Cách Gas Chromatography Phát hiện và Chẩn đoán Lỗi Máy biến áp 500+ kV [Nghiên cứu trường hợp]

0 Giới thiệu
Phân tích khí hòa tan (DGA) trong dầu cách điện là một bài kiểm tra quan trọng đối với các biến áp ngâm dầu lớn. Bằng cách sử dụng sắc ký khí, có thể phát hiện kịp thời sự lão hóa hoặc thay đổi của dầu cách điện bên trong thiết bị điện ngâm dầu, xác định sớm các lỗi tiềm ẩn như quá nhiệt hoặc phóng điện điện, và đánh giá chính xác mức độ nghiêm trọng, loại và xu hướng phát triển của lỗi. Sắc ký khí đã trở thành phương pháp thiết yếu để theo dõi và đảm bảo an toàn và ổn định hoạt động của thiết bị, và nó đã được đưa vào các tiêu chuẩn quốc tế và nội địa liên quan [1,2].

1 Nghiên cứu trường hợp
Biến áp chính số 1 tại Trạm biến áp Hexin là mô hình A0A/UTH-26700, với cấu hình điện áp 525/√3 / 230/√3 / 35 kV. Nó được sản xuất vào tháng 5 năm 1988 và đưa vào sử dụng vào ngày 30 tháng 6 năm 1992. Vào ngày 20 tháng 9 năm 2006, hệ thống giám sát máy tính chỉ ra "thiết bị rơle khí nhẹ hoạt động trên biến áp chính số 1." Kiểm tra sau đó bởi nhân viên vận hành cho thấy nứt và rò rỉ dầu nghiêm trọng ở cả hai đầu cắm pha B phía 35 kV, cùng với sự có mặt của khí trong rơle khí, dẫn đến yêu cầu ngừng hoạt động ngay lập tức. Trước sự cố này, các bài kiểm tra điện thông thường và theo dõi dầu cách điện không phát hiện bất kỳ bất thường nào.

2 Phân tích sắc ký khí và chẩn đoán lỗi
Ngay sau khi ngừng hoạt động, mẫu dầu và khí đã được thu thập để kiểm tra sắc ký. Kết quả kiểm tra được hiển thị trong Bảng 1 và 2. Kết quả cho thấy nồng độ khí hòa tan bất thường trong cả dầu biến áp và rơle khí. Phân tích tổng hợp đã được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu sắc ký và phương pháp tiêu chí cân bằng để đánh giá nồng độ khí trong mẫu dầu và khí.

Bảng 1 Ghi chú sắc ký của dầu cách điện từ pha B của biến áp chính số 1 tại Trạm biến áp Hexin (μL/L)

Bảng 2 Ghi chú sắc ký của khí từ rơle khí của pha B của biến áp chính số 1 tại Trạm biến áp Hexin (μL/L)

Theo Tiêu chuẩn chất lượng dầu biến áp đang sử dụng, cần chú ý khi bất kỳ nồng độ khí hòa tan nào trong dầu của biến áp 500 kV vượt quá các giá trị quy định: hydrocarbon tổng: 150 μL/L; H₂: 150 μL/L; C₂H₂: 1 μL/L. Acetylene (C₂H₂) được phát hiện trong dầu biến áp với nồng độ φ(C₂H₂) là 12.13 μL/L, vượt quá ngưỡng cảnh báo hơn 12 lần. Dựa trên phương pháp phân tích vượt quá thành phần [3], đã xác định sơ bộ rằng có lỗi nội bộ trong biến áp.

Phân tích tiếp theo dựa trên khí đặc trưng cho thấy lỗi phóng điện năng lượng cao, vì φ(C₂H₂) là chỉ số quan trọng phân biệt giữa quá nhiệt và phóng điện. Sử dụng phương pháp tỷ lệ ba IEC, các tỷ lệ được tính toán là:
• φ(C₂H₂)/φ(C₂H₄) = 1.2,
• φ(CH₄)/φ(H₂) = 0.56,
• φ(C₂H₄)/φ(C₂H₆) = 6.6,
dẫn đến mã 102. Điều này đưa ra kết luận sơ bộ rằng đã xảy ra phóng điện năng lượng cao (tức là hồ quang) bên trong biến áp.

Sử dụng phương pháp tiêu chí cân bằng [4] và thành phần khí trong rơle khí, nồng độ dầu lý thuyết đã được tính toán dựa trên khả năng hòa tan khác nhau của khí trong dầu. Tỷ lệ αᵢ của nồng độ lý thuyết so với nồng độ đo đạc trong dầu đã được xác định (xem Bảng 2). Dựa trên kinh nghiệm thực tế, trong điều kiện bình thường, giá trị αᵢ của hầu hết các thành phần nằm trong khoảng 0,5–2. Tuy nhiên, trong trường hợp lỗi đột ngột, các khí đặc trưng thường có giá trị αᵢ lớn hơn nhiều so với 2. Trong trường hợp này, tất cả các thành phần khí trong rơle khí đều có giá trị αᵢ lớn hơn nhiều so với 2, cho thấy lỗi nội bộ đột ngột.

Kết quả kiểm tra điện cho thấy điện trở tiếp xúc của bộ chuyển mạch dưới tải, điện trở DC của cuộn dây, và sai số pha tối đa đều nằm trong giới hạn chấp nhận. Dòng rò giữa cuộn dây và đất, cũng như so sánh lịch sử, không có bất thường. Các thông số hao hụt điện môi và điện trở cách điện cũng bình thường. Những kết quả này loại trừ việc xâm nhập ẩm tổng thể, suy giảm cách điện lớn, hoặc lỗi cách điện rộng rãi, xác nhận rằng hệ thống cách điện chính vẫn nguyên vẹn.

Dựa trên phân tích tổng hợp các kết quả trên, đã kết luận rằng đã xảy ra lỗi hồ quang đột ngột bên trong biến áp. Nồng độ CO và CO₂ trong dầu không tăng đáng kể, mặc dù nồng độ hydrocarbon tổng đang tăng nhưng chưa vượt qua giới hạn. Điều này cho thấy khả năng tham gia cách điện rắn lớn là không cao. Tuy nhiên, do giá trị αᵢ cao của CO và hydrocarbon tổng, có nghi ngờ về lỗi phóng điện đột ngột gây hư hỏng cục bộ cách điện rắn.

3 Kiểm tra nội bộ và biện pháp khắc phục
Để xác định nguyên nhân gốc rễ, biến áp đã được xả và kiểm tra. Hai đầu cắm 35 kV và riser của pha B đã được tháo ra để kiểm tra, phát hiện dải nối đất cân bằng điện áp trên tấm ép cuối cuộn dây đã bị cháy thông. Khi nâng nắp bể, phát hiện rằng vật liệu cách điện hỗ trợ tấm ép cuộn dây yoke trên đã bị hư hỏng do áp lực cơ học kéo dài, dẫn đến tiếp đất hai điểm. Điều này tạo ra dòng điện tuần hoàn, dẫn đến hồ quang cháy thông dải nối đất. Thể tích lớn và tốc độ sinh khí cao tạo ra áp suất nội bộ đáng kể, gây nứt và rò rỉ dầu nghiêm trọng ở hai đầu cắm 35 kV gần điểm phóng điện. Kết quả kiểm tra phù hợp hoàn toàn với kết luận từ phân tích sắc ký.

Biện pháp khắc phục:
• Thay thế các thành phần cách điện bị hư hỏng;
• Thực hiện khử khí và lọc dầu cách điện;
• Trả lại biến áp vào hoạt động bình thường sau khi kiểm tra chấp nhận thành công;
• Tăng cường theo dõi vận hành, và chỉ quản lý theo định kỳ sau khi xác nhận không có vấn đề nào thông qua theo dõi và phân tích liên tục.

4 Kết luận
(1) Nghiên cứu này đã thành công áp dụng sắc ký khí để chẩn đoán lỗi hồ quang nội bộ trong pha B của biến áp chính số 1 tại Trạm biến áp Hexin, cung cấp kinh nghiệm quý giá cho vận hành và chẩn đoán lỗi của biến áp điện lớn.

(2) Khi rơle khí biến áp hoạt động, nên thu thập mẫu dầu và khí để phân tích sắc ký. Bằng cách kết hợp kết quả sắc ký, dữ liệu lịch sử, phương pháp tiêu chí cân bằng và các bài kiểm tra cách điện, có thể xác định lỗi là nội bộ hay liên quan đến các thành phần phụ trợ, và xác định bản chất, vị trí hoặc thành phần cụ thể liên quan. Điều này giúp bảo dưỡng kịp thời và đảm bảo an toàn thiết bị.

(3) Phân tích sắc ký khí hòa tan trong dầu cách điện là một trong những biện pháp hiệu quả nhất để theo dõi an toàn hoạt động của thiết bị điện ngâm dầu. DGA định kỳ cho phép phát hiện sớm và theo dõi liên tục các lỗi nội bộ và mức độ nghiêm trọng của chúng. Để đảm bảo an toàn hoạt động của biến áp lớn và duy trì nhận thức về tình trạng sức khỏe của chúng, nên thực hiện sắc ký khí theo các tiêu chuẩn ngành điện, và tăng tần suất kiểm tra khi cần thiết.