Giải pháp giảm nhiễu vầng quang trong đo lường phóng điện cục bộ cho máy biến áp lực

Thứ ba - 23/04/2019 22:22
TÓM TẮT
Đo lường phóng điện cục bộ (Partial Discharge - PD) là một trong những hạng mục thí nghiệm quan trọng nhất để đánh giá chất lượng toàn bộ hệ thống cách điện của thiết bị điện (nói chung) và máy biến áp lực (nói riêng) sau khi xuất xưởng và trong thời gian vận hành, để có giải pháp xử lý kịp thời trước khi sự cố xảy ra. Trong quá trình đo lường, việc khử nhiễu vầng quang phát sinh ở các đầu cực máy biến áp lực là rất quan trọng, vì chúng có thể “che” các tín hiệu phóng điện cục bộ cần đo xảy ra bên trong hệ thống cách điện. Bài viết xin giới thiệu một giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu vầng quang trong quá trình đo phóng điện cục bộ cho các máy biến áp lực trên lưới điện cao áp.

I. GIỚI THIỆU
Theo tiêu chuẩn IEC 60270 [1], phóng điện cục bộ (PĐCB) được định nghĩa là các phóng điện nối tắt một phần cách điện giữa các điện cực và có thể xảy ra gần điện cực hoặc không, với một ví dụ ở hình 1 minh họa về phóng điện trong một bọc khí nhỏ trong thể tích cách điện, do quá trình chế tạo không hoàn hảo. Tổng quan lý thuyết cơ bản về PĐCB đã được giới thiệu trong [2] và do đó, không được giải thích thêm ở đây.
 
Hình 1. PĐCB trong bọc khí bên trong thể tích cách điện.

Theo [3], quy trình đo phóng điện cục bộ cho máy biến áp lực (MBA) dưới hình thức đo điện áp cảm ứng (induced voltage test) gồm 5 bước chính như sau: 1) cấu hình mạch đo cao áp (giới thiệu ở hình 2) - theo đó, MBA thử nghiệm và khu vực lân cận cần được nối đất tốt; sử dụng bộ lọc thông thấp (low-pass filter) ở phía cấp nguồn cực hạ áp để chặn các tín hiệu xung cao tần truyền sang MBA; các đầu cực (phía cao áp và hạ áp có điện áp định mức bằng hay lớn hơn 69 kV) cần lắp các điện cực che chắn (external shielding/screening electrodes) hay màn che (corona shieldings) hạn chế phóng điện vầng quang (corona) gây nhiễu cao tần, minh họa ở hình 3; bề mặt sứ cần sạch và khô để tránh phóng điện bề mặt (surface discharges), 2) lựa chọn dãy tần đo, 3) hiệu chuẩn, 4) thời gian và giá trị đặt điện áp nguồn thử nghiệm, 5) đánh giá kết quả đo. Nội dung chính của bài viết tập trung vào bước 1, cụ thể về các điện cực che chắn (màn che) để giảm thiểu phóng điện vầng quang, nên chi tiết về các bước khác có thể tham khảo theo [3].

 
Hình 2. Cấu hình mạch đo cao áp thử nghiệm điện áp cảm ứng cho một MBA một pha theo chế độ tương hỗ mạch nhánh đầu sứ (bushing tap coupling) để đo PĐCB [3]
 
Hình 3. Các điện cực che chắn lắp trên các đầu sứ của một MBA một pha 500 kV tránh phóng điện vầng quang ảnh hưởng đến thử nghiệm đo PĐCB [3]
II. CÁC DẠNG MÀN CHE GIẢM NHIỄU VẦNG QUANG TRONG ĐO LƯỜNG PHÓNG ĐIỆN CỤC BỘ
Trong phép đo PĐCB theo sơ đồ hình 2, khi cấp nguồn tại đầu cực MBA thử nghiệm phía hạ áp, đầu cực phía cao áp sẽ xuất hiện điện trường với cường độ cao, đặc biệt tại các vị trí có điểm nhọn, gây ra hiện tượng phóng điện vầng quang, một dạng phóng điện cục bộ trong không khí, là nhiễu không mong muốn có thể che các xung PĐCB thực sự xảy ra trong hệ thống cách điện của MBA. Trong thực tế, kích thước đầu cực MBA nhỏ hơn so với các khoảng cách khí đến các điểm điện thế khác (phần nối đất hay đầu cực pha khác), cường độ trường sẽ cao trong khu vực lân cận các đầu cực này [4]. Vì vậy, việc sử dụng các điện cực che phụ (external screening electrodes) thích hợp, lắp trên các đầu cực cao áp MBA làm đồng nhất phân bố điện trường, sẽ làm giảm đáng kể hiện tượng phóng điện vầng quang phát sinh. 
Hình 4 giới thiệu các dạng điện cực che tiêu biểu, đặt trên cấu trúc cách điện có dạng trụ như cách điện đỡ hay xuyên, tụ cao áp, MBA với các điểm có cường độ điện trường cao biểu thị bằng các dấu mũi tên. Theo [4], các dạng điện cực hình c) và d) có tác dụng “che” các điểm có điện trường cục bộ cao, giảm giá trị và dời đến các vị trí thích hợp, so với các dạng điện cực hình a) và b).

 
Hình 4. Các dạng điện cực che chắn lắp trên kết cấu cách điện [4].

Theo [4], để tính toán các kích thước điện cực hình cầu (hình 4c), cần xác định điện trường tại các mặt hình cầu đồng tâm có bán kính trong rk (tức bán kính ngoài điện cực) và bán kính ngoài R (có thể coi xấp xỉ bằng khoảng cách từ tâm điện cực đến phần nối đất gần nhất). Cường độ điện trường ở các điểm có bán kính rk so với tâm là lớn nhất so với tại các vị trí khác, và được xác định theo (1) khi có điện áp U giáng lên điện cực (so với đất):
Emax = U/rk/(1-rk/R)  (1)
 Cường độ điện trường cực đại có thể có tại các vị trí này là cường độ trường gây phóng điện chọc thủng (breakdown field strength) Ed. Nếu R >> rk, điện áp phát sinh phóng điện (inception voltage) có thể tính xấp xỉ theo (2):
Ue  » Ed×rk  (2)
Giá trị Ed có thể chọn bằng 20 kV/cm trong điều kiện khí quyển bình thường, phóng điện trong không khí dưới tác dụng của điện áp xoay chiều. Có quy luật kinh nghiệm đơn giản giữa đường kính d = 2×rk và Ue như sau:
d (theo mm) ³ Ue (theo kV)  (3)
Quy luật trên áp dụng tốt cho các điện cực bề mặt dạng cầu trơn với điện áp tác dụng lên đến 1 MV (cường độ điện trường ở bề mặt điện cực có thể đạt ở mức 10 kV/cm). Ở các điện áp cao hơn, đường kính điện cực cần tăng theo tỷ lệ phi tuyến và khi đó, bề mặt điện cực có thể thiết kế dạng mặt cầu từ các mặt rời rạc, như minh họa ở hình 3, vì lí do kinh tế và công nghệ chế tạo.
Đối với các điện cực dạng trụ (hình 4d), giá trị Ue được xác định theo (4):
Ue  » Ed×rk×ln(R/rk)  (4)
Ngoài ra, còn có các dạng điện cực che khác, với quy trình thiết kế - kiểm tra dựa trên mô phỏng từ các chương trình tính toán số, như tính toán phần tử hữu hạn (finite element program). Chi tiết xin tham khảo trong [5].
 
III. THỰC TRẠNG VÀ GIẢI PHÁP GIẢM THIỂU PHÓNG ĐIỆN VẦNG QUANG KHI ĐO PĐCB CHO MBA CAO ÁP
Trong thực tế, các đầu cực MBA được thiết kế dạng thanh đồng mạ, ống tròn dài, nhằm đấu các dây cáp điện cho mục tiêu thử nghiệm và vận hành kết nối lưới điện. Trong đo lường thí nghiệm PĐCB, các đầu cực phía cao áp của các MBA ở tình trạng hở mạch không kết nối (floating) sẽ làm phát sinh phóng điện vầng quang tại các điểm nhọn, do cường độ điện trường cục bộ tại các điểm này vượt quá giá trị tới hạn. Hình 5 giới thiệu lần lượt hình ảnh thực tế hiện trường đo lường PĐCB cho một MBA, trước và sau khi các đầu cực cao áp có lắp màn che, thiết kế theo phương trình (3); hình 6 giới thiệu các kết quả đo lường tương ứng, theo đó, nhiễu do vầng quang đã được loại trừ đáng kể sau khi ứng dụng giải pháp.

 
 
Hình 5. MBA thử nghiệm với đầu cực cao áp trước và sau khi lắp màn che.
 
Hình 6. Nhiễu do phóng điện vầng quang ghi nhận trong kết quả đo PĐCB trước và sau khi lắp màn che.
 
IV. KẾT LUẬN
      Việc loại bỏ nhiễu do phóng điện vầng quang tại các đầu cực MBA trong phép đo phóng điện cục bộ có ảnh hưởng rất lớn đến độ tin cậy và tính chính xác của phép đo; qua đó, nâng cao hiệu quả kỹ thuật – kinh tế cho các công ty thí nghiệm chẩn đoán MBA ở Việt Nam. Giải pháp đề xuất đã được chứng minh hiệu quả trong thực nghiệm.
 
V. TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH
[1] IEC 60270 - High-voltage test techniques-Partial discharge measurements
[2] Phạm Đình Anh Khôi, Phóng điện cục bộ trong cách điện, Bản tin hội điện lực Miền Nam, số 16, trang 10-14, 2016.
[3] Wolfgang Hauschild, Eberhard Lemke, High-Voltage Test and Measuring Techniques, Springer Berlin Heidelberg, Mar 7, 2014.
[4] Dieter Kind, Hermann Kaerner, High-voltage insulation technology, Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 1985.
[5] N. Pattanadech, S. Potivetkul, P. Yuttagowith, Corona Phenomena of Various High Voltage Shielding Types, International Conference on Power System Technology, 2006.
KS. NGUYỄN TRƯỜNG HẢI
Cty Thí nghiệm Điện miền Nam
TS. PHẠM ĐÌNH ANH KHÔI
ĐH Bách Khoa TP. HCM

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết
banner cuoi trang
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây