Giấy là vật liệu cách điện chủ yếu dùng trong máy biến áp dầu. Giấy sử dụng ở dạng tờ, tấm, băng, và các dạng vật liệu ép khác. Trong quá trình vận hành máy biến áp, giấy chịu tác động của các ứng suất điện, của lực cơ trong vận hành bình thường, và đặc biệt là khi xảy ra quá tải và ngắn mạch. Để đảm bảo chức năng cách điện trong máy, ngoài yêu cầu cách điện, giấy còn phải có đủ độ bền cơ. Độ bền cơ của giấy suy giảm mạnh khi ẩm, do vậy sấy máy và lọc dầu cách điện trong máy là những biện pháp thường được áp dụng để làm giảm độ ẩm và nhờ đó tăng độ bền của giấy cách điện (ngoài các lợi ích khác về cách điện). Tuy nhiên ẩm không phải là vấn đề duy nhất của giấy cách điện.
Theo thời gian, vật liệu cách điện gốc xelulo này bên trong máy biến áp dần bị xuống cấp. Nhiệt, độ ẩm, và oxy, cũng như các sản phẩm phân hủy dầu đều ảnh hưởng bất lợi tới tuổi thọ của giấy. Mỗi sợi xelulo của giấy bao gồm một bó các phân tử xelulo dài ngắn khác nhau nằm cạnh nhau. Các phân tử này bám lấy nhau nhờ có các liên kết hyđro giữa các nhóm hyđroxil (-OH) tồn tại trong cấu trúc của chúng. Phân tử xelulo là polyme dạng thẳng tạo nên bởi một chuỗi các mắt gluco gắn với nhau bởi các liên kết glycosid. Khi giấy lão hóa, các liên kết glycosid bị đứt, và phân tử ngắn lại (Xem Hình 1). Kết quả là giấy mất dần độ bền cơ, và tuổi thọ hữu ích của máy biến áp bị rút ngắn.
Thử nghiệm có thể sử dụng để đánh giá tình trạng của xelulo bên trong máy biến áp là xác định độ polyme hóa (degree of polymerization - DP) trung bình. Nhằm đánh giá mức độ lão hóa của giấy cách điện trong máy biến áp lực đã vận hành lâu năm, có thể phân tích mẫu giấy để xác định độ polyme hóa. Giấy Kraft khi mới thường có độ polyme hóa trong khoảng từ 1.100 đến 1.500. DP của giấy bằng khoảng 150 cũng là khi giấy hết tuổi thọ hữu ích.
Để phân tích xác định trị số polyme hóa (polymerization degree – PD) của cách điện giấy, có thể sử dụng phương pháp đánh giá trực tiếp. Khi đó cần lấy ra từ bên trong máy biến áp một vài dải giấy cách điện, khối lượng khoảng 2 g. Khối lượng giấy yêu cầu không lớn nhưng đây là một thử nghiệm xâm phạm (intrusive test). Muốn lấy mẫu phải cho máy ngừng vận hành và một phần cách điện của máy bị phá hủy do quá trình lấy mẫu, và do đó nhiều khi nguy hiểm cho chính máy biến áp.
Phân tích furan là một phương pháp thay thế.
Các dẫn xuất furan
Quá trình các phân tử xelulo bị khử trùng hợp (depolymerization), tức là đứt ra thành những đoạn ngắn hơn hoặc thành các cấu trúc vòng, tạo ra một số sản phẩm là dẫn xuất của hợp chất mang tên furan. Furan là chất có mạch vòng 5 nhánh gồm 4 nguyên tử cacbon và một nguyên tử oxy, mỗi nguyên tử cacbon này gắn với một nguyên tử hyđro. Công thức phân tử của furan là C4H4O. Năm chất dẫn xuất quan trọng nhất của furan được tạo ra khi xelulo xuống cấp, và hòa tan trong dầu ở mức độ nhất định được nêu trong Bảng 1.
Qui trình thử nghiệm
Qui trình xác định lượng các chất dẫn xuất furan trong dầu cách điện được nêu chi tiết trong Tiêu chuẩn ASTM D 5837, sau đây chỉ giới thiệu sơ lược. Mẫu dầu được chiết xuất bằng một chất lỏng khác, ví dụ như acetonitrile, hoặc bằng thiết bị chiết xuất pha rắn (solid phase extraction - SPE). Mẫu sau đó được phân tích bằng phương pháp sắc ký chất lỏng tính năng cao (High Performance Liquid Chromatography - HPLC). Năm hợp chất nêu trên được tách riêng thành cột thích hợp, mỗi hợp chất được phát hiện bằng cơ cấu phát hiện tia cực tím được hiệu chỉnh tự động theo bước sóng thích hợp. Mỗi thành phần được yêu cầu phân tích đều có các dung dịch chuẩn, được sử dụng để chuẩn hóa dụng cụ đo. Từ các dữ liệu trên các dung dịch chuẩn, có thể tính hệ số chiết suất ứng với mỗi thành phần và tương ứng theo đó thực hiện các phép bổ chính. Kết quả báo cáo thường được tính theo đơn vị phần tỉ (part per billion – ppb).
Sắc ký chất lỏng dưới áp lực cao (HPLC)
Ý nghĩa
Năm chất furan thường được phân tích theo qui trình này là các chất thơm (có mạch vòng) được tạo ra do sự xuống cấp của vật liệu xelulo bên trong máy biến áp do hiện tượng lão hóa bình thường hoặc cũng có thể do sự cố bên trong máy. Do vậy lượng các sản phẩm này trong dầu biến áp có thể là chỉ thị tốt về tình trạng cách điện xelulo. Cho đến nay vẫn chưa xác định được giá trị nào là bình thường, giá trị nào là giới hạn đối với từng thành phần cũng như đối với một tổ hợp các thành phần. Hiện đã có nhiều chương trình nghiên cứu nhằm xác định liệu có mối quan hệ có ích nào có thể sử dụng tuy nhiên cho đến nay mới chỉ xác định được lợi ích của việc theo dõi xu hướng biến đổi thay vì giá trị tuyệt đối của chúng trong dầu.
Nếu xác định được quan hệ chắc chắn giữa độ polyme hóa trung bình và nồng độ các hợp chất furan riêng lẻ hoặc tổ hợp các hợp chất furan thì mối quan hệ này sẽ có nhiều lợi thế trong việc đánh giá tình trạng cách điện xelulo bên trong máy. Thứ nhất đây là một qui trình thử nghiệm không xâm phạm. Thứ hai là không yêu cầu phải cho máy ngừng vận hành. Thứ ba là thử nghiệm trong phòng này đòi hỏi ít thời gian và có độ nhạy cao. Các nỗ lực hiện đang được thực hiện theo hướng này.
Phân tích cách điện giấy
Khi bị xuống cấp, giấy giảm độ bền kéo và tạo ra các chất dẫn xuất furan.
Sớm phát hiện giấy bị phá hủy có thể ngăn ngừa hư hại lớn hoặc sự cố. Phân tích khí hòa tan trong dầu trước đây là thử nghiệm không xâm phạm duy nhất thực hiện trên máy biến áp có khả năng chỉ ra những vấn đề phiền phức bên trong máy. Theo dõi CO và CO2 trong dầu, có thể đưa ra một số kết luận về tình trạng của giấy cách điện.
Mục tiêu chính của thử nghiệm furan là xác định liệu giấy trong máy biến áp có bị ảnh hưởng của nhiệt hay không. Furan do nhiệt gây ra được hình thành theo hai cách: Một là khi bị tác động của phát nóng cục bộ nhiệt độ cao và giấy bị hư hại; hai là trong điều kiện phát nóng chung của máy biến áp và toàn bộ hệ thống cách điện bị nóng lên.
Qua phân tích furan có thể phát hiện hiện tượng giấy cách điện bị hỏng do nhiệt, oxi hóa và thủy phân. Kết hợp thử nghiệm này với phân tích khí hòa tan cung cấp hình ảnh tổng quan về tình hình máy biến áp. Cần đưa thử nghiệm furan vào công tác bảo trì hằng năm và theo dõi xu hướng thay đổi nhằm theo dõi tình trạng của giấy cách điện.
Ví dụ về phân tích Furan
Trường hợp 1
Máy biến áp 750 kVA, 6,6/0,38 kV
Thử nghiệm cho thấy hàm lượng furan là 10,56 ppm (phần triệu), tương ứng với hết hạn tuổi thọ. Khuyến nghị kiểm tra cách điện giấy. Một tháng sau, máy biến áp bị sự cố. Thùng dầu bị vỡ. Nguyên nhân khởi đầu là hỏng cách điện.
Trường hợp 2
Máy biến áp bị sự cố khi đang vận hành; máy đang được lọc dầu khử ẩm (ngày 3/12/2000).
Phân tích sau sự cố cho thấy hàm lượng furan là 8,97 ppm cho thấy giấy bị hư hại nặng. Tốc độ tạo ra furan là 160 ppb/tháng (160 phần tỉ/tháng). Theo công ty Morgan Schafer thì tốc độ tạo ra furan 25 ppb/tháng đã là đáng quan ngại.
Kể từ năm 1995 đến tháng 12/2005, máy đã được lọc dầu 10 lần để loại bỏ độ ẩm trong dầu biến áp và cải thiện chất điện môi. Lọc dầu đã không cải thiện được tình trạng dầu.
Phân tích khí hòa tan cho thấy phóng điện cục bộ ở mật độ năng lượng thấp. Tỉ số CO2/CO là 16,5 chứng tỏ giấy cách điện đã xuống cấp. Bình thường tỉ số này phải nằm trong khoảng 3 ÷11.
Lọc dầu không đem lại lợi ích một khi cách điện rắn (giấy) đã bị hỏng. Trong trường hợp cụ thể này, lẽ ra phải đưa máy vào xưởng và làm lại cách điện.
Kết luận
Phân tích furan trong dầu là biện pháp hiệu quả về chi phí trong kế hoạch bảo trì. Cần xem xét dữ liệu phân tích furan kết hợp với phân tích khí hòa tan, thử nghiệm cách điện chất lỏng và các ghi chép về chế độ bảo trì trước đó.
Một khi máy biến áp đã hết tuổi thọ hữu ích và không còn tin cậy nữa, biện pháp duy nhất là cho ngừng vận hành và làm lại các cuộn dây.