CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về dầu máy biến áp 1.1 Giới thiệu về dầu máy biến áp Dầu cách điện trong biến áp điện thường được gọi là dầu máy biến áp. Nó thường được sản xuất bằng cách chưng cất phân đoạn và xử lý liên tiếp từ dầu thô [4]. Đó là lý do tại sao dầu này còn được gọi là dầu khoáng cách điện. Dầu biến thế phục vụ chủ yếu trong hai mục đích, thứ nhất là chất lỏng cách điện trong máy biến áp điện và hai là nó tản nhiệt cho biến áp và đóng vai trò như chất làm mát.
Ngoài ra, dầu này phục vụ với hai mục đích khác, nó giúp bảo vệ lõi và cuộn dây khi được ngâm hoàn toàn trong dầu và một mục đích quan trọng của dầu này là nó ngăn cản tiếp xúc trực tiếp của oxy trong khí quyển với cellulose làm giấy cách điện của cuộn dây [5].2 Một số tính chất của dầu máy biến áp Tương tự như những loại dầu bôi trơn công nghiệp khác, dầu biến áp cũng có những đặc tính hóa học và vật lý nhất định. Những đặc tính này thường ảnh hưởng tới hiệu năng sử dụng và thời gian vận hành của dầu. Dầu cách điện cho các máy biến áp có tính chất điển hình như sau [5]: ➢ Cách điện giữa cuộn dây và lõi thép ➢ Làm mát các bộ phận phát nhiệt trong máy biến áp ➢ Có tính lưu thông tốt để nâng cao hiệu quả làm mát bằng việc tuần hoàn dầu có làm mát cưỡng bức (bằng không khí) ➢ Độ bền nhiệt và độ bền oxy hóa cao Các tính chất của dầu máy biến áp được miêu tả cụ thể như sau: a) Tính cách điện Cường độ cách điện của dầu là điều kiện quan trọng đảm bảo thiết bị được vận hành an toàn. Hệ số điện môi của không khí rất thấp so với hệ số điện môi của dầu cách điện (giá trị của không khí 20kV/mm÷30kV/mm mà giá trị cao nhất của dầu cách điện là 150kV/mm [6]).
Khi sử dụng máy biến áp mà có chứa dầu cách điện không nhiều thì thường xuyên sinh ra hiện tượng điện áp đánh thủng ở dầu dây và vỏ máy, nguyên nhân là vì không có dầu làm cách điện nên hệ số điên môi nhỏ. Do đó, thấy rằng dầu có khả năng cách điện là cực kỳ quan trọng trong máy biến áp có chứa dầu để bảo vệ cho máy biến áp được vận hành an toàn. b) Tính chất làm mát Khi máy biến áp vận hành ở các chế độ, điều kiện khác nhau. Dòng điện trong cuộn dây làm cuộn dây nóng lên, nếu không kịp thời làm cuộn dây nguội đi, nhiệt sẽ tích tụ trong cuộn dây, khi nhiệt độ tăng cao đến quá cao, chất cách điện của cuộn dây sẽ bị hỏng, có khi cháy cuộn dây.
Dầu cách điện có thể giải trừ nhiệt độ liên tục. Khi máy biến áp làm việc, cuộn dây nóng lên làm cho dầu ở phần phía trên đỉnh của máy biến áp có nhiệt độ cao hơn phần ở phía dưới. Căn cứ vào nguyên lý, nhiệt 10 độ dầu tăng lên thì tỉ trọng giảm, dầu ở phần đáy sẽ đối lưu với dầu ở phần phía đỉnh, kết quả là dầu sẽ lưu thông vào bộ phân phân tán nhiệt (bộ phận tản nhiệt). Nhờ có tác dụng đối lưu do nhiệt, nhờ có bộ phận tản nhiệt nên nhiệt độ của cuộn dây được giảm bớt và lượng nhiệt được tỏa ra môi trường.
Do đó, tránh được tổn hại do nhiệt lượng tích tụ tại cuộn dây gây ra (một số thiết bị được trang bị bộ phận tản nhiệt hiện đại để hỗ trợ tản nhiệt đô dầu của máy biến áp). Đảm bảo cho thiết bị được vận hành an toàn. c) Độ nhớt Nói một cách ngắn gọn, độ nhớt của dầu máy biến áp là lực cản của dòng chảy, ở điều kiện bình thường. Khả năng chống chảy của dầu máy biến áp có nghĩa là cản trở sự lưu thông đối lưu của dầu bên trong máy biến áp.
Dầu tốt phải có độ nhớt thấp để ít cản trở dòng chảy của dầu thông thường, do đó không ảnh hưởng đến quá trình làm mát của máy biến áp. Dầu biến áp có độ nhớt thấp là điều cần thiết, nhưng điều quan trọng không kém là độ nhớt của dầu phải tăng càng ít càng tốt khi nhiệt độ giảm. Mọi chất lỏng trở nên nhớt hơn nếu nhiệt độ giảm. d) Hàm lượng nước trong dầu máy biến áp Độ ẩm hoặc hàm lượng nước trong dầu máy biến áp rất không mong muốn vì nó ảnh hưởng xấu đến các đặc tính điện môi của dầu.
Hàm lượng nước trong dầu cũng ảnh hưởng đến cách điện giấy của lõi và cuộn dây của máy biến áp. Giấy có tính hút ẩm cao. Giấy hấp thụ lượng nước tối đa từ dầu, ảnh hưởng đến tính chất cách nhiệt của giấy cũng như làm giảm tuổi thọ của giấy [7]. Nhưng trong máy biến áp có tải, dầu trở nên nóng hơn, do đó độ hòa tan của nước trong dầu tăng lên.
Kết quả là giấy giải phóng nước và làm tăng hàm lượng nước trong dầu máy biến áp. Do đó, nhiệt độ của dầu tại thời điểm lấy mẫu để thử nghiệm là rất quan trọng. Trong quá trình oxy hóa, axit được hình thành trong dầu, axit làm tăng khả năng hòa tan của nước trong dầu. Axit kết hợp với nước tiếp tục phân hủy dầu tạo thành axit và nước nhiều hơn.
Tốc độ phân huỷ dầu này tăng lên. e) Tính axit của dầu biến áp Dầu máy biến áp có tính axit là một đặc tính có hại. Nếu dầu trở nên có tính axit, thành phần nước trong dầu sẽ hòa tan hơn trong dầu. Tính axit của dầu làm giảm đặc tính cách điện của cách điện bằng giấy của cuộn dây.
Tính axit đẩy nhanh quá trình oxy hóa trong dầu. Axit cũng bao gồm gỉ sắt khi có hơi ẩm [7]. Các xét nghiệm axit của dầu biến áp có thể được sử dụng để đo các thành phần có tính axit của chất gây ô nhiễm.3 Các yếu tố và nguyên nhân ảnh hưởng tới chất lượng dầu cách điện 1.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng dầu cách điện Sự biến đổi tính chất của dầu cách điện trong máy biến áp điện áp cao phụ thuộc vào các yếu tố chính sau: ➢ Chủng loại dầu cách điện: Mỗi một loại dầu cách điện đều có vài tính chất chung, ngoài ra chúng được sản xuất theo các yêu cầu cụ thể, và muốn xác 11 định được quy luật biến đổi tính chất của dầu thì cần phải xác minh bằng thực nghiệm [5]. ➢ Chế độ vận hành: - Chế độ vận hành dưới tải (dầu ít bị biến đổi theo thời gian) - Chế độ vận hành định mức (dầu bị biến đổi theo thời gian) - Chế độ vận hành vượt tải (dầu bị biến đổi nhanh theo thời gian) ➢ Thời gian vận hành: Đóng vai trò quan trọng đến sự biến đổi tính chất của dầu cách điện trong máy biến áp điện áp cao.
Thời gian và chế độ vận hành thể hiện tính quy luật biến đổi của dầu cách điện trong máy biến áp điện áp cao.2 Nguyên nhân ảnh hưởng tới chất lượng dầu máy biến áp a) Sự Oxi hóa Khi làm việc, khi bảo quản trong kho cũng như khi vận chuyển dầu đều tiếp xúc với oxi của không khí. Sự tiếp xúc này là nguyên nhân chủ yếu gây nên sự biến đổi về mặt hóa học của dầu, đó gọi là quá trình oxi hóa. Trong quá trình oxi hóa, các tính chất lý, hóa học của dầu sẽ bị thay đổi. Theo qui luật, sự thay đổi này dẫn đến sự giảm sút các chỉ tiêu chất lượng của dầu.
Nếu sự oxi hóa xảy ra ở mức độ đủ sâu thì có thể phải loại bỏ dầu khỏi hệ thống và thay dầu mới. Khả năng chống lại quá trình oxi hóa như tốc độ oxi hóa, mức độ oxi hóa cũng như đặc trưng của các sản phẩm tạo thành, phụ thuộc vào bản chất của dầu, nhiệt độ, áp suất không khí; vào bề mặt tiếp xúc của dầu với không khí; vào sự có mặt của các tạp chất có khả năng xúc tác hoặc ức chế đối với quá trình oxi hóa và vào thời gian làm việc của dầu. Người ta đã xác định được rằng, trong tất cả các hydrocacbon có mặt trong dầu thì họ hydrocacbon có độ bền oxi hóa cao nhất là các hợp chất hydrocacbon thơm, sau đó đến hydrocacbon naphten và các hydrocacbon dễ bị oxi hóa nhất ở nhiệt độ cao là các hydrocacbon parafin [8]. Trong quá trình làm sạch dầu, chỉ còn lại một lượng rất nhỏ các hợp chất nhựa và chúng lại là những chất chống oxi hóa tự nhiên trong dầu.
Quá trình oxi hóa các chất nhựa trong dầu cho ta các sản phẩm không tan mà tụ lại ở dạng asphanten và cacben [8]. Ở giải nhiệt độ 20 - 30oC thì quá trình oxi hóa trong dầu xảy ra rất chậm. Cùng với sự tăng nhiệt độ, tốc độ oxi hóa cũng sẽ tăng lên đáng kể. Ở nhiệt độ 270 - 300oC và cao hơn thì đồng thời với sự bùng nổ của oxi hóa còn có sự phân hủy nhiệt của các hydrocacbon tạo thành CO2, nước và các hợp chất chứa cacbon khác.
Diện tích tiếp xúc của dầu với không khí càng lớn thì càng tạo điều kiện cho oxi khuếch tán vào trong dầu và làm tăng khả năng phản ứng polyme hóa dưới tác động của oxi tạo ra các sản phẩm nhựa và asphanten. Bằng rất nhiều sự quan sát và nghiên cứu người ta đã xác định được rằng một số kim loại và muối của nó có tác dụng xúc tác đối với quá trình oxi hóa dầu. Các kim loại có vai trò xúc tác mạnh nhất là Fe, Cu, Ni, Pb, Mn và Zn. Các kim loại như Al, Sn không thúc đẩy quá trình oxi hóa còn muối của nó thì laị có tác động 12 kìm chế quá trình này.
Các muối kim loại tạo thành trong quá trình làm việc của dầu nhờn như muối của axit naphtenic có tác động thúc đẩy sự oxi hóa dầu. Nước cũng có tác dụng thúc đẩy sự oxi hóa vì chúng có khả năng làm tăng hoạt tính cho các xúc tác nói trên. Trong giai đoạn đầu tiên thì quá trình oxi hóa xảy ra chậm sau đó cường độ tăng dần đến một điểm cực đại rồi chậm dần đến lúc không đổi (bằng 0). Trong quá trình làm việc của dầu, đồng thời với quá trình phân hủy và tạo ra các sản phẩm oxi hóa đầu tiên như các axit hữu cơ, phenol, rượu, andehyt, các chất nhựa.
còn nảy sinh các quá trình bậc 2 mà người ta gọi là quá trình thứ cấp chẳng hạn như là quá trình polime hóa và ngưng tụ.