Công nghệ dự báo sớm sự cố và quản lý vòng đời máy biến áp

Bài viết này tập trung vào so sánh các đặc điểm và giới hạn của các chỉ số hóa học này để từ đó đề xuất một công cụ mới nhằm dự báo sớm sự cố, lập lịch bảo dưỡng và tối ưu hóa đầu tư thay mới thiết bị.

PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 643 CÔNG NGHỆ DỰ BÁO SỚM SỰ CỐ VÀ QUẢN LÝ VÒNG ĐỜI MÁY BIẾN ÁP TS Trần Duy Châu Tập đoàn Điện lực Pháp – EDF Công ty Công nghệ SIMPIRECT Hội Điện Năng lượng Pháp  AEEE Tóm tắt: Phần lực máy biến áp cách ly giấy cách điện ngâm cách điện dầu Do đó, dầu biến áp giấy cách điện sở quan trọng phản ánh tình trạng máy Một số kỹ thuật chẩn đốn hóa học phát triển kiểm chứng thực tiễn để theo dõi tình trạng giấy cách điện như: độ phân hủy polymer giấy, nồng độ cacbon oxit (CO, CO2), hợp chất furan rượu methal Bài viết tập trung vào so sánh đặc điểm giới hạn số hóa học để từ đề xuất công cụ nhằm dự báo sớm cố, lập lịch bảo dưỡng tối ưu hóa đầu tư thay thiết bị Từ khóa: máy biến áp, dự báo cố, bảo dưỡng có điều kiện, quản lý thiết bị, già hóa, dầu biến áp, số hóa học TỔNG QUAN CHUNG Máy biến áp điện nói riêng thiết bị tẩm dầu nói chung chiếm phần lớn tài sản lưới điện phận tối quan trọng mặt kĩ thuật cấp độ, từ truyền tải đến phân phối Sự cố bất ngờ thiết bị không gây giảm doanh thu, ngừng cung cấp điện mà cịn dẫn đến tai nạn cháy nổ thảm họa môi trường tràn dầu Vì vậy, ngành điện cần phải có giám sát thích hợp kỹ thuật chẩn đốn xác để phát sớm vấn đề phát sinh để tránh cố lan rộng lưới giúp cung cấp dự đốn hiệu cho cơng tác bảo trì để cải thiện độ tin cậy thiết bị ngâm dầu [1] Thơng thường, tình trạng máy biến áp đánh giá thơng qua tình trạng chất lượng hệ thống cách điện bao gồm giấy cách điện ngâm dầu cách điện [2, 3] Sự cố máy biến áp thường kết xuống cấp thời gian dài dầu giấy cách điện kết hợp nhiệt (phân huỷ), độ ẩm (thủy phân) khơng khí (oxy hóa) [4, 5, 6] Dưới tác dụng điều kiện điện nhiệt trình vận hành, dầu giấy cách điện phân hủy sinh nhiều sản phẩm hóa học khác nhau, sản phẩm đặc trưng cho loại cố nảy sinh máy Trong viết này, tác giả giới thiệu so sánh số số hóa học dùng để phát sớm cố phát sinh, giúp theo dõi tình trạng già hóa máy biến áp để từ phân loại ưu tiên bảo dưỡng thay 644 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Hình 1: Cuộn dây cách điện giấy MBA truyền tải LÀM THẾ NÀO ĐỂ ĐÁNH GIÁ GIÀ HÓA MÁY BIẾN ÁP? Các nghiên cứu khoa học thực tiễn vận hành cho thấy phần định tuổi thọ máy biến áp giấy cách điện lớp bảo vệ trực tiếp cho cuộn dây lại cấu thành sản phẩm hữu già hóa theo thời gian khơng thể dễ dàng thay Ngoài thành phần nhạy cảm với yếu tố vận hành phụ tải diện độ ẩm Kết tuổi thọ máy biến áp thường đồng hóa với tuổi thọ giấy cách điện Giấy cách điện bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin số chất khoáng Hai loại giấy cách điện thông dụng giấy Kraft giấy Karft gia nhiệt Giấy Karft chiếm xấp xỉ 80% cellulose, 12% hemicellulose 8% lignin số chất khoáng Giấy Kraft gia nhiệt chứa 40 đến 50% cellulose, 10  30% hemicellulose khoảng 20 30% lignin Cellulose polymer tuyến tính phân tử glucose, kết nối thông qua liên kết glycosidic [7] Khi giấy cách điện bị già hóa phân hủy, liên kết có xu hướng đứt mạch làm cho chuỗi phân tử cellulose ngắn Kết độ bền học lớp cách điện bị suy giảm gây nguy chọc thủng cách điện Độ dài trung bình polymer đo số phân tử cellulose chuỗi – DP (Degree of Polymerization) Giấy cách điện đưa vào sử dụng MBA có DP 1200 q trình sử dụng, DP giảm xuống 200 độ bền học giấy bị giảm nửa Lúc coi giấy hết khả sử dụng đảm bảo khả cách điện Đây coi giới hạn tuổi thọ MBA PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 645 Các minh họa làm rõ mối tương quan DP độ bền giấy cách điện Hình 2: Đo đạc độ bền học tương quan với độ dài chuỗi polimer giấy cách điện (DP) Bảng Đánh giá thực tiễn tình trạng già hóa thơng qua DP Degree of Polymerization (DP) Độ bền học Tình trạng MBA 1000 1500 Rất tốt (giấy mới) Cách điện đạt tiêu chuẩn 450 1000 Ổn định 250 450 Báo động 200 250 Gần hết khả chịu lực Nguy hiểm < 200 Khơng cịn khả chịu lực Hết tuổi thọ Già hóa bình thường (vận hành bình thường) Già hóa cao (vận hành chuẩn) Trong thực tế vận hành, đo trực tiếp DP giấy cách điện ngồi việc phải cắt điện làm gián đoạn truyền dẫn, việc hưởng đến độ tồn máy phải trích giấy để lấy mẫu đo làm suy giảm khả cách điện máy Cách tiếp cận gián tiếp thông qua thu thập đo đạc sản phẩm hóa học sản sinh q trình già hóa giấy hòa tan dầu hướng tiên tiến, có tính khả thi cao kiểm chứng nhiều đơn vị vận hành giới ĐO KHÍ HỊA TAN – ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ Một kỹ thuật truyền thống để gián tiếp đánh giá già hóa giấy cách điện sử dụng phân tích khí hịa tan (DGA) 646 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Các khí phát sinh phân hủy dầu hydro (H2), metan (CH4), axetylen (C2H2), etylen (C2H4) ethane (C2H6), cacbon monoxit (CO) carbon dioxide (CO2) chủ yếu sinh trình phân hủy giấy cách điện Chúng hồn tồn sử dụng nguồn cảnh báo sớm cố phát sinh [8, 9, 10] Các đặc tính nồng độ loại khí hịa tan dầu biến áp khác tùy theo tính chất cố, sử dụng để xác định chất phân loại cố Tuy nhiên, phân tích khí khơng phải thật đơn giản có nhiều loại cố diện lúc Sự cố máy biến áp phân theo nguồn gốc nhiệt điện, cố phát sinh loại khí đặc trưng khác sản sinh lượng từ mức thấp đến mức cao tùy theo xuất hay khơng tia lửa Phóng điện cục (Partial discharge – PD) cố mang lượng thấp sản sinh H2 CH4, phóng điện tia lửa coi cố lượng cao tạo tất khí, đặc biệt có C2H2 [9, 10, 11] Bản đồ khái quát loại cố khí đặc thù sản sinh giới thiệu hình Hình 3: Các loại khí đặc thù sản sinh cố Nước carbon dioxide sản phẩm phụ thối hóa nhiệt cellulose Vì tỷ lệ CO/CO2 thường sử dụng thị phân hủy nhiệt cellulose Theo tiêu chuẩn IEEE C57.104, tỷ lệ CO/CO2 bình thường khoảng 7, giá trị CO2 CO tương ứng nên lớn hơn 5000 ppm 500 ppm để cải thiện độ tin cậy Theo [12], tỷ số nhỏ 3, giấy cách điện bị già hóa nghiêm trọng bình thường Khi tỷ lệ vượt 10, thể phát sinh cố có nhiệt độ 150 °C (quá tải phóng điện cục bộ) PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 647 Theo Duval cộng [13], lỗi bắt đầu phát sinh tỷ lệ CO/CO2 nhỏ 6, tỷ lệ CO/CO2 cao đề xuất Kan Miyamoto [14, 15] sau xem xét tượng hấp thụ CO2 CO vào lớp cách điện Ưu điểm phương pháp DGA dễ dàng áp dụng cho máy biến áp hoạt động phương pháp phát triển chuẩn hóa từ lâu, thực với giá thành rẻ Tuy nhiên, việc có nhiều cách suy diễn thể tính phức tạp khơng thống việc phân tích kết DGA Hiện tại, chưa có mối liên hệ trực tiếp tìm thấy khí hịa tan DP Hơn nữa, việc áp dụng tỷ lệ CO CO2 báo cho tình trạng già hóa cách điện không đáng tin cậy thân tượng oxy hóa dầu q trình vận hành sản xuất khí đơn giản xâm nhập khí sẵn có từ mơi trường bên ngồi vào máy biến áp Cuối cùng, giấy gia nhiệt Kraft đưa vào sử dụng ngày rộng rãi máy biến áp hệ mới, kết nghiên cứu cũ khơng cịn trường hợp Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu thử nghiệm hợp chất hóa học hịa tan dầu khác giúp kiểm tra tình trạng già hóa giấy cách điện Một số hóa học tiên tiến đề xuất chứng tỏ độ tin cậy MBA lưới điện số nước giới ĐỀ XUẤT 1: CÁC HỢP CHẤT FURAN Hợp chất Furan chủ yếu hình thành q trình oxy hóa giấy cách điện q trình thủy phân Các hợp chất chiết xuất trực tiếp từ dầu để phản ánh phân hủy nhiệt giấy cách điện [16] Hàm lượng furan dầu biến phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng dầu cellulose [17] Có năm chất dẫn xuất họ Furan có liên quan đến ngắt mạch cellulose tìm thấy dầu biến thế; 2Fulfural (2FAL), 2Fulfurol (2FOL), 5 Hydroxymetyl2furfural (5HMF), 5metyl2furfural (5MEF) 2Acetyl furan (2ACF) Các phép đo thực nghiệm giấy Kraft chứng minh giá trị DP giảm với gia tăng nồng độ furan dầu biến áp có mối quan hệ lơgarít nồng độ furan dầu DP Emsley cộng [18], báo cáo tỷ lệ thay đổi nồng độ furan dầu quan trọng giá trị tuyệt đối đo Họ phát nồng độ 2FAL tăng đáng kể DP giảm xuống 400 trước đó, độ thay đổi nồng độ furan khơng đáng kể khó phát Ngồi ra, thí nghiệm kiểm chứng thực tế cho thấy già hóa giấy Kraft gia nhiệt không sản sinh furan 648 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 Hình 4: Nồng độ furan tương quan với DP ĐỀ XUẤT 2: RƯỢU METHAL Với hệ MBA sử dụng giấy Kraft gia nhiệt, việc sử dụng 2FAL báo xuống cấp cách điện thực loại vật liệu không sản sinh furan q trình già hóa Ngồi ra, nêu, DP chưa giảm xuống tới 400, lượng furan đo biến thiên không đáng kể khó phát sớm già hóa Các thí nghiệm gần chứng minh số phân tử phát hiện, rượu methal có khả sử dụng để theo dõi già hóa loại giấy cách điện điều kiện vận hành bình thường (già hóa tiêu chuẩn) Các báo cáo gần cho thấy, 94% mẫu dầu thu thập từ máy biến áp vận hành cho thấy diện rượu methal Các kiểm tra độ ổn định lão hóa [5], chứng minh rượu methal sản phẩm không bị oxy hóa hình thành chuỗi phản ứng hóa học q trình già hóa giấy cách điện Quan sát cho thấy rượu methal không bị ảnh hưởng tình trạng lão hóa dầu [19] Nghiên cứu so sánh rượu methal furan cho thấy rượu methal phản ánh kịp thời giai đoạn đầu trình xuống cấp giấy cách điện [5] Hình mơ tả nồng độ rượu methal đo MBA vận hành lưới với tuổi đời từ 25 năm tới máy đưa vào vận hành Chúng ta thấy rõ hợp chất tìm thấy giai đoạn q trình già hóa Ngồi ra, số máy có cố (chỉ số DGA cao), nồng độ rượu methal tăng cao tương ứng Điều thể mối quan hệ chặt chẽ nồng độ hợp chất với tình trạng già hóa máy độ ổn định độ tin cậy số sau nhiều chục năm vận hành MBA PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 649 Tuổi đời MBA Hình 5: Nồng độ rượu methal đo MBA vận hành (IREQCanada) Bảng tóm tắt lợi thế/bất lợi tất kỹ thuật giám sát tuổi đời thiết bị ngâm dầu thảo luận Bảng Tổng hợp so sánh số hóa học dùng quản lý tuổi thọ thiết bị Phương pháp Degree of Polymerization (DP) DGA, CO/CO2 Ưu điểm Phản ánh xác tình trạng chung độ bền học giấy cách điện Phương pháp quen thuộc chuẩn hóa Có thể dùng làm cảnh báo sớm Furan Phản ánh tình trạng già hóa cao giấy cách điện Độ ổn định hóa học cao Rượu methal Quan hệ tuyến tính với độ già hóa giấy cách điện, phát già hóa cố từ sớm Đã kiểm chứng với loại giấy thông dụng Độ ổn định hóa học cao Nhược điểm Khơng thể áp dụng với MBA vận hành Khơng xác sản phẩm oxy hóa bình thường có sẵn khơng khí Khơng áp dụng với giấy gia nhiệt Không phát sớm q trình già hóa cố Phương pháp đo 650 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017 KẾT LUẬN Trong số tất kỹ thuật chẩn đốn hóa học, giá trị DP tốt để đánh giá tình trạng giấy cách điện máy biến áp Tuy nhiên, kỹ thuật đòi hỏi phải lấy mẫu giấy khỏi MBA xét nghiệm, thường ứng dụng q trình phân tích sau cố Với phương pháp DGA, sử dụng rộng rãi công nghiệp ba thập kỷ qua tỏ thiếu tin cậy chưa hồn thiện Nhóm nghiên cứu chúng tơi đề xuất sử dụng số phân tích nồng độ Furan rượu methal dầu Các nghiên cứu tiến hành hai loại giấy thông dụng Kraft Kraft gia nhiệt khẳng định tiềm sử dụng hai hợp chất công tác dự báo sớm cố quản lý vòng đời thiết bị ngâm dầu Các đo đạc tiến hành MBA vận hành từ 25 năm qua khẳng định tính thực tiễn cơng nghệ Nếu ứng dụng rộng rãi có hệ thống lưu trữ thống kê đầy đủ, sở liệu phân bố nồng độ số công cụ hữu hiệu công tác dự báo cố, lập lịch bảo dưỡng tối ưu hóa đầu tư thay thiết bị MỘT SỐ KHUYẾN CÁO Phân tích hợp chất hóa học furan rượu methal hòa tan dầu cơng cụ giám sát có giá trị để xác định độ già hóa giấy cách điện MBA Nó hữu ích kết hợp với thơng số khác dầu DGA, độ ẩm, tính axit để tăng khả tin cậy kết luận chung Phân tích nên thực lần có nghi ngờ cố nhiệt MBA Song song với nên tiến hành đo số thiết bị khơng có cố để xác lập giá trị Chúng khuyến cáo nên tích hợp đo furan rượu methal vào quy trình phân tích dầu định kì để thành lập sở liệu toàn lưới, điều hữu ích cơng tác dự báo cố, lập lịch bảo dưỡng tối ưu hóa đầu tư thay thiết bị, đảm bảo liên tục cung cấp điện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] E B AbuElanien and M M A Salama, "Survey on the Transformer Condition Monitoring," in Power Engineering, 2007 Large Engineering Systems Conference on, 2007, pp 187191 [2] D J Woodcock and J C Wright, "Power transformer design enhancements made to increase operational life," in SixtySixth Annual International Conference of Doble Clients, 1999 [3] Y Shirasaka, H Murase, S Okabe, and H Okubo, "Crosssectional comparison of insulation degradation mechanisms and lifetime evaluation of power transmission equipment," Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol 16, pp 560573, 2009 PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 651 [4] A AbuSiada, P Lai Sin, and S Islam, "Remnant life estimation ofpower transformer using oil UVVis spectral response," in Power Systems Conference and Exposition, 2009 PSCE '09 IEEE/PES, 2009, pp 15 [5] A Schaut, S Autru, and S Eeckhoudt, "Applicability of methanol as new marker for paper degradation in power transformers," Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol 18, pp 533540, 2011 [6] M Arshad and S M Islam, "Significance of cellulose power transformer condition assessment," Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol 18, pp 15911598, 2011 [7] T K Saha and P Purkait, "Understanding the impacts of moisture and thermal ageing on transformer's insulation by dielectric response and molecular weight measurements," Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol 15, pp 568582, 2008 [8] A AbuSiada and S Islam, "A new approach to identify power transformer criticality and asset management decision based on dissolved gasinoil analysis," Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol 19, pp 10071012, 2012 [9] R Tamura, H Anetai, T Ishii, and T Kawamura, "Diagnostic of ageing deterioration of insulating paper," JIEE Proc Pub A, vol 101, p 30, 1981 [10] J P van Bolhuis, E Gulski, and J J Smit, "Monitoring and diagnostic of transformer solid insulation," Power Delivery, IEEE Transactions on, vol 17, pp 528536, 2002 [11] "IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in OilImmersed Transformers  Redline," IEEE Std C57.1042008 (Revision of IEEE Std C57.1041991)  Redline, pp 145, 2009 [12] S Corporation, "Serveron White Paper: DGA Diagnostic Methods," 2007 [13] M Duval, F Langdeau, P Gervais, and G Belanger, "Influence of paper insulation on acceptable gasinoil levels in transformers," in Electrical Insulation and Dielectric Phenomena, 1989 Annual Report., Conference on, 1989, pp 358362 [14] H Kan and T Miyamoto, "Proposals for an improvement in transformer diagnosis using dissolved gas analysis (DGA)," Electrical Insulation Magazine, IEEE, vol 11, pp 1521, 1995 [15] "Absorption of CO2 and CO gases and furfural in insulating oil into paper insulation in oilimmersed transformers." [16] A M Emsley and G C Stevens, "Review of chemical indicators of degradation of cellulosic electrical paper insulation in oilfilled transformers," Science, Measurement and Technology, IEE Proceedings , vol 141, pp 324334, 1994 [17] H.C Sun, Y.C Huang, and C.M Huang, "A Review of Dissolved Gas Analysis in Power Transformers," Energy Procedia, vol 14, pp 12201225, 2012 [18] A M Emsley, X Xiao, R J Heywood, and M Ali, "Degradation of cellulosic insulation in power transformers Part 2: formation of furan products in insulating oil," Science, Measurement and Technology, IEEProceedings , vol 147, pp 110114, 2000 [19] K Spurgeon, W H Tang, Q H Wu, Z J Richardson, and G Moss, "Dissolved gas analysis using evidential reasoning," IEE Proceedings Science, Measurement and Technology, vol 152, p 110, 2005  ... định tiềm sử dụng hai hợp chất công tác dự báo sớm cố quản lý vòng đời thiết bị ngâm dầu Các đo đạc tiến hành MBA vận hành từ 25 năm qua khẳng định tính thực tiễn cơng nghệ Nếu ứng dụng rộng rãi... Tuy nhiên, phân tích khí khơng phải thật đơn giản có nhiều loại cố diện lúc Sự cố máy biến áp phân theo nguồn gốc nhiệt điện, cố phát sinh loại khí đặc trưng khác sản sinh lượng từ mức thấp đến... Miyamoto [14, 15] sau xem xét tượng hấp thụ CO2 CO vào lớp cách điện Ưu điểm phương pháp DGA dễ dàng áp dụng cho máy biến áp hoạt động phương pháp phát triển chuẩn hóa từ lâu, thực với giá thành