Đang tải... (xem toàn văn)
Hệ thống giám sát online MBA có tác dụng phát hiện sớm các bất thường, hư hỏng để có biện pháp xử lý kịp thời, nâng cao hiệu suất sử dụng và giảm thời gian mất điện các MBA. Để giám sát tình trạng hoạt động máy biến áp, hiện nay nhiều công nghệ đã được áp dụng như: phân tích thành phần khí hòa tan trong dầu (DGA), phát hiện phóng điện cục bộ (PD), giám sát nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ dầu máy biến áp, giám sát điện áp 2 phía máy biến áp .v.v. Các thiết bị giám sát có đặc điểm đều sử dụng thiết bị, cảm biến chuyên dụng độc lập, đặc tính giám sát đơn lẻ, trong những tình huống sự cố nhất định có thể đưa ra chẩn đoán sự cố tương đối chính xác, nhưng không thể đưa ra chẩn đoán về MBA một cách tổng thể. Ngoài ra, ảnh hưởng của chu kì lấy mẫu cũng cản trở việc phát hiện kịp thời sự cố cũng như dự báo diễn biến của sự cố cho người vận hành.
BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ ĐIỂM NÓNG CUỘN DÂY VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN KHÍ HỊA TAN TRONG DẦU CHO HỆ THỐNG GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN MÁY BIẾN ÁP Abstract Power transformers are the most important primary equipment in substation, its health is directly related to power generation, power system security and reliability Moreover, transformer failure development is more complex, often with a variety of factors, it is intelligent to realize transformer condition monitoring and judgment is very important work There are many transformer monitoring methods, such monitoring technology as: oil dissolved gas analysis, winding temperature, infrared temperature, partial discharge, vibration measurement, This thesis in connection with oil-immersed power transformers, by studying the winding hot-spot temperature and oil chromatographic monitoring, proposed the Transformer Online Monitoring System- TOMS TOMS is using the indirect method for winding hot-spot temperature measurement and using Doernenburg ratio method for oil gas composition measurements TOMS system carried on integrated fault diagnosis and assessment process； that can discover latent failures in the operation of the transformer, simultaneously improving the ability of transformer overload operation; therefore TOMS can give substation automation system a lot of subsidies role Keyword: Transformer Online Monitoring System; winding hot-spot temperature; oil dissolved gas analysis; indirect method; Doernenburg ratio method I Đặt vấn đề Máy biến áp lực (MBA) thiết bị quan trọng có giá trị lớn hệ thống điện (HTĐ), tình trạng vận hành MBA trực tiếp ảnh hưởng đến tính an tồn tin cậy HTĐ Đặc biệt theo chủ trương Tập đoàn điện lực Việt Nam đến năm 2020 thực 100% TBA 110kV trạm khơng người trực vận hành, để hồn thành kế hoạch cần thiết phải có biện pháp đảm bảo cho tất trang thiết bị trạm, MBA phần tử quan trọng nhất, vận hành cách an toàn, tin cậy hiệu Hệ thống giám sát online MBA có tác dụng phát sớm bất thường, hư hỏng để có biện pháp xử lý kịp thời, nâng cao hiệu suất sử dụng giảm thời gian điện MBA Để giám sát tình trạng hoạt động máy biến áp, nhiều công nghệ áp dụng như: phân tích thành phần khí hòa tan dầu (DGA), phát phóng điện cục (PD), giám sát nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ dầu máy biến áp, giám sát điện áp phía máy biến áp v.v Các thiết bị giám sát có đặc điểm sử dụng thiết bị, cảm biến chuyên dụng độc lập, đặc tính giám sát đơn lẻ, tình cố định đưa chẩn đốn cố tương đối xác, khơng thể đưa chẩn đốn MBA cách tổng thể Ngồi ra, ảnh hưởng chu kì lấy mẫu cản trở việc phát kịp thời cố dự báo diễn biến cố cho người vận hành Sự phát triển công nghệ đại, không ngừng nâng khả tự động hóa TBA cung cấp giải pháp hữu hiệu cho giám sát online MBA Bên cạnh đó, ứng dụng tiêu chuẩn tiên tiến giám sát MBA xây dựng hệ thống giám sát online MBA tồn diện, tính xác cao, theo thời gian thực Đối tượng nghiên cứu chuyên đề MBA dầu, chủ yếu sử dụng giám sát nhiệt độ cuộn dây đo sắc phổ thành phần khí hòa tan dầu để tiến hành chẩn đốn tình trạng vận hành MBA; từ phát cố xảy ra, dự báo cố phát sinh trình vận hành, đồng thời nâng cao khả vận hành tải MBA II Thực trạng nghiên cứu, ứng dụng nước Hiện trạng giám sát, điều khiển MBA Các hệ thống giám sát, điều khiển MBA có: 1) Sử dụng tín hiệu đo lường trạm làm sở tiến hành giám sát, vận hành MBA bao gồm dòng điện, điện áp, công suất, hệ số công suất, nhiệt độ môi trường, nhiệt độ lớp dầu trên, v.v.v 2) Đo thành phần khí hòa tan (DGA) sắc phổ dầu, đo trực tuyến lấy mẫu dầu đo riêng lẻ; 3) Giám sát, điều khiển hệ thống quạt bơm làm mát; 4) Giám sát phóng điện cục Hình 1: Giám sát MBA sử dụng Nguồn: sytec.com.vn Các hệ thống sử dụng sử dụng thông tin từ thiết bị chuyên dụng đơn lẻ, giám sát MBA từ phận khác nhau, chẩn đoán đưa chủ yếu sử dụng để hiển thị cảnh báo mức thấp (quá nhiệt MBA, hệ thống quạt khơng bình thường, ) sử dụng thành phần liên động điều khiển (q dòng, q áp, ) chưa có tính dự báo cố Từ góc độ giám sát, điều khiển thơng tin MBA tính đồng bộ, quán thiết bị riêng lẻ chưa cao Tại Việt Nam nói riêng giới nói chung, trạm tự động hóa năm gần phát triển với tốc độ cao, tiêu chuẩn IEC61850 ứng dụng ngày sâu rộng Các trạm giám sát, điều khiển hệ thống DCS thể ưu vượt trội so với kiểu truyền thống, đặc biệt khả thu thập, xử lý lưu trữ lượng thông tin lớn với mức độ xác cao Đồng thời, mở khả tự động hóa hồn tồn cơng tác vận hành TBA Trên sở đó, đơn vị, tổ chức tiến hành xây dựng chương trình giám sát trực tuyến, điều khiển MBA có tính tồn diện độ xác cao Các hệ thống giám sát trực tuyến MBA nghiên cứu ứng dụng thời gian gần Năm 2010, ALSTOM giới thiệu hệ thống “MS 3000–Online condition monitoring and expert System” Hệ thống có chức giám sát cuộn dây, đầu cực, hệ thống làm mát, OLTC MBA Tháng 11 năm 2010, hệ thống “MDS4000-Hệ thống giám sát đánh giá trạng thái thiết bị truyền tải điện” cơng ty EON-LG Tập đồn điện lực Trung Quốc thơng qua kiểm nghiệm MDS4000 có module quan trọng “MDD3000T-Giám sát trực tuyến MBA”, MDD3000 giám sát thành phần khí nước dầu, giám sát nhiệt độ cuộn dây thông qua cảm biến quang học Siemens giới thiệu hệ thống “SITRAM@ GAS-Guard 8” “SITRAM@ CM” vào năm 2011 Hai hệ thống có chức chủ yếu gồm: phân tích thành phần khí dầu, đo lường nhiệt độ cuộn dây, nhiệt độ dầu, khả vận hành q tải, phân tích lão hóa cách điện cuộn dây Tại Việt Nam, tháng năm 2010 công ty ATS trình bày đề tài nghiên cứu khoa học “Xây dựng phần mềm giám sát khả tải đường dây, giám sát khả tải lão hoá cách điện máy biến áp” Đến đầu năm 2011, phần mềm “Power line & Transformer Monitering” chạy thử nghiệm số trạm biến áp 220kV thu kết bước đầu khả quan Tháng năm 2011, Tổng công ty Truyền tải điện quốc gia EVN-NPT khởi động chương trình nghiên cứu “Cơng nghệ giám sát & phân tích online dầu”, sử dụng thiết bị phân tích Multitrans hãng Kelman (UK) EVN-NPT nhận định công nghệ giới áp dụng Việt Nam, nên cần có hội thảo trao đổi việc ứng dụng khai thác công nghệ Các vấn đề tồn 1) Các hệ thống trình bày sản xuất hợp bộ, vốn đầu tư cao; 2) Khả nâng cấp mở rộng thấp; 3) Giám sát nhiệt độ cuộn dây tuân theo tiêu chuẩn IEEE Std C57.91-1995, tiêu chuẩn IEC 60076-7-2005 “Power transformers–Part7: Loading guide for oil-immersed power transformers” ban hành có nhiều nội dung cải tiến cập nhật; 4) Phân tích thành phần khí hòa tan dầu tuân theo tiêu chuẩn IEEE Std C57.104-1991 ban hành từ năm 1991, IEEE Std C57.1042008 “Guide for the Interpretation of Gases Generated in Oil-Immersed Transformers” ban hành có nhiều chỉnh sửa; 5) Giao diện HMI phần mềm chưa trực quan, chưa thân thiện với người sử dụng, nhiều chức nâng cấp thêm III Giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây Giới thiệu Thực tế công tác QLVH TBA, việc nâng cao khả chịu tải MBA quan trọng Việc nâng cao khả tải máy loại trừ tổn hại trình vận hành; giúp điều độ có thêm thời gian phương án để đưa phụ tải phạm vi an toàn Phụ tải thực tế lớn phụ tải danh định MBA gây ảnh hưởng đến tất phận MBA (cuộn dây, đầu cực, cách điện, lõi thép, OLTC, cáp nối đầu cực, biến dòng, v.v.v), gây tổn hại cho máy Đặc biệt cuộn dây, tác động dễ nhận thấy mức độ nghiêm trọng Cách điện điểm nóng cuộn dây có tốc độ lão hóa cao nhất, dẫn đến cố phóng điện cuộn dây, gây hư hỏng MBA Có thể kết luận, nhiệt độ điểm nóng cách điện cuộn dây MBA nhân tố ảnh hưởng định khả vận hành tải máy, việc giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây có ý nghĩa vơ quan trọng điều khiển vận hành MBA nói riêng vận hành TBA khơng người trực nói chung Phương pháp giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây Giữa năm 80 kỉ trước, nhà khoa học thử nghiệm sử dụng cảm biến quang học để đo lường nhiệt độ cuộn dây Sử dụng cáp quang trực tiếp, xác đo nhiệt độ cuộn dây theo thời gian thực, từ giám sát nhiệt độ nội MBA, điều khiển hệ thống làm mát tương ứng, nâng cao khả chịu tải MBA, đảm bảo cung cấp điện an toàn cao điểm, nâng cao tuổi thọ MBA Tuy nhiên, việc ứng dụng cảm biến quang học yêu cầu lắp đặt nhiều cảm biến MBA, kỹ thuật bảo dưỡng phức tạp, vốn đầu tư cao nên đến chưa áp rộng rãi Đối với hệ số phụ tải K nhiệt độ môi trường θa, nhiệt độ dầu θo biến đổi theo thời gian, tiêu chuẩn IEC 60076-7-2005 cung cấp Phương pháp phương trình vi phân, gián tiếp tính tốn nhiệt độ điểm nóng cuộn dây θh tổn hao tuổi thọ cách điện tương ứng[1] Lưu đồ Phương pháp phương trình vi phân thể Hình Hình 2: Phương pháp phương trình vi phân Nguồn: IEC 60076-7-2005 Trong đó: K θa θo θh R mức k11 k21 k2 x y τ0 τw Δθhr mức), K Δθor : Hệ số phụ tải : Nhiệt độ môi trường (oC) : Nhiệt độ lớp dầu (oC) : Nhiệt độ điểm nóng cuộn dây (oC) : Tỉ số tổn thất có tải tổn thất khơng tải dòng điện định : Hằng số tính tốn mơ hình nhiệt : Hằng số exponent nhiệt độ dầu : Hằng số exponent nhiệt độ cuộn dây : Hằng số thời gian dầu : Hằng số thời gian cuộn dây : Độ tăng nhiệt độ điểm nóng cuộn dây so với lớp dầu (định : Độ tăng nhiệt độ lớp dầu so với môi trường (định mức), K Hằng số k11, k21, k22, τ0, τw, x, y định dung lượng MBA hệ thống làm mát Do phân bố nhiệt máy khơng đều, cách điện khu vực có nhiệt độ cao bị tổn hại nặng nề nhất, IEC 60076-7-2005 tính tốn tốc độ lão hóa dựa nhiệt độ điểm nóng cuộn dây Tốc độ lão hóa cách điện tổn hao tuổi thọ cách điện tính theo cơng thức (III-1) (III-2) 15000 15000 ( ) 110 273 273 h V e (III-1) N (III-2) L Vn tn n 1 Trong đó: V : Tốc độ lão hóa cách điện Vn : Tốc độ lão hố cách điện khoảng thời gian tn L : Tổn hao tuổi thọ cách điện n : Chỉ số khoảng thời gian t N : Tổng số khoảng thời gian t chu kỳ thời gian t : Khoảng thời gian Các thí nghiệm thực tế ra, nhiệt độ điểm nóng cuộn dây tính tốn theo Phương pháp phương trình vi phân tiệm cận với kết đo trực tiếp cảm biến quang học; phương pháp gián tiếp có ưu điểm chi phí thấp, vận hành bảo dưỡng đơn giản, thuận lợi cho áp dụng vào giám sát trực tuyến MBA[3] Giám sát online nhiệt độ điểm nóng cuộn dây Ứng dụng Phương pháp phương trình vi phân cho giám sát trực tuyến nhiệt độ điểm nóng cuộn dây, bước tiến hành sau: Thiết lập thông số MBA Thu thập giá trị đo, chu kì lấy số liệu lần/3 phút, số liệu lấy từ Server hệ thống tự động hóa TBA Tính tốn trạng thái khởi đầu Giải phương trình vi phân Đưa số liệu đầu ra, đồ thị theo thời gian Đưa cảnh báo Sơ đồ khối chương trình thể Hình Đánh giá Giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây sử dụng cảm biến quang học (trực tiếp) hay phương trình vi phân (gián tiếp) có ưu điểm, nhược điểm định Cung cấp cho hệ thống tự động hóa TBA nhiệt độ điểm nóng cuộn dây, từ tính tốn tốc độ lão hóa cách điện, tuổi thọ cách điện cách rõ ràng có tính xác cao Bên cạnh đó, cơng nghệ giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây có nhược điểm: - Giám sát nhiệt độ cuộn dây cho dù sử dụng cảm biến quang đo trực tiếp phương pháp gần đúng, vị trí đặt cảm biến phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chuyên gia kết của thí nghiệm thực tế Do kết đo thu đạt mức độ xác định - Phương pháp phương trình vi phân trình tính tốn có nhiều tối ưu hóa, sử dụng giả thiết điều kiện thông số MBA Các yếu tố kết hợp lại làm giảm tính xác kết tính tốn Kết luận: Phát huy ưu điểm, hạn chế nhược điểm Giám sát nhiệt độ điểm nóng cuộn dây, đồng thời kết hợp với cơng nghệ giám sát khác, từ xây dựng hệ thống giám sát online MBA có tính tồn diện, tính xác độ tin cậy cao Hình 3: Giám sát trực tuyến nhiệt độ cuộn dây Số liệu đo (Dt=3min) a – nhiệt độ môi trường o – nhiệt độ dầu (nếu có) I – dòng điện Đặc tính MBA Giá trị danh định: U， S， In， R， Δθhr， Δθor Đặc tính nhiệt: x， y， k11， k21， k22， τ0， τw Giá trị ngưỡng: θomax1, θhmax1, … Mơ hình tính tốn Phương pháp phương trình vi phân IEC 60076-7-2005 o – nhiệt độ dầu h – nhiệt độ điểm nóng cuộn dây L – tốc độ lão hóa cách điện Cảnh báo Báo cáo -Đồ thị theo thời gian: I, K, a, o, h -Bảng báo cáo o > θomax h > θhmax1, θhmax2 RL – Tuổi thọ cách điện IV Giám sát thành phần khí hòa tan dầu Giới thiệu Trong trình vận hành MBA, tượng phát nhiệt hay phóng điện cục phát sinh MBA sinh thành phần khí cháy dầu MBA, phóng điện trì hàm lượng khí cháy gia tăng theo thời gian Khi mức độ hàm lượng khí lớn làm cháy nổ MBA Các khí phát sinh có nguồn gốc chủ yếu từ dầu MBA, bên cạnh có thành phần cách điện cố định (giấy cách điện, vật liệu composite, ) giải phóng Phát nhiệt hay phóng điện dầu dẫn đến liên kết C-C, C-H bị phá vỡ kết hợp, q trình khí H2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, CO, CO2 tạo thành, không ngừng di chuyển phát tán dầu Hàm lượng thành phần khí phát sinh có liên quan mật thiết đến loại hình mức độ nghiêm trọng cố Giám sát phân tích thành phần khí hòa tan dầu phát sớm bất thường bên MBA theo dõi diễn biến phát sinh cố[2] Bảng 1: Loại hình cố khí phát sinh Loại hình cố Khí phát sinh đặc trưng Các khí khác Quá nhiệt dầu CH4,C2H4 H2,C2H6 Quá nhiệt dầu giấy cách điện CH4,C2H4,CO,CO2 H2,C2H6 Phóng điện cục dầu giấy cách điện H2,CH4,CO C2H2,C2H6,CO2 Phóng điện dầu H2,C2H2 Hồ quang điện dầu H2,C2H2 CH4,C2H4,C2H6 Hồ quang điện dầu giấy H2,C2H2,CO,CO2 CH4,C2H4,C2H6 Nguồn: IEEE Std C57.91-1995 Phương pháp giám sát thành phần khí hòa tan dầu Thơng qua quan sát thực nghiệm độc lập nhiều MBA, tổ chức nhà khoa học giới nghiên cứu nguyên lý sử dụng tỉ số thành phần khí phát sinh dầu để chẩn đốn cố MBA Trong q trình sử dụng khí đặc trưng để tiến hành xác định cố MBA, phương pháp giám sát thành phần khí hòa tan dầu khơng ngừng tổng kết, cải tiến, tính xác độ tin cậy ngày nâng cao - Thiết bị đo sắc phổ dầu Thiết bị đo sắc phổ dầu thành phần quan trọng hệ thống giám sát thành phần khí hòa tan, có nhiều thiết bị giới thiệu sử dụng rộng rãi giới Chuyên đề nghiên cứu, ứng dụng thiết bị TM8 hãng Serveron, TM8 đo hàm lượng 09 loại khí hòa tan dầu (H2, O2, CH4, CO, CO2, C2H4, C2H6, C2H2, N2) Module phân li dầu khí: sử dụng phương pháp tách khí chân khơng, không làm tiêu hao dầu Module đo lường: sử dụng cảm biến bán dẫn, đo hàm lượng khí phát sinh Module xử lí số liệu: thơng qua phép tốn lọc, nâng cao tính xác ổn định số liệu; đưa liệu số hóa theo chuẩn IEC61850 cung cấp cho chương trình chẩn đốn cố Hình 4: Giao diện chức thiết bị TM8 Phạm vi đo lường sai số TM8 trình bày Bảng Bảng 2: Đặc tính đo lường TM8 STT Loại khí Phạm vi đo H2 3-3000 ppm Sai số ±5% O2 30-25000 ppm ±5% CH4 5-7000 ppm ±5% CO 5-10000 ppm ±5% CO2 5-30000 ppm ±5% C2H4 3-5000 ppm ±5% C2H6 5-5000 ppm ±5% C2H2 1-3000 ppm ±5% N2 5000-100000 ppm ±10% Thiết bị TM8 có ưu điểm thích hợp với việc xây dựng hệ thống giám sát online dầu MBA: Đo lường MBA mang tải, chu kì đo 30 phút/mẫu nhanh so với phương pháp truyền thống; Thiết bị đo có độ nhạy cao; Chủng loại khí đo đa dạng, 09 loại khí (H2, CO2, ), ngồi có thêm tùy chọn đo nhiệt độ độ ẩm dầu; Hỗ trợ chuẩn thông tin IEC61850, thuận lợi cho việc thu thập trao đổi liệu; Độ bền điện từ cao, hoạt động môi trường khắc nghiệt TBA, không gây tổn hao dầu MBA - Phương pháp so sánh tỉ số Doernenburg Tiêu chuẩn IEEE Std C57.104-2008 đề xuất Phương pháp so sánh tỉ số Doernenburg để chẩn đoán cố MBA dựa tỉ lệ thành phần khí phát sinh dầu Phương pháp so sánh tỉ số Doernenburg sử dụng tỉ số hàm lượng khí: R1= CH4/H2, R2= C2H2/C2H4, R3= C2H2/CH4, R4= C2H6/C2H2 đưa phán đoán loại cố tổng hợp MBA: nhiệt, phóng điện cục hồ quang điện Trình tự tính tốn phương pháp thể Hình Hình 5: Phương pháp so sánh tỉ số Doernenburg 10 Nguồn: IEEE Std C57.104-2008 Hàm lượng khí phát sinh trước tiên so sánh với giá trị nồng độ định mức L1, từ xác định có hay khơng cố giá trị đo hàm lượng khí khả dụng Sau tỉ số R1, R2, R3, R4 theo trình tự so sánh với giá trị tham chiếu, từ đưa chẩn đốn Kết chẩn đốn trình bày cụ thể Bảng Bảng 3: Kết chẩn đoán theo Phương pháp so sánh tỉ số Doernenburg Sự cố R1= CH4/H2 R2= C2H2/C2H4 R3= C2H2/CH4 R4= C2H6/C2H2 Quá nhiệt >0.4 >1.0