Nghiên cứu giám sát phóng điện cục bộ trực tuyến đối với MBA và cáp ngầm trên lưới điện tỉnh Khánh Hòa

ĐẶT VẤN ĐỀ Công ty Cổ phần Điện lực Khánh Hòa KHPC đang trong giai đoạn phát triển toàn diện với hàng loạt các chương trình hành động trọng điểm như chương trình an ninh năng lượng, chư

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

ĐÀO MINH KÍNH

NGHIÊN CỨU GIÁM SÁT PHÓNG ĐIỆN CỤC

BỘ TRỰC TUYẾN ĐỐI VỚI MÁY BIẾN ÁP VÀ CÁP NGẦM LƯỚI ĐIỆN TỈNH KHÁNH HÒA

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60 52 02 02

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐOÀN ANH TUẤN

Phản biện 1: TS TRỊNH TRUNG HIẾU

Phản biện 2: TS LÊ KỶ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, chuyên ngành kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học

Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 11 năm 2017

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

- Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Công ty Cổ phần Điện lực Khánh Hòa (KHPC) đang trong giai đoạn phát triển toàn diện với hàng loạt các chương trình hành động trọng điểm như chương trình an ninh năng lượng, chương trình ngầm hóa lưới điện, chương trình nâng cao độ tin cậy cung cấp điện cho giai đoạn 2015-2020, đáp ứng tiêu chí N-1 (chế độ làm việc của lưới điện vẫn bảo đảm sau sự cố 1 nguồn cung cấp điện và không bị cắt hay giảm tải), đảm bảo an toàn mỹ quan HTĐ,…Để triển khai thực hiện tốt các chương trình trên, các vấn đề quản lý và kiểm soát chất lượng, tình trạng vật tư thiết bị đang vận hành đóng vai trò hết sức quan trọng Công tác này liên quan trực tiếp tới năng lực của bộ phận thí nghiệm Hiện nay, ngoài các công tác thí nghiệm thông thường như thí nghiệm nghiệm thu, thí nghiệm định kỳ, thí nghiệm sau sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng…thì các công nghệ thí nghiệm chẩn đoán cũng đang dần được áp dụng rộng rãi và cho thấy một số hiệu quả nhất định

Thí nghiệm chẩn đoán là các thí nghiệm không phá hủy có thể tiến hành trực tiếp hoặc gián tiếp trên các thiết bị đang mang điện

(on-line) hoặc không mang điện (off-line) và mang tính chất dự báo

Nếu như các phương pháp thí nghiệm thông thường chỉ cho phép kết luận thiết bị đủ hoặc không đủ điều kiện đóng điện vận hành, thì các phương pháp thí nghiệm chẩn đoán sẽ cho phép đánh giá thiết bị một cách chi tiết hơn, tổng quan hơn về tình trạng vận hành, mức độ già hóa của cách điện, giúp phát hiện và dò tìm điểm yếu trên thiết bị để

từ đó đề ra các phương thức vận hành, kế hoạch sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng hợp lý góp phần ngăn ngừa sự cố một cách hiệu quả

2 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong xã hội hiện đại, điện được coi là nguồn năng lượng

quan trọng nhất không thể thiếu trong hầu hết các lĩnh vực hoạt động thường ngày Để duy trì các hoạt động này, chất lượng điện từ lưới điện cần phải ổn định nhất có thể để đáp ứng các yêu cầu của khách hàng sử dụng điện Đặc biệt ngày nay có rất nhiều nhà máy và tòa nhà cần nguồn cung cấp năng lượng liên tục, ổn định và chi phí thiệt hại nếu xảy ra sự cố mất điện là rất lớn Vì vậy, việc giám sát và bảo

vệ HTĐ là một trong những vấn đề quan trọng cần được đặc biệt quan tâm

Hiện nay, trên lưới điện tỉnh Khánh Hòa có hơn 11 trạm biến

áp (TBA) 110kV, gần 20 MBA 110kV với tổng dung lượng 592MVA, hơn 228km chiều dài đường dây cáp ngầm trung thế, cùng nhiều thiết bị điện quan trọng khác Cùng với việc đẩy mạnh chương trình nâng cao độ tin cậy cung cấp điện để đáp ứng tiêu chí N-1 thì việc đầu tư nguồn lưới điện, hoàn thiện sơ đồ, lắp đặt thêm nhiều thiết bị điện, ngầm hóa lưới điện sẽ không ngừng tăng lên Số lượng MBA và cáp ngầm trung thế trên địa bàn tỉnh Khánh Hòa không những được lắp đặt phần lớn ở các khu vực đô thị mà còn lắp đặt tại nhiều khu vực có tính chất hết sức nhạy cảm liên quan đến vấn đề an ninh quốc phòng, sản xuất kinh doanh, dịch vụ du lịch có sản lượng điện tiêu thụ lớn, đòi hỏi cao về độ tin cậy và ổn định cung cấp điện như: khu căn cứ quân sự Cam Ranh, khu du lịch Vinpearl Nha Trang, Nhà máy đóng tàu Hyundai Vinashin, Công ty Cổ phần Dệt may Nha Trang,.v.v… Mặt khác, khi tiến hành công tác cải tạo, nâng cấp điện áp, một số MBA và cáp ngầm lâu năm do chuyển cấp điện

áp vận hành từ 15kV lên 22kV cũng tiềm ẩn nguy cơ gây sự cố Vì vậy, việc quản lý, kiểm soát chất lượng các MBA và cáp ngầm đang vận hành trên lưới điện càng trở nên phức tạp Các hạng mục thí nghiệm MBA, cáp ngầm như kiểm tra tình trạng bên ngoài, đo cách điện là không đủ để đánh giá tình trạng vận hành, thậm chí còn có

thể gây ảnh hưởng xấu như trong trường hợp thí nghiệm điện áp một chiều tăng cao (DC) đối với các MBA và cáp ngầm đã vận hành lâu năm Để có cơ sở chẩn đoán, đánh giá tình trạng cách điện của các MBA và cáp ngầm mà không phải cắt điện gây ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện thì việc thí nghiệm đo PD-online đối với các thiết

bị trên là rất cần thiết nhằm mục đích đảm bảo thiết bị điện hoạt động lâu dài, an toàn và tin cậy trong HTĐ Chính vì lẽ đó tôi thực

hiện đề tài: “Nghiên cứu giám sát phóng điện cục bộ trực tuyến đối với MBA và cáp ngầm trên lưới điện tỉnh Khánh Hòa”

3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 3.1 Mục tiêu của đề tài

Mục tiêu của đề tài là đánh giá về đo lường, giải thích thuật toán và các ứng dụng PD hiện có để theo dõi trực tuyến MBA 110kV

và cáp ngầm trung thế từ góc độ lý thuyết và thực tiễn Từ đó đề ra các phương thức vận hành, kế hoạch sửa chữa, bảo trì hợp lý, góp phần ngăn ngừa sự cố một cách hiệu quả

3.2 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu tổng quan về thí nghiệm chẩn đoán sự cố các phần

tử trên HTĐ, tập trung vào công nghệ đo PD-online MBA 110kV và cáp ngầm trung thế

4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu được tiến hành trên đối tượng là cáp ngầm trung thế và MBA 110kV thuộc lưới điện KHPC hiện đang QLVH

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết về PD-online đối với MBA và cáp ngầm Ứng dụng thực tế công nghệ OMICRON vào việc đo và phân tích đánh giá hiện tượng PD MBA 110kV tại TBA 110kV Bình Tân trên lưới điện KHPC QLVH

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Thu thập thông tin tổng quan về MBA 110kV, cáp ngầm trung thế và hiện trạng vận hành, cung cấp điện thuộc KHPC

- Tìm hiểu lý thuyết về phương pháp xác định hiện tượng PD:

+ Phương pháp truyền thống theo tiêu chuẩn IEC 60270 [4], hay phương pháp đo điện cho phép đo PD một cách trực tiếp;

+ Phương pháp phi truyền thống xác định sự xuất hiện của

PD một cách gián tiếp thông qua các tín hiệu phát sinh từ hiện tượng

PD như âm thanh (acoustic), ánh sáng (optic), phản ứng hoá học (chemical), điện từ trường (HF/VHF/UHF)

- Ứng dụng công nghệ đo của hãng OMICRON để chẩn đoán phóng điện bên trong MBA 110kV tại TBA 110kV Bình Tân do KHPC hiện đang quản lý vận hành (QLVH) Từ đó đưa ra các nhận xét, đánh giá và kiến nghị

6 KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN

Luận văn gồm 03 chương:

Chương 1: Lý thuyết về PD và các phương pháp đo PD

Chương 2: Giám sát PD đối với MBA và cáp ngầm trên HTĐ Chương 3: Tổng quan về thực trạng MBA 110kV và cáp ngầm trung thế tại KHPC Ứng dụng thực tế công nghệ đo PD và thiết bị hỗ trợ của hãng OMICRON trong chẩn đoán PD MBA 110kV tại TBA Bình Tân thuộc KHPC

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

trường đạt tới một giá trị nhất định Với điện dung a tượng trưng cho phần cách điện tốt (the healthy part of the insulation), b tượng trưng

cho điện dung của điện môi mắc nối tiếp với điện dung của của bọc

khí (hoặc lỗ trống) c trong cách điện Va: điện áp đặt trên toàn bộ

cách điện

Hình 1.1a Mô hình mô phỏng mạch tương đương của PD

1.1.2 Ảnh hưởng của PD trong hệ thống cách điện

1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO PD

1.2.1 Giới thiệu

1.2.2 Hệ thống đo PD truyền thống (IEC 60270)

1.2.3 Hệ thống đo PD phi truyền thống

1.2.4 Tương quan giữa phương pháp truyền thống và phi truyền thống

Về cơ bản, hệ thống đo PD theo IEC 60270 và phương pháp phi truyền thống đo các đại lượng khác nhau: điện tích biểu kiến và sóng điện từ hoặc dạng khác, mặc dù đều xuất phát từ một nguồn

PD

1.2.5 So sánh hệ thống đo PD On-line và Off-line

1.3 XỬ LÝ TÍN HIỆU VÀ LỌC NHIỄU

1.3.1 Phát hiện tín hiệu PD

PD được phát hiện theo các cách khác nhau dựa trên thực tế

là nó tác động đến chất liệu cách điện trong các thiết bị điện lực Tín hiệu sinh ra từ PD thường được ghi nhận dưới dạng điện (electrical),

âm thanh (acoustic), hóa học (chemical), quang (optical)

1.3.2 Miền thời gian và Miền tần số (Time domain vs Frequency domain)

Phóng điện cục bộ là tập hợp những xung phóng điện có thời gian rất ngắn cỡ nhỏ hơn 1 µs (theo IEC 60270), và được biểu diễn bằng tích phân của dòng điện theo thời gian

Miền thời gian cho biết giá trị của điện tích phóng điện cục

bộ q theo thời gian, cho ta hiểu rõ hơn về bản chất vật lý của PD Biểu diễn PD theo miền thời gian có những ứng dụng hiệu quả trong việc định vị nguồn PD theo phương pháp phản xạ miền thời gian (TDR) Hạn chế của biểu diễn PD theo miền thời gian là rất khó để phân tích các dạng phóng điện khác nhau cũng như việc xử lý tín hiệu hiệu quả bằng những kỹ thuật điện tử tiên tiến Dựa vào phép biến đổi Fourier, một tín hiệu PD ở miền thời gian có thể được biểu diễn sang miền tần số (Frequency domain) Cơ sở của việc chuyển từ miền thời gian sang miền tần số là dựa trên mô hình về xung DIRAC

lý tưởng và phép biến đổi Fourrier: Xung DIRAC sẽ được giữ nguyên biên độ trên toàn miền tần số

Hình 1.2 Xung DIRAC được giữ nguyên biên độ khi chuyển từ

miền thời gian sang miền tần số

Công thức Fourier liên tục từ một hàm số ở miền thời gian f(t) sang miền tần số f( ):

Tương tự, có thể biểu diễn các dạng xung khác nhau nhưng

có biên độ như nhau ở miền thời gian sang miền tần số

Hình 1.3 Biểu diễn các xung khác nhau nhưng có giá trị điện tích

như nhau từ miền thời gian sang miền tần số

1.3.3 Quan sát dạng PD

Quan sát dạng tín hiệu PD phù hợp giúp quá trình phân tích tín hiệu PD trở nên trực quan và dễ dàng hơn

* Phân tích góc pha PD (Phase Resolved Partial Discharge-PRPD)

* Sơ đồ quan hệ biên độ ba pha (3PARD)

1.3.4 Lọc nhiễu

Vấn đề lớn nhất của đo PD là nhiễu tín hiệu Đặc biệt trong trường hợp đo PD on-line, có rất nhiều nhiễu khác nhau có thể xếp chồng tín hiệu PD thực do biên độ tín hiệu nhiễu quá lớn Do đó, việc xác định tín hiệu PD thực từ tín hiệu đo được đi kèm với nhiễu giữ vai trò quyết định trong nhận dạng PD xảy ra hay không, cũng như để phân loại sự cố Nhiều loại nhiễu có thể nhận biết được và loại bỏ bằng cách xử lý tín hiệu và các phương pháp khác Các loại nhiễu điển hình gặp phải khi đo PD có thể được phân loại như sau: Nhiễu dạng sóng sin; Nhiễu dạng xung (lặp lại theo chu kỳ hoặc ngẫu nhiên); Nhiễu tổng hợp (White noise)

1.3.5 Tóm tắt và kết luận

Trong chương này ta trình bày về lý thuyết PD, các nghiên

cứu về nguyên nhân phát sinh PD trong MBA và cáp ngầm, khi phát sinh PD làm thay đổi các thông số của cách điện trong thiết bị, ở đây

là MBA và cáp ngầm Các ưu, nhược điểm và mối tương quan giữa phương pháp đo PD truyền thống so với phương pháp đo PD phi truyền thống Cách phát hiện PD và lọc nhiễu trong trường hợp đo

PD on-line và Off-line Để có cơ sở cho việc nghiên cứu, theo dõi quá trình phát triển của hiện tượng PD trong MBA và cáp ngầm

CHƯƠNG 2 GIÁM SÁT PD ĐỐI VỚI MBA VÀ CÁP NGẦM TRÊN HTĐ

2.1 MBA

2.1.1 MBA trong HTĐ

MBA là một trong những thành phần có cấu trúc phức tạp nhất trong HTĐ Thông thường hầu hết các MBA hoạt động hiệu quả trong khoảng từ 20-35 năm, và có thể được kéo dài với việc bảo dưỡng thích hợp [3] Hơn nữa, mặc dù tỷ lệ hư hỏng khá thấp khoảng 0.2÷2% một năm [3], hư hỏng thường xảy ra với các bộ phận khác nhau Do đó, giám sát bảo dưỡng thích hợp trong khi vận hành là điểm then chốt để ngăn ngừa sự hư hỏng của MBA Cách điện MBA

và các đặc tính của MBA cũng khá phức tạp so với các thành phần khác Vật liệu cách điện phổ biến nhất trong MBA là dầu khoáng đã được thay thế bằng dầu thân thiện với môi trường và xenlulô [3] Tỷ

lệ hư hỏng theo các bộ phận của MBA thường bộ chuyển đổi nấc phân áp (41%), cuộn dây (19%), thùng và dầu (13%), mối nối (12%)

2.1.2 Các kiểu PD trong MBA

Có nhiều dạng PD khác nhau trong MBA có thể phân biệt được và được phân loại như: khe hở (void), bọc khí (Floating part),

bề mặt (surface) và phóng điện vầng quang (corona)

2.1.3 Các kỹ thuật chẩn đoán và giám sát khác nhau về MBA

Trong phần này, kỹ thuật giám sát được phân loại là thử nghiệm dầu, điện, cơ và nhiệt của MBA

2.1.4 Theo dõi PD on-line trên MBA

Có 02 phương pháp:

a) Phương pháp truyền thống: (Sử dụng Bushing tap để

giám sát PD theo sơ đồ IEC 60270)

b) Phương pháp phi truyền thống: (Sử dụng UHF sensors

gắn vào van dầu để đo và định vị PD bên trong MBA)

* Phương pháp đo PD sử dụng nguyên lý sóng âm (AE: Acoustic Emission) bằng các sensor âm thanh (dùng online)

Hình 2.1 Sơ đồ dò sóng âm tần để định vị PD trong MBA

2.1.5 Các thiết bị hiện có để giám sát trực tuyến PD của MBA

Gồm các hãng: OMICRON (CH Áo); Doble Lemke; Dynamic Ratings; IPEC Limited; Power diagnostix System GmbH; PowerPD, Inc…

2.1.6 Tóm tắt và kết luận

Vì MBA là thành phần HTĐ phức tạp nhất nên có nhiều cách khác nhau hoặc nhiều kỹ thuật giám sát để ngăn ngừa các lỗi có thể xảy ra Trong một vài năm gần đây, một số Công ty đã cung cấp hệ

thống giám sát PD on-line cho MBA, người ta dự đoán rằng giám sát

PD on-line trên MBA sẽ được sử dụng rộng rãi trong tương lai gần Đặc biệt là ứng dụng các kỹ thuật giám sát PD có thể được kết hợp với các biện pháp kiểm tra hóa học, cơ học hoặc nhiệt với các phương pháp khác

Giám sát PD on-line trên MBA tập trung vào cường độ PD (giá trị đỉnh) và vị trí nguồn PD Bất kể đo lường điện tích biểu kiến hay đo UHF, thay đổi hoặc gia tăng cường độ PD bên trong MBA có nghĩa là MBA cần kiểm tra cụ thể hơn hoặc được sửa chữa Tuy nhiên, với mục đích theo dõi on-line, phương pháp UHF là đáng tin cậy hơn do khả năng khử tiếng ồn Để xác định vị trí nguồn PD, kỹ thuật phát hiện phát xạ âm là giải pháp xác định nguồn PD bên trong MBA chính xác nhất

Theo quan điểm thực tế, phương pháp giám sát on-line sử dụng cảm biến điện dung, cảm biến UHF (loại van dẫn dầu hoặc cửa

sổ điện môi), hoặc HFCT là loại cảm biến chính xác Ứng dụng cảm biến điện dung tương thích với đa cảm biến cho phép so sánh các tín hiệu PD được tạo ra từ ba pha Nó cũng có thể được sử dụng để xử lý tín hiệu tiếp theo và giảm tiếng ồn theo từng pha Tuy nhiên, IEC

60270 đã đóng một vai trò quan trọng trong việc hướng dẫn giám sát

PD trên MBA Các tiêu chuẩn sắp tới cho UHF/AE, IEC 62478 [5]

sẽ là tiêu chuẩn quan trọng nhất đặc biệt là cho giám sát PD liên tục trên MBA

2.2 CÁP NGẦM

2.2.1 Hệ thống cáp ngầm trong HTĐ

Hệ thống mạng cáp trong HTĐ là một trong những phần quan trọng nhất nhưng cũng là phần dễ bị tổn thương nhất Mạng cáp

có thể được phân loại là Mạng Điện áp cực cao (EHV), Điện áp cao (HV), Trung áp (MV) và Hạ áp/điện áp thấp (LV) Tỉ lệ hư hỏng của