Nghiên Cứu Phóng Điện Cục Bộ Trong Kỹ Thuật Điện

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật điện thí nghiệm chẩn đoán phóng điện cục bộ cho biến điện áp khô, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong

• Tác giả: Nguyễn Sĩ Huy Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Hồ Văn Nhật Chương
• Trường học: Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Thí Nghiệm Chẩn Đoán Phóng Điện Cục Bộ Cho Biến Điện Áp Khô
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1.2. PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯỜNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ
• 2. CHƯƠNG 2: HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ VÀ MÔ HÌNH
• 2.1. HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ TRONG MÔI TRƯỜNG ĐIỆN MÔI KHÔ
• 2.2. MÔ HÌNH GEMANT & PHILIPPOFF VÀ NHỮNG CẢI TIẾN
• 2.2.1. Mạch tương đương gồm 3 tụ điện của Gemant & Philippoff
• 2.2.2. Mô hình 3 tụ điện cải tiến của PLY
• 2.2.3. Mô hình 3 tụ điện cải tiến của Whitchead
• 2.2.4. Mô hình mở rộng theo hướng điện tích dư
• 2.3. CÁC YẾU TỐ KHÁC LIÊN QUAN ĐẾN MÔ HÌNH PD
• 2.3.1. Hệ số hình học gia tăng cường độ điện trường trong lỗ trống
• 2.3.2. Hệ số điều chỉnh giá trị điện dung trong mô hình
• 2.3.3. Điện áp khởi phát và điện áp dập tắt PD (PDIV và PDEV)
• 2.3.4. Xác suất xảy ra PD theo mật độ gia tăng electron (EGR)
• 2.4. THÀNH LẬP BÀI TOÁN
• 2.4.1. Tính toán giá trị các tụ điện
• 2.4.2. Tính toán điện áp khởi phát và điện áp dập tắt PD
• 2.4.3. Mật độ gia tăng electron
• 2.4.4. Phân tích định tính
• 2.4.5. Lưu đồ phân tích kết quả
• 2.4.6. Hướng khảo sát
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ
• 3.1. THÔNG SỐ TỔNG QUÁT CỦA MẠCH ĐO PD
• 3.2. TRƯỜNG HỢP LỖ TRỐNG HÌNH HỘP
• 3.2.1. Tính toán giá trị các tụ điện tương ứng
• 3.2.2. Tính toán điện áp khởi phát và điện áp dập tắt PD
• 3.2.3. Tính toán mật độ gia tăng electron
• 3.2.4. Kết quả mô phỏng
• 3.3. TRƯỜNG HỢP LỖ TRỐNG HÌNH TRỤ
• 3.3.1. Tính toán giá trị các tụ điện tương ứng
• 3.3.2. Tính toán điện áp khởi phát và điện áp dập tắt PD
• 3.3.3. Tính toán mật độ gia tăng electron
• 3.3.4. Kết quả mô phỏng
• 3.4. TRƯỜNG HỢP LỖ TRỐNG HÌNH CẦU
• 3.4.1. Tính toán giá trị các tụ điện tương ứng
• 3.4.2. Tính toán điện áp khởi phát và điện áp dập tắt PD
• 3.4.3. Tính toán mật độ gia tăng electron
• 3.4.4. Kết quả mô phỏng
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ
• 4.1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ
• 4.2. BỘ PHÁT XUNG HIỆU CHUẨN
• 4.3. PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ GÓC PHA PRPD
• 4.4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ
• 5. CHƯƠNG 5: ĐO LƯỜNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ CHO CÁC MÁY BIẾN ĐIỆN ĐO LƯỜNG TRUNG THẾ CÓ CÁCH ĐIỆN RẮN
• 5.1. CÁCH THỨC ĐO PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ CHO MÁY BIẾN ĐIỆN ĐO LƯỜNG
• 5.1.1. Phương pháp truyền thống
• 5.1.2. Thí nghiệm chẩn đoán phóng điện cục bộ theo các phương pháp phi truyền thống
• 5.2. MẪU THÍ NGHIỆM
• 5.2.1. Mẫu thí nghiệm 1
• 5.2.2. Mẫu thí nghiệm 2
• 5.2.3. Mẫu thí nghiệm 3
• 6. CHƯƠNG 6: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• 6.1. TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
• 6.2. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Phóng Điện Cục Bộ Trong Kỹ Thuật Điện

Nghiên cứu về phóng điện cục bộ (Partial Discharge - PD) là một lĩnh vực quan trọng trong kỹ thuật điện. Hiện tượng này xảy ra khi điện trường tập trung tại các điểm yếu trong vật liệu cách điện, dẫn đến sự phóng điện không hoàn toàn. Việc hiểu rõ về PD giúp cải thiện độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị điện. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp kiến thức nền tảng mà còn mở ra hướng đi mới cho các giải pháp kỹ thuật trong ngành điện.

1.1. Định Nghĩa Và Tầm Quan Trọng Của Phóng Điện Cục Bộ

Phóng điện cục bộ là hiện tượng xảy ra trong các vật liệu cách điện khi điện trường vượt quá ngưỡng cho phép. Hiện tượng này có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng cho thiết bị điện nếu không được phát hiện kịp thời.

1.2. Lịch Sử Nghiên Cứu Phóng Điện Cục Bộ

Lịch sử nghiên cứu về PD bắt đầu từ những năm 1900, khi các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện ra hiện tượng này. Qua nhiều thập kỷ, các phương pháp đo lường và phân tích PD đã được phát triển, giúp nâng cao độ chính xác trong việc phát hiện và đánh giá tình trạng cách điện.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Nghiên Cứu Phóng Điện Cục Bộ

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong nghiên cứu phóng điện cục bộ, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức. Việc phát hiện PD trong các thiết bị điện phức tạp là một vấn đề lớn. Các yếu tố như độ chính xác của thiết bị đo, điều kiện môi trường và tính chất của vật liệu cách điện đều ảnh hưởng đến kết quả đo lường.

2.1. Những Khó Khăn Trong Việc Phát Hiện Phóng Điện Cục Bộ

Phát hiện PD thường gặp khó khăn do tính chất ngẫu nhiên và không ổn định của hiện tượng này. Các thiết bị đo lường cần phải được hiệu chuẩn chính xác để đảm bảo độ tin cậy.

2.2. Ảnh Hưởng Của Môi Trường Đến Phóng Điện Cục Bộ

Môi trường xung quanh, bao gồm độ ẩm, nhiệt độ và áp suất, có thể ảnh hưởng đến cường độ và tần suất của PD. Việc nghiên cứu các yếu tố này là cần thiết để cải thiện độ chính xác trong việc phát hiện PD.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Phóng Điện Cục Bộ Hiện Nay

Có nhiều phương pháp được áp dụng để nghiên cứu và phát hiện phóng điện cục bộ. Các phương pháp này bao gồm mô hình hóa, thí nghiệm thực nghiệm và sử dụng các thiết bị đo lường hiện đại. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng.

3.1. Mô Hình Hóa Hiện Tượng Phóng Điện Cục Bộ

Mô hình hóa giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của PD. Các mô hình điện tử và vật lý được sử dụng để mô phỏng các điều kiện khác nhau và dự đoán hành vi của PD trong các vật liệu cách điện.

3.2. Thí Nghiệm Thực Nghiệm Để Đánh Giá Phóng Điện Cục Bộ

Thí nghiệm thực nghiệm là phương pháp quan trọng để xác định các thông số của PD. Các thiết bị đo lường hiện đại được sử dụng để thu thập dữ liệu và phân tích hiện tượng này trong điều kiện thực tế.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Nghiên Cứu Phóng Điện Cục Bộ

Nghiên cứu về phóng điện cục bộ có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành điện. Việc phát hiện và phân tích PD giúp nâng cao độ tin cậy của thiết bị điện, từ đó giảm thiểu rủi ro và chi phí bảo trì. Các ứng dụng này bao gồm máy biến áp, cáp điện và các thiết bị điện khác.

4.1. Ứng Dụng Trong Máy Biến Áp

Máy biến áp là một trong những thiết bị điện quan trọng nhất. Việc phát hiện PD trong máy biến áp giúp ngăn ngừa hư hỏng và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.

4.2. Ứng Dụng Trong Cáp Điện

Cáp điện cũng là một lĩnh vực quan trọng trong nghiên cứu PD. Việc phát hiện PD trong cáp giúp đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của hệ thống điện.

V. Kết Luận Và Hướng Nghiên Cứu Tương Lai Về Phóng Điện Cục Bộ

Nghiên cứu về phóng điện cục bộ đã đạt được nhiều thành tựu quan trọng, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần phải giải quyết. Hướng nghiên cứu tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các công nghệ mới để phát hiện PD một cách hiệu quả hơn, cũng như cải thiện các phương pháp đo lường hiện tại.

5.1. Tương Lai Của Nghiên Cứu Phóng Điện Cục Bộ

Nghiên cứu trong lĩnh vực này sẽ tiếp tục phát triển, với sự hỗ trợ của công nghệ mới và các phương pháp tiên tiến. Điều này sẽ giúp nâng cao độ tin cậy của thiết bị điện và giảm thiểu rủi ro.

5.2. Các Xu Hướng Mới Trong Nghiên Cứu PD

Các xu hướng mới trong nghiên cứu PD bao gồm việc áp dụng trí tuệ nhân tạo và học máy để phân tích dữ liệu và dự đoán hành vi của PD trong các điều kiện khác nhau.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng phóng điện cục bộ (Partial Discharge - PD) là một dạng phóng điện không hoàn toàn xảy ra bên trong các điện môi rắn hoặc lỏng, đặc biệt phổ biến trong các thiết bị điện có cách điện trung thế như máy biến điện đo lường. Theo ước tính, PD là nguyên nhân chính gây suy giảm tuổi thọ và hư hỏng cách điện, dẫn đến sự cố thiết bị điện không mong muốn. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là xây dựng mô hình toán học mô phỏng hiện tượng PD trong điện môi rắn, đặc biệt là các lỗ trống hoặc bọt khí giữa điện môi epoxy, đồng thời khảo sát và thiết kế hệ thống đo lường PD phù hợp cho các máy biến điện đo lường trung thế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các mẫu thử epoxy và các máy biến dòng, biến điện áp đo lường trung thế tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2017. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp công cụ mô phỏng chính xác và hệ thống đo lường hiệu quả, giúp phát hiện sớm hiện tượng PD, từ đó nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ của thiết bị điện, giảm thiểu rủi ro sự cố và chi phí bảo trì.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên mô hình mạch tương đương ba tụ điện của Gemant & Philippoff để mô phỏng hiện tượng PD trong lỗ trống giữa điện môi. Mô hình này được cải tiến bởi các nghiên cứu của P. Chia, Whitehead và Rainer Patsch nhằm bổ sung các yếu tố như điện áp khởi phát (PDIV), điện áp dập tắt (PDEV), hệ số hình học của lỗ trống, và xác suất xảy ra PD dựa trên mật độ gia tăng electron (EGR). Các khái niệm chính bao gồm:

• Phóng điện cục bộ (PD): Hiện tượng phóng điện không hoàn toàn trong các vùng khiếm khuyết của điện môi.
• Điện áp khởi phát PD (PDIV): Điện áp tối thiểu để hiện tượng PD bắt đầu.
• Điện áp dập tắt PD (PDEV): Điện áp dưới mức đó PD không duy trì được.
• Hệ số hình học (K): Yếu tố điều chỉnh cường độ điện trường trong lỗ trống dựa trên hình dạng lỗ.
• Xác suất xảy ra PD: Mô hình xác suất dựa trên mật độ electron tự do và các điều kiện điện trường.

Ngoài ra, các lý thuyết về điện áp đánh thủng khí theo định luật Paschen và cơ chế ion hóa khí cũng được áp dụng để xác định điều kiện khởi phát PD.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các kết quả thí nghiệm đo phóng điện cục bộ trên các mẫu epoxy và máy biến điện đo lường trung thế tại phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu gồm nhiều mẫu thử epoxy với các dạng lỗ trống hình hộp, hình trụ và hình cầu, cùng các máy biến dòng và biến điện áp có cách điện epoxy. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các dạng khiếm khuyết phổ biến trong thực tế sản xuất và vận hành thiết bị.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Xây dựng mô hình toán học và mô phỏng hiện tượng PD bằng Matlab và Simulink, với giao diện nhập liệu cho các thông số hình học, vật liệu, áp suất, nhiệt độ và điều kiện mạch đo.
• Hiệu chuẩn và thiết kế hệ thống đo lường PD dựa trên mạch đo song song và nối tiếp, sử dụng các thiết bị đo điện dung, bộ lọc băng thông theo tiêu chuẩn IEC 60270.
• Thí nghiệm đo PD trên các mẫu thử và máy biến điện đo lường, thu thập dữ liệu điện tích biểu kiến PD (pC), điện áp khởi phát và dập tắt.
• Phân tích dữ liệu định tính và định lượng, so sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm và các nghiên cứu quốc tế.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2017, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, thiết kế hệ thống đo, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình 3 tụ điện cải tiến cho phép mô phỏng chính xác hiện tượng PD:
   Các giá trị điện dung tương ứng và hệ số hình học được tính toán cho các dạng lỗ trống khác nhau, giúp mô phỏng điện áp khởi phát PDIV và điện áp dập tắt PDEV phù hợp với điều kiện thực tế. Ví dụ, PDIV dao động trong khoảng 2-3 kV/mm tùy theo áp suất và hình dạng lỗ trống.

2. Xác suất xảy ra PD phụ thuộc mật độ electron tự do và điều kiện điện trường:
   Mô hình xác suất dựa trên mật độ gia tăng electron (EGR) cho kết quả mô phỏng sát với thực nghiệm hơn so với mô hình xác suất cố định hoặc xác suất tuyệt đối. Thời gian khởi phát PD theo mô hình này phù hợp với các kết quả thực nghiệm, với khoảng thời gian khởi phát PD từ vài ms đến vài chục ms tùy kích thước lỗ trống.

3. Hệ thống đo lường PD thiết kế dựa trên mạch đo song song và nối tiếp đạt độ nhạy cao:
   Các phép đo trên mẫu epoxy và máy biến điện đo lường cho thấy điện tích biểu kiến PD dao động từ vài pC đến vài chục pC, phản ánh mức độ khiếm khuyết và nguy cơ suy giảm cách điện. Độ nhạy của hệ thống đo được cải thiện khi điều chỉnh điện dung coupling và sử dụng bộ lọc băng thông phù hợp.

4. Kết quả thí nghiệm thực tế trên máy biến điện đo lường trung thế:
   Thống kê cho thấy khoảng 30-40% mẫu máy biến dòng và biến điện áp có hiện tượng PD, chủ yếu do bọt khí trong điện môi epoxy. Các dạng PD bao gồm phóng điện bề mặt, phóng điện cục bộ hỗn hợp và phóng điện do bọt khí, với điện tích biểu kiến trung bình khoảng 15 pC.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng PD là do sự không đồng nhất trong điện môi, đặc biệt là các lỗ trống hoặc bọt khí có hệ số hình học làm tăng cường độ điện trường cục bộ. Việc áp dụng mô hình 3 tụ điện cải tiến giúp mô phỏng chính xác hơn các đặc tính điện áp khởi phát và dập tắt PD, đồng thời mô hình xác suất dựa trên mật độ electron tự do phản ánh đúng tính ngẫu nhiên và điều kiện vật lý của hiện tượng.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng và thực nghiệm trong luận văn tương đồng về phạm vi điện áp và điện tích biểu kiến PD, chứng tỏ tính khả thi và độ tin cậy của mô hình và hệ thống đo lường được phát triển. Việc sử dụng các phương pháp đo lường chuẩn IEC 60270 và hiệu chuẩn mạch đo giúp đảm bảo độ chính xác và khả năng áp dụng trong thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ điện áp khởi phát theo áp suất, giản đồ góc pha PRPD thể hiện phân bố PD theo pha điện áp, và bảng thống kê điện tích biểu kiến PD trên các mẫu thử. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng mối quan hệ giữa điều kiện vận hành, hình dạng lỗ trống và mức độ PD.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống đo lường PD tự động cho các máy biến điện đo lường trung thế:
   Áp dụng mạch đo song song với bộ lọc băng thông chuẩn IEC 60270, nhằm nâng cao độ nhạy và độ chính xác trong phát hiện PD. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các đơn vị bảo trì và vận hành lưới điện.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng PD tích hợp giao diện người dùng thân thiện:
   Cho phép nhập các thông số hình học, vật liệu và điều kiện vận hành để dự báo nguy cơ PD và tuổi thọ cách điện. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

3. Tăng cường kiểm soát chất lượng vật liệu cách điện epoxy trong sản xuất:
   Áp dụng quy trình đúc chân không nghiêm ngặt để giảm thiểu bọt khí, từ đó hạn chế hiện tượng PD. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất thiết bị điện.

4. Đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên về kỹ thuật đo lường và phân tích PD:
   Nâng cao năng lực phát hiện sớm và xử lý sự cố PD, giảm thiểu rủi ro hư hỏng thiết bị. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: các trung tâm đào tạo và công ty điện lực.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và chuyên viên bảo trì thiết bị điện:
   Nắm vững kiến thức về hiện tượng PD và phương pháp đo lường để phát hiện sớm các khiếm khuyết cách điện, từ đó đưa ra biện pháp bảo trì hiệu quả.

2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện:
   Sử dụng mô hình và phương pháp nghiên cứu làm cơ sở cho các đề tài nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng PD và cải tiến thiết bị đo lường.

3. Nhà sản xuất thiết bị điện cách điện epoxy:
   Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến quy trình sản xuất, giảm thiểu bọt khí và nâng cao chất lượng cách điện.

4. Các đơn vị quản lý và vận hành lưới điện:
   Tham khảo để xây dựng quy trình kiểm tra, giám sát và bảo trì thiết bị điện nhằm đảm bảo an toàn và độ tin cậy vận hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Phóng điện cục bộ là gì và tại sao nó nguy hiểm?
   PD là hiện tượng phóng điện không hoàn toàn xảy ra trong các vùng khiếm khuyết của điện môi. Nó không gây hư hỏng ngay lập tức nhưng làm suy giảm cách điện theo thời gian, dẫn đến hư hỏng thiết bị và sự cố không mong muốn.

2. Làm thế nào để đo lường hiện tượng PD?
   PD được đo bằng các mạch đo tương đương (song song hoặc nối tiếp) kết hợp với thiết bị đo điện tích biểu kiến PD (pC). Việc hiệu chuẩn mạch đo là cần thiết để định lượng chính xác.

3. Mô hình 3 tụ điện cải tiến có ưu điểm gì?
   Mô hình này bổ sung các yếu tố như điện áp khởi phát, điện áp dập tắt, hệ số hình học và xác suất xảy ra PD, giúp mô phỏng chính xác hơn hiện tượng PD trong các lỗ trống giữa điện môi.

4. Điện áp khởi phát PD phụ thuộc vào những yếu tố nào?
   PDIV phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, kích thước và hình dạng lỗ trống, cũng như đặc tính vật liệu điện môi và điều kiện điện trường.

5. Làm sao để giảm thiểu hiện tượng PD trong thiết bị điện?
   Giảm thiểu bọt khí trong vật liệu cách điện, sử dụng quy trình đúc chân không, kiểm soát chất lượng vật liệu, và áp dụng hệ thống đo lường PD để phát hiện và xử lý kịp thời.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng và cải tiến mô hình mạch tương đương ba tụ điện để mô phỏng hiện tượng phóng điện cục bộ trong điện môi rắn, đặc biệt là các lỗ trống khí trong epoxy.
• Mô hình xác suất dựa trên mật độ electron tự do giúp mô phỏng chính xác thời gian và xác suất xảy ra PD, phù hợp với kết quả thực nghiệm.
• Hệ thống đo lường PD thiết kế dựa trên mạch đo song song và nối tiếp đạt độ nhạy cao, cho phép phát hiện sớm hiện tượng PD trên các máy biến điện đo lường trung thế.
• Kết quả thí nghiệm thực tế cho thấy hiện tượng PD phổ biến trong các thiết bị có cách điện epoxy, chủ yếu do bọt khí và các khiếm khuyết vật liệu.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm nâng cao hiệu quả phát hiện và xử lý PD, góp phần tăng độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị điện.

Next steps: Triển khai ứng dụng mô hình và hệ thống đo lường trong thực tế, mở rộng nghiên cứu sang các loại điện môi khác và điều kiện vận hành đa dạng hơn.

Các đơn vị nghiên cứu và vận hành thiết bị điện nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng kiểm tra và bảo trì, đồng thời tiếp tục phát triển các công nghệ đo lường PD tiên tiến.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung Sơ đỗ hình 1.2 giúp làm tăng độ nhạy của phép do, do tiếp địa của đối tượng thí nghiệm được mắc trực tiếp với trở kháng đo lường, nhưng đồng thời nó cũng làm tăng nguy cơ phá hỏng thiết bị đo nếu có dòng điện lớn chạy qua nó. Ngoài ra, sơ đồ này chỉ có thé được triển khai khi tiếp địa của đối tượng thí nghiệm được tách ra. Điều này chỉ kha thi trong một sỐ trường hợp đặc biệt, nên sơ đồ hình 1.2 thường được sử dụng rộng rãi hơn. Đơn vị để định lượng PD là điện tích biểu kiến pico Coulomb (pC).

Điện tích biéu kiến đo được bởi tổng trở do lường CD khó có quan hệ chính xác tuyệt đối với điện tích thực của sự phóng điện bên trong đối tượng thí nghiệm, nhưng sự gia tăng của điện tích biểu kiến này đồng nghĩa với việc PD thực sự xảy ra với biên độ cao hơn. Từ đó, các phép định lượng sẽ có thể đánh giá được mức độ nguy hiểm của hiện tượng PD. Bởi vì đây là một phép đo gián tiếp, việc phát một xung mẫu dé hiệu chuẩn mach đo là cần thiết để định lượng. Sơ đồ hiệu chuẩn thé hiện như hình 1.3: Sơ đô hiệu chuẩn mach do PD \/ Cc lị H = song song [1] Hình 1.4: Sơ đồ hiệu chuẩn mạch do PD noi tiép [1] Trang 3 Chương 1: Giới thiệu chung 13 MỤC TIỂU CUA DE TÀI Đề tài sẽ đi từ những cơ sở lý thuyết cơ bản nhất của hiện tượng PD, từ đó dẫn dat đến những kết quả thí nghiệm thực tế trong phòng thí nghiệm.

Thông qua dé tài này, một cái nhìn tông quát nhât vê hiện tượng PD trong điện môi răn sẽ được đề cập: - Tìm hiểu co chế của hiện tượng PD - Tìm hiéu về các hướng nghiên cứu hiện tượng PD do bot khí gây ra - Xây dựng mô hình dé mô phỏng hiện tượng lỗ trỗng trong cách điện epoxy dựa trên các thông số liên quan - Khảo sát và thiết kế hệ thống đo lường PD - Dan chứng những kết quả thí nghiệm thực tế trên các máy biến điện do lường - Dua ra những hướng nghiên cứu tiếp theo 14 TAM QUAN TRỌNG CỦA ĐÈ TÀI Hiện nay chưa có luận văn thạc sĩ, tiên sĩ, công trình nghiên cứu nào trong nước nào đi chuyên sâu về lý thuyết phóng điện cục bộ. 15 PHAM VI NGHIEN CỨU Đề hiểu được hiện tượng phóng điện cục bộ cũng như cách đo định lượng nó thì phải cần khảo sát các trường hợp khiếm khuyết cụ thể. Việc thực nghiệm để có được cái nhìn cụ thể về một dạng phóng điện cục bộ nào đó gặp rất nhiều trở ngại, do nó đòi hỏi phải được thực hiện trong phòng thí nghiệm đạt chuẩn, nguồn thí nghiệm phải hoàn toàn sạch PD nội bộ, hệ thống tiếp địa tốt và không gây nhiễu lên hệ thông đo. Một giải pháp được đưa ra là xây dựng mồ hình toán học cho hiện tượng phóng điện cục bộ và khảo sát sự ảnh hưởng của các yếu tố liên quan đến nó như cường độ điện trường, dạng hình học của tác nhân gây ra phóng điện cục bộ.

Trang 4 Chương 1: Giới thiệu chung ˆ Mô hình không FEM [2| gian, thời gian FDM [3] Mô hình vat lý ⁄ "a > ( *) Mô hình mạch | Mô hình 3 tụ tương đương điện [Š]. [6] Mô hình PD : ) Ỹ | trong điện môi - ran Thêm tính xác ae. suất vào các mô Pits nến SE” THỦ hình vật lý Mee TA M6 hinh ngau = ` ~ nhiên - ( Xây dựng công | Dựa trên phương thức dựa trên pháp Monte thực nghiệm Carlo [8] Hình 1.5: Tổng quan về hướng nghiên cứu hiện tượng PD trong điện môi ran Đâu vào Mô hình Đâu ra PA z b » Điện áp, tân sô A A 1) ° Mô hình lô trông x A > a* Dạng xung điện aN áp z > — , Rn gon ` ae. A ¢ Tính chat vật liệu * Bài toán phân bô ° Điện tích biêu kiên - Điêu kiện môi điện trường - Số lan xảy ra PD trường *PDIV, PDEV trong chu kì su.

* Nhiệt độ ° Các dữ kiện đê Ap suất phân tích định tính - Đô 4m và định lượng `" ⁄ ` / ` S Hình 1.6: Tổng quan vệ các mô hình PD trong điện môi ran Mô hình vật lý được xây dựng cho hiện tượng lỗ trống giữa điện môi ban đầu dựa trên sơ đỗ mach tương đương gồm 3 tụ điện do Gemant và Philippoff đưa ra [5]. Trong những năm gan day, với sự phát triển của công nghệ máy tính, việc ứng dụng phương pháp số trong các bài toán liên quan đến trường điện từ ngày càng thuận lợi hơn, mà dién hình là việc ứng dụng phương pháp FDM, FEM để giải các phương trình liên quan đên điện trường, sự truyền nhiệt. Bên cạnh đó, một sô nhóm nghiên cứu cứu Trang 5 Chương 1: Giới thiệu chung cũng coi hiện tượng PD như một hiện tượng xảy ra có xác suât, nên đã áp dụng nhiều công thức xác suất và phân bố để mô hình sự ngẫu nhiên của PD [8]. Dau vậy, các hướng trên đêu gặp tương đôi nhiêu bê tac do sự thiêu linh hoạt trong việc điêu chỉnh các biên sô, điêu kiện biên và đòi hỏi phải kêt hợp nhiều công cụ với nhau đê giải một bài toán [9].

Đó là chưa kê đên khả năng và độ nhạy của mạch do, một yếu tô rat quan trọng trong việc lay số liệu thực nghiệm [10]. Trong để tài này, mô hình 3 tụ điện của Gemant và Philippoff [5] giới thiệu sẽ được cải tiễn và phát triển sâu hơn dé có thé hoàn thiện mô hình hiện tượng PD gây ra bởi 10 trông năm giữa điện môi. Tiếp đến, việc khảo sát các thông số của mạch đo lường sẽ được tiễn hành với mục đích thiết kế một hệ thống phù hợp cho việc thí nghiệm phóng điện cục bộ trên các máy biến điện đo lường trung thế có điện môi Epoxy. Dựa trên những kết quả mô phỏng và khảo sát về hiện tượng phóng điện cục bộ và mạch đo lường, việc thí nghiệm phóng điện cục bộ trên các mẫu thử Epoxy cũng như các máy biến dòng đo lường, biến điện áp đo lường trung thé sẽ được tiến hành để đưa ra hướng kết luận cho đề tài.

Trang 6 CHƯƠNG 2: MÔ HINH HIỆN TUONG PHONG ĐIỆN CỤC BO CHƯƠNG II MÔ HÌNH HIỆN TƯỢNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ 2.1 HIỆN TƯỢNG PHONG ĐIỆN CỤC BỘ TRONG MOI TRƯỜNG ĐIỆN MÔI KHÔ: Hiện nay, có nhiều trường phái phân loại phóng điện cục bộ, một sỐ phân loại theo vị trí xảy ra phóng điện cục bộ, một số lại phân loại theo nguồn gốc gây ra phóng điện cục bộ. Nhưng chung quy lại, nếu coi sự không đồng nhất trong điện môi và sự phân bồ điện trường không đồng đều là nguyên nhân chính dẫn đến phóng điện cục bộ, ta có thể phân chia theo các dạng đặc thù theo hình sau: Hình 2.1: Phân loại phóng điện cục bộ W (a) Phóng điện vâng quang do điểm nhọn (b) Phóng điện bê mặt | (a) | (b) (c) Phóng điện nhánh cây trong cách điện rắn (thường trong cáp) ( 2- J (4) Phóng điện do bọt khí trong cách @)_ ® tis ( | ¬ ién (c) (d) Phóng điện cục bộ thường xuất hiện ở những lỗ trong (hình 2.1d), những vết nứt bên trong điện môi ran (hình 2.1c), tại bé mặt ranh giới giữa điện môi va vat dẫn điện trong điện môi rắn và long (hình 2.1 a và b), hoặc những bọt khí nằm trong điện môi lỏng (hình 2. Nó cũng có thể xuất hiện dọc theo ranh giới bề mặt giữa những vật liệu cách điện khác nhau. Trang 7 CHƯƠNG 2: MÔ HINH HIEN TƯỢNG PHONG ĐIỆN CUC BO Tại những khoảng trống hay bọt khí nam trong điện môi thường xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ, do ở những vi tri này độ bền điện môi yếu hơn phan điện môi lan cận.

Khi điện áp đặt lên nó cao hơn điện áp khới phat PD (Partial Discharge Inception Voltage - PDIV), thì lúc đó phóng điện cục bộ bắt đầu xảy ra. Điện môi V YH 4) Lỗ trồng / bọt khí : Phóng điện cục bộ * Hình 2.2: Hình minh họa hiện tượng lỗ trong giữa điện môi 2.1 Độ bên điện môi của không khí Theo tỉ số giữa cường độ điện trường cực đại và trung bình (Kz), ta có thé chia các dạng trên hình 2.1 thành những trường hợp như sau: - _ Điện trường đồng nhất và gan đồng nhất (ke < 2): Hình 2.1 ¢ vad - _ Điện trường không đồng nhất (ke > 4): Hình 2.a và b Theo định luật Paschen [11], điện áp đánh thủng qua chất khí trong trường hợp điện trường đồng nhất phụ thuộc vào tích của áp suất và khoảng cách khe hở giữa 2 điện cực.3 thé hiện dạng của đường cong Paschen, mà theo đó sẽ tn tại tích số của áp suât và khoảng cách điện cực (pd)min mà điện áp phóng điện là cực tiêu Vomin. Trang 8 CHƯƠNG 2: MÔ HINH HIỆN TUONG PHONG ĐIỆN CỤC BO Vo 4 Voinw) -—®—=———————————-. | Vp min |~ — = ae | Lt “ (pd)aw (PA) min (Pa) ow pd Hình 2.3: Duong cong Paschen [11] Bang 2.1: Giá trị điện áp thấp nhất dé xảy ra phóng điện theo tích số áp suất — khoảng cách khe hở [11] Khí (pd)min V min Khí (pd)min Vpmin torrcm volts torrcm volts Khong khi 0.0 155 Trang 9 CHƯƠNG 2: MÔ HINH HIỆN TUONG PHONG ĐIỆN CỤC BO 103+ a Air „ Temperature : 20”C A HH a © 8 £ Ff ° wf 3 10' «4 ra.

52 de la CEI (1960) E Ps Norme ltalienne 42.1 (1963) 3 e^ Norme C 41050 de I'UTE (1960) = “a ^^ IEEE standard No. 4 (ANSI - C 68 - 1) ® +g0k ° | British standard 358 (1960) œ L ao“ VDE 0433 ‘D9, co8 a o S. Schreier nial + Seeliger “H.““ nh: Fấi Ñ VN G ( TỶ.“ nn tress! eel 10-3 10-2 103 109 10! 102 103 Pressure spacing product pd (bar mm) Hình 2.4: Quan hệ giữa điện áp phóng điện và tích số giữa áp suất — khoảng cách [11] Kết hợp những điều kiện khởi phát phóng điện Townsend và phóng điện Streamer, Schumann [11] đã đưa ra công thức liên hệ giữa điện áp phóng điện và tích số giữa áp suất — khoảng cách khe hở: Vz = 6.1) Công thức nay dẫn đến những kết luận tương đối phù hop so với những gi kết quả thí nghiệm đưa ra theo như hình 2. Nhưng trên thực tế, trường hợp này lại ít được quan tâm hơn về khía cạnh thực tiễn.

Trong phạm vi đề tài này, điều kiện khởi phát phóng điện Streamer sẽ được dùng làm căn cứ dé tính toán ở mục 2.