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.

Call to action: 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.