Luận văn Nghiên cứu phương pháp xác ðịnh sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp phân phối (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phương pháp xác ðịnh sự cố tiềm ẩn trong máy biến áp phân phối (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ TUYẾT NHUNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ÐỊNH SỰ CỐ TIỀM ẨN TRONG MÁY BIẾN ÁP PHÂN PHỐI NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 8 5 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ NGUYỄN THỊ TUYẾT NHUNG NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SỰ CỐ TIỀM ẨN TRONG MÁY BIẾN ÁP PHÂN PHỐI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS QUYỀN HUY ÁNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 / 2016
3. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu Máy biến áp dầu là thiết bị quan trọng được sử dụng trong tất cả hệ thống truyền tải và phân phối điện. Các sự cố và hư hỏng trong các máy biến áp dầu cĩ tác động trực tiếp đến độ ổn định của hệ thống điện, đặc biệt là các sự cố điện và nhiệt. Các sự cố này nếu khơng được sửa chữa kịp thời sẽ gây ra hư hỏng, cuối cùng dẫn đến sự cố máy biến áp và sự phá hủy trên tồn bộ hệ thống điện. Các trạng thái sự cố như phĩng hồ quang điện, phát tia lửa điện, phĩng điện cục bộ và quá nhiệt trong máy biến áp dẫn đến sự phân hủy hĩa học của các vật liệu cách điện [1], giấy cách điện trong máy biến áp tăng cường nồng độ và khoảng cách chất điện mơi cho các cuộn dây máy biến áp. Sự già hĩa của giấy cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động, độ ẩm, độ ơxy hĩa, nồng độ axit của dầu và loại giấy được sử dụng. Dầu cách điện trong máy biến áp cĩ nhiệm vụ làm mát cho máy biến áp. Dầu máy biến áp cũng bị phân hủy do các sốc điện và nhiệt. Một số chất khí xuất hiện trong quá trình sự cố máy biến áp xảy ra, đĩ là: H2, O2, N2, CO, CO2, CH4, C2H6, C2H4, C2H2, C3H6 và C3H8 [2]. Các khí này cũng hịa tan một phần hoặc tồn bộ trong dầu cách điện. Vì thế, kết quả phân tích khí hịa tan trong dầu sẽ cung cấp các thơng tin cần thiết trong việc bảo trì và sửa chữa máy biến áp. Tuy nhiên, trong khoảng thời gian trước khi sự cố xảy ra cũng sẽ cĩ các thay đổi vật lý trong dầu và cách điện của máy biến áp. Những thay đổi này cĩ thể được phân tích, để đưa ra các tín hiệu và cảnh báo sớm các loại sự cố trong máy biến áp, đồng thời đưa ra những biện pháp xử lý chính xác. Cĩ nhiều cơng trình nghiên cứu chẩn đốn sự cố máy biến áp dựa trên cơ sở phân tích khí phát sinh trong dầu cách điện như: phương pháp hệ logic mờ [3], [4], [5], [6], phương pháp mạng nơron hay phương pháp mạng thần kinh nhân tạo và trí tuệ nhân tạo [7], [8], [9], [10], [11], phương pháp hệ chuyên gia hoặc kết hợp với hệ HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 1
4. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh chuyên gia [12], [13], [14], [15]. Nhưng các phương pháp này địi hỏi phải cĩ thời gian phân tích dữ liệu, thời gian huấn luyện mạng và mới chỉ dừng lại ở việc phát hiện ra sự cố mà chưa xác định được chính xác nguyên nhân gây ra sự cố cũng như chưa đưa ra các biện pháp giảm thiểu sự cố. 1.2. Tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn 1.2.1. Tính cấp thiết Việc sử dụng mạng Neural phân tích nồng độ các khí hịa tan trong dầu (DGA) để chẩn đốn các sự cố tiềm ẩn máy biến áp, dẫn đến giảm bớt nguy cơ ngừng cấp điện do hư hỏng MBA và giảm chi phí bảo dưỡng, sửa chữa MBA. Hơn nữa, hiệu suất phịng ngừa sự cố MBA dẫn đến cắt điện cĩ thể được cải thiện rõ rệt với việc sử dụng hệ thống giám sát trực tuyến (SCADA) để liên tục kiểm tra trạng thái của máy biến áp và đề xuất kịp thời các biện pháp khắc phục. 1.2.2. Ý nghĩa khoa học Đề xuất mạng Neural chẩn đốn sự cố tiềm ẩn MBA bằng phương pháp phân tích nồng độ khí. 1.2.3. Tính thực tiễn Kết quả nghiên cứu của luận văn được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các cơng ty điện lực, các học viên cao học ngành kỹ thuật điện quan tâm đến việc xây dựng hệ thống chẩn đốn sự cố tiềm ẩn MBA bằng phương pháp phân tích nồng độ khí. 1.3. Mục đích và đối tượng nghiên cứu 1.3.1. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Các dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA. - Các loại khí và nồng độ khí phát sinh khi xuất hiện sự cố tiềm ẩn trong MBA. HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 2
5. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh - Phương pháp chẩn đốn sự cố tiềm ẩn MBA bằng phương pháp phân tích nồng độ khí trong dầu MBA. - Tổng quan về mạng Neural, lựa chọn cấu hình, giải thuật huấn luyện, số Neural lớp ẩn. - Neural toolbox của phần mềm Matlab - Ứng dụng mạng Neural chẩn đốn sự cố tiềm ẩn MBA. 1.3.2. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là chẩn đốn sự cố tiềm ẩn MBA bằng phương pháp phân tích nồng độ khí trong dầu MBA 1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 1.4.1. Nhiệm vụ đề tài - Xây dựng mạng Neural chẩn đốn sự cố tiềm ẩn MBA bằng phương pháp phân tích nồng độ khí trong dầu MBA 1.4.2. Giới hạn đề tài - Nghiên cứu phương pháp phân tích nồng độ khí trong dầu MBA để đánh giá sự cố tiềm ẩn sự cố trong MBA. 1.4 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích nồng độ khí - Mạng Neural nhận dạng sự cố tiềm ẩn trong MBA. 1.5 Kế hoạch thực hiện Kế hoạch thực hiện bao gồm 5 chương: - Chương 1: Tồng quan - Chương 2: Cơ sở lý thuyết - Chương 3: Mạng Neural HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 3
6. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh - Chương 4: Nhận dạng sự cố tiềm ẩn MBA bằng mạng Neural - Chương 5: Kết luận và hướng nghiên cứu phát triển HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 4
7. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Giấy cách điện và dầu máy biến áp Giấy cách điện trong máy biến áp cĩ nhiệm vụ cố định dây quấn và cách điện giữa các cuộn dây. Nĩ cũng cĩ nhiệm vụ tăng cường chất điện mơi. Tuổi thọ của giấy cách điện phụ thuộc vào nhiệt độ hoạt động, độ ẩm, mức oxy hĩa, tính axít của dầu cách điện và loại giấy cách điện, cĩ ba loại phân hủy chính của giấy cách điện [16]. Thứ nhất là phân hủy bởi nhiệt, nĩ phá hủy mối liên kết vịng của các phân tử glucosidic. Thứ hai phân hủy do thủy phân xenlulo, bao gồm sự phân hủy các phân tử glucosidic bởi nước và axít. Cuối cùng là phân hủy do sự oxy hĩa, xảy ra sự oxy hĩa giữa các phân tử hydrocarbon để tạo thành các phân tử carbonyl làm giảm sự liên kết các phân tử glucosidic. Tuy nhiên, sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy giấy cách điện luơn là carbon dioxide (CO2), carbon monoxide (CO), nước, các axít hữu cơ và glucose. Dầu máy biến áp thu được nhờ sự chưng cất và tinh lọc của dầu mỏ, nĩ giúp làm mát máy biến áp trong quá trình vận hành. Đồng thời nĩ cũng cĩ nhiệm vụ liên kết với giấy để cách điện cho dây quấn và các vật liệu rắn khác. Trong chế độ làm việc dài hạn, nhiệt độ dầu cĩ thể tăng cao làm cho dầu bị oxy hĩa và kết tủa. Sự già hĩa của dầu cách điện tăng nhanh nếu độ ẩm trong dầu tăng. Bên cạnh đĩ, nhiệt độ và sự phĩng điện cũng làm giảm chất lượng dầu. Khi bị phân hủy, dầu biến áp xuất hiện các nguyên tử hydro và các ion hydrocarbon. Các nguyên tử và các ion này kết hợp với nhau tạo thành các khí như methane (CH4), ethane (C2H6), ethylen (C2H4), acetylen (C2H2) và hydro (H2). Các khí trên biểu thị cho những trạng thái sự cố khác nhau trong máy biến áp. Chẳng hạn khi xuất hiện lượng lớn khí acetylen (C2H2) thì tương ứng với trạng thái cĩ sự phĩng điện hoặc hồ quang ở nhiệt độ cao hơn 7000C, với mức cao của khí hydro (H2) biểu thị cho sự phĩng điện cục bộ trong máy biến áp. Do đĩ, phân tích nồng độ khí phát sinh trong máy biến áp cĩ thể phát hiện sớm HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 5
8. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh và nhanh chĩng các sự cố máy biến áp để xử lý kịp thời tránh hư hỏng nặng hơn ảnh hưởng đến tồn hệ thống [17]. 2.2. Sự cố máy biến áp và các khí được phát sinh Trong quá trình hoạt động máy biến áp luơn luơn chịu đựng cả hai tác động nhiệt và điện. Vì thế, cũng cĩ hai cách phân loại sự cố chủ yếu của máy biến áp. Tuy nhiên, cĩ hai sự cố cĩ thể được phân loại trong năm sự cố khác nhau, 2 sự cố về nhiệt và 3 sự cố về điện. Năm loại sự cố này phần lớn đều giống nhau, nhưng độ bền điện và nhiệt khác nhau. Hồ quang điện là nguy hiểm nhất trong ba loại sự cố điện, đây là việc phát sinh ra hiện tượng tia lửa điện và sau đĩ phĩng điện cục bộ hoặc hiện tượng vầng quang. Các sự cố điện cĩ thể xuất hiện giữa tiếp xúc trong các cuộn dây của máy biến áp. Tiếp theo, sự cố về nhiệt cĩ thể được phân loại trong quá nhiệt cục bộ và quá nhiệt nghiêm trọng, như là hai biểu hiện giới hạn độ lớn khác nhau về nhiệt trong máy biến áp. Dầu trong máy biến áp bị phân hủy bởi điện và nhiệt tạo thành các khí. Sự hình thành các khí này nguyên nhân chủ yếu là do sự ion hĩa phá vỡ cấu trúc phân tử của dầu mỏ. Cơ bản là sự phá vỡ mối liên kết của carbon - hydrogen và carbon - carbon, các nguyên tử hydrogen tự do và ion hydrocarbon được tạo ra. Nguyên tử tự do này cĩ thể được kết hợp với các ion khác để tạo ra các khí, đĩ là phân tử hydrogen (H2), methane (CH4) và ethane (C2H6). Nguyên tử tự do này cũng cĩ thể kết hợp lại để tạo thành các phân tử cơ đặc hơn. Hơn nữa sự phân hủy và quá trình sắp xếp lại để tạo thành các sản phẩm khí như là ethylene (C2H4) và acetylene (C2H2). Quá trình này phụ thuộc vào sự cĩ mặt của hydrocarbon riêng lẻ, sự phân bố năng lượng và nhiệt độ trong chu trình sự cố, thời gian mà dầu máy biến áp bị tác động bởi điện và nhiệt. Mơ hình nhiệt động học cho phép tính tốn áp suất cục bộ của các sản phẩm khí như là hàm quan hệ nhiệt độ, sử dụng hằng số cân bằng đã biết cho phản ứng phân hủy thích hợp. Ví dụ, lượng hydrogen (H2) và methane (CH4) được hình thành 0 cĩ quan hệ với nhiệt độ khoảng 150 C, tại 250°C, ethane (C2H6) sẽ phát sinh, cịn HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 6
9. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh khi nhiệt độ khoảng 350°C, sẽ tạo ra ethylene (C2H4). Acetylene (C2H2) xuất hiện giữa 500°C và 700°C. Tuy nhiên, những khám phá gần đây đưa đến kết luận rằng một sự cố nhiệt (hot spot) ở 500°C cĩ thể tạo ra số lượng ít CH4, cịn với số lượng lớn acetylene chỉ cĩ thể được tạo ra ở nhiệt độ trên 700°C trong hồ quang điện. Chú ý rằng giữa nhiệt độ 200°C và 300°C, lượng methane sinh ra sẽ lớn hơn hydrogen. Bắt đầu khoảng 275°C và nhiệt độ lớn hơn, lượng khí ethane sẽ vượt quá lượng khí methane. Tại nhiệt độ khoảng 450°C, lượng khí hydrogen sinh ra sẽ vượt quá các khí khác cho đến khoảng 750°C tới 800°C, sau đĩ lượng lớn acetylene được tạo ra. Cần chú ý rằng một lượng nhỏ các khí H2, CH4, và CO cũng được phát sinh bởi sự già hĩa bình thường. Nhiệt độ làm phân hủy giấy cách điện, và phát sinh các khí CO, CO2, H2, CH4, và O2. Sự phân hủy của giấy cách điện bắt đầu chỉ khoảng 100°C hoặc nhỏ hơn. Vì thế, nhiệt độ hoạt động của máy biến áp bắt buộc khơng được lớn hơn 90°C. Tuy nhiên, acetylene (C2H2) được phát sinh khi nhiệt độ đạt 0 gần 1000 C, sự hình thành các khí như methane (CH4), ethylene (C2H4) và ethane (C2H6) cũng phụ thuộc duy nhất vào nhiệt độ [7]. Sự phân hủy của dầu cách điện tại nhiệt độ 1500C tới 5000C cĩ sự phát sinh các khí cĩ trọng lượng phân tử thấp, như là hydrogen (H2) và methane (CH4). Đồng thời nĩ cũng kéo theo việc hình thành các khí trọng lượng phân tử cao như ethylene (C2H4) và ethane (C2H6). Hydrogen (H2) phát sinh ở nhiệt độ thấp nhất (quá nhiệt cục bộ). Tuy nhiên, kèm theo là số lượng quan trọng các phân tử khí trọng lượng cao, đầu tiên từ ethane đến ethylene. Tại nhiệt độ vượt quá giới hạn (quá nhiệt nghiêm trọng), số lượng hydrogen và ethylene gia tăng và kéo theo acetylene được phát sinh. Khi phĩng điện cường độ thấp, hydrogen, methane và số lượng nhỏ acetylene được phát sinh. Cịn khi phĩng điện với cường độ mạnh dẫn tới hồ quang điện hoặc tiếp tục phĩng điện, nhiệt độ từ 7000C đến 18000C làm phát sinh khí acetylene (C2H2) (Hình 2.1). HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 7
10. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Loại khí H2 CH4 C2H6 C2H4 C2H2 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 0C Hình 2.1: Lượng khí phát sinh theo nhiệt độ phân hủy dầu cách điện Tuy nhiên, máy biến áp cĩ cấu tạo phức tạp, nên cũng cĩ rất nhiều nguyên nhân gây ra sự cố. Do đĩ, khi nghiên cứu các nguyên nhân gây ra sự cố máy biến áp cần chú ý đến các nguyên nhân sau: . Các khí chủ yếu tạo ra là H2 và CO với một ít CH4 bởi hoạt động bình thường và già hĩa cách điện; . Máy biến áp hoạt động quá tải kéo dài sẽ tạo ra các khí dễ cháy; . Các vấn đề về hệ thống làm mát cĩ thể là nguyên nhân gây quá nhiệt; . Ống dẫn dầu bị tắc nghẽn bên trong máy biến áp cĩ thể gây ra quá nhiệt cục bộ, phát sinh các khí; . Một van điều khiển dầu hư hỏng hoặc khơng vặc chặt sẽ gây ra sự điều khiển sai chức năng làm mát của dầu; . Các vấn đề về bơm tuần hồn dầu cĩ thể gây ra các vấn đề về làm mát máy biến áp; . Mức dầu quá thấp, điều này làm cho máy biến áp nĩng và làm việc khơng hiệu quả; HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 8
11. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh . Dầu cặn trong máy biến áp và hệ thống làm mát cũng dẫn đến quá nhiệt; . Dịng điện tản cĩ thể xuất hiện trong lõi, kết cấu của thùng dầu; . Khơng nối đất cũng cĩ thể gây ra nhiệt bởi việc cung cấp đường dẫn cho dịng điện tản; . Quá nhiệt cĩ thể gây ra kết nối khơng tốt trong các đầu nối, tiếp điểm bộ chuyển đầu phân áp; . Quá nhiệt cũng cĩ thể nguyên nhân gây ra sự phĩng các điện tích tĩnh điện làm thay đổi cấu trúc các vật bảo vệ hoặc lõi và kết cấu máy biến áp; . Quá nhiệt cĩ thể gây ra hồ quang điện giữa các cuộn dây và đất, giữa các cuộn dây cĩ điện thế khác nhau hoặc các vùng điện áp khác nhau trên cùng một cuộn dây, do đĩ làm giảm và hư hỏng cách điện; . Cách điện cĩ thể cũng bị hư hỏng một xung điện áp như là xung sét gần hoặc sự đĩng ngắt cơng tắc, làm xuất hiện hồ quang điện ngay lập tức hay hồ quang điện sẽ hình thành sau đĩ; . Cách điện cĩ thể bị suy giảm từ già hĩa cách điện. Các khe hở và nồng độ chất điện mơi giảm bớt, kéo theo phĩng điện cục bộ và hồ quang điện. Điều này cũng làm giảm độ bền tự nhiên của các cuộn dây dẫn đến các hư hỏng về điện và cơ khí. 2.3. Giám sát và chẩn đốn sự cố máy biến áp Hầu hết tuổi thọ dự tính của máy biến áp là từ 25 đến 30 năm, điều này cịn tùy thuộc vào trạng thái vận hành và hệ số tải của máy biến áp. Máy biếp áp hoạt động với nhiệt độ xung quanh thấp và các điều kiện qui định sẽ cĩ tuổi thọ dài hơn so với máy biến áp làm việc với nhiệt độ xung quanh và hệ số tải cao. Nhưng trong hầu hết các trường hợp, máy biến áp đều làm việc vượt quá các điều kiện qui định của nĩ, vì thế nhiệt độ bên trong sẽ gia tăng so với nhiệt độ qui định của máy biến áp. Tuy nhiên, máy biến áp làm việc quá tải nhưng khơng làm giảm tuổi thọ của HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 9
12. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh chúng. Điều này được thực hiện cân bằng giữa thời gian máy biến áp làm việc quá tải và thời gian máy biến áp làm việc non tải. Cĩ nhiều nhân tố tác động tới trạng thái làm mát của máy biến áp, như là hư hỏng quạt, hư hỏng các ống lĩt trục, nhiễm bẩn dầu cách điện, hư bộ tản nhiệt, mức dầu thấp, hư hỏng miếng đệm, sự ăn mịn, bộ tản nhiệt được thể hiện trong hình 3.1. Hư hỏng quạt Hư hỏng ống lĩt trục Nhiễm bẩn dầu cách điện Bộ tản nhiệt Mức dầu thấp Sự ăn mịn Hư hỏng miếng đệm Hình 2.2: Các sự cố và hư hỏng khác nhau bên trong một máy biến áp Sự ăn mịn và hư hỏng miếng đệm sẽ làm cho chất gây ơ nhiễm xâm nhập vào bên trong máy biến áp, vì thế đây là nguyên nhân làm bẩn dầu bên trong máy biến áp. Một trong các chất gây ơ nhiễm nguy hiểm nhất là hơi nước, vì hơi nước hịa tan trong dầu máy biến áp sẽ phá hỏng cấu trúc phân tử của giấy cách điện. Điều này làm giảm đáng kể độ bền và khả năng cách điện các cuộn dây và giấy cách điện, để chống lại các ứng suất điện và cơ khí trong suốt quá trình máy biến áp hoạt động bình thường. Hư hỏng quạt, bộ tản nhiệt và mức dầu thấp sẽ dẫn đến quá nhiệt máy biến áp, vì thế nĩ gây ra đánh thủng cách điện bên trong máy biến áp. Trong một số trường hợp, máy biến áp cĩ thể bốc cháy như Hình 2.3, nếu khơng cĩ HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 10
13. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh thiết bị điều khiển nhiệt độ và chuơng cảnh báo đặt ở nơi giám sát nhiệt độ của máy biến áp. Hình 2.3: Cháy máy biến áp do thiết bị điều khiển, giám sát khơng thích hợp Hình 2.4: Thiệt hại trong một máy biến áp gây ra bởi lửa HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 11
14. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Theo tiêu chuẩn C57.104 trạng thái sự cố máy biến áp cĩ thể phân ra các loại sự cố như sau: . Phĩng điện cục bộ; . Phát tia lửa điện; . Hồ quang điện; . Quá nhiệt giấy cách điện; . Quá nhiệt dầu biến áp. Những sự cố trên cĩ thể do một hoặc nhiều nguyên nhân khác nhau như trình bày ở bảng 2.1. Bảng 2.1: Các nguyên nhân gây ra sự cố Nguyên nhân Sự cố Hồ Vầng Quá Quá quang quang nhiệt nhiệt dầu điện điện giấy cách cách điện điện Ngắn mạch một số vịng dây   Đứt dây quấn   Dây quấn bị xê dịch hoặc biến dạng   Đầu nối điện bị xê dịch hoặc biến dạng   Khơng nối dây đai chống va đập    Nước trong dầu hoặc dầu cĩ độ ẩm cao   Cĩ bụi kim loại   Quên nối dây chống hồ quang  Lõi sắt khơng được định vị tốt  Quá tải   Bulong kẹp và cách ly bị hỏng  Lõi thép bị rỉ sét  Thùng dầu chạm đất  Thủng thùng dầu  Bộ giải nhiệt hoạt động khơng bình  thường Cĩ một vấn đề khác biệt trong giám sát và chẩn đốn sự cố của máy biến áp. Giám sát là sự quan sát các trạng thái của máy biến áp, cịn chẩn đốn là sự xác định một sự cố sau một hoặc nhiều lần quan sát. Cả giám sát và chẩn đốn các trạng thái của máy biến áp đã được đặc biệt quan tâm trong những năm gần đây, nĩ mở đầu HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 12
15. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh cho thị trường năng lượng điện trên thế giới. Các hệ thống điện trên thế giới mong đợi rằng cĩ thể giám sát trực tuyến máy biến áp. Điều này giúp cho khoảng thời gian ngưng hoạt động của máy biến áp càng ngắn càng tốt. Tuy nhiên, chẩn đốn khơng trực tuyến máy biến áp là quan trọng hơn, bởi vì các sự cố kỹ thuật đặc trưng và các hư hỏng bên trong máy biến áp cĩ thể được phát hiện dưới các điều kiện kiểm tra riêng biệt. Sau đĩ, sự đo lường chính xác cĩ thể được thực hiện cho các sự cố này. Ngày nay, việc giám sát trực tuyến hoạt động của máy biến áp đặt ra ba vấn đề quan trọng là: . Làm thế nào để phát hiện sự cố tiềm ẩn của máy biến áp càng nhanh càng tốt? . Làm thế nào đánh giá được tính ổn định, độ tin cậy của máy biến áp để đưa ra thời hạn bảo hành, bảo dưỡng hợp lý? . Làm thế nào để giảm được giá trị của thiết bị bảo vệ và chi phí bảo hành, bảo dưỡng máy biến áp? 2.3.1. Các thơng số giám sát của máy biến áp Một vài phương pháp để giải quyết vấn đề giám sát thường trực trạng thái hoạt động của máy biến áp với độ chính xác tương đối đã được phát triển, cho phép lưu lại các dữ liệu về trạng thái hoạt động của hệ thống. Theo thống kê thì hầu hết các hệ thống giám sát liên tục, trực tuyến trạng thái làm việc của máy biến áp đều được phát triển dựa trên yêu cầu của các phịng thí nghiệm hoặc do yêu cầu kỹ thuật mà các hệ thống quan sát khơng trực tuyến khơng giải quyết được [18]. Một vài ưu điểm của hệ thống giám sát trực tuyến máy biến áp, với dữ liệu trạng thái hoạt động riêng biệt thu được, nĩ cho phép phân tích sự cố xảy ra một cách chính xác dưới tải riêng biệt và trạng thái hoạt động. Tuy nhiên, hệ thống giám sát trực tuyến chỉ thực hiện được nếu hệ thống (bao gồm các cảm biến, các phần cứng điện tử, các phần cứng máy tính và phần mềm theo yêu cầu) là rẻ tiền để được trang bị cho các máy biến áp cĩ tỉ lệ hư hỏng cao. HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 13
16. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh T. Strehi [19] cho rằng hầu hết các phương pháp giám sát trực tuyến đều được phát triển từ phịng thí nghiệm và phương pháp giám sát ngoại tuyến. Ơng cho rằng các thơng số giám sát trực tuyến bao gồm tải và trạng thái hoạt động, hiện tượng già hĩa của dầu và giấy cách điện, phát hiện sự cố phĩng điện cục bộ, sự cố chất điện mơi và thay đổi đầu phân áp dưới tải. Đây là thơng tin cơ bản cung cấp về tải và các điều kiện hoạt động của máy biến áp. Tuổi thọ của dầu và hệ thống cách điện phụ thuộc nhiều vào các điều kiện nhiệt độ bên trong của máy biến áp. Tăng nhiệt là kết quả của quá trình quá tải liên tục hoặc gián đoạn, hoặc cũng cĩ thể là kết quả của quá trình làm việc non tải nhưng chất lượng làm mát kém. Sự hư hỏng điện mơi trong chất cách điện của dây quấn hoặc cách điện chính thường xuất hiện do những va đập cơ khí trong quá trình vận chuyển, do ngắn mạch hệ thống truyền tải tại vùng gần máy biến áp, hoặc khi máy biến áp bị xung cao áp. Một sự cố bên trong các trục hoặc ở đầu phân áp dưới tải cĩ thể là nguyên nhân gây ra các hư hỏng của máy biến áp. Đo lường hệ số cơng suất và điện dung là các phương pháp phát hiện sự đánh thủng cách điện giữa hai lớp liền kề nhau. C. Bengtsson [18] cũng chỉ ra rằng một vài thơng số chính được yêu cầu giám sát, để cân bằng giữa các chức năng: giá cả và độ tin cậy của một hệ thống giám sát cho máy biến áp phân phối với các đầu phân áp dưới tải (OLTC - On Load Tab Changers), một bộ phận chính của hệ thống giám sát tập trung trong chất cách điện chính, các cuộn dây và các đầu phân áp dưới tải. Hình 2.5 chỉ ra các sự cố chủ yếu của một máy biến áp phân phối với đầu phân áp dưới tải. Dây quấn 12% 19% Lõi MBA 3% Đầu nối Vỏ máy 12% OLTC 41% 13% Khác Hình 2.5: Các sự cố trong máy biến áp phân phối với đầu phân áp HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 14
17. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh Các thí nghiệm của Stan Lindgren [20] với các máy biến áp làm việc tại điện áp 500 kV đã chứng minh rằng cĩ thể phát hiện sự phĩng điện cục bộ một cách dễ dàng, điều này cho phép phát hiện các trạng thái sự cố phĩng điện trước khi máy biến áp cĩ thể bị hư hỏng. Để thực hiện điều này cần phải bố trí một số cảm biến như cảm biến nhạy với phĩng điện hoặc hồ quang, cảm biến đo nồng độ khí trong dầu, cảm biến đo nước trong dầu, cảm biến dịng rị, cảm biến đo âm thanh và các cảm biến đo các đại lượng khơng điện khác. Các cảm biến này thu thập dữ liệu phĩng điện cục bộ và vị trí của sự cố. 2.3.2 Phương pháp chẩn đốn sự cố và hư hỏng máy biến áp Cĩ nhiều phương pháp được dùng để phân tích các sự cố của máy biến áp, từ phương pháp truyền thống đến phương pháp nâng cao. Các phương pháp truyền thống bao gồm kiểm tra bằng mắt thường, phân tích thành phần hĩa học của dầu, phân tích sắc phổ của dầu và đo lường hệ số phân hủy chất điện mơi và điện dung. Các phương pháp truyền thống này trước kia đã được sử dụng trên khắp thế giới, và nĩ đã chứng tỏ độ tin cậy trong việc chẩn đốn các sự cố máy biến áp. Tuy nhiên, các phương pháp này khơng cĩ khả năng cung cấp đầy đủ thơng tin về sự già hĩa cách điện do nhiệt, độ ẩm trong giấy cách điện, điện áp, ứng suất cơ học và sự biến dạng của các cuộn dây. Đây là yêu cầu cao đối với các phương pháp chẩn đốn, nĩ bao gồm đo lường điện và khơng điện, đo lường phĩng điện cục bộ. Sự phân tích và kiểm tra dầu máy biến áp cho phép phát hiện các hư hỏng tiền sự cố. Nếu phân tích chỉ ra các sự cố về nhiệt trong dầu, phép ghi sắc phổ chất lỏng tốc độ cao (HPLC - High Performance Liquid Chromatography) cĩ thể được sử dụng để phát hiện sự phân hủy xenluloza [1], [21]. Phân tích chức năng chuyển đổi đáp ứng tần số cĩ thể được sử dụng để phân tích sự cố trong máy biến áp, theo báo cáo của Tim Cargol [22]. Cả hai phương pháp trực tuyến (on-line) và ngoại tuyến (off-line) cung cấp thơng tin hữu ích về trạng thái của máy biến áp. Phương pháp trực tuyến thu được từ chức năng chuyển đổi, tính tốn quá trình chuyển đổi của một máy biến áp lực. Thơng tin này cung HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 15
18. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh cấp ứng suất của máy biến áp trong việc giảm quá điện áp và ngắn mạch hệ thống điện. Phương pháp ngoại tuyến chẩn đốn hoạt động chuyển mạch của điện áp cao bên trong máy biến áp. Chức năng chuyển đổi đạt được từ chuyển mạch trong thời gian ngắn được kết hợp với phép đo lường trước đĩ. Sự khác nhau trong dạng sĩng của chức năng chuyển đổi cho biết sự biến đổi trong cuộn dây dẫn đến ngắn mạch. Cĩ nhiều phương pháp chẩn đốn được sử dụng để chẩn đốn sự cố đặc trưng của máy biến áp. Kiểm tra hệ số cơng suất hoặc hệ số tổn thất được sử dụng để xác định chất lượng cách diện với một vài vị trí bên trong máy biến áp. Phổ của sự phân cực hoặc đo lường điện áp phục hồi cho biết sự xuất hiện của hơi ẩm trong chất cách điện, sự già hĩa, và trạng thái của dầu. Điện trở cuộn dây cĩ thể chỉ ra các vấn đề đầu phân áp và bị đánh thủng cách điện. Vị trí phát ra âm thanh cung cấp thơng tin cĩ giá trị về phĩng điện cường độ thấp và vị trí phĩng điện bên trong máy biến áp. Giám sát bằng sĩng rađio được thực hiện bằng máy biến dịng tần số cao để nghiên cứu các vấn đề phĩng điện gián đoạn. Phương pháp phân tích nồng độ khí trong dầu (DGA). Kỹ thuật phân tích nồng độ khí trong dầu cách điện để chuẩn đốn sự cố máy biến áp đã đạt được rất nhiều thành quả. Kỹ thuật DGA truyền thống bao gồm hai phần đĩ là liên tục lấy mẫu dầu và liên tục đo nồng độ các khí. Kỹ thuật này đã được ứng dụng trong thực tế khoảng 30 năm trước và đạt được kết quả rất tốt so với nhiều kỹ thuật khác. Nguyên nhân chính của thành cơng trên là từ sự đơn giản, rẻ tiền và dễ hình thành các tiêu chuẩn khi thực hiện lấy mẫu và phân tích. Rất nhiều các hệ chuyên gia thực hiện việc nhận dạng sự cố máy biến áp dựa vào kỹ thuật DGA đã được thực hiện thành cơng. Tuy nhiên, cĩ các nhược điểm là quá dựa vào kiến thức chuyên gia trong khi đĩ máy biến áp cĩ kích thước, cấu trúc, hãng sản xuất, tải và qui định bảo dưỡng cĩ thể rất khác biệt, trong khi thực tế cần một hệ cĩ thể đáp ứng tốt cho đa số trường hợp. Một số hệ thống giám sát trực tuyến ứng dụng phân tích nồng độ khí trong dầu biến áp được đưa ra sau kỹ thuật DGA. Trong các hệ đĩ cĩ những hệ chỉ sử HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 16
19. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh dụng khí hydro, nhưng cũng cĩ hệ sử dụng nhiều loại khí khác nhau. Hiện nay, các hệ thống trực tuyến thường theo xu hướng phân tích nồng độ nhiều khí - một xu hướng giúp mau chĩng cĩ được những thơng tin cần thiết về trạng thái sự cố, ngay cả khi sự cố mới vừa hình thành. Do phải tiến hành kiểm tra với nhiều chất khí khác nhau, các khí chính cần đo kiểm là hydro (H2), methane (C2H6), ethylene (C2H4), acetylene (C2H2), carbon monoxide (CO) và carbon dioxide (CO2). Để giải thích những sự cố mới phát sinh bởi tiêu chuẩn IEEE Std C37.104- 1991 [9], đĩ là sự phân hủy của dầu mỏ tạo ra các phân tử khí cĩ trọng lượng khác nhau cĩ liên hệ mật thiết cả về nhiệt và điện. Tại nhiệt độ dưới 5000C hoặc phĩng điện năng lượng thấp, một lượng lớn các khí cĩ trọng lượng phân tử thấp được tạo thành. Các khí bao gồm hydrogen (H2) và methane (CH4), và một ít các khí cĩ trọng lượng phân tử cao hơn, như là ethane (C2H6) và ethylene (C2H4). Khi mà nhiệt độ tăng trên 500oC hoặc phĩng điện năng lượng cao, sự tập trung mật độ các khí cĩ trọng lượng phân tử nặng hơn được tạo ra nhiều hơn các khí cĩ trọng lượng phân tử thấp hơn. Nếu cường độ phĩng điện đạt tới phĩng hồ quang điện, hoặc phĩng điện o o liên tiếp đạt tới nhiệt độ từ 700 C đến 1800 C thì acetylene (C2H2) sẽ được sinh ra. Tiêu chuẩn này cũng thiết lập được các tốn tử tạo ra sự ưu tiên nhằm giúp cho các kỹ sư cĩ một tập hợp các qui trình tiêu chuẩn để thực hiện việc sửa chữa máy biến áp. Phát hiện là ưu tiên trước nhất, khi hoạt động khơng bình thường cĩ thể được nhận biết trong thời gian sớm nhất để giảm thiểu các thiệt hại và tránh các hỏng hĩc. Sau đĩ đánh giá tác động của sự khác thường về sức bền của máy biến áp bằng việc sử dụng một loạt các hướng dẫn hoặc các kế hoạch đã vạch sẵn. Cuối cùng, làm theo các hướng dẫn, bắt đầu với việc tăng cường giám sát hoặc củng cố bằng các phân tích phụ. Điều này dẫn đến việc xác định rõ phụ tải, giảm sự phụ thuộc của tải vào máy biến áp bị hư hỏng, hoặc phải ngừng sự hoạt động của máy biến áp để bảo dưỡng, sửa chữa. d. Cunningham [13] đã thực hiện phân tích sự cố máy biến áp và giải thích từ một hình phối cảnh của người dùng. Ơng đã thực hiện 3 phương pháp khác nhau để HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 17
20. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh giải thích sự cố với tập hợp dữ liệu DGA của máy biến áp thực tế. Phương pháp thứ nhất được sử dụng là phương pháp Dornenberg. Phương pháp này sử dụng tỉ số của các khí và các qui tắc tiêu chuẩn để phân loại sự cố máy biến áp. Phương pháp tỉ số của Roger cũng được sử dụng để chứng minh. Phương pháp này tương tự như phương pháp của Dornenberg, chỉ khác là tỉ số khí của ethylene/ethane (C2H4/C2H6) được thay thế bằng tỉ số ethane/acetylene (C2H6/C2H2). Phương pháp thứ ba là phương pháp Khí chính, phương pháp kỹ thuật này giải thích các sự cố máy biến áp dựa trên số lượng khí hiện diện rõ ràng. Cuối cùng ơng chỉ ra rằng để cải thiện độ chính xác của chẩn đốn sự cố máy biến áp, cần cĩ một tập hợp dữ liệu khí của máy biến áp rõ ràng. Tuy nhiên, cĩ một vài hạn chế trong các phương pháp chẩn đốn này đã được báo cáo bởi J. B. DiGiorgio [23]. Trạng thái bên trong máy biến áp là khơng đồng nhất và hệ thống khơng khi nào thực sự cân bằng. Nhiệt độ và áp suất của các loại khác nhau cũng cĩ các đặc điểm khơng giống nhau, điều này làm cho hệ thống máy biến áp thêm phức tạp. Các phương pháp tỉ số thường khơng đưa ra độ lớn của các số được sử dụng để tính tốn tỉ số và sau đĩ đưa ra mã kí số. Khi các số là nhỏ khơng đáng kể, sự dao động trong các giá trị cĩ thể gây ra sự thay đổi rất lớn trong tỉ số và do đĩ kí số được tạo ra. Do vậy, khơng cĩ một phương pháp nào cĩ thể tự đưa ra kết quả chẩn đốn tốt nhất, vì với số lượng đầu vào khá lớn do cần sử dụng nồng độ nhiều khí, khoảng biến thiên cĩ thể rất rộng, thậm chí cĩ thể khác xa với các thơng số trong phịng thí nghiệm thì các kỹ thuật DGA truyền thống khĩ lịng đáp ứng được. Vì vậy, cần phát triển một hệ thống mới cho phép giảm các nhược điểm trên – bằng cách áp hệ chuyên gia để chẩn đốn trạng thái sự cố máy biến áp. 2.3.2.1. Phương pháp khí chính Các khí được phát sinh trong lúc một sự cố máy biến áp mới xảy ra, nĩ biểu hiện một cách tự nhiên sự cố bên trong máy biến áp. Tương tự như máu của con người, nĩ chỉ ra các loại bệnh khác nhau của một người. Vì thế, các khí chính rất HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 18
21. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh quan trọng để phát triển phương pháp nghiên cứu các khí riêng lẻ được phát sinh trong suốt quá trình xảy ra một sự cố. Phương pháp khí chính là phương pháp chính xác để xác định tỷ lệ phần trăm của các khí chính khác nhau phát sinh trong một trạng thái sự cố máy biến áp. Phương pháp khí chính được nghiên cứu trước tiên tại phịng thí nghiệm Doble sau đĩ được tổng kết và giới thiệu vào năm 1974. Năm 1978, tại hội nghị thường niên tại phịng thí nghiệm Doble, phương pháp tỉ số và phương pháp khí chính đã được so sánh. Năm 1988, Griffin đã tổng kết cả 2 phương pháp trên và đưa ra một số ứng dụng liên quan. Trong phương pháp khí chính mỗi loại sự cố tương ứng với một loại khí chiếm đa số, thường được gọi là khí chính, khí chủ đạo (key gas). Do đĩ, cĩ thể dùng phần trăm các khí chính để chẩn đốn sự cố của máy biến áp. Như vậy, cĩ thể xem phương pháp khí chính là một sự diễn giải kết quả phân tích khí thành một tập sự kiện đơn giản. Ví dụ, phĩng điện năng lượng thấp hoặc vầng quang điện cĩ khí chính là hydro (H2), như vậy cĩ thể sử dụng thành phần phần trăm của hydro trong dầu để nhận biết vầng quang điện hoặc phĩng điện năng lượng thấp. Trên cơ sở này, giáo sư Pugh và IEEE đã xây dựng thành tiêu chuẩn C57.104. Bảng 2.2 là thơng số nhận dạng theo phương pháp khí chính. Lưu ý rằng thành phần phần trăm của mỗi khí dựa trên cơ sở tồn bộ khí hịa tan trong dầu và đĩ là một giá trị gần đúng. Bảng 2.2: Bảng đặc trưng nhận dạng theo phương pháp khí chính Phần trăm Sự cố Khí chính Đặc trưng các khí Một lượng lớn khí H2 và C2H2, Acetylene( H2: 60% Phĩng điện một số rất ít khí CH4 và C2H4. CO C2H2) C2H2: 30% và CO2 cĩ thể tồn tại. Một lượng lớn H , một ít CH , rất Vầng Hydrogen 2 4 H : 85% ít C H và C H , CO và CO cĩ 2 quang điện (H ) 2 6 2 4 2 CH : 13% 2 thể tồn tại. 4 Quá nhiệt Ethylene Một lượng lớn C2H4, một lượng ít C2H4: 63% dầu biến áp (C2H4) hơn C2H6, một ít CH4 và H2. C2H6: 20% Quá nhiệt Carbon Một lượng lớn CO và CO cĩ thể giấy cách monoxide 2 CO: 92% cĩ các hydrocarbon. điện (CO) HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 19
22. Luận văn thạc sĩ GVHD: PGS.TS Quyền Huy Ánh if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function C2H6_Callback(hObject, eventdata, handles) function C2H6_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function C2H4_Callback(hObject, eventdata, handles) function C2H4_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function C2H2_Callback(hObject, eventdata, handles) function C2H2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function CO_Callback(hObject, eventdata, handles) function CO_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function CO2_Callback(hObject, eventdata, handles) function CO2_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function uipanel2_DeleteFcn(hObject, eventdata, handles) HV: Nguyễn Thị Tuyết Nhung 71