Máy điện quay nói chung hay máy phát điện nói riêng là một trong những thành phần quan trọng bậc nhất trong hệ thống điện. Bởi vậy, độ tin cậy cung cấp điện của máy điện quay luôn được yêu cầu rất cao. Các thống kê cho thấy phần lớn các sự cố trong các máy điện quay liên quan đến các hư hỏng trong hệ thống cách điện stator. Hiện tượng lão hóa cách điện của cuộn dây stator có thể xảy ra ở cả trong rãnh hoặc phần đầu cuối. Nếu tình trạng cách điện không được giám sát thường xuyên, các đánh giá thiếu sót có thể dẫn đến kế hoạch bảo trì không hợp lý, có thể dẫn đến hư hỏng cách điện và tốn chi phí sửa sữa. Hoạt động phóng điện cục bộ ((Partial Discharges) là một thông số đáng tin cậy để đánh giá tình trạng cách điện, nó thường là biểu hiện của sự cố cách điện mà có thể dẫn tới hư hỏng thiết bị. Do đó, giám sát PD online là một kỹ thuật hiệu quả để đánh giá liên tục tình trạng hệ thống cách điện stator của máy điện quay.
Giám sát phóng điện cục bộ online 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:
- Các khuyết tật sinh ra từ quá trình sản xuất, gia công cách điện của nhà sản xuất
- Hiện tượng phân lớp cách điện do tác động của cơ khí, nhiệt độ trong quá trình vận hành
- 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
- Khoảng cách giữa các thanh dẫn phần end-winding (cuối cuộn dây) không đảm bảo
- Cuộn dây nhiễm ẩm, nhiễm bẩn
- Các lớp OCP (slot coating), EPG (stress control coating) bị lão hõa hoặc hư hỏng.
Thống kê về phần trăm tỷ lệ sự cố xảy ra trong máy điện quay và stator theo IEEE
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 online 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) bởi vì chúng ta có thể ngăn ngừa và phòng tránh những hư hỏng nghiêm trọng.
Hệ thống giám sát phóng điện cục bộ cho máy phát điện
PD là dạng phóng điện cục bộ mà bắc cầu một phần của cách điện và xảy ra tại khu vực khiếm khuyết hoặc hư hỏng của cuộn dây stator. Khi xảy ra, một xung dòng điện với một năng lượng nhất định và thời gian tăng (rise time ) 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 PD trong cuộn dây stator không thể được đo tại vị trí chúng xuất hiện, đặc tính các xung đo được sẽ khác so với bản chất của xung tại vị trí PD xảy ra.
Kiểm tra và giám sát PD 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 (signal-to-noise ratio) tốt nhất.
Hệ thống giám sát PD liên tục, lắp đặt cố định cho các máy phát điện tuân theo các tiêu chuẩn IEC 60034-27-1 (2017), IEC 60034-27-2 (2012) và IEEE 1434 (2014), bao gồm các thành phần:
Hệ thống giám sát PD online cho máy phát điện tuân theo IEC 60034-27-2
Theo IEC 60034-27-2, hệ thống giám sát PD cho máy phát điện bao gồm các thành phần sau:
- Cảm biến đo kiểu tụ (coupling capacitor): tạo mạch kín tổng trở thấp cho dòng xung PD từ đối tượng giám sát chạy qua cho mục tiêu đo lường
- Hệ thống truyền dẫn: cáp cao áp đấu nối từ tụ điện đến đầu cực máy phát, cáp đồng trục nối từ tụ điện đến thiết bị đo, hộp đấu nối trung gian (terminal box), cáp quang,…
- Hệ thống giám sát PD: bộ thu thập dữ liệu, bộ điều khiển kết nối với máy tính có cài đặt phần mềm giám sát PD.
Phương án lắp hệ thống giám sát PD cho máy phát
Hệ thống giám sát PD liên tục, lắp đặt cố định cho các máy phát điện tuân theo các tiêu chuẩn IEC 60034-27-1 (2017), IEC 60034-27-2 (2012) và IEEE 1434 (2014). Cho phép đưa dữ liệu giám sát lên hệ thống máy tính trung tâm hoặc tích hợp vào hệ thống SCADA.
Hệ thống giám sát PD lắp cố định cho một hoặc nhiều tổ máy
Hệ thống bao gồm:
a) Cảm biến kiểu tụ
Cảm biến điện dung (Coupling capacitor) được thiết kế với độ bền cách điện và sức chịu đựng trong môi trường hoạt động của máy phát đạt tiêu chuẩn của hãng sản xuất và được thí nghiệm, kiểm tra đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế:
- Voltage tests, type tests, routine tests: IEC 60071-1, IEC 60358, IEEE 1434, EC 60034-27
- Long-time voltage test: IEC 60034-27-2
- Partial discharge measurement: IEC 60270
- Vibration: ISO 8528-9, IEC/EN 60068-2-6
Cảm biến kiểu tụ lắp trên thanh cái vòng.
Minh họa sơ đồ lắp đặt 03 cảm biến điện dung cho 03 pha máy phát theo IEC/TS 60034-27-2
b) Khối giám sát
- Tất cả hệ thống giám sát được nằm trong hộp bảo vệ kín bằng kim loại, chống bụi bẩn, chống nước, cấp bảo vệ IP 65.
- Bộ thu thập dữ liệu PD đa kênh đồng bộ hóa.
- Kết nối tới máy tính trung tâm thông qua cáp quang đảm bảo truyền tín hiệu không gián đoạn trên khoảng cách dài, chống nhiễu ngoài môi trường.
c) Máy tính trung tâm
- Đảm bảo lưu trữ dữ liệu với thời gian dài.
- Tích hợp sẵn phần mềm giám sát và phân tích
- Cho phép tích hợp với hệ thống SCADA
d) Phần mềm giám sát và phân tích
- Phần mềm đo, phân tích PD:
+ Hiển thị tức thời giá trị điện tích PD
+ Cho phép lựa chọn dải tần số đo (bao gồm tần số trung tâm và dải tần số).
+ Hiển thị trực quan dạng xung PD theo biên độ và góc pha điện áp (PRPD), từ đó xác định nguyên nhân của hiện tượng phóng điện (bề mặt, tiếp xúc, khe hở, vầng quang,…)
+ Lọc nhiễu theo tần số đo hoặc theo ngưỡng PD
+ Tín hiệu đo được đồng bộ hoá trên các kênh nên có thể sử dụng công cụ sơ đồ quan hệ biên độ 3 pha (3PARD) để phân tách nhiễu và nguồn PD
- Phần mềm giám sát PD:
+ Có khả năng quan sát và ghi lại xu hướng thay đổi theo thời gian thực của giá trị điện tích PD
+ Hướng dẫn từng bước để cài đặt giám sát
+ Cho phép cài đặt cảnh báo theo ngưỡng PD
+ Có khả năng tự động phân tách các cụm PD trong sơ đồ 3PARD và đánh giá các dạng PD cho máy phát điện
+ Tạo báo cáo tự động