Sự ổn định trong quá trình vận hành của máy phát và động cơ phụ thuộc rất nhiều vào độ bền của hệ thống cách điện. Và một trong những nguyên nhân trực tiếp/ gián tiếp gây ra hiện tượng hỏng hóc thiết bị là do hiện tượng phóng điện cục bộ, nó sẽ phản ánh tình trạng của lớp cách điện đó. Vậy, phóng điện cục bộ là gì, ảnh hưởng của phóng điện cục bộ lên thiết bị là gì?
Phóng điện cục bộ là gì?
Phóng điện cục bộ (Partial Discharge-PD) là hiện tượng những tia lửa điện nhỏ xuất hiện trong vật liệu cách điện của các thiết bị trung và cao thế. PD được hình thành do ứng suất điện các khoang rỗng bên trong lớp cách điện vượt quá ứng suất chịu đựng của không khí trong khoang trống này. Có thể hiểu đơn giản là độ bền điện của không khí (Eair = 3kV/mm) kém hơn rất nhiều so với độ bền điện của lớp cách điện (thường là epoxi-mica) rất nhiều lần (Einsulator ≈ 300kV/mm), do đó mỗi một khoang rỗng xuất hiện trong chất cách điện nó là một điểm yếu của lớp cách điện. Khoang rỗng không khí luôn chịu cường độ điện trường lớn đặt lên nó vì vậy không khí trong các khoang trống đó thường xuyên bị ion hóa và bị đánh thủng do độ bền điện của không khí rất kém.
Nguyên nhân gây ra hiện tượng phóng điện cục bộ
Trong tự nhiên, hiện tượng sét cũng là một hiện tượng phóng điện. Nó xuất hiện khi các đám mây trên trời cọ xát vào nhau và tích điện, cho đến khi điện tích đủ lớn ion hóa không khí xung quanh, phóng điện xuống mặt đất, gây ra hiện tượng “sét đánh”. Trong cách điện của stator, máy phát và động cơ trung thế, tác nhân sinh ra điện tích là điện áp trung thế. Trong thanh dẫn stator, các khoang trống trong lớp cách điện của thanh dẫn stator tương đương như một cặp “bầu trời” và “mặt đất”. Do đó, sẽ xuất hiện “sét” bên trong lớp cách điện nếu cách điện có các khoang trống không khí và đặt trong điện trường >3kV/mm.
Hình ảnh sét (hiện tượng phóng điện cục bộ) trong tự nhiên
Luôn có sự xuất hiện của các khoang rỗng không khí bên trong lớp cách điện, vì vậy, hiện tượng phóng điện cục bộ luôn tồn tại khi máy điện trung thế hoạt động. Theo tiêu chuẩn bảo trì – bảo dưỡng thiết bị điện NFFA 70B, nguyên nhân cơ bản của những sự cố về điện ở thiết bị điện trung và cao thế là do hư hỏng về lớp cách điện. Và phóng điện cục bộ PD được xác định là tác nhân hoặc triệu chứng gây ra hiện tượng này.
Ban đầu, PD thường do khiếm khuyết nhỏ gây ra, dẫn đến hàng nghìn lần phóng điện nhỏ lặp lại, sau đó phóng điện cục bộ mở rộng và phát triển dần theo thời gian. Cuối cùng, phóng điện này từ “cục bộ”, “một phần” trở thành “toàn bộ”, gây ra các sự cố nghiêm trọng, dẫn đến hỏng hóc thiết bị (phạm vi bài viết này này đề cập tới máy phát và động cơ điện).
Có những loại phóng điện cục bộ nào?
Đối với từng loại PD khác nhau ghi nhận được, ta có thể tìm được ra nguyên nhân cốt lõi của hỏng hóc. Có 4 loại PD chính trong các máy phát và động cơ trung thế:
- PD trong những khoang rỗng nằm giữa cách điện: PD xuất hiện do quá trình sản xuất ngâm tẩm cuộn dây stator. PD này sẽ phát triển dần dần và khoang rỗng ngày càng lớn lên và kết quả sẽ gây ra phóng điện sự cố làm cháy cuộn dây stator.
Hình ảnh lỗ trống nằm giữa lớp cách điện
- PD pha với pha: Xuất hiện do quá trình sản xuất khoảng cách giữa các cuộn dây của các pha không đủ, hiện tượng này thường xuất hiện tại phần cuối cuộn dây (bên ngoài rãnh Stator).
Khoảng các cuộn dây giữa các pha không đủ gây ra PD pha với pha
- PD trong rãnh: Là PD gây ra bởi lỏng cuộn dây trong rãnh startor sẽ dẫn đến phóng điện trong rãnh stator.
Hình ảnh lỏng cuộn dây stator gây phóng điện tạo ra các bột trắng
- PD khoang rỗng liền kề thanh dẫn đồng: Vị trí xảy ra PD nằm ngay cạnh thanh dẫn đồng do cách điện bị hư hại vì nhiệt.
Hình ảnh cách điện bị hư hại vì nhiệt
Phân cấp tình trạng phóng điện cục bộ gây ra cho thiết bị
Ảnh hưởng của hiện tượng phóng điện cục bộ thường được phân cấp và chia làm 6 mức độ khác nhau:
- Neglible: Mức độ rất thấp, thường là những máy có kết quả kiểm tra PD nẳm thứ hạng dưới <25 trong máy tương đương.
- Low: Mức thấp là những máy có kết quả kiểm tra PD nằm trong thứ hạng <50 trong 100 máy tương đương.
- Typical: Mức phổ biến là những máy có kết quả kiểm tra PD nằm trong thứ hạng <75 trong 100 máy tương đương
- Moderate: Mức trung bình là những máy có kết quả kiểm tra PD nằm trong thứ hạng <90 trong 100 máy tương đương
- High: Mức cao là những máy có kết quả kiểm tra PD nằm trong thứ hạng <95 trong 100 máy tương đương
- Very high: Mức rất cao là những máy có kết quả kiểm tra PD nằm trong thứ hạng >95 trong 100 máy tương đương.
Khi máy nằm trong mức High hoặc Very High là những mức cần phải phân tích và tiến hành kiểm tra kỹ lưỡng để kết luận chính xác về việc có nên dừng máy sửa chữa hay không.
Bảng phân cấp tình trạng phóng điện cục bộ dựa theo Qm cho máy phát/động cơ làm mát bằng không khí (Qm là đại lượng đặc trưng cho tình trạng PD)
Phương pháp giám sát tình trạng phóng điện cục bộ đang xảy ra trên thiết bị
Giám sát không sử dụng thiết bị chuyên dụng
Phóng điện cục bộ thường xảy ra tại vị trí trong các lớp cách điện nên rất khó phát hiện bằng mắt thường. Chỉ duy nhất PD pha với pha là có thể nhận biết dễ dàng khi tiến hành dừng máy kiểm tra. Còn các trường hợp còn lại bắt buộc phải ngưng hoạt động của máy, tháo cuộn dây để kiểm tra sửa chữa.
Giám sát sử dụng các thiết bị đo chuyên dụng
Việc sử dụng mắt thường để kiểm tra thường được coi là tốn chi phí nhân công và không dự đoán chính xác được tình trạng phóng điện cục bộ. Vì thế, cách tốt nhất để thực hiện kiểm tra, giám sát tình trạng phóng điện cục bộ (PD) là được thực hiện thông qua việc sử dụng các thiết bị đo chuyên dụng:
Có 2 phương pháp chính là giám sát online và giám sát offline. Giám sát online được thực hiện khi máy điện hoạt động bình thường có mang tải, giám sát offline được thực hiện khi dừng máy, tiến hành bằng bơm điện áp thử nghiệm vào cuộn dây stator.
– Giám sát online: Là biện pháp hiệu quả vì không làm ảnh hưởng tới việc hoạt động bình thường của máy điện và có thể tiến hành bất kỳ lúc nào khi máy điện hoạt động. Giám sát online chia thành 2 loại chính là giám sát online liên tục và giám sát online định kỳ:
+ Giám sát online liên tục: sử dụng thiết bị giám sát lắp cố định và hệ thống máy tính giám sát.
+ Giám sát online định kỳ: sử dụng thiết bị giám sát cầm tay và máy tính xách tay để thực hiện kiểm tra định kỳ tình trạng máy.
– Giám sát offline: Thường sử dụng trong các kỳ sửa chữa lớn, cần dừng máy và tháo rotor máy phát, bơm điện áp thử nghiệm vào stator, kiểm tra từng thanh dẫn, thông qua các thiết bị chuyên dụng. Ưu điểm của phương pháp này là có thể phát hiện được chi tiết thiết bị, cho kết quả chuẩn xác, nhưng nhược điểm phải tốn chi phí dừng máy và nhân công cho việc kiểm tra. Bên cạnh đó, qáu trình bơm điện áp thử nghiệm cũng ảnh hưởng tới tuổi thọ của của cuộn dây stator.
Các phương pháp hạn chế phóng điện cục bộ ảnh hưởng lên thiết bị
Tương ứng với từng loại phóng điện cục bộ, để hạn chế tồn tại và phát triển PD sẽ có những phương án sau:
- Hạn chế PD trong khoang rỗng nằm giữa lớp cách điện: Cần tiến hành kiểm soát chất lượng tốt tại xưởng sản xuất hạn chế xuất hiện của những khoang rỗng này trong quá trình cuốn lớp cách điện stator và ngâm tẩm cách điện stator.
- Hạn chế PD pha với pha: Quá trình sản xuất và tổ hợp tại công trường phải được kiểm soát chất lượng tốt, tránh để khoảng cách các thanh dẫn giữa pha với pha đặt quá gần nhau vi phạm khoảng cách yêu cầu.
- Hạn chế PD trong rãnh: Kiểm soát tốt công tác tổ hợp stator tại hiện trường, kiểm tra, sửa chữa các nêm chèn thanh dẫn trong quá trình sửa chữa lớn; tiền hành lắp các thiết bị đo độ rung thanh dẫn, giám sát PD online để phát hiện sớm và tiến hành sửa chữa.
- Hạn chế PD khoang rỗng liền kề thanh dẫn đồng: Cần có hệ thống làm mát máy phát hoạt động tốt và ổn định, để hạn chế các sự cố mất cân bằng điện áp pha, quá tải, thay đổi tải quá nhiều. Cần trang bị thêm hệ thống giám sát PD để biết được mức độ ảnh hưởng của PD, để đánh giá, phát hiện và ngăn ngừa sự cố kịp thời xảy ra trên thiết bị.
Ta có thể thấy rằng để hạn chế PD trong khoang rỗng nằm giữa lớp cách điện và hạn chế PD pha với pha là phụ thuộc vào hãng sản xuất; hạn chế PD trong rãnh và PD khoang rỗng liền kề với thanh dẫn đồng phụ thuộc vào sửa chữa và vận hành của người sử dụng cuối cùng. Tuy nhiên, người sử dụng thường chỉ can thiệp vào được việc sửa chữa theo lịch cố định, việc vận hành chu kỳ lên xuống tải do điều độ hệ thống điện quốc gia thực hiện.
Tóm lại, PD luôn tồn tại do quá trình sản xuất vận hành và sửa chữa và nằm ngoài tầm kiểm soát của người sử dụng cuối cùng. Vì vậy, cách tốt nhất cần phải có công cụ giám sát được mức độ PD để đưa ra quyết định cần dừng máy sửa chữa những hư hại cách điện trong stator máy phát hay không. Công ty Cổ phần Công nghệ và Giải pháp S5T Việt Nam hiện cung cấp các thiết bị và giải pháp giám sát phóng điện cục bộ, giúp khách hàng có công cụ đánh giá tình trạng phóng điện cục bộ. Ngoài ra, để giám sát tổng thể S5T cũng cung cấp cho khách hàng giải pháp giám sát như: giám sát từ thông, giám sát dòng điện, điện áp dọc trục, độ rung cuối cuộn dây tích hợp cùng giám sát PD nếu khách hàng có nhu cầu giám sát tổng thể trên một hệ thống.
