Cơ chế phá hủy cách điện trong của thiết bị cao áp khi vận hành, ảnh hưởng của dầu biến áp
>>Dầu cách điện máy biến áp Total>> Dầu cách điện máy biến áp Thụy Điển NYNAS
Chế độ sự cố do lão hóa dầu và nhiễm bẩn sứ bên trong
Phóng điện qua phần bên trong của đầu sứ máy biến áp là kết quả của hiện tượng lão hóa rất đặc trưng trong sứ xuyên. Quá trình phá hủy hình thành và phát triển bên trong kênh dầu giữa lõi và phần sứ bên dưới. Cường độ điện trường trong kênh dầu và giữa các bề mặt của các chi tiết đầu lõi và trong ống sứ phụ thuộc vào hai yếu tố: thiết kế cách điện của sứ xuyên và cách bố trí của đầu sứ xuyên so với các bộ phận được tiếp đất và cuộn dây. Đã theo dõi việc hình thành chất cặn bán dẫn trên mặt trong của phần sứ bên dưới và xác định rằng nó làm giảm độ dự trữ an toàn điện môi trong không gian cách điện, dẫn đến phóng điện bề mặt trong của sứ xuyên.
Quá trình phá hủy có thể được giới thiệu như sau:
- Dầu bị xuống cấp, hình thành các sản phẩm phân hủy dầu, đặc biệt là các chất keo có chứa các nguyên tử kim loại; hình thành và phát triển các chất có hoạt tính bề mặt dạng anion và nước liên kết (hydrate);
- Lắng đọng các chất bán dẫn trên bề mặt dưới tác dụng của điện trường;
- Biến dạng điện trường, thay đổi sự phân bố điện áp dọc theo sứ; giảm độ bền điện môi của dầu do sự chuyển đổi của nước liên kết sang trạng thái hòa tan và các loại hạt.
- Phóng điện bề mặt, phát tỏa khí và phóng điện vòng.
Hiệu ứng điện của việc lắp đặt sứ xuyên. Sứ xuyên đặt gần các phần tử tiếp đất có thể làm tăng cường độ điện trường 20 - 25% và làm biến dạng về cơ bản điện trường bên trong.Trong một số trường hợp (ví dụ một vài loại cuộn kháng), có một khối lượng lớn dầu chịu ứng suất điện, điều này rất nhạy cảm đối với sự nhiễm bẩn dầu. Độ dự trữ an toàn điện môi của bộ sứ xuyên được xác định bởi độ bền điện môi của kênh dầu giữa lõi và sứ. Giảm độ bền điện môi của dầu có thể làm giảm độ dự trữ an toàn này xuống mức giới hạn và tăng cường hoạt động phóng điện. Điện trường tác động lên các phản ứng hóa học trong dầu và tạo điều kiện để các chất keo nhanh đông kết. Điện trường trên bề mặt sứ xuyên bẩn sẽ hút và giữ các hạt dẫn điện trong dầu máy biến áp.
Hiệu ứng nhiệt của máy biến áp
Nhiệt tỏa ra từ thùng dầu của máy biến áp quyết định nhiệt độ không khí xung quanh đầu sứ xuyên bên ngoài thùng dầu. Dầu máy biến áp là nguồn nhiệt chính làm nóng sứ xuyên. Còn hai nguồn nhiệt nữa, đó là tổn hao điện môi trong lõi và tổn thất điện trở trong ty sứ. Tổn thất điện trở này không ảnh hưởng lớn đến sự phân bố nhiệt độ nếu dòng điện qua ty sứ nhỏ hơn 0,5 giá trị dòng điện danh định. Sự trao đổi nhiệt chủ yếu diễn ra trong kênh dầu giữa lõi và sứ, đặc biệt mạnh ở phần gần với đáy của các ống lắp đặt gần với lớp dầu bên trên của máy biến áp. Tại đây, dòng đối lưu chảy xuống tiến gần với bề mặt của lõi. Đôi chỗ, nhiệt độ lớn nhất của dầu trong sứ xuyên có thể bằng nhiệt độ của lớp dầu trên cùng, thậm chí còn có thể cao hơn. Quá trình làm mát dầu trong ống sứ có tác dụng thúc đẩy sự hình thành các chất keo.
Ảnh hưởng của loại dầu và tính tương thích của dầu với các vật liệu khác
Kinh nghiệm thực tế và kết quả thử nghiệm trong phòng trên rất nhiều mẫu sứ xuyên cho thấy sự suy giảm mức cách điện của sứ xuyên trên thực tế chỉ xảy ra với loại dầu được xử lý bằng axit có hàm lượng carbua hydro thơm tương đối cao (CA = 17%), với các đặc tính sau: rất háo nước, hàm lượng nước liên kết cao; điểm anilin 71oC có tác dụng thúc đẩy sự tương tác với các vòng đệm cao su, đặc biệt là với tác nhân tạo dẻo, và có xu hướng hình thành các sản phẩm lão hóa phân cực và bùn cặn. Cũng thấy rằng các loại vòng đệm chịu dầu lại có các ảnh hưởng khác nhau đối với quá trình tăng tốc lão hóa dầu. Đặc biệt là các vòng đệm có chứa tác nhân hoá dẻo có thể góp phần làm suy giảm chất lượng dầu và có tác dụng thúc đẩy hình thành các chất lắng đọng bán dẫn trên mặt sứ.
Chế độ sự cố do bẩn mặt ngoài sứ bên dưới
Kinh nghiệm cho thấy rằng độ bền điện môi của phần dầu trong sứ xuyên cao áp có thể rất nhạy cảm với dầu máy biến áp nhiễm bẩn các hạt dẫn điện. Đã có nhiều trường hợp được ghi nhận liên quan với sự tụ bám cacbon lên phần dưới của sứ mà nguyên nhân ban đầu là sự quá nhiệt cục bộ của lõi, và sự tụ bám các hạt sắt lên mặt sứ do mài mòn các ổ trục máy bơm tạo ra. Sự hình thành các chất keo chứa hạt kim loại gây nên bởi quá trình lão hóa dầu với cao su và các hạt kim loại của máy biến áp cũng được coi là một nguyên nhân rất đặc trưng của hiện tượng nhiễm bẩn sứ. Điện trường xung quanh sứ xuyên có tác dụng thúc đẩy quá trình sứ thu hút các hạt kim loại (hiệu ứng bẫy). Phân bố không đều điện áp dọc theo ống sứ gần mối ghép vòng đệm cùng với sự tồn tại của điện trường trong vùng này là hiện tượng đặc trưng của các sứ xuyên kiểu tụ điện. Cường độ điện trường cực đại nằm ở ngay gần mối ghép vòng đệm. Tăng điện trường có thể làm tăng "hiệu ứng bẫy" và mở rộng thêm vùng nhiễm bẩn.
Cơ chế gây hư hại sứ xuyên có thể là như sau: Hình thành cặn dẫn điện do quá trình lão hóa phức tạp của dầu máy biến áp khi có mặt chất chiết lọc vòng đệm cao su và kim loại của máy biến áp. Cùng với các kim loại hoà tan và lơ lửng trong dầu máy biến áp, chất này có thể gây nên hiện tượng bám dính dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi sứ xuyên và các bộ phận nối đất của máy biến áp. Sự khác nhau về chất lượng dầu máy biến áp và dầu trong sứ xuyên cũng như sự chênh lệch nhiệt độ dầu có thể là các yếu tố chính lý giải cho sự hình thành các vết bẩn chỉ trên trên mặt ngoài mà thôi. Gia tăng cục bộ cường độ điện trường trong không gian “giữa sứ xuyên và vỏ thùng dầu máy biến áp” cũng có thể dẫn đến sự tập trung các chất dẫn điện trong vùng này. Do đó, điều này có thể giải thích cho sự hình thành các vệt bán dẫn dọc theo sứ.
Cần xem xét những yếu tố nguy hiểm sau do ảnh hưởng của các vết bẩn:
- Giảm chiều dài đường rò trên sứ (hoặc khoảng cách cách điện), và do đó giảm điện áp khởi đầu gây phóng điện bề mặt;
- Giảm hiệu ứng màn chắn của màn chắn nối đất (lớp nối đất) và do đó làm tăng thêm điện trường trên bề mặt sứ gần với ống lồng nối đất, đặc biệt là gần với vị trí vòng đệm;
- Tăng cường “hiệu ứng bẫy” của sứ bẩn, thu hút các hạt dẫn điện ra khỏi dầu máy biến áp.
Sự tồn tại của vết bẩn có tính dẫn điện trên sứ có thể được xem là sự “mở rộng” ống lồng nối đất, làm giảm hiệu ứng màn chắn của lớp nối đất của lõi. Hiện tượng này có thể làm cho cường độ điện trường cực đại tăng đáng kể. Từ đó có thể giải thích vì sao độ bền điện môi của sứ xuyên giảm đi đáng kể cũng như khả năng xuất hiện phóng điện trong vùng gần với vị trí ghép mối vòng đệm của sứ xuyên bẩn.
Quá trình phá hủy có thể được giới thiệu như sau:
- Dầu bị xuống cấp, hình thành các sản phẩm phân hủy dầu, đặc biệt là các chất keo có chứa các nguyên tử kim loại; hình thành và phát triển các chất có hoạt tính bề mặt dạng anion và nước liên kết (hydrate);
- Lắng đọng các chất bán dẫn trên bề mặt dưới tác dụng của điện trường;
- Biến dạng điện trường, thay đổi sự phân bố điện áp dọc theo sứ; giảm độ bền điện môi của dầu do sự chuyển đổi của nước liên kết sang trạng thái hòa tan và các loại hạt.
- Phóng điện bề mặt, phát tỏa khí và phóng điện vòng.
Hiệu ứng điện của việc lắp đặt sứ xuyên. Sứ xuyên đặt gần các phần tử tiếp đất có thể làm tăng cường độ điện trường 20 - 25% và làm biến dạng về cơ bản điện trường bên trong.Trong một số trường hợp (ví dụ một vài loại cuộn kháng), có một khối lượng lớn dầu chịu ứng suất điện, điều này rất nhạy cảm đối với sự nhiễm bẩn dầu. Độ dự trữ an toàn điện môi của bộ sứ xuyên được xác định bởi độ bền điện môi của kênh dầu giữa lõi và sứ. Giảm độ bền điện môi của dầu có thể làm giảm độ dự trữ an toàn này xuống mức giới hạn và tăng cường hoạt động phóng điện. Điện trường tác động lên các phản ứng hóa học trong dầu và tạo điều kiện để các chất keo nhanh đông kết. Điện trường trên bề mặt sứ xuyên bẩn sẽ hút và giữ các hạt dẫn điện trong dầu máy biến áp.
Hiệu ứng nhiệt của máy biến áp
Nhiệt tỏa ra từ thùng dầu của máy biến áp quyết định nhiệt độ không khí xung quanh đầu sứ xuyên bên ngoài thùng dầu. Dầu máy biến áp là nguồn nhiệt chính làm nóng sứ xuyên. Còn hai nguồn nhiệt nữa, đó là tổn hao điện môi trong lõi và tổn thất điện trở trong ty sứ. Tổn thất điện trở này không ảnh hưởng lớn đến sự phân bố nhiệt độ nếu dòng điện qua ty sứ nhỏ hơn 0,5 giá trị dòng điện danh định. Sự trao đổi nhiệt chủ yếu diễn ra trong kênh dầu giữa lõi và sứ, đặc biệt mạnh ở phần gần với đáy của các ống lắp đặt gần với lớp dầu bên trên của máy biến áp. Tại đây, dòng đối lưu chảy xuống tiến gần với bề mặt của lõi. Đôi chỗ, nhiệt độ lớn nhất của dầu trong sứ xuyên có thể bằng nhiệt độ của lớp dầu trên cùng, thậm chí còn có thể cao hơn. Quá trình làm mát dầu trong ống sứ có tác dụng thúc đẩy sự hình thành các chất keo.
Ảnh hưởng của loại dầu và tính tương thích của dầu với các vật liệu khác
Kinh nghiệm thực tế và kết quả thử nghiệm trong phòng trên rất nhiều mẫu sứ xuyên cho thấy sự suy giảm mức cách điện của sứ xuyên trên thực tế chỉ xảy ra với loại dầu được xử lý bằng axit có hàm lượng carbua hydro thơm tương đối cao (CA = 17%), với các đặc tính sau: rất háo nước, hàm lượng nước liên kết cao; điểm anilin 71oC có tác dụng thúc đẩy sự tương tác với các vòng đệm cao su, đặc biệt là với tác nhân tạo dẻo, và có xu hướng hình thành các sản phẩm lão hóa phân cực và bùn cặn. Cũng thấy rằng các loại vòng đệm chịu dầu lại có các ảnh hưởng khác nhau đối với quá trình tăng tốc lão hóa dầu. Đặc biệt là các vòng đệm có chứa tác nhân hoá dẻo có thể góp phần làm suy giảm chất lượng dầu và có tác dụng thúc đẩy hình thành các chất lắng đọng bán dẫn trên mặt sứ.
Chế độ sự cố do bẩn mặt ngoài sứ bên dưới
Kinh nghiệm cho thấy rằng độ bền điện môi của phần dầu trong sứ xuyên cao áp có thể rất nhạy cảm với dầu máy biến áp nhiễm bẩn các hạt dẫn điện. Đã có nhiều trường hợp được ghi nhận liên quan với sự tụ bám cacbon lên phần dưới của sứ mà nguyên nhân ban đầu là sự quá nhiệt cục bộ của lõi, và sự tụ bám các hạt sắt lên mặt sứ do mài mòn các ổ trục máy bơm tạo ra. Sự hình thành các chất keo chứa hạt kim loại gây nên bởi quá trình lão hóa dầu với cao su và các hạt kim loại của máy biến áp cũng được coi là một nguyên nhân rất đặc trưng của hiện tượng nhiễm bẩn sứ. Điện trường xung quanh sứ xuyên có tác dụng thúc đẩy quá trình sứ thu hút các hạt kim loại (hiệu ứng bẫy). Phân bố không đều điện áp dọc theo ống sứ gần mối ghép vòng đệm cùng với sự tồn tại của điện trường trong vùng này là hiện tượng đặc trưng của các sứ xuyên kiểu tụ điện. Cường độ điện trường cực đại nằm ở ngay gần mối ghép vòng đệm. Tăng điện trường có thể làm tăng "hiệu ứng bẫy" và mở rộng thêm vùng nhiễm bẩn.
Cơ chế gây hư hại sứ xuyên có thể là như sau: Hình thành cặn dẫn điện do quá trình lão hóa phức tạp của dầu máy biến áp khi có mặt chất chiết lọc vòng đệm cao su và kim loại của máy biến áp. Cùng với các kim loại hoà tan và lơ lửng trong dầu máy biến áp, chất này có thể gây nên hiện tượng bám dính dưới tác dụng của điện trường tạo nên bởi sứ xuyên và các bộ phận nối đất của máy biến áp. Sự khác nhau về chất lượng dầu máy biến áp và dầu trong sứ xuyên cũng như sự chênh lệch nhiệt độ dầu có thể là các yếu tố chính lý giải cho sự hình thành các vết bẩn chỉ trên trên mặt ngoài mà thôi. Gia tăng cục bộ cường độ điện trường trong không gian “giữa sứ xuyên và vỏ thùng dầu máy biến áp” cũng có thể dẫn đến sự tập trung các chất dẫn điện trong vùng này. Do đó, điều này có thể giải thích cho sự hình thành các vệt bán dẫn dọc theo sứ.
Cần xem xét những yếu tố nguy hiểm sau do ảnh hưởng của các vết bẩn:
- Giảm chiều dài đường rò trên sứ (hoặc khoảng cách cách điện), và do đó giảm điện áp khởi đầu gây phóng điện bề mặt;
- Giảm hiệu ứng màn chắn của màn chắn nối đất (lớp nối đất) và do đó làm tăng thêm điện trường trên bề mặt sứ gần với ống lồng nối đất, đặc biệt là gần với vị trí vòng đệm;
- Tăng cường “hiệu ứng bẫy” của sứ bẩn, thu hút các hạt dẫn điện ra khỏi dầu máy biến áp.
Sự tồn tại của vết bẩn có tính dẫn điện trên sứ có thể được xem là sự “mở rộng” ống lồng nối đất, làm giảm hiệu ứng màn chắn của lớp nối đất của lõi. Hiện tượng này có thể làm cho cường độ điện trường cực đại tăng đáng kể. Từ đó có thể giải thích vì sao độ bền điện môi của sứ xuyên giảm đi đáng kể cũng như khả năng xuất hiện phóng điện trong vùng gần với vị trí ghép mối vòng đệm của sứ xuyên bẩn.
Phá hủy cách điện giấy tẩm dầu của sứ xuyên loại không kín của máy cắt điện cao áp
Khi tháo sứ xuyên của một máy cắt điện (MCĐ) dầu 220 kV bị sự cố trong vận hành, người ta thấy có rất nhiều sáp mạng (X wax). Sự cố xảy ra sau khi MCĐ vận hành được khoảng 3 năm. Kết quả phân tích khí (DGA) các mẫu dầu của cùng loại sứ xuyên (trên 20 chiếc) cho thấy nồng độ hyđro cao (tới 3,5%), nồng độ methan thấp hơn nhưng cũng vượt mức cho phép (tới 0,5%), có ethane (tới 0,2%), và ôxit cacbon (khoảng 0,5%). Các sứ xuyên này được tháo ra và chuyển cho nhà chế tạo để nghiên cứu. Các thử nghiệm thực hiện trên một phần của các sứ xuyên này cho thấy rằng đối với cách điện chính, tgd tăng đáng kể tùy theo điện áp, phóng điện ở mức cao (tới vài trăm pC). Ngay ở điện áp thấp (10kV), tgd cao hơn 1,5 - 2 lần so với các giá trị ghi trên nhãn máy. Tất cả các sứ xuyên đề cập ở trên đều được nạp loại dầu GK. Trong các sứ xuyên nạp dầu T-750, loại kết cấu không có gioăng, kết cấu cách điện giống hệt như các sứ xuyên nói trên, ở cùng cường độ điện trường làm việc, thì lại không thấy hình thành sáp. Như vậy, nguyên nhân xuất hiện PD trong các sứ xuyên được khảo sát phải nằm chính ngay trong sự khác nhau về đặc tính của hai loại dầu là GK và T-750. Kết quả nghiên cứu cho thấy dầu GK có khả năng tạo khí nhiều hơn (hệ số tạo khí của dầu GK lớn hơn gấp 2,5 lần so với dầu T-750, do đó tạo điều kiện cho quá trình hình thành sáp (hỗn hợp khí-dầu) trong dầu GK dễ hơn so với ở dầu T-750. Bởi vì độ hòa tan các loại khí trong khí quyển đối với dầu GK trên thực tế là tương đương với dầu T-750 nên không có lý do để cho rằng nguyên nhân xuất hiện PD trong cách điện sứ xuyên có liên quan đến sự hình thành các bọt khí khi thay đổi nhiệt độ dầu máy biến áp.
Khảo sát thực nghiệm các mẫu cách điện
Các mẫu (hai tờ giấy cách điện cáp, loại dày 0,12 mm) giấy tẩm dầu GK có hàm lượng ẩm khác nhau như sau:
· Giấy "khô" (Wp = 0,5% - 1%) và dầu "khô" (Wo = 5g/t - 9g/t);
· Giấy "khô" và dầu "ướt" (Wo = 20g/t - 40g/t);
· Giấy "ướt" (Wp > 4%) và dầu "ướt".
Các mẫu này được thử nghiệm trong bình kín và bình không kín. Một phần các mẫu được luôn giữ ở nhiệt độ phòng (+20oC). Phần còn lại được làm lạnh tới +5oC, -10oC, -15oC và -20oC. Sau khi làm lạnh và giữ ở các nhiệt độ này, các mẫu được đặt dưới điện áp, và nóng dần lên trong vòng 1,5 đến 2 h. Điện áp được đặt lên các mẫu trong 6 - 8 h mỗi ngày. Tổng cộng thời gian điện áp tác động lên các mẫu là 50 - 55 h. Giá trị điện áp tương ứng với giá trị xuất hiện PD ổn định (50 - 100 pC). Khi đặt điện áp, người ta ghi lại điện tích biểu kiến và số xung PD. Một số mẫu giấy "khô" và dầu "khô" được để hút ẩm tự nhiên trong vòng 1,5 tháng, nhờ đó tăng hàm lượng ẩm của dầu tới 25 g/t. Một số mẫu khác được làm bằng giấy của sứ xuyên bị sự cố, có chứa hơi ẩm (khoảng 20 g/t), sáp và dầu. Kết quả cho thấy điện áp khởi đầu PD ít thay đổi đối với tất cả các mẫu, khoảng 11 - 13 kV. Tuy nhiên, đặc tính phát triển PD lại tùy thuộc rất nhiều vào hàm lượng ẩm của các mẫu, điều kiện nhiệt độ và mức độ kín của thiết bị.
Trong các bình kín, cho dù hàm lượng ẩm của các mẫu như thế nào, với chu kỳ làm lạnh-gia nhiệt dầu từ +20oC xuống -20oC rồi lại lên +20oC, thì quá trình phát triển PD, vị trí xuất hiện PD (cạnh sắc của điện cực), số lượng xung PD (khoảng 10 - 14 xung/phút) và điện lượng biểu kiến (900 - 1300 pC) đều giống với khi ở nhiệt độ phòng (+20oC). Trong các bình không kín, khi thử nghiệm mẫu cách điện giấy - dầu đã được nhiễm ẩm nhân tạo, ở chu kỳ làm lạnh - gia nhiệt là +20oC, -20oC, +20oC thì số xung PD đã tăng tới 20 - 25 xung/phút nhưng các giá trị điện tích biểu kiến tương ứng của chúng là 100 - 300 pC. Trên các mẫu này, vết cháy đen của quá trình PD đã xuất hiện ở vùng có điện trường phân bố đều. Không thấy có vết hình thành sáp. Khi thử nghiệm các mẫu được làm nhiễm ẩm tự nhiên, đặc tính PD cũng giống như đối với các mẫu được làm nhiễm ẩm nhân tạo. Tuy nhiên, khi tháo ra thấy có sáp mạng giữa các lớp giấy.
Như vậy có thể khẳng định rằng nhiễm ẩm dầu máy biến áp (dầu máy biến thế) trong thiết bị không được chèn kín, sau đó là sự hình thành sáp mạng có thể là nguyên nhân gây nên phóng điện trong cách điện giấy - dầu trong điện trường đều.
lưu ý: dầu máy biến áp có cách gọi khác là dầu máy biến thế, tiếng anh là transformer oil