Nhiệt độ cuộn dây và điểm nóng ảnh hưởng đến lão hóa máy biến áp

Tải nhiệt kéo dài thúc đẩy quá trình lão hóa hệ cách điện máy biến áp. Giấy cellulose và dầu cách điện thay đổi trong vận hành, với tốc độ phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ. Các điểm nóng cục bộ của cuộn dây đặc biệt quan trọng: cách điện tại đó có thể lão hóa nhanh hơn mức suy ra từ nhiệt độ trung bình của toàn bộ máy.

Lão hóa máy biến áp, như quy trình tương tự được đánh vần bằng tiếng Anh Mỹ, không chỉ đơn giản là chức năng của số năm một tổ máy đã hoạt động. Hai máy biến áp cùng tuổi có thể có tuổi thọ cách điện rất khác nhau, tùy thuộc vào cách chúng được mang tải, làm mát và bảo trì. Nhiệt độ cuộn dây và lịch sử nhiệt độ đằng sau nó là một trong những thông tin hữu ích nhất để hiểu được sự khác biệt đó.

Lão hóa máy biến áp là gì?

Lão hóa máy biến áp là sự suy giảm dần dần về mặt vật lý và hóa học của hệ thống cách điện theo thời gian. Trong một máy biến áp điện ngâm trong dầu điển hình, vật liệu chính là xenlulo (giấy và bìa) và dầu cách điện. Chúng cùng nhau tạo thành hệ thống cách điện bằng giấy dầu giúp giữ cho các cuộn dây được cách ly về điện và được hỗ trợ về mặt cơ học.

Cellulose là mối lo ngại chính về lão hóa máy biến áp điện. Dầu có thể được lọc, xử lý hoặc thay thế trong suốt thời gian sử dụng của máy biến áp, nhưng thực tế không thể thay thế giấy quấn quanh dây dẫn nếu không xây dựng lại cuộn dây. Khi giấy xuống cấp, nó sẽ mất đi độ bền cơ học và sự mất mát này là lý do chính khiến tình trạng cách điện thường đặt ra giới hạn thực tế cho tuổi thọ của máy biến áp.

Nó giúp phân biệt tuổi tác theo thời gian với tình trạng cách nhiệt. Một máy biến áp chạy ở nhiệt độ vừa phải, làm mát hiệu quả và độ ẩm thấp có thể ít bị hư hỏng cách điện sau nhiều năm. Một thiết bị khác cùng tuổi thường xuyên phải chịu tải cao, khả năng làm mát bị hạn chế hoặc độ ẩm xâm nhập có thể ở trạng thái rất khác. Tuổi tác là điểm khởi đầu, không phải là thước đo tình trạng.

Ứng suất nhiệt là yếu tố mà các kỹ sư có thể quan sát và quản lý trực tiếp nhất trong quá trình vận hành. Đó là lý do tại sao nhiệt độ cuộn dây và nhiệt độ điểm nóng nhận được nhiều sự chú ý trong các cuộc thảo luận về lão hóa máy biến áp điện.

Tại sao nhiệt độ làm tăng tốc độ lão hóa của máy biến áp

Các phản ứng hóa học phân hủy cellulose diễn ra nhanh hơn khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ cách nhiệt cao hơn dẫn đến sự xuống cấp nhanh hơn của cấu trúc phân tử cellulose, từ đó dẫn đến mất độ bền cơ học nhanh hơn và tuổi thọ cách nhiệt ngắn hơn. Mối quan hệ không phải là tuyến tính: tác động của việc tăng nhiệt độ nhất định sẽ lớn hơn ở nhiệt độ cao hơn.

Bạn có thể thấy các quy tắc đơn giản cho biết tuổi thọ của vật liệu cách nhiệt giảm một nửa đối với mỗi số độ cố định. Các quy tắc này phụ thuộc vào mô hình tham chiếu, loại cách điện và các điều kiện giả định, vì vậy chúng không được coi là sự thật phổ quát. Các hướng dẫn tải như IEC 60076-7 và IEEE C57.91 mô tả các mô hình nhiệt và tính toán lão hóa cho máy biến áp ngâm trong dầu và mọi tính toán định lượng về tuổi thọ phải dựa trên tiêu chuẩn, mô hình và thông số cụ thể áp dụng cho máy biến áp được đề cập.

Tải và tổn thất

Nhiệt trong máy biến áp xuất phát từ tổn thất. Dòng điện tải tạo ra tổn thất trong cuộn dây và dòng điện cao hơn sẽ làm tăng những tổn thất đó và nhiệt sinh ra. Điều này làm tăng nhiệt độ cuộn dây lên cao hơn nhiệt độ của dầu xung quanh.

Tuy nhiên,

Tải không phải là ảnh hưởng duy nhất đến hoạt động nhiệt. Nhiệt độ môi trường xung quanh, tổn thất thất lạc trong các bộ phận kết cấu, tình trạng của dầu và trạng thái của hệ thống làm mát, tất cả đều ảnh hưởng đến lượng nhiệt sinh ra từ cuộn dây và mức độ nóng cuối cùng của lớp cách điện.

Hiệu suất làm mát

Việc làm mát xác định mức độ tản nhiệt hiệu quả khỏi cuộn dây và lõi. Tùy thuộc vào thiết kế máy biến áp, điều này có thể liên quan đến tuần hoàn dầu tự nhiên, dòng dầu cưỡng bức, bộ tản nhiệt, quạt hoặc máy bơm. Khi hiệu suất làm mát giảm, chẳng hạn như do luồng khí bị chặn, bộ tản nhiệt bị tắc hoặc quạt bị hỏng, nhiệt độ cho cùng một tải có thể cao hơn đáng kể.

Do đó, hai máy biến áp mang cùng một tải có thể có nhiệt độ cách điện khác nhau. Đây là một lý do khiến chỉ riêng lịch sử tải không mô tả được sự lão hóa do nhiệt và tại sao dữ liệu nhiệt độ lại bổ sung thông tin mà các phép đo hiện tại không thể thực hiện được.

Nhiệt độ cuộn dây, Nhiệt độ điểm nóng và Nhiệt độ dầu trên cùng

Ba thuật ngữ này thường được trộn lẫn với nhau nhưng chúng mô tả những thứ khác nhau. Nhiệt độ lớp dầu trên được đo ở phần trên của dầu. Nhiệt độ cuộn dây thường đề cập đến nhiệt độ của dây dẫn cuộn dây hoặc lớp cách nhiệt xung quanh. Nhiệt độ điểm nóng của cuộn dây là nhiệt độ cao nhất bên trong cuộn dây, thường là giá trị phù hợp nhất đối với sự lão hóa cách điện.

Nhiệt độ lớp dầu trên cùng không thể đại diện cho mọi vị trí cuộn dây, vì cuộn dây có thể nóng hơn đáng kể so với dầu ở trên cùng của thùng và sự chênh lệch đó thay đổi theo tải. WTI và các mô hình nhiệt cung cấp thông tin nhiệt độ cuộn dây được tính toán hoặc mô phỏng hữu ích, trong khi các đầu dò trực tiếp cung cấp dữ liệu nhiệt độ từ các vị trí vật lý đã chọn. Hai cách tiếp cận trả lời các câu hỏi liên quan nhưng khác nhau.

Để có cái nhìn rộng hơn về các phương pháp giám sát, hãy xem tổng quan của chúng tôi về giám sát nhiệt độ máy biến áp .

Tại sao các điểm nóng cuộn dây lại quan trọng đối với tuổi thọ cách điện của máy biến áp

Lớp cách nhiệt không bị lão hóa đồng đều. Tốc độ lão hóa tuân theo nhiệt độ cục bộ nên vùng cuộn dây có nhiệt độ cao nhất thường góp phần làm giảm tuổi thọ cách điện nhiều nhất. Đây là lý do tại sao điểm nóng quanh co lại quan trọng đối với quá trình lão hóa hơn là nhiệt độ trung bình kết hợp các vùng nóng và mát lại với nhau.

Trong ngữ cảnh này, điểm nóng có nghĩa là vị trí nóng nhất bên trong cuộn dây, không phải điểm ấm trên bề mặt bể. Ứng suất nhiệt cục bộ có thể tập trung tại các vị trí cuộn dây nhất định do nhiệt được tạo ra và cách dầu chảy xung quanh dây dẫn. Các nguyên nhân được đề cập chi tiết hơn trong bài viết của chúng tôi về nguyên nhân gây ra các điểm nóng trong máy biến áp , vì vậy vấn đề ở đây chỉ đơn giản là mối liên hệ với sự lão hóa: một vùng nhỏ chạy nóng liên tục có thể đạt đến trạng thái xuống cấp giấy cao hơn nhiều so với phần còn lại của cuộn dây.

Điều này gây ra hậu quả thực tế. Nếu ước tính hoặc phép đo nhiệt độ đánh giá thấp giá trị điểm nóng cục bộ thì ứng suất nhiệt trên lớp cách nhiệt cũng có thể bị đánh giá thấp. Trong trường hợp cần biết nhiệt độ điểm nóng thay vì tính toán, việc giám sát điểm nóng trực tiếp tại các vị trí cuộn dây đã chọn sẽ cung cấp dữ liệu đo được để so sánh.

Giấy cách nhiệt biến áp có tuổi đời như thế nào

Lão hóa cách điện máy biến áp chủ yếu là lão hóa cellulose. Cellulose bao gồm các chuỗi polymer dài và sự phân hủy nhiệt dần dần phá vỡ các chuỗi này thành các chuỗi ngắn hơn. Khi các chuỗi ngắn lại, giấy trở nên yếu hơn và giòn hơn, làm giảm khả năng chịu được các ứng suất cơ học xảy ra trong quá trình sử dụng, chẳng hạn như các ứng suất trong các sự kiện ngắn mạch.

Sự lão hóa của giấy cách nhiệt máy biến áp được điều khiển bởi một số quá trình hoạt động cùng nhau:

• Suy thoái nhiệt: nhiệt độ cao phá vỡ trực tiếp chuỗi cellulose và đây là cốt lõi của quá trình lão hóa nhiệt của máy biến áp.
• Độ ẩm: nước trong giấy làm tăng tốc độ phân hủy và tự nó được giải phóng dưới dạng sản phẩm phụ của quá trình, do đó quá trình lão hóa có thể tự ăn.
• Oxy và quá trình oxy hóa: oxy trong dầu thúc đẩy quá trình oxy hóa của cả dầu và giấy, tạo ra axit và các sản phẩm phụ khác tấn công thêm lớp cách điện.

Toàn bộ hệ thống giấy dầu hoạt động. Dầu bị biến chất có thể mang theo axit và độ ẩm ảnh hưởng đến giấy và các sản phẩm xuống cấp của giấy sẽ xâm nhập vào dầu. Đây là lý do tại sao tình trạng dầu và tình trạng giấy được xem xét cùng nhau trong đánh giá tình trạng.

Mức độ trùng hợp (DP) là một chỉ báo được sử dụng để mô tả tình trạng của xenlulo, vì nó phản ánh độ dài trung bình của chuỗi xenlulo. Nó thường được ước tính từ các mẫu giấy hoặc suy ra từ các chỉ số liên quan. Việc giải thích giá trị DP yêu cầu tiêu chí tham chiếu của tiêu chuẩn hoặc hướng dẫn được công nhận và nó phải được đánh giá cùng với thông tin tình trạng khác thay vì chỉ sử dụng để đánh giá máy biến áp.

Nhiệt độ rất quan trọng nhưng không phải là yếu tố gây lão hóa duy nhất

Nhiệt độ có ảnh hưởng mạnh mẽ đến tốc độ lão hóa cách điện nhưng nó lại tác động cùng với các yếu tố khác. Xử lý nhiệt độ như một bức tranh toàn cảnh sẽ mang lại cái nhìn không đầy đủ về sự lão hóa của máy biến áp.

Các yếu tố này tương tác với nhau. Ví dụ, độ ẩm làm cho nhiệt độ nhất định có hại hơn và nhiệt độ cao hơn có xu hướng đẩy hơi ẩm từ giấy vào dầu. Do những tương tác này, dữ liệu nhiệt độ sẽ hữu ích nhất khi được đọc cùng với các mục khác trong bảng.

Giám sát lão hóa máy biến áp như thế nào?

Không có cảm biến đơn lẻ nào có thể đo lường hoàn toàn độ lão hóa của máy biến áp. Lão hóa là kết quả tích lũy của nhiều ảnh hưởng qua nhiều năm nên việc đánh giá nó dựa trên một số loại thông tin:

• Lịch sử nhiệt độ, bao gồm nhiệt độ lớp dầu trên cùng và cuộn dây
• Nhiệt độ điểm nóng cuộn dây, được tính toán hoặc đo lường
• Chỉ báo tình trạng dầu
• Phân tích khí hòa tan (DGA)
• Độ ẩm trong dầu và cách điện
• Phân tích Furan
• Kiểm tra điều kiện cách điện
• Lịch sử vận hành và tải

Giám sát nhiệt độ góp phần tạo nên một phần của bức tranh này: lớp cách nhiệt phải chịu bao nhiêu ứng suất nhiệt và ứng suất đó thay đổi như thế nào tùy theo điều kiện tải và làm mát. Các phương pháp khác trong danh sách mô tả tình trạng của dầu và giấy. Khi được sử dụng cùng nhau, chúng đưa ra cơ sở cân bằng hơn cho việc đánh giá tình trạng so với bất kỳ một trong số chúng đơn lẻ.

Đo nhiệt độ cuộn dây trực tiếp và lão hóa nhiệt

Nhiệt độ cuộn dây thường được ước tính thay vì đo lường. Các phương pháp phổ biến sử dụng nhiệt độ lớp dầu trên, dòng điện tải, mô hình nhiệt hoặc WTI để tính toán nhiệt độ cuộn dây. Những phương pháp này được sử dụng rộng rãi và cung cấp thông tin hữu ích, nhưng kết quả là giá trị được tính toán dựa trên các giả định của mô hình. Để so sánh các phương pháp, hãy xem bài viết của chúng tôi về cách đo nhiệt độ cuộn dây máy biến áp .

Cảm biến điểm trực tiếp hoạt động khác nhau. Một đầu dò được lắp đặt với đầu cảm biến của nó tại vị trí cuộn dây đã chọn và phép đo sẽ trả về nhiệt độ thực tế tại điểm đó. Với đầu dò sợi quang dựa trên huỳnh quang, nhiệt độ được lấy từ hoạt động huỳnh quang của vật liệu ở đầu cảm biến và sợi quang mang tín hiệu ra khỏi máy biến áp.

Đối với các ứng dụng cuộn dây, cảm biến nhiệt độ cuộn dây sợi quang cung cấp một số đặc điểm phù hợp với môi trường:

• Đo nhiệt độ trực tiếp tại vị trí đã chọn
• Cách ly điện của đường cảm biến quang
• Khả năng chống nhiễu điện từ cao
• Cấu hình đa điểm, sử dụng nhiều đầu dò độc lập

Khi một số vị trí cuộn dây cần dữ liệu nhiệt độ dài hạn, nhiều đầu dò có thể được kết nối với hệ thống giám sát nhiệt độ máy biến áp ngâm trong dầu , hệ thống này ghi lại các kênh cùng nhau và theo dõi cách chúng thay đổi theo điều kiện tải và làm mát.

Những cảm biến này không đo độ lão hóa của lớp cách điện. Chúng cung cấp dữ liệu nhiệt độ cuộn dây thực tế và dữ liệu nhiệt độ điểm nóng tại các vị trí cảm biến đã chọn, cùng với xu hướng nhiệt độ khi tải và làm mát thay đổi. Dữ liệu đó là một đầu vào để đánh giá ứng suất nhiệt và để hiểu các điều kiện khiến máy biến áp bị lão hóa.

Quan trọng: Đo điểm không tự động xác định vị trí mọi điểm nóng

Đầu dò nhiệt độ sợi quang huỳnh quang đo vị trí vật lý nơi lắp đặt đầu cảm biến của nó. Nó không phải là một cảm biến phân tán và sợi giữa đầu cảm biến và thiết bị không đo nhiệt độ dọc theo chiều dài của nó. Một đầu dò đo một vị trí xác định.

Đầu dò sợi quang có thể đo trực tiếp nhiệt độ tại các vị trí cuộn dây đã chọn hoặc đã xác định trước đó, bao gồm cả các vị trí được cho là có nhiệt độ tới hạn. Họ không tự động tìm thấy một điểm nóng không xác định. Nếu một số vị trí cần đo trực tiếp thì cần có nhiều đầu dò.

Do đó, vị trí đặt cảm biến phải được xem xét trong quá trình thiết kế máy biến áp, sản xuất và thử nghiệm tại nhà máy hoặc trong quá trình đánh giá kỹ thuật về các vị trí đo có thể tiếp cận. Nói chung, các đầu dò cuộn dây bên trong không thể được thêm vào máy biến áp ngâm trong dầu đang vận hành sau khi thực tế đã xảy ra.

Máy biến áp mới và Máy biến áp hiện có

Các tùy chọn thực tế khác nhau giữa máy biến áp mới và máy biến áp đã được đưa vào sử dụng.

Máy biến áp mới: Đầu dò cuộn dây trực tiếp có thể được lên kế hoạch trước khi lắp ráp lần cuối khi thiết kế máy biến áp cho phép. Các vị trí đầu dò có thể được thỏa thuận với nhà thiết kế, định tuyến và bảo đảm an toàn trong quá trình sản xuất cũng như được xác minh trong quá trình thử nghiệm tại nhà máy.

Máy biến áp hiện có: Khả năng tiếp cận cuộn dây bên trong thường bị hạn chế và không thể giả định rằng các đầu dò bên trong có thể được trang bị thêm. Đánh giá nhiệt độ có thể dựa nhiều hơn vào các thiết bị hiện có, phép đo lớp dầu trên cùng, WTI, các phép đo bên ngoài và bất kỳ điểm giám sát nào đã có sẵn.

Dữ liệu nhiệt độ nào hữu ích cho việc đánh giá lão hóa máy biến áp?

Các nguồn dữ liệu khác nhau trả lời các câu hỏi khác nhau. Bảng dưới đây không phải là bảng xếp hạng vì mỗi mục đóng góp một điều gì đó khác nhau vào đánh giá độ tuổi.

Kết luận

Lão hóa máy biến áp bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các điều kiện nhiệt mà hệ thống cách điện trải qua và ảnh hưởng này lớn nhất khi nhiệt độ cao nhất. Nhiệt độ điểm nóng cuộn dây cung cấp thông tin mà chỉ nhiệt độ trung bình của dầu không thể thể hiện đầy đủ, đó là lý do tại sao nó rất nổi bật trong các cuộc thảo luận về tuổi thọ nhiệt của máy biến áp.

Đo điểm trực tiếp cung cấp dữ liệu nhiệt độ thực tế tại các vị trí vật lý đã chọn và có thể so sánh với các giá trị được tính toán từ mô hình nhiệt hoặc WTI. Bản thân nó không đo lường được sự lão hóa. Dữ liệu nhiệt độ phải được xem xét cùng với độ ẩm, tình trạng dầu, lịch sử tải và thông tin về tình trạng máy biến áp khác.

Nếu đo nhiệt độ cuộn dây hoặc điểm nóng là một phần của dự án giám sát máy biến áp, INNO có thể giúp xem xét các vị trí đo, cấu hình đầu dò và các kênh giám sát cần thiết.

Thảo luận về dự án giám sát nhiệt độ máy biến áp của bạn