L ỜI CAM Đ OAN
2.10.Phương phỏ pđ op hổ đệ in mụi
5. Nhiệm vụ nghiờn cứu của luận ỏn
2.10.Phương phỏ pđ op hổ đệ in mụi
Phổ đ ệ i n mụi là một phương phỏp cho phộp xỏc định cỏc tớnh chất đ ệi n mụi (hằng s iố đ ện mụi tương đối ε’, hệ số tổn hao i n mụi đ ệ ε’’ và gúc t n hao i n mụi tanổ đ ệ δ) theo tần số và trong một số trường hợp, theo i n ỏp s d ng. [64], [100]. đ ệ ử ụ
Cỏc phương phỏp sử dụng v i ph i n mụi ph thu c vào cỏc thang tầớ ổ đ ệ ụ ộ n s xem ố xột [64]. Cỏc đặc tớnh đ ệi n mụi của vật liệu được đo trong dải tần số từ 0,0010Hz đến 1000Hz và đ ệi n trường từ 50V/mm đến 5,5kV/mm theo độ biến thiờn của hàm lượng nước trong vật liệu.
Phương phỏp đo trở khỏng của mẫu thử bằng cỏch s dụử ng i n ỏp hỡnh sin v i đ ệ ớ tần sốω/2π. Điện ỏp này tạo ra một dũng đ ện cựng tần số trong m u thi ẫ ử nhưng lệch pha ϕ so với đ ệi n ỏp. Nếu xem đ ệi n ỏp sử dụng U(ω)=U0sinωt, như vậy dũng i n là đ ệ I( )=Iω 0sin(ωt+ϕ) (hỡnh 2.11).
Hỡnh 2.11: Mụ hỡnh cơ ả b n của chất cỏch đ ệi n và bi u diể ễn vectơ.
Nếu vật liệu cú độ dẫn đ ện G(i ω) song song với đ ện dung C(i ω) [49] (hỡnh 2.11), thỡ quan hệ ữ gi a dũng i n và i n ỏp s là: đ ệ đ ệ ẽ I(ω) ={G(ω) + jωC(ω)}U(ω) = Y(ω)U(ω) (2.38) Với Y(ω) là trở khỏng c a m u th . Xỏc định i n dung ph c c a v t li u b ng ủ ẫ ử đ ệ ứ ủ ậ ệ ằ cụng thức sau: C*(ω) = C' (ω) − jC" (ω) (2.39) Với phần th c tương ng v i iệự ứ ớ đ n dung thụng thường c a v t li u khi mà ph n o ủ ậ ệ ầ ả tương ứng với lượng tổn hao đ ện mụi. i
{ } * , ,, 1 ( ) A ( ) ( ) C j h ω = ε ω − ε ω (2.41) Trong đú:
h1 : chiều dày vật liệu A : diện tớch bề ặ m t tiếp xỳc
ε ω’( ) và ’’( ) tương ứε ω ng là ph n th c và ph n o c a h ng s i n mụi ph c *. ầ ự ầ ả ủ ằ ố đ ệ ứ ε Gúc tổn hao i n mụi được suy ra từ: đ ệ
' '' tan ε ε δ = (2.42) 2.11. Kết luận chương 2
Như vậy, để ỏnh giỏ toàn diện tỡnh trạđ ng c a h th ng cỏch ủ ệ ố đ ệi n trong mỏy biến ỏp cần sử dụng ph i h p nhi u phương phỏp ch n oỏn khỏc nhau. Vi c ch n tr ố ợ ề ẩ đ ệ ẩ ị sự lóo hoỏ của hệ thống cỏch đ ện trở nờn cần thiết để kiểm soỏt tỡnh trạng cỏch i đ ện i và dự kiến trước được những cụng việc bảo trỡ. Điều này là rất cần thiết để hạn ch ế những thiệt hại mỏy biến ỏp g p sặ ự ố c gõy ra.
Cỏc thớ nghiệm ch n oỏn chuyờn sõu nh : ẩ đ ư - Đo phúng đ ệi n cục bộ (PD)
- Phõn tớch đỏp ứng tần số (FRA) - Xỏc định mức độ polymer húa (DP) - Đo đ ệi n ỏp phục hồi của đ ệi n mụi (RVM)
- Đo dũng phõn cực và thớ phõn cực của đ ệi n mụi (PDC) - Đo phổ đ ệ i n mụi theo miền tần số (FDS).
Mỗi phương phỏp phản ỏnh một mặt của phần cỏch đ ệi n bị lóo hoỏ hay chỉ hoạt động với m t dạộ ng cỏch i n duy nh t. Tuy nhiờn, cỏc phương phỏp trờn nh m m c đ ệ ấ ằ ụ đớch h tr trong vi c nhậỗ ợ ệ n d ng rừ cỏc khi m khuy t và s cố trong trường hợạ ế ế ự p ph i ả ra quyết định s a chữử a ho c thay thế mỏy biến ỏp. ặ
Phổ đ ệ i n mụi là một phương phỏp kỹ thuật rất phự hợp và lần đầu tiờn được đưa vào ỏp dụng tại Việt Nam thụng qua đề tài này. Vỡ đõy là phương phỏp chẩ đn oỏn
(hằng số đ ệ i n mụi tương đối ε’, hệ số tổn hao i n mụi đ ệ ε’’ và gúc t n hao i n mụi ổ đ ệ tgδ), xỏc định đặc trưng kết quả lóo húa do nhiệt độ - độ ẩm và nhận biết hậu quả của nú đối với cỏch đ ệi n. Bởi vỡ độ nhạy của phương phỏp phổ đ ệ i n mụi với cỏc tớnh chất đ ệi n và i n mụi đối v i sựđ ệ ớ lóo hoỏ, c ng nh kh n ng tri n khai nhanh chúng. ũ ư ả ă ể
Trong nội dung của chương sau luận ỏn sẽ sử dụng phương phỏp ph i n mụi ổ đ ệ đo đạc cỏc c tớnh cỏch i n c a i n mụi, qua ú ỏnh giỏ s lóo húa c a v t li u đặ đ ệ ủ đ ệ đ đ ự ủ ậ ệ cỏch đ ệi n.
3.1. Đặt vấn đề
Cỏc đo đạc về đ ện sẽ cho thấ ả i y nh hưởng rất lớn của nhiệt độ và m do quỏ độ ẩ trỡnh lóo húa bởi nhiệt độ và độ ẩm cao ở lớ đ ệp i n mụi c a v t li u. Trong ph n này, ủ ậ ệ ầ luận ỏn sẽ đ i sõu nghiờn cứu sự thay đổi tớnh chấ đ ệt i n mụi c a v t li u (h ng s i n ủ ậ ệ ằ ố đ ệ mụi tương đối ε’, hệ số tổn hao i n mụi đ ệ ε’’ và gúc t n hao i n mụi tanổ đ ệ δ) theo hàm lượng nước bằng phương phỏp đo đạc phổ đ ện mụi. Cỏc kết quả đo i đạc về tớnh chất cỏch đ ệi n của đ ệi n mụi này [6], [8], [11] sẽ giỳp để nhận biết dấu hiệu lóo hoỏ của vật liệu cỏch đ ệi n.
Trong quỏ trỡnh nghiờn cứu và thực nghiệm luận ỏn đó ỏp dụng cỏc tiờu chuẩn k ỹ thuật sau: ISO-International Organnization for Standardization-Tổ chức Qu c t về ố ế Tiờu chuẩn húa; ASTM-American Society for Testing and Materials-Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ; IEC-International Electrotechnical Commission-Uỷ ban Kỹ thuật Đ ệi n Quốc tế; TCVN-Tiờu chuẩn Việt Nam):
IEC 60060-1: Tiờu chuẩn kỹ thuật đối với những thử nghiệm cao ỏp.
IEC 60076-1 (TCVN 6360-1) Tiờu chuẩn kỹ thuật chung đối với mỏy bi n ỏp ế đ ệ ựi n l c
IEC 60076-2 (TCVN 6360-2) Tiờu chuẩn kỹ thuật đối với mỏy biến ỏp đ ệi n lực- phần tăng nhiệ t.
IEC 60076-3 (TCVN 6360-3) Tiờu chuẩn kỹ thuật đối với mỏy biến ỏp đ ệi n lực- phần mức cỏch đ ệi n, thử nghiệm đ ệi n mụi và khoảng cỏch ly bờn ngoài trong khụng khớ.
IEC 811-1-1: Tiờu chuẩn kỹ thuật đối với những phương phỏp th nghi m chung ử ệ cho những vật liệu cỏch đ ệi n và vỏ ọ b c của những cỏp điện.
IEC 811-1-2: Tiờu chuẩn kỹ thuật đối với những ph ng phỏp thươ ử nghiệm lóo húa nhiệt.
Việc xỏc định những tớnh chất cơ học c a cỏch i n trước và sau lóo húa ph i ủ đ ệ ả tuõn thủ theo:
- Sự lấy m u và vi c chu n b ph i được th c hi n theo m c 9 (tiờu chu n IEC) ẫ ệ ẩ ị ả ự ệ ụ ẩ của ấn phẩm IEC 811-1-1.
phẩm 811-1-2 của tiờu chuẩn IEC.
- Kiểm tra và đo những tớnh chất cơ học ph i ả được th c hi n theo mự ệ ục 9 (tiờu chu n ẩ IEC) củ ấa n phẩm IEC 811-1-1.
3.2. Sơđồ thớ nghiệm
3.2.1. Sơ đồ o dũng phõn cực và khử phõn cực. đ
Như đ ó giới thiệu về dũng phõn cực và khử phõn cực ở phần trờn, nhận thấy rằng, cấu hỡnh tối thiểu để th c hi n phộp o dũng phõn c c và khửự ệ đ ự phõn c c là m t ự ộ nguồn đ ệi n ỏp một chiều và một thiết bị đ o dũng i n. Nguyờn lý o c bản được mụ đ ệ đ ơ tả trờn hỡnh 3.1.
Hỡnh 3.1: Nguyờn lý cơ ả đ b n o dũng phõn cực và khử phõn cực
Trờn hỡnh vẽ ta thấy, đầu tiờn để đo dũng phõn cực ta cần một nguồ đ ện i n ỏp 1 chiều đặt lờn mẫ đu o và m t thiếộ t b o dũng i n là i n k Keithley 6517 m c n i ị đ đ ệ đ ệ ế ắ ố tiếp sẽ cho phộp đo giỏ trị của dũng phõn c c cỏc th i i m khỏc nhau. Sau khi quỏ ự ở ờ đ ể trỡnh đo dũng phõn cực kết thỳc, mẫu đo cần phải được nối ngắn mạch ngay lập tức để đo dũng khử phõn c c. C n l u ý là dũng kh phõn c c xu t hiện ngay sau khi tắt ự ầ ư ử ự ấ nguồn ỏp vỡ thế việc đo dũng khử phõn cực phải được thực hiện càng nhanh càng tốt để khụng bị mấ đt i cỏc giỏ tr th i i m ban đầu. Hỡnh 3.1a s giỳp chỳng ta hi u rừ ị ở ờ đ ể ẽ ể hơn quỏ trỡnh đo này.
Trong thực tế ngoài 2 thiết bị chớnh là nguồ đ ện i n ỏp 1 chiều và thiế ị đt b o dũng đ ệi n, mỏy o cũn c n ph i cú nhi u thi t b ph tr quan tr ng khỏc nh thi t b gi i đ ầ ả ề ế ị ụ ợ ọ ư ế ị ớ
liệu được thực hiện bởi mỏy tớnh với đồ họa cú độ phõn gi i cao thụng qua b chuy n ả ộ ể đổi tương tự ố/s (A/D) để ghi tr c ti p s li u o được lờn mỏy tớnh. Ởự ế ố ệ đ đồng h o t ồ đ đặ thời gian đồng bộ cho bộ chuyển đổi A/D của những phộp o dũng i n được đ đ ệ đặt ở 20às, thời gian này phự hợp cho việc giảm ảnh hưởng nhiễu, ngay cả ở mứ đc o v i ớ dũng đ ệi n nhỏ nhất. Những chế độ đặt của đồng hồ đ o vớ như đầu cuối đ ệi n thế thấp của nguồn đ ện i được nối bờn trong tới đầu cuối của đồng hồ đo. Cũng như vậy, khi nguồn đ ệi n ỏp đó được ngắt ra, hai đầu cực của nú được ngắn mạch bờn trong. Với đặc tớnh này, cho phộp thực hiện những phộp đo dũng phõn cực và khử phõn cực mà khụng sử dụng thờm cụng tắ đc úng cắt. Hỡnh 3.1a mụ tả nguyờn lý làm việc của mỏy đo dũng phõn cực và khử phõn cực.
Hỡnh 3.1a: Nguyờn lý làm việc của mỏy đo dũng phõn c c và khự ử phõn cực
3.2.2. Sơ đồ o phổ đ ệđ i n mụi
Như đ ó giới thiệ ởu mục 2.10 về phương phỏp đo phổ đ ệ i n mụi trong miền tầ n số, cấu hỡnh tối thiểu để thực hiện phộp đo phổ đ ện mụi là một nguồn đ ện ỏp xoay i i chiều và một thiết bị đ o dũng i n. Nguyờn lý o c b n được mụ t trờn hỡnh 3.2. đ ệ đ ơ ả ả
Trờn hỡnh 3.2, đầu tiờn để đo thực hiện được phộp đo c n mầ ột ngu n i n ỏp ồ đ ệ xoay chiều đặt lờn mẫ đu o và một thiết bị đ o dũng đ ệi n là đ ệi n kế (sử dụng đồng h ồ àA) Keithley 6517 mắc n i ti p s cho phộp o giỏ tr củố ế ẽ đ ị a ph i n mụi cỏc th i ổ đ ệ ở ờ đ ểi m khỏc nhau theo mi n t n s . ề ầ ố
ngoài 2 thiết bị chớnh là nguồ đ ện i n ỏp xoay chiều và thiế ị đt b o dũng đ ệi n, mỏy đo cũn cần phải cú nhiều thiết bị phụ trợ quan trọng khỏc như thiết bị giới hạn dũng i n, đ ệ chuyển mạch và đặc biệt là thiết bị ghi lại số liệu. Thiết bị ghi lại số liệu được thực hiện bởi mỏy tớnh với đồ họa cú độ phõn giải cao thụng qua bộ chuyể đổi tương tự/số n (A/D) để ghi trực ti p s li u o được lờn mỏy tớnh. ế ố ệ đ
Ngoài ra, đ ệi n cực là cỏc lỏ đồng dỏn lờn vật liệu mẫu để đảm bảo sự tiếp xỳc tốt với bề mặ ật v t li u m u (v phương di n i n), và khụng đượ đểệ ẫ ề ệ đ ệ c t n t i l p khụng ồ ạ ớ khớ giữa cực và vật liệu mẫu, hệ đ ệ i n cực gồm ba i n c c: i n c c cao ỏp, i n c c đ ệ ự đ ệ ự đ ệ ự đo và i n c c b o v (hỡnh 3.2) được s p x p để i n trường đ ệ ự ả ệ ắ ế đ ệ đặt vào vuụng gúc v i ớ chiều của cỏc thành phần vật liệu composite. Đ ệi n cực đ ệi n cao ỏp dựng cho đ ệi n ỏp hỡnh sin. Đ ệi n cự đc o cú dạng hỡnh vũng với đường kớnh 35mm, được gắn với một tĩnh đ ệi n k để o dũng i n ch y qua m u th . i n c c b o v ti p đất cú 2 vai trũ: ế đ đ ệ ạ ẫ ử Đ ệ ự ả ệ ế
+ Làm cho đ ệi n trường giữa hai đ ệi n c c cao ỏp và o lường phõn b đều h n ự đ ố ơ (ở khu vực mộp cực).
+ Đưa dũng đ ệi n mặt và phần dũng đ ệi n khối ở mộp cực xuống đất, khụng qua cơ cấu đo.
Hỡnh 3.2: Sơđồ nguyờn lý đo phổ đ ệ i n mụi
3.3.3. Sơ đồ o i n trở suất đ đ ệ
Cũng giống như nguyờn lý đo dũng phõn cực và khử phõn cực, cấu hỡnh tối thiểu để thực hiện phộp đo đ ệi n trở suất (ρ) của vật liệu là một ngu n i n ỏp m t ồ đ ệ ộ chiều và một thiết bị đ o dũng i n. Nguyờn lý o c b n được mụ t trờn hỡnh 3.3. đ ệ đ ơ ả ả
1 chiều đặt lờn mẫ đu o và một thiết bị đ o dũng đ ệi n là đ ệi n kế Keithley 6517 mắc nối tiếp sẽ cho phộp đo giỏ trị củ đa iện trở suất khối (ρv) và đ ệi n trở suất m t (ặ ρs) của vật liệu ở cỏc thờ đ ểi i m tỏc động của đ ệi n ỏp khỏc nhau. Hệ đ ệ i n cực như đ ó mụ tả ở phần trờn.
Hỡnh 3.3: Sơđồđể xỏc định đ ệi n trở suất khối và đ ệi n trở suất m t cặ ủa vật liệu
3.3. Thiết bị thớ nghiệm và đo lường
Đo cỏc đặc tớnh i n mụi (h ng s i n mụi đ ệ ằ ố đ ệ ε’, h số tổệ n hao i n mụi đ ệ ε’’ và gúc tổn hao đ ệi n mụi tanδ) b ng cỏch sằ ử dụng h p b thi t b thớ nghiệm kiểu ợ ộ ế ị CPC100+CP TD1+DIRANA của hóng OMICRON và Proseco AG kiểu FT-12. (xem mục 2.6). Hệ ố th ng này g m 3 ph n chớnh nh sau: ồ ầ ư
+ Phần c p nguấ ồn – HV (hỡnh 3.4a) cung cấ đ ệp i n ỏp từ 0 ữ 12kV + Phầ đ ền i u khiển – CRT (hỡnh 3.4b) vớ đ ệi i n ỏp đo được lờn tới 12kV.
+ Phần kết nối và xử lý số liệu - (DIRANA) (hỡnh 3.4c) trong d i t n s ả ầ ố 0,0010Hz đến 1000Hz.
chuyển; cơ cấu để hiệu chỉnh đo lường.
3.4. Kết quả thực nghiệm và phõn tớch
3.4.1. Quỏ trỡnh chọn và gia cụng cỏc mẫu thử
Mẫu vật liệu nghiờn cứu thuộc họ composite epoxy, cỏc mẫu này được l y t i ấ ạ Cụng ty cổ phần chế tạo thi t b i n ụng Anh. Chỳng được dựng làm cỏc t m ch n ế ị đ ệ Đ ấ ắ và cỏc thanh chốn cỏch đ ệi n trong khi ch tạế o mỏy bi n ỏp, chi u dày kho ng 3,5mm, ế ề ả cỏc tấm nhỏ được gia cụng khụ bằng mỏy phay để đạ đột dày cỡ 0,5mm, 1mm, 1,5mm, 2mm, 2,5mm, 3mm và 3,5mm. Cỏc mẫu thử tiế đp ú được c t ra bằng cỏc đĩa cắt khỳc ắ nạm kim cương để đạt được hỡnh trũn đường kớnh 60mm. Cỏc mẫu thử được đưa vào mỏy tiện để cú mộp cõn đối (hỡnh 3.5).
Hỡnh 3.5: Cỏc mẫu gia cụng đểđo đạc cơ chế ủ c a việc khuyếch tỏn nước
Tất cả cỏc mẫu thử được làm khụ trong tủ sấ ởy nhi t ệ độ 110ữ120°C và dưới chõn khụng bậc một 10-1 mBar trong thời gian b y ngày. Mụ đả c ớch là để xỏc định trọng lượng tham chiếu cho mỗi mẫu ở trạng thỏi hoàn toàn khụ.
Cỏc mẫu thử được ngõm trong một bể nước cất ( i n d n su t đ ệ ẫ ấ γnước =1,36àS.cm-1), ở 3 mức nhiệt độ (55°C, 85°C và 98°C). Quỏ trỡnh khuyếch tỏn nước được tiế ụp t c v i vi c cõn theo chu kỡ thực hiện bằng cõn số cú cấp chớnh xỏc 0,1mg. ớ ệ Trước mỗi lần cõn, cỏc mẫu thử được làm khụ bằng cỏch sử dụng gi y Joseph, r i đặt ấ ồ trong tủ sấy thụng khớ nhi t độở ệ 40ữ50°C trong 10 15 phỳt. Quỏ trỡnh này cú m c ữ ụ đớch làm s ch nước dư trờn bề mặt mẫạ u th , để ch cõn lượử ỉ ng n c th c t ng m vào ướ ự ế ấ cỏc mẫu thử Đ ề. i u này cũng đảm bả ổo n định t t nhất lượng nước, khi cỏc mẫu thử ố được gắp ra kh i b . ỏ ể
mẫu thử vào thời đ ểm i, lượng nước khuyếch tỏn vào trong mẫu thớ nghiệm (tớnh i theo %) được tớnh theo cụng thức sau:
(%) 100 o m o m i m M= − ì (3.1)
Hỡnh 3.6: Mụ hỡnh thớ nghiệm để o đ đạc cơ chế khuyếch tỏn nước vào VLC + Thiế ịt b thớ nghi m : ệ
- Hộp đựng mẫu thử làm bằng thủy tinh đỳc:
- Chiều cao hc = 20cm ; chiều dài ld = 35cm ; chiều rộng rr = 16cm - Đ ện cực đặt ở độ sõu cỏch mặt đỏy của hộp hi đc = 10cm
- Đ ện cực i đượ đặt cỏch mặt bờn của hộp lc đc = 8cm
- Đ ện cực hỡnh cầu được làm bằng đồng mạ crụm, cú cấu tạo đồng đều như nhau i