Đăng ký thành viên

Nghiên cứu ứng dụng chỉ số methanol trong đánh giá lão hóa giấy cách điện của máy biến áp nạp dầu

13/11/2025 17:04 Số lượt xem: 56

---

(1) Nguyễn Danh Đức; (2) Nguyễn Xuân Năm; (3) Trần Khắc Trượng; (4) Đào Sỹ Thiện; (5) Cao Thùy Linh; (6) Đoàn Văn Sâm; (7) Trần Bá Sơn. (8) Trần thị Thêm; (9) Phạm Minh Hoàng; (10) Phan Duy Khánh; (11) Hoàng Văn Tuân; (12) Chu Ngọc Quỳnh; (13) Nguyễn Minh Công; (14) Nguyễn Hữu Lộc; (15) Nguyễn Tiến Dũng; (16) Lê Đình Hưng; (17) TS.Trần Duy Châu.

(1) Cty TNHH MTV thí nghiệm điện Miền Bắc (NPCETC), nguyendanhducetc@gmail.com; (2) NPCETC, nguyenxuannam.etc1@gmail.com; (3) NPCETC, trankhactruongetc1@gmail.com, 0866688033; (4) NPCETC, daosythienetc1@gmail.com; (5) NPCETC, caothuylinh277@gmail.com; (6) Ban lưới điện EVNNPC; (7,8) Tổng công ty-cty CP chế tạo thiết bị điện Đông Anh; (9) Cty thí nghiệm điện Miền Nam; (10, 11, 12, 13, 14, 15) NPCETC, (16) Công ty cổ phần dịch vụ kỹ thuật và giám định Hạ Long; (17) Công ty điện lực pháp(EDF).

Tóm tắt:

Để đánh giá già hóa giấy cách điện trong máy biến áp (MBA) nạp dầu người ta thường đánh giá thông qua chỉ tiêu CO, CO₂ hoặc hàm lượng Furan(2-Furfural). Trong đó khí CO và CO2 có thể sinh ra do hóa già dầu cách điện, còn 2-FAL chỉ xuất hiện khi giấy cách điện hóa già ở mức độ lớn. Với chỉ số Methanol (MEOH) có thể phát hiện ở giai đoạn sớm của sự hóa già giấy cách điện, đặc biệt đối với giấy cách điện chịu nhiệt (TUP) thì sự già hóa chỉ sinh ra Methanol (MeOH).

Mục tiêu của đề tài: Nghiên cứu đánh giá tình trạng lão hóa giấy cách điện của MBA lực 110kV.

Phạm vi nghiên cứu phương pháp đánh giá lão hóa giấy cách điện sử dụng nhiều  trong MBA 110kV của Tổng công ty Điện lực miền Bắc (EVNNPC).

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm lão hóa giấy cách điện trong phòng thí nghiệm. Áp dụng các phương pháp phân tích nghiên cứu ở trên để phân tích các sản phẩm lão hóa trong mẫu thử. Từ kết quả thu được xây dựng các mối quan hệ giữa “Hàm lượng Methanol” và mức độ phân hủy của giấy cách điện thông qua “Bậc polyme hóa của giấy cách điện”.

Từ khóa: Già hóa giấy cách điện; Chỉ số Methanol

Ký hiệu và từ viết tắt:

ppm: phần triệu;

ppb: phần tỷ;

DP: Bậc polyme hóa của giấy cách điện hoặc các tông cách điện;

MeOH: Methanol;

MBA: Máy biến áp;

EVNNPC: Tổng công ty điện lực miền Bắc;

NPCETC: Công ty TNHH MTV thí nghiệm điện miền Bắc;

1. Giới thiệu

Cách điện của máy biến áp (MVA) là hệ thống tổng hợp của chất lỏng cách điện và cách điện rắn. Chất lỏng cách điện thông thường là dầu khoáng cách điện, còn vật liệu cách điện rắn chủ yếu được chế tạo trên cơ sở Cellulose (bao gồm giấy cách điện – Kraft paper, các tông cách điện - Pressboard, giấy cách điện chịu nhiệt - Thermally Upgraded Paper/TUP). Tuổi thọ của MBA phụ thuộc vào tuổi thọ của cách điện Cellulose bởi vì chúng không dễ thay thế như dầu cách điện. Để đánh giá mức độ già hóa của giấy cách điện trong MBA thông qua đo độ polyme hóa (DP_v – Degree of Polymerization). Phương pháp này không có tính thực thi trong vận hành, bởi vì không lấy được mẫu để thử nghiệm (muốn lấy mẫu phải ngừng vận hành MBA. Việc lấy mẫu chỉ thực hiện khi MBA được đưa về xưởng sửa chữa hoặc tháo dầu, rút lõi (tháo lõi) MBA). Để giải quyết khó khăn này, có thể đánh giá tình trạng của giấy cách điện (Cellulose) thông qua việc phân tích mẫu dầu trong phòng thí nghiệm.

Trước đây chỉ có hai phương pháp đang được sử dụng là: Phân tích khí hòa tan trong dầu (DGA) bằng máy sắc ký khí và phân tích các hợp chất Furan (2-FAL) bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC). Khi giấy cách điện (Cellulose) bắt đầu hóa già, các khí cacbon oxit (CO) và cacbon dioxit (CO2) được sinh ra đồng thời cùng 2-FAL. Khí CO và CO2 có thể sinh ra do hóa già dầu cách điện, trong khi đó 2-FAL chỉ xuất hiện khi giấy cách điện hóa già ở mức độ lớn. Trong khi đó Methanol (MEOH) có thể phát hiện ở giai đoạn sớm của sự hóa già giấy cách điện, đặc biệt đối với giấy cách điện chịu nhiệt (TUP) thì sự già hóa chỉ sinh ra Methanol (MeOH).

Cùng với xu thế phát triển khoa học công nghệ trên thế giới, Tổng công ty điện lực Miền Bắc (EVNNPC) đã giao nhiệm vụ cho công ty TNHH MTV thí nghiệm điện Miền Bắc (NPCETC) thực hiện đánh giá lão hóa giấy thông qua chỉ số hóa học Methanol.

Để phân tích hàm lượng MEOH trong dầu sử dụng hệ thống máy sắc ký được trang bị bộ cấp mẫu pha khí (HS – Headspace), cảm biến ion hóa ngọn lửa (FID – Flame ionization detector) hoặc cảm biến khối phân tử (MS – Mass Spectroscopy). Phương pháp phân tích Methanol trong dầu đã được tiêu chuẩn hóa như ASTM D8086 ban hành lần đầu năm 2020 và IEC TR 63025 ban hành lần đầu năm 2021.

2. Cơ sở lý thuyết:

Đánh giá lão hóa giấy thông qua sự hình thành của MeOH và 2-FAL trong quá trình phân hủy của các loại giấy cách điện khác nhau: cac-tông (pressboard), giấy (Kraft Paper), giấy chịu nhiệt (TUP – Thermally Upgraded Paper) trong dầu cách điện. Kết quả thực nghiệm được xây dựng dựa trên mối quan hệ giữa DP với hàm lượng Methanol và Fural.  Các hình 1, 2, 3, 4 cho thấy ngay từ khi xenlulo bắt đầu bị lão hóa, hàm lượng MeOH đã cao có thể định lượng, khi DP giảm đi 40% thì hàm lượng 2-FAL vẫn rất nhỏ so với hàm lượng MeOH. Riêng với giấy TUP hàm lượng 2-FAL còn không sinh ra hoặc sinh ra hàm lượng nhỏ trong quá trình lão hóa [1]. Hình 5,6 biểu diễn mối quan hệ giữa độ ẩm giấy cách điện và hàm lượng không khí hòa tan trong dầu tới tốc độ lão hóa của giấy. Trong thực nghiệm này chúng tôi sử dụng mẫu giấy khô và mẫu giấy ướt cùng tiến hành lão hóa trong điều kiện giống nhau để đánh giá kết quả lão hóa. Để đánh giá mức độ ảnh hưởng của không khí, chúng tôi sử dụng mẫu dầu khoáng cho bão hòa không khí và 1 mẫu được hút chân không sau đó cho bão hòa khí trơ Ar và sử dụng cùng 1 loại giấy có điều kiện như nhau để đánh giá.

Hình 1: Thực nghiệm phân hủy các tông ở 130^oC

Hình 2: Thực nghiệm phân hủy giấy cách điện ở 130^oC

Hình 3: Thực nghiệm phân hủy giấy cách điện chịu nhiệt ở 130^oC 

Hình 4: Mối quan hệ giữa hàm lượng 2-FAL, MeOH và DP biểu diễn dưới dạng hàm số.

Hình 5. Mối quan hệ giữa tốc độ hình thành Methanol khi lão hóa giấy trong dầu khoáng ở 110^oC với độ ẩm của giấy là 5% và 0,5%.

Hình 6. Mối quan hệ giữa tốc độ hình thành Methanol khi lão hóa giấy trong môi trường không khí và khí trơ (Argon)

Từ thực nghiệm chỉ ra rằng sự hình thành MeOH là dấu hiệu của sự bắt đầu phân hủy của vật liệu rắn cách điện trên cơ sở xenlulo, sự tăng trưởng hàm lượng MEOH theo hàm Logaris – (phát hiện ở giai đoạn sớm của sự phân hủy cellulo), trong khi đó sự tăng trưởng hàm lượng của hợp chất 2-FAL theo hàm số mũ “Exponential” (phát hiện khi sự phân hủy mạnh). Sự hình thành Methanol mạnh hơn khi giấy ẩm hơn và trong dầu có nhiều không khí (dầu không được khử khí).

So sánh ưu nhược điểm các phương pháp phân tích sản phẩm lão hóa giấy:

Phương pháp phân tích CO, CO₂: ưu điểm là kết hợp phân tích cùng với khí hòa tan trong dầu (DGA) bằng hệ thống sắc ký khí (GC), tuy nhiên nhược điểm là: CO, CO₂ không chỉ sinh ra trong quá trình phân hủy giấy mà nó còn sinh ra trong quá trình già hóa dầu cách điện. Nên việc đánh giá lão hóa giấy không chính xác và chỉ dùng để tham khảo.  

Phương pháp phân tích Furan:

Phương pháp đánh giá chất lượng giấy cách điện thông qua kết quả phân tích Furan đã được áp dụng từ lâu trên thế giới. Phương pháp này là phương pháp gián tiếp, thông qua việc phân tích hàm lượng Furan hòa tan trong dầu lấy từ máy biến áp bằng máy sắc ký lỏng hiệu năng cao. Phương pháp phân tích hàm lượng Furan đã được tiêu chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEC 61198 và ASTM D 5837.

Qua nhiều thực nghiệm đã chứng minh, các hợp chất Furan hình thành trong dầu theo hàm số mũ (theo thời gian), thời gian đầu chúng hình thành với tốc độ rất chậm cùng với sự giảm bậc polyme hóa của giấy cách điện, khi bậc polyme hóa của giấy cách điện giảm tới giá trị dưới 400, tốc độ hình thành Furan mới tăng nhanh. Như vậy phương pháp đánh giá theo hàm lượng Furan được sử dụng để theo dõi cho giai đoạn cuối của quá trình xuống cấp của giấy cách điện dùng trong máy biến áp nạp dầu.

Chúng ta không biết được khi nào đạt được hàm lượng Furan đủ lớn để đưa ra khuyến nghị cần ngừng hoạt động của máy biến áp và tiến hành sửa chữa, như vậy sẽ gặp rủi ro lớn khi máy biến áp vận hành trong trạng thái không an toàn. Các công trình nghiên cứu trên thế giới và thực nghiệm của NPCETC đã chứng minh sự già hóa của giấy chịu nhiệt không sinh ra (hoặc sinh ra rất ít) Furan. Với đặc tính ưu việt, giấy chịu nhiệt đã và đang được sử dụng ngày càng nhiều trong các máy biến áp thế hệ mới. Điều này nảy sinh nhu cầu cần tìm một chỉ số hóa học mới để thay thế Furan trong việc theo dõi mức độ già hóa của máy biến áp trong tương lai.

Phương pháp phân tích Methanol:

Đây là phương pháp mới được nghiên cứu các năm gần đây, và mới được tiêu chuẩn hóa qua ASTM D8086-20 và IEC TR 63025:2021.

Thông qua kết quả thực nghiệm MEOH là 1 chỉ số hóa học để đánh giá sự lão hóa sớm của các vật liệu cách điện rắn trên cơ sở xenlulo (như giấy cách điện, các-tông cách điện). Thông qua các mô hình có thể thiết lập được mối tương quan giữa sự hình thành Methanol và bậc polyme hóa (DP) để phát hiện sự phân hủy xenlulo sớm hơn là hợp chất Furan (2-FAL). Hơn nữa chỉ số MEOH sẽ được ứng dụng cho giấy cách điện chịu nhiệt, khi công nghệ giấy chịu nhiệt ngày càng phát triển được sử dụng nhiều hơn thì chỉ số MEOH là tin cậy trong đánh giá lão hóa giấy chịu nhiệt.

Cả hai chỉ số MEOH và Furan đều hữu dụng. Tuy nhiên, cần phải chú ý đến việc phát hiện sớm MEOH có tầm quan trọng lớn đối với các kỹ thuật giám sát và giảm nhẹ hậu quả vào đúng thời điểm.

3. Kết quả nghiên cứu:

Nhóm nghiên cứu đã xây dựng phương pháp phân tích Methanol trong dầu theo hệ thống sắc ký khí mao quản, tách triết khí bằng phương pháp cân bằng pha (haedspace).

Phương pháp phân tích được sử dụng vào phân tích các sản phẩm lão hóa.

Từ số liệu thực nghiệm ta xây dựng được mối tương quan cao (r² = 0,9977) giữa số các liên kết bị phá vỡ (DP_o/DP_t – 1) và nồng độ Methanol tạo ra khi phân hủy giấy cách điện trong dầu khoáng.

Mối tương quan được diễn giải theo phương trình sau:

DP_o/DP_t – 1 = 0,0008[CH₃OH]

Suy ra:

             DP_t = DP_o /(1+0.0008[CH₃OH])

Hình 7

Kết quả phân tích các sản phẩm lão hóa, tính toán thông qua mô hình toán quan hệ giữa DP và MeOH, sau đó khớp với số liệu thực nghiệm và thu được biểu đồ sau:

Hình 8: Biểu thị mối quan hệ giữa số liệu thực nghiệm với mô hình NPCETC

Mối quan hệ tương quan giữa hàm lượng Methanol và DP của giấy để đánh giá trạng thái lão hóa giấy được đề suất như ở bảng dưới:

Các MBA 110kV của NPC đã tiến hành thí nghiệm đánh giá tình trạng MBA thông qua phân tích CO, CO₂, MeOH và 2-Fural. Sử dụng mô hình toán học mới thiết lập để tính toán bậc polyme hóa (DP) của giấy cách điện trong máy biến áp thông qua kết quả phân tích hàm lượng MeOH và 2-Fural thu được kết quả như sau:

Thống kê số MBA theo năm vận hành

Ghi chú: Các MBA sau thay giấy cách điện được tính thời gian vận hành từ lúc thay giấy

Đánh giá thông qua kết quả khí CO, CO₂ theo hướng dẫn IEC 60599

Đánh giá lão hóa giấy cách điện từ kết quả thử nghiệm hàm lượng Furan

Đánh giá lão hóa giấy cách điện từ kết quả thử nghiệm hàm lượng Methanol

Từ các kết quả đánh giá kể trên ta thấy: Phần lớn các MBA đang có giấy cách điện ở trạng thái tốt. Đánh giá MBA qua chỉ số Methanol 20/415 máy ở ngưỡng phân hủy tương đối. Đánh giá MBA thông qua chỉ số Furan có 6/415 máy ở ngưỡng phân hủy tương đối. Như vậy số MBA cần theo dõi thông qua chỉ số Methanol cao hơn số MBA áp cần theo dõi thông qua chỉ số 2-Furan.

Cả hai chỉ số Methanol và Furan đều rất quan trọng cho đánh giá tình trạng già hóa MBA. Tuy nhiên, cần phải chú ý đến việc phát hiện sớm MeOH có tầm quan trọng lớn đối với việc phất hiện sớm tình trạng lão hóa, nhất là với các MBA dùng giấy cách điện chịu nhiệt.

Không có tiêu chuẩn đơn giản và duy nhất có thể được sử dụng để định lượng tuổi thọ của MBA. Tuy nhiên, tiêu chí rất hữu ích cho người sử dụng MBA là theo dõi quá trình lão hóa và đánh giá sự xuống cấp hệ thống cách điện của MBA. Do vậy phải kết hợp các phương pháp thử nghiệm khi cần thiết.

4. Kiến nghị và đề xuất:

Đưa vào kiểm soát hàm lượng Methanol trong dầu cách điện như là chỉ dấu hóa học mới, bổ sung cho việc đánh giá sự lão hóa của các vật liệu cách điện rắn trên cơ sở Cellulose.

Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lão hóa vật liệu cách điện rắn sử dụng trong MBA như: hàm lượng oxy và độ ẩm trong dầu, hàm lượng nước trong cách điện rắn (giấy và các-tông cách điện). Kiến nghị cần kiểm soát tốt quá trình xử lý dầu trong máy biến áp với chỉ tiêu tổng khí hòa tan trong dầu và hàm lượng ẩm trong dầu đối với các MBA có cấp điện áp từ 110kV trở lên. Đưa ra yêu cầu độ ẩm của cách điện rắn với các MBA mới.   

Tài liệu tham khảo

1. Methanol as new ageing marker of oil-filled transformer insulation, C. Perrier, M.-L. Coulibaly, and M. Marugan; presented at the 23rd International
   conference on electricity distribution, 2015

Ban Khoa học Công nghệ và Chuyển đổi số