ĐÁNH GIÁ TỔN THẤT TRONG ĐIỆN MÔI SỬ DỤNG

ĐIỆN ÁP XOAY CHIỀU TẮT DẦN (DAMPED AC VOLTAGE – DAC)

Giới thiệu.

Sử dụng nguồn điện áp xoay chiều tắt dần là 1 trong những phương thức kiểm tra dùng

nguồn điện áp xoay chiều liên tục. Phương pháp này cho phép ta đánh giá được mức độ

cách điện của đối tượng được kiểm tra chẳng hạn như cáp điện lực hoặc cuộn dây stato của

máy phát điện. Phương pháp sử dụng nguồn áp xoay chiều tắt dần hay còn gọi là sóng dao

động được sử dụng cho cáp sau khi đã được thi công do những lí do sau:

1. Phương pháp này cho phép phát hiện các khuyết tật trong cách điện mà có thể gây

hại cho hệ thống cáp trong điều kiện vận hành mà không gây ra các khuyết tật

mới hoặc gây ra lão hóa cách điện

2. Kết quả phép đo khi sử dụng phương pháp này tương đối chính xác so với khi sử

dụng nguồn xoay chiều với tần số 50 hoặc 60 Hz.

3. Thực hiện đơn giản

4. Thông dụng, mức tiêu thụ công suất và trọng lượng tương đối thấp, giá cả phải

chăng.

Phương pháp này có thể sử dụng kết hợp với các phương pháp chuẩn đoán khác như

phát hiện phóng điện cục bộ hoặc đo mức độ tổn hao điện môi. Ví dụ như hệ số tổn hao

điện môi tanδcó thể đo được bằng cách đặt vào 1 điện áp xoay chiều tắt dần ở tần số là tần

số cộng hưởng của điện dẫn phản kháng của cáp và độ từ cảm của 1 cuộn cảm lõi không

khí, sau đó ta phân tích đặc tính tắt dần của sóng sin điện áp thu được. Hình 1a dưới đây

mô tả 1 sóng DAC điển hình theo tiêu chuẩn IEC60060-3 còn hình 1b là sóng DAC ở tần

số 29,07 Hz trên 1 đường cáp dầu dài 13,4 km ở điện áp 230 kV.

Hình 1a:

Hình 1b:

[1]

Các dạng sóng DAC tương ứng với các giá trị của tanδ được trình bày trong hình 2a, sự

khác biệt nhỏ giữa các dạng sóng này được mô tả rõ ràng hơn trong hình 2b. Trong phạm

vi của bài báo này, một số khía cạnh cơ bản về phương pháp ước lượng tổn thất điện môi

sử dụng DAC cũng sẽ được đề cập đến.

Hình 2a:

Hình 2b:

Kiểm tra các thiết bị cao áp sử dụng DAC tại hiện trường.

Việc đóng điện và kiểm tra các phần tử có dung dẫn lớn như các đường cáp dài ở quá

điện áp lớn cần 1 nguồn công suất cỡ vài MVAr. Tuy nhiên thì hệ thống DAC đòi hỏi ít

[2]

công suất hơn và có lợi thế về mặt kích thước, khối lượng nhỏ gọn hơn. Bảng 1 dưới đây

đưa ra các thông số của 2 đường dây cáp 230 kV đã được ứng dụng phương pháp DAC .

Bảng 1:

Do phương pháp DAC hiện nay được sử dụng thường xuyên cho những chuẩn đoán

ngay tại hiện trường của tất cả các loại cáp dầu có điện áp lên đến 380 kV và cách điện của

cuộn dây stato nên 1 hệ thống các chương trình nghiên cứu đã được tiến hành nhằm tối ưu

hóa các thủ tục để tiến hành ước lượng tổn thất trong điện môi. Để đạt được độ chính xác

cần thiết như 0,1% thì mỗi hệ thống DAC cần phải tuân theo các thủ tục chi tiết nhất định.

Ước lượng tổn thất điện môi ở tần số 50 Hz sử dụng DAC.

Khả năng dẫn điện của 1 khối điện môi trong điều kiện tốt ở tần số từ vài chục cho đến

vài trăm Hz là rất nhỏ. Thêm vào đó, hằng số điện môi ε phụ thuộc vào sự tương tác của

ion, nguyên tử và phân cực điện lại biến thiên rất ít khi tần số nhỏ hơn hoặc xấp xỉ 1 kHz.

Sự biến thiên của của các thành phần thực ε’ và ε’’ của hằng số điện môi ε được mô tả

trong hình 3 dưới đây.

Hình 3:

[3]

Bảng 2 bao gồm các giá trị tanδ của cách điện stato máy phát thu được khi sử dụng 2

phương pháp là DAC và khi tần số 50Hz.

Bảng 2:

Trong đó Un là điện áp định mức của máy phát.

Bên cạnh các ưu điểm của phương pháp DAC như đã kể trên thì kết quả thu được khi

sử dụng phương pháp này khá gần với các giá trị thu được khi đo ở tần số 50Hz. Thêm vào

đó, giá trị của tanδ tăng rất nhỏ trong khoảng từ 0,4Un đến 1,0Un . Do mục đích chính của

khi sử dụng tanδ là để xác định chiều hướng biến thiên của chúng chứ không phải để tính

các giá trị chính xác nên sai số giữa khi sử dụng phương pháp DAC và khi sử dụng tần số

50 Hz có thể bỏ qua.

DAC Voltages

Phương pháp

Phương pháp DAC sử dụng dòng điện nạp tại tần số mà dung dẫn của đối tượng kiểm

tra cộng hưởng với độ từ cảm của cuộn dây lõi không khí nhưng không cần phải bù công

suất phản kháng => xuất hiện một điện áp hình sin tắt dần.

Hình 4 dưới đây là sơ đồ nguyên lý của 1 hệ thống DAC.

Hình 4:

Lúc này trên 2 đầu của đoạn mạch gồm cuộn dây L và dung dẫn C c sẽ xuất hiện 1 điện

áp tăng cao, điện áp này sẽ tạo ra 1 dong điện nhỏ trong khoảng từ 10 đến 30 mA. Khi đó

trên tụ Cc sẽ không tồn tại chế độ xác lập.

Trong khoảng 1 μs kể từ khi khóa trạng thái tĩnh cao áp khép mạch sẽ sinh ra 1 sóng

điện áp DAC hình sin có tần số nằm trong khoảng từ 20 Hz cho đến vài trăm Hz ( hình 5).

[4]

Hình 5:

Tần số này xấp xỉ tần số cộng hưởng của mạch được cho bởi công thức sau:

Hệ số chất lượng Qc đặc trưng cho khả năng tắt dần của mạch cộng hưởng được tính

bởi công thức sau:

Trong đó RA: điện trở của mạch tương đương. Giá trị dung dẫn lớn nhất mà hệ thống

DAC có thể kiểm tra Cmax được tính bởi công thức Cmax = (Ip/Vmax)2.L với Vmax là điện áp

lớn nhất có thể và Ip là dòng cho phép lớn nhất có thể đặt vào mạch điện.

Hàm thời gian của 1 sóng điện áp xoay chiều tắt dần có dạng như sau:

Trong đó U0 là điện áp cuối thời gian nạp, β là hệ số tắt dần, ϕ là độ lệch pha, ω = 2πf.

Hệ số tổn hao tanδ có thể tính toán được từ đặc tính tắt dần của sóng điện áp do đó ta sẽ

tính được tổn thất trong mạng điện do điện trở của cuộn dây lõi không khí và của chính

bản thân đối tượng thí nghiệm ( đối tượng thí nghiệm tương đương với với tụ điện và 1

điện trở mắc song song với nhau).

Ở phần tiếp theo, ta sẽ đưa ra công thức toán học biểu thị mối liên hệ giữa hệ số tắt dần

β và tổn thất điện môi của đối tượng thí nghiệm. Để có thể xác định giá trị tanδ với sai số ít

hơn 0,1% thì bộ nhớ của thiết bị đo điện áp phải sử dụng ít nhất là 16 bit.

Công thức toán học

Ta có mô hình tương đương của 1 hệ thống DAC là 1 mạch RLC được thể hiện như ở

hình dưới đây:

[5]

Hình 6:

Với:

R1: điện trở trong của hệ thống, biến thiên phụ thuộc vào biên độ và tần số điện áp

đặt lên.

R2: tổn thất trong đối tượng thí nghiệm.

L: điện cảm của cuộn dây lõi không khí.

Cc: dung dẫn của đối tượng thí nghiệm.

Ở đây ta cần chú ý rằng Cc và R2 có thể là hàm của tần số và điện áp. Trong trường hợp

đo cách điện của cuộn dây stato, thì tanδ thường được đo ở điện áp từ 50% đến 110% điện

áp pha của máy điện. Tuy nhiên nếu như điện áp đặt vào mà vượt quá 1 giá trị điện áp ban

đầu thì khi đó tanδ sẽ trở thành 1 hàm phi tuyến của điện áp và phụ thuộc vào từng loại

máy điện cũng như các điều kiện của nó. Trong trường hợp này thì R2 cũng là 1 hàm phụ

thuộc điện áp. Trong suốt quá trình kiểm tra có thể sẽ xảy ra phóng điện vầng quang, điều

này sẽ làm thay đổi 1 chút về điện dung của stato. Bên cạnh đó thì điện cảm của cuộn dây

stato cũng là 1 yếu tố đóng vai trò quan trọng. Trong một vài trường hợp có thể phải bù cả

công suất phản kháng nếu cần thiết.

Sử dụng 2 định luật Kirchhoff ta có:

Trong đó:

[6]

Biến đổi công thức (6) ta thu được:

Lại có:

Tử (8) và (9) ta thu được công thức tính tanδ như sau:

Trong đó cách xác định hệ số tắt dần β sẽ được trình bày dưới đây còn R1 được xác

định thông qua các phép tính toán, ước lượng.

Hệ số tắt dần β

Để xác định giá trị của hệ số tắt dần β, ta chọn 2 giá trị đỉnh U1 và U2 ( có thể âm hoặc

dương) cùng với thời gian tương ứng là t1và t2 từ sóng điện áp đo được như hình 7. Ta thu

được công thức tính β như sau:

Hình 7:

Phân tích các dữ liệu đo lường

Theo lý thuyết ta chỉ cần chọn 2 đỉnh tùy ý thì có thể xác định được hệ số tắt dần β theo

như công thức (11). Tuy nhiên trong thực tế, do ảnh hưởng của những tác động bên ngoài

như nhiễu hoặc bù lệch không sẽ làm cho giá trị của β phụ thuộc vào cách ta chọn đỉnh.

Cách tốt nhất để giảm ảnh hưởng của các tác động này là ta sẽ chọn 2 đỉnh đầu tiên ( có thể

âm hoặc dương ) vì đây là các đỉnh có giá trị lớn nhất khi đó ảnh hưởng của nhiễu sẽ

không đáng kể. Tuy nhiên bù lệch không lại là 1 yếu tố có nhiều sự ảnh hưởng hơn và vấn

đề này sẽ được đề cập kĩ hơn ở phần tiếp theo.

[7]

Tác động của bù lệch không.

Bởi vì ta sử dụng các bộ chia áp có tỉ số cao và do có một điện áp nhỏ xuất hiện ở đầu

vào của hệ thống thu thập dữ liệu nên chỉ cần 1 giá trị bù lệch không nhỏ cũng có thể dễ

dàng tạo ra các sai số đo lường lớn. Để khảo sát vấn đề này, ta thêm vào đường cong điện

áp đo được một biến bù với giả thiết rằng biên độ của biến này là hằng số trong suốt quá

trình sóng điện áp dao động. Như đã dự đoán trước, giá trị bù thêm vào càng lớn thì β càng

kém ổn định hơn. Giá trị thu được từ việc ta chọn 1 đỉnh lớn nhất và 1 đỉnh nhỏ nhất của

sóng điện áp dao động sẽ biến thiên lớn hơn so với việc ta chọn 2 đỉnh lớn nhất hoặc nhỏ

nhất.

Một phương pháp khác để tính β

Ta khảo sát một phương pháp khác để tính giá trị β. Ở đây ta lấy trung bình của các giá

trị β mà được tính từ 2 giá trị đỉnh lớn nhất đầu tiên với các giá trịβ mà được tính từ 2 giá

trị đỉnh nhỏ nhất đầu tiên, có xét đến bù lệch khoảng vài phần trăm. Cách này sẽ cho kết

quả ổn định và chính xác hơn. Hình 8 dưới đây là các giá trị β của đường cáp XPLE 0,5

цF, 150kV là hàm của giá trị bù điện áp, giá trị của 2 đỉnh lớn nhất và nhỏ nhất cũng như

là giá trị trung bình của chúng. Các giá trị sau cùng gần như là hằng số và bằng 7,57 s -1.

Điện áp thí nghiệm ở đây là 150 kV.

Hình 8:

Tổn thất trong chính bản thân hệ thống

Như đã đề cập ở trên, trong chính bản thân hệ thống đo lường cũng tồn tại tổn thất.

Điện trở trong của toàn hệ thống R1 biến thiên theo biên độ và tần số của điện áp thí

nghiệm đặt vào U cùng với điện dung của đối tượng thí nghiệm Cc. Do đó cần phải có

thêm 1 khâu nữa để xác định giá trị của R1 trong các điều kiện làm việc. Hình 9 trình bày

sự biến thiên của giá trị R1 theo điện áp ở 4 tụ điện ít tổn thất ( tanδ << 0,0005 ở tần số 50

Hz). Do tổn thất của các tụ được sử dụng để kiểm tra đã biết ta có thể tính tổn thất do hệ

thống bằng cách lấy tổng tổn thất trừ đi tổn thất do các tụ.

[8]

Hình 9:

Kết luận

Từ bài báo trên ta có thể rút ta được một vài điều cơ bản. Giá trị của hệ số tổn hao điện

môi tanδ có thể tính được từ việc phân tích đường đặc tính tắt dần của sóng điện áp hình

sin. Để tránh các sai số do bù lệch điện áp, các giá trị của hệ số tắt dần β phải lấy trung

bình của các giá trị β mà được tính từ 2 giá trị đỉnh lớn nhất và nhỏ nhất đầu tiên của

đường đặc tính tắt dần. Tổn thất trong của hệ thống phụ thuộc vào tần số và điện áp. Để

xác định giá trị của điện trở trong ở một dải tần số và điện áp, ta cần tiến hành các bước

tính toán, ước lượng một cách chi tiết.

[9]