Phương Pháp đo Hệ Số Tổn Hao điện Môi Bằng Cầu Schering

Các Phương pháp thí nghiệm cách điện

Đo điện dung, hệ số tổn hao hoặc hệ số công suất ở tần số chính.

Hệ số tổn hao hay hệ số công suất ở một điểm tần số đơn được sử dụng nhiều thập kỷ qua để phân loại các vật liệu cách điện. Các tiêu chuẩn đem đến những giới hạn khác nhau cho hệ số công suất hay tổn hao.

Ví dụ: tiêu chuẩn IEEE cho rằng trong trường hợp máy biến áp hoặc kháng mới đổ dầu, hệ số tổn hao nên không vượt quá 0.005. Hơn nữa tài liệu này còn khuyến cáo tất cả các máy biến áp cũ hơn một hệ số tổn hao 0.01 nên được kiểm tra.

Thiết bị đầu tiên để đo cho một điện dung không xác định và hệ số tổn hao của nó là cầu Schering. Cơ bản đây là một hệ thống mạch cầu xoay chiều 4 nhánh với phép đo của nó phụ thuộc vào sự cân bằng của các tải trên các nhánh. Để dễ dàng cân bằng hơn cho cầu, một điện áp đo lớn cỡ vài kV được dùng, và vì các lý do thực tế, tần số hầu hết bị giới hạn trong tần số công nghiệp. Sự kết hợp mang tính lịch sử này đã đi vào các tiêu chuẩn và thực hành thí nghiệm hiện trường, nơi sử dụng một điện áp thử đặc trưng 10 kV và một dải tần số giới hạn gần với tần số công nghiệp.

Ứng dụng cho Máy biến áp.

Hình 7 mô tả hệ số tổn hao của một máy biến áp mới, một máy có tuổi, và một máy cũ ở cùng nhiệt độ khoảng 25oC. Như có thể thấy, hệ số tổn hao điện môi ở tần số công nghiệp (50-60Hz) sẽ phản ánh cách điện cellulose cho máy biến áp mới, tình trạng dầu của máy biến áp có tuổi và lâu năm. Một phép đo hệ số tổn hao ở 0.1 Hz phản ánh tình trạng dầu cho máy biến áp mới và có tuổi trong khi nó cho thấy tình trạng cellulose cho máy biến áp cũ.

Kết luận, phép đo hệ số tổn hao ở một tần số đơn chỉ cho phép đánh giá một cách hạn chế tình trạng cách điện, không thể phân biệt được các tác động thay đổi.

Hình 7: Hệ số tổn hao ở 03 máy biến áp có độ tuổi khác nhau.

Quét điện áp – Thí nghiệm Tip Up.

Ở đây điện áp thí nghiệm được tăng lên vài kV và hệ số tổn hao điện môi được ghi lại. Theo cách hiểu chung, độ lớn của sự thay đổi chỉ thị độ già cỗi của cách điện. Xem hình 7, sự quét điện áp sẽ tác động mạnh đến các vật liệu khác nhau phụ thuộc vào tình trạng của điện môi. Xét máy biến áp mới đã mô tả, sự quét điện áp ở tần số công nghiệp sẽ thí nghiệm cho tấm ép; dẫn đến một sự phụ thuộc thấp vào điện áp của hệ số tổn hao điện môi. Xét máy biến áp có tuổi, sự pha trộn cách điện rắn và dầu sẽ bị tác động mạnh; phụ thuộc điện áp sẽ được thấy rõ hơn. Cuối cùng, máy biến áp vận hành lâu năm sẽ cho thấy sự phụ thuộc mạnh nhất vào điện áp của hệ số tổn hao điện môi vì ở đây phần dầu bị xoay về phía điện trường(13).

Một vấn đề khác liên quan đến các quét điện áp là kích thước của điện môi được thử nghiệm. Đó không phải là bản thân điện áp gây nên ảnh hưởng mà là lực điện trường. Lực điện trường phụ thuộc vào kết cấu hình học của cách điện thử nghiệm (khe hở giữa các vật dẫn), nó là ẩn số trong phép thử. Đối với khe hở hẹp, ứng suất sẽ là lớn và ngược lại đối với khe hở rộng. Bởi vậy, sẽ có ý nghĩa hơn nếu tạo một quét lực điện trường. Vì tình trạng kết cấu hình học của cách điện là hầu hết không xác định được, ích lợi của quét điện áp trong việc chẩn đoán các cách điện máy biến áp bị hạn chế. Đối với sứ, mặt khác, một quét điện áp cao có thể chỉ ra những phá hủy từng phần và một liên kết khiếm khuyết cho lớp điện dung bên ngoài.

Tỉ lệ hấp thụ điện môi và chỉ số phân cực.

Tỉ lệ hấp thụ điện môi(14) DAR gắn liền với điện trở (cách điện) DC đo ở 60s so với ở 15s; Hệ số phân cực (15) (PI) là tỉ số ở 10 phút so với 1 phút. Hình 8 mô tả đáp ứng điện môi cho 02 máy biến áp mới ở dải tần số. Đối với Máy biến áp B, Hệ số phân cực phản ánh kết cấu hình học của cách điện trong khi đối với máy biến áp A nó cho thấy ảnh hưởng của dầu. Hệ số phân cực của máy B là xấu hơn so với máy A. Mặt khác, hàm lượng ẩm của hai máy biến áp đều là 0.4 %. Những khác biệt trong đáp ứng điện môi tăng lên từ các chất lượng dầu khác nhau chứ không phải từ độ khô của cách điện.

Hình 8: Tỉ số hấp thụ điện môi DAR và chỉ số phân cực PI với đáp ứng điện môi của 02 máy biến áp mới trong miền tần số (hình trái) và với sự ảnh hưởng của dầu quy đổi theo miền thời gian (hình phải)

Thí nghiệm tiếp theo dẫn đến các kết quả tương tự. Đối với mẫu cách điện bao quát như mô tả trong hình 6, dầu nguyên bản có độ dẫn điện là 1.6 pS/m được thay bằng dầu cũ với độ dẫn điện 16.5 pS/m. Hàm lượng ẩm của cách điện cellulose còn lại không đổi ở 1.1 %. Hình 8 (bên phải) cho thấy dòng phân cực và khử phân cực trong cả hai trạng thái và cũng cho thấy tỉ số hấp thụ và chỉ số phân cực. Vì sự thay đổi dầu, DAR tăng từ 1.25 đến 4.43 và PI tăng từ 3.69 đến 6.34 mặc dù hàm lượng ẩm vẫn như vậy. Độ dẫn điện của dầu tăng gây nên sự thay đổi lớn này. Vì một giá trị DAR và PI cao hơn có nghĩa là tốt hơn, các thông số này đang thực tế nói rằng máy biến áp đổ dầu không tốt lại tốt hơn so với máy đổ dầu mới (!).

Cả hai giá trị, PI và DAR, được xác định cho dải thời gian hẹp mà nó bị chi phối bởi độ dẫn điện của dầu và không có khả năng phân biệt giữa ảnh hưởng của các vật liệu khác nhau với tác dụng của phân cực bề mặt, điều đó giống với các thí nghiệm Hệ số tổn hao truyền thống.

Các phương pháp áp dụng quét tần số

Quét tần số gần với tần số công nghiệp. Các phương pháp chẩn đoán mới hơn gồm một quét tần số quanh tần số công nghiệp để tập hợp nhiều thông tin hơn về tình trạng cách điện. Hình 9 (trái) cho thấy mạch đo của một cầu đo Hệ số tổn hao kiểu mới. Khác với cầu truyền thống Schering(16), dòng điện được đo trực tiếp, không sử dụng nguyên lý cân bằng và cầu là độc lập tần số. Hình 9 (bên phải) mô tả hệ số tổn hao điện môi của điện dung HV-LV: CHL, điện dung CH phía cao áp (HV) và điện dung CL của phí hạ áp (LV) của một máy biến áp mới. Dựa vào cơ sở lý thuyết ở hình 3, phép đo này chủ yếu phản ánh cho tấm ép. Về phía các tần số thấp, một số ảnh hưởng của dầu cũng trở nên rõ ràng.

Hình 9: Mạch đo của một cầu đo Hệ số tổn hao mới (hình trái) và Hệ số tổn hao của CHL, CH và CL của một máy biến áp mới (hình phải)

Như vậy phối hợp quét tần số với điện áp đo cao kết hợp các ưu điểm của quét tần số và điện áp đo, tuy nhiên dải tần số hẹp hạn chế giá trị của phép đo. 

Phổ điện môi – Đo đáp ứng điện môi.

Phổ điện môi bao gồm các đặc tính của hệ thống cách điện theo một dải tần số rộng (ví dụ từ 1000 – 0.0001 Hz). Khoảng tần số này, hơn 7 thập kỷ nay, cho phép phân biệt giữa các ảnh hưởng khác nhau (đến hệ số tổn hao) và cuối cùng cho phép xác định độ ẩm của cách điện cứng. Phép đo theo miền thời gian và tần số được sử dụng khoảng một thập niên nay. Hiện nay, một thiết bị mới phối hợp những ưu điểm của cả hai miền đo để có phép đo nhanh một cách đặc biệt ở tần số thấp. Hình 10 một thuật toán phân tích nâng cao không chỉ tính toán hàm lượng ẩm mà còn cho biết thêm về các sản phẩm có tính dẫn điện sinh ra trong quá trình lão hóa khác.

Hình 10: Phối hợp các phép đo miền thời gian và tần số (hình trái) và yêu cầu thời gian và dải tần số đạt được cho các kỹ thuật đo khác nhau (hình phải)

Với công nghệ hiện nay, phổ điện môi cho phép chẩn đoán và đánh giá toàn diện nhất hệ thống cách điện.

Tiểu sử tác giả:

Maik Koch Quản lý sản phẩm cho các thiết bị thí nghiệm nhất thứ OMICRON Energy. Ông tốt nghiệp Tiến sỹ khoa học ở Đại học Stuttgart – Đức năm 2008. Lĩnh vực nghiên cứu của ông là xác định độ ẩm và sự già cỗi của các máy biến áp lực sử dụng các phương pháp phân tích hóa và điện môi. Ông còn là thành viên các nhóm làm việc của Cigré và IEEE.

Michael Krueger đứng đầu Trung tâm thí nghiệm nhất thứ của OMICRON energy. Ông học kỹ sư điện ở Đại học Aachen và Đại học Kaiserlautern (Đức) và tốt nghiệp năm 1976. Năm 1990, ông nhận bằng Tiến sỹ kỹ thuật ở Đại học Vienna (Áo). Ông là thành viên của VDE, Cigré và IEEE.

Markus Puetter là quản lý sản phẩm Các giải pháp thí nghiệm nhất thứ của OMICRON energy, cho dòng sản phẩm CPC 100 và Hệ thống đo tổn hao điện môi MI 600. Ông có 10 năm kinh nghiệm trong phát triển các giải pháp thí nghiệm nhất thứ và thiết bị cao áp. Ông học kỹ sư điện ở đại học Paderborn/Soest và tốt nghiệp năm 1976.

Chú thích:

(1)Phổ điện môi (Dielectric Spectroscopy): Các đặc tính của điện môi, đáp ứng của điện môi (thể hiện một thuộc tính vật lý nào đó) trong một miền tần số (frequency domain). Một thông số trong miền tần số có thể chuyển đổi sang miền thời gian (time domain) và ngược lại bằng các thuật toán. Ví dụ như khai triển chuỗi Fourier.

(2)RVM (Recovery Voltage Measurement): Phép đo phục hồi điện áp dùng để nghiên cứu những quá trình phân cực chậm trong vật liệu cách điện. Bằng cách đặt điện áp một chiều nạp vào cách điện sau đó ngắt nguồn ra để đo điện áp hồi phục theo thời gian.

(3)PDC (Polarization and Depolarization Currents): Dòng phân cực và khử phân cực, đo bằng cách đặt nguồn 1 chiều vào vật liệu cách điện để đo dòng điện phân cực, sau đó ngắt nguồn ra đo dòng khử phân cực theo thời gian. Phép đo này cho kết quả rất nhanh ở tần số rất thấp (1.3). Tuy nhiên, lý thuyết này đang cho thấy hạn chế trong thực nghiệm như trong bài báo đã mô tả (Hình 8, bên phải).

(15) Hệ số phân cực PI (Polarization Index): Là tỉ số của giá trị điện trở cách điện đo bằng điện áp một chiều trong 10 phút và 1 phút. Hệ số này cũng đang cho thấy hạn chế như với DAR.

(16) Cầu Schering (Schering bridge): Phương pháp cầu cân bằng để đo Hệ số tổn hao điện môi do H. Schering (người Đức) đã phát minh ra sơ đồ năm 1920. Có thể tham khảo thêm bài viết “Lịch sử và cuộc cách mạng đánh giá tổn hao điện môi” tại đây

(17) Hình 10 cho thấy sự kết hợp giữa PDC và FDS. Ta thấy đồ thị PDC theo miền thời gian đã được qui đổi sang miền tần số. Kết quả sẽ cho một đồ thị duy nhất theo miền tần số cho phép tính toán được độ ẩm của cách điện cứng, độ dẫn điện của dầu và các ảnh hưởng khác đối với vật liệu cách điện. Hình 10 còn cho thấy kết hợp PDC trong dải tần thấp và FDS trong dải tần cao giúp giảm thời gian thí nghiệm xuống rất nhiều lần.

NGUYỄN MẠNH THẮNG

(Dịch và chú thích)