Bài viết này nhằm mục đích giúp cho những nhà quản lý và vận hành máy biến áp (MBA) hiểu biết thêm về một phương pháp chẩn đoán mới để đánh giá tình trạng hiện tại của vật liệu cách điện giấy cũng như tình trạng vận hành của MBA, từ đó có phương thức vận hành thích hợp nhằm lường trước những sự cố có thể diễn ra đối với MBA.
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] S Tenbohlen, D Uhde, J Poittevin, H Borsi, P Werle, U Sundermann, et al., “Enhanced diagnosis of power transformers using on-and off-line methods: Results, examples and future trends,” CIGRE paper, pp 12-204, 2000 [2] P Mariño, F Poza, S Otero, and F Machado, “Development of condition monitoring instrumentation for sensing power transformers,” in International Conference On Sensing Technology, 2005 [3] S Tenbohlen, T Stirl, G Bastos, J Baldauf, P Mayer, M Stach, et al., “Experienced-based evaluation of economic benefits of on-line monitoring systems for power transformers, ” CIGRE Session 2002, pp 12-110, 2002 [4] Y Wang, B Eng, and M Eng, “Transformer vibration and its application to condition monitoring,” University of Western Australia, 2015 [5] M Wang, “Winding movement and condition monitoring of power transformers in service,” The University of British Columbia, 2003 [6] C Bartoletti, M Desiderio, D Di Calo, G Fazio, F Muzi, G Sacerdoti, et al., “Vibro-acoustic techniques to diagnose power transformers,” Power Delivery, IEEE Transactions on, vol 19, pp 221-229, 2004 [7] J T Yoon, K M Park, B D Youn, and W.-R Lee, “Diagnostics of Mechanical Faults in Power Transformers-Vibration Sensor Network Design under Vibration Uncertainty.” [8] M Jin, J Pan, H Huang, and J Zhou, “Transmission of vibration of a power transformer from the internal structures to the tank.” [9] M Nafar, A Gheisari, and A Alesaadi, “Circuit Breaker and Transfore Monitoing,” World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Electrical, Computer, Energetic, Electronic and Communication Engineering, vol 4, pp 1548-1552, 2010 [10] M I Comanici, and P Kung, “Development of a long-gauge distriuted vibration sensor,” 2014 Electrical Insulation Conference, USA, 2014, pp 74-77 [11] M I Comanici, L R Chen, and P Kung, “Long-gauge distributed sensor for monitoring vibration,” in Photonics Conference (IPC), 2014 IEEE, 2014, pp 374-375. PHÂN TÍCH FURAN TRONG DẦU CÁCH ĐIỆN ĐỂ ĐÁNH GIÁ SỰ PHÂN HỦY VẬT LIỆU CÁCH ĐIỆN GIẤY NHẰM XÁC ĐỊNH TUỔI THỌ MÁY BIẾN ÁP KS PHẠM MINH HỒNG Tóm tắt: KS ĐẶNG QUỐC HỒN Cty Thí nghiệm điện miền Nam Tuổi thọ máy biến áp (MBA) xác định tuổi thọ vật liệu cách điện giấy MBA Tuổi thọ vật liệu cách điện giấy xác định độ bền học giấy đo hệ số polyme hóa (DP) Phương pháp truyền thống để xác định DP, gọi phương pháp trực tiếp, yêu cầu mẫu giấy thực phương pháp xâm phạm MBA tốn Ngày phương pháp gián tiếp sử dụng để ước tính DP từ hợp chất furan hòa tan dầu cách điện Hợp chất furan hợp chất hóa học sinh vật liệu cách điện giấy già cỗi xuống cấp Hàm lượng hợp chất cho biết mức độ phân huỷ vật liệu cách điện cellulose Bài báo nhằm mục đích giúp cho nhà quản lý vận hành máy biến áp (MBA) hiểu biết thêm phương pháp chẩn đốn để đánh giá tình trạng vật liệu cách điện giấy tình trạng vận hành MBA, từ có phương thức vận hành thích hợp nhằm lường trước cố diễn MBA Hiện trạng lưới điện miền Nam: Theo IEEE Std C57.91-2011 đề cập tuổi thọ MBA khoảng 20 năm, ngày tuổi thọ MBA thiết kế sử dụng 30 đến 40 năm Hiện có nhiều MBA hoạt động dù tuổi thọ theo khuyến cáo nhà sản xuất Trên hệ thống điện miền Nam tồn lượng đáng kể máy biến áp già cỗi, vận hành 20 năm Thử nghiệm DGA đánh giá tình trạng vận hành MBA Tuy nhiên vật liệu cách điện giấy bị phân hủy vấn đề đặt độ bền học vật liệu cách điện bị ảnh hưởng tác động nhiệt độ, độ ẩm, oxy hóa tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018 19 Bản chất vật liệu cách điện giấy, chế hình thành furan: 2.1 Bản chất vật liệu cách điện giấy: Vật liệu cách điện giấy sử dụng thiết bị điện sản phẩm có nguồn gốc cellulose Cellulose chuỗi phân tử monomer liên kết với Số monomer trung bình chuỗi cellulose gọi hệ số polymer hóa (DP) Vật liệu cách điện giấy đưa vào sử dụng có DP khoảng 1000-1300 DP đặc trưng cho độ bền học vật liệu cách điện giấy Trong trình vận hành, giấy bị lão hóa, liên kết monomer bị bẻ gãy DP giảm Khi DP < 150 vật liệu cách điện giấy khơng cịn độ bền học Vật liệu cách điện cellulose bao gồm phân tử cellulose dài ngắn khác nằm cạnh Các phân tử bám lấy nhờ có liên kết hyđro nhóm hydroxy (- OH) tồn cấu trúc chúng Phân tử cellulose polymer dạng thẳng tạo nên chuỗi mắt glucose gắn với liên kết glycoside Dưới tác động nhiệt độ, điện từ trường vật liệu cách điện cellulose bị phân hủy, bẻ gãy mạch polymer phân tử cellulose tạo thành hợp chất furan, khí CO, nước ngấm giấy cách điện phần hòa tan dầu 2.3 Sự phân hủy vật liệu cách điện giấy tạo 2-furaldehyde, 5-hydroxymethyl-2furaldehyde, 2-acetyl furan, 5-methyl-2furaldehyde furfuryl alcohol Khi chúng sinh ra, hỗn hợp chúng tự phân tán giấy dầu cách điện 2.4 Năm chất dẫn xuất furan điều kiện tạo thành vật liệu cách điện giấy xuống cấp 2-Furaldehyde (2FAL) ← Quá nhiệt, chạm chập từ lâu ]Furfuryl alcohol (2FOL) ← Độ ẩm cao giấy Máy biến áp 63MVA EMC trạm 110kV Thắng Tam bị nhiệt vật liệu cách điện cellulose kiểm tra sửa chữa 2.2 Cơ chế hình thành furan dầu cách điện: 2-Acetylfuran (2ACF) ← Bức xạ ánh sáng Nhiệt độ, điện từ trường CO HOH CARBON MONOXIDE CHO Nhiệt độ, điện từ trường H FURAN HO H H NƯỚC 20 NƯỚC O 5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (5H2F) ← Oxi hóa (do lão hóa nhiệt) giấy tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018 H HOH 5-methyl-2-furaldehyde (5M2F) ← Quá nhiệt mãnh liệt, cục (hotspot) Mối tương quan furan với DP, thiết bị phân tích furan: 3.1 Mối tương quan furan với DP: Chendong thiết lập mối liên hệ DP 2-Furaldehyde (2-FAL hợp chất quan trọng hợp chất furan có dầu MBA) theo cơng thức sau: 3.4 Kết phân tích furan hệ số Polymer (DP) đánh giá dựa bảng sau: Phần trăm Hệ số tuổi thọ Polymer (DP) cịn lại ước ước tính tính Ưu điểm: phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, tốn nên ngày sử dụng rộng rãi giới Phân tích furan dầu MBA tính tốc độ sản sinh để có hướng xử lý thích hợp như: giảm tải, quấn lại cuộn dây, dây dẫn loại bỏ MBA Phân tích hợp chất furan hệ thống sắc ký lỏng HPLC xác định tình trạng suy giảm độ bền học vật liệu cách điện cellulose, đánh giá tuổi thọ MBA 3.2 Thiết bị phân tích furan: Hệ thống sắc ký lỏng HPLC phân tích hợp chất furan PTN Hóa Dầu – Cơng ty Thí nghiệm Điện miền Nam: - Hiệu máy: 1260 LC Infinity - Agilent - Phương pháp thí nghiệm: ASTM D5837 - Giới hạn phát hiện: 50 ppb 3.3 Sắc ký đồ kết phân tích furan thể sau: 800 100 700 90 600 79 500 66 400 50 380 46 360 42 340 38 320 33 300 29 280 24 260 19 240 13 220 200 Giải thích Tốc độ lão hóa bình thường Tốc độ lão hóa nhanh Vùng lão hóa nguy hiểm mức Nguy hư hỏng cao Giai đoạn cuối tuổi thọ mong muốn vật liệu cách điện giấy MBA Một số ví dụ mối tương quan kết phân tích furan DGA việc đánh giá vật liệu cách điện giấy trạm 110kV thuộc Tổng Công ty Điện lực miền Nam Hàm lượng thành phần (ppm) STT Tên trạm Thời gian VŨNG LIÊM T2 40MVA 28/12 110kV N:0804-99 2017 LIÊN XÔ SL:05/2015 5hydrox ymethyl -2furalde hyde 0.0052 Hàm Hệ lượng 5số 2methyl tổng TF DP furfuryl 2(ppm) furald -2alcohol acetylfuran ehyde furalde hyde 0.0044 0.3876 0.0130 0.0166 Kết luận Furan Kết luận DGA TF = 0.4267 ppm Có phân hủy vật liệu cách TCG = 633 điện giấy chủ ppm Trong yếu máy có nhiệt (overheating) tượng DP = 549 nhiệt vật 0.4267 549 Tuổi thọ liệu cách điện lại cellulose So vật liệu với kết cách điện định kỳ 2017, giấy khí CO có máy biến tăng thêm ước tính 72% tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018 21 SÓC TRĂNG T1 63MVA 110kV 15/11 N:046035T 2017 VINA TAKAOKA VH:07/2005 SA ĐÉC T40MVA 110kV 13/03 N:19201 2018 LIÊN XÔ SL:10/2009 ĐỨC LINH T2 25MVA 110kV N:25 19/12 M0501225 2017 EMCVH: 09/2009 KIÊN LƯƠNG T1 25MVA 09/01 110kV 2018 N:981-02 ĐÔNG ANH VH:2001 AN BIÊN T2 40MVA ĐÔNG ANH 14/03 N:024934- 2018 01 SL:08/2015 22 0.0279 0.0000 0.0019 0.0000 0.0000 0.0225 0.1450 0.0047 0.0019 0.2064 0.0060 0.0058 0.0808 0.0011 0.0225 0.0764 0.0017 0.0089 0.0587 0.0000 tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018 0.0123 TF=0.2122 ppm Có phân hủy vật liệu cách điện giấy chủ yếu TCG = 543 nhiệt ppm (overheating) Trong máy 0.2122 624 DP=624 có tượng Tuổi thọ nhiệt vật lại liệu cách điện vật liệu cellulose cách điện giấy máy biến ước tính 80% 0.0105 TF=0.2248 ppm Có phân hủy vật liệu cách điện giấy chủ yếu TCG = 375 nhiệt ppm Máy (overheating) 0.2248 627 biến hoạt DP=627 Tuổi động bình thọ cịn lại thường vật liệu cách điện giấy máy biến ước tính 80% 0.0011 TF=0.0907 ppm Có phân hủy vật liệu cách điện giấy chủ yếu nhiệt (overheating) 0.0907 744 DP=744 Tuổi thọ lại vật liệu cách điện giấy máy biến ước tính 94% 0.0017 TCG = 542 ppm Trong DP=751 Tuổi máy có thọ lại tượng vật liệu cách chớp tia lửa 0.1023 751 điện giấy điện tạo khí máy biến C2H2 So với ước tính kết định 95% kỳ 2017, khí cháy có tăng thêm 0.0031 DP=783 Tuổi thọ lại vật liệu cách 0.0707 783 điện giấy máy biến ước tính 92% TCG = 1244 ppm Trong máy có tượng nhiệt vật liệu cách điện cellulose So với kết định kỳ 2017, máy biến hoạt động ổn định TCG = 311 ppm Máy biến hoạt động bình thường 7 MINH PHONG T2 40MVA 14/03 VINA 2018 TAKAOKA N:0140226T SL:07/2015 0.0000 0.0000 0.0523 0.0000 0.0037 DP=798 Tuổi thọ lại TCG = 264 vật liệu cách điện ppm Máy biến 0.0560 798 giấy máy hoạt động biến ước bình thường tính 98% Khoảng thời gian lấy mẫu thử nghiệm Furan (2-Furfural): Đối với máy biến áp cấp điện áp 110kV trở lên cần lấy mẫu dầu thí nghiệm hàm lượng 2-Furfural lần đầu sau 12 năm vận hành sau xác định thời hạn kiểm tra theo bảng bên Khi phân tích khí hịa tan (DGA) chẩn đốn có phân hủy Cellulose với tốc độ cao, cần rút ngắn thời hạn thí nghiệm 2-Furfural Hàm lượng 2-furfural, ppm Ý nghĩa Khoảng thời gian lấy mẫu thí nghiệm ÷ 0,1 Máy biến áp bình thường 12 năm 0,1 ÷ Phân hủy vừa phải vật liệu cách điện năm ÷ 10 Phân hủy mạnh vật liệu cách điện năm > 10 Phân hủy vật liệu cách điện gần hoàn toàn - Đánh giá tuổi thọ máy biến áp dựa hàm lượng khí CO CO2, tỷ lệ khí CO2/CO qua việc thử nghiệm DGA, việc lấy mẫu thử nghiệm Furan (2-Furfural) thực kết DGA có CO CO2 rơi vào 02 trường hợp sau: - Trường hợp 1: hàm lượng khí CO cao (~1000 ppm) tỷ số CO2/CO < - Trường hợp 2: hàm lượng khí CO2 cao (~10000 ppm) tỷ số CO2/CO > 10 Kết luận: Phân tích furan dầu cách điện MBA phương pháp gián tiếp hiệu để đánh giá phân hủy vật liệu cách điện giấy nhằm ước tính tuổi thọ lại MBA Đây thử nghiệm khơng xâm phạm nên giảm chi phí kế hoạch bảo trì, khơng cần ngừng vận hành MBA Hiện tại, Phịng Thí nghiệm Hóa Dầu – Cơng ty Thí nghiệm Điện miền Nam trang bị đầy đủ thiết bị, nhân lực để phân tích furan nhằm tư vấn sớm cho khách hàng ngành Điện để có chế độ vận hành hợp lý MBA già cỗi giảm tải, tách khỏi lưới để quấn lại dây sửa chữa MBA nhằm đảm bảo vận hành lưới điện cách liên tục TÀI LIỆU THAM KHẢO IEEE Std C57.91-2011 IEEE Guide for Loading Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step -Voltage Regulators Furan Analysis for Liquid Power Transformers_ IEEE Electrical Insulation Magazine Cellulose Insulation in Oil-Filled Power Transformers: Part II – Maintaining Insulation Integrity and Life_IEEE Electrical Insulation Magazine Evaluation of Transformer Solid Insulation by I.A.R Gray_Transformer Chemistry Services Furanic compounds in insulating fluids_ Engineering and Diagnostic Services, Products and Systems_Weidmann Representative Accuracy of furan analysis in estimating the degree of polymerization in power transformers_Nkosenye Sidwell Mtetwa Transformer Diagnostics_Facilities Instructions, Standards, and Techniques_ Volume 3-31_ United States Department of the Interior_Bureau of Reclamation Assessing Remnant Life of Transformer based on Furan Content in Transformer Oil and Degree of Polymerization of Solid insulation_The Tata Power Company Limited, Mumbai Degradation of Cellulose Insulation in Liquid-Filled Power Transformers_EHV-Weidmann Industries, Inc Quy trình Thí nghiệm Máy biến áp lực – Phần III: Dầu cách điện (Bản thẩm định) – Năm 2011 – Tập đoàn Điện lực Việt Nam Quyết định số 2378/QĐ-EVN SPC ngày 13/06/2017 quy định Cơng tác thí nghiệm lưới điện 110kV thuộc quản lý EVN SPC. tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018 23 ... 12 năm 0,1 ÷ Phân hủy vừa phải vật liệu cách điện năm ÷ 10 Phân hủy mạnh vật liệu cách điện năm > 10 Phân hủy vật liệu cách điện gần hoàn toàn - Đánh giá tuổi thọ máy biến áp dựa hàm lượng khí... ppm) tỷ số CO2/CO > 10 Kết luận: Phân tích furan dầu cách điện MBA phương pháp gián tiếp hiệu để đánh giá phân hủy vật liệu cách điện giấy nhằm ước tính tuổi thọ lại MBA Đây thử nghiệm khơng... lại liệu cách điện vật liệu cellulose cách điện giấy máy biến ước tính 80% 0.0105 TF=0.2248 ppm Có phân hủy vật liệu cách điện giấy chủ yếu TCG = 375 nhiệt ppm Máy (overheating) 0.2248 627 biến