Bài viết giới thiệu khái niệm ‘Chỉ số sức khỏe’ (Health Index) tính toán từ việc kết hợp các dữ liệu vận hành, bảo trì, quan sát hiện trường và các thí nghiệm chẩn đoán trích theo tài liệu tham khảo đăng trong tạp chí chất lượng (ISI) chuyên về ứng dụng ‘IEEE Electrical Insulation Magazine’
‘CHỈ SỐ SỨC KHỎE’ MÁY BIẾN ÁP LỰC TS P H Ạ M Đ Ì N H A N H KHƠI ĐHBK TPHCM TĨM TẮT Máy biến áp lực (MBA) thiết bị quan trọng hệ thống điện phức tạp việc đánh giá tình trạng (condition assessment) để vận hành bình thường chu trình vịng đời (tuổi thọ) Nhằm xác định tình trạng MBA tầm nhìn dài hạn, viết giới thiệu khái niệm ‘Chỉ số sức khỏe’ (Health Index) tính tốn từ việc kết hợp liệu vận hành, bảo trì, quan sát trường thí nghiệm chẩn đốn trích theo tài liệu tham khảo đăng tạp chí chất lượng (ISI) chuyên ứng dụng ‘IEEE Electrical Insulation Magazine’ [1] - Phân tích khí hịa tan (DGA) - Thử nghiệm chất lượng dầu - Hệ số tổn thất điện môi (tanδ) đo lường điện dung - Các thử nghiệm điều áp (dầu cách điện, điện trở tiếp xúc, dòng điện động chuyển nấc) kết hợp với quan sát - Thử nghiệm đầu sứ (tanδ, điện dung) - Thử nghiệm lõi thép (dịng kích thích (excitation current) cách điện lõi thép – đất) I GIỚI THIỆU - Thử nghiệm tỉ số vòng dây, điện trở cuộn dây MBA thiết bị đắt tiền quan trọng trạm biến áp cao áp với chi phí đầu tư lên tới 60% chi phí tổng cộng nên cần đánh giá số sức khỏe trạng thái cho định khả vận hành, kế hoạch bảo trì hay thay kịp thời - Thử nghiệm điện kháng rò (leakage reactance) Khái niệm ‘chỉ số sức khỏe’ (CSSK) hay ‘chỉ số đánh giá tình trạng’ giới thiệu cơng cụ thực hành kết hợp kết vận hành, bảo trì, quan sát trường thí nghiệm chẩn đoán số định lượng cụ thể cung cấp thông tin sức khỏe tổng quan thiết bị khảo sát (MBA) - Đo lường phóng điện cục Đã có nhiều nghiên cứu ‘đánh giá tình trạng’ (condition assessment) ‘quản lý vịng đời’ (life management) cho MBA dựa đo lường / giám sát khí hịa tan (dissolved gas), nhiệt độ dầu cuộn dây, hàm lượng nước cách điện, chất lượng dầu (cường độ cách điện, số axit, màu sắc, ứng suất mặt phân cách – interfacial tension), phóng điện cục bộ, đáp ứng tần số (frequency response analysis), điện áp phục hồi (recovery voltage), hình ảnh nhiệt (thermal imagning), thử nghiệm điều áp (tap-changer), đầu sứ xuyên (bushing)… Các thử nghiệm thực theo định kỳ (routine) hay dựa điều kiện trạng thái (condition basis) chưa có phương pháp cho phép đánh giá tồn diện tình trạng MBA dựa liệu đo Bài viết giới thiệu phương pháp tính tốn CSSK MBA dựa liệu phép đo đề cập tiêu chí đánh giá ứng dụng cơng nghiệp, có xem xét khuyến cáo IEC, IEEE CIGRE II CÁC DỮ LIỆU ĐO Số lượng liệu đo tùy thuộc vào Điện Lực quốc gia nhìn chung phép đo phương pháp chẩn đoán chấp nhận phần lớn Điện Lực phạm vi quốc tế bao gồm: - Điện trở cách điện (Megger) - Quan sát định kỳ vỏ máy, tản nhiệt, quạt, đầu sứ, phụ kiện khác - Ảnh nhiệt hồng ngoại Các thử nghiệm chẩn đốn nâng cao xem xét thực thêm Điện Lực, bao gồm: - Giải tích hàm lượng Furan - Phân tích đáp ứng tần số (FRA) - Phân tích đáp ứng điện mơi (DRA) Ngồi ra, liệu thơng thường có sẵn lịch sử tải liệu bảo trì để đánh giá tình trạng dài hạn MBA hữu ích để xem xét đánh giá III.TẠI SAO CẦN ‘CHỈ SỐ SỨC KHỎE’? Các nhà sản xuất có thương hiệu thường dự báo tuổi thọ hay vòng đời sản phẩm MBA khoảng 25 đến 40 năm Tuy nhiên, thực tế có nhiều MBA đạt đến độ tuổi này, chí vượt q cịn vận hành mà rõ liệu hết ‘tuổi thọ thực sự’ hay chưa Trước đây, nhiều khái niệm khác liên quan đến ‘quản lý tuổi thọ MBA’ (transformer life management) giới thiệu, bao gồm: - Xác suất, nguy hư hỏng độ tin cậy - Tình trạng thực tế so với tuổi thọ thực tế - Tuổi thọ lại - Hết-tuổi-thọ (end-of-life) Các nghiên cứu dựa khái niệm cố gắng đưa mơ hình tuổi thọ cách điện (giấy) MBA Theo đó, nhiệt độ DGA yếu tố liệu có giá trị khác kết thử nghiệm định kỳ, liệu bảo trì, lịch sử vận hành MBA khơng xem xét Lý mơ hình dùng để khảo sát định lượng xuống cấp cách điện phạm vi dài hạn tính tốn tuổi thọ cịn lại MBA Để đánh giá tổng quan sức khỏe hay tình trạng vận hành thiết bị điện phức tạp MBA dựa tin hội miền nam - tháng 4/2016 11 tất loại liệu có giá trị, khái niệm ‘chỉ số sức khỏe’ cần thiết CSSK xác định định lượng tình trạng thiết bị dựa số lượng lớn tiêu chí phân loại liên quan đến xuống cấp cách điện dài hạn dẫn tới hết tuổi thọ thiết bị Kết luận CSSK khác với thử nghiệm bảo trì (maintenance testing) chẩn đốn theo tình trạng (condition based diagnostics), vốn tập trung vào hư hỏng hay cố cho việc sửa chữa khắc phục giúp thiết bị vận hành khoảng thời gian ấn định IV CÁC THÀNH TỐ TRONG ‘CHỈ SỐ SỨC KHỎE’ Trong đó, Si = 1, 2, …hay - điểm xếp hạng hàm lượng khí thứ i dựa hình 2, hàm lượng khí vượt giới hạn lớn cho hình Ví dụ, hàm lượng CH4 lớn 600 ppm, Si = Còn Wi trọng số gán; giá trị ban đầu Wi ấn định (cho CO CO2), (cho CH4, C2H6 C2H4), (cho C2H2) (cho H2) Giá trị trọng số đặc trưng cho tính quan trọng loại khí theo tính chất cố điều chỉnh tùy theo Điện Lực Việc đánh giá thực tế tình trạng toàn cục MBA cần nhiều tốt loại liệu / thơng số có sẵn thích hợp giới thiệu sau Phân tích khí hịa tan dầu (Dissolved Gas Analysis - DGA) Về mặt lý thuyết, kết DGA dùng để phân biệt cố bên phóng điện hồ quang, phóng điện cục bộ, phóng điện tia lửa lượng thấp, tải trầm trọng, nhiệt hệ thống cách điện MBA IEC 60559 cung cấp danh sách cố phát dựa kỹ thuật IEEE C57.104 giới thiệu tiêu chí đánh giá mức để phân loại nguy hư hỏng MBA tiếp tục vận hành mức khí cháy khác Trong thực tế, liệu DGA luôn cung cấp đủ thơng tin tình trạng tồn cục MBA chế độ vận hành bình thường sinh khí Do vậy, để đưa đánh giá xác cần thêm thơng tin lịch sử vận hành MBA (bảo trì, chế độ tải, cố trước đó, liệu nhà sản xuất), MBA vận hành suốt thời gian vịng đời với diện đáng kể khí cháy Hình so sánh mức độ cảnh báo khí hydrocacbon đề xuất từ nhiều nguồn tham khảo IEEE, IEC, Dornenburg, ‘US Bureau of Reclaimation’ (cơ quan liên bang quản lý tài nguyên nước thuộc nội vụ Mỹ) Hình Điểm phân loại (score) khí hòa tan Mã xếp hạng DGAF (DAG Factor) từ A (tình trạng tốt) đến E (tình trạng xấu) Hệ thống xếp hạng khơng thích hợp để làm cơng cụ chẩn đốn mà đưa tranh toàn cục kết DGA khung thời gian dài hạn Bảng Xếp loại MBA theo hệ số DGA Mã xếp hạng Tình trạng Mơ tả A Tốt B Bình thường 1.2 ≤ DGAF < 1.5 C Cần theo dõi 1.5 ≤ DGAF < D Xấu E Rất xấu DGAF < 1.2 ≤ DGAF < DGAF ≥ Đã có nhiều phương pháp kinh điển phát triển để giải thích kết DGA cho MBA 30 năm trở lại Rogers, Dornenburg, Dornenburg sửa đổi, tam giác Duval Hầu hết phương pháp dựa vào tỷ số khí C2H2/C2H4, CH4/H2, C2H4/C2H6, nhiên, để xác định loại cố xác định xem, liệu MBA cịn vận hành bình thường hay khơng, hầu hết khơng khảo sát mang tính dài hạn Cho mục tiêu này, khái niệm ‘mức sinh khí gia tăng’ (rate of gas increment) giới thiệu kết là, CSSK bị giảm mức sinh khí gia tăng 30% cho phân tích mẫu dầu liên tiếp, hay 20% cho mẫu liên tiếp Hình So sánh giới hạn khí hydrocacbon tiêu chuẩn Sự khác biệt rõ ràng hình giới hạn cao acetylene (C2H2) IEEE so với nguồn khác Ngồi ra, IEEE cịn đưa mức giới hạn thấp 350 ppm cho carbon monoxide (CO), vốn nửa so với IEC Hình bảng giới thiệu phương pháp xếp hạng theo liệu DGA xem xét tất khuyến cáo khác từ nguồn tham khảo (1) 12 tin hội miền nam - tháng 4/2016 Chất lượng dầu cách điện (Oil Quality) Bảng tóm tắt tiêu chuẩn thử nghiệm khuyến cáo dựa tiêu chuẩn ASTM đề xuất IEEE tiêu chuẩn IEC dựa đề xuất CIGRE Sự kết hợp thử nghiệm điện, lý hóa thực để lên kế hoạch bảo trì ngăn ngừa (preventible maintenance) phục hồi hay thay dầu nhằm tránh cố sớm hay ngừng vận hành cưỡng Điện áp chọc thủng D877, D1816 IEC 60156 Hàm lượng nước D1533 IEC 60814 Hệ số công suất D924 IEC 60247 cho MBA Tiêu chuẩn phân loại ngưỡng thử nghiệm theo mức điện áp Một phương pháp xếp hạng theo [2] giới thiệu bảng Một ‘hệ số chất lượng dầu’ (OQF – Oil Quality Factor) tương tự DGAF đề xuất sử dụng ‘điểm xếp hạng’ (score) trọng số (có thể điều chỉnh phù hợp với tình hình thực tế Điện Lực nhà cung cấp dầu) bảng Mã xếp hạng (rating code) tương tự bảng với lưu ý giá trị áp dụng cho dầu sử dụng (không cho dầu mới) Ứng suất mặt phân cách D971 ISO 6295 Furan (Fufural) Chỉ số axit D644, D974 IEC 62021 Màu sắc D1500 ISO 2049 Thử nghiệm đo hàm lượng furan khơng mang tính định kỳ cho MBA mà ứng dụng chẩn đoán Đo lường hàm lượng furan dầu xác định mức độ polyme hóa (degree of polymerization) giấy cách điện Hàm lượng furan MBA thông thường nhỏ 0.1 ppm Tuy nhiên, CIGRE khảo sát 5000 MBA châu Âu phát số lượng đáng kể MBA có hàm lượng furan ppm Thử nghiệm tiến hành MBA bị nhiệt, hay có mức CO CO2 cao Nếu MBA có thời gian vận hành 25 năm, thử nghiệm cần tiến hành định kỳ Bảng Các tiêu chuẩn thử nghiệm chất lượng dầu Thông số ASTM đề xuất theo IEEE IEC đề xuất theo CIGRE Bảng Phương pháp phân loại thông số dầu theo IEEE C57.106-2006 U ≤ 69 kV 69 kV < U 230 kV ≤ U < 230 kV ≥45 ≥52 35–45 Điểm (Si) ≥60 47–52 50–60 30–35 35–47 40–50 ≤30 ≤35 ≤40 ≥25 ≥30 ≥32 20–25 23–30 25–32 15–20 18–23 20–25 ≤15 ≤18 ≤20 ≤0.05 ≤0.04 ≤0.03 Chỉ số axit 0.05–0.1 0.04–1.0 0.03–.07 (mg KOH/g) 0.1–0.2 1.0–0.15 0.07–.10 ≥0.2 ≥0.15 ≥0.10 ≤30 ≤20 ≤15 30–35 20–25 15–20 35–40 25–30 20–25 ≥40 ≥30 ≥25 Độ bền điện (khoảng cách điện cực 2 mm) (kV) Ứng suất mặt phân cách (dyne/cm) Hàm lượng nước (ppm) Màu sắc Hệ số tổn hao (%) 25 oC ≤1.5 1.5–2.0 2.0–2.5 ≥2.5 ≤0.1 0.1–0.5 0.5–1.0 ≥1.0 Wi Bảng tham chiếu để tính tốn CSSK theo hàm lượng furan (cột 2) Trong trường hợp dầu cách điện phục hồi hay thay thế, thời gian vận hành MBA (cột 3) áp dụng Thực thời gian vận hành MBA không liên quan đến trực tiếp đến hàm lượng furan, furan mức độ polyme hóa giấy cách điện (Kraft) có liên quan đến tuổi thọ lại MBA Bảng Phân loại thử nghiệm Furan hay theo thời gian vận hành Mã xếp hạng Furaldehyde (ppm) Thời gian vận hành A 0–0.1 60 EE > 1.0 — Bảng mang tính tham khảo kết 30,000 điểm thu thập 12 nước khu vực Bắc Mỹ chưa phù hợp Hiện tại, CIGRE IEEE nghiên cứu để tìm liên quan xác hàm lượng furan tình trạng cách điện MBA Hệ số công suất (Power Factor) Hệ số công suất (power factor) hệ số tổn hao (dissipation factor) nguồn liệu quan trọng để giám sát tình trạng MBA đầu sứ Thử nghiệm tiến hành để xác định tình trạng cách điện điện dung cuộn dây cuộn dây với phận mang điện đất Đo lường điện dung hệ số công suất cách điện MBA điện áp 10 kV (50 Hz) từ lâu dạng thử nghiệm định kỳ chẩn đoán Bảng giới thiệu phương pháp xếp hạng cho hệ số công suất (cách điện) MBA với pfmax giá trị lớn tin hội miền nam - tháng 4/2016 13 Bảng Bảng xếp hạng theo hệ số công suất Mã xếp hạng Hệ số công suất lớn pfmax (%) A pfmax