MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRONG CÔNG TÁC THÍ NGHIỆM CHẨN ĐOÁN NGĂN NGỪA SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP

Tóm tắt: Thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng thiết bị điện đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực thí nghiệm cao áp. Với dữ liệu đo được, có thể đánh giá được chính xác tình trạng của cách điện trong các thiết bị như: Cáp lực, máy phát, máy biến áp… Tuy nhiên,hiện nay tại Việt Nam, lĩnh vực này chưa được phát triển mạnh. Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu và đề xuất một số giải pháp kết hợp hữu hiệu như: phương pháp phân tích DGA, phương pháp đo phóng điện cục bộ, phương pháp phân tích đáp ứng tần số, thí nghiệm cao áp sử dụng kháng nối tiếp và biến đổi tần số. Trên cơ sở nghiên cứu và kết quả thu được ban đầu, nhóm tác giả đã đề xuất các giải pháp triển khai áp dụng ứng dụng các thiết bị chẩn đoán vào công tác chẩn đoán ngăn ngừa hư hỏng MBA.

13

MỘT SỐ GIẢI PHÁP TRONG CÔNG TÁC THÍ NGHIỆM

CHẨN ĐOÁN NGĂN NGỪA SỰ CỐ MÁY BIẾN ÁP

Phạm Hữu Nhân, Nguyễn Sỹ Chương, Phan Nam Thanh, Hồng Mạnh Quang, Nguyễn Trường Hải, Nguyễn Sỹ Huy Cường

Công ty Thí nghiệm điện miền Nam - Tổng Công ty Điện lực miền Nam

Tóm tắt: Thí nghiệm chẩn đoán hư hỏng thiết bị điện đóng vai trò quan trọng trong

lĩnh vực thí nghiệm cao áp Với dữ liệu đo được, có thể đánh giá được chính xác tình trạng của cách điện trong các thiết bị như: Cáp lực, máy phát, máy biến áp… Tuy nhiên,hiện nay tại Việt Nam, lĩnh vực này chưa được phát triển mạnh Nhóm nghiên cứu đã tìm hiểu và đề xuất một số giải pháp kết hợp hữu hiệu như: phương pháp phân tích DGA, phương pháp đo phóng điện cục bộ, phương pháp phân tích đáp ứng tần số, thí nghiệm cao áp sử dụng kháng nối tiếp và biến đổi tần số Trên cơ sở nghiên cứu và kết quả thu được ban đầu, nhóm tác giả đã đề xuất các giải pháp triển khai áp dụng ứng dụng các thiết bị chẩn đoán vào công tác chẩn đoán ngăn ngừa hư hỏng MBA

1 TỔNG QUAN

1.1 Hiện trạng vận hành và nhu cầu thực tế

Theo truyền thống từ trước đến nay, Phương pháp phổ biến để theo dõi phóng điện cục bộ là

phân tích hàm lượng khí hòa tan (DGA- Dissolved Gas Analysis) trong dầu cách điện

Phương pháp này phân tích các loại khí sinh ra trong quá trình vận hành máy biến áp (MBA)

Từ đó có thể phát hiện các hư hỏng bên trong MBA như: phóng điện cục bộ, quá nhiệt,…

Ưu điểm của phương pháp này là: dự báo được khuynh hướng phát triển của phóng điện

Nhược điểm là: Chỉ dựa vào phương pháp DGA, thì không đủ cơ sở để đưa MBA ra khỏi Vận hành, không xác định được vị trí khuyết tật trong nội bộ thiết bị

Vì vậy, phương pháp DGA không phải là phương pháp tối ưu và duy nhất Cần kết hợp các phương pháp chẩn đoán:

 Phóng điện cục bộ (PD/electric, PD/UHF-Ultra High Frequency, PD/Acoustic)

Phân tích đáp ứng tần số (FRA: Frequency Respond Analysis)

1.2 Đặt vấn đề

Do yêu cầu về chất lượng điện cung cấp ngày càng cao

Công nghệ mới trên thế giới về lĩnh vực chẩn đoán hư hỏng thiết bị trên hệ thống điện ngày càng phát triển

Tầm quan trọng của máy biến áp:

 Khi hư hỏng sẽ làm gián đoạn thời gian cung cấp điện, thiệt hại lớn về kinh tế

Phóng điện cục bộ là một trong các nguyên nhân gây hư hỏng MBA, mà hiện nay hầu như chưa kiểm soát được

Ðể giảm thiểu các sự cố MBA, việc kiểm tra và chẩn đoán tình trạng cách điện trong MBA là rất cần thiết

Tại EVN, việc quản lý và đánh giá chất lượng MBA đang vận hành trên hệ thống vẫn chỉ quy định áp dụng các hạng mục thí nghiệm thông thường (routine test) cho máy biến áp

Tuy nhiên, nếu theo các hạng mục trên, đôi khi chưa đủ cơ sở để đánh giá tình trạng lão hóa cách điện và các hư hỏng tiềm ẩn bên trong MBA Điều này dẫn đến có thể xảy ra các hư hỏng nặng nề ngoài ý muốn

Công nghệ sản xuất thiết bị chẩn đoán hiện nay đã có: thiết bị phát hiện điểm phát nhiệt (hot -

spot), thiết bị giám sát hàm lượng khí cháy trong dầu, đo phóng điện cục bộ trong MBA, phân tích đáp ứng tần số (FRA)…

Vì vậy giải pháp nghiên cứu phát triển lĩnh vực thí nghiệm chẩn đoán các hư hỏng tiềm ẩn trong MBA là cần thiết

2 GIỚI THIỆU KỸ THUẬT ĐO PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ (PD)

2.1 Vài nét về đo phóng điện cục bộ (PD)

Phóng điện cục bộ trong các thiết bị điện cao áp thường thể hiện ở các dạng:

 Phóng điện bề mặt,

 Phóng điện do vết nứt, bọt khí, khuyết tật,

 Sự không đồng nhất của điện môi,

 Đốt nóng và phản ứng hóa học

 …

Đo phóng điện cục bộ trong MBA là một phương pháp được chấp nhận (IEC 60270) [1] để kiểm soát chất lượng của thiết bị khi xuất xưởng và khi vận hành

2.2 Các phương pháp để phát hiện PD

15

2.2.1 Phương pháp truyền thống

 Đo theo tiêu chuẩn IEC 60270 băng thông 100 – 500 kHz dùng để phát hiện, định lượng, theo dõi xu hướng phát triển PD;

 Phát hiện hóa học: phân tích sinh khí trong dầu (DGA)

2.2.2 Các phương pháp không truyền thống

 Phát hiện bằng phương pháp đo lường siêu cao tần – UHF;

 Phát hiện âm thanh (Acoustic)

2.3 Nguyên lý

2.3.1 Phương pháp PD theo tiêu chuẩn IEC 60270

 Đo các xung dòng xuất hiện trong quá trình phóng điện cục bộ

 Các xung dòng phóng điện cục bộ nói trên trong MBA và các thiết bị điện khác có chu

kỳ nhỏ hơn 1 µs Tín hiệu PD được thu thông qua Bushing tap hoặc coupling capacitor

 Phương pháp này đo điện tích biểu kiến với giá trị được xác định bằng pC

 Phương pháp này được áp dụng cho thí nghiệm xuất xưởng các thiết bị cao áp và theo dõi

PD định kỳ để xem xét xu hướng, tốc độ phát triển của PD

2.3.2 Phương pháp đo phóng điện cục bộ bằng sóng âm (PD Acoustic)

 Hiện tượng phóng điện cục bộ sinh ra các sóng âm với biên độ rất bé và tần số cao Các song âm đó sẽ truyền qua các vật liệu cách điện (rắn, lỏng) truyền tới vỏ thùng MBA rồi đến các sensor được bố trí thích hợp Bằng việc di chuyển vị trí các sensor kết nối với máy định vị PD Acoustic có thể định vị được tương đối chính xác các điểm phát sinh phóng điện cục bộ bên trong MBA;

 Ngoài ra, các sóng âm cũng truyền tới vỏ đi qua đường nối đất của vỏ thiết bị rồi đến biến dòng cao tần được bố trí tại dây nối đất hoặc trung tính MBA;

 Phương pháp này đo độ lớn phóng điện cục bộ với giá trị được xác định bằng mV

2.3.3 Phương pháp đo phóng điện cục bộ bằng UHF

 Hiện tượng phóng điện cục bộ cũng sinh ra các sóng siêu cao tần (UHF);

 Sử dụng cảm biến siêu cao tần (UHF sensor) gắn vào van xả dầu của MBA để lấy tín hiệu

PD, kèm theo một bộ kích hoạt (trigger) trong quá trình đo;

 Phương pháp này đo độ lớn phóng điện cục bộ với giá trị được xác định bằng mV

2.3.4 Phương pháp phân tích khí hòa tan trong dầu (DGA)

Trong quá trình vận hành MBA, dầu cách điện làm việc ở nhiệt độ cao, trong cường độ trường điện từ cao, bị phân hủy và diễn ra theo cơ chế phá vỡ mạch C-H và C-C tạo thành hydro nguyên tử và các radical hydrocarbon Các sản phẩm rất hoạt hóa vừa mới sinh ra này kết hợp với nhau hình thành khí H2, CH4, C2H6… và hydrocarbon mới Khi có các nguồn nhiệt lớn sinh

ra trong MBA (quá nhiệt mối nối, phóng điện cục bộ hoặc phóng hồ quang…) sự phân hủy diễn

ra mạnh hơn và sản sinh thêm khí C2H4 và C2H2 và thậm chí là cả carbon dạng hạt Ngâm trong dầu có giấy cách điện (cellulose) và các vật liệu cách điện rắn, do quá trình phân hủy và sinh ra các khí CO2, CO Do vậy trong thí nghiệm về hàm lượng khí trong dầu cách điện sẽ giúp người quản lý vận hành chẩn đoán sớm tình trạng vận hành MBA

Kỹ thuật phân tích khí hòa tan trong dầu cách điện và theo dõi tốc độ sinh khí cháy giúp ta phán đoán một cách chặt chẽ nguyên nhân nào khí sinh ra, đánh giá độ hư hỏng trong MBA để có biện pháp khắc phục đảm bảo cho MBA vận hành an toàn đạt hiệu quả kinh tế cao nhất trên lưới điện

3 THIẾT BỊ THỬ NGHIỆM CHẨN ĐOÁN PD CỦA CÔNG TY THÍ NGHIỆM ĐIỆN MIỀN NAM

3.1 Đo phóng điện cục bộ

Hiện tại Công ty Thí nghiệm điện miền Nam (TNDMN) đã có một bộ máy đo phóng điện cục

bộ (PD/Electric) 3 pha, 3 kênh độc lập áp dụng trong phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn IEC

60270 và cũng có khả năng thử nghiệm tại hiện trường

Với bộ máy đo phóng điện cục bộ được trang bị Công ty TNĐMN đã thử nghiệm hạng mục thí nghiệm phóng điện cục bộ tại phòng thí nghiệm cho các PT, CT từ 24 kV đến 110 kV, các máy biến áp 3pha phân phối sau sửa chữa

Ngoài ra thiết bị có khả năng thí nghiệm on-line ngoài hiện trường cho các thiết bị điện 110kV, máy biến áp 110 kV, cáp cao – trung áp có chiều dài ngắn

3.2 Thử nghiệm DGA

Công ty Thí nghiệm điện miền Nam hiện có 2 hệ thống phân tích khí hòa tan trong dầu với chức năng :

Sử dụng phương pháp ASTM D3612-C Hệ thống cột PLOT (mao quản) có giới hạn phát hiện thấp (1 ppm), giúp phát hiện chính xác tất cả các khí, đặc biệt khí H2 và C2H2 sinh ra do phóng điện (cục bộ, hồ quang ) Có khả năng phát hiện: 9 khí gồm H2, O2, N2, CH4, CO, CO2, C2H4,

C2H6 và C2H2

Từ đó có thể chẩn đoán, phát hiện sớm các hư hỏng bên trong máy biến áp, theo dõi các diễn biến hư hỏng để lên phương án khắc phục

4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ (FRA)

17

4.1 Giới thiệu

Việc mất đi tính nguyên vẹn cơ học ban đầu của MBA lực như sự biến dạng của cuộn dây, sự dịch chuyển của lõi thép,… là do tác động của các lực điện cơ lớn, mà nguyên nhân là do các dòng điện sự cố, việc co ngót của cuộn dây dẫn đến việc nới lỏng lực ép, các vấn đề nảy sinh trong quá trình vận chuyển và lắp đặt gây nên

Sự biến dạng của cuộn dây và việc dịch chuyển của lõi thép này nếu không được phát hiện sớm thường sẽ chuyển thành một hư hỏng về điện môi hoặc về nhiệt Loại hư hỏng này là không thể thay đổi được và chỉ có khắc phục bằng cách đại tu MBA như quấn lại cuộn dây, sửa chữa lại lõi thép hoặc thay thế hoàn toàn máy biến áp

Vì vậy rất cần thiết phải kiểm tra sự nguyên vẹn về cơ của các MBA mới lắp đặt sau quá trình vận chuyển, cũng như các MBA đang vận hành một cách định kỳ và đặc biệt sau các sự cố ngắn mạch, nhằm đánh giá tình trạng bất thường và đưa ra cảnh báo sớm về hư hỏng có thể xảy ra

Đã hơn chục năm nay, các hãng chế tạo thiết bị chẩn đoán MBA trên thế giới đã đưa ra và áp dụng một kỹ thuật mới để giải quyết rất hiệu quả vấn đề này, đó là “Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số” (FRA- Frequency Response Analysis)

4.2 Cơ sở của việc phân tích đáp ứng tần số

MBA được xem là một mạch phức hợp bao gồm các phần tử R,L,C Các phần tử R,L,C này hình thành là do kết cấu hình học của MBA, các thông số như điện trở, điện cảm của cuộn dây; điện dung giữa các bối dây, các cuộn dây với nhau, giữa cuộn dây và lõi thép, giữa lõi thép và

vỏ thùng, giữa vỏ thùng và cuộn dây,… Tuy nhiên, để đơn giản hóa, có thể sử dụng một mạch tương đương với các phần tử R,L,C như minh họa ở hình 1 để giải thích một cách chính xác nguyên lý của kỹ thuật đáp ứng tần số

Bất kỳ dạng hư hỏng vật lý nào của MBA đều dẫn đến những thay đổi thông số R, L, C của mạch tương đương nói trên Những thay đổi này, dù nhỏ đều có thể phát hiện được bằng phương pháp “Phân tích đáp ứng tần số” (FRA)

Phân tích đáp ứng tần số được tiến hành bằng cách đưa tín hiệu điện áp thấp có các tần số thay đổi vào các cuộn dây của MBA Sau đó, đo cả hai tín hiệu đầu vào và đầu ra Tỷ số của hai tín hiệu này cho ta dạng “đáp ứng tần số” của MBA Tỷ số này được gọi là hàm truyền của MBA

Từ đó ta có thể thu được các giá trị về độ lớn và góc pha Với các tần số khác nhau, sẽ thu được các hàm truyền khác nhau

Bất kỳ sự biến dạng hình học nào của MBA đều dẫn đến thay đổi mạch tương đương R, L, C

Sự thay đổi này kéo theo sự thay đổi của hàm truyền ở các tần số khác nhau, từ đó có thể nhận biết các hư hỏng của MBA

5 HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM CAO ÁP SỬ DỤNG KHÁNG NỐI TIẾP VÀ BIẾN ĐỔI TẦN SỐ

5.1 Giới thiệu

Ngày nay, để thực hiện thí nghiệm cao áp trên các loại đối tượng khác nhau người ta sử dụng các hệ thống thí nghiệm AC sử dụng nguyên lý cộng hưởng nối tiếp Trong phần này chủ yếu giới thiệu việc thí nghiệm cao áp AC bằng phương pháp cộng hưởng nối tiếp Hiện tượng cộng hưởng này được tạo ra không phải bằng cách biến đổi điện kháng mà bằng cách điều chỉnh tần số

Hệ thống thí nghiệm cao áp tần số biến đổi có tỉ số công suất thí nghiệm/trọng lượng thiết bị là tối ưu hơn so với các hệ thống thí nghiệm AC khác như máy biến áp thí nghiệm sử dụng kháng điều chỉnh Do đó, hệ thống thí nghiệm AC sử dụng biến đổi tần số làm giảm trọng lượng, kích thước và giá thành của bộ thử Hợp bộ thí nghiệm AC tần số biến đổi đặc biệt phù hợp để thực hiện thí nghiệm trên các đối tượng điện dung lớn như các tổ máy phát điện lớn, hệ thống GIS hoặc cáp lực có chiều dài lớn

5.2 Nguyên lý cơ bản

Điện áp thí nghiệm được đưa vào từ nguồn ba pha được đưa qua bộ điều chỉnh tần số để điều chỉnh tần số và điện áp đầu ra của hệ thống (f/U) Máy biến áp kích thích làm nhiệm vụ kích thích mạch cộng hưởng và kháng điện cao áp làm nhiệm vụ tạo ra điện áp cao

Sau khi đi qua bộ lọc sóng hài để loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao do bộ biến tần, nguồn điện được đưa vào máy biến áp kích thích, do đặc tính vật lý của mạch cộng hưởng tạo ra điện

áp hình sin

Hệ thống thí nghiệm này có thể được sử dụng với các đối tượng thí nghiệm có tính điện dung với các khoảng điện áp khác nhau Ví dụ như, thực hiện các thí nghiệm thông thường (routine test) đối với các thiết bị đóng cắt, cáp, và các thiết bị khác Đối với các thiết bị yêu cầu thí nghiệm tần số công nghiệp, độ lệch so với tần số công nghiệp được quy định trong các tiêu chuẩn IEC

19

6 KẾT QUẢ

6.1 Phân tích DGA trong dầu MBA

Các máy biến áp có hiện tƣợng phóng điện & phóng điện cục bộ - định kỳ năm 2014

ST

T Tên trạm Thời gian

Tg (%)

Hàm lượng khí hòa tan (ppm)

TCG (ppm) Kết luận

CO 2 C 2 H 4 C 2 H 2 C 2 H 6 H 2 O 2 N 2 CH 4 CO

BẾN TRE

T1 40MVA

TIRA THAI

N:4510209

SC&SL:10/201

1

Sau sửa chữa và sấy lọc dầu Tổng lượng khí hòa tan trong dầu đạt yêu cầu vận hành đối với cấp điện áp 110KV

Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose Khí CO tăng nhanh

Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose

So với kết quả định

kỳ 2012, khí CO tăng với tốc độ nhanh

Trong máy có xuất hiện hồ quang với dòng liên tục

2

BẾN TRE

T2 40MVA

N:40M011139

EMC

SL:Online

Trong máy có hiện tượng phóng điện cục bộ So với kết quả sau sấy lọc ngày 18/7/2011 các khí cháy tiếp tục tăng nhanh

Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose Khí CO tăng nhanh Phóng điện cục bộ

So với kết quả ngày 17/8/2011 các khí cháy tăng nhanh, tốc độ sinh khí cháy khoảng

8.04ppm/ngày

Trong máy có hiện tượng phóng điện cục bộ Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose So với kết quả định kỳ 2012 các khí cháy tiếp tục tăng

19/2/2014 0,13 3413,75 100,55 2,44 31,30 213,60 780,90 4983,49 96,87 139,42 584

Trong máy có hiện tượng chớp tia lửa điện Phóng điện cục bộ Các khí cháy tiếp tục tăng

21

3

HÀM KIỆM

T1 63MVA

EMC

N:63M121172

VH:3/2012

Thử mới Mức độ khử khí trong máy đạt yêu cầu kỹ thuật đối với cấp điện áp 110kV

Trong máy có hiện tượng phóng điện cục bộ Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose Các khí cháy tăng với tốc độ rất nhanh

Trong máy có hiện tượng phóng điện cục

bộ SV KQ ĐK 2013, khí H 2 không tăng Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose Khí CO tiếp tục tăng Kết luận: Khí CO tiếp tục tăng

4

PHAN THIẾT

T2 63MVA

EMC

N:63M011288

VH:7/2012

Thử mới Mức độ khử khí trong máy đạt yêu cầu kỹ thuật đối với cấp điện áp 110kV

4

PHAN THIẾT

T2 63MVA

EMC

N:63M011288

VH:7/2012

H 2 vượt quy định

Phóng điện cục bộ Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose Khí CO tăng với tốc độ nhanh

Trong máy đã có hiện tượng phóng điện cục bộ SV

KQ ĐK 2013, H2 không tăng thêm Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose Khí CO tiếp tục tăng nhanh

5

KCN CẦN THƠ

T1 25MVA

ĐÔNG ANH

N:981-01

SL:7/2013

Trong máy có hiện tượng chớp tia lửa điện Quá nhiệt vật liệu cách điện cellulose

6

ĐÀ LẠT 1

T2 40MVA

ALSTOM

N:P40KEE272

VH:2003

05/03/2013 0,37 1426 4 0 83 0 0 23443 53 229 369 Máy biến áp hoạt động bình thường

Trong máy có sinh khí C 2 H 2 (hiện tượng chớp tia lửa điện)