L ỜI CAM Đ OAN
2.7.5.Đo chỉ số phõn cực
5. Nhiệm vụ nghiờn cứu của luận ỏn
2.7.5.Đo chỉ số phõn cực
Chỉ số phõn c c là t số củự ỷ a giỏ tr o iị đ đện trở cỏch đ ện sau 10 phỳt trờn giỏ trịi đ đ ệo i n tr cỏch i n sau 1 phỳt khi đặt i n ỏp m t chiều lờn cỏch đ ệ Đở đ ệ đ ệ ộ i n. õy là một chỉ số hữu ớch để phõn tớch ph n cỏch i n b nhi m b n hay b m và nú g n nh ớt ầ đ ệ ị ễ ẩ ị ẩ ầ ư chịu ảnh hưởng của nhiệt độ như hệ số ấ h p th Kụ ht = R60’’/R15’’ đó sử dụng lõu nay nờn sử dụng để ỏnh giỏ cỏc mỏy bi n ỏp ang v n hành. T sốđ ế đ ậ ỉ này l n h n 2 v i ph n ớ ơ ớ ầ cỏch đ ệi n khụ rỏo trong khi nú tiến gần tới đơn vị nếu nh ph n cỏch i n b nhi m ư ầ đ ệ ị ễ bẩn hay bị ẩ m [38], [88].
2.7.6. Đo tổn hao đ ệi n mụi tan δδδδδ
Đ ổo t n hao i n mụi (tanđ ệ δ) bằng cỏch đặt i n ỏp xoay chiều lờn mẫu cỏch đ ệ đ ệi n (vỡ đ ệi n ỏp thớ nghiệm này khụng lớn hơn của vật liệu thớ nghiệm nờn đõy là thớ nghiệm khụng phỏ hủy), khi đú dũng đ ệi n nạp được phõn tớch thành hai thành:
pha với vớ đ ệi i n ỏp U (hỡnh 2.6). - Thành phầ n phản khỏng Ic vượt trước đ ệi n ỏp 900. U Ir It Ic I δ ϕ Hỡnh 2.6: Đồ thị vectơ dũng và ỏp củ đ ệa i n mụi Thành phần phản khỏng tỷ ệ ớ l v i hằng số đ ệ i n mụi và cho bằng cụng thức: t A r o U C U c I = .ω. = .ω.ε .ε . (2.16) Trong đú : U : đ ệi n ỏp thớ nghi m ệ ω : tần s gúc ố C : đ ệi n dung A : diện tớch [m2] ε0 : hằng số đ ệ i n mụi chõn khụng
εr : hằng số đ ệ i n mụi tương đối của vật liệu.
Sự thay đổi của thành phần Ic chứng tỏ sự xu ng c p c a cỏch i n, khi b nhi m ố ấ ủ đ ệ ị ễ ẩm, cú l p b ng n m ch, kớch thước hỡnh h c thay ớ ị ắ ạ ọ đổi v.v... Đối với đ ệi n mụi lý tưởng, Ir = 0, gúc δ là gúc lệch pha giữa Ic và It (dũng đ ệi n tổng) gọi là gúc tổn hao đ ệi n mụi, đặc trưng cho t n hao cụng su t trong i n mụi. Gúc t n hao i n mụi tớnh ổ ấ đ ệ ổ đ ệ theo cụng thức:
tanδ = Ir / Ic (2.17) Ngoài ra, ta cũng cú th ỏnh giỏ tổể đ n hao i n mụi qua h s cụng su t: đ ệ ệ ố ấ
do nhiễ ẩm m, cacbon húa hoặc cỏc dạng ụ nhiễm khỏc. Nguyờn lý cơ bản là b t k sự ấ ỳ thay đổi đặc tớnh cỏch đ ệi n đều dẫn tới thay đổi cỏc thụng số đặc trưng của nú như đ ệi n dung, tanδ (ho c cosặ ϕ), do ú b ng cỏch o di n bi n c a cỏc đặc tớnh này theo đ ằ đ ễ ế ủ thời gian ta cú thể đ ỏnh giỏ đỳng tỡnh trạng cỏch đ ệi n. Cú hai yếu tố mụi trường là độ ẩm và nhi t độệ khụng th iể đều chỉnh dễ dàng. Đặc tớnh đ ện của cỏch i đ ện phụi thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ vỡ thế kiểm tra thớ nghiệm phải được tiến hành ở cựng đ ều kiện i với thiết bị thự ếc t , nhi t độ được quy đổi v 20ệ ề 0C. Ảnh hưởng của dũng rũ bề mặt (do ẩm, b i b n ...) r t ỏng k , vỡ th ph i lau s ch và làm khụ b mặụ ẩ ấ đ ể ế ả ạ ề t cỏch i n để gi m đ ệ ả tổn hao dũng rũ bề mặt. Phúng i n m t ph n c a cỏch i n i n ỏp cao cú th làm đ ệ ộ ầ ủ đ ệ ở đ ệ ể tăng giỏ trị tanδ [30], [38], [55], [63], [88].
2.7.7. Đo phúng đ ệi n cục bộ (Partial Discharge)
Phúng đ ệi n cục bộ xuất hiện trong cỏch đ ệi n khi một sự đ ỏnh thủng cục bộ của vật liệu cỏch đ ện gõy nờn một sự tỏi phõn bố của đ ệi i n tớch bờn trong cỏch đ ệi n. Phúng đ ệi n c c b sinh ra xung dũng i n cường độ bộ trong m t khoảng thời gian ngắ Đụ ộ đ ệ ộ n. õy là thớ nghiệ đm o đạc và quan sỏt s phỏt triển củ đ ệự a i n ỏp ban đầu của sự phúng đ ệi n và đ ệi n ỏp mất đi của phúng đ ệi n để đỏnh giỏ tỡnh trạng cỏch đ ện. Trong phương phỏp i này, đ ệi n ỏp được cung cấ ừp t một nguồn bờn ngoài khi mỏy biến ỏp dừng hoạt động tạm thời [23], [38], [56], [57], [93], [97].
2.8. Chẩ đn oỏn khi đang hoạt động “on-line”
So với cỏc thớ nghiệm chẩ đn oỏn off-line cỏc thử nghiệm on-line được thực hiện ngay khi cỏch đ ệ đi n ang mang đ ệi n nhằm mụ đc ớch phỏt hiện hoặc theo dừi cỏc khiếm khuyết hoặc hư hỏng cú kh năả ng xu t hi n bờn trong cỏch i n. u i m c a thớ ấ ệ đ ệ Ư đ ể ủ nghiệm này ngoài việc khụng ảnh hưởng đến hoạt động vận hành của mỏy biến ỏp và của hệ thống đ ện, chỳng cú thể cung cấp cỏc thụng tin về cỏc thụng số chẩn đoỏn cần i theo dừi một cỏch thự ếc t , cú tớnh động và giỳp cho vi c phõn tớch khuynh hướng c a ệ ủ cỏc tỡnh trạng bất thường bờn trong cỏch đ ệi n đạt được hi u qu mong mu n, đặc bi t ệ ả ố ệ là khả ă n ng ngăn ngừa cỏc sự ố c tiề ẩm n và dự đ oỏn xu thế tiến triển của chỳng.
Tuy nhiờn hạn chế ủ c a cỏc thớ nghiệm này là mức độ chớnh xỏc khụng cao và do đú c n cú s ki m tra l i (đối v i nh ng thớ nghi m mà chỳng ta cũn nghi ng ) qua cỏc ầ ự ể ạ ớ ữ ệ ờ
đ ệi n để cú gi i phỏp x lý phự h p. ả ử ợ
2.8.1. Đo phúng đ ệi n cục bộ (PD) “on-line”
Phương phỏp đo sự phúng đ ệi n cục bộ “on-line” tương tự với phương phỏp này khi tiế n hành off-line, ngoại trừ việc khụng phả ử dụi s ng ngu n i n bờn ngoài. i m ồ đ ệ Đ ể mạnh của phương phỏp này là cú thể đỏnh giỏ tỡnh trạng phần cỏch đ ện mà khụng i phải cắt thiết bị khỏi đ ệi n lưới. Nhưng việc phõn tớch cũng trở nờn khú khăn do tiếng ồ ần t n s cao đến t ngu n ngoài s phúng i n c c b . Phương phỏp phỏt hi n phúng ố ừ ồ ự đ ệ ụ ộ ệ đ ệi n c c b bằụ ộ ng õm thanh cho độ nh y t t đối v i nhi u lo i ngu n phúng i n c c ạ ố ớ ề ạ ồ đ ệ ụ bộ, và trong một vài tỡnh huống, cho phộp định rừ v trớ c a ngu n t o ra. ị ủ ồ ạ
Phương phỏp này cú ưu đ ểi m ở chỗ nú cú thể được sử dụng trờn thi t b ang ế ị đ mang đ ệi n, và khụng dễ bị ả nh hưởng đối v i nhi u t cỏc ngu n ngoài, khi được sử ớ ễ ừ ồ dụng đỳng. Cỏc tớn hiệu õm thanh được đo bằng cỏch dựng cỏc bộ chuyển đổi siờu õm vốn được ghộp lờn vỏch bờn ngoài của vỏ mỏy biến ỏp. Ngoài cỏc bộ chuyển đổi, cỏc bộ phận của thiết bị đ o khỏc là m t bộộ khuy ch đại và m t thi t bị ểế ộ ế hi n th . Tuy nhiờn, ị việc xỏc định vị trớ nguồn phúng đ ệi n cục bộ đ ũi hỏi cỏc phộp đo đặc biệt, phần mềm và thiết bị đ o được thiế ết k tương thớch [12], [41], [44], [55], [56], [63], [92].
2.8.2. Thớ nghiệm phỏt hiện sự ố ằ c b ng siờu õm và õm thanh
Ngoài việc hỗ trợ phỏt hi n, định v sự ốệ ị c do phúng i n c c b cũn cú kh năng đ ệ ụ ộ ả phỏt hiện sự ố c do phúng đ ệi n h quang bờn trong mỏy bi n ỏp. Thớ nghi m này c ng ồ ế ệ ũ cú thể phỏt hiện cỏc bộ phận khụng được xiết chặt bờn trong mỏy biến ỏp. Cỏc phúng đ ệi n c c b phỏt ra n ng lượng trong d i t n t 20 kHz đến 200 kHz. Cỏc t n s này ụ ộ ă ả ầ ừ ầ ố nằm trờn cỏc mức v n cú th nghe được. Thi t bịố ể ế thớ nghi m nh n được cỏc tớn hi u và ệ ậ ệ chuyển đổi chỳng về mặt đ ệi n tử thành cỏc tớn hiệu cú thể nghe được.
Cũng giống như vậy, việc dũ sự cố bằng õm thanh (trong dải tần õm thanh) cho ta tỡm ra cỏc sự cố về cơ nh : ti ng n t cỏc t m ch n và thanh chốn trong mỏy bi n ỏp ư ế ồ ừ ấ ắ ế khi chế ạ t o cú lực ộp khụng chặt [63].
2.8.3. Đo và phõn tớch nhiệt độ của cỏch i n bằng hồng ngoại đ ệ
Việc đo và phõn tớch nhiệt độ bằng h ng ngo i để th y được nh nhi t cỏc v trớ ồ ạ ấ ả ệ ị phỏt núng cú nhiệt độ cao bất thường của cỏc m i n i, cỏc t m ch n và thanh chốn b ố ố ấ ắ ị
ta cũn đo dao động cỏc tấm chắn và thanh chốn trong quỏ trỡnh đang vận hành, cũng như đ o nhiệt độ phần cỏch đ ệi n bị phỏt núng so với nhiệt độ lỳc hoạt động bỡnh thường.
2.9. Phương phỏp đo dũng phõn cực và khử phõn cực
2.9.1. Sự phõn cực trong đ ệi n mụi rắn
2.9.1.1. Phõn cực dưới tỏc dụng củ đ ệa i n trường tĩnh
Khi đặt một đ ệi n tớch vào trong đ ệi n trường E, sẽ cú một lực xuất hiện trờn đ ệi n tớch này theo phương trỡnh sau [7], [85]:
F =qE (2.19)
Lực F này sẽ làm dịch chuyể đ ện i n tớch theo hướng củ đ ệa i n tr ng. Nế đ ệườ u i n tớch này bị ràng buộc bởi cỏc liờn kết húa học và khụng thể chuyển động tự do thỡ lực F này sẽ sinh ra một momen lưỡng cực mà ta gọi là s phõn c c i n mụi và đại lượng ự ự đ ệ của nú được xỏc định bằng :
0 0 0
( 1)
Pr = χε Er = ε− ε Er = N αrE (2.20)
Với ε0 là hằng số đ ệ i n mụi chõn khụng 8.854.10-12 F.m-1, ε là hằng số đ ệ i n mụi tương đối của vật liệu, N0 là số mật độ i n tớch ràng bu c, đ ệ ộ α là hệ số phõn c c i n ự đ ệ mụi đặc trưng khả năng phõn cực.
Biểu thức ε0εE trong phương trỡnh (2.20) được gọi là sự dịch chuy n i n (hay ể đ ệ cảm ứng đ ện) D trong vật liệu. Do đú phương trỡnh 2.20 trở thành: i
0 0
Dr = ε εEr = ε Er + rP
(2.21)
Phương trỡnh này chỉ ra rằng sự dịch chuy n i n sinh ra b i hai thành ph n là ể đ ệ ở ầ cường độ đ ện trường ( i ε0E) và mức độ phõn c c c a đ ệự ủ i n mụi (P).
2.9.1.2. Cỏc dạng phõn cực
Trong đ ệi n mụi rắn, sự phõn cực đ ệi n mụi được quan sỏt trong cỏc thành phần cú chứa cỏc đ ệi n tớch như đ ệ i n tử, nguyờn tử, phõn tử, cỏc mạch đại phõn tử và cỏc đ ệi n tớch xu t hi n cỏc m t ti p giỏp hay ấ ệ ặ ế được sinh ra do cỏc khuy t t t trong v t li u ế ậ ậ ệ
của từng thành phần:
1. Phõn cự đ ệc i n tử: sinh ra do sự dịch chuy n àn h i và s bi n d ng cỏc l p ể đ ồ ự ế ạ ớ v iỏ đ ện tử của phõn t dưới tỏc dụử ng c a i n trường bờn ngoài. Th i gian xỏc l p ủ đ ệ ờ ậ phõn cự đ ệc i n tử ả x y ra cực nhanh (∼ 10-15s) và kộo theo ỏnh sỏng phỏt ra.
2. Phõn cực nguyờn tử: tương ứng v i s chuy n d ch c a cỏc nguyờn tửớ ự ể ị ủ hay nhúm cỏc nguyờn tử trong phõn tử dưới ảnh hưởng c a i n trường bờn ngoài. Hi n ủ đ ệ ệ tượng này cũng rất nhanh để đạt được trạng thỏi cõn bằng (∼ 10-12ữ10-13s).
3. Phõn cực định hướng (hay lưỡng cực): Sự phõn cực này miờu tả chung cho
những thành phần tồn tại moment lưỡng cực như phõn tử, nhúm phõn tử hay đại phõn tử. Những lưỡng cực này cú xu hướng quay theo chiều củ đ ệa i n trường tỏc dụng, thời gian thiết lập sự phõn cực này lớn hơn nhiều so với hai phõn cực trước và nằm trong một dải rộng từ 10-9ữ 103s tựy theo dạng lưỡng cực.
4. Phõn cực kết cấu: Sự phõn cực này xuất hiện trong cỏc vật liệu khụng đồng
nhất (dị pha) với thời gian xỏc lập lõu nh t được t o nờn b i s tớch t cỏc i n tớch ấ ạ ở ự ụ đ ệ trờn cỏc mặt ranh giới giữa cỏc miền khỏc nhau khi mà cỏc miền này cú hằng số đ ệ i n mụi và đ ệi n dẫn khỏc nhau.
Hỡnh 2.7: Cỏc cơ chế phõn cực và sự thay đổi của hằng số đ ệ i n mụi theo tần s . ố pe: phõn cự đ ệc i n tử, pa: phõn cực nguyờn tử, po: phõn cực lưỡng cực
nhanh, chậm theo thời gian τ như mụ t trong hỡnh 2.7. Cỏc phõn c c i n t và ả ự đ ệ ử nguyờn tử là những hiện tượng xảy ra rất nhanh, gần như tức th i, vỡ th chỳng khụng ờ ế phải là đối tượng nghiờn cứu của quỏ trỡnh phõn cực trong vật liệu cỏch i n khi mà đ ệ thời gian đo chỉ nằm trong kho ng t 10ả ừ -6 đến 104s. Ngược lại, cỏc phõn cực định hướng và phõn cực kết cấu đúng một vai trũ quan trọng trong việc phõn tớch cỏc thuộc tớnh về đ ệ i n của vật liệu.
2.9.1.3. Sự phõn cực lưỡng cực theo thời gian
Dưới tỏc dụng của đ ện trường đặt lờn vật liệu cỏch i đ ện, sự chuyển trạng thỏi i từ khụng phõn cực (trạng thỏi khi khụng cú đ ện trường) sang trạng thỏi phõn cực sẽ i khụng diễn ra một cỏch tức thời mà từ từ do quỏn tớnh c a cỏc chuy n động lưỡng c c ủ ể ự (hỡnh 2.8).
Hỡnh 2.8: Phõn cực theo thời gian dưới tỏc dụng củ đ ệa i n trường tĩnh
Trong quỏ trỡnh phõn cực này thỡ P∞ tương ứng v i s phõn c c trong th i gian ớ ự ự ờ vụ cựng ngắ n và PS là sự phõn cực trong thời gian vụ cựng lõu. Ta cú phương trỡnh mụ tả quỏ trỡnh phõn cực này như sau:
0
( ) ( ) 1 ( )
r s
P t = P − P∞ − ϕ t t− (2.22)
Với ϕ(t) là hàm số được định ngh a nh sau: ĩ ư
= ∞ = = 0 ) ( 1 ) 0 ( ) ( ϕ ϕ ϕ t (2.23) Kết hợp với phương trỡnh 2.20 ta cú :
Trong đú εs và ε∞lần lượt là hằng số đ ện mụi tĩnh và hằng số đ ện mụi đo ở tần i i số cực cao. Hàm phõn cực vỡ thế cú thể được viết dưới dạng:
0 0 0
( ) ( 1) ( s ) 1 ( )
P t = ε ε∞− E +ε ε −ε∞ −ϕ t t− E (2.25)
Khi mộ đ ệt i n trường phức tạp hơn được tớnh đến thỡ nguyờn lý xếp chồng Boltzmann sẽ được ỏp d ng [85] b ng cỏch gi ụ ằ ả định t i th i i m ạ ờ đ ể t0 thỡ đ ệi n trường tăng lờn dE và do đú gõy ra số gia phõn cực sau thời gian t0. Phương trỡnh 2.25 trở thành : ( ) ( ) 0 0 0 0 0 ( ) ( 1) ( ) 1 ( ) E t E t s P t = ε ε∞− ∫ dE + ε ε − ε∞ ∫ − ϕ t t− dE (2.26) Sau khi thực hiện tớch phõn từng phần, ta cú :
0 0 0 ( ) 0 0 ( ) ( 1) ( ) ( ) ( ) t s d t t P t E t E t dt dt ϕ ε ε∞ ε ε ε∞ −∞ − = − + − ∫ (2.27)
Lỳc này cú thể đưa vào khỏi niệm hàm đỏp ng i n mụi, ứ đ ệ f(t), mà cú thể định nghĩa như là tỷ lệ nghịch với hàm dϕ(t-t0)/dt :
0 0 ( ) ( ) ( s )d t t f t t dt ϕ ε ε∞ − − = − − (2.28)
Trong đú hệ số (εs –ε∞) được gọi là cường độ phõn cực ∆ε . Biểu thức cuối cựng về sự phõn cực dưới tỏc dụng của đ ện trường bất kỳ sẽ được xỏc định như sau: i
0 0 0 0 0 ( ) ( 1) ( ) ( ) ( ) t P t ε ε∞ E t ε f t t E t dt −∞ = − + ∫ − (2.29)
Độ cả ứm ng i n được đưa ra trong phươ ng trỡnh 2.21 tr thành : đ ệ ở
0 0 0 0 0 ( ) ( ) ( ) ( ) t D t ε ε∞ E t ε f t t E t dt −∞ = + ∫ − (2.30)
Hai phương trỡnh 2.29 và 2.30 là hai phương trỡnh cơ bản giỳp chỳng ta hi u ể được bản ch t c a cỏc hi n tượng phõn c c trong i n mụi dưới tỏc d ng c a i n ấ ủ ệ ự đ ệ ụ ủ đ ệ
D trong phương phỏp đo dũng phõn c c và kh phõn c c. ự ử ự 2.9.2. Sự ẫ đ ệ d n i n trong đ ệi n mụi rắn
Trong mục trờn, chỉ quan tõm tới tỏc dụng củ đ ệa i n trường đối với hiện tượng phõn cực của đ ệi n mụi mà khụng xột đến kết quả là hiện tượng dũng cảm ứng xuất hiện trong đ ệi n mụi. Như vậy, c m ng i n ả ứ đ ệ D(t) sẽ sinh ra dũng i n c m ng Iđ ệ ả ứ P(t)
theo phương trỡnh sau:
) ( ) ( t t D t IP ∂ ∂ = (2.31)
Kết hợp với phương trỡnh 2.30 ở mục trờn cho thấy dũng đ ệi n cảm ng này ứ được chia làm hai thành phần :
( ) ( ) 0 (t)E(t) 0 f(t)E(t) t t D t IP = ∞ + ∞ ∂ ∂ = ε ε δ ε ε (2.32)
Trong đú thỡ thành phần đầu được g i là phõn cọ ực nhanh là dũng cả ứm ng tức thời sinh ra bởi thành phầ đ ện i n dung củ đ ệa i n mụi cũn thành phần thứ hai, gọi là phõn