Ứng dụng các hạng mục thí nghiệm chẩn đoán chuyên sâu để đánh giá sớm tình trạng vận hành và ngăn ngừa sự cố máy biến áp ( phần 1)

TÓM TẮT

Trong các thiết bị trên lưới điện thì máy biến áp (MBA) được coi là trái tim trong hệ thống truyền tải và phân phối điện. Chính vì vậy, MBA cần phải được thí nghiệm đầy đủ trước khi đưa vào vận hành và tuân thủ chế độ kiểm tra bảo dưỡng định kỳ. Đây là bước quan trọng không thể bỏ qua, bởi nếu MBA bị sự cố hoặc hư hỏng thì toàn bộ hệ thống điện sẽ bị ảnh hưởng nghiêm trọng. MBA vận hành càng lâu năm thì xác suất xảy ra sự cố càng tăng lên, ngoài những nguyên nhân rõ ràng sẽ được phát hiện bằng các hạng mục thử nghiệm định kỳ còn có các nguyên nhân tiềm ẩn bên trong như: Cách điện bị lão hoá; các phần cơ OLTC bị mỏi, rung; mạch từ bị xê dịch do ngắn mạch nhiều lần, các cuộn dây bị chập vòng…Hầu hết các hư hỏng này với thử nghiệm bằng các hạng mục thông thường sẽ không phát hiện ra. Khi các khiếm khuyết này còn tồn tại thì khả năng xảy ra sự cố cho MBA là rất lớn.

Để giải quyết vấn đề nêu trên, bài báo tập trung đề xuất ứng dụng các hạng mục chẩn đoán chuyên sâu để đánh giá chính xác chỉ số sức khoẻ của MBA, phát hiện triệt để các nguyên nhân tiềm ẩn có khả năng gây ra sự cố MBA trong tương lai mà các hạng mục thí nghiệm thông thường không phát hiện được. Các hạng mục thử nghiệm chuyên sâu được nêu ra bao gồm: Phân tích đáp ứng điện môi (DFR); Thử nghiệm Bushing (hot collar); Phân tích đáp ứng tần số (SFRA); Phân tích đáp ứng tổn hao điện kháng tản theo tần số (FRSL); Phân tích điện trở động bộ OLTC (DRM). Trong giới hạn của bài báo này chỉ tập trung phân tích 2 hạng mục chính là SFRA và DFR.

Từ khoá: Chẩn đoán chuyên sâu máy biến áp; Phân tích tần số quét điện môi;Phân tích đáp ứng tần số, Phân tích đáp ứng tổn hao điện kháng tản, Phân tích điện trở động OLTC.

ABSTRACT

Among the equipment on the grid, the transformer is considered the heart of the power transmission and distribution system. Therefore, transformers need to be fully tested before being put into operation and be complied with the periodic inspection and maintenance regime. This is an important step not to be missed, because if the transformer fails, the entire electrical system will be severely affected. The older the transformer is in service, the higher the probability of failure, Apart from to obvious causes that will be discovered by routine testing items, there are such potential internal causes as: Insulation is aging; The OLTC muscle parts are fatigued and vibrated; The magnetic circuit is displaced due to short circuit for several times, The coils are shorted… Most of these failures with common testing items will not be detected. As long as these defects are present, the probability of a failure of the transformer is very high.

To solve the mentioned-above problem, the article focuses on proposing the application of advanced diagnostic items to accurately assess the health index of transformers, thoroughly detect potential causes of transformer failure in the future that cannot be detected by common testing items. Advanced diagnostic testing items include: Dielectric Frequency Response (DFR); Bushing (hot collar); Sweep Frequency Response Analysis (SFRA); Frequency Response of Stray Losses (FRSL); Dynamic Resistance Measurement (DRM). Within the limitations of this paper, we only focus on analyzing two main categories, that are SFRA and DFR.

Keywords: Advanced diagnostic testing items; Dielectric Frequency Response; Sweep Frequency Response Analysis; Frequency Response of Stray Losses; Dynamic Resistance Measurement .

CHỮ VIẾT TẮT

1. GIỚI THIỆU

Máy biến áp lực (MBA) là một trong những phần tử của hệ thống truyền tải và phân phối điện. MBA được sử dụng để nâng và giảm điện áp nhằm mục đích chính giảm tổn thất điện năng và chi phí truyền tải. Với nhiệm vụ đó, số lượng MBA trên lưới điện là rất lớn và gần như là thành phần quan trọng nhất của hệ thống điện. Việc một trong các MBA bị sự cố cũng làm gián đoạn cấp điện cho một vùng phụ tải rộng lớn và gây thiệt hại nặng nề về kinh tế, giảm độ tin cậy cung cấp điện. Tình trạng đáp ứng vận hành an toàn của MBA vì thế quyết định đến khả năng vận hành tin cậy của toàn bộ hệ thống điện.

Trước đây, việc chẩn đoán các bất thường của MBA thường được các Công ty Điện lực ở Việt Nam thực hiện định kỳ 3 năm/1 lần với các hạng mục thử nghiệm thông thường (Routine tests), tần suất thực hiện được áp dụng chung cho tất cả các MBA kể cả MBA vận hành lâu năm hay MBA mới. Việc thí nghiệm với tần suất như vậy vẫn còn nhiều hạn chế vì đôi khi các hạng mục thử nghiệm thông thường không phát hiện được các khiếm khuyết tiềm ẩn bên trong MBA. Hiện nay, với sự tiên tiến nhiều về kỹ thuật, các nhà sản xuất thiết bị đo lường phục vụ chẩn đoán trên thế giới đã giới thiệu các thiết bị sử dụng công nghệ mới, các tiêu chuẩn quốc tế liên quan cũng đã được cập nhật và hiệu chỉnh để nâng cao chất lượng chẩn đoán chuyên sâu nhiều loại sự cố phổ biến trong MBA.

Việc áp dụng các phương pháp chẩn đoán chuyên sâu đặc biệt quan trọng đối với các MBA đã vận hành lâu năm có cách điện bị lão hoá; các cơ cấu cơ khí của bộ OLTC đã bị mỏi, rung; số lần MBA chịu dòng ngắn mạch ngoài lớn làm mạch từ, cuộn dây bị xê dịch… Với các khiếm khuyết này, các hạng mục thử nghiệm thông thường có thể sẽ không phát hiện được, qua đó tiềm ẩn nguy cơ sự cố MBA là rất lớn. Các kỹ thuật chẩn đoán chuyên sâu MBA bao gồm: Phân tích đáp ứng điện môi (DFR); Thử nghiệm Bushing (hot collar); Phân tích đáp ứng tần số (SFRA); Phân tích đáp ứng tổn hao điện kháng tản theo tần số (FRSL); Phân tích điện trở động bộ OLTC (DRM). Trong giới hạn của bài báo này chỉ tập trung vào 2 hạng mục đó là SFRA và DFR.

2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Bài báo sử dụng cơ sở lý thuyết được tổng hợp các tiêu chuẩn quốc tế IEC, IEEE, CICRE và các kiến thức nghiên cứu, kinh nghiệm thực tế sau khi chẩn đoán và đánh giá nhiều MBA tại hiện trường bằng các kỹ thuật chẩn đoán chuyên sâu. Mục tiêu của bài báo là giúp người đọc có cái nhìn tổng quan về các hạng mục thử nghiệm chẩn đoán chuyên sâu bao gồm: Phân tích đáp ứng tần số (SFRA) và Phân tích đáp ứng điện môi (DFR), qua đó có thể bổ sung thêm một số kiến thức cơ bản và kinh nghiệm cho các kỹ thuật viên mới tiếp cận về phương pháp chẩn đoán này.

3. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
   1. Tổng quan

Cấu trúc máy biến áp lực gồm có hai thành phần chính. Phần quan trọng nhất, còn gọi là phần tích cực của MBA, bao gồm các cuộn dây được quấn quanh lõi thép có chức năng truyền công suất giữa các cuộn dây nhờ vào định luật cảm ứng điện từ. Phần còn lại của MBA là các phần tử như: Bộ điều áp (OLTC); Hệ thống giấy, dầu cách điện; Hệ thống làm mát (bộ tản nhiệt, quạt mát, bơm dầu…) và các Rơle nội bộ MBA.

Một số sự cố thường xảy ra đối với MBA bao gồm: Ngắn mạch các cuộn dây; lỗi các mối nối tiếp xúc; hỏng cách điện; hỏng sứ đầu vào, OLTC; hỏng các bộ phận phụ trợ…Ngoài các nguyên nhân rõ ràng trên còn các nguyên nhân tiềm ẩn mà hạng mục thí nghiệm thông thường khó phát hiện được như: Lõi thép bị xê dịch nhẹ, gông từ ép không chặt, các lá thép bị chập hoặc chạm đất; hệ thống cách điện rắn (giấy) bị suy giảm do nhiễm ẩm, lão hoá; cuộn dây bị xô lệch nhẹ do ngắn mạch hoặc vận chuyển, chập vòng, chập sợi; bộ OLTC bị rung, tiếp xúc kém khi chuyển nấc… Các khiếm khuyết này chưa gây ra sự cố ngay cho MBA, tuy nhiên nó tiềm ẩn nguy cơ sự cố bất cứ lúc nào. Việc chẩn đoán chuyên sâu để xác định triệt để các nguyên nhân sâu xa này như một biện pháp ngăn ngừa sự cố từ sớm, không để MBA xảy ra sự cố. Đi kèm với phương pháp chẩn đoán này là hệ thống cơ sở lý thuyết chuyên sâu và các thiết bị chuyên dụng, yêu cầu người thực hiện phải có đầy đủ kiến thức chuyên môn và kinh nghiệm hiện trường để thực hiện, phân tích và đánh giá kết quả đo được.

1. 2. Phân tích đáp ứng tần số (SFRA)
      1. Giới thiệu phép đo

SFRA là một công cụ cho phép đưa ra những cảnh báo về tình trạng hiện thời của các cuộn dây và mạch từ ở bên trong MBA. Phương pháp này sẽ ghi lại đáp ứng tần số của các thành phần thụ động (RLC) cấu tạo nên MBA. MBA được lý tưởng hóa là cấu tạo từ các thành phần cơ bản nhất bao gồm điện trở (R), điện cảm (L) và điện dung (C). Các thành phần này được bố trí trong không gian tạo nên mạng thông số rải RLC nên giữa chúng sẽ có một mối quan hệ nào đó thể hiện cấu trúc hình học của cuộn dây và lõi từ MBA. Các phần tử R, L, C này là điện trở của cuộn dây; điện cảm của cuộn dây; điện dung các lớp cách điện giữa các bối dây, giữa cuộn dây với nhau, giữa cuộn dây và lõi thép, giữa lõi thép và vỏ thùng…Có thể sử dụng một mạch đẳng trị được đơn giản hoá.

Bất cứ hư hỏng nào về mặt vật lý đối với MBA đều dẫn đến thay đổi mạng lưới RLC này. Mục tiêu chính của phương pháp SFRA là xác định tổng trở của một mẫu thử nghiệm phản ứng như thế nào khi đặt một điện áp có biên độ thấp và tần số thay đổi trong một phạm vi nhất định. Cấp vào một đầu cực MBA với điện áp U hình sin trị hiệu dụng thấp (~10V), nhưng biến thiên trong một vùng tần số (f) rộng (f = 20Hz - 2MHz), ký hiệu Vin. Đo điện áp ở một đầu cực khác, ký hiệu Vout. Tính tỉ số giữa chúng:

 (dB)

 (độ)

(Còn tiếp)