Phân tích các Phương pháp Chẩn đoán cho Lỗi Đặt Mass ở Máy biến áp Phân phối 35 kV

Biến áp phân phối 35 kV: Phân tích và phương pháp chẩn đoán lỗi nối đất lõi

Biến áp phân phối 35 kV là thiết bị quan trọng phổ biến trong hệ thống điện, đảm nhiệm nhiệm vụ truyền tải năng lượng điện quan trọng. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động lâu dài, lỗi nối đất lõi đã trở thành vấn đề lớn ảnh hưởng đến sự vận hành ổn định của biến áp. Lỗi nối đất lõi không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất năng lượng của biến áp và tăng chi phí bảo dưỡng hệ thống, mà còn có thể gây ra các sự cố điện nghiêm trọng hơn.

Khi thiết bị điện già đi, tần suất xảy ra lỗi nối đất lõi dần tăng lên, đòi hỏi phải tăng cường chẩn đoán và xử lý lỗi trong quá trình vận hành và bảo dưỡng thiết bị điện. Mặc dù hiện nay có một số phương pháp chẩn đoán, nhưng vẫn còn những rào cản kỹ thuật như hiệu quả phát hiện thấp và khó xác định vị trí lỗi. Có nhu cầu cấp bách cần tìm hiểu và áp dụng các công nghệ chẩn đoán lỗi chính xác, nhạy bén hơn để cải thiện độ tin cậy vận hành của thiết bị và đảm bảo sự ổn định và an toàn của hệ thống điện.

1 Phân tích nguyên nhân và đặc điểm của lỗi nối đất lõi trong biến áp phân phối 35 kV

1.1 Nguyên nhân phổ biến của lỗi nối đất lõi

Trong biến áp phân phối 35 kV, vật liệu cách điện thường được sử dụng giữa các lá thép lõi để cách ly. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động lâu dài, trường điện bên trong và nhiệt độ làm cho vật liệu cách điện dần lão hóa, đặc biệt trong môi trường điện áp cao và nhiệt độ cao, nơi mà khả năng cách điện suy giảm nhanh chóng. Khi lão hóa tiến triển, điện trở cách điện giảm và sự hỏng hóc cách điện ở một số khu vực có thể tạo thành lỗi nối đất nhiều điểm.

Biến áp không thể tránh khỏi trải qua rung động cơ học trong quá trình hoạt động kéo dài. Đặc biệt, dưới điều kiện dao động tải lớn, rung động có thể gây ra sự dịch chuyển tương đối giữa lõi và các bộ phận kẹp lõi. Các bộ phận kẹp lõi lỏng lẻo hoặc vật liệu cách ly bị hỏng có thể gây ra lỗi nối đất. Các khuyết tật trong quá trình sản xuất lõi biến áp cũng là nguyên nhân quan trọng của lỗi nối đất lõi. Trong quá trình sản xuất, nếu tấm thép silic có gai, lớp phủ cách điện không đều hoặc độ chính xác gia công lõi không đủ, có thể xảy ra hỏng hóc cách điện cục bộ. Những khuyết tật này thường tập trung ở phần nối đất của biến áp. Khi phân bố trường điện trong lõi không đồng đều, có thể xảy ra phóng điện cục bộ.

1.2 Đặc trưng điện và nguy cơ của lỗi

Đặc trưng điện trực tiếp nhất của lỗi nối đất lõi là dòng điện nối đất tăng. Sau khi xảy ra lỗi nối đất, dòng điện nối đất thường xuất hiện với dao động có thành phần hài, đặc biệt là trong vùng tần số cao trên 50 Hz. Khi xảy ra lỗi, dạng sóng của dòng điện nối đất thường không phải là hình sin, với biên độ của thành phần hài lớn hơn.

Một đặc trưng điển hình khác của lỗi nối đất lõi là phóng điện cục bộ. Sau khi vật liệu cách điện hỏng, trường điện tập trung ở khu vực bị hỏng, gây ra hiện tượng phóng điện corona và phóng điện cục bộ. Phóng điện cục bộ thường tạo ra xung dòng điện tần số cao với dải tần số thường từ 3-30 MHz. Dòng tín hiệu trong dải tần số này có thể được thu thập và phân tích bằng cách sử dụng biến áp dòng tần số cao chuyên dụng (HFCT).

Một đặc trưng điện khác do lỗi nối đất lõi gây ra là hiệu ứng tăng nhiệt. Do tổn thất dòng xoáy tại điểm lỗi, nhiệt độ cục bộ tăng lên. Hiệu ứng tăng nhiệt này không chỉ gây hư hại trực tiếp cho vật liệu cách điện mà còn có thể gây quá nhiệt ở một số khu vực của lõi.

1.3 Tác động của lỗi đến việc vận hành biến áp

Lỗi nối đất lõi dẫn đến tăng dòng điện nối đất, từ đó gây ra tổn thất bổ sung trong lõi biến áp. Tổn thất lõi chủ yếu bao gồm tổn thất dòng xoáy và tổn thất hysteresis. Khi xảy ra lỗi nối đất, phân bố flux từ không đồng đều bên trong biến áp làm tăng đáng kể tổn thất dòng xoáy ở một số khu vực. Điều này không chỉ làm giảm hiệu suất năng lượng của biến áp mà còn có thể làm tăng đáng kể chi phí vận hành. Tổn thất lõi tăng làm tăng nhiệt độ biến áp, ảnh hưởng thêm đến việc vận hành ổn định lâu dài.

Phóng điện cục bộ và hiệu ứng tăng nhiệt do lỗi nối đất lõi làm tăng tốc độ lão hóa của vật liệu cách điện bên trong biến áp. Trong quá trình lão hóa, điện trở của các lớp cách điện dần giảm và khả năng cách điện điện dần mất đi. Khi cách điện hoàn toàn hỏng, có thể gây ra ngắn mạch cục bộ hoặc tai nạn ngắn mạch hoàn toàn nghiêm trọng hơn.

Lỗi nối đất lõi không chỉ dẫn đến giảm hiệu suất điện mà còn ảnh hưởng đến thành phần hóa học của dầu biến áp. Khi lõi nối đất, phóng điện cục bộ và quá nhiệt làm tăng nhiệt độ dầu bên trong, dẫn đến thay đổi thành phần khí tan trong dầu, đặc biệt là sự tăng bất thường về hàm lượng metan (CH4) và etylen (C2H4).

2 Phương pháp chẩn đoán và so sánh kỹ thuật cho lỗi nối đất lõi

2.1 Phương pháp chẩn đoán truyền thống

Phương pháp điện trở DC là một trong những phương pháp chẩn đoán truyền thống cho lỗi nối đất lõi, chủ yếu đánh giá sự tồn tại của lỗi bằng cách đo điện trở cách điện giữa lõi và đất. Phương pháp này áp dụng điện áp DC và đo tỷ lệ dòng điện và điện áp để tính toán điện trở cách điện. Lý tưởng nhất, điện trở cách điện của lõi nên giữ ở mức cao; nếu điện trở giảm xuống dưới một ngưỡng nhất định, có thể cho thấy lỗi nối đất.

Tuy nhiên, phương pháp điện trở DC không thể xác định chính xác vị trí điểm lỗi. Kết quả đo chỉ phản ánh hiệu suất cách điện trung bình của toàn bộ lõi và không thể xác định khu vực lỗi cụ thể. Phương pháp này cũng có độ trễ nhất định, đặc biệt là khi lão hóa cách điện chưa gây ra sự thay đổi đáng kể về điện trở, khiến việc phát hiện lỗi sớm trở nên không hiệu quả. Ngoài ra, phương pháp điện trở DC không cung cấp thông tin về loại lỗi, và các đặc trưng lỗi chi tiết không thể được trích xuất hiệu quả từ dữ liệu đo.

Phân tích sắc ký dầu phát hiện sự thay đổi thành phần khí hòa tan trong dầu biến áp để suy đoán loại lỗi. Các khí hòa tan này thường được tạo ra khi xảy ra phóng điện, quá nhiệt hoặc các sự cố điện khác bên trong biến áp. Các thành phần khí phổ biến trong dầu biến áp bao gồm metan (CH4), etylen (C2H4), etan (C2H6), v.v. Sự thay đổi nồng độ khí có thể phản ánh tình trạng hoạt động của biến áp. 

Bằng cách so sánh nồng độ khí hòa tan trong dầu với loại lỗi, có thể xác định sơ bộ xem có xảy ra lỗi tiếp đất lõi trong biến áp hay không. Phân tích sắc ký dầu có phản ứng tương đối chậm; sau khi xảy ra lỗi, cần thời gian để khí hòa tan tích tụ, hạn chế tính kịp thời của chẩn đoán lỗi. Hơn nữa, phân tích sắc ký dầu không thể cung cấp vị trí lỗi chính xác hoặc đặc trưng cụ thể, chỉ chỉ ra lỗi thông qua sự thay đổi nồng độ khí. Đối với các lỗi nhỏ hoặc gián đoạn, chẩn đoán bằng phân tích sắc ký dầu có thể bị chậm và không thể phản ứng kịp thời khi lỗi xảy ra.

2.2 Công nghệ Phát hiện Hiện đại

Công nghệ phát hiện phóng điện cục bộ dựa trên nguyên lý của biến áp dòng cao tần (HFCT), thu thập và phân tích tín hiệu xung phóng điện do lỗi tiếp đất lõi để chẩn đoán lỗi. Khi xảy ra lỗi tiếp đất lõi, phóng điện cục bộ tạo ra xung dòng cao tần tại các điểm hư hỏng cách điện. Các tín hiệu dòng này thường biểu hiện dưới dạng nhiễu cao tần hoặc tín hiệu xung với dải tần số thường nằm trong khoảng 3-30 MHz. 

Bằng cách lắp đặt cảm biến dòng cao tần trên đường tiếp đất của biến áp, có thể thu thập tín hiệu phóng điện cục bộ theo thời gian thực. Công nghệ này có thể định vị chính xác các điểm lỗi cục bộ, có độ nhạy cao và có thể phát hiện lỗi ở giai đoạn đầu. Phát hiện phóng điện cục bộ có thể nhận biết hiệu quả các lỗi nhỏ do lão hóa cách điện hoặc hư hỏng cơ học, cung cấp thông tin chẩn đoán lỗi chính xác. Bằng cách phân tích tín hiệu phóng điện cục bộ, có thể đánh giá mức độ nghiêm trọng và xu hướng phát triển của lỗi, cho phép thực hiện các biện pháp bảo dưỡng hoặc phòng ngừa tương ứng.

Công nghệ chụp ảnh nhiệt hồng ngoại phát hiện các khu vực tăng nhiệt cục bộ trong lõi bằng cách sử dụng máy ảnh nhiệt hồng ngoại để xác định xem có lỗi tiếp đất hay không. Sau khi xảy ra lỗi tiếp đất trong biến áp, tổn thất cuộn xoắn ở các khu vực cục bộ gây ra tăng nhiệt, đặc biệt là sự tăng nhiệt đáng kể xung quanh các điểm lỗi. Công nghệ chụp ảnh nhiệt hồng ngoại có thể thu được phân bố nhiệt theo thời gian thực trên bề mặt lõi và xác định sự tồn tại của lỗi thông qua sự khác biệt về nhiệt độ. Thường thì khi sự khác biệt về nhiệt độ vượt quá 10°C, cần tập trung điều tra khu vực đó. Ưu điểm của công nghệ này là khả năng phát hiện sự thay đổi nhiệt độ mà không cần tiếp xúc, tốc độ đo nhanh, phù hợp cho việc kiểm tra nhanh chóng tại hiện trường.

Phương pháp phát hiện dòng cao tần sử dụng cuộn Rogowski để đo sự thay đổi dòng cao tần trong đường tiếp đất, thường trong dải tần số từ 500 kHz đến 2 MHz. Các dòng cao tần này được tạo ra bởi quá trình phóng điện do lỗi tiếp đất lõi. Bằng cách phát hiện tín hiệu dòng trong dải tần số này, có thể xác định hiệu quả sự tồn tại của lỗi. So với công nghệ phát hiện phóng điện cục bộ, phát hiện dòng cao tần có độ nhạy cao hơn và có thể bắt được các tín hiệu lỗi cực kỳ yếu. Việc sử dụng cuộn Rogowski cho việc đo không tiếp xúc không chỉ đơn giản hóa việc lắp đặt mà còn cải thiện độ chính xác của việc đo. Công nghệ này đặc biệt phù hợp cho các khu vực khó tiếp cận trực tiếp và có thể thực hiện kiểm tra trực tuyến mà không làm hỏng thiết bị.

3 Tối ưu Quá trình Chẩn đoán Lỗi và Phân Tích Trường Hợp

3.1 Đề Xuất cho Quá trình Chẩn đoán Tối ưu

Khi chẩn đoán lỗi tiếp đất lõi, bước đầu tiên nên là sàng lọc sơ bộ bằng công nghệ chụp ảnh nhiệt hồng ngoại. Máy ảnh nhiệt hồng ngoại có thể nhanh chóng thu được bản đồ phân bố nhiệt của bề mặt biến áp, giúp nhân viên chẩn đoán xác định các khu vực có thể tăng nhiệt bất thường. Sau khi sàng lọc sơ bộ xác định các khu vực lỗi tiềm năng, bước tiếp theo nên kết hợp công nghệ phát hiện dòng cao tần và phát hiện phóng điện cục bộ để kiểm tra chính xác.

Phương pháp phát hiện dòng cao tần sử dụng cuộn Rogowski để thu thập sự thay đổi dòng tiếp đất trong dải tần số 500 kHz đến 2 MHz, xác định hiệu quả các khu vực lỗi tiếp đất lõi. Công nghệ phát hiện phóng điện cục bộ giám sát tín hiệu xung phóng điện theo thời gian thực bằng cảm biến HFCT, phân tích tần số và cường độ phóng điện để xác định chính xác vị trí điểm lỗi.

Sau khi thực hiện phát hiện dòng cao tần và phóng điện cục bộ, bước cuối cùng là xác minh và phân tích mức độ nghiêm trọng của lỗi thông qua phân tích sắc ký dầu. Bằng cách phát hiện các khí hòa tan trong dầu biến áp, đặc biệt là sự thay đổi nồng độ của metan (CH4), etylen (C2H4) và các khí khác, có thể xác nhận thêm bản chất của lỗi. Đối với các lỗi tiếp đất lõi nghiêm trọng, sắc ký dầu sẽ cho thấy các thành phần khí tăng bất thường. Kết hợp dữ liệu sắc ký dầu với các kết quả phát hiện khác có thể đánh giá toàn diện tác động của lỗi và cung cấp cơ sở cho công việc sửa chữa sau đó.

3.2 Phân Tích Trường Hợp Điển Hình

Trong quá trình vận hành tại một trạm biến áp, nhân viên bảo trì đã nhận thấy dòng tiếp đất trong biến áp phân phối 35 kV tăng đáng kể, vượt xa giá trị bình thường. Dữ liệu giám sát cho thấy dòng tiếp đất đạt 5 A, trong khi trong điều kiện bình thường, dòng tiếp đất nên nhỏ hơn 100 mA. Thách thức là mặc dù dòng tiếp đất tăng bất thường, nhưng không có dấu hiệu lỗi vật lý rõ ràng bên ngoài. Các phương pháp chẩn đoán điện truyền thống như kiểm tra điện trở DC và phân tích sắc ký dầu không cung cấp thông tin vị trí lỗi rõ ràng.

Để giải quyết vấn đề lỗi nối đất lõi biến áp, nhân viên bảo trì đã sử dụng một số công nghệ chẩn đoán hiện đại. Đầu tiên, họ sử dụng máy ảnh nhiệt hồng ngoại FLIR T640 để sàng lọc sơ bộ, nhanh chóng xác định các khu vực tăng nhiệt trong lõi và các thành phần liên quan. Sau đó, họ sử dụng cảm biến dòng điện cao tần PD-Tech HFCT để theo dõi dòng điện nối đất. Cuối cùng, họ sử dụng thiết bị phát hiện phóng điện cục bộ PD-Tech để kiểm tra và phân tích tín hiệu phóng điện, xác định điểm lỗi. Kết quả kiểm tra được thể hiện trong Bảng 1.

Bảng 1. Kết quả phát hiện vấn đề lỗi biến áp

Dựa trên kết quả phát hiện của máy ảnh nhiệt hồng ngoại, sự chênh lệch nhiệt độ gần các bộ phận kẹp lõi đạt 12°C, vượt quá phạm vi bình thường, xác nhận sơ bộ khả năng quá nhiệt trong khu vực này. Phát hiện theo thời gian thực bằng cảm biến dòng điện tần số cao cho thấy dòng điện tiếp đất là 5 A, vượt xa giá trị bình thường là 100 mA, cho thấy đã có sự cố phát triển bên trong biến áp. Việc phát hiện xả cục bộ tiếp theo cho thấy dao động mạnh của tín hiệu dòng điện tần số cao trong dải tần từ 4,5-18 MHz, với cường độ xả tăng dần, cho thấy điểm sự cố nằm ở bộ phận kẹp lõi và sự cố đang trở nên tồi tệ hơn.

Điểm sự cố cuối cùng được xác nhận là tại đệm cách điện của bộ phận kẹp lõi. Vật liệu cách điện đã bị lão hóa do hoạt động lâu dài, gây ra hư hỏng cách điện nhỏ dẫn đến sự cố tiếp đất. Các biện pháp xử lý sự cố bao gồm thay thế đệm cách điện, và các thử nghiệm sau đó xác nhận rằng dòng điện tiếp đất đã trở lại bình thường, loại bỏ sự cố và khôi phục hoạt động ổn định của thiết bị.

Trường hợp này chứng minh rằng sự kết hợp giữa công nghệ hình ảnh nhiệt hồng ngoại, công nghệ phát hiện xả cục bộ và công nghệ phát hiện dòng điện tần số cao có thể cải thiện hiệu quả và độ chính xác trong việc chẩn đoán sự cố tiếp đất lõi. Trong quá trình vận hành và bảo dưỡng thực tế, nhân viên nên sử dụng định kỳ các công nghệ này để chẩn đoán đồng thời nhằm đảm bảo hoạt động an toàn và ổn định của biến áp.

4 Kết luận

Trong việc chẩn đoán sự cố tiếp đất lõi, việc áp dụng kết hợp nhiều công nghệ chẩn đoán hiện đại có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc xác định vị trí sự cố và hiệu quả chẩn đoán. Qua tác động cộng hưởng của công nghệ phát hiện dòng điện tần số cao, phân tích xả cục bộ và công nghệ hình ảnh nhiệt hồng ngoại, rủi ro tiềm ẩn của thiết bị có thể được phát hiện ở giai đoạn sớm, và nguồn gốc sự cố có thể được xác định chính xác, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động của thiết bị và kéo dài tuổi thọ của biến áp.

Trong tương lai, với sự phát triển và ứng dụng liên tục của các công nghệ phát hiện mới, việc chẩn đoán và bảo dưỡng sự cố tiếp đất lõi sẽ trở nên hiệu quả và chính xác hơn, đảm bảo sự ổn định và an ninh của hệ thống điện.