Phát hiện và định vị phóng điện cục bộ trực tuyến

Làm thế nào để xác định độ tin cậy của các cáp ngầm/đầu cáp ngầm và nhận dạng phóng điện cục bộ (PD) nhằm ngăn ngừa thời gian ngừng hoạt động tốn kém

Cáp điện là những tài sản quan trọng trong các mạng lưới truyền tải điện để đảm bảo các hệ thống điện hoạt động đáng tin cậy. Để ngăn ngừa các sự cố thảm khốc ở các cáp ngầm và đầu cáp ngầm, điều quan trọng là phải biết cách khai thác lợi thế các loại cảm biến sẵn có khác nhau có thể phát hiện và định vị nguồn phóng điện cục bộ (PD) sao cho có thể thực hiện hành động thích hợp nhằm tránh sự cố trong khi đang vận hành. Bài viết này trả lời các câu hỏi về cách công nghệ có thể giúp nhận dạng sự cố phóng điện cục bộ trong cáp ngầm mà không mất thời gian ngừng hoạt động tốn kém.

Các hệ thống cáp điện bao gồm bản thân các loại cáp và phụ kiện của chúng - các mối nối và các đầu cáp. Những năm gần đây, việc sử dụng cáp điện cao áp (HV) đã tăng lên do các khu vực đô thị đông dân hơn và việc lắp đặt các loại cáp điện mới trong các mạng lưới cũ.

Các vật liệu polyme tổng hợp mới đã thúc đẩy sự ra đời của cáp điện polyethylene liên kết ngang (XLPE) ép đùn, và việc sử dụng vật liệu cách điện XLPE trong cáp HV ngày càng tăng do những ưu điểm của nó: tổn thất điện môi thấp, phù hợp với nhiệt độ vận hành cao và chế tạo tương đối dễ dàng và với chi phí thấp.

Hãy cùng giải quyết một số câu hỏi chính đặt ra xoay quanh chủ đề thử nghiệm PD.

Làm cách nào để đảm bảo độ tin cậy và tính khả dụng của cáp khi gặp phải hiện tượng quá độ, sét đánh, xung đóng cắt và điện áp chạm chập?

Các thử nghiệm chẩn đoán điện đã đóng một vai trò nhất định, tuy nhiên chúng nhiều khi đòi hỏi việc ngừng vận hành thiết bị tốn kém và các chi phí phát sinh khác. Phần lớn các sự cố điện môi trong cáp điện XLPE cao áp liên quan đến các khiếm khuyết tại các mối nối và các đầu cáp mà phát triển theo thời gian sử dụng của hệ thống cáp. Để phát hiện những thay đổi này ngay từ giai đoạn đầu, cần có thông tin chi tiết về tình trạng cách điện. Thay vì sử dụng các phương pháp chẩn đoán truyền thống, việc theo dõi PD trong quá trình vận hành thiết bị có thể thu được thông tin này.

Công cụ hiệu quả nhất để phát hiện hư hại cục bộ, các khiếm khuyết, hoặc các quá trình lão hóa cục bộ trong các hệ thống cáp ép đùn chính là đo PD. Các phép đo PD trực tuyến là phù hợp nhất để phát hiện các rắc rối tại các đầu cáp và các mối nối. Có thể phát hiện các mức PD có hại từ rất lâu trước khi xảy ra sự cố phá hủy.

Với phép đo liên tục, có thể đưa ra các ước tính đáng tin cậy về tình trạng cách điện.

Các ứng dụng khả thi của các phép đo PD trực tuyến bao gồm:

• Đảm bảo chất lượng cáp đã lắp đặt
• Theo dõi liên tục hệ thống cáp
• Định vị các mối nối và đầu cáp có vấn đề
• Ưu tiên thay thế cáp

Lợi ích của việc theo dõi PD trực tuyến so với đo PD ngoại tuyến là gì?

Việc sử dụng công nghệ PD đã được chứng minh là một phương pháp tuyệt vời trong việc nhận dạng các rắc rối liên quan đến cách điện. Tiêu chuẩn IEC 60270 về Các kỹ thuật thử nghiệm điện áp cao - Các phép đo phóng điện cục bộ, mô tả chi tiết phương pháp đo PD thích ứng và truyền thống nhất. Tuy nhiên, phương pháp này phù hợp nhất cho các chẩn đoán ngoại tuyến trong các môi trường ít nhiễu điện từ. Do cách điện của các thành phần cao áp đang vận hành liên tục bị lão hóa, việc thử nghiệm và chẩn đoán PD tại hiện trường đang ngày càng nhận được sự quan tâm trong ứng dụng theo dõi tình trạng thiết bị. Vì các hệ thống đo PD truyền thống trong môi trường nhà máy có kiểm soát thường không phù hợp để áp dụng tại hiện trường, nên người ta đã đưa vào áp dụng các phương pháp phát hiện và đo PD chuyên biệt.

Có thể phát hiện các tín hiệu PD bằng các phương pháp và các hệ thống đo PD phi truyền thống, dựa trên đặc tính vật lý của các quá trình phóng điện cục bộ. Các phương pháp này ngày càng phổ biến vì có thể áp dụng khi thiết bị đang vận hành. Ví dụ như, các phương pháp ghép nối PD phi truyền thống dựa trên các cảm biến cảm ứng hoặc điện dung đã mang lại độ nhạy tăng cao tại các mối nối so với việc phát hiện PD truyền thống tại đầu cáp. Một hướng tiếp cận đầy triển vọng là sử dụng các cảm biến PD cảm ứng tại các đầu nối cáp và các điểm liên kết chéo trong các hệ thống cáp HV dài.

Nên dùng các loại cảm biến nào hoặc kỹ thuật cảm biến nào trong thử nghiệm PD trực tuyến?

Hình 1. Sự kết hợp giữa các HFCT và TEV cho phép tách biệt các tín hiệu đến từ bảng đóng cắt, các đầu cáp và các cáp điện (Ảnh st)

Để phát hiện hoạt động PD trực tuyến, phải sử dụng các cảm biến không xâm lấn. Để phát hiện PD trực tuyến, có thể dùng các máy biến dòng cao tần (HFCT) để phát hiện các xung dòng điện do PD sinh ra trong cáp điện và tủ đóng cắt. Cảm biến điện áp đất thoáng qua (TEV) dùng để phát hiện bức xạ điện từ phát sinh từ hoạt động PD tại các đầu cáp và tủ đóng cắt. Bằng cách kết hợp nhiều loại cảm biến, có thể tăng độ nhạy với các dạng PD khác nhau, và có thể đối chiếu các phép đo từ các cảm biến khác nhau để hỗ trợ cho quá trình chẩn đoán. Một sự phối hợp giữa các HFCT và TEV (Hình 1) cho phép tách biệt các tín hiệu PD xuất phát từ các bảng đóng cắt, các đầu cáp và cáp.

HFCT

Các cảm biến phù hợp nhất để đo PD trên cáp ngầm là các HFCT kiểu cảm ứng. Có thể lắp đặt các cảm biến này khi cáp đang vận hành (tức là đang mang điện). Nói chung, các HFCT lắp trên các dây nối đất của cáp trung áp (MV) hoặc cao áp (HV) tại các hộp nối. Để thiết kế và lựa chọn các HFCT phù hợp cho các ứng dụng này, phải cân nhắc các yếu tố như các tần số cắt thấp hơn và cao hơn, cực tính và các đặc tính bão hòa.

Tần số cắt thấp hơn là một tham số thiết yếu đối với các HFCT. Nó là sự cân bằng giữa khả năng phát hiện các tín hiệu phát tán từ các đoạn cáp dài và bỏ qua nhiễu từ nguồn điện lưới. Phần lớn các HFCT trên thị trường có tần số cắt thấp hơn trong khoảng từ 50kHz đến 150kHz. Với các ứng dụng đặc biệt không yêu cầu thu giữ các tín hiệu phân tán, có thể sử dụng dải tần cao hơn nhiều, giúp nhận được mức nhiễu thấp hơn.

Các tần số cắt cao hơn - tức là tần số tối đa mà HFCT cần ứng phó - phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể. Một tần số cắt HFCT cao thường là 10MHz hoặc cao hơn tuỳ vào ứng dụng. HFCT này cần đánh dấu rõ ràng về mối quan hệ cực tính (ví dụ như một mũi tên chỉ về phía điểm tiếp đất của cáp hoặc dây nối đất). Hướng lắp có vẻ như không ảnh hưởng nhiều, nhưng nếu sử dụng nhiều hơn một HFCT trong một thử nghiệm, cần phải so sánh cực tính của các tín hiệu và yêu cầu phải có định nghĩa thống nhất và rõ ràng.

TEV

Một loại cảm biến khác áp dụng rộng rãi trong các tủ đóng cắt trung áp (MV) sử dụng hiện tượng điện áp đất thoáng qua (TEV) để theo dõi tình trạng và quản lý tài sản của tủ đóng cắt MV. Các cảm biến điện áp đất thoáng qua khai thác lợi thế hiệu ứng bề mặt để đo bức xạ điện từ gây ra bởi phóng điện cục bộ bên trong. Đây là sự lựa chọn cảm biến hấp dẫn vì các phép đo vốn dĩ là an toàn và có thể thực hiện mà không cần xâm lấn hay sửa đổi vật lý tủ đóng cắt. Các lợi ích chính của đo TEV xuất phát từ khả năng lắp đặt các cảm biến một cách không xâm lấn trên thiết bị đang vận hành.

Có thể áp dụng các phương pháp nào để theo dõi PD?

Có hai phương pháp có thể dùng để thực hiện thử nghiệm PD trực tuyến trên cáp điện: theo dõi định kỳ và theo dõi liên tục. Theo dõi định kỳ là phương pháp triển khai tương đối nhanh chóng, mỗi lần thử nghiệm kéo dài từ vài phút đến vài giờ cho mỗi mạch điện.

Theo dõi trực tuyến liên tục cung cấp khả năng theo dõi 24/7 và cho phép thực hiện phân tích xu hướng. Bằng cách phân tích xu hướng từ dữ liệu tổng hợp này, có thể quan sát được các thay đổi về hoạt động PD trong một đợt theo dõi. Ví dụ, các gia tăng về biên độ PD chỉ báo rằng khiếm khuyết đang phát triển lớn hơn, và các gia tăng về số lần phóng điện (PD count) chỉ báo rằng các khiếm khuyết đang phóng điện nhanh hơn. Khi hoạt động này đáp ứng các tiêu chí sự kiện đã thiết lập trước, các mức độ lớn phóng điện và tốc độ phóng điện, hệ thống có thể phát tín hiệu báo động.

Thách thức lớn nhất trong thực hiện phép đo PD trực tuyến là gì?

Hình 2. Một số kỹ thuật phần mềm và giải pháp phần cứng tiên tiến có thể có ích trong việc phân biệt giữa các PD thực và các nhiễu can thiệp (Ảnh st)

Thách thức lớn nhất trong đo PD trực tuyến là phân biệt giữa các tín hiệu PD thực và nhiễu từ nhiều nguồn khác nhau như nhiễu điện từ (EM), các mạch điện liền kề và hiện tượng phóng điện vầng quang khi kết nối cáp với các đường dây trên không. Một số kỹ thuật phần mềm và giải pháp phần cứng tiên tiến (Hình 2) rất hữu ích trong việc phân biệt giữa các tín hiệu PD thực và các nhiễu can thiệp.

Trong nghiên cứu tình huống dưới đây, việc thu thập 50 chu kỳ không liên tục và toàn bộ các xung trong miền thời gian - đồng thời thu thập dữ liệu PD phân giải theo pha - đã cho thấy dữ liệu ở nhiều chiều khác nhau.

Nghiên cứu tình huống

Người ta đã thực hiện theo dõi PD trực tuyến định kỳ trên cáp 3 pha, một lõi, điện áp 33kV, dài 268 mét, với đầu cáp nối vào tủ đóng cắt và các đầu xa nối vào một máy biến áp. Hệ thống theo dõi PD sử dụng các thiết bị gồm các HFCT, TEV và một thiết bị đo di động. Người ta đã thực hiện quá trình ghi nhận PD tại một hộp đầu cáp của tủ đóng cắt trung áp loại có vỏ kim loại bằng cách kẹp các HFCT xung quanh các vỏ nối đất riêng biệt của từng sợi cáp điện và cố định các cảm biến TEV vào các vách bên trong của vỏ tủ đóng cắt tại vị trí đầu cáp.

Hình 3. Chu kỳ thử nghiệm này đã ghi nhận rõ ràng phóng điện cục bộ (Ảnh st)

Người ta đã ghi lại 50 chu kỳ không liên tiếp. Phần mềm và các thuật toán như trí tuệ nhân tạo (AI) và phân tích dạng xung đã hỗ trợ phân loại dữ liệu thành PD và không phải PD, như thể hiện trong Hình 3 và Hình 4.

Khảo sát sâu hơn đã cân nhắc các dữ liệu bao gồm hoạt động theo pha, các dạng xung và PD phân giải theo pha,
đồng thời so sánh với các đồ thị TEV và HFCT. Lưu ý rằng các đồ thị pha có sự nhất quán theo pha và đồ thị dạng xung xác nhận nguồn PD xuất phát từ Pha C.

Hình 4. Pha C cho thấy rõ ràng các tín hiệu PD trong quá trình thử nghiệm (Ảnh st)

Nhiệm vụ tiếp theo là xác định vị trí của các phóng điện cục bộ. So sánh dữ liệu HFCT và TEV cho thấy hoạt động tương tự từ cả hai cảm biến. Vì phần mềm và thiết bị theo dõi này có thể ghi lại các xung riêng lẻ, chúng ta tiếp tục xem xét dữ liệu trong miền thời gian. Có thể quan sát thấy hoạt động tương tự trong các biểu đồ phân tích hình dạng xung từ HFCT đã lắp đặt trên pha C và cảm biến TEV đã đặt trên bảng điều khiển.

Hình 5. Quan sát Pha C và hoạt động TEV trong miền thời gian (Hình 5), rõ ràng là hoạt động PD nằm ở đầu cuối của cáp (Ảnh st)

Hình 6. Tia lửa ở đầu cáp khi mở ra sau vài tháng có thể làm hỏng sứ xuyên kết nối với cáp (Ảnh st)

Khi quan sát hoạt động của Pha C và TEV trong miền thời gian (Hình 5), rõ ràng là hoạt động PD nằm ở đầu cuối cáp. Bạn có thể thấy rằng hoạt động HFCT và TEV diễn ra cùng lúc ở cường độ cao.

Khi mở các đầu cáp ra sau vài tháng, rõ ràng là có tia lửa ở đầu cáp, cuối cùng có thể làm hỏng sứ xuyên kết nối với cáp (xem Hình 6 và Hình 7).

Hình 7. Đo PD trực tuyến có thể dùng để đánh giá tình trạng của thiết bị và ngăn ngừa các sự cố thảm khốc (Ảnh st)

Kết luận

Đo PD trực tuyến là một kỹ thuật quan trọng để sử dụng trên cáp điện và tủ đóng cắt trong quá trình thanh tra thường xuyên và sau khi lắp đặt để đánh giá tình trạng của thiết bị và ngăn ngừa các sự cố thảm khốc. Triển khai theo dõi định kỳ trực tuyến là một giải pháp hiệu quả để tránh các sự cố thảm khốc. Nghiên cứu tình huống này đã giải thích tầm quan trọng của các phép đo miền thời gian. Các đặc điểm miền thời gian có thể dùng để phân loại các tín hiệu và phương pháp tách dựa trên các đặc tính thời gian và AI cho phép cô lập các xung nhiễu và PD.   

Biên dịch: Phạm Gia Đại

Theo