Các phương pháp nâng cao để chẩn đoán cách điện cho máy biến áp lực (phần 1)

09/04/2020
mba

Tóm tắt

Các máy biến áp lực là mắt xích giá trị nhất trong lưới truyền tải. Nhu cầu về điện năng cũng như độ tuổi bình quân của các máy biến áp ngày càng tăng. Chi phí thấp hiện nay là mối quan tâm hàng đầu đối với các đơn vị điện trong thị trường điện tự do. Ngành điện cố gắng hạn chế việc đầu tư thay thế các máy biến áp bằng cách sử dụng chính sách bảo dưỡng dựa trên tình trạng thiết bị (CBM) thay vì dựa theo thời gian(TBM). Một yếu tố then chốt quyết định tuổi thọ của máy biến áp là tình trạng cách điện. Bởi vậy, nhu cầu cho các chẩn đoán cách điện tin cậy cho máy biến áp lực tăng cao. Một vài hạng mục thí nghiệm có thể được thực hiện để xác định tình trạng của máy biến áp. Các thí nghiệm định kỳ thường liên quan đến phân tích dầu, như đo điện áp phá hủy và độ axit của dầu hoặc thực hiện phân tích hàm lượng khí hòa tan trong dầu (DGA). Một thí nghiệm định kỳ khác là đo điện dung và hệ số tổn hao điện môi (DF) tại các tần số vận hành. Tuy nhiên, các phương pháp chẩn đoán cách điện hiện đại có khả năng đem lại những thông tin bổ sung cho các thí nghiệm truyền thống. Bài viết sau đây thảo luận đến các phương pháp chẩn đoán cách điện khác nhau, ứng dụng và những thông tin mà chúng đem lại.

1.Giới thiệu

Ngày nay chúng ta đang đối mặt với nhu cầu điện năng ngày càng tăng cũng như sự gia tăng độ tuổi bình quân của các máy biến áp lực trong mạng lưới phân phối điện [1]. Ngành điện tập trung vào các chi phí thấp trong thị trường điện tự do. Do máy biến áp lực là mắt xích giá trị nhất trong lưới truyền tải, các đơn vị điện lực luôn cố gắng trì hoãn việc đầu tư và thay thế. Kết quả là độ tuổi bình quân của máy biến áp lực tăng lên. Sự lão hóa của thiết bị điện cao áp thể hiện điển hình ở sự già cỗi cách điện. Nếu không được phát hiện sớm kịp thời, nó sẽ dẫn đến sự cố nghiêm trọng và kèm theo đó là chi phí cao để xử lý. Do vậy, những khiếm khuyết nghiêm trọng phải được phát hiện trước khi sự cố xảy ra là điều rất cần thiết. Chính sách bảo dưỡng mới dựa trên tình trạng thiết bị được áp dụng thay vì thí nghiệm định kì hoặc bảo dưỡng làm mới.

Kết quả là bảo dưỡng dựa trên tình trạng có xu hướng thay cho chính sách bảo dưỡng dựa trên thời gian. Điều này làm giảm hoạt động bảo dưỡng, nhưng các phương pháp chẩn đoán tin cậy có tính quyết định để đem lại một bức tranh tổng thể về tình trạng cách điện. Sau các thí nghiệm định kỳ – như DGA hoặc đo điện dung hoặc hệ số tổn hao điện môi (DF) tại tần số vận hành – chỉ ra các khuyết tật có thể có, các phương pháp thí nghiệm cách điện hiện đại có thể được sử dụng để thu được nhiều thông tin hơn về khiếm khuyết hay tình trạng lão hóa của cách điện. Đặc biệt sự kết hợp một số phép đo đem lại thông tin bổ sung về tình trạng cách điện và giúp xác định sự cố tiềm ẩn.

2. Đo đáp ứng điện môi

Cách điện của các máy biến áp lực bao gồm cách điện rắn và dầu. Nước có thể gây hư hại hệ thống cách điện này. Nó làm giảm độ bền điện môi, có thể đo được trong dầu cách điện. Hiệu ứng hình thành bọt khí cũng có thể xảy ra, làm tăng cường độ điện trường tại bề mặt của bọt hơi nước và có thể dẫn đến phóng điện cục bộ. Hơn nữa, nước gây ra sự thủy phân trong cách điện cellulose (thường là giấy, tấm bìa ép). Đây là một quá trình hóa học làm hư hỏng cellulose. Cùng với khí oxy, nó có thể tạo thêm nước, gây ra hiệu ứng bóng tuyết và làm gia tăng quá trình lão hóa của cách điện rắn. Trong phần lớn trường hợp, sự già cỗi và hàm lượng nước trong cách điện rắn có liên hệ với nhau, do đó hàm lượng nước có thể được sử dụng như một chỉ số cho sự lão hóa của cellulose.

Tuy nhiên, nếu sự suy giảm độ bền điện môi giảm mạnh, dầu có thể được thay thế, đó là một nỗ lực để phục hồi cách điện rắn. Do đó, xác định hàm lượng nước là rất quan trọng để đánh giá tình trạng cách điện.

Phép đo đáp ứng điện môi giúp xác định hàm lượng ẩm trong cellulose, độ dẫn điện của dầu hoặc ảnh hưởng của các sản phẩm dẫn điện sinh ra trong quá trình lão hóa bên trong một máy biến áp lực. Phép đo có thể thực hiện trong miền thời gian hoặc miền tần số. Trong miền thời gian, dòng điện phân cực và khử phân cực (Polarization and Depolarization Current) được đo liên tục tới (ví dụ) 10000s sau khi đặt vào một điện áp DC (đây được gọi là phương pháp dòng phân cực và khử phân cực PDC). Trong miền tần số, hệ số tổn hao được đo trong một dải tần số rộng, ví dụ 100µHz – 1kHz (đây được gọi là phương pháp phổ miền tần số FDS – Frequency Domain Spectroscopy). Cả hai đường cong đo được chứa đựng thông tin về hiệu ứng phân cực, sự phụ thuộc vào thời gian của nó và quá trình dẫn điện bên trong cách điện. Do đó cả hai phương pháp có thể được sử dụng để xác định hàm lượng ẩm trong máy biến áp lực [2]. Ưu điểm của phương pháp PDC là thời gian đo ngắn, nhưng thời gian dưới 1s – tương ứng với các tần số trên 1Hz – không thể đo được. Trong khi đó phương pháp FDS có thể sử dụng với các tần số cao hơn, nhưng thời gian cần thiết để đo với tần số thấp tăng lên. Giải pháp khả thi là kết hợp hai phương pháp để tăng dải tần số đo được cũng như giảm thời gian đo.

Sơ đồ đo cho các phương pháp này giống như sơ đồ đo hệ số tổn hao điển hình (Hình 1). Trong một máy biến áp, cách điện giữa cuộn dây cao áp và hạ áp bao gồm phần chính cellulose và do đó được khuyến cáo cho các phép đo đáp ứng điện môi. Đo trên sứ đầu vào cũng thực hiện được sử dụng sơ đồ nối dây cao áp và ti sứ (measuring tab). Điểm khác biệt chính với sơ đồ đo hệ số tổn hao truyền thống tại tần số vận hành là: bên cạnh dải tần số rộng hơn là điện áp đầu ra cần thiết thấp hơn (200V hoặc thấp hơn).

a1
Hình 1: Sơ đồ đo hệ số tổn hao: (a) cho máy biến áp 2 cuộn dây, (b) cho máy biến áp 3 cuộn dây

Phân tích đáp ứng điện môi thường được hiển thị trong miền tần số. Đường cong của cách điện giấy-dầu bao gồm ba đoạn nối tiếp chồng lên nhau: đáp ứng điện môi của cách điện cellulose (giấy, tấm bìa ép), độ dẫn điện của dầu và hiệu ứng phân cực giữa các bề mặt.

Sự xếp chồng của ba thành phần này đi theo một đường cong điển hình dạng S cho một máy biến áp dầu (Hình 2).

b2
Hình 2: Đáp ứng điện môi cho các máy biến áp khác nhau tại nhiệt độ phòng: (a) máy biến áp trong tình trạng khô, (b) máy biến áp bị ẩm đã có tuổi

Trong hình 2 (a), dải tần số 1000Hz – 2Hz bị ảnh hưởng bởi tấm bìa ép (pressboard). Độ dẫn điện của dầu gây ra độ dốc theo bước tại dải 2Hz – 0.01Hz. Kết cấu hình học của cách điện (tỉ lệ thanh chắn (barrier), tấm đệm (spacer) và dầu) quyết định hiệu ứng phân cực bề mặt. Phân cực bề mặt là đặc trưng cho các điện môi không đồng nhất với bề mặt giữa các vật liệu có hằng số điện môi và độ dẫn điện khác nhau. Loại phân cực này quyết định điểm cực đại hay điểm lồi (hump) tại 0.003Hz. Cuối cùng, đặc tính của tấm bìa ép lại xuất hiện ở tần số dưới 0.5mHz. Các dải này đặc trưng cho một máy biến áp trong tình trạng khô. Một ví dụ cho một máy biến áp bị ẩm và có tuổi được đưa ra trong hình 2 (b). Tần số giới hạn biến đổi với nhiệt độ, độ ẩm, độ dẫn điện của dầu và các sản phẩm dẫn điện sinh ra trong quá trình lão hóa. Để đạt được một kết quả tin cậy từ đường cong đáp ứng điện môi chỉ cần biết nhiệt độ. Giá trị hàm lượng nước, độ dẫn điện của dầu, kết cấu hình học cũng như ảnh hưởng của các sản phẩm dẫn điện sinh ra trong quá trình lão hóa có thể suy ra từ một đáp ứng điện môi đo được bằng cách sử dụng thuật toán phân tích tự động đưa ra trong phần mềm mới nhất. Phần mềm chứa đựng một cơ sở dữ liệu với đặc tính vật liệu, ví dụ cho các mẫu cellulose ở các điều kiện lão hóa khác nhau và với hàm lượng nước khác nhau. Cùng với các đặc tính của dầu, một đường cong đầy đủ có thể được mô hình hóa cho từng cấu hình, ví dụ theo hàm lượng nước, độ dẫn điện của dầu và kết cấu hình học của cách điện. Nếu phân tích tự động được khởi động, đường cong mô hình được tìm thấy nếu nó trùng khớp nhất với đường cong đo được. Điều đó đảm bảo rằng hình dạng của đường cong mô hình cũng đại diện cho các giá trị của máy biến áp được đo.

Ngay cả khi phương pháp này vẫn khá mới, nó đã được quốc tế chấp nhận [3] để đem lại các giá trị tin cậy cho hàm lượng nước trong cách điện rắn. Về tổng thể, những thay đổi trong cấu trúc vật liệu có thể được nhận thấy, ví dụ các thay đổi trong đặc tính phân cực, độ dẫn, hàm lượng nước và sự lão hóa. Đáp ứng điện môi là một phép đo tổng thể và chỉ những thay đổi trong cách điện tổng thể được phát hiện ra. Các điểm yếu đơn, ví dụ như các tạp chất nhỏ (small inclusions), các vết nứt (cavities), các điểm (spots) có độ bền điện môi suy giảm thường không ảnh hưởng đáng kể lên đáp ứng điện môi.

3. Đo phóng điện cục bộ

Phóng điện cục bộ (Partial Discharge – PD) là các phóng điện tập trung làm cầu nối từng phần trong cách điện cao áp [4]. Đo PD là một công cụ được chấp nhận trên thế giới để kiểm soát chất lượng của hệ thống cách điện cao áp [5] [6]. Phóng điện cục bộ thường xuất hiện trước một phá hủy hoàn toàn trong trường không đồng nhất, do đó có thể phát hiện các lỗi liên quan đến các điểm yếu cục bộ trước khi sự cố xảy ra. Các nhà sản xuất được khuyến cáo nên thực hiện đo PD để đảm bảo chất lượng tuân theo một số tiêu chuẩn như IEC 60076. Do đó, có thể khuyến cáo thực hiện thí nghiệm PD trong quá trình thiết kế từng bộ phận riêng lẻ, trên các bộ phận của máy biến áp khi sản xuất và sau đó trên toàn bộ máy biến áp.

Một phép đo PD có thể phát hiện các khiếm khuyết trong cách điện (ví dụ các vết nứt, các tạp chất) gây ra bởi quá trình sản xuất không hoàn thiện hoặc áp lực tăng cao trong cách điện do thiết kế kém. Loại phóng điện cục bộ cũng như vị trí của chúng có thể đưa lại thông tin quan trọng về hư hỏng.

Một ví dụ về mạch đo tuân theo IEC 60270 được thể hiện trên Hình 3 (a). Một nguồn điện áp tạo điện áp cao đặt lên đối tượng thử Ca. Mắc song song với nó là tụ ghép đôi (coupling capacitor Ck) và coupling device CD, sau đó CD sẽ được nối tới thiết bị đo. Phóng điện cục bộ bên trong thiết bị được thử sẽ gây ra một dòng điện chạy từ coupling capacitor hướng  tới thiết bị được thử. Dòng điện này là đo được, có giá trị tương ứng với một hệ số hiệu chuẩn được xác định trước đó, và liên quan với góc pha của điện áp thí nghiệm. Điều này đưa đến khả năng ghi lại được sơ đồ dạng phóng điện cục bộ phân bố theo pha (Phase Resolved Partial Discharge – PRPD), cũng được gọi là dấu vân tay. Sử dụng PRPD, loại phóng điện cục bộ có thể được xác định.

b3
Hình 3: Mạch đo PD theo IEC 60270 với tổng trở khóa (thiết bị lọc cao áp) Z, tụ ghép đôi coupling capacitor Ck, coupling device CD và đối tượng thử Ca.
(a) tụ ghép Ck và CD mắc nối tiếp (b) ảnh chụp tụ ghép nối với sứ đầu vào
(c) sử dụng đầu đo của sứ đầu vào (bushing tap) (d) ảnh chụp đấu nối thiết bị đo với ti sứ

Với các máy biến áp lực, có 2 sơ đồ đo thường được sử dụng. Hoặc một tụ ghép đôi được sử dụng (Hình 3 (a) và (b)), hoặc điện dung của sứ đầu vào được sử dụng, nếu máy biến áp có sẵn đầu đo trên sứ (Hình 3 (c) và (d)). Ưu điểm của việc sử dụng ti sứ là cần ít thiết bị hơn, vốn như những anten thu luôn cả nhiễu bên ngoài ảnh hưởng đến phép đo. Ngoài ra, việc lắp đặt thiết bị đo cũng dễ dàng và nhanh hơn. Nhược điểm của sơ đồ đo này sứ đầu vào máy biến áp chỉ có điện dung giới hạn so với một tụ ghép, dẫn đến làm giảm độ nhạy. Các ưu điểm và nhược điểm của cả hai sơ đồ đo phải được cân nhắc trong mỗi trường hợp, tùy thuộc vào loại sứ đầu vào và nhiễu bên ngoài.

b4
Hình 4: Thực hiện qui đổi sơ đồ quan hệ biên độ 3 pha (3PARD – Three Phase Amplitude Relation Diagram) từ một phép đo trên một máy biến áp lực.

Với các phép đo trên các máy biến áp lực, kỹ thuật khử nhiễu rất quan trọng để đạt kết quả đo tin cậy. Ví dụ một phép đo đồng thời của các xung điện trên cả 3 pha có thể sử dụng để thực hiện qui đổi được gọi là sơ đồ quan hệ biên độ 3 pha (3PARD – Three Phase Amplitude Relation Diagram) [7]. Bằng cách thực hiện phép đo đa kênh trên tất cả các pha tại cùng một thời điểm, từng cặp xung có thể được ghi nhận và có quan hệ lẫn nhau. Biên độ của các xung này được thể hiện bằng một vec tơ trong 3PARD). Sau khi cộng vec tơ và đánh dấu từng xung trong sơ đồ sao, các cụm có mật độ cao hơn sẽ xuất hiện với mỗi nguồn phóng điện cục bộ.

b5
Hình 5: PRPD (a) và 3PARD (b) chỉ ra theo cách khác nhau điểm PD bên trong và nhiễu bên ngoài

Mã màu phụ thuộc vào mật độ của các cụm kết quả phản ánh tần suất của xung đến. Các xung PD bên trong chủ yếu phân bố theo các cụm gần các trục của sơ đồ. Nhiễu cố định sẽ xuất hiện trên cả 3 pha với cùng biên độ và do đó tổng vec tơ đưa đến một cụm nằm ở tâm của sơ đồ sao. Từng cụm đơn có thể được lựa chọn và các cụm có thể được phân tích riêng rẽ (Hình 6). Sử dụng kỹ thuật này, nhiễu và các nguồn phóng điện cục bộ bên ngoài có thể được loại bỏ để phân tích kỹ hơn.

b6
Hình 6: Dạng PRPD của nhiễu bên ngoài (a), nhiễu nền (b) và PD bên trong (c) – được tách riêng bằng 3PARD

Một phương pháp loại bỏ nhiễu nữa là sử dụng các cảm biến UHF, được gắn vào trong thành máy biến áp, hỗ trợ cho phép đo theo nguyên lý điện. Do cảm biến UHF chỉ nhận ra các phóng điện cục bộ bên trong thùng máy biến áp, nó có thể sử dụng để phân biệt và tách riêng phóng điện cục bộ bên trong với nhiễu bên ngoài [8].

Các phép đo PD giúp phát hiện các điểm yếu cục bộ, ví dụ như các tạp chất nhỏ (small inclusions), các vết nứt (cavities), các điểm (spots) có độ bền điện môi suy giảm. Các thay đổi tổng thể trong cấu trúc vật liệu, như các thay đổi cực tính, độ dẫn điện, hàm lượng nước và sự lão hóa không thể nhận ra bằng phép đo này.

 

Xin mời quý bạn đọc theo dõi tiếp bài viết tại:

Các phương pháp nâng cao để chẩn đoán cách điện cho máy biến áp lực (phần 2)

 

 

This entry was posted in . Bookmark the permalink.
024 6683 0230

Send us
an Email

Contact