Công nghệ dự báo sớm sự cố và quản lý vòng đời máy biến áp

PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 643

CÔNG NGHỆ DỰ BÁO SỚM SỰ CỐ
VÀ QUẢN LÝ VÒNG ĐỜI MÁY BIẾN ÁP
TS. Trần Duy Châu
Tập đồn Điện lực Pháp – EDF
Cơng ty Công nghệ SIMPIRECT
Hội Điện và Năng lượng tại Pháp  AEEE
Tóm tắt: Phần lực trong máy biến áp được cách ly bằng giấy cách điện và được ngâm
trong cách điện dầu. Do đó, dầu biến áp và giấy cách điện là một cơ sở quan trọng
phản ánh tình trạng của máy. Một số kỹ thuật chẩn đốn hóa học đã được phát triển
và kiểm chứng thực tiễn để theo dõi tình trạng giấy cách điện như: độ phân hủy
polymer của giấy, nồng độ cacbon oxit (CO, CO2), hợp chất furan và rượu methal. Bài
viết này tập trung vào so sánh các đặc điểm và giới hạn của các chỉ số hóa học này để
từ đó đề xuất một cơng cụ mới nhằm dự báo sớm sự cố, lập lịch bảo dưỡng và tối ưu
hóa đầu tư thay mới thiết bị.
Từ khóa: máy biến áp, dự báo sự cố, bảo dưỡng có điều kiện, quản lý thiết bị, già hóa,
dầu biến áp, chỉ số hóa học.

1. TỔNG QUAN CHUNG

Máy biến áp điện nói riêng và các thiết bị tẩm dầu nói chung chiếm một phần lớn
trong tài sản lưới điện và là một bộ phận tối quan trọng về mặt kĩ thuật ở mọi cấp độ, từ
truyền tải đến phân phối. Sự cố bất ngờ tại các thiết bị này không chỉ gây ra giảm doanh
thu, ngừng cung cấp điện mà cịn có thể dẫn đến tai nạn cháy nổ hoặc các thảm họa mơi
trường do sự tràn dầu.
Vì vậy, ngành điện cần phải có sự giám sát thích hợp và kỹ thuật chẩn đốn chính
xác để phát hiện sớm các vấn đề phát sinh để tránh sự cố lan rộng trên lưới và giúp cung
cấp dự đoán hiệu quả cho cơng tác bảo trì để cải thiện độ tin cậy của thiết bị ngâm
dầu [1].
Thơng thường, tình trạng của máy biến áp được đánh giá thơng qua tình trạng chất

lượng của hệ thống cách điện bao gồm giấy cách điện ngâm trong dầu cách điện [2, 3].
Sự cố máy biến áp thường là kết quả của sự xuống cấp trong một thời gian dài của dầu
và giấy cách điện do sự kết hợp của nhiệt (phân huỷ), độ ẩm (thủy phân) và khơng khí
(oxy hóa) [4, 5, 6]. Dưới tác dụng của các điều kiện điện và nhiệt trong quá trình vận
hành, dầu và giấy cách điện phân hủy sinh ra nhiều sản phẩm hóa học khác nhau, mỗi
sản phẩm sẽ đặc trưng cho một loại sự cố nảy sinh trong máy.
Trong bài viết này, tác giả giới thiệu và so sánh một số chỉ số hóa học có thể dùng
để phát hiện sớm các sự cố phát sinh, hoặc giúp theo dõi tình trạng già hóa của máy
biến áp để từ đó phân loại và ưu tiên bảo dưỡng hoặc thay mới.


644 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017

Hình 1: Cuộn dây và cách điện giấy của một MBA truyền tải

2. LÀM THẾ NÀO ĐỂ ĐÁNH GIÁ GIÀ HÓA MÁY BIẾN ÁP?

Các nghiên cứu khoa học cũng như thực tiễn vận hành đã cho thấy phần quyết
định tuổi thọ của máy biến áp chính là giấy cách điện vì đó là lớp bảo vệ trực tiếp cho
các cuộn dây nhưng lại được cấu thành bởi các sản phẩm hữu cơ già hóa theo thời gian
và khơng thể dễ dàng thay thế. Ngồi ra đây là thành phần nhạy cảm với các yếu tố vận
hành như phụ tải hoặc sự hiện diện của độ ẩm. Kết quả là tuổi thọ của máy biến áp
thường được đồng hóa với tuổi thọ của giấy cách điện.
Giấy cách điện bao gồm cellulose, hemicellulose, lignin và một số chất khoáng.
Hai loại giấy cách điện thông dụng nhất là giấy Kraft và giấy Karft gia nhiệt. Giấy Karft
chiếm xấp xỉ 80% cellulose, 12% hemicellulose và 8% lignin và một số chất khoáng.
Giấy Kraft gia nhiệt chứa 40 đến 50% cellulose, 10  30% hemicellulose và khoảng
20 30% lignin. Cellulose là một polymer tuyến tính của các phân tử glucose, được kết
nối cùng nhau thông qua liên kết glycosidic [7]. Khi giấy cách điện bị già hóa và phân
hủy, các liên kết này có xu hướng đứt mạch làm cho chuỗi phân tử cellulose ngắn

hơn. Kết quả là độ bền cơ học của lớp cách điện bị suy giảm gây nguy cơ chọc thủng
cách điện.
Độ dài trung bình của các polymer được đo bằng số phân tử cellulose trong một
chuỗi – DP (Degree of Polymerization). Giấy cách điện mới đưa vào sử dụng trong
MBA có DP là 1200 và trong q trình sử dụng, khi DP giảm xuống 200 thì độ bền cơ
học của giấy bị giảm một nửa. Lúc này coi như giấy đã hết khả năng sử dụng và không
thể đảm bảo khả năng cách điện của mình. Đây cũng được coi là giới hạn tuổi thọ của
MBA.


PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 645

Các minh họa dưới đây sẽ làm rõ hơn mối tương quan DP và độ bền của giấy
cách điện.

Hình 2: Đo đạc độ bền cơ học và tương quan với độ dài chuỗi polimer của giấy cách điện (DP)
Bảng 1. Đánh giá thực tiễn tình trạng già hóa thơng qua DP

Degree of
Polymerization (DP)

Độ bền cơ học

Tình trạng MBA

1000 1500

Rất tốt (giấy mới)

Cách điện đạt tiêu chuẩn

450 1000

Ổn định

250 450

Báo động

200 250

Gần hết khả năng chịu lực

Nguy hiểm

< 200

Khơng cịn khả năng chịu lực

Hết tuổi thọ

Già hóa bình thường
(vận hành bình thường)
Già hóa cao
(vận hành dưới chuẩn)

Trong thực tế vận hành, không thể đo trực tiếp DP của giấy cách điện vì ngồi
việc phải cắt điện và làm gián đoạn truyền dẫn, việc này còn hưởng đến độ tồn bộ máy
do phải trích giấy để lấy mẫu đo và do đó làm suy giảm khả năng cách điện của máy.
Cách tiếp cận gián tiếp thông qua thu thập và đo đạc các sản phẩm hóa học sản sinh ra

trong q trình già hóa của giấy và hòa tan trong dầu là một hướng đi tiên tiến, có tính
khả thi cao và đã được kiểm chứng bởi nhiều đơn vị vận hành trên thế giới.
3. ĐO KHÍ HỊA TAN – ƯU ĐIỂM VÀ HẠN CHẾ

Một trong những kỹ thuật truyền thống để gián tiếp đánh giá già hóa giấy cách
điện là sử dụng phân tích khí hòa tan (DGA).


646 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017
Các khí phát sinh do phân hủy dầu là hydro (H2), metan (CH4), axetylen (C2H2),
etylen (C2H4) và ethane (C2H6), trong khi cacbon monoxit (CO) và carbon dioxide
(CO2) chủ yếu được sinh ra trong quá trình phân hủy của giấy cách điện. Chúng hồn
tồn có thể được sử dụng như là một nguồn cảnh báo sớm các sự cố có thể phát sinh
[8, 9, 10]. Các đặc tính và nồng độ các loại khí hịa tan trong dầu biến áp khác nhau tùy
theo tính chất của sự cố, và do đó có thể được sử dụng để xác định bản chất và phân loại
sự cố. Tuy nhiên, phân tích khí khơng phải thật sự đơn giản vì có thể có nhiều hơn một
loại sự cố hiện diện cùng một lúc. Sự cố trong máy biến áp được phân theo nguồn gốc
nhiệt hoặc điện, trong đó mỗi sự cố sẽ phát sinh ra các loại khí đặc trưng khác nhau và
sản sinh ra năng lượng từ mức thấp đến mức cao tùy theo sự xuất hiện hay không các tia
lửa. Phóng điện cục bộ (Partial discharge – PD) là một sự cố mang năng lượng thấp và
sẽ sản sinh ra H2 và CH4, trong khi phóng điện tia lửa được coi là sự cố năng lượng cao
sẽ tạo ra tất cả các khí, đặc biệt trong đó có C2H2 [9, 10, 11].
Bản đồ khái quát các loại sự cố và các khí đặc thù có thể sản sinh ra được giới
thiệu trong hình 3.

Hình 3: Các loại khí đặc thù có thể sản sinh ra bởi các sự cố

Nước và carbon dioxide là những sản phẩm phụ chính của sự thối hóa nhiệt của
cellulose. Vì thế tỷ lệ CO/CO2 thường được sử dụng như một chỉ thị về phân hủy nhiệt
của cellulose. Theo tiêu chuẩn IEEE C57.104, tỷ lệ CO/CO2 bình thường là khoảng 7,

trong khi các giá trị CO2 và CO tương ứng nên lớn hơn hơn 5000 ppm và 500 ppm để
cải thiện độ tin cậy.
Theo [12], khi tỷ số này nhỏ hơn 3, giấy cách điện đã bị già hóa nghiêm trọng hơn
bình thường. Khi tỷ lệ vượt quá 10, nó thể hiện phát sinh sự cố có nhiệt độ dưới 150 °C
(quá tải hoặc phóng điện cục bộ).


PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 647

Theo Duval và cộng sự [13], lỗi bắt đầu phát sinh khi tỷ lệ CO/CO2 nhỏ hơn 6,
trong khi tỷ lệ CO/CO2 cao hơn đề xuất bởi Kan và Miyamoto [14, 15] sau khi xem xét
hiện tượng hấp thụ CO2 và CO vào lớp cách điện.
Ưu điểm của phương pháp này là DGA có thể dễ dàng áp dụng cho máy biến áp
đang hoạt động và là một phương pháp đã được phát triển và chuẩn hóa từ lâu, có thể
được thực hiện với giá thành rẻ.
Tuy nhiên, việc có nhiều cách suy diễn như trên thể hiện tính phức tạp và khơng
thống nhất của việc phân tích kết quả DGA. Hiện tại, chưa có một mối liên hệ trực tiếp
nào được tìm thấy giữa các khí hịa tan và DP. Hơn nữa, việc áp dụng tỷ lệ CO và CO2
như một chỉ báo cho tình trạng già hóa cách điện là khơng đáng tin cậy do bản thân hiện
tượng oxy hóa dầu trong q trình vận hành cũng có thể sản xuất ra các khí này hoặc
đơn giản có thể do sự xâm nhập các khí sẵn có này từ mơi trường bên ngoài vào trong
máy biến áp. Cuối cùng, do giấy gia nhiệt Kraft được đưa vào sử dụng ngày càng rộng
rãi trong các máy biến áp thế hệ mới, các kết quả nghiên cứu cũ có thể khơng cịn đúng
trong trường hợp này.
Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm các hợp chất hóa học
hịa tan trong dầu khác có thể giúp kiểm tra tình trạng già hóa của giấy cách điện. Một
bộ các chỉ số hóa học tiên tiến hơn đã được đề xuất và đã chứng tỏ được độ tin cậy của
mình trên các MBA trên lưới điện tại một số nước trên thế giới.
4. ĐỀ XUẤT 1: CÁC HỢP CHẤT FURAN

Hợp chất Furan chủ yếu được hình thành do q trình oxy hóa của giấy cách điện
và quá trình thủy phân. Các hợp chất này có thể được chiết xuất trực tiếp từ dầu để phản
ánh sự phân hủy nhiệt của giấy cách điện [16]. Hàm lượng furan trong dầu biến thế phụ
thuộc vào tỷ lệ khối lượng giữa dầu và cellulose [17].
Có năm chất dẫn xuất họ Furan có liên quan đến sự ngắt mạch của cellulose
có thể được tìm thấy trong dầu biến thế; 2Fulfural (2FAL), 2Fulfurol (2FOL), 5
Hydroxymetyl2furfural (5HMF), 5metyl2furfural (5MEF) và 2Acetyl furan
(2ACF).
Các phép đo thực nghiệm trên giấy Kraft đã chứng minh rằng giá trị DP giảm
cùng với sự gia tăng nồng độ furan trong dầu biến áp và có một mối quan hệ lơgarít
giữa nồng độ furan trong dầu và DP. Emsley và cộng sự [18], báo cáo rằng tỷ lệ thay
đổi của nồng độ furan trong dầu quan trọng hơn giá trị tuyệt đối đo được. Họ phát hiện
ra rằng nồng độ 2FAL tăng đáng kể khi DP giảm xuống dưới 400 và trước đó, độ thay
đổi nồng độ furan là khơng đáng kể và rất khó phát hiện.
Ngồi ra, các thí nghiệm và kiểm chứng thực tế cho thấy sự già hóa của giấy Kraft
gia nhiệt không sản sinh ra furan.


648 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TỒN QUỐC 2017

Hình 4: Nồng độ furan tương quan với DP

5. ĐỀ XUẤT 2: RƯỢU METHAL

Với các thế hệ MBA mới sử dụng giấy Kraft gia nhiệt, việc sử dụng 2FAL như
chỉ báo sự xuống cấp cách điện không thể thực hiện do loại vật liệu này không sản sinh
ra furan trong q trình già hóa. Ngồi ra, như trên đã nêu, khi DP chưa giảm xuống tới
400, lượng furan đo được biến thiên không đáng kể và do đó khó phát hiện sớm sự già
hóa.
Các thí nghiệm gần đây đã chứng minh rằng trong số các phân tử phát hiện, rượu

methal cũng có khả năng được sử dụng để theo dõi sự già hóa của các loại giấy cách
điện trong điều kiện vận hành bình thường (già hóa tiêu chuẩn). Các báo cáo gần đây
cho thấy, 94% mẫu dầu thu thập từ trong máy biến áp trong vận hành cho thấy sự hiện
diện của rượu methal. Các bài kiểm tra độ ổn định và lão hóa trong [5], đã chứng minh
rằng rượu methal là một sản phẩm không bị oxy hóa và nó được hình thành trong chuỗi
phản ứng hóa học trong q trình già hóa của giấy cách điện. Quan sát cũng cho thấy
rằng rượu methal không bị ảnh hưởng bởi tình trạng lão hóa dầu [19]. Nghiên cứu so
sánh giữa rượu methal và furan cho thấy rượu methal phản ánh kịp thời hơn giai đoạn
đầu của quá trình xuống cấp của giấy cách điện [5].
Hình 5 mô tả nồng độ rượu methal đo được trong các MBA đang vận hành trên
lưới với tuổi đời từ 25 năm tới các máy mới đưa vào vận hành. Chúng ta có thể thấy rõ
hợp chất này được tìm thấy ở mọi giai đoạn của q trình già hóa. Ngồi ra, ở một số
máy có sự cố (chỉ số DGA cao), nồng độ rượu methal cũng tăng cao tương ứng. Điều
này thể hiện một mối quan hệ chặt chẽ giữa nồng độ của hợp chất trên với tình trạng già
hóa của máy và độ ổn định cũng như độ tin cậy của chỉ số này sau nhiều chục năm vận
hành của MBA.


PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 649

Tuổi đời MBA
Hình 5: Nồng độ rượu methal đo được trong các MBA đang vận hành (IREQCanada)

Bảng 2 tóm tắt những lợi thế/bất lợi chính của tất cả các kỹ thuật giám sát tuổi
đời thiết bị ngâm dầu được thảo luận ở trên.
Bảng 2. Tổng hợp và so sánh các chỉ số hóa học dùng trong quản lý tuổi thọ thiết bị

Phương pháp
Degree of
Polymerization (DP)

DGA, CO/CO2

Ưu điểm
Phản ánh chính xác tình trạng
chung và độ bền cơ học của giấy
cách điện
Phương pháp đã quen thuộc và
chuẩn hóa
Có thể dùng làm cảnh báo sớm

Furan

Phản ánh đúng tình trạng già hóa
cao của giấy cách điện
Độ ổn định hóa học cao

Rượu methal

Quan hệ tuyến tính với độ già hóa
của giấy cách điện, có thể phát hiện
già hóa hoặc sự cố từ sớm
Đã được kiểm chứng với mọi loại
giấy thơng dụng
Độ ổn định hóa học cao

Nhược điểm
Khơng thể áp dụng với các MBA
đang trong vận hành
Khơng chính xác do có thể là sản

phẩm oxy hóa bình thường và do
có sẵn trong khơng khí
Khơng áp dụng được với giấy gia
nhiệt
Khơng phát hiện được sớm q
trình già hóa hoặc sự cố

Phương pháp đo còn mới


650 | HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỰC TOÀN QUỐC 2017
6. KẾT LUẬN

Trong số tất cả các kỹ thuật chẩn đốn hóa học, giá trị DP là tốt nhất để đánh giá
tình trạng của giấy cách điện máy biến áp. Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi phải lấy mẫu
giấy ra khỏi MBA và xét nghiệm, do đó nó thường chỉ được ứng dụng trong q trình
phân tích sau sự cố. Với phương pháp DGA, mặc dù được sử dụng rộng rãi trong công
nghiệp trong ba thập kỷ qua nhưng vẫn tỏ ra thiếu tin cậy và chưa hồn thiện. Nhóm
nghiên cứu của chúng tơi đề xuất sử dụng bộ chỉ số phân tích nồng độ Furan và rượu
methal trong dầu. Các nghiên cứu đã được tiến hành trên hai loại giấy thông dụng nhất
là Kraft và Kraft gia nhiệt và đều khẳng định tiềm năng sử dụng hai hợp chất này trong
công tác dự báo sớm sự cố cũng như quản lý vòng đời của thiết bị ngâm dầu. Các đo
đạc tiến hành trên các MBA vận hành từ 25 năm qua cũng đã khẳng định tính thực tiễn
của cơng nghệ này. Nếu ứng dụng rộng rãi và có hệ thống lưu trữ thống kê đầy đủ, cơ
sở dữ liệu về phân bố nồng độ các chỉ số trên cịn là một cơng cụ hữu hiệu trong công
tác dự báo sự cố, lập lịch bảo dưỡng và tối ưu hóa đầu tư thay mới thiết bị.
7. MỘT SỐ KHUYẾN CÁO

Phân tích các hợp chất hóa học như furan và rượu methal hòa tan trong dầu là một
cơng cụ giám sát có giá trị để xác định độ già hóa của giấy cách điện của MBA. Nó

càng hữu ích hơn khi được kết hợp với các thơng số khác trong dầu như DGA, độ ẩm,
tính axit để tăng khả năng tin cậy của các kết luận chung. Phân tích này nên được thực
hiện ít nhất mỗi lần khi có nghi ngờ về sự cố nhiệt của MBA. Song song với đó nên tiến
hành đo cả các bộ chỉ số này trên các thiết bị khơng có bất kỳ sự cố gì để xác lập các giá
trị nền.
Chúng tơi khuyến cáo nên tích hợp đo furan và rượu methal vào quy trình phân
tích dầu định kì để thành lập cơ sở dữ liệu trên toàn lưới, điều này sẽ hết sức hữu ích
trong cơng tác dự báo sự cố, lập lịch bảo dưỡng và tối ưu hóa đầu tư thay mới thiết bị,
đảm bảo liên tục cung cấp điện.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] E. B. AbuElanien and M. M. A. Salama, "Survey on the Transformer Condition
Monitoring," in Power Engineering, 2007 Large Engineering Systems Conference on, 2007,
pp. 187191.
[2] D. J. Woodcock and J. C. Wright, "Power transformer design enhancements made to
increase operational life," in SixtySixth Annual International Conference of Doble Clients,
1999.
[3] Y. Shirasaka, H. Murase, S. Okabe, and H. Okubo, "Crosssectional comparison of
insulation degradation mechanisms and lifetime evaluation of power transmission
equipment," Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol. 16, pp.
560573, 2009.


PHÂN BAN PHÂN PHỐI ĐIỆN | 651

[4] A. AbuSiada, P. Lai Sin, and S. Islam, "Remnant life estimation ofpower transformer using
oil UVVis spectral response," in Power Systems Conference and Exposition, 2009. PSCE
'09. IEEE/PES, 2009, pp. 15.
[5] A. Schaut, S. Autru, and S. Eeckhoudt, "Applicability of methanol as new marker for paper
degradation in power transformers," Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE
Transactions on, vol. 18, pp. 533540, 2011.

[6] M. Arshad and S. M. Islam, "Significance of cellulose power transformer condition
assessment," Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol. 18, pp.
15911598, 2011.
[7] T. K. Saha and P. Purkait, "Understanding the impacts of moisture and thermal ageing on
transformer's insulation by dielectric response and molecular weight measurements,"
Dielectrics and Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol. 15, pp. 568582, 2008.
[8] A. AbuSiada and S. Islam, "A new approach to identify power transformer criticality and
asset management decision based on dissolved gasinoil analysis," Dielectrics and
Electrical Insulation, IEEE Transactions on, vol. 19, pp. 10071012, 2012.
[9] R. Tamura, H. Anetai, T. Ishii, and T. Kawamura, "Diagnostic of ageing deterioration of
insulating paper," JIEE Proc Pub A, vol. 101, p. 30, 1981.
[10] J. P. van Bolhuis, E. Gulski, and J. J. Smit, "Monitoring and diagnostic of transformer solid
insulation," Power Delivery, IEEE Transactions on, vol. 17, pp. 528536, 2002.
[11] "IEEE Guide for the Interpretation of Gases Generated in OilImmersed Transformers 
Redline," IEEE Std C57.1042008 (Revision of IEEE Std C57.1041991)  Redline, pp. 145,
2009.
[12] S. Corporation, "Serveron White Paper: DGA Diagnostic Methods," 2007.
[13] M. Duval, F. Langdeau, P. Gervais, and G. Belanger, "Influence of paper insulation on
acceptable gasinoil levels in transformers," in Electrical Insulation and Dielectric
Phenomena, 1989. Annual Report., Conference on, 1989, pp. 358362.
[14] H. Kan and T. Miyamoto, "Proposals for an improvement in transformer diagnosis using
dissolved gas analysis (DGA)," Electrical Insulation Magazine, IEEE, vol. 11, pp. 1521,
1995.
[15] "Absorption of CO2 and CO gases and furfural in insulating oil into paper insulation in
oilimmersed transformers."
[16] A. M. Emsley and G. C. Stevens, "Review of chemical indicators of degradation of cellulosic
electrical paper insulation in oilfilled transformers," Science, Measurement and
Technology, IEE Proceedings , vol. 141, pp. 324334, 1994.
[17] H.C. Sun, Y.C. Huang, and C.M. Huang, "A Review of Dissolved Gas Analysis in Power
Transformers," Energy Procedia, vol. 14, pp. 12201225, 2012.

[18] A. M. Emsley, X. Xiao, R. J. Heywood, and M. Ali, "Degradation of cellulosic insulation in
power transformers. Part 2: formation of furan products in insulating oil," Science,
Measurement and Technology, IEEProceedings , vol. 147, pp. 110114, 2000.
[19] K. Spurgeon, W. H. Tang, Q. H. Wu, Z. J. Richardson, and G. Moss, "Dissolved gas analysis
using evidential reasoning," IEE Proceedings Science, Measurement and Technology, vol.
152, p. 110, 2005.