1. GIỚI THIỆU (INTRODUCTION)

Trong lĩnh vực vận hành và bảo trì máy phát điện, việc đảm bảo độ tin cậy của hệ thống cách điện cuộn dây stator là vô cùng quan trọng. Sự xuống cấp của cách điện có thể dẫn đến những hư hỏng nghiêm trọng, gây thiệt hại lớn về tài chính và làm gián đoạn quá trình cung cấp điện. Các phương pháp bảo trì truyền thống dựa trên lịch trình cố định thường không tối ưu, có thể bỏ sót các vấn đề tiềm ẩn hoặc thực hiện bảo trì không cần thiết. Do đó, chuyển đổi sang các chiến lược bảo trì dự đoán dựa trên tình trạng thực tế của thiết bị ngày càng được khuyến khích. Giám sát phóng điện cục bộ (PD) là một trong những kỹ thuật chẩn đoán hiệu quả nhất cho cách điện cuộn dây stator, đặc biệt đối với các máy có định mức điện áp từ 3,3 kV trở lên.

PD là hiện tượng phóng điện cục bộ xảy ra trong các vùng có cường độ điện trường cao, thường là trong các lỗ rỗng bên trong vật liệu cách điện, trên bề mặt cách điện hoặc tại các giao diện giữa vật liệu cách điện và vật liệu dẫn điện/bán dẫn. Hoạt động PD, mặc dù chỉ diễn ra trên quy mô nhỏ, có thể gây ra sự ăn mòn và suy giảm dần vật liệu cách điện theo thời gian, cuối cùng dẫn đến sự cố cách điện hoàn toàn. Việc phát hiện và phân tích PD sớm cho phép đánh giá tình trạng hiện tại của cách điện, xác định các vị trí suy yếu tiềm ẩn và dự đoán nguy cơ sự cố trong tương lai.

Trong nhiều thập kỷ qua, kỹ thuật giám sát PD đã không ngừng được phát triển và cải tiến. Ban đầu, các phép đo PD chủ yếu được thực hiện ngoại tuyến (off-line) khi máy dừng hoạt động. Tuy nhiên, việc dừng máy để kiểm tra gây tốn kém và làm giảm tính sẵn sàng của thiết bị. Sự ra đời và phát triển của công nghệ giám sát PD trực tuyến (on-line) đã khắc phục được nhược điểm này, cho phép theo dõi tình trạng cách điện ngay cả khi máy đang vận hành bình thường. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các máy phát điện lớn, có vai trò thiết yếu trong hệ thống điện.

Bài báo này, dựa trên nội dung của các tiêu chuẩn, bài báo khoa học, tài liệu của hãng sản xuất, nhằm mục đích trình bày một cái nhìn có hệ thống và chi tiết về lĩnh vực giám sát phóng điện cục bộ trong máy phát điện. Các phần tiếp theo sẽ đi sâu vào bản chất vật lý của PD, các phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu PD, cũng như ý nghĩa của các kết quả đo trong việc đánh giá tình trạng cách điện và hỗ trợ quyết định bảo trì.

Hình 1. Lớp cách điện cuộn dây stator bị cháy.

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT/PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (THEORETICAL FRAMEWORD/METHODS)

2.1. Bản chất vật lý của Phóng điện cục bộ

Phóng điện cục bộ là một dạng phóng điện một phần xảy ra khi cường độ điện trường tại một vị trí cục bộ trong hoặc trên bề mặt vật liệu cách điện vượt quá giới hạn chịu đựng của môi trường tại đó (ví dụ: không khí trong lỗ rỗng). Khác với phóng điện hoàn toàn gây phá hủy cách điện, PD chỉ xảy ra trong một vùng hạn chế và không tạo ra dòng điện liên tục giữa các điện cực. Tuy nhiên, sự lặp lại của các xung PD theo thời gian có thể gây ra sự ăn mòn và suy giảm dần dần vật liệu cách điện thông qua các tác động vật lý và hóa học.

Quá trình hình thành một xung PD thường bao gồm các bước sau:

- Sự tăng cường điện trường cục bộ: Trong vật liệu cách điện, có thể tồn tại các điểm không đồng nhất như lỗ rỗng, bọt khí, các hạt dẫn/bán dẫn lạ, hoặc các điểm tiếp xúc giữa các lớp vật liệu khác nhau. Tại những vị trí này, cường độ điện trường có thể cao hơn đáng kể so với điện trường trung bình trong vật liệu.

- Sự ion hóa ban đầu: Dưới tác dụng của điện trường cục bộ cao, các phân tử khí trong lỗ rỗng hoặc trên bề mặt có thể bị ion hóa, tạo ra các electron tự do và ion dương. Sự ion hóa này có thể được khởi đầu bởi các yếu tố bên ngoài như bức xạ vũ trụ.

- Sự phát triển của thác electron/streamer: Các electron tự do được tăng tốc bởi điện trường và va chạm với các phân tử khí khác, gây ra sự ion hóa tiếp theo. Quá trình này lặp lại, tạo thành một "thác electron" (electron avalanche) hoặc "streamer" (khi điện trường đủ mạnh) lan truyền trong vùng có điện trường cao.

- Sự phóng điện cục bộ: Khi thác electron/streamer phát triển đủ mạnh và chạm tới một bề mặt đối diện (ví dụ: thành lỗ rỗng), một dòng điện tức thời sẽ chảy qua vùng bị ion hóa. Đây chính là xung PD. Xung này rất ngắn, chỉ kéo dài vài nanosecond, nhưng mang theo một lượng điện tích nhất định.

- Sự thay đổi điện trường cục bộ và sự phục hồi: Sau khi phóng điện xảy ra, các hạt mang điện (electron và ion) tích tụ trên bề mặt của vùng bị ion hóa, làm giảm điện trường cục bộ. Khi điện trường cục bộ giảm xuống dưới ngưỡng phóng điện, quá trình phóng điện dừng lại. Tuy nhiên, điện trường tổng thể do điện áp nguồn vẫn tồn tại, và các hạt mang điện tích tụ sẽ dần phân tán hoặc trung hòa, cho phép điện trường cục bộ tăng lên trở lại, sẵn sàng cho xung PD tiếp theo.

Mỗi xung PD tạo ra một tín hiệu điện lan truyền trong hệ thống cách điện và các dây dẫn liên quan. Tín hiệu này bao gồm các thành phần tần số rất cao, có thể được phát hiện bằng các cảm biến chuyên dụng.

Hình 2. Quá trình hình thành một xung PD

2.2. Các loại PD điển hình trong cuộn dây stator máy phát điện

Dựa trên vị trí xảy ra và cơ chế hình thành, PD trong cuộn dây stator máy phát điện có thể được phân loại thành các dạng chính sau:

- Phóng điện bên trong (Internal Discharges): Xảy ra trong các lỗ rỗng, bọt khí hoặc các vùng tách lớp nằm sâu bên trong cách điện chính (groundwall insulation) hoặc cách điện giữa các vòng dây (turn insulation). Nguyên nhân có thể do quá trình sản xuất không hoàn hảo (ngâm tẩm chân không kém) hoặc do sự suy giảm cách điện theo thời gian dưới tác động của nhiệt, cơ khí hoặc điện.

- Phóng điện khe hở (Slot Discharges): Xảy ra trong khe hở nhỏ giữa bề mặt bên ngoài của cuộn dây/thanh dẫn và lõi thép stator nối đất. Lớp phủ bán dẫn (semiconductive coating) trên bề mặt cuộn dây trong rãnh đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tiếp xúc điện tốt với lõi thép và giảm thiểu phóng điện khe hở. Nếu lớp phủ này bị hỏng hoặc cuộn dây/thanh dẫn bị lỏng trong rãnh do rung động cơ khí, phóng điện khe hở có thể xảy ra. Phóng điện khe hở có thể gây ăn mòn nhanh chóng bề mặt cách điện.

- Phóng điện bề mặt và phóng điện đầu cuối (Surface and End-winding Discharges): Xảy ra trên bề mặt cách điện ở vùng đầu cuối cuộn dây, nơi không được bảo vệ bởi lõi thép stator nối đất. Lớp phủ kiểm soát ứng suất (stress grading coating) ở vùng này giúp phân bố lại điện trường và giảm thiểu phóng điện bề mặt. Tuy nhiên, nhiễm bẩn bề mặt (dầu, bụi, hơi ẩm) hoặc hư hỏng lớp phủ kiểm soát ứng suất có thể dẫn đến phóng điện bề mặt. Phóng điện cũng có thể xảy ra giữa các pha ở vùng đầu cuối nếu khoảng cách cách điện không đủ.

2.3. Phương pháp đo lường và thu thập dữ liệu PD

Việc đo lường PD trong máy phát điện đòi hỏi các thiết bị chuyên dụng có khả năng phát hiện và xử lý các xung điện tần số cao trong môi trường điện từ phức tạp. Có hai phương pháp đo lường chính:

- Đo lường ngoại tuyến (Off-line): Được thực hiện khi máy dừng hoạt động và cuộn dây stator được cấp điện từ một nguồn điện cao áp thử nghiệm bên ngoài. Ưu điểm của phương pháp này là môi trường đo ít nhiễu điện từ hơn so với khi máy vận hành, cho phép phát hiện các mức PD thấp hơn và dễ dàng xác định vị trí nguồn PD hơn. Các tiêu chuẩn như IEC 60034-27-1 cung cấp hướng dẫn chi tiết cho các phép đo PD ngoại tuyến.

- Đo lường trực tuyến (On-line): Được thực hiện khi máy phát điện đang vận hành bình thường và kết nối với lưới điện. Ưu điểm nổi bật là không cần dừng máy, cho phép theo dõi tình trạng cách điện trong điều kiện vận hành thực tế với đầy đủ các tác động của điện áp, dòng điện, nhiệt độ và rung động. Thử thách lớn nhất của phương pháp này là phải đối phó với nhiễu điện từ mạnh mẽ từ các nguồn bên ngoài (lưới điện, thiết bị phụ trợ) và bên trong máy (ví dụ: phóng điện chổi than, phóng điện vành trượt). Cần có các kỹ thuật tách nhiễu hiệu quả để phân biệt tín hiệu PD của cuộn dây stator với các tín hiệu nhiễu và các loại phóng điện/phóng hồ quang khác không liên quan đến cách điện cuộn dây. Tiêu chuẩn IEC 60034-27-2 cung cấp hướng dẫn cho các phép đo PD trực tuyến.

Các loại cảm biến phổ biến được sử dụng để thu thập tín hiệu PD bao gồm:

- Cảm biến điện dung (Coupling Capacitors): Thường là các tụ điện có giá trị nhỏ được lắp đặt tại các đầu cực pha của máy. Chúng hoạt động như một bộ lọc thông cao, cho phép các xung PD tần số cao đi qua trong khi chặn điện áp tần số công nghiệp. Giá trị điện dung từ vài chục picofarad (pF) đến vài nanofarad (nF). Ví dụ phổ biến là tụ điện epoxy-mica (EMC) với điện dung 80 pF hoặc các tụ có điện dung lớn hơn như 2 nF.Tiêu chuẩn IEC 60034-27-2 khuyến nghị sử dụng tụ ghép cho các hệ thống giám sát trực tuyến.

- Máy biến dòng tần số cao (HFCT): Lắp đặt trên dây nối trung tính hoặc dây dẫn pha để đo dòng điện xung do PD gây ra. HFCT cũng có thể được sử dụng để phát hiện các dạng phóng điện/phóng hồ quang khác không liên quan trực tiếp đến cách điện cuộn dây nhưng xảy ra trong máy.

- Cảm biến khe stator (SSC): Đây là loại ăng ten dạng dải được lắp đặt dưới nêm trong rãnh stator, nhạy cảm với PD xảy ra bên trong rãnh. SSC đặc biệt hữu ích cho các máy được làm mát bằng khí hydro, nơi mà các cảm biến điện dung thông thường có thể bị ảnh hưởng bởi các dạng phóng điện khác bên ngoài môi trường hydro (ví dụ: phóng hồ quang lõi thép).

- Cảm biến nhiệt độ điện trở (RTD): Mặc dù được thiết kế để đo nhiệt độ, các dây dẫn của RTD đôi khi có thể hoạt động như ăng ten và thu nhận tín hiệu PD. Tuy nhiên, việc sử dụng RTD làm cảm biến PD cần được xem xét cẩn thận do ảnh hưởng của chiều dài và loại cáp RTD đến tín hiệu đo.

2.4. Các kỹ thuật phân tích dữ liệu PD

Dữ liệu PD thô thu thập được là một chuỗi các xung điện. Để rút ra thông tin có ý nghĩa về tình trạng cách điện, cần áp dụng các kỹ thuật phân tích dữ liệu phù hợp. Các kỹ thuật phổ biến bao gồm:

- Phân tích biên độ xung (Pulse Height Analysis - PHA): Kỹ thuật này tạo ra biểu đồ biểu diễn tần suất xuất hiện của các xung PD theo biên độ của chúng. Từ biểu đồ PHA, có thể suy ra các đại lượng tóm tắt như biên độ PD cực đại (Q_m) tại một tốc độ lặp lại nhất định (ví dụ: 10 xung/giây) và tổng hoạt động PD (NQN). Q_m cung cấp thông tin về mức độ nghiêm trọng của xung PD lớn nhất, trong khi NQN phản ánh tổng lượng hoạt động PD.

- Phân tích pha xung (Phase Resolved Partial Discharge - PRPD): Kỹ thuật này phân tích dữ liệu PD theo mối quan hệ với chu kỳ của điện áp nguồn. Biểu đồ PRPD thường là biểu đồ 3D hoặc 2D hiển thị biên độ PD và/hoặc tần suất xuất hiện của PD theo góc pha của điện áp nguồn. Hình dạng và đặc điểm của các mẫu PRPD có thể cung cấp thông tin quý giá để phân loại các nguồn PD khác nhau.

- Phân tích thống kê: Áp dụng các phương pháp thống kê để xử lý và tổng hợp lượng lớn dữ liệu PD thu thập được, đặc biệt từ các chương trình giám sát định kỳ hoặc liên tục. Việc so sánh các đại lượng PD (Qm, NQN) từ một máy với dữ liệu lịch sử của chính máy đó hoặc với cơ sở dữ liệu từ các máy tương tự có thể giúp xác định các xu hướng suy giảm và đánh giá mức độ nghiêm trọng tương đối.

- Xu hướng theo thời gian (Trending): Theo dõi sự thay đổi của các đại lượng PD (Qm, NQN, đặc điểm mẫu PRPD) của cùng một máy theo thời gian. Đây được coi là phương pháp đáng tin cậy nhất để phát hiện sự suy giảm cách điện, vì ngay cả khi mức PD tuyệt đối không cao, sự gia tăng liên tục của chúng theo thời gian có thể là dấu hiệu của một vấn đề đang tiến triển. Tuy nhiên, để việc theo dõi xu hướng có ý nghĩa, các phép đo cần được thực hiện dưới các điều kiện vận hành tương tự nhau (điện áp, tải, nhiệt độ, áp suất khí, độ ẩm).

3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU/TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN (RESULTS AND DISCUSSION)

Từ các tài liệu tham khảo đã được cung cấp trình bày các kết quả phân tích dữ liệu PD trên nhiều loại máy phát điện khác nhau và từ các kết quả đo thực tế lắp đặt hệ thống giám sát online phóng điện cục bộ tại Nhà máy Thủy điện Quảng Trị  tổ máy H2 đã đưa ra những kết quả thực nghiệm về hiệu quả của giám sát PD trong việc đánh giá tình trạng cách điện.

3.1. Phân loại nguồn PD dựa trên đặc điểm mẫu PRPD.

Kết quả việc phân tích và thu thập mẫu PRPD để phân biệt các nguồn PD khác nhau. Mỗi loại PD (phóng điện bên trong, phóng điện khe hở, phóng điện bề mặt) có xu hướng tạo ra các mẫu PRPD đặc trưng cụ thể.

- Phóng điện bên trong: Thường tạo ra các mẫu PD phân bố đối xứng qua trục điện áp, với các cụm PD xuất hiện gần các điểm điện áp đỉnh của dạng sóng xoay chiều.

- Phóng điện khe hở: Có thể tạo ra các mẫu PD không đối xứng, với các cụm PD tập trung ở một nửa chu kỳ điện áp nhất định và có hình dạng hơi tam giác. Sự ưu thế của cực tính âm hoặc dương có thể cung cấp thêm thông tin về vị trí chính xác của phóng điện khe hở trong rãnh.

- Phóng điện bề mặt/đầu cuối: Mẫu PRPD có thể thay đổi tùy thuộc vào nguyên nhân (nhiễm bẩn, hư hỏng lớp phủ kiểm soát ứng suất) nhưng thường có sự phân bố không đối xứng qua trục điện áp.

3.2. Đánh giá mức độ nghiêm trọng dựa trên so sánh thống kê

Kết quả đánh giá có thể thống kê từ  hàng trăm nghìn kết quả thử nghiệm từ nhiều loại máy khác nhau được thu thập trong nhiều thời gian của các hảng sản xuất như của IRIS power. Phân tích này cung cấp các giá trị Q_m điển hình cho các nhóm máy phát điện khác nhau dựa trên cấp điện áp, phương pháp làm mát và loại cảm biến PD. Như ở bảng 1 dưới đây là tập hợp dữ liệu thu thập được sử dụng cho các thủy điện nhỏ.

Bảng 1. Giá trị Qm cho máy làm mát bằng không khí với bộ ghép điện dung định hướng (TGA)

Đơn vị tính: mV

Nguồn: IRIS power

3.3. Ảnh hưởng của điều kiện vận hành đến kết quả PD

Các điều kiện vận hành máy phát điện (tải tác dụng, tải phản kháng, điện áp, dòng điện, nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ và áp suất khí làm mát, độ ẩm) có thể ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động PD và do đó ảnh hưởng đến kết quả đo cụ thể.

- Thay đổi theo tải: Đối với cuộn dây bị lỏng trong rãnh, các lực điện từ tác động lên cuộn dây sẽ thay đổi theo tải. Điều này có thể làm thay đổi kích thước khe hở và do đó làm thay đổi hoạt động PD khe hở. Sự gia tăng mức PD khe hở khi tải tăng có thể là dấu hiệu của cuộn dây lỏng.

- Thay đổi theo nhiệt độ: Sự thay đổi nhiệt độ của cách điện có thể ảnh hưởng đến kích thước của các lỗ rỗng bên trong và đặc tính của vật liệu cách điện. Điều này có thể làm thay đổi hoạt động PD bên trong.

- Thay đổi theo áp suất khí: Đối với máy làm mát bằng hydro, áp suất khí ảnh hưởng đến cường độ chịu điện của môi trường khí. Mức PD có xu hướng giảm khi áp suất hydro tăng. Sự thay đổi mức PD theo áp suất khí có thể giúp xác định liệu nguồn PD có nằm bên trong môi trường hydro (trong cuộn dây) hay bên ngoài.

- Thay đổi theo độ ẩm: Độ ẩm của khí làm mát có thể ảnh hưởng đến phóng điện bề mặt.

Việc thực hiện các phép đo PD dưới các điều kiện vận hành khác nhau, đặc biệt là các điều kiện tải và nhiệt độ khác nhau, là một phần quan trọng của quy trình đánh giá cơ bản (baseline assessment).

3.4. Xu hướng PD theo thời gian

Theo dõi sự thay đổi của các đại lượng PD và đặc điểm mẫu PRPD của cùng một máy theo thời gian là một kỹ thuật chẩn đoán mạnh mẽ. Sự gia tăng đáng kể của các đại lượng PD như Q_m hoặc NQN theo thời gian, đặc biệt là với tốc độ nhanh (ví dụ: Q_m tăng gấp đôi trong vòng 6 đến 12 tháng), là một chỉ báo rõ ràng về sự suy giảm cách điện đang diễn ra và cần được chú ý. Việc theo dõi xu hướng đòi hỏi sự nhất quán trong phương pháp đo, thiết bị đo và điều kiện vận hành giữa các lần đo.

4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ (CONCLUSIONS)

Giám sát phóng điện cục bộ là một công cụ chẩn đoán không thể thiếu để đánh giá tình trạng cách điện cuộn dây stator trong máy phát điện, cung cấp thông tin quý giá cho việc ra quyết định bảo trì dự đoán. Các tài liệu được xem xét đã làm nổi bật bản chất phức tạp của PD trong môi trường máy phát điện và tầm quan trọng của việc áp dụng các phương pháp đo lường và phân tích dữ liệu tiên tiến để diễn giải kết quả một cách đáng tin cậy.

Việc kết hợp các kỹ thuật phân tích biên độ và phân giải theo pha (PHA và PRPD) với phân tích thống kê dựa trên cơ sở dữ liệu lớn và theo dõi xu hướng PD theo thời gian là chìa khóa để chẩn đoán chính xác tình trạng cách điện. Bằng cách phân loại các nguồn PD dựa trên đặc điểm của chúng và phân tích sự thay đổi PD dưới các điều kiện vận hành khác nhau, có thể xác định nguyên nhân gốc rễ của suy giảm và đánh giá mức độ nghiêm trọng tiềm ẩn.

Mặc dù việc thiết lập các giới hạn PD tuyệt đối cho tất cả các loại máy là thách thức do sự đa dạng về thiết kế và điều kiện vận hành, việc sử dụng các mức PD tương đối dựa trên so sánh thống kê và theo dõi xu hướng là phương pháp tiếp cận hiệu quả để xác định các máy có nguy cơ cao. Các máy có mức PD cao bất thường so với các máy tương tự hoặc có xu hướng tăng nhanh theo thời gian cần được ưu tiên kiểm tra chi tiết hơn (ví dụ: kiểm tra ngoại tuyến, kiểm tra bằng mắt thường) để xác nhận chẩn đoán và lên kế hoạch sửa chữa phù hợp.

Để tối ưu hóa hiệu quả của chương trình giám sát PD, cần chú ý đến việc lựa chọn loại cảm biến và thiết bị đo phù hợp với loại máy và môi trường vận hành, đảm bảo chất lượng lắp đặt cảm biến, thực hiện các phép đo theo quy trình chuẩn và ghi lại đầy đủ các thông tin liên quan đến điều kiện vận hành. Việc xây dựng và cập nhật cơ sở dữ liệu PD nội bộ của nhà máy hoặc sử dụng các dịch vụ phân tích từ các chuyên gia có cơ sở dữ liệu lớn có thể nâng cao đáng kể khả năng diễn giải kết quả.

Khuyến nghị:

- Các nhà máy điện được vận hành trong thời gian dài nên triển khai xem xét thực hiện lắp đặt thiết bị giám sát PD trực tuyến hoặc định kỳ, đặc biệt đối với các máy có vai trò quan trọng.

- Áp dụng kết hợp các kỹ thuật phân tích PHA, PRPD và phân tích thống kê để có cái nhìn toàn diện về hoạt động PD.

- Xây dựng và duy trì cơ sở dữ liệu PD chi tiết cho từng máy, ghi lại đầy đủ các thông tin về điều kiện vận hành khi đo.

- Theo dõi chặt chẽ xu hướng PD theo thời gian và coi đó là chỉ báo chính về sự suy giảm cách điện.

- Khi phát hiện mức PD cao hoặc có xu hướng tăng nhanh, cần thực hiện kiểm tra bổ sung để xác nhận chẩn đoán và lên kế hoạch bảo trì kịp thời.

- Tham khảo ý kiến của các chuyên gia PD hoặc các nhà cung cấp dịch vụ có kinh nghiệm và cơ sở dữ liệu lớn khi cần thiết.

Nguyễn Thanh Hải cùng nhóm tác giả