Tóm lược

Các phép đo PD được thực hiện từ nhiều năm cho cuộn dây của các máy điện quay cao áp. Các phép đo PD có thể được thực hiện “on-line” khi máy điện đang vận hành, hoặc thí nghiệm “off-line” khi cắt điện. Các phép đo được sử dụng để đánh giá tình trạng cách điện của cuộn dây, mạch từ hoặc các thanh dẫn. Bài báo này đưa ra một giới thiệu ngắn gọn về PD, các ưu nhược điểm khi đo PD và nghiên cứu cài đặt một thí nghiệm điển hình.

Giới thiệu

Thế nào là PD trong các máy điện quay cỡ lớn? có lẽ tốt nhất bắt đầu từ câu hỏi “PD là gì?” PD là sự phóng điện bắc cầu không hoàn toàn trong khoảng không gian giữa hai điện cực dẫn điện. Trong trường hợp máy phát hoặc động cơ lớn, các điện cực có thể là lõi của stator và các thanh dẫn đồng của cuộn dây. PD có thể ở trong một khe hở không khí phía bên trong tấm cách điện cứng phân chia hai điện cực này. PD cũng có thể xuất hiện xung quanh một điện cực trong chất khí hoặc bọt khí ở trong vật liệu cách điện lỏng.

Các nguồn PD

Có rất nhiều nguồn PD bên trong một máy điện quay cao áp. Các nguồn có thể được định vị bên trong cuộn dây stator, hoặc bên ngoài theo bất cứ phần tử nào nối vào mạch. Các nguồn PD bên trong được liệt kê và minh họa trong hình 2:

1. Phóng điện khe hở, lớp sơn bán dẫn/băng chống mài mòn
2. Thanh dẫn bện bị phá hủy

3.Hiệu ứng cây trong lớp cách điện

4. Phân tách lớp giữa thanh dẫn và cách điện chính
5. Phân tách lớp giữa các lớp băng cách điện

6. Khe hở siêu nhỏ bên trong cách điện

Các nguồn PD bên ngoài được liệt kê và minh họa trong hình 3:

1. Các phóng điện trong lõi của ống làm mát
2. Sự phân tách lớp của cách điện trong ổng khuỷu
3. Phóng điện nhiễm bẩn bề mặt cuối cuộn dây
4. Khoảng cách không đủ, sai lệch
5. Phần kết nối giữa bảo vệ vầng quang rãnh và bảo vệ vầng quang cuối cuộn dây
6. Phóng điện đầu ra của rãnh

Tại sao phải thực hiện đo PD off-line cho các máy điện lớn?

Các PD này được coi như là một trong các nguyên nhân cho sự lão hóa và sự cố hệ thống cách điện trong động cơ/máy phát lớn. Tại SPGS (Siemens Power Generation Services), đo PD được coi là một trong những thí nghiệm tiêu chuẩn khi thực hiện các phép đo chẩn đoán điện áp cao cho cả các máy điện quay cỡ lớn mới và cũ. Các phép đo này có thể được thực hiện on-line khi máy điện đang trong điều kiện vận hành, hoặc off-line sử dụng nguồn cao áp độc lập. Có nhiều ưu điểm khi thí nghiệm PD off-line như sau:

– Lên kế hoạch và thực hiện việc kiểm tra, sửa chữa trong khoảng thời gian máy điện không hoạt động.

– Có thể so sánh với các kết quả trước đo một cách chính xác bằng cách tạo ra các điều kiện thí nghiệm gần giống.

– Sử dụng một nguồn cao áp độc lập, điện áp thí nghiệm có thể được tăng từ từ để tìm điện áp khởi đầu PD (inception voltage – PDIV) và điện áp kết thúc PD (extinction voltage – PEPD). Đây là các điện áp mà tại đó mức độ PD xuất hiện liên tục trên mức PD quy định khi tăng điện áp_“PDIV” hoặc xuất hiện dưới mức PD quy định khi giảm điện áp_“PEPD”.

– Có khả năng thí nghiệm cho từng pha với các pha khác nối đất, và thí nghiệm cả ba pha để nhận biết PD pha-pha.

– Khi tách rotor ra, có thể sử dụng thí nghiệm off-line với các phương pháp chẩn đoán khác, ví dụ như que dò TVA (dò điện từ trường – electromagnetic probe), quét siêu âm (ultrasonic scan) và thiết bị dò tìm tia cực tím (ultraviolet detection) để định vị chính xác hơn nguồn và phạm vi có hiện tượng PD.

Bên cạnh các ưu điểm thì thí nghiệm off-line cũng có các nhược điểm sau:

– Máy điện quay phải được đưa ra vị trí thí nghiệm và tách các thanh cái, các thiết bị đo bên ngoài để thực hiện phép đo, có thể trong một vài trường hợp cần tháo một vài bộ phận.

– Vì máy phát hoặc động cơ không ở điều kiện vận hành nên không có các lực điện từ tác động trong Máy điện quay. Do vậy, có thể có một số loại PD không xác định được, ví dụ như PD tạo thành bởi cuộn dây hoặc các bộ phận khác bị lỏng.

– Không giống như thí nghiệm on-line, cần có nguồn cao áp độc lập để đưa vào cuộn dây

– Nhiệt độ cuộn dây thường nhỏ hơn khi vận hành

– Toàn bộ các phần của cuộn dây đặt dưới ứng suất điện áp cao mà phần trung tính cuộn dây thông thường không như trong điều kiện vận hành

– Mẫu khí, áp suất và độ ẩm có thể khác với điều kiện vận hành, đặc biệt khi thí nghiệm các máy điện quay làm mát bằng nước và hydro, ở đó chúng bị tách ra trong suốt thời gian cắt điện.

– Có thể có nguy cơ hư hỏng khi cuộn dây cũ được quấn lại

Lắp đặt và quy trình thí nghiệm off-line điển hình

Minh họa trong hình 4 là sơ đồ lắp đặt thí nghiệm PD off-line điển hình cho một máy phát/động cơ cao áp 3 pha. Tùy thuộc vào sự tiếp cận được hay không các đầu cuối của máy điện quay, cách lắp đặt có thể khác một chút, ví dụ như chỉ đo ở phía đầu dây nối với lưới nếu như các đầu trung tính không thể tiếp cận được. Tương tự có thể lắp đặt như sau: cấp điện áp cao vào một đầu của pha trong khi đo PD ở đầu kia, sau đó hoán đổi vị trí và thực hiện ngược lại.

Chú ý rằng, trước khi thực hiện đo PD phải hiệu chuẩn. Hiệu chuẩn phải được thực hiện trước khi đưa điện áp cao vào mạch thí nghiệm hoàn chỉnh.

Trong các phép đo PD, điện áp được đặt vào từng pha của cuộn dây với hai pha còn lại nối đất và sau đó cho cả 3 pha nối đất. PD được đo từ cả phía đầu vào lưới và đầu trung tính của từng pha (nếu đầu trung tính có thể tiếp cận được). Các phép đo được thực hiện với điện áp tăng từ 0.2VL (0.2 điện áp lưới) đến điện áp lưới (phụ thuộc vào cuộn dây mới hay cũ hoặc thỏa thuận với khách hàng). Tại mỗi bước tăng điện áp, điện áp đặt vào trong 30 giây, riêng ở điện áp pha thì điện áp đặt vào là 5 phút.

Như với phương án thiết lập thí nghiệm, qui trình này có thể khác với các phương án khác, phụ thuộc vào công ty thí nghiệm, yêu cầu khách hàng hoặc thậm chí là địa phương nơi thực hiện phép đo.

Kết luận

Phóng điện cục bộ là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến sự cố cho hệ thống cách điện của các máy phát điện. Việc kiểm tra và sửa chữa có thể được lên kế hoạch với sự hỗ trợ của các phép đo PD định kỳ. Khi thí nghiệm off-line, có thể sử dụng các phương pháp thí nghiệm bổ sung để định vị các nguồn PD. Mất điện đột ngột hệ thống hoặc nhà máy công nghiệp do sự cố máy phát là rất tốn kém – phòng bệnh hơn chữa bệnh!

Tác giả

Chris Burtle bắt đầu sự nghiệp của mình năm 1996 với một bằng kỹ thuật nghề ở Newcastle một cơ sở của British Electrical Repairs Ltd (BERL). Sau 4 năm hoàn thành khóa học, Chris được đề bạt lên phòng thí nghiệm điện ở Chesterfield cũng là một cơ sở của BERL. Chris chuyển đến Saudi Arabia năm 23 tuổi và đứng đầu nhóm kỹ sư điện của Bandariyah Int., nơi mà sau đó ông trở thành chỉ huy trưởng công trình của nhiều dự án Saudi Arabia, chuyên về quấn lại dây, sửa chữa và thí nghiệm các máy điện quay cao áp/hạ áp cỡ lớn. Năm 2005, 26 tuổi, Chris chuyển sang làm việc cho Siemens Power Generator khu vực UK.