2.2. Sự hấp thụ nước vào vật liệu Xenlulo

Sự di chuyển độ ẩm trong vật liệu Xenlulo là một quá trình khuếch tán qua các cấu trúc xốp và hấp phụ vào các nhóm phân cực bề mặt [25] hoặc các vị trí hoạt động. Các nhóm phân cực này làm cho Xenlulo rất tích cực trong việc thu hút và hấp phụ các phân tử nước. Sự hấp phụ của các phân tử hơi nước trong vật liệu Xenlulo hầu hết xảy ra ở các vi mao quản. Các phân tử bị hấp phụ vẫn là các phân tử hơi nước với chuyển động hạn chế do lực hút điện từ của chúng đối với phần cực tích điện trái dấu của phân tử Xenlulo tại các vị trí hoạt động. Theo thời gian, các phân tử bị hấp phụ được tự do và di chuyển trong không gian ba chiều cho đến khi chúng được tái hấp phụ. Các phân tử khác sau đó có thể di chuyển vào để thay thế vị trí của chúng tại vị trí trước đó. Do đó, có một quá trình cân bằng động nhanh chóng xảy ra trên bề mặt. Không giống như quá trình hấp phụ gần như tức thời, quá trình khuếch tán nước diễn ra khá chậm vì các phân tử nước bị ngăn cản vật lý để di chuyển nhanh chóng bởi mê cung của các vi mao quản. Do đó, trạng thái cân bằng chung hiếm khi đạt được.

Hình 2-1: Sự hấp phụ của các phân tử hơi nước tại các vị trí đang hoạt động trong vi mao quản của vật liệu Xenlulo [34].

Sự hấp phụ và di chuyển hơi ẩm bị ảnh hưởng bởi số lượng phân tử hơi nước có thể bị hút lên bề mặt. Một khi tất cả các vị trí hoạt động đã hấp thụ các phân tử nước, các phân tử nước bổ sung sẽ bị hút vào những vị trí đã được hấp phụ, tạo thành nhiều lớp. Cơ chế đầu tiên diễn ra về cơ bản ở độ ẩm W <W_k, trong đó W_k là độ ẩm có điều kiện bằng với cơ chế tưởng tượng đó khi tất cả các vị trí hoạt động sẽ bị chiếm giữ bởi một phân tử bị hấp phụ (cái gọi là "lớp đơn phân tử" hoặc "lớp đơn"). Cơ chế thứ hai bắt đầu khi W> W_k. Nhiệt độ tăng làm tăng tốc độ di chuyển và hấp thụ ẩm.

2.3. Sự phân bố độ ẩm trong máy biến áp

2.3.1 Sự phân bố độ ẩm trong cách điện rắn

Cách điện Xenlulo của máy biến áp có thể được chia thành ba nhóm dựa trên các đặc tính độ ẩm khác nhau, phát sinh từ các kích thước khác nhau (đặc biệt là độ dày) và nhiệt độ hoạt động:

- “Kết cấu dày” chủ yếu là các thành phần hỗ trợ và chiếm khoảng 50% tổng khối lượng cách điện Xenlulo. Mặc dù chúng chứa một lượng ẩm đáng kể nhưng chúng đóng góp một phần nhỏ vào sự di chuyển độ ẩm đến toàn bộ hệ thống cách điện do hằng số thời gian lớn (một vài năm) đối với các quá trình khuếch tán ở nhiệt độ hoạt động bình thường. Sự khuếch tán hơi ẩm qua các thành phần cồng kềnh, dày với diện tích bề mặt tương đối nhỏ, xảy ra chậm trong nhiều chu kỳ nhiệt độ.

- “Cấu trúc nguội mỏng” là những cấu trúc hoạt động ở nhiệt độ dầu: tấm chắn ván ép, nắp cuối, v.v. Những thành phần này chiếm 20 - 30% tổng khối lượng của vật liệu Xenlulo. Tuy nhiên, chúng giữ lại một lượng lớn nước có sẵn để di chuyển trong khoảng thời gian tương đối ngắn như trong chu kỳ nhiệt độ ban ngày. Các cấu trúc này nên được coi là khu vực chứa nước chính để di chuyển giữa dầu và vật liệu Xenlulo trong máy biến áp. Sự di chuyển của nước sẽ xảy ra để đáp ứng quá trình cân bằng tự nhiên. Động lực cho sự di chuyển của độ ẩm là nhiệt và sự khác biệt về thế ẩm. Độ ẩm được dẫn từ các cấu trúc ấm hơn vào dầu có xu hướng hướng tới nồng độ tối đa của nước trong dầu sẽ đạt được ở trạng thái cân bằng. Các cấu trúc lạnh hơn sẽ hấp thụ nước từ dầu với mức tăng tối đa có thể đạt được ở trạng thái cân bằng. Khoảng 10% (theo khối lượng) của vật liệu cách điện Xenlulo trong nhóm này, ở nhiệt độ lạnh nhất, tạo thành các vùng “ẩm ướt”, nơi hàm lượng nước có thể cao hơn giá trị trung bình 1 - 1,5% (hàm lượng nước tuyệt đối). Các thành phần của nhóm này là nguồn chính của dầu cao trong quá trình nhiệt độ.

- “Kết cấu nóng mỏng” là những kết cấu hoạt động ở nhiệt độ gần với nhiệt độ của ruột dẫn (giấy được bọc trên ruột dẫn trong cách điện lớp cuộn dây lần lượt). Khoảng 5% khối lượng vật liệu Xenlulo hoạt động ở nhiệt độ cao, ở nhiệt độ được gọi là nhiệt độ điểm nóng. Sự di chuyển độ ẩm sẽ diễn ra nhanh chóng nhất trong khu vực này vì nhiệt độ hoạt động cao hơn. Tuy nhiên, độ ẩm của các thành phần trong nhóm này ít hơn rõ rệt so với trong các cấu trúc nguội mỏng và do đó đóng góp tổng thể vào tổng độ ẩm di chuyển vào và ra khỏi dầu là nhỏ.Ví dụ về tỷ lệ khối lượng và diện tích bề mặt của vật liệu Xenlulo bao gồm cấu trúc dày và cấu trúc lạnh mỏng được đưa ra trong Bảng 3.

Bảng 3: Khối lượng và Diện tích bề mặt của kết cấu cách nhiệt

3. Hiện tượng điện môi của hệ thống cách điện ngâm dầu [15]. (CIGRE 254)

Để hiểu hoạt động của toàn bộ hệ thống cách điện của máy biến áp lực, bao gồm dầu và Xenlulo (thông thường nhất là bìa ép và giấy cách điện), cần có thông tin về các đặc tính điện môi của các thành phần của nó. Các quy trình đo cho phép xác định các đặc tính này.

3.1. Đáp ứng điện môi của các bộ phận trong hệ thống cách điện

Hàm đáp ứng điện môi trong miền thời gian có thể được suy ra trực tiếp từ các dòng phản phân cực như đã trình bày trong CIGRE 414, [17] và IEEE C57.161, [18]. Tuy nhiên, cần phải nhấn mạnh rằng các hàm phản hồi, ít nhất là trong thời gian rất dài và khá nhạy cảm với nhiệt độ, thành phần vật liệu và điều kiện thử nghiệm.

Hình 3-1: Dòng phân cực và phản phân cực của mẫu dầu khoáng mới trong các khoảng thời gian nạp điện (charge) khác nhau [26].

Các kết quả được trình bày đề cập đến bìa ép mới (Unaged) hoặc đã qua sử dụng (Aged) có độ ẩm (m.c.) như được chỉ ra trong Hình 3-2 và Hình 3-3 bên dưới. Hình 3-2 cho thấy dòng phân cực và dòng khử cực đối với một số mẫu mới ở U₀ = 200 V với các độ ẩm khác nhau [26]. Các dòng điện được vẽ biểu đồ theo thời gian từ 1 s sau khi đặt điện áp bước và ngắn mạch tương ứng cho đến khoảng thời gian đo rất dài là 200000 s. Các hàm đáp ứng điện môi khác nhau f(t), như đã được định nghĩa trong Phần 3.1 của CIGRE 254 [15], có thể được chia tỷ lệ đơn giản bằng cách chia các biên độ dòng điện cho tích của điện dung hình học, C₀, và điện áp bước áp dụng là 200 V (tức là theo hệ số 88,8 · 10^-10 As).

Rõ ràng là hàm đáp ứng phụ thuộc nhiều vào độ ẩm. Độ lớn của các dòng điện dẫn có thể được xác định tốt nhất sau khi tách cả hai dòng, vì thang đo logarit không thể xác định được những khác biệt này miễn là các biên độ hiện tại vẫn còn lớn. Tóm lại, tất cả các hàm đáp ứng điện môi cho thấy sự phân tán điện môi lớn trong khoảng thời gian này.

Kết quả của phép đo trên các mẫu được chuẩn bị tương tự trong miền tần số được thể hiện trong Hình 3-4. Chúng thể hiện hành vi phân tán rõ ràng, đặc biệt là ở tần số thấp.

Hình 3-2: Dòng điện tản (phân cực - i_pol, và khử cực - i_depol) của các mẫu chưa qua sử dụng có độ ẩm khác nhau. Thời gian phân cực và khử cực mỗi lần là 200000 s [26].

Hình 3-3: Dòng điện tản của các mẫu bìa ép trước và sau khi lão hóa [26].

Hình 3-4: Các thành phần thực ε′ và ảo ε′′ của độ thẩm thấu phức hợp như một hàm của tần số ở 27^oC đối với các mẫu bìa ép có chứa lượng ẩm khác nhau [27].

(Còn tiếp)