Giải pháp giám sát trực tuyến phóng điện cục bộ (PD) để đánh giá tình trạng cách điện cuộn dây stator máy phát của nhà máy điện trực thuộc tổng công ty điện lực dầu khí việt nam (PV Power)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày một số giải pháp giám sát trực tuyến phóng điện cục bộ (PD) để đánh giá tình trạng cách điện cuộn dây stator máy phát của nhà máy điện trực thuộc tổng công ty điện lực dầu khí việt nam (PV Power).

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giải pháp giám sát trực tuyến phóng điện cục bộ (PD) để đánh giá tình trạng cách điện cuộn dây stator máy phát của nhà máy điện trực thuộc tổng công ty điện lực dầu khí việt nam (PV Power)

KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 GIẢI PHÁP GIÁM SÁT TRỰC TUYẾN PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ (PD) ĐỂ ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG CÁCH ĐIỆN CUỘN DÂY STATOR MÁY PHÁT CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN TRỰC THUỘC TỔNG CÔNG TY ĐIỆN LỰC DẦU KHÍ VIỆT NAM (PV POWER) Lê Quí Tự Ban Kỹ thuật – Tổng công ty Điện lực Dầu khí Việt Nam – CTCP, Email: lequytu@pvpower.vn Tóm tắt: Máy phát điện là tài sản lớn, là thiết bị tối quan trọng trong việc sản xuất kinh doanh của Doanh nghiệp sản xuất điện. Những bất thường chiếm tỷ trọng lớn là tiền đề cho hư hỏng máy phát như: cuộn dây stator ( 63%), lõi stator (12%), cuộn dây rô to (12%), bearing/trục (12%) và các trường hợp khác (1%) (số liệu của Tập đoàn bảo hiểm Allianz của Đức thống kê các sự cố máy phát từ năm 1996-1999) Các tổ máy phát điện thuôc các nhà máy điện trực PV Power đã vận hành trong thời gian dài, các tổ máy mới nhất cũng đã 10 năm vận hành như nhà máy điện Vũng Áng 1. Các tổ máy phát cũng đã có các tình trạng rung động mạnh các đầu cuối cuộn dây stator, hư hỏng các lớp bán dẫn của cuộn dây. Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ, các giải pháp giám sát trực tuyến tình trạng thiết bị đem lại hiệu quả trong quá trình đánh giá độ tin cậy của thiết bị và phương án bảo dưỡng sủa chữa phù hợp với thiết bị. Vì vậy cần thiết phải trang bị các hệ thống giám sát trực tuyến để nắm bắt tình trạng của các tổ máy, từ đó có kế hoạch dừng máy, phương án bảo dưỡng sửa chữa tối ưu nhất. Theo thống kê từ Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (EERE) *, các cuộc khảo sát độc lập cho thấy mức tiết kiệm trung bình công nghiệp sau đây từ việc bắt đầu bảo trì dựa theo tình trạng so với các bảo dưỡng sửa chữa theo truyền thống (định kỳ …): - Giảm chi phí bảo trì: 25% đến 30% - Giảm sự cố: 70% đến 75% - Giảm thời gian dừng máy: 35% đến 45% - Lợi tức đầu tư: 10 lần *Source; US Department of Energy (Website: http://www1.eere.energy.gov Với những lợi ích mang lại, hiện tại PV Power đang triển khai thực hiện giải pháp giám sát tình trạng trực tuyến các cơ phận chính ảnh hưởng đến độ tin cậy của máy phát, một trong những giải pháp đó là giám sát tình trạng cách điện cuộn dây stator bằng phương pháp đo phóng điện cục bộ. 1. TỔNG QUAN 1.1. Phóng điện cục bộ và phương pháp đo Phóng điện cục bộ (PD) là hiện tượng phá hủy điện môi cục bộ trong một phần nhỏ của hệ thống cách điện rắn hoặc lỏng dưới ứng suất điện áp cao. 386
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Theo IEC 60270-2000, phóng điện cục bộ là các phóng điện nối tắt một phần cách điện giữa các điện cực và có thể xảy ra ở gần điện cực hoặc không, nó có thể gây ra các hư hỏng không thể sửa chữa tới các hệ thống cách điện lỏng và rắn. Phóng điện cục bộ xảy ra do hậu quả của: Cường độ điện trường mạnh, phát nhiệt cục bộ (tạo ra các lỗ hổng và bóng khí), hư hỏng trong vật liệu cách điện, sự phân lớp, sự ăn mòn, ứng suất cơ (rung, dao động), hiện tượng cây nước (Water treeing) Hình 1. Sơ đồ mạch tương đương của điện dung trong vật liệu cách điện Điện môi của một điện dung CF bao gồm một bọc khí và sơ đồ mạch tương đương của điện môi này như hình phía trên bên trái. Các điện dung CS và CF tạo nên một bộ chia điện dung trong vật liệu cách điện, điện áp rơi U1 trên CF nhỏ hơn điện áp đặt Ut (hình phía trên bên phải). Nếu cường độ điện trường trong cách điện cao hơn so với cường độ cách điện trong bọc khí, phóng điện sẽ xuất hiện trong bọc khí. Tại thời điểm này, khóa S đóng lại và điện áp U1 hạ xuống trên điện dung bọc khí. Độ rơi điện áp của U1 sẽ dập tắt phóng điện. Quá trình này lặp lại khi mà cường độ điện trường trong cách điện lại lớn hơn cường độ cách điện trong bọc khí. Quá trình này xuất hiện tại các điểm giao 0 của điện áp Ut phụ thuộc vào độ dốc điện áp. 387
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 1.2. Các dạng PD trong cách điện cuộn dây stator Hình 2. Cấu tạo cách điện cuộn dây stator Hiện tượng lão hóa cách điện của cuộn dây stator máy phát điện có thể xảy ra bên trong lớp cách điện, ở cả trong rãnh hoặc phần đầu cuối cuộn dây stator. Nếu tình trạng cách điện không được giám sát thường xuyên, các chuẩn đoán thiếu sót có thể dẫn đến kế hoạch bảo trì không hợp lý, có thể dẫn đến hư hỏng cách điện và chi phí sửa chữa lớn. Theo dõi PD là một biện pháp đáng tin cậy để đánh giá tình trạng cách điện, nó thường là biểu hiện của bất thường cách điện mà có thể dẫn tới hư hỏng thiết bị. Do đó, giám sát trực tuyến PD là một giải pháp hiệu quả để đánh giá liên tục tình trạng hệ thống cách điện stator của máy điện quay. Giám sát PD trực tuyến giúp thu thập liên tục các thông tin về hoạt động PD trong máy điện quay trong suốt quá trình vận hành mà không cần phải ngừng máy, giúp người sử dụng tối ưu hóa công tác quản lý thiết bị, đưa ra các chiến lược bảo dưỡng, sửa chữa thích hợp để ngăn ngừa sự cố và đảm bảo tuổi thọ vận hành tốt nhất cho thiết bị. Một số hư hỏng - nguyên nhân gây ra sinh ra phóng điện cục bộ bên trong máy phát gồm: Hình 3. các nguyên nhân gây hư hỏng cuộn dây stator máy phát điện 388
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Hình 4. Các vị trí xảy ra PD trong cách điện cuộn dây stator  Các khuyết tật sinh ra từ quá trình sản xuất, gia công cách điện của nhà sản xuất.  Lỗ trống, vết nứt nhỏ trong cách điện chính.  Phần cuộn dây trong rãnh stator rung lắc do tác động cơ khí, lỏng nêm, đệm.  Hiện tượng phân lớp cách điện do tác động của cơ khí, nhiệt độ trong quá trình vận hành.  Khoảng cách giữa các thanh dẫn phần end-winding (cuối cuộn dây) không đảm bảo.  Cuộn dây nhiễm ẩm, nhiễm bẩn.  Các lớp OCP – Outer Corona Protection (slot coating - lớp sơn hoặc băng quấn bán dẫn bên ngoài phần thanh dẫn nằm trong rãnh stator), EPG - End Potential Grading (stress control coating - lớp sơn hoặc băng quấn bán dẫn bên ngoài thanh dẫn tại phần end-winding đi ra khỏi rãnh stator) bị lão hõa hoặc hư hỏng. Hình 5. các lớp phủ ECP –EPG giảm ứng suất điện bên ngoài cách điện stator 389
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 Một số dạng sự cố PD có thể phát hiện bằng hạng mục thí nghiệm offline khi cắt máy phát điện. Tuy nhiên, cần phải có thời gian dừng máy đủ dài cho việc kiểm tra và đánh giá bằng mắt và một số thí nghiệm kiểm tra offline. Trái lại, kiểm tra PD trực tuyến cho phép người dùng giám sát tình trạng thiết bị khi đang vận hành và không cần phải dừng máy. Điều này đóng vai trò rất quan trọng trong chương trình giám sát tình trạng thiết bị và bảo trì dựa trên độ tin cậy (RCM - Reliability Centred Maintenance) bởi vì chúng ta có thể ngăn ngừa và phòng tránh những hư hỏng nghiêm trọng 2. PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PD Do phóng điện cục bộ được tính toán bằng phép lấy tích phân dòng điện theo thời gian, nên bộ phận thu thập dữ liệu phát hiện điện áp rơi trên điện trở (shunt) đã biết trong mạch thí nghiệm. Điện trở này được ký hiệu là R, t1 và t2 được xác định bởi người sử dụng hệ thống đo. Đối với phép đo điện tích PD bằng phép lấy tích phân miền tần số, tín hiệu trong miền thời gian được chuyển sang miền tần số bằng phép biến đổi Fourier. Phép lấy tích phân trong miền tần số được thực hiện bằng một bộ lọc tần, đặc trưng bởi một hệ thống dải thông qua. Xung PD được khuếch đại trước và số hóa bởi một bộ chuyển đổi analog/digital. Các bộ lọc số không làm thay đổi trạng thái của chúng theo thời gian và nhiệt độ. Hơn nữa, người sử dụng cũng có thể chuyển đổi tần số đo và thay đổi băng thông. Các xung PD được số hóa bằng cách duy trì biên độ và thời điểm chúng xảy ra. 390
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Nhiều chức năng xử lý khác cũng được tích hợp trong phần cứng, như các ngưỡng và các bộ tiền khuếch đại điều chỉnh được. Tín hiệu điện áp cũng được số hóa. Tất cả các thông tin này được truyền qua các cáp quang. Những cáp quang này và nguồn pin cho phép người dùng sử dụng hệ thống đo trên điện áp cao. Thông tin về PD và điện áp được xử lý trên máy tính. Một bản ghi toàn bộ phép đo có thể thực hiện được. Kiểm tra và giám sát PD trực tuyến được thực hiện trong dải tần số phù hợp sao cho đảm bảo được sự bao quát toàn bộ dây dẫn stator cũng như tỷ lệ tín hiệu so với nhiễu SNR (signal-to-noise ratio) tốt nhất Phép đo PD tại hiện trường thường được tiến hành với cài đặt bộ lọc để tránh tình trạng nhiễu cao, bộ phận thu thập dữ liệu cần có chức năng điểu chỉnh cài đặt bộ lọc để tìm ra SNR tối ưu cho việc phân tích sâu hơn. Khi xảy ra phóng điện tại khu vực khiếm khuyết hoặc hư hỏng của cuộn dây stator. PD xuất hiện biểu hiện dưới dạng một xung dòng điện với một năng lượng nhất định với thời gian tăng ngắn được tạo ra. Các xung này bao gồm một phổ tần số rộng và chịu ảnh hưởng của nhiều hiện tượng (suy giảm, phản xạ, móc vòng điện cảm và điện dung) khi chúng di chuyển qua cuộn dây. Bởi vậy đặc tính các xung PD đo được sẽ khác so với bản chất của xung tại vị trí PD xảy ra. Hệ thống cách điện stator là các bộ low – pass, lọc những tín hiệu tần số cao. Xung PD là những tín hiệu có dải tần số cao, vì vậy nếu cài đặt bộ lọc ở dải tần cao để thử nghiệm, nhiều khi tín hiệu PD thu thập sẽ không phản ánh đúng mức. Kiểm tra sự ảnh hưởng của khoảng cách phóng điện PD đến thiết bị đo có ảnh hưởng đến giá trị đo đạc. Tiến hành thực nghiệm: Bơm giá trị PD = 10 nC vào vị trí b), đo giá trị điện áp đỉnh PD tại phía đầu đo, sau đó lại bơm PD = 10 nC vào vị trí a), đo giá trị điện áp đỉnh PD tại phía đầu đo ta nhận thấy độ lớn điện áp đỉnh của xung PD đo được càng xa cảm biến đo thì giá trị của nó càng suy giảm, tuy nhiên giá trị nC đo được hầu như suy giảm không đáng kể. 391
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 Hình 6. Hình dạng PD ở dải tần đo Hình 7. Biểu đồ quan hệ giữa khoảng cách xảy ra PD và giá trị điện áp đỉnh của xung PD 3. PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ DỮ LIỆU Theo tiêu chuẩn IEC 60034-27-2: Việc phân tích kết quả giám sát PD luôn mang tính tương đối. Do PD thường là dấu hiệu của một quá trình hư hỏng chứ không phải là nguyên nhân trực tiếp nên hầu như không khả thi để xác định một định mức cụ thể cho giá trị PD mà ở đó có rủi ro cao nhất xảy ra hư hỏng cách điện. Tuy nhiên, việc phân tích kết quả giám sát PD vẫn đem lại nhiều ý nghĩa bằng cách sử dụng nhiều nguồn thông tin, không chỉ bao gồm kết quả thu được mà còn dựa vào hiểu biết về thiết kế của đối tượng đo, lịch sử bảo dưỡng, kiểm tra trực quan, các thí nghiệm offline, tình trạng vận hành và nhiều kiến thức chuyên sâu khác. Có 02 giá trị PD được đánh giá (độ lớn của PD liên quan đến điện áp thử nghiệm)  Đánh giá theo giá trị đỉnh của điện áp phóng,  Đánh giá theo giá trị điện tích của xung phóng điện cục bộ Qm 392
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Đánh giá  Xu hướng giá trị PD trên cùng một máy điện quay theo thời gian, sử dụng cùng một hệ thống đo PD  So sánh xu hướng giá trị PD giữa các pha trong cùng một máy điện quay, sử dụng cùng một hệ thống đo PD  So sánh xu hướng giá trị PD giữa các máy điện quay khác nhau có cùng thiết kế, sử dụng cùng một hệ thống đo PD Xu hướng giá trị PD ổn định, ít thay đổi theo thời gian cho thấy tình trạng cách điện trong Stator vẫn tốt. Tuy nhiên, nếu giá trị PD có xu hướng tăng cao theo thời gian (ví dụ như giá trị PD tăng gấp đôi sau hơn một năm) là dấu hiệu của sự xuống cấp cách điện. Cần phải có phương án phân tích kỹ hơn. Để phân tích kỹ hơn hoạt động PD trong máy điện quay, ta sử dụng phương pháp phân tích dạng mẫu xung PD theo góc pha điện áp (áp (PRPD - Phase Resovled Partial Discharge pattern). Mục đích chính của phương pháp này là để xác định nguồn PD chiếm ưu thế và phân tách kết quả PD từ nhiều nguồn PD khác nhau và nhiễu. Với các thông tin đó, ta có thể:  Quan sát xu hướng hoạt động của từng nguồn PD  Cung cấp các thông tin thô về vị trí có thể của các nguồn PD  Đánh giá tình trạng cách điện, tùy thuộc vào nguồn PD và vị trí PD Ứng với mỗi nguồn PD khác nhau sẽ có các dạng PD pattern tương ứng. Tiêu chuẩn IEC/TS 60034-27-2 cung cấp các dạng PD pattern mẫu trong máy điện quay được mô phỏng trong phòng thí nghiệm. Người dùng có thể tham khảo các dạng mẫu này kết hợp với các dạng mẫu cung cấp bởi nhà sản xuất để đưa ra các đánh giá. Việc giám sát PD trực tuyến gặp khó khăn là xử lý nguồn nhiễu bên ngoài, các nguồn nhiễu bên ngoài suy giảm khi dải tần đo tăng lên (nhiễu thường suy giảm hầu hết dưới ngưỡng 30 MHz), một số hãng đã đưa ra giải pháp, sử dụng cảm biến đo hoạt động trong dải tần rộng: HF (3-30 MHz), VHF (30-300 MHz) và UHF (300MHz-3 GHz) để thu thập tín hiệu PD. Các vị trí PD của cuộn dây stator xảy ra nhiều hơn ở gần khu vực đầu cực, do tại những vị trí đó, điện áp vận hành là cao nhất nên phải chịu các ứng suất về điện là lớn nhất, vì lý do này khi ta đo ở dải tần cao sẽ chiếm được ưu thế (các cảm biến đo PD sẽ được lắp ở phía đầu cực cuộn dây), tuy nhiên nếu vị trí PD ở xa so với vị trí cảm biến đo, tín hiệu PD sẽ không phản ánh được đầy đủ, Một số hãng khác sử dụng công nghệ đo giá trị điện tích biểu kiến, điều chỉnh dải tần đo, dùng cảm biến tụ điện theo tiêu chuẩn IEC 60027, sử dụng phần mềm hỗ trợ các 393
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 công cụ lọc nhiễu theo tần số, theo ngưỡng PD. Tích hợp đồ thị quan hệ biên độ 3 pha (3PARD) cho việc phân tách nhiễu và nguồn PD. Phần mềm phân tích có chức năng hỗ trợ tự phân tách các cụm PD và đưa ra đánh giá tự động về dạng sự cố PD trong máy phát, kèm theo mức độ nghiêm trọng của sự cố để người dùng có thể tham khảo cho kết quả phân tích của mình. Hình 8. Kết quả giám sát PD theo thời gian thực cho máy phát theo giá trị Qm Hình 9. Kết quả đồ thị PRPD và 3PARD cho 3 pha của máy phát 394
CHUYỂN ĐỔI SỐ VÀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN QUỐC GIA Hình 10. Phân tách nhiễu và nguồn PD sử dụng công nghệ 3PARD theo IEEE 1434 Hình 11. Chức năng tự động phân tách cụm và đưa ra đánh giá dạng PD hỗ trợ người dùng phân tích chính xác hơn 395
KỶ YẾU HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC NĂM 2022 4. KẾT LUẬN Ứng dụng các công nghệ giám sát, chuẩn đoán mới đảm bảo cho nhà máy nhiệt điện hoạt động tin cậy, an toàn, kinh tế, nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm tỷ lệ dừng máy do sự cố và tỷ lệ dừng máy BDSC theo kế hoạch, kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị quan trọng có giá trị lớn. Ứng dụng công nghệ giám sát trực tuyến PD tình trạng cách điện cuộn dây stator đem lại hiệu quả rất cao, vì sự cố máy phát liên quan đến cách điện stator chiếm tỷ trọng rất lớn, chính vì vậy cần triển khai lắp đặt hệ thống giám sát trực tuyến và đào tạo chuyên sâu đội ngũ đánh giá kết quả hoạt động PD để làm chủ công tác vận hành và chủ động trong kế hoạch bảo dưỡng sửa chữa thiết bị. 396