Công nghệ gia tăng tuổi thọ máy biến áp

Tuổi thọ máy biến áp

Máy biến áp (MBA lực) có cách điện chính là giấy cách điện và dầu MBA. Trong MBA, dầu cách điện ngoài tác dụng làm mát MBA còn là cách điện chính của MBA. Các hiện tượng phát sinh bên trong MBA phản ánh trung thực chất lượng dầu MBA. Đặc biệt hàm lượng nước tăng cao trong dầu làm ẩm giấy cách điện cuộn dây, thẩm thấu vào vật liệu cách điện và làm suy giảm cách điện cuộn dây.

Với MBA vận hành đã lâu năm, khi giấy cách điện đã tới giai đoạn cuối của vòng đời thì độ bền cơ nhiệt của cách điện cũng suy giảm. Đồng thời với sự phân hủy dần của cách điện rắn, mật độ tạp chất trong dầu gia tăng, nhiệt độ chớp cháy của dầu MBA giảm và tăng khả năng phát sinh các điểm phóng điện cục bộ trong MBA.

Tuổi thọ của MBA có thể hiểu là tuổi thọ của giấy cách điện. Khi MBA đã vận hành lâu năm tới thời kỳ đại tu, công việc khi đó chủ yếu là thay thế các bộ phận hư hỏng và sấy khô lại cách điện rắn của cuộn dây. Việc đại tu MBA không những làm thay đổi tính chất cơ học của giấy cách điện mà còn làm giấy cách điện lão hóa với tốc độ nhanh hơn. Tại những vị trí mà giấy hoặc dầu cách điện bị lão hóa hoặc bị thay đổi tính chất cơ lý xuất hiện hiện tượng vi phóng điện thường được gọi là phóng điện cục bộ. Nếu có nhiều điểm như vậy, chúng sẽ tạo thành chuỗi, thành nhánh. Theo thời gian, các điểm và các nhánh này sẽ lan rộng và phát triển, biên độ dòng và áp lớn dần lên tới một ngưỡng nào đó sẽ dẫn đến cháy nổ MBA.

Tóm lại, lão hóa MBA có thể định nghĩa là sự suy giảm của cách điện MBA, hay nói cách khác tuổi thọ của MBA phụ thuộc vào số lượng điểm phát sinh phóng điện cục bộ và biên độ phóng điện cục bộ trong MBA.

Để tăng tuổi thọ MBA người ta thường khuyến cáo vận hành MBA trong các điều kiện dưới danh định. Nhưng trong thực tế ngành điện, MBA thường phải vận hành cả trong các điều kiện không mong muốn (quá tải, quá áp) bởi vậy tuổi thọ MBA thường thấp hơn nhiều so với tuổi thọ thiết kế.

Các nhà khoa học đã nghiên cứu triển khai nhiều công nghệ mới giúp MBA vận hành được lâu dài. Một trong những công nghệ đó là sử dụng công nghệ siêu cao tần (UHF) để theo dõi và phát hiện các điểm phóng điện cục bộ mới phát sinh. Công nghệ UHF phát triển rất nhanh và được ứng dụng rộng rãi giúp đảm bảo các thiết bị điện, đặc biệt là MBA, vận hành an toàn, với độ tin cậy cao và nâng cao tuổi thọ vận hành MBA.

Công nghệ PD sử dụng tấn số UHF

Phóng điện cục bộ (partial discharge) là hiện tượng đánh thủng điện môi cục bộ của một phần nhỏ trong hệ thống cách điện rắn hoặc lỏng dưới tác dụng của ứng suất điện áp cao, chỉ nối tắt một phần giữa các điện cực. Trong thời gian xuất hiện phóng điện cục bộ, năng lượng tiêu tán tại chỗ và thay đổi kiểu loại các tín hiệu cũng như các xung dòng điện. Điện áp rơi qua các điện cực, xuất hiện các bức xạ điện từ, các tín hiệu quang, năng lượng âm thanh.

Sự cố cháy nổ máy biến áp lực (MBA) bao giờ cũng rất trầm trọng, gây thiệt hại lớn về kinh tế. MBA điện áp càng cao thì ảnh hưởng của sự cố càng trầm trọng.

Qua phân tích và thực tế chứng minh hầu hết các sự cố cháy nổ MBA đều phát sinh từ các phóng điện cục bộ hình thành và phát triển trong một thời gian không nhỏ bên trong MBA, mà người quản lý không có đủ phương tiện và thiết bị để phát hiện và kiểm soát các phóng điện này. Với các thiết bị kiểm tra phóng điện cục bộ (sensor PD), người quản lý có thể phần nào hiểu rõ được bên trong MBA đang vận hành có phát sinh phóng điện cục bộ hay không.

Hiện nay trên thế giới, các thiết bị kiểm tra phóng điện cục bộ trong MBA được chế tạo theo các nguyên lý khác nhau, dựa vào các phương pháp cơ bản sau:

a. Sử dụng các sensor PD điện (electrical PD sensor) lắp cố định vào chân sứ MBA.

b. Sử dụng các sensor PD âm tần (acoustic PD sensor) lắp đặt bên ngoài vỏ thùng MBA hoặc kiểu ống van lắp qua các van liên thông với dầu.

c. Sử dụng các sensor PD siêu cao tần (UHF) lắp đặt qua các cửa sổ thành MBA hoặc kiểu ống lắp đặt qua các van liên thông với dầu.

Trong bài viết này trình bày công nghệ phát hiện phóng điện cục bộ sử dụng tần số siêu cao.

Công nghệ UHF PD của Qualitrol

Phương pháp phát hiện phóng điện cục bộ sử dụng tần số siêu cao được nhiều hãng sử dụng, nhưng thân thiện và hoàn thiện hơn cả là các sản phẩm phát hiện phóng điện cục bộ của Qualitrol.

Công nghệ UHF là phương pháp sử dụng các sóng siêu cao tần (ultra-high frequency - UHF) có dải sóng 0,3-3 GHz để tìm kiếm và phát hiện phóng điện cục bộ (PD) trong MBA. Các sensor UHF có chức năng thu sóng điện từ tần số siêu cao phát ra bên trong thùng MBA. Bởi vậy việc lắp sensor UHF phải được giải quyết ngay tại nhà máy chế tạo MBA. Thùng MBA phải khoét sẵn cửa sổ có kích thước phù hợp theo tiêu chuẩn. Sensor được lắp lên các cửa sổ đó. Sensor không tiếp xúc trực tiếp với dầu trong MBA mà được ngăn cách bằng tấm cách điện. Sensor được lắp ở bên ngoài thùng MBA, việc tháo hoặc lắp sensor không ảnh hưởng đến chất lượng dầu bên trong thùng MBA.

Việc xác định vị trí lắp đặt sensor và số lượng sensor trong MBA sẽ do các kỹ sư tính toán và bố trí. Thông thường một MBA cần có không dưới 4 sensor. Số lượng sensor như vậy sẽ giúp xác định tọa độ điểm phát sinh PD dễ dàng và chính xác hơn.

Ngoài các sensor kiểu cửa sổ lắp cố định trên thành (hoặc nắp) MBA, hãng Qualitrol còn có thêm hai dạng sensor khác:

• Sensor kiểu đầu dò (hình 2b), được lắp đặt qua cửa van đường ống. Đầu dò tiếp xúc trực tiếp với dầu bên trong thùng MBA.

• Sensor bên trong (hình 3), được lắp cố định qua các cửa sổ của thùng MBA, nhưng tiếp xúc trực tiếp với dầu bên trong thùng MBA.

Việc lựa chọn kiểu loại và số lượng sensor tùy thuộc vào cấu tạo của MBA nhưng phải đảm bảo tính kinh tế và độ tin cậy.

Các tín hiệu UHF mà hệ thống các sensor thu được được truyền tới tủ điều khiển trung tâm DCU, qua đường truyền tới máy tính PC lưu giữ dữ liệu và thể hiện các dạng sóng trên màn hình. Qua hệ thống đường truyền kết nối qua các server có thể ghép nối với các thiết bị khác đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61850, qua khối điều khiển nguồn kết nối với hệ thống SCADA… Với các sensor được bố trí tại hơn 3 vị trí trên MBA có thể định vị được tương đối chính xác điểm nguồn phát sinh phóng điện cục bộ (PD) bên trong MBA.

Sensor UHF có khả năng thu tín hiệu siêu cao tần từ các điểm nguồn PD bên trong MBA với độ nhạy 5pC. Các sensor của Qualitrol chỉ thu tín hiệu siêu cao tần trong dải 0,2-1,8 GHz, mỗi sensor sẽ được mặc định bằng một màu cố định tương ứng với màu của đường biểu thị dạng sóng mà nó thu được. Tủ điều khiển trung tâm có thể lưu giữ dữ liệu tới 5 năm, xử lý phân tích các tín hiệu, đưa ra các cảnh báo hoặc lệnh cắt máy cắt tổng của MBA tùy theo yêu cầu của người sử dụng.

Trên màn hình máy tính, các tín hiệu PD thu được từ mỗi sensor sẽ có trị số biên độ và dạng xung khác nhau tùy thuộc vào khoảng cách tới điểm nguồn phát sinh PD. Với công nghệ UHF của Qualitrol, các tín hiệu nhiễu không phải từ phóng điện cục bộ sẽ không được sensor thu nạp vì đã bị các bộ lọc nhiễu loại bỏ. Đối với các thiết bị phát hiện PD sử dụng công nghệ âm tần, tín hiệu xung nhiễu vào sensor là rất nhiều, bởi vậy người sử dụng phải có chuyên môn sâu, kinh nghiệm đọc đồ thị và có khả năng phán đoán mới có thể xác định được chính xác tín hiệu PD. Còn đối với công nghệ UHF PD, việc xác định được tín hiệu PD đơn giản hơn rất nhiều.

Sử dụng phần mềm PDM chạy trên nền Window XP và phần mềm xác định vị trí điểm PD đòi hỏi phải có ít nhất 4 sensor: 1 sensor làm tham khảo, 3 sensor còn lại đáp ứng sự thay đổi các tín hiệu đầu vào của thuật toán định vị điểm phát sinh PD. Người sử dụng phải nạp các dữ liệu đầu vào (kích thước ba chiều của thùng MBA, khoảng cách giữa các sensor, các tham số của lõi, mạch từ, cuộn dây MBA…), thuật toán tự tính ra điểm PD với sai số 0,1m. Công nghệ UHF PD cũng được áp dụng rộng rãi cho các thiết bị khác như cuộn kháng dầu, tủ GIS, trạm GIS, cáp lực…

Kết luận

Đây là một công nghệ mới tiên tiến, phục vụ hữu hiệu cho việc quản lý vận hành MBA, trợ giúp và thay thế con người trong việc quản lý vận hành MBA, đảm bảo an toàn và tin cậy hơn. Đặc biệt đối với các trạm không người trực, đây là giải pháp tích cực và tiện ích cần thiết cho việc giám sát tình trạng thiết bị từ xa.

Khuyến nghị Tập đoàn Điện lực Việt Nam xem xét áp dụng công nghệ mới này để có các quy định thích hợp trong khâu thiết kế và chế tạo MBA. Nên chăng cần bổ sung thiết bị kiểm tra PD như một đặc tính kỹ thuật bắt buộc đối với các MBA công suất lớn và điện áp cao.

(Theo: KHCN Điện)