Thí nghiệm chẩn đoán ngăn ngừa sự cố cáp ngầm cho lưới điện của Tổng công ty Điện lực TP. HCM

Lưới điện Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những hệ thống điện hiện đại và phức tạp bậc nhất cả nước. Bài viết giới thiệu tổng quan về công tác ứng dụng thử nghiệm chẩn đoán dựa trên các công nghệ đo phóng điện cục bộ offline và online, cáp ngầm cao - trung thế.

520 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 THÍ NGHIÊM CHẨN ĐỐN NGĂN NGỪA SỰ CỐ CÁP NGẦM CHO LƯỚI ĐIỆN CỦA TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC TP HỒ CHÍ MINH Lâm Ngun Khơi, Nguyễn Quang Tường Đội Cao  Cơng ty Thí nghiệm Điện lực TP Hồ Chí Minh Tóm tắt: Trong thời gian qua, hệ thống lưới điện TP Hồ Chí Minh có tăng trưởng lớn quy mơ cơng suất, thiết bị phân phối điện phát triển mạnh, Tổng công ty Điện lực TP HCM nghiên cứu áp dụng nhiều giải pháp để giảm cố, giảm điện, nâng cao độ tin cậy cung cấp điện đặc biệt việc ứng dụng công tác thử nghiệm chẩn đoán cho thiết bị điện như: thử nghiệm chẩn đốn phóng điện cục Nếu phương pháp thử nghiệm truyền thống, thông thường không phát hư hỏng tiềm ẩn thiết bị điện phương pháp thử nghiệm chẩn đốn cho phép đánh giá thiết bị cách “sâu” hơn, tổng quan tình trạng vận hành, mức độ lão hóa, giúp phát dị tìm điểm yếu để từ đề kế hoạch sửa chữa, tu, bảo dưỡng hợp lý góp phần ngăn ngừa cố cách hiệu Bên cạnh phương pháp chẩn đoán phóng điện cục dạng offline phải lập thiết bị, đường cáp khỏi vận hành, để giảm tiêu SAIFI, SAIDI, Cơng ty Thí nghiệm Điện lực TP HCM nghiên cứu, ứng dụng thử nghiệm phóng điện cục cho đoạn cáp ngầm vận hành Bo cáo giới thiệu tổng quan công tác ứng dụng thử nghiệm chẩn đốn dựa cơng nghệ đo phóng điện cục offline online, cáp ngầm cao  trung GIẢI THÍCH TỪ NGỮ: PD (Partial Discharge): Phóng điện cục HFCT (High Frequency Current Transducer): Cảm biến dòng cao tần UHF (Ultral High Frequency): Siêu cao tần Online PD (Online Partial Discharge): Thử nghiệm phóng điện cục khơng cắt điện Offline PD (Offline Partial Discharge): Thử nghiệm phóng điện cục có cắt điện Onsite: thử nghiệm trường TDR (Time Domain Reflection): phản xạ miền thời gian SNR (Signal to Noise Ratio): Tỉ số tín hiệu nhiễu PRPD (Phase Resolved Partial Discharge): Phân tích góc pha phóng điện cục VLF (Very Low Frequency): Tần số thấp DAC (Damped AC): Điện áp AC tắt dần PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 521 TỔNG QUAN Lưới điện Thành phố Hồ Chí Minh hệ thống điện đại phức tạp bậc nước Nhu cầu chất lượng cung cấp điện ngày cao, phát triển song song với phát triển đô thị Thành phố, cơng tác ngầm hóa lưới điện EVNHCMC triển khai nhiều với lượng lớn cáp ngầm đưa vào vận hành Trước thực trạng đó, việc thử nghiệm chẩn đốn cho thiết bị cần trọng đưa giải pháp quản lý tình trạng vận hành cáp ngầm tốt cơng nghệ chẩn đốn, đặc biệt áp dụng thử nghiệm phóng điện cục Online PD – cơng nghệ thử nghiệm phóng điện cục không cắt điện Điểm bật công nghệ đưa số liệu tin cậy tình trạng chất lượng thiết bị vận hành lưới Là sở cho việc quản lý hiệu tin cậy cho lưới điện PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH 2.1 Khái niệm phóng điện cục [1] Phóng điện cục (Partial Discharge  PD) tượng đánh thủng điện môi cục phần nhỏ hệ thống cách điện rắn lỏng tác động điện áp cao, nối tắt phần điện cực Phóng điện cục phát thơng qua tín hiệu điện áp, dịng điện, tín hiệu điện từ trường, tín hiệu quang, lượng âm Hình 1: Phóng điện cục xuất bên cách điện cáp 2.2 Các phương pháp xác định 2.2.1 Phương pháp truyền thống (Conventional method) [1] Đo PD truyền thống đề cập tới phương pháp đo PD theo tiêu chuẩn IEC 60270, tức đo điện tích biểu kiến cảm ứng mạch đo Điện tích biểu kiến q xung PD điện tích đưa vào thời gian ngắn điểm nối thiết bị thí nghiệm mạch đo cụ thể, cho giá trị đọc thiết bị đo xung 522 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 dịng điện PD thân Đơn vị đo thường pC Do đo PD trực tiếp, phương pháp sử dụng mạch đo tương đương Mặc dù điện tích biểu kiến đo tổng trở đo (measuring impedance) khó có quan hệ xác tuyệt phóng điện thực bên đối tượng thử, tăng tuyến tính điện tích biểu kiến đồng nghĩa với xảy PD với biên độ cao hơn, từ đánh giá mức độ nguy hiểm tượng PD Tiêu chuẩn IEC 60270 đề cập tới xác định mạch đo, đại lượng đo, qui trình hiệu chuẩn Phương pháp sử dụng rộng rãi trường phịng thí nghiệm Hình 2: Sơ đồ đo PD theo IEC 60270 Đo PD theo IEC 60270 phương pháp phổ biến sử dụng rộng rãi nhiều thập kỉ qua Các cảm biến đo sử dụng phương pháp thiết bị tụ ghép tầng (capacitive coupling devices) 2.2.2 Phương pháp phi truyền thống (NonConventional method) [2] Trong phát PD phương pháp điện từ trường Có hai kỹ thuật áp dụng, ngồi phương pháp đo PD truyền thống áp dụng theo IEC60270, phương pháp đo PD phi truyền thống (nonconventional methods) phát triển mạnh mẽ Áp dụng theo tiêu chuẩn IEC62478, sử dụng cảm biến (sensors) có dải hoạt động rộng như: điện (electrical)  HF (3–30 MHz), VHF (30–300 MHz) UHF (300 MHz–3 GHz), âm (acoustic), quang (optical), hóa học (chemical) Các phương pháp có đặc tính đo tốt hơn, đặc biệt hệ số nhiễu tín hiệu nên phù hợp với đo thiết bị điện onsite online, nơi bị ảnh hưởng mạnh nhiễu đến tín hiệu đo Đặc biệt phương pháp đo sóng điện từ sóng âm sử dụng rộng rãi thực tế phương pháp cung cấp đủ thông tin liên quan tới tồn PD khả định vị gần tất thiết bị hệ thống điện Do phần lớn nhiễu đo PD onsite online dải tần số thấp nên việc đo dải tần cao với HF/VHF/UHF cho kết tốt hệ số nhiễu tín hiệu Do đó, PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 523 phương pháp đo PD phi truyền thống sử dụng rộng rãi Nhược điểm phương pháp phi truyền thống phương pháp đo phụ thuộc vào thiết bị thử khác nhau, hệ thống đo PD tất thiết bị điện cao áp cần nhiều dạng cảm biến công cụ phần mềm phức tạp hỗ trợ phân tích đánh giá so với phương pháp truyền thống Ngoài ra, đo PD online vấn đề hiệu chuẩn đánh giá biên độ đại lượng PD khơng thực hiên nên việc đánh giá đưa định xử lý phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm, lực nhà sản xuất thiết bị Phương pháp đo phóng điện cục HFCT [3] Cảm biến HFCT sử dụng phổ biến xác định định vị PD HFCT có cấu tạo gồm cuộn dây lõi từ tần số cao phù hợp cho đo tín hiệu độ xung PD dạng nhiễu Khi đo Online PD cho thiết bị cao áp, cảm biến HFCT kẹp vào dây tiếp địa thiết bị Lúc này, HFCT mơ hình hóa hệ thống có đầu vào dịng xung PD đầu điện áp cảm ứng đo qua trở kháng đầu vào thiết bị đo (thường 50 Ω) Hàm truyền cảm biến từ trường V = f(B) biểu diễn định luật Faraday = − = − = − (1) Ở đó: - Φ: từ thơng móc vịng qua cuộn dây; - n: số vịng dây cuộn thứ cấp; - A: tiết diện vòng dây Phương trình (1) viết lại: =− Hình 3: Cảm biến HFCT gắn vị trí dây tiếp địa thiết bị (2) 524 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Cảm biến HFCT thiết kế cho đo Online PD dây tiếp địa thiết bị cao áp có đáp ứng tần số từ 100 kHz đến 20 MHz Hình 4: Cảm biến HFCT dạng kẹp đặt tính số HFCT QUY TRÌNH THỬ NGHIỆM PHĨNG ĐIỆN CỤC BỘ (PD) KHÉP KÍN Chu trình kiểm sốt tình trạng vận hành cách điện cáp ngầm thực quy trình thử nghiệm phóng điện cục (PD) khép kín Hình 5: Quy trình thử nghiệm PD khép kín  Dùng thiết bị đo PD cầm tay để xác định vùng có tín hiệu PD cao, nhiễu  Sử dụng thiết bị đo Online PD chuyên dụng để xác định định vị PD  Tiến hành cắt điện đo Offline PD có phát PD phép đo trước PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 525 Quy trình đảm bảo đánh giá tình trạng vận hành thiết bị, tượng bất thường phát sớm phương pháp đo Online PD 3.1 Thử nghiệm PD thiết bị PD cầm tay Thiết bị đo PD cầm tay phát tốt dạng PD bên ngồi vầng quang, phóng điện bề mặt loại cách điện cảm biến siêu âm, sử dụng với phụ kiện cảm biến TEV thiết bị phát phóng điện cục bên cách điện tủ hợp cách điện đầu cáp bên tủ Thiết bị đo PD cầm tay dùng để xác định nguồn nhiễu bên ngoài, mức độ nhiễu khu vực đo, nhằm loại bỏ tốt nhiễu trình đo Online PD cáp ngầm Hình 6: Thiết bị PD scan HVPD Insights 3.2 Công nghệ thử nghiệm Online PD cho cáp lực Thử nghiệm Online PD hạng mục thử nghiệm mà khơng cần lập thiết bị ngồi vận hành Việc có ý nghĩa quan trọng yêu cầu ngày cao tiêu SAIFI(1), SAIDI(2) Tổng Công ty Điện lực TP HCM Khi thực đo Online PD, kết thử nghiệm cung cấp cho người quản lý vận hành thông tin giá trị tình trạng cách điện thiết bị cao áp trình vận hành hệ thống điện Góp phần đảm bảo chất lượng cho thiết bị vận hành lưới điện (1) (2) Tần suất điện trung bình hệ thống Thời gian điện trung bình hệ thống 526 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Trong phần nhóm tác giả tập trung vào thử nghiệm Online PD cho cáp ngầm trung cao Phương pháp áp dụng sử dụng phương pháp phi truyền thống theo IEC62478 Sử dụng cảm biến HFCT với giải tần số HF để thử nghiệm vị trí hộp nối tiếp địa cáp Công nghệ thiết bị thử nghiệm chẩn đoán Online PD phát triển mạnh mẽ Ngồi cơng nghệ TDR cho cáp ngầm hãng phát triển hàng loạt công cụ phần mềm hỗ trợ cho người thử nghiệm phân tích, đánh giá liệu cách xác 3.2.1 Cơng nghệ phân tích PD mẫu (PD Pattern) Ngồi việc thu thập liệu PD việc biết PD xuất đâu chu kỳ điện thông tin đáng tin cậy để đánh giá nguồn PD xuất phát đâu Việc đồng xung PD theo thời gian chu kỳ điện gọi phương pháp PRPD (Phase Resolve Partial Discharge) Điện áp trigger sau 20 ms (đối với điện áp tần số 50 Hz) điểm điện áp qua điểm khơng (zero crossing) Vì PRPD hiển thị chu kỳ điện (20 ms 3600 2π), xung PD thu thập chu kỳ điện khoảng thời gian thử nghiệm tập trung lại để tạo dạng PD mẩu hình bên Hình 7: Công nghệ PRPD xác định thời điểm xung PD xuất chu kỳ điện Bằng phương pháp PRPD việc tạo PD pattern phân tích cách dễ dàng Đưa liệu tin cậy để đánh giá nhận dạng dạng PD xuất cáp Bằng việc phân tích dạng PD pattern – nhận dạng PD như: PD bên trong, PD vầng quang, PD bề mặt loại trừ nhiễu Ngồi phân tích dạng PD pattern phương pháp phân tích dạng PD 3CFRD (3 Center Frequency Ratio Diagram) Time/Frequency map áp dụng vào việc phân tích PD Bên số kết PD thực trường PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 527 Hình 8: Tách PD pattern phương pháp 3CFRD 3.2.2 Công nghệ định vị điểm PD TDR Một xung PD xuất thân cáp truyền hai hướng, xung PD phản xạ lại đầu cáp Bằng cách đặt thiết bị thu nhận tín hiệu PD đầu đầu cáp ta định vị vị trí điểm PD xuất thân cáp Hình 9: Cơng nghệ TDR định vị điểm PD bên thân cáp lực 528 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Sử dụng HFCT đo Online PD dải tần HF có ưu điểm sau:  Độ nhạy cảm biến không phụ thuộc vào dạng xung thử nghiệm PD theo phương pháp truyền thống  Hệ số SNR (Signal to Noise Ratio) tối ưu xử lý liệu dải tần số định  Phù hợp để đo PD cáp lực xung PD truyền qua vỏ cáp tín hiệu tần số cao bị suy hao, tần số xung PD xa vị trí đo có tần số thấp vào khoảng vài MHz 3.2.3 Một số kết đo Online PD cho cáp trường Hình 10: Thử nghiệm Online PD cho cáp trung sử dụng HFCT Hình 11: Kết PRPD Hình 12: Dạng sóng TDR thu PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 529 Theo dạng sóng TDR thu thập được, khoảng thời gian hai xung 9,3703 uS, với vận tốc truyền sóng cách XLPE 84 (m/uS) Suy đoạn cáp có chiều dài khoảng 800 m   Hình 13: Dạng sóng TDR thu được, điểm nghi ngờ PD được xác định  Phân tích kết TDR, khoảng thời gian từ điểm nghi ngờ PD đến xung sóng 7,2722 uS, Suy khoảng cách tính tốn từ điểm PD đến vị trí trạm Đồn Tiếp Viên khoảng 620 m Từ liệu đáng tin cậy phép đo PD Online trên, làm sở cho việc lập kế hoạch để bảo trì, sửa chữa đoạn cáp cách chủ động hơn, không để cố xảy 3.2.4 Ưu điểm khó khăn phương pháp đo Online PD  Đánh giá tình trạng cáp trạng thái vận hành theo thời gian thực  Quy trình thử nghiệm đơn giản, khơng địi hỏi cắt điện  Giảm tối đa thời gian công sức cho cơng tác lập, bàn giao trường Khó khăn: Việc thử nghiệm Online PD cần tiếp cận đến vị trí TERE cáp Trong trường hợp hai đầu cáp nằm tủ RMU việc thực đo PD khơng thể khơng tiếp cận vị trí TERE 3.3 Ứng dụng thử nghiệm Offline PD [1] Áp dụng sơ đồ thử nghiệm theo IEC 60270, công nghệ thử Offline PD EVNHCMC thực chủ yếu cáp ngầm trung thế, sử dụng công nghệ TDR để định vị điểm PD bên thân cáp Như trình bày, việc thử nghiệm Online cung cấp liệu đáng tin cậy cho việc định cắt điện để đo Offline PD Công nghệ Offline PD cho kết xác vị trí độ lớn PD để làm sở tiến hành sửa chữa sợi cáp cần thiết 530 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Phương pháp Offline PD có khả thí nghiệm q điện áp để đo điện áp khởi đầu phóng điện cục (Partial Discharge Inception Voltage  PDIV) điện áp kết thúc phóng điện cục (Partial Discharge Extinction Voltage  PDEV) Phương pháp quan sát, đánh giá mức độ PD, vị trí PD xuất theo điện áp đặt lên sợi cáp thử nghiệm Về nguyên lý công nghệ Offline PD dựa cơng nghệ TDR để định vị vị trí có PD thân cáp Tuy nhiên, việc thử nghiệm sử dụng nguồn cao áp riêng (công nghệ VLF, DAC) để gây ứng suất lên cáp nhằm phát xác điểm PD bên thân cáp 3.3.1 Đo Offline PD nguồn cao áp VLF Thử nghiệm Offline PD sử dụng thiết bị VLF cung cấp điện áp tần số đầu 0.1 Hz Khi khơng có thiết bị thử tương đương tần số 50 Hz, VLF thực tốt đủ để đưa kết mức độ vị trí xảy PD Phương pháp cung cấp điều khiển điện áp dải rộng để đo giá trị điện áp khởi đầu kết thúc phóng điện cục Ưu điểm rõ ràng VLF sử dụng điện áp xoay chiều tần số thấp 0,1 Hz nên khối lượng thiết bị nhẹ phù hợp với thử nghiệm trường n Hình 14: Dạng sóng nguồn VLF Hiện nay, hệ thống thực phép thí nghiệm điện áp chịu đựng VLF, TD VLF, PD VLF Nó gần thu thập tất thơng tin tình trạng cáp PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 531 Ngoài chức nguồn cao áp gây ứng suất cho cáp để thu thập tín hiệu PD, VLF cịn loại nguồn cao áp sử dụng để đánh giá tốt số điện môi cáp Đây công nghệ sử dụng phổ biến cho cáp trung Hình 15: Tốc độ phát triển điện tích hàm điện áp, tần số dạng sóng 3.3.2 Đo Offline PD nguồn cao áp DAC Nguyên lý mạch tạo cao áp DAC mạch RLC Hình 16: Sơ đồ ngun lý hệ thống DAC Sử dụng công nghệ cộng hưởng xung Phương pháp đo PD nguồn DAC cho phép tạo nguồn thử nghiệm cao áp tắt dần có tần số từ 20 300 Hz 532 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Bằng cách tăng dần điện áp thử nghiệm, phương pháp đo PD nguồn DAC đánh giá điện áp khởi đầu phóng điện cục (Partial Discharge Inception Voltage  PDIV) điện áp kết thúc phóng điện cục (Partial Discharge Extinction Voltage  PDEV) Ngồi ra, có khả đánh giá tổn hao điện môi (tan δ) nguồn thơng tin để đánh giá tình trạng cách điện sợi cáp tương tự phương pháp VLF Hình 17: Dạng sóng điện áp tắt dần Thử nghiệm Offline PD cho cáp ngầm trung công nghệ VLF DAC sử dụng phổ biến Tổng cơng ty Điện lực TP HCM Từ tính xác phép đo khả thu thập nhiều thơng tin tình trạng cáp Phép đo Offline PD cho cáp ngầm trung phát huy tốt cho việc ngăn ngừa cố cáp ngầm KẾT LUẬN Với việc ứng dụng cơng nghệ thử nghiệm chẩn đốn giúp người quản lý vận hành có thêm giải pháp chẩn đoán hư hỏng tiềm ẩn thiết bị vận hành lưới điện, để đưa định xác, chủ động lập kế hoạch đề phương án thích hợp nhằm giảm thiểu thời gian ngừng cung cấp điện tiến hành sửa chữa thiết bị Kéo theo giảm tiêu SAIFI, SAIDI, tăng độ tin cậy cung cấp điện, tăng hiệu kinh tế Việc có thêm phương pháp chẩn đoán khuyết tật thiết bị điện địi hỏi cần phải có thêm quy định cơng tác thí nghiệm định kỳ thiết bị điện, thí nghiệm xuất xưởng nhằm quản lý tốt chất lượng thiết bị vận hành lưới điện Đặc biệt phần tử có tầm quan trọng cáp ngầm Ứng dụng công nghệ phương pháp đo PD để chẩn đoán thiết bị điện, đem lại hiệu cao công tác quản lý vận hành thiết bị điện Chính vậy, cần triển khai áp dụng triệt để, nhằm nâng cao chất lượng thử nghiệm Ngoài ra, việc đầu tư thiết bị chẩn đoán cần thiết phù hợp với nhu cầu mong muốn giảm cố gây hư hỏng thiết bị điện PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 533 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] “Highvoltage test techniques – Partial discharge measurements” International Standard IEC 60270 Third edition, 200012 [2] “High voltage test techniques – Measurement of partial discharges by electromagnetic and acoustic methods” International Standard IEC 62478 First edition, 201608 [3] “Application of HFCT and UHF Sensors in OnLine Partial Discharge Measurements for Insulation Diagnosis of High Voltage Equipment” Fernando Álvarez*, Fernando Garnacho, Javier Ortego and Miguel Ángel SánchezUrán [4] “The Application of Partial Discharge Detection for the condition assessment of XLPE Power Cables” Xiaoli ZHOU, Yong QIAN, Muqing LIU [5 “Advanced technique for partial discharge detection and analysis in power cables” A Cavallini1, G C Montanari1, D Fabiani1, L Testa  ... dụng phổ biến Tổng công ty Điện lực TP HCM Từ tính xác phép đo khả thu thập nhiều thơng tin tình trạng cáp Phép đo Offline PD cho cáp ngầm trung phát huy tốt cho việc ngăn ngừa cố cáp ngầm KẾT LUẬN... nối tiếp địa cáp Công nghệ thiết bị thử nghiệm chẩn đoán Online PD phát triển mạnh mẽ Ngồi cơng nghệ TDR cho cáp ngầm hãng phát triển hàng loạt công cụ phần mềm hỗ trợ cho người thử nghiệm phân... triển đô thị Thành phố, công tác ngầm hóa lưới điện EVNHCMC triển khai nhiều với lượng lớn cáp ngầm đưa vào vận hành Trước thực trạng đó, việc thử nghiệm chẩn đoán cho thiết bị cần trọng đưa giải