Máy biến áp lực (MBA) là thiết bị quan trọng và có giá trị lớn trong hệ thống điện (HTĐ), tình trạng vận hành của MBA trực tiếp ảnh hưởng đến tính an toàn và tin cậy HTĐ. Đặc biệt theo chủ trương của Tập đoàn Điện lực Việt Nam đến năm 2020 thực hiện 100% các TBA 110 kV là trạm không người trực vận hành, để hoàn thành kế hoạch trên cần thiết phải có các biện pháp đảm bảo cho tất cả các trang thiết bị trong trạm, trong đó MBA là phần tử quan trọng nhất, vận hành một cách an toàn, tin cậy và hiệu quả.
Trang 1NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT
ĐỘ ĐIỂM NÓNG CUỘN DÂY VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ HÒA TAN TRONG DẦU CHO HỆ THỐNG
GIÁM SÁT ONLINE MBA
Công ty Lưới điện cao thế TP Hà Nội
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Máy biến áp lực (MBA) là thiết bị quan trọng và có giá trị lớn trong hệ thống điện (HTĐ), tình trạng vận hành của MBA trực tiếp ảnh hưởng đến tính an toàn và tin cậy HTĐ Đặc biệt theo chủ trương của Tập đoàn Điện lực Việt Nam đến năm 2020 thực hiện 100% các TBA 110 kV là trạm không người trực vận hành, để hoàn thành kế hoạch trên cần thiết phải có các biện pháp đảm bảo cho tất cả các trang thiết bị trong trạm, trong đó MBA là phần tử quan trọng nhất, vận hành một cách an toàn, tin cậy và hiệu quả
Hệ thống giám sát online MBA có tác dụng phát hiện sớm các bất thường, hư hỏng để có biện pháp xử lý kịp thời, nâng cao hiệu suất sử dụng và giảm thời gian mất điện các MBA Để giám sát tình trạng hoạt động máy biến áp, hiện nay nhiều công nghệ
đã được áp dụng như: phân tích thành phần khí hòa tan trong dầu (DGA), phát hiện phóng điện cục bộ (PD), giám sát nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ dầu máy biến áp, giám sát điện áp 2 phía máy biến áp v.v Các thiết bị giám sát có đặc điểm đều sử dụng thiết bị, cảm biến chuyên dụng độc lập, đặc tính giám sát đơn lẻ, trong những tình huống sự cố nhất định có thể đưa ra chẩn đoán sự cố tương đối chính xác, nhưng không thể đưa ra chẩn đoán về MBA một cách tổng thể Ngoài ra, ảnh hưởng của chu kì lấy mẫu cũng cản trở việc phát hiện kịp thời sự cố cũng như dự báo diễn biến của sự cố cho người vận hành
Sự phát triển của công nghệ hiện đại, không ngừng nâng cao khả năng tự động hóa trong TBA đã cung cấp các giải pháp hữu hiệu cho giám sát online MBA Bên cạnh
đó, ứng dụng các tiêu chuẩn tiên tiến về giám sát MBA có thể xây dựng một hệ thống giám sát online MBA toàn diện, tính chính xác cao, theo thời gian thực
Đối tượng nghiên cứu của chuyên đề này là MBA dầu, chủ yếu sử dụng giám sát nhiệt độ cuộn dây và đo sắc phổ các thành phần khí hòa tan trong dầu để tiến hành chẩn đoán tình trạng vận hành của MBA; từ đó phát hiện các sự cố xảy ra, dự báo sự cố có thể phát sinh trong quá trình vận hành, đồng thời nâng cao khả năng vận hành quá tải của MBA
Trang 2II THỰC TRẠNG NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
1 Hiện trạng giám sát, điều khiển MBA
Các hệ thống giám sát, điều khiển MBA hiện có:
Sử dụng các tín hiệu đo lường tại trạm làm cơ sở tiến hành giám sát, vận hành MBA bao gồm dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ lớp dầu trên, v.v
Đo thành phần khí hòa tan (DGA) bằng sắc phổ dầu, đo trực tuyến hoặc lấy mẫu dầu đo riêng lẻ;
Giám sát, điều khiển hệ thống quạt và bơm làm mát;
Giám sát phóng điện cục bộ
Nguồn: sytec.com.vn
Hình 1: Giám sát MBA hiện đang được sử dụng
Các hệ thống đang sử dụng đều sử dụng thông tin từ các thiết bị chuyên dụng đơn
lẻ, giám sát MBA từ các bộ phận khác nhau, các chẩn đoán đưa ra chủ yếu được sử dụng để hiển thị và cảnh báo ở mức thấp (quá nhiệt MBA, hệ thống quạt không bình thường, ) hoặc sử dụng như một thành phần của liên động điều khiển (quá dòng, quá áp, ) và chưa có tính năng dự báo sự cố Từ góc độ giám sát, điều khiển và thông tin MBA thì tính đồng bộ, nhất quán của các thiết bị riêng lẻ là chưa cao
Tại Việt Nam nói riêng và trên thế giới nói chung, các trạm tự động hóa những năm gần đây phát triển với tốc độ cao, tiêu chuẩn IEC61850 được ứng dụng ngày càng sâu rộng Các trạm được giám sát, điều khiển bằng hệ thống DCS đã thể hiện ưu thế vượt trội so với kiểu truyền thống, đặc biệt là khả năng thu thập, xử lý và lưu trữ một lượng thông tin rất lớn với mức độ chính xác rất cao Đồng thời, mở ra khả năng tự động hóa hoàn toàn công tác vận hành TBA Trên cơ sở đó, các đơn vị, tổ chức đã và
Trang 3đang tiến hành xây dựng chương trình giám sát trực tuyến, điều khiển MBA có tính toàn diện và độ chính xác cao
2 Các hệ thống giám sát trực tuyến MBA được nghiên cứu và ứng dụng trong thời gian gần đây
Năm 2010, ALSTOM giới thiệu hệ thống “MS 3000 – Online condition monitoring and expert System” Hệ thống này có chức năng giám sát cuộn dây, đầu cực,
hệ thống làm mát, OLTC của MBA
Tháng 11 năm 2010, hệ thống “MDS4000 - Hệ thống giám sát và đánh giá trạng thái của các thiết bị truyền tải điện” của công ty EON-LG được Tập đoàn Điện lực Trung Quốc thông qua kiểm nghiệm MDS4000 có module quan trọng là “MDD3000T-Giám sát trực tuyến MBA”, MDD3000 giám sát thành phần khí và nước trong dầu, giám sát nhiệt độ cuộn dây thông qua các cảm biến quang học
Siemens giới thiệu hệ thống “SITRAM@ GAS-Guard 8” và “SITRAM@ CM” vào năm 2011 Hai hệ thống này có chức năng chủ yếu gồm: phân tích thành phần khí trong dầu, đo lường nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ dầu, khả năng vận hành quá tải, phân tích lão hóa cách điện cuộn dây
Tại Việt Nam, tháng 6 năm 2010 công ty ATS trình bày đề tài nghiên cứu khoa học “Xây dựng phần mềm giám sát khả năng tải đường dây, giám sát khả năng tải và lão hoá cách điện của máy biến áp” Đến đầu năm 2011, phần mềm “Power line & Transformer Monitering” đã được chạy thử nghiệm trong một số trạm biến áp 220 kV
và thu được kết quả bước đầu rất khả quan
Tháng 6 năm 2011, Tổng công ty Truyền tải điện Quốc gia EVN-NPT đã khởi động chương trình nghiên cứu “Công nghệ giám sát & phân tích online dầu”, sử dụng thiết bị phân tích Multitrans của hãng Kelman (UK) EVN-NPT nhận định đây là một công nghệ mới trên thế giới và sẽ được áp dụng tại Việt Nam, nên cũng cần có các hội thảo và trao đổi về việc ứng dụng và khai thác công nghệ này
3 Các vấn đề tồn tại
Các hệ thống trình bày ở trên đều sản xuất hợp bộ, vốn đầu tư cao;
Khả năng nâng cấp và mở rộng thấp;
Giám sát nhiệt độ cuộn dây tuân theo tiêu chuẩn IEEE Std C57.91-1995, hiện tại tiêu chuẩn IEC 60076-7-2005 “Power transformers–Part7: Loading guide for oil-immersed power transformers” đã được ban hành và có nhiều nội dung được cải tiến cập nhật;
Phân tích thành phần khí hòa tan trong dầu tuân theo tiêu chuẩn IEEE Std C57.104-1991 được ban hành từ năm 1991, hiện nay IEEE Std C57.104-2008
Trang 4“Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers”
đã được ban hành và có nhiều chỉnh sửa;
Giao diện HMI của phần mềm chưa trực quan, chưa thân thiện với người sử dụng, còn nhiều chức năng có thể nâng cấp thêm
III GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ĐIỂM NÓNG CUỘN DÂY
1 Giới thiệu
Thực tế công tác QLVH trong TBA, việc nâng cao khả năng chịu tải của MBA rất quan trọng Việc nâng cao khả năng tải của máy sẽ loại trừ được những tổn hại trong quá trình vận hành; giúp điều độ có thêm thời gian và phương án để đưa phụ tải về phạm vi an toàn
Phụ tải thực tế lớn hơn phụ tải danh định của MBA sẽ gây ảnh hưởng đến tất cả các bộ phận của MBA (cuộn dây, đầu cực, cách điện, lõi thép, OLTC, cáp nối đầu cực, biến dòng, v.v.), gây ra tổn hại cho máy Đặc biệt là tại cuộn dây, tác động rất dễ nhận thấy và ở mức độ nghiêm trọng nhất Cách điện tại điểm nóng nhất của cuộn dây có tốc
độ lão hóa cao nhất, dẫn đến sự cố phóng điện trong cuộn dây, gây ra hư hỏng MBA
Có thể kết luận, nhiệt độ điểm nóng nhất của cách điện cuộn dây MBA là nhân tố ảnh hưởng quyết định khả năng vận hành quá tải của máy, vì vậy việc giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong điều khiển vận hành MBA nói riêng và trong vận hành các TBA không người trực nói chung
2 Phương pháp giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây
Giữa những năm 80 của thế kỉ trước, các nhà khoa học đã thử nghiệm sử dụng cảm biến quang học để đo lường nhiệt độ cuộn dây Sử dụng cáp quang có thể trực tiếp, chính xác đo được nhiệt độ cuộn dây theo thời gian thực, từ đó giám sát nhiệt độ nội bộ trong MBA, điều khiển hệ thống làm mát tương ứng, nâng cao khả năng chịu tải của MBA, đảm bảo cung cấp điện an toàn cả trong giờ cao điểm, nâng cao tuổi thọ MBA Tuy nhiên, việc ứng dụng cảm biến quang học yêu cầu lắp đặt rất nhiều cảm biến trong MBA, kỹ thuật bảo dưỡng phức tạp, vốn đầu tư rất cao nên đến hiện tại chưa được
áp rộng rãi
Đối với hệ số phụ tải K và nhiệt độ môi trường θa, nhiệt độ dầu θo biến đổi theo thời gian, tiêu chuẩn IEC 60076-7-2005 cung cấp Phương pháp phương trình vi phân, gián tiếp tính toán nhiệt độ điểm nóng cuộn dây θh và tổn hao tuổi thọ cách điện tương ứng[1] Lưu đồ của Phương pháp phương trình vi phân được thể hiện trong Hình 2
Trang 5Nguồn: IEC 60076-7-2005
Hình 2: Phương pháp phương trình vi phân
Trong đó:
K : Hệ số phụ tải
θa : Nhiệt độ môi trường (oC)
θo : Nhiệt độ lớp dầu trên (oC)
θh : Nhiệt độ điểm nóng cuộn dây (oC)
R : Tỉ số giữa tổn thất có tải và tổn thất không tải tại dòng điện định mức
k11 k21 k22: Hằng số tính toán của mô hình nhiệt
x : Hằng số exponent của nhiệt độ dầu
τ0 : Hằng số thời gian của dầu
τw : Hằng số thời gian của cuộn dây
Δθhr : Độ tăng nhiệt độ điểm nóng cuộn dây so với lớp dầu trên (định mức), K
Δθor : Độ tăng nhiệt độ lớp dầu trên so với môi trường (định mức), K
Hằng số k11, k21, k22, τ0, τw, x, y quyết định bởi dung lượng MBA và hệ thống làm mát
Do phân bố nhiệt trong máy không đều, cách điện tại khu vực có nhiệt độ cao nhất
sẽ bị tổn hại nặng nề nhất, IEC 60076-7-2005 tính toán tốc độ lão hóa dựa trên nhiệt độ điểm nóng nhất của cuộn dây Tốc độ lão hóa cách điện và tổn hao tuổi thọ cách điện được tính theo công thức (III-1) và (III-2)
Trang 615000 15000
V = e
h
(III-1)
1
N
n
L
(III-2) Trong đó:
V: Tốc độ lão hóa cách điện
Vn: Tốc độ lão hoá cách điện ở khoảng thời gian tn
L: Tổn hao tuổi thọ cách điện
n: Chỉ số của khoảng thời gian t
N: Tổng số các khoảng thời gian t trong chu kỳ thời gian
t: Khoảng thời gian
Các thí nghiệm thực tế đã chỉ ra, nhiệt độ điểm nóng cuộn dây tính toán theo Phương pháp phương trình vi phân tiệm cận với kết quả đo trực tiếp bằng cảm biến quang học; phương pháp gián tiếp có ưu điểm là chi phí thấp, vận hành bảo dưỡng đơn giản, thuận lợi cho áp dụng vào giám sát trực tuyến MBA[3]
3 Giám sát online nhiệt độ điểm nóng cuộn dây
Ứng dụng Phương pháp phương trình vi phân cho giám sát trực tuyến nhiệt độ điểm nóng cuộn dây, các bước tiến hành như sau:
1 Thiết lập thông số MBA
2 Thu thập giá trị đo, chu kì lấy số liệu 1 lần/3 phút, số liệu được lấy từ Server của hệ thống tự động hóa TBA
3 Tính toán trạng thái khởi đầu
4 Giải phương trình vi phân
5 Đưa số liệu đầu ra, đồ thị theo thời gian
6 Đưa ra cảnh báo
Sơ đồ khối của chương trình được thể hiện trong Hình 3
4 Đánh giá
Giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây sử dụng cảm biến quang học (trực tiếp) hay phương trình vi phân (gián tiếp) đều có những ưu điểm, nhược điểm nhất định Cung cấp cho hệ thống tự động hóa TBA nhiệt độ điểm nóng cuộn dây, từ đó tính toán tốc độ lão hóa cách điện, tuổi thọ cách điện một cách rõ ràng và có tính chính xác cao Bên cạnh đó, công nghệ giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây cũng có những nhược điểm:
Trang 7 Giám sát nhiệt độ cuộn dây cho dù sử dụng cảm biến quang đo trực tiếp cũng là phương pháp gần đúng, vị trí đặt cảm biến phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chuyên gia và kết quả của của những thí nghiệm thực tế Do đó kết quả đo thu được chỉ đạt được mức độ chính xác nhất định
Phương pháp phương trình vi phân trong quá trình tính toán có nhiều tối ưu hóa,
sử dụng các giả thiết điều kiện và các thông số MBA Các yếu tố này kết hợp lại làm giảm tính chính xác của kết quả tính toán
5 Kết luận
Phát huy ưu điểm, hạn chế nhược điểm của Giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây, đồng thời kết hợp với các công nghệ giám sát khác, từ đó có thể xây dựng một hệ thống giám sát online MBA có tính toàn diện, tính chính xác và độ tin cậy cao
Hình 3: Giám sát trực tuyến nhiệt độ cuộn dây
Mô hình tính toán
Phương pháp phương trình vi phân
IEC 60076-7-2005
Đặc tính MBA
Giá trị danh định: U，S，I n ，R，Δθ hr ，Δθ or
Đặc tính nhiệt: x，y，k 11 ，k 21 ，k 22 ，τ 0 ，τ w
Giá trị ngưỡng: θ omax1 , θ hmax1 , …
Số liệu đo (Dt=3min)
a – nhiệt độ môi trường
o – nhiệt độ dầu (nếu có)
I – dòng điện
o – nhiệt độ dầu
h – nhiệt độ điểm nóng cuộn dây
L – tốc độ lão hóa cách điện
Cảnh báo
o > θ omax
h > θ hmax1 , θ hmax2
RL – Tuổi thọ cách điện
Báo cáo
-Đồ thị theo thời gian:
I, K, a , o , h
-Bảng báo cáo
Trang 8IV GIÁM SÁT THÀNH PHẦN KHÍ HÒA TAN TRONG DẦU
1 Giới thiệu
Trong quá trình vận hành MBA, bất cứ một hiện tượng phát nhiệt hay phóng điện cục bộ phát sinh trong MBA đều sinh ra các thành phần khí cháy trong dầu MBA, phóng điện còn duy trì hàm lượng khí cháy sẽ gia tăng theo thời gian Khi mức độ các hàm lượng khí lớn có thể làm cháy nổ MBA
Các khí phát sinh có nguồn gốc chủ yếu từ dầu MBA, bên cạnh đó còn có các thành phần do cách điện cố định (giấy cách điện, vật liệu composite, ) giải phóng ra Phát nhiệt hay phóng điện trong dầu dẫn đến các liên kết C-C, C-H bị phá vỡ hoặc kết hợp, trong quá trình đó các khí như H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO, CO2 được tạo thành, không ngừng di chuyển và phát tán trong dầu Hàm lượng và thành phần các khí phát sinh có liên quan mật thiết đến loại hình và mức độ nghiêm trọng của sự cố Giám sát và phân tích thành phần khí hòa tan trong dầu có thể phát hiện sớm các bất thường bên trong MBA và theo dõi được diễn biến phát sinh các sự cố[2]
Bảng 1 Loại hình sự cố và các khí phát sinh
Nguồn: IEEE Std C57.91-1995
2 Phương pháp giám sát thành phần khí hòa tan trong dầu
Thông qua quan sát và thực nghiệm độc lập trên nhiều MBA, các tổ chức và nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu ra nguyên lý sử dụng tỉ số của thành phần khí phát sinh trong dầu để chẩn đoán sự cố MBA Trong quá trình sử dụng khí đặc trưng để tiến hành xác định sự cố MBA, phương pháp giám sát thành phần khí hòa tan trong dầu không ngừng được tổng kết, cải tiến, tính chính xác và độ tin cậy ngày càng được nâng cao
Thiết bị đo sắc phổ dầu
Thiết bị đo sắc phổ dầu là thành phần quan trọng của hệ thống giám sát thành phần khí hòa tan, hiện tại có rất nhiều thiết bị được giới thiệu và sử dụng rộng rãi trên
Quá nhiệt dầu và giấy cách điện CH4, C2H4, CO, CO2 H2, C2H6
Phóng điện cục bộ trong dầu và giấy
cách điện
H2, CH4, CO C2H2, C2H6, CO2
Hồ quang điện trong dầu và giấy H2, C2H2, CO, CO2 CH4, C2H4, C2H6
Trang 9thế giới Chuyên đề nghiên cứu, ứng dụng thiết bị TM8 của hãng Serveron, TM8 đo hàm lượng 09 loại khí hòa tan trong dầu (H2, O2, CH4, CO, CO2, C2H4, C2H6, C2H2, N2)
- Module phân li dầu khí: sử dụng phương pháp tách khí chân không, không làm tiêu hao dầu
- Module đo lường: sử dụng cảm biến bán dẫn, đo hàm lượng các khí phát sinh
- Module xử lí số liệu: thông qua các phép toán lọc, nâng cao tính chính xác và ổn định của số liệu; đưa ra dữ liệu số hóa theo chuẩn IEC61850 cung cấp cho chương trình chẩn đoán sự cố
Hình 4: Giao diện các chức năng chính của thiết bị TM8
Trang 10Phạm vi đo lường và sai số của TM8 được trình bày trong Bảng 2
Bảng 2 Đặc tính đo lường của TM8
Thiết bị TM8 có các ưu điểm thích hợp với việc xây dựng hệ thống giám sát
online dầu MBA:
- Đo lường trên MBA mang tải, chu kì đo 30 phút/mẫu nhanh hơn so với các
phương pháp truyền thống;
- Thiết bị đo có độ nhạy cao;
- Chủng loại khí đo được rất đa dạng, 09 loại khí (H2, CO2, ), ngoài ra có thêm
tùy chọn đo nhiệt độ và độ ẩm trong dầu;
- Hỗ trợ chuẩn thông tin IEC61850, thuận lợi cho việc thu thập và trao đổi dữ liệu;
- Độ bền điện từ cao, hoạt động được trong môi trường khắc nghiệt của TBA,
không gây tổn hao dầu MBA
Phương pháp so sánh tỉ số Doernenburg
Tiêu chuẩn IEEE Std C57.104-2008 đề xuất Phương pháp so sánh tỉ số
Doernenburg để chẩn đoán sự cố MBA dựa trên tỉ lệ của các thành phần khí phát sinh
trong dầu Phương pháp so sánh tỉ số Doernenburg sử dụng 4 tỉ số hàm lượng khí: R1 =
CH4/H2, R2 = C2H2/C2H4, R3 = C2H2/CH4, R4 = C2H6/C2H2 đưa ra phán đoán về 3 loại sự
cố tổng hợp trong MBA: quá nhiệt, phóng điện cục bộ và hồ quang điện Trình tự tính
toán của phương pháp được thể hiện trong Hình 5