Phóng điện cục bộ (PD) và ứng dụng thiết bị công nghệ của hãng Omicron để đo PD máy biến áp

Bài viết Phóng điện cục bộ (PD) và ứng dụng thiết bị công nghệ của hãng Omicron để đo PD máy biến áp giới thiệu lý thuyết về PD, ảnh hưởng của PD đối với cách điện của thiết bị và ứng dụng thiết bị công nghệ của hãng OMICRON vào việc đo, phân tích, đánh giá hiện tượng PD đối với máy biến áp (MBA) trong trạm 110 kV.

Đồn Anh Tuấn, Đào Minh Kính 96 PHĨNG ĐIỆN CỤC BỘ (PD) VÀ ỨNG DỤNG THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ CỦA HÃNG OMICRON ĐỂ ĐO PD MÁY BIẾN ÁP PARTIAL DISCHARGE AND APPLICATION OF OMICRON’S TECHNOLOGY EQUIPMENT TO MEASURMENT OF PARTIAL DISCHARGE OF TRANSFORMERS Đồn Anh Tuấn1, Đào Minh Kính2 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; datuan@dut.udn.vn Cơng ty Cổ phần Điện lực Khánh Hịa (KHPC); kinhkhpc@gmail.com Tóm tắt - Hiện nay, ứng dụng cơng nghệ thí nghiệm chẩn đốn cơng tác đề phòng cố ngành điện dần trở thành xu giới Khi phương pháp thí nghiệm thơng thường kết luận thiết bị đủ khơng đủ điều kiện vận hành phương pháp thí nghiệm chẩn đốn cho phép đánh giá thiết bị cách chi tiết hơn, giúp phát dị tìm điểm yếu cách điện để từ đề kế hoạch sửa chữa, bảo trì, bảo dưỡng hợp lý Các cơng nghệ chẩn đốn cho thấy hiệu ưu điểm vượt trội so với thí nghiệm thơng thường Ứng dụng cơng nghệ thí nghiệm chẩn đốn cố mà điển hình đánh giá tình trạng phóng điện cục (PD) thiết bị điện cần thiết Bài báo giới thiệu lý thuyết PD, ảnh hưởng PD cách điện thiết bị ứng dụng thiết bị công nghệ hãng OMICRON vào việc đo, phân tích, đánh giá tượng PD máy biến áp (MBA) trạm 110 kV Abstract - Today, the application of diagnostic testing technologies to the prevention of incidents for the power sector is gradually becoming a new trend in the world While conventional testing methods only assess whether the equipment can operate or not, diagnostic testing methods more detailedly evaluate the operation status of the equipment, assisting in detecting weaknesses so that reasonable plans for repairs and maintenance can be proposed to prevent incidents effectively These technologies have demostrated their effectiveness and outstanding advantages compared to the conventional ones The application of diagnostic testing technologies to the prevention of incidents, especially assessing status of partial discharge (PD) for equipment is crucial This paper introduces general theory of PD, its influence on the device's insulating system and application of OMICRON equipment to measuring, analyzing PD phenomena for transformers in 110 kV substations Từ khóa - thí nghiệm; phóng điện cục (PD); chẩn đốn cách điện; chẩn đốn cố; cơng nghệ chẩn đốn cách điện Key words - experiment; partial discharge; insulation diagnosis; fault diagnosis; insulation diagnostic technology Các vấn đề PD 1.1 Hiện tượng PD điện môi khác nhau, dẫn đến việc xuất kênh phóng điện, q trình gọi điện Q trình phóng điện lặp lặp lại dẫn đến hư hỏng khí phá hủy tính chất hóa học vật liệu cách điện Sự biến đổi hóa học điện mơi có khuynh hướng làm gia tăng tính dẫn điện điện môi Sự gia tăng ứng suất điện khe hở làm đẩy nhanh tiến trình phá hủy cách điện 1.3 Đo PD theo miền thời gian miền tần số (Time domain vs Frequency domain) PD tập hợp xung phóng điện có thời gian ngắn, thường nhỏ µs 3, biểu diễn tích phân dịng điện theo thời gian Theo IEC 60270 2, PD tượng phóng điện đánh thủng điện mơi cục tác dụng ứng suất điện áp cao, cầu cục bộ, nối tắt phần điện cực PD thường xảy vị trí khiếm khuyết (bọc khí, nứt, gãy…) mơi trường cách điện điện trường đạt tới giá trị định Mặc dù PD diễn phạm vi hẹp (cục bộ) với cường độ yếu, phát sinh phát triển dẫn tới phá hủy tồn cách điện q  t2 t1 i (t )dt  R  t2 u (t )dt t1 (1) Hình Mơ hình mơ mạch tương đương PD Hình mô mạch tương đương PD, với điện dung a tượng trưng cho phần cách điện tốt (the healthy part of the insulation), b tượng trưng cho điện dung điện môi mắc nối tiếp với điện dung bọc khí (hoặc lỗ trống) c cách điện Va điện áp đặt toàn cách điện 1.2 Ảnh hưởng PD hệ thống cách điện Ảnh hưởng PD bên thiết bị điện nói chung nghiêm trọng, dẫn đến phá hủy hoàn toàn hệ thống cách điện hay thiết bị điện Ngồi ra, ảnh hưởng PD điện mơi rắn hình thành nhiều nhánh phóng điện Hình Mơ tả xung phóng điện theo miền thời gian Miền thời gian cho biết giá trị điện tích phóng điện cục q theo thời gian, cho ta hiểu rõ chất vật lý PD Biểu diễn PD theo miền thời gian có ứng dụng hiệu việc định vị nguồn PD theo phương pháp phản xạ miền thời gian (TDR) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển Hạn chế biểu diễn PD theo miền thời gian khó để phân tích dạng phóng điện khác nhau, việc xử lý tín hiệu hiệu kỹ thuật điện tử tiên tiến Dựa vào phép biến đổi Fourier, tín hiệu PD miền thời gian biểu diễn sang miền tần số (frequency domain) Cơ sở việc chuyển từ miền thời gian sang miền tần số dựa mơ hình xung DIRAC lý tưởng phép biến đổi Fourrier: xung DIRAC giữ nguyên biên độ toàn miền tần số Hình Xung DIRAC giữ nguyên biên độ chuyển từ miền thời gian sang miền tần số Công thức Fourier liên tục từ hàm số miền thời gian f(t) sang miền tần số f(): f (t )  F 1 ( F )(t )  2    F ( )eit d  (2) Tương tự, biểu diễn dạng xung khác có biên độ miền thời gian sang miền tần số [4] Như vậy, xung PD chuyển từ miền thời gian sang miền tần số có biên độ khơng đổi dải tần đó, điều cho phép sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu theo tần số để phân tích PD Việc chọn dải tần số đo đóng vai trị định việc phân tích PD Mỗi dạng phóng điện loại cách điện khác (SF6, epoxy, XLPE…) có dải tần thích hợp khuyến cáo lựa chọn để thực phép đo Việc thu nhận tín hiệu dải tần coupling sensors (Coupling capacitor, HFCT, UHF…) tương ứng đảm nhiệm 97 xếp chồng tín hiệu PD thực biên độ tín hiệu nhiễu lớn Do đó, việc xác định tín hiệu PD thực từ tín hiệu đo kèm với nhiễu giữ vai trò định nhận dạng PD xảy hay không, để phân loại cố [5] Nhiều loại nhiễu nhận biết loại bỏ cách xử lý tín hiệu phương pháp khác Sử dụng thiết bị hãng OMICRON để đo PD máy biến áp 110 kV 2.1 Các thiết bị đo sử dụng hãng OMICRON - 01 MPD 600 + MCU 502 + MPP 600 + HFCT phụ kiện đấu nối 1 - 01 PDL 650 + PDL 550 + MPP 600 + 04 cảm biến AES075 với tần số cộng hưởng 75 kHz, dải tần 30-120 kHz phụ kiện đấu nối; phần mềm kèm 2 2.2 Phương pháp đo 2.2.1 Phương pháp điện (Electrical) Cơ sở lý thuyết phương pháp điện quy định chi tiết IEC 60270 Thiết bị sử dụng hạng mục dựa nguyên lý đo theo IEC 60270 Sử dụng HFCT gắn vào tiếp địa MBA để đo giá trị điện tích biểu kiến nguồn PD, đồng thời làm tín hiệu kích hoạt cho cảm biến âm định vị điểm PD Tuy nhiên, hạn chế phép đo gắn vào tiếp địa MBA chịu ảnh hưởng nhiều nhiễu nền, nên phương pháp sử dụng tín hiệu PD đo để kích hoạt (trigger) cho phương pháp âm 2.2.2 Phương pháp âm (Acoustic) PD MBA đo lường cảm biến áp - điện dải tần vài chục kHz đến vài trăm kHz a) b) Hình Các đường lan truyền từ nguồn PD đến vị trí đặt sensor MBA (thiết bị thử DUT) thành phần tín hiệu PD theo đường lan truyền Hình Biểu diễn xung khác có giá trị điện tích từ miền thời gian sang miền tần số 1.4 Lọc nhiễu Vấn đề lớn đo PD nhiễu tín hiệu Đặc biệt, trường hợp đo PD online, có nhiều nhiễu khác Có đường lan truyền từ nguồn PD đến vị trí đặt sensor (Hình 5a): - Lan truyền trực tiếp dầu (Direct oil-path): Tín hiệu suy hao biên độ tín hiệu lớn nhất, thời gian tín hiệu đến sensor chậm so với lan truyền thép (vận tốc âm truyền thép lớn dầu) - Lan truyền thép (Steelware-path): Tín hiệu bị suy hao lớn nên biên độ nhỏ nhất, thời gian tín hiệu đến sensor sớm - Lan truyền phản xạ (Reflection-path): Biên độ tín hiệu thành phần phản xạ lớn biên độ tín hiệu lan truyền Đồn Anh Tuấn, Đào Minh Kính 98 thép, nhỏ biên độ tín hiệu lan truyền dầu thời gian tín hiệu đến sensor chậm (Hình 5b) Định vị nguồn PD: Sử dụng cảm biến âm gắn vào thùng MBA để thu nhận tín hiệu từ nguồn PD (Hình 6) Hình Nguyên lý định vị nguồn PD phương pháp âm Thời gian từ vị trí nguồn PD đến vị trí cảm biến khác dẫn đến chênh lệch thời gian (Δt1,2) Khi kích hoạt (trigger) cảm biến (hoặc kích hoạt thiết bị đo PD điện - MPD 600) thu khoảng thời gian từ nguồn PD đến cảm biến khác Thuật toán dựa vào khoảng thời gian chênh lệch với vận tốc âm di chuyển thùng MBA để tính tốn khoảng cách từ nguồn PD đến vị trí đặt cảm biến, từ đưa tọa độ xác nguồn PD (Hình 7) Hình Tín hiệu PD đo phương pháp điện với giá trị điện tích biểu kiến Giá trị biên độ PD mang mục đích tham khảo cho phép đo tương lai * Kết đo thiết bị PDL 650 • Vị trí 1: Ban đầu đặt ngẫu nhiên cảm biến MBA, vị trí Hình 10 Hình Sơ đồ thể thời gian tuyệt đối tương đối từ nguồn PD đến sensor 2.3 Sơ đồ đấu nối Hình 60 Tín hiệu PD chưa dịch chuyển sensor Hình Kết vị trí phóng điện cục thứ (trigger cảm biến xanh) Hình Sơ đồ đo định vị nguồn PD sử dụng thiết bị PDL 650 kết hợp MPD 600 2.4 Kết đo * Kết đo thiết bị MPD 600 (Hình 9) Dựa vào dạng tín hiệu PD (Hình 10), thấy sensor xanh vàng có tín hiệu dạng PD theo lý thuyết mức lượng có giá trị tương đối lớn (sensor xanh ~100 mV (min -47,5 mV, max +44,7 mV); sensor vàng ~70 mV (min -35 mV, max +32,5 mV)), sensor đỏ đen tín hiệu ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017 - Quyển PD không rõ ràng, mức lượng thấp Do di chuyển sensor đỏ đen lại gần vị trí sensor xanh vàng tìm vị trí nguồn PD thứ Hình 11 • Vị trí 2: Sau tìm vị trí 1, tiếp tục dị sensor sang vị trí khác (Hình 12) Hình Tín hiệu PD chưa dịch chuyển sensor Tại tọa độ (1.65/0.00/2.4) (Hình 12), sensor màu vàng có tín hiệu dạng PD theo lý thuyết mức lượng tương đối lớn (~200 mV (min -111,3 mV, max +115 mV)) Do đó, di chuyển sensor khác lại gần sensor vàng tìm vị trí PD thứ Hình 13 99 đáp ứng tần số quét (so sánh dấu vân tay) đo hàm lượng ẩm cách điện rắn MBA, v.v… Kết luận Các cơng nghệ đo phóng điện cục áp dụng vào đối tượng MBA 110 kV cáp ngầm trung để đánh giá trạng cách điện phục vụ công tác vận hành bảo trì sửa chữa áp dụng rộng rãi giới quan tâm, áp dụng Việt Nam Từ có giải pháp xử lý để chủ động ngăn ngừa, giảm thiểu cố, giảm thời gian điện tăng độ tin cậy cung cấp điện hệ thống Việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ đo PD nói riêng cơng nghệ chẩn đốn phóng điện nói chung bước đầu cho thấy hiệu thiết thực cơng tác dự báo, phịng ngừa cố, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện Các phương pháp đo PD truyền thống phi truyền thống sử dụng linh hoạt cho thiết bị điện khác nhau, phù hợp với đặc thù cấu tạo, phương thức vận hành môi trường hoạt động vật tư thiết bị (MBA, cáp ngầm, tủ điện, ) Việc ứng dụng công nghệ đo PD địi hỏi phải có q trình thực tế, đúc kết kinh nghiệm, so sánh đối chiếu với tiêu chuẩn đo PD theo khuyến cáo nhà sản xuất để đưa tiêu chuẩn nội Với việc áp dụng triển khai công nghệ đo PD hãng OMICRON chẩn đoán PD MBA 110 kV giúp phát mức độ PD xảy bên MBA Từ có giải pháp lập xử lý, theo dõi vận hành, tránh nguy cố xảy ra, lan rộng gây thiệt hại to lớn mặt kinh tế giảm độ tin cậy cung cấp điện (sản lượng điện không phân phối xảy cố, điện diện rộng làm ảnh hưởng đến sản xuất, kinh doanh khách hàng, …) TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 13 Kết vị trí phóng điện cục thứ hai (trigger cảm biến vàng) 2.5 Kết luận MBA 110 kV có điểm phóng điện cục mức độ thấp: - Vị trí 1: Tọa độ (1.55/2.63/1.82), điểm PD nằm chân sứ pha A - Vị trí 2: Tọa độ (1.47/0.31/2.37), điểm PD nằm chân sứ pha C Ngồi phương pháp đo PD nói trên, thực tế, để có thêm sở phân tích đánh giá tình trạng MBA, sử dụng bổ sung phương pháp đo kết hợp khác như: Đo [1] Tài liệu hội thảo hãng OMICRON Công ty Cổ phần ENTEC Kỹ thuật lượng tổ chức cho cán kỹ thuật công ty điện lực phóng điện PD cáp ngầm, tháng 9/2013 [2] IEC 60270 High-voltage test techniques - Partial discharge measurements Edition 3.1, 2015 [3] PD-IEC-62478 High voltage test techniques Measurement of partial discharges by electromagnetic and acoustic methods, Edition 1.0 2016-08 [4] Sung In Cho, On-Line PD (Partial Discharge) Monitoring of Power System Components, Master Thesis, Aalto University School of Electrical Engineering in Espoo, September 2011 [5] IEEE Std 400.2 IEEE Guide for Field Testing of Shielded Power Cable Systems Using Very Low Frequency (VLF) (less than Hz) Edition 2, 2013 (BBT nhận bài: 11/09/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 02/10/2017) ... phương pháp khác Sử dụng thiết bị hãng OMICRON để đo PD máy biến áp 110 kV 2.1 Các thiết bị đo sử dụng hãng OMICRON - 01 MPD 600 + MCU 502 + MPP 600 + HFCT phụ kiện đấu nối 1 - 01 PDL 650 + PDL... trí phóng điện cục thứ (trigger cảm biến xanh) Hình Sơ đồ đo định vị nguồn PD sử dụng thiết bị PDL 650 kết hợp MPD 600 2.4 Kết đo * Kết đo thiết bị MPD 600 (Hình 9) Dựa vào dạng tín hiệu PD (Hình... lại gần sensor vàng tìm vị trí PD thứ Hình 13 99 ? ?áp ứng tần số quét (so sánh dấu vân tay) đo hàm lượng ẩm cách điện rắn MBA, v.v… Kết luận Các cơng nghệ đo phóng điện cục áp dụng vào đối tượng