q trình hiệu chỉnh Từ điều kiện này, biểu thức điện tích tồn điện cực V= 0V trường hợp hai lớp điện mơi (hình 4) là: 𝜌1 = 𝜀1 𝜀2 𝑈 𝜀1 𝑑2 + 𝜀2 𝑑1 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Trong đó: U điện áp đặt Theo cơng thức (10), giả thiết bỏ q sóng phản xạ sóng âm mặt tiếp giáp vật liệu, phân bố điện tích khơng gian từ tín hiệu thơ đo vPEA(t) đưa biểu thức: ρ(t(x)) = vs (x) V hiệu thơ phép đo điện tích theo phương pháp PEA (f) Re [F −1 {H PEA (f)}] setup đó: Hsetup(f) tính tốn hsetup(t) qua biến đổi Fourier ℎ𝑠𝑒𝑡𝑢𝑝 (𝑡) = ρ1 𝑣𝑃𝐸𝐴1 (t) Hình thể phép đo đơn giản theo thời gian (t) thu kỹ thuật hiệu chỉnh tín hiệu thơ PEA, từ thu tín hiệu điện tích khơng gian theo ví trí (x) (a) (b) Hình Xác định điện tích khơng gian theo vị trí từ tín hiệu điện tích khơng gian theo thời gian từ kỹ thuật hiệu chỉnh tín hiệu thô PEA trường hợp ghép lớp điện môi khác 3.3 Kết phép đo điện tích khơng gian theo phương pháp PEA Hình ví dụ kết thu phân bố điện tích không gian theo thang màu vật liệu XLPE (a) 40oC điện môi lớp XLPE/EPDM (b) 20oC điện trường đặt thay đổi từ 10 dến 40kV/mm kỹ thuật hiệu chỉnh tín Hình Sự phân bố điện tích khơng gian theo thang màu nhiệt độ 20oC vật liệu XLPE (a) điện trường đặt 10, 20, 30 40kV/mm sau đảo cực 40kV/mm; điện mơi lớp XLPE/EPDM (b) điện trường đặt từ đến 30kV/mm sau đảo cực 30kV/mm Bảng màu thể mật độ điện tích theo C/m3 Các quy trình cụ thể kỹ thuật hiệu chỉnh phần 3.2 áp dụng để xử lý tín hiệu thơ liên quan đến tính xác phân bố điện tích khơng gian Sự phân tích điện tích hình thành phân rã, số lượng, dấu hiệu động học xem xét Kết thu Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) có đồng lớn kết đo điện tích khơng gian hình thành kết tính tốn từ phép đo điện dẫn vật liệu Đối với điện môi ghép lớp vật liệu khác XLPE/EPDM (hình 6.b), có khác tính chất vật liệu vận tốc truyền âm, số điện mơi, tính chất điện dẫn… nên vị trí tiếp giáp điện môi xuất lượng điện tích khơng gian phù hợp với mơ hình Maxwell-Wagner xác định điện tích nơi tiếp giáp điện mơi [8], [9] o Hình Sự phân bố điện trường nhiệt độ 20 C điện môi lớp XLPE/EPDM điện trường đặt khác (tương ứng với tích điện khơng gian điện mơi hình 6b) Từ kết thu phân bố điện tích lớp điện mơi, tính tốn xác định điện trường điện môi phát sinh điện tích khơng gian (hình 7) KẾT LUẬN Để nghiên cứu tích lũy điện tích khơng gian vật liệu cách điện tác động điện áp chiều HVDC, số kỹ thuật đo không phá hủy nhà nghiên cứu phát triển Cho đến nay, phương pháp PEA sử dụng rộng rãi ưu điểm thời gian ghi thông tin, độ phân giải đáp ứng nhiều ràng buộc khác Trong nghiên cứu này, tác giả giới thiệu nguyên lý kỹ thuật hiệu chỉnh phương pháp PEA loại mẫu vật liệu phẳng Phương pháp dựa phát hiện, qua từ cảm biến điện áp, sóng áp suất tạo từ tương tác xung điện áp với điện tích bên điện mơi Tín hiệu thơ từ phép đo PEA trực tiếp mẫu vật liệu qua trình xử lý hiệu chỉnh tín hiệu có tính đến tốc độ truyền, suy giảm, biến dạng sóng âm theo tần số thu phân bố điện tích vật liệu theo thời gian TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G Mazzanti and M Marzinotto, Extruded cables for high-voltage direct-current transmission, IEEE Press 2013 [2] T Mizutani, “Space Charge Measurement Techniques and Space Charge in Polyethylene”, IEEE Trans Dielectr Electr Insul., vol 1, no 5, pp 923–933, 1994 [3] Vasquez, “Space Charge Measurement Using Pulsed Electroacoustic Technique and Signal Recovery”, J Eur Ceram Soc., pp 1219–1222, 1999 Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [4] K.S Suh, E.J Kim, and T Takada, “Charge accumulation characteristics in XLPE with heat treated semiconductive electrodes”, Proc Int Conf Conduct Breakdown Solid Dielectr., pp 418–422, 1992 [5] L.A Dissado, O.Paris, T.Ditchi, C.Alquie, and J.Lewiner, “Space Charge Injection and Extraction in High Divergent Fields”, Proc Conf Electr Insul Dielectr Phenom., pp 23–26, 1999 [6] K Fukunaga, “Progress and Prospects in PEA Space Charge Measurement Techniques”, DEIS, vol 24, no 3, p 12, 2008 [7] Giuseppe Rizzo, Pietro Romano, Antonino Imburgia, and Guido Ala, “Review of the PEA Method for Space Charge Measurements on HVDC Cables and mini-Cables”, Energies, vol 12, 3512, pp 1–23, 2019 [8] Bodega, “Space Charge Measurements on Multi-dielectrics by Means of the Pulsed Electroacoustic Method,” IEEE, vol 13, no 2, pp 272–281, 2005 [9] Thi Thu Nga Vu, Gilbert Teyssedre, Séverine Le Roy, and Christian Laurent, “Maxwell–Wagner Effect in Multi-Layered Dielectrics: Interfacial Charge Measurement and Modelling”, Technologies, vol 5, no 27, pp 1–15, 2017 Giới thiệu tác giả: Tác giả Vũ Thị Thu Nga tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện năm 2004, nhận Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện năm 2007 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; nhận Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện Đại học Toulouse - Pháp năm 2014 Hiện tác giả giảng viên Trường Đại học Điện lực Lĩnh vực nghiên cứu: tích điện khơng gian, HVDC, vật liệu cách điện, kỹ thuật điện cao áp, rơle tự động hóa trạm Số 24 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 24 ... tắc đo lường phương pháp PEA kỹ thuật hiệu chỉnh, cụ thể cho vật liệu mẫu phẳng, đáp ứng tần số hệ thống mô tả Kết đo điện tích khơng gian mẫu vật liệu phẳng nhờ kỹ thuật hiệu chỉnh sau phép đo. .. đến việc thiết lập điện tích khơng gian phần lớn điện môi PHƯƠNG PHÁP PEA ỨNG DỤNG TRONG MẪU VẬT LIỆU PHẲNG 3.1 Nguyên lý phương pháp PEA Nguyên lý phương pháp PEA đặt xung điện trường (độ lớn... 2) Tín hiệu điện áp đặc trưng cho mật độ điện tích điện mơi [6] Sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh phù hợp cho phép thu phát triển phân bố điện tích khơng gian lớp điện mơi sóng âm mẫu vật liệu điện cực