Hướng dẫn toàn diện về phát hiện âm thanh phóng điện cục bộ

Giới thiệu

Hiện tượng phóng điện cục bộ trong hệ thống cách điện của máy biến dòng là dấu hiệu cảnh báo sớm đáng tin cậy nhất về nguy cơ hỏng hóc cách điện sắp xảy ra — và phương pháp phát hiện phát xạ âm thanh là phương pháp khả thi nhất để xác định hiện tượng phóng điện cục bộ đang diễn ra trong các máy biến dòng phân phối điện đã lắp đặt mà không cần ngừng hoạt động thiết bị. Một máy biến dòng đang xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ bên trong sẽ “thông báo” tình trạng xuống cấp của mình thông qua các tín hiệu âm thanh siêu âm lan truyền qua môi trường cách điện và vỏ máy — những tín hiệu này có thể được phát hiện bằng cảm biến áp điện¹ thiết bị, có thể phân tích được bằng phương pháp phù hợp và có thể thực hiện các biện pháp bảo trì thích hợp, tất cả đều diễn ra mà không cần ngừng hoạt động theo kế hoạch dù chỉ một phút.

Câu trả lời trực tiếp là như sau: Công nghệ phát hiện âm thanh phóng điện cục bộ trong các biến áp phân phối điện hoạt động bằng cách phát hiện các sóng áp suất siêu âm — thường là trong dải tần số siêu âm² — được tạo ra mỗi khi xảy ra hiện tượng phóng điện cục bộ trong hệ thống cách điện của CT, và kỹ thuật này đặc biệt hữu ích cho công tác bảo trì CT đã lắp đặt vì nó không xâm lấn, không yêu cầu ngắt mạch thứ cấp, có thể thực hiện trong điều kiện có điện áp và cung cấp thông tin vị trí mà các phương pháp đo phóng điện cục bộ thông thường không thể cung cấp — giúp các đội bảo trì phân biệt được giữa các khuyết tật bên trong hệ thống cách điện của CT cần thay thế khẩn cấp và các nguồn phóng điện corona bên ngoài không cần can thiệp vào CT.

Đối với các kỹ sư bảo trì hệ thống phân phối điện, các chuyên gia đánh giá tình trạng cách điện và các nhóm đảm bảo độ tin cậy chịu trách nhiệm quản lý đội máy biến áp, tài liệu hướng dẫn này cung cấp khung kỹ thuật toàn diện về phương pháp phát hiện phóng điện cục bộ thông qua phát xạ âm thanh — từ cơ sở vật lý của quá trình tạo tín hiệu âm thanh cho đến việc lựa chọn cảm biến, phương pháp đo lường, phân tích tín hiệu và ra quyết định bảo trì.

Mục lục

• Phóng điện cục bộ trong hệ thống cách điện CT là gì và cơ chế hoạt động của phương pháp phát hiện phát xạ âm thanh ra sao?
• Làm thế nào để lựa chọn và bố trí các cảm biến phát xạ âm thanh để phát hiện phóng điện cục bộ bằng phương pháp CT?
• Làm thế nào để thực hiện một chiến dịch đo lường phóng điện cục bộ bằng phương pháp âm học CT có cấu trúc?
• Làm thế nào để phân tích tín hiệu phát xạ âm thanh và đưa ra quyết định bảo trì máy CT?
• Câu hỏi thường gặp về phát hiện âm thanh phóng điện cục bộ trong các biến áp phân phối điện

Phóng điện cục bộ trong hệ thống cách điện CT là gì và cơ chế hoạt động của phương pháp phát hiện phát xạ âm thanh ra sao?

Phóng điện cục bộ là hiện tượng phóng điện chỉ tạo cầu nối qua một phần vật liệu cách điện giữa các dây dẫn — nó không tạo thành đường dẫn phá vỡ hoàn toàn giữa dây dẫn cao áp và đất, nhưng dần dần làm suy giảm vật liệu cách điện xung quanh vị trí phóng điện cho đến khi cuối cùng hình thành đường dẫn phá vỡ hoàn toàn. Trong các hệ thống cách điện CT — dù là dầu-giấy, nhựa epoxy đúc hay khí SF₆ — phóng điện cục bộ là cơ chế suy giảm chính khiến hệ thống cách điện chuyển từ trạng thái hoạt động bình thường sang hỏng hóc trong khoảng thời gian từ vài tháng đến vài năm, tùy thuộc vào cường độ phóng điện và loại vật liệu cách điện.

Các nguyên lý vật lý của hiện tượng phóng điện cục bộ trong vật liệu cách điện CT

Hiện tượng phóng điện cục bộ xảy ra tại các vị trí có điểm yếu của vật liệu cách điện — các khoảng trống trong nhựa đúc, bọt khí trong vật liệu cách điện giấy tẩm dầu, các giao diện bong tróc, tạp chất kim loại, và các vùng có cường độ điện trường cục bộ tăng cao. Tại những vị trí này, điện trường cục bộ vượt quá giới hạn chịu đựng của môi trường cách điện bên trong khuyết tật — thường là một khoảng trống chứa khí, nơi độ bền điện môi thấp hơn nhiều so với vật liệu cách điện rắn hoặc lỏng xung quanh.

Khi điện trường cục bộ vượt quá cường độ phá vỡ của khoảng trống, một hiện tượng phóng điện nhanh sẽ xảy ra bên trong khoảng trống — kéo dài từ vài nano giây đến vài micro giây. Hiện tượng phóng điện này:

• Về mặt điện: Tạo ra một xung dòng điện trong mạch sơ cấp và một xung cảm ứng tương ứng trong mạch thứ cấp — đây là cơ sở của các phương pháp đo lường hiện tượng phóng điện (PD) trong hệ thống điện
• Về mặt nhiệt: Tích tụ năng lượng tại điểm phóng điện, làm cháy xém vật liệu cách điện xung quanh và làm mở rộng khoảng trống qua các chu kỳ phóng điện liên tiếp
• Về mặt âm học: Tạo ra một sự thay đổi áp suất cục bộ đột ngột — một xung cơ học — lan truyền ra ngoài từ vị trí xả dưới dạng sóng âm thanh qua môi trường cách nhiệt xung quanh và vỏ CT

Sóng âm phát ra từ hiện tượng phóng điện cục bộ là một xung áp suất băng rộng có năng lượng đáng kể trong dải tần số siêu âm từ 20–500 kHz. Tín hiệu này truyền qua môi trường cách điện của biến áp (CT) — dầu, nhựa hoặc khí — và qua các thành vỏ của biến áp, bị suy giảm theo khoảng cách và phản xạ tại các giao diện vật liệu, cho đến khi đến bề mặt ngoài của biến áp, nơi nó có thể được phát hiện bởi một cảm biến áp điện tiếp xúc.

Các thông số kỹ thuật chính xác định phương pháp phát hiện phóng điện cục bộ bằng âm thanh CT:

• Dải tần số phát xạ âm thanh: 20–300 kHz đối với thiết bị phát hiện sự cố bên trong (PD) của máy biến áp; năng lượng đỉnh thường nằm trong khoảng 80–150 kHz đối với cách điện bằng giấy tẩm dầu của máy biến áp; 100–250 kHz đối với cách điện bằng nhựa đúc của máy biến áp
• Tốc độ truyền tín hiệu: 1.400–1.500 m/s trong dầu biến áp; 2.500–3.500 m/s trong nhựa epoxy đúc; 5.100 m/s trong vỏ thép — sự chênh lệch tốc độ cho phép xác định vị trí nguồn bằng phương pháp thời gian đến
• Suy giảm tín hiệu: 6–12 dB trên mỗi 100 mm trong dầu; 15–25 dB trên mỗi 100 mm trong nhựa đúc; độ suy giảm tăng theo tần số — các thành phần tần số thấp lan truyền xa hơn so với nguồn phóng điện
• Ngưỡng phát hiện: Điện tích PD tối thiểu có thể phát hiện tương đương khoảng 100–500 pC đối với các cảm biến áp điện tiếp xúc trên vỏ máy CT; phương pháp đo PD bằng điện có độ nhạy cao hơn (5–10 pC) nhưng yêu cầu phải tiếp cận mạch thứ cấp
• Đáp ứng tần số của cảm biến: Cảm biến áp điện băng rộng: đáp ứng phẳng trong dải tần 20–300 kHz; cảm biến áp điện cộng hưởng: độ nhạy cực đại tại 150 kHz ±20%; cảm biến cộng hưởng mang lại độ nhạy cao hơn ở tần số thiết kế nhưng không thu được tín hiệu ngoài dải tần cộng hưởng
• Các tiêu chuẩn áp dụng: IEC 60270³ (đo lường hiện tượng phóng điện phần tử — phương pháp tham chiếu), IEC 62478 (kỹ thuật thử nghiệm điện áp cao — phát xạ âm thanh), IEC 60599 (phân tích khí hòa tan — phương pháp chẩn đoán bổ sung)

Lợi thế của phương pháp phát hiện phát xạ âm thanh so với phương pháp đo hiện tượng phóng điện (PD) bằng điện trong các ứng dụng bảo trì tại hiện trường:

Phương pháp đo PD điện theo tiêu chuẩn IEC 60270 là phương pháp tham chiếu để định lượng PD — phương pháp này cung cấp các kết quả đo điện tích đã được hiệu chuẩn tính bằng picocoulomb và là phương pháp được sử dụng trong thử nghiệm nghiệm thu tại nhà máy. Tuy nhiên, việc đo PD điện tại hiện trường đòi hỏi phải tiếp cận được mạch thứ cấp của CT, một tụ ghép đã được hiệu chuẩn và một môi trường đo lường không có nhiễu — những điều kiện hiếm khi có thể đáp ứng được tại một trạm biến áp phân phối điện đang hoạt động. Phát hiện phát xạ âm thanh chỉ yêu cầu tiếp cận vật lý với bề mặt vỏ CT — nó có thể được thực hiện khi CT đang hoạt động đầy đủ, dưới tải, mà không cần sửa đổi mạch thứ cấp nào, và trong môi trường nhiễu điện từ khiến việc đo PD điện trở nên không thực tế tại hiện trường.

Làm thế nào để lựa chọn và bố trí các cảm biến phát xạ âm thanh để phát hiện phóng điện cục bộ bằng phương pháp CT?

Việc lựa chọn và định vị cảm biến là hai yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến chất lượng phát hiện sự cố phần tử (PD) bằng phương pháp âm thanh — một cảm biến được lựa chọn đúng nhưng đặt sai vị trí sẽ bỏ sót các tín hiệu PD bên trong, trong khi một cảm biến được đặt đúng vị trí nhưng có đáp ứng tần số không phù hợp sẽ phát hiện nhiễu bên ngoài thay vì hiện tượng phóng điện bên trong.

Lựa chọn cảm biến để phát hiện hiện tượng phân cực âm thanh (PD) trong chụp cắt lớp vi tính (CT)

Cảm biến tiếp xúc áp điện (Phương pháp chính):
Các cảm biến áp điện tiếp xúc được ép sát vào bề mặt vỏ máy CT và phát hiện các sóng âm truyền qua thành vỏ. Chúng mang lại độ nhạy cao nhất trong việc phát hiện hiện tượng phân cực điện (PD) bên trong và là phương pháp tiêu chuẩn cho các cuộc khảo sát PD bằng sóng âm trên máy CT.

Tiêu chí lựa chọn:

• Dải tần số: 50–200 kHz đối với biến áp ngâm dầu; 80–300 kHz đối với biến áp đúc nhựa — do nhựa có độ suy giảm cao hơn nên cần độ nhạy tần số cao hơn để phát hiện tín hiệu từ nguồn phóng điện trước khi chúng suy giảm xuống mức nhiễu nền
• Độ nhạy: Tối thiểu -65 dB (đối chiếu 1 V/μbar) để phát hiện đáng tin cậy các nguồn phóng điện phần tử (PD) ở khoảng cách lên đến 300 mm qua lớp dầu; tối thiểu -55 dB đối với các ứng dụng sử dụng nhựa đúc
• Khả năng tương thích về nhà ở: Đế gắn từ tính dành cho vỏ CT có tính từ — cung cấp lực ghép ổn định và vị trí cảm biến lặp lại được để theo dõi xu hướng; ghép bằng keo dành cho vỏ không có tính từ

Cảm biến siêu âm không dây (Phương pháp bổ sung):
Các cảm biến siêu âm không tiếp xúc phát hiện tín hiệu âm thanh truyền qua không khí phát ra từ hiện tượng phóng điện bề mặt và các nguồn phóng điện cục bộ bên ngoài. Chúng được sử dụng để phân biệt hiện tượng phóng điện bề mặt — tạo ra tín hiệu truyền qua không khí mạnh nhưng tín hiệu tiếp xúc yếu — với hiện tượng phóng điện cục bộ bên trong, vốn tạo ra tín hiệu tiếp xúc mạnh nhưng tín hiệu truyền qua không khí yếu.

Vị trí đặt cảm biến cho các loại CT khác nhau

Biến áp ngâm dầu (vòng cách điện bằng sứ hoặc composite):

• Vị trí cảm biến chính: Thành dưới của bể, cách đáy bể 50–100 mm — các tín hiệu âm thanh truyền qua dầu từ các nguồn phóng điện bên trong lan truyền xuống dưới và tập trung tại đáy bể; vị trí này giúp tối đa hóa tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu để phát hiện hiện tượng phóng điện bên trong
• Vị trí cảm biến phụ: Trên thành bồn giữa, vuông góc với cảm biến chính — cho phép xác định vị trí nguồn theo hai chiều thông qua so sánh thời gian đến
• Cần tránh: Bề mặt ống lót — hiện tượng phóng điện corona bên ngoài trên bề mặt ống lót tạo ra các tín hiệu âm thanh mạnh, có thể che lấp các tín hiệu PD bên trong nếu cảm biến được đặt trên ống lót

Nhựa đúc CT (bọc epoxy):

• Vị trí cảm biến chính: Phần đáy thân CT, đặt trực tiếp trên bề mặt epoxy — nhựa đúc có độ suy giảm âm thanh cao hơn dầu, do đó yêu cầu phải đặt cảm biến càng gần vị trí dự kiến của nguồn PD càng tốt (thường là giao diện giữa dây dẫn cao áp và nhựa hoặc giao diện giữa lõi và nhựa)
• Vị trí của các cảm biến phụ: Cách đều nhau 120° dọc theo chu vi thân máy CT — cho phép xác định vị trí nguồn ba điểm đối với các máy CT được bọc nhựa
• Chất trung gian kết nối: Gel kết nối âm thanh là bắt buộc đối với nhựa đúc — độ nhám bề mặt của nhựa epoxy tạo ra các khe hở không khí, dẫn đến suy giảm nghiêm trọng các tín hiệu tần số cao nếu không có gel kết nối

Kiểm tra chất lượng khớp nối

Trước khi ghi lại các số liệu PD, hãy kiểm tra chất lượng kết nối âm thanh:

$SNR_{coupling} = 20 × log₁₀(V_{signal}/V_{noise}) ≥ 6 dB$

Áp dụng phương pháp bẻ ngòi bút chì (theo nguồn Hsu-Nielsen) lên bề mặt vỏ CT cách cảm biến 100–200 mm — điều này tạo ra một xung âm thanh băng rộng để xác minh rằng cảm biến đã được kết nối chính xác và đường truyền tín hiệu vẫn nguyên vẹn. Một cảm biến được kết nối chính xác sẽ cho thấy đáp ứng xung rõ ràng với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) ≥ 6 dB so với mức nhiễu nền.

Làm thế nào để thực hiện một chiến dịch đo lường phóng điện cục bộ bằng phương pháp âm học CT có cấu trúc?

Một chiến dịch đo lường PD bằng phương pháp âm thanh có hệ thống dành cho đội máy biến áp phân phối điện đòi hỏi phải có một quy trình đo lường được xác định rõ ràng, cho phép so sánh giữa các máy biến áp, giữa các giai đoạn đo lường, cũng như giữa máy biến áp đang được kiểm tra và một mẫu tham chiếu đã biết là còn tốt — bởi vì mức tín hiệu âm thanh tuyệt đối sẽ không có ý nghĩa nếu thiếu bối cảnh; chính các mức độ tương đối và xu hướng mới giúp xác định tình trạng cách điện đang bị suy giảm.

Bước 1: Xác định các chỉ số cơ sở

Trước khi phương pháp phát hiện hư hỏng bằng âm thanh (acoustic PD) có thể xác định các cuộn dây biến áp (CT) đang bị hư hỏng, cần phải thiết lập các giá trị đo lường ban đầu cho từng cuộn dây biến áp trong hệ thống trong điều kiện hoạt động bình thường đã được xác định:

• Ghi lại giá trị cơ sở tại thời điểm đưa vào vận hành hoặc trong tình trạng sức khỏe tốt nhất được biết đến gần đây nhất: Đo lường và ghi chép mức tín hiệu âm thanh, phổ tần số và mô hình phân giải pha cho từng máy CT tại thời điểm đưa vào vận hành hoặc ngay sau khi hoàn tất kiểm tra cách điện đạt yêu cầu
• Điều kiện đo lường tài liệu: Ghi lại điện áp sơ cấp, dòng điện sơ cấp, nhiệt độ môi trường và điều kiện thời tiết — mức tín hiệu PD âm thanh thay đổi theo điện áp (điện áp khởi phát PD) và nhiệt độ (độ nhớt của vật liệu cách điện ảnh hưởng đến sự lan truyền tín hiệu trong dầu)
• Thiết lập mã tham chiếu đội xe: Xác định phân phối thống kê của mức tín hiệu âm thanh trong toàn bộ đội tàu CT — Các tàu CT có mức tín hiệu cao hơn mức trung vị của đội tàu từ 6 dB trở lên cần được kiểm tra, bất kể mức tuyệt đối là bao nhiêu

Bước 2: Xác định trình tự và tần suất đo lường

• Khảo sát hàng năm dành cho các CT có thâm niên công tác trên 15 năm: Sự suy giảm chất lượng lớp cách điện diễn ra nhanh hơn trong nửa sau của thời gian sử dụng CT; các cuộc khảo sát PD âm thanh hàng năm cung cấp độ phân giải thời gian đủ cao để phát hiện sự suy giảm trước khi nó đạt đến mức nguy hiểm
• Khảo sát 6 tháng một lần dành cho các CT có vấn đề về cách nhiệt đã được xác định: Các CT cho thấy mức độ âm thanh tăng cao trong cuộc khảo sát trước đó, các CT có bất thường phân tích khí hòa tan⁴ kết quả, và các CT đã từng gặp sự cố quá tải nhiệt
• Khảo sát ngay sau khi xảy ra sự cố: Bất kỳ thiết bị CT nào đã phải chịu dòng điện qua điểm sự cố vượt quá 50% so với dòng điện ngắn hạn định mức đều phải được đánh giá hiện tượng phóng điện phần tử (PD) bằng phương pháp âm thanh trong vòng 30 ngày — vì ứng suất nhiệt do dòng điện sự cố có thể gây ra sự suy giảm cách điện, biểu hiện dưới dạng hiện tượng PD chỉ trong vài tuần sau khi xảy ra sự cố

Bước 3: Thực thi Giao thức đo lường

1. Chuẩn bị môi trường đo lường: Ghi lại mức độ tiếng ồn xung quanh bằng cảm biến được gắn vào vỏ CT nhưng nguồn tín hiệu đã ngắt kết nối — việc này giúp xác định mức nền tiếng ồn để tính toán tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR); nếu tiếng ồn xung quanh vượt quá -40 dBV trong dải tần số đo, hãy xác định và loại bỏ các nguồn tiếng ồn trước khi tiếp tục
2. Gắn cảm biến vào các vị trí đã định: Sử dụng vị trí đặt máy quét CT theo từng loại được xác định tại Bước 1 trong phần lựa chọn cảm biến; bôi gel kết nối cho các máy quét CT bằng nhựa đúc; kiểm tra chất lượng kết nối bằng thử nghiệm nguồn Hsu-Nielsen
3. Ghi lại dạng sóng trong miền thời gian: Ghi lại tín hiệu âm thanh liên tục trong ít nhất 10 giây tại mỗi vị trí cảm biến — đủ để quan sát nhiều chu kỳ tần số nguồn và xác định hoạt động của hiện tượng phóng điện (PD) có tương quan pha
4. Ghi lại phổ tần số: Phân tích FFT của dạng sóng thu được; xác định các thành phần tần số đỉnh; so sánh với phổ cơ sở — các thành phần tần số mới nằm trên mức cơ sở cho thấy hoạt động mới của bệnh lý
5. Bản ghi mô hình PD phân giải theo pha⁵: Đồng bộ hóa dữ liệu đo âm thanh với pha điện áp tần số công nghiệp bằng cách sử dụng tín hiệu điện áp tham chiếu; vẽ đồ thị biểu diễn biên độ sự kiện âm thanh theo góc pha — hình dạng mẫu PRPD giúp xác định loại nguồn PD
6. Áp dụng phân tích thời gian đến dựa trên nhiều cảm biến: Nếu triển khai đồng thời hai hoặc nhiều cảm biến, hãy ghi lại chênh lệch thời gian đến (TDOA) của các tín hiệu âm thanh giữa các vị trí cảm biến — điều này cho phép tính toán vị trí nguồn

Bước 4: Tính toán vị trí nguồn

Đối với hai cảm biến được đặt tại các vị trí đã biết trên vỏ máy CT:

$\Delta d = v_{dầu} \times \Delta t$

Ở đâu $\Delta t$ là chênh lệch thời gian đến được đo được và $v_{dầu}$ là vận tốc truyền âm trong dầu (1.450 m/s). Nguồn nằm trên một đường hyperbol được xác định bởi sự chênh lệch độ dài đường đi không đổi $\Delta d$ — với ba cảm biến trở lên, điểm giao nhau của nhiều đường hyperbol sẽ xác định vị trí của nguồn điểm.

Đối với một hệ thống CT có cấu trúc bên trong đã biết, độ chính xác về vị trí nguồn trong khoảng ±20–50 mm có thể đạt được bằng cách sử dụng ba cảm biến và thực hiện đo TDOA một cách cẩn thận — mức độ này đủ để phân biệt giữa nguồn PD tại giao diện dây dẫn cao áp (mức độ nghiêm trọng cao nhất), giao diện lõi-lớp cách điện (mức độ nghiêm trọng trung bình) và thành bể (mức độ nghiêm trọng thấp nhất).

Các tình huống ứng dụng

• Khảo sát hàng năm về đội xe CT tại trạm biến áp phân phối điện: Sử dụng cảm biến áp điện tại thành dưới của bể chứa; khảo sát biên độ và phổ tần số bằng cảm biến đơn; so sánh với mức cơ sở của đội tàu; đánh dấu các CT có mức tăng >6 dB so với mức cơ sở để tiến hành khảo sát đa cảm biến tiếp theo
• Đánh giá tình trạng cách nhiệt của hệ thống CT đã qua sử dụng (>20 năm): Việc triển khai nhiều cảm biến kết hợp với phân tích PRPD; xác định vị trí nguồn bằng phương pháp TDOA; đối chiếu với kết quả phân tích khí hòa tan; quyết định bảo trì dựa trên bằng chứng kết hợp giữa dữ liệu âm thanh và hóa học
• Đánh giá cách điện CT sau sự cố: Tiến hành khảo sát bằng cảm biến đơn ngay lập tức trong vòng 30 ngày kể từ khi xảy ra sự cố; so sánh với dữ liệu tham chiếu trước khi xảy ra sự cố; mức tín hiệu tăng cao sẽ kích hoạt chương trình giám sát tăng cường
• Tiêu chuẩn vận hành ban đầu mới cho CT: Thực hiện khảo sát đa cảm biến toàn diện tại thời điểm đưa vào vận hành; ghi lại mẫu PRPD làm tài liệu tham khảo; lập hồ sơ phổ tần số; lưu trữ kết quả trong hồ sơ quản lý tài sản CT làm cơ sở tham chiếu trong suốt vòng đời

Làm thế nào để phân tích tín hiệu phát xạ âm thanh và đưa ra quyết định bảo trì máy CT?

Khung phân tích tín hiệu

Việc phân tích tín hiệu PD âm thanh đòi hỏi phải phân biệt bốn loại tín hiệu có dải biên độ trùng lặp nhưng lại có phổ tần số, mẫu phân giải pha và ý nghĩa đối với công tác bảo trì hoàn toàn khác nhau:

Loại 1: Xả rỗng bên trong (Mức độ nghiêm trọng nhất)

• Đặc tính âm học: Các xung lặp lại với tần số lặp lại gấp 2 lần tần số nguồn (hai lần phóng điện trong mỗi chu kỳ điện áp — một lần trong nửa chu kỳ dương, một lần trong nửa chu kỳ âm); tần số đỉnh 80–150 kHz; tín hiệu mạnh hơn trên cảm biến tiếp xúc so với cảm biến không dây
• Mẫu PRPD: Các cụm đối xứng ở các vị trí pha 45° và 225° (các đỉnh điện áp dương và âm); phân bố biên độ tuân theo phân phối Gaussian trong mỗi cụm
• Tác động đến công tác bảo trì: Quá trình xuống cấp của lớp cách nhiệt bên trong đang diễn ra — lên kế hoạch thay thế trong đợt ngừng hoạt động theo kế hoạch tiếp theo; tăng tần suất giám sát lên hàng tháng cho đến khi thay thế

Loại 2: Xả thải theo dõi bề mặt (Mức độ nghiêm trọng cao)

• Đặc tính âm học: Mô hình xung không đều; có sự tương quan với tần số điện lưới nhưng không đối xứng; tần số đỉnh 50–100 kHz; tín hiệu có thể phát hiện được trên cả cảm biến tiếp xúc và cảm biến không dây
• Mẫu PRPD: Các cụm bất đối xứng — mạnh hơn ở một nửa chu kỳ so với nửa còn lại; sự phân bố biên độ không đều cho thấy hành vi phóng điện thất thường
• Tác động đến công tác bảo trì: Sự xuống cấp của lớp cách điện bề mặt — thường xảy ra tại điểm tiếp xúc giữa ống lót và mặt bích hoặc giữa lõi và nhựa; cần phải thay thế; không được trì hoãn đến sau đợt ngừng hoạt động theo lịch trình tiếp theo

Loại 3: Corona bên ngoài (Mức độ nghiêm trọng CT thấp)

• Đặc tính âm học: Tiếng rè liên tục thay vì các xung rời rạc; tín hiệu truyền qua không khí mạnh; tín hiệu tiếp xúc yếu hoặc không có; tần số đỉnh 20–50 kHz
• Mẫu PRPD: Tập trung tại các điểm giao cắt điện áp (90° và 270°); phân bố biên độ rất đồng đều
• Tác động đến công tác bảo trì: Hiện tượng phóng điện corona bên ngoài do các dây dẫn, vật liệu cách điện hoặc phụ kiện lân cận gây ra — cách điện của CT không bị suy giảm; cần điều tra và khắc phục nguồn gây ra hiện tượng phóng điện corona bên ngoài; không cần thay thế CT

Loại 4: Rung động cơ học và nhiễu (Không có PD)

• Đặc tính âm học: Tín hiệu liên tục ở tần số nguồn và các tần số hài (50 Hz, 100 Hz, 150 Hz); không có mối tương quan với pha điện áp; tín hiệu xuất hiện trên cảm biến tiếp xúc nhưng không tương quan pha
• Mẫu PRPD: Phân bố đồng đều trên tất cả các góc pha — không có tương quan pha
• Tác động đến công tác bảo trì: Dao động cơ học do hiện tượng từ co giãn, các bộ phận lỏng lẻo hoặc các nguồn cơ học bên ngoài — không phải là tín hiệu PD; không có vấn đề về cách điện; cần kiểm tra nguồn gốc cơ học nếu mức độ dao động tăng cao

Sơ đồ quy trình ra quyết định bảo trì

Mối tương quan với các phương pháp chẩn đoán bổ trợ

Phương pháp phát hiện bệnh PD bằng âm thanh mang lại kết quả chẩn đoán tại hiện trường có tính ứng dụng cao nhất — nhưng độ tin cậy của kết luận này được củng cố nhờ việc đối chiếu với các phương pháp bổ trợ:

• Phân tích khí hòa tan (DGA): Sự hình thành hydro (H₂) và metan (CH₄) trong các biến áp ngâm dầu (CT) xác nhận hiện tượng phóng điện phần tử (PD); acetylen (C₂H₂) cho thấy hiện tượng phóng điện hồ quang năng lượng cao; mối tương quan giữa sự gia tăng mức tín hiệu âm thanh và tốc độ sinh khí trong phân tích khí trong dầu (DGA) xác nhận nguồn phóng điện bên trong
• Hình ảnh nhiệt (hồng ngoại): Các điểm nóng trên bề mặt vỏ CT cho thấy hiện tượng gia nhiệt do điện trở từ các đường dẫn phóng điện; sự tương quan với các tín hiệu âm thanh tại cùng vị trí này xác nhận hoạt động phóng điện bề mặt
• Đo lường hiện tượng phóng điện (PD) trong hệ thống điện (IEC 60270): Cung cấp kết quả đo dòng điện đã được hiệu chuẩn với đơn vị pC — cần thiết để đánh giá chính xác mức độ nghiêm trọng; được thực hiện trong thời gian ngừng hoạt động theo kế hoạch khi biến dòng (CT) đã ngắt nguồn và có thể tiếp cận mạch thứ cấp

Những sai lầm thường gặp trong việc diễn giải

• Gán tất cả các tín hiệu âm thanh tăng cao cho hiện tượng phóng điện bên trong (PD): Hiện tượng phóng điện corona bên ngoài do thiết bị lân cận gây ra là nguyên nhân phổ biến nhất dẫn đến các tín hiệu âm thanh báo động sai về hiện tượng phóng điện cục bộ (PD) tại các trạm biến áp phân phối; luôn cần so sánh tín hiệu từ cảm biến tiếp xúc và cảm biến không khí trước khi kết luận rằng có hiện tượng phóng điện cục bộ bên trong
• Ra quyết định thay thế chỉ dựa trên biên độ của một lần đo duy nhất: Một kết quả đo biên độ tăng cao đơn lẻ mà không kèm theo phân tích mẫu PRPD, so sánh phổ tần số và tương quan với giá trị cơ sở không cung cấp đủ bằng chứng để đưa ra quyết định thay thế; việc đánh giá PD bằng âm thanh đòi hỏi phải có bộ dữ liệu đặc trưng tín hiệu đầy đủ
• Bỏ qua các tín hiệu âm thanh dưới “ngưỡng báo động”: Sự suy giảm dần dần của lớp cách âm dẫn đến mức tín hiệu âm thanh tăng lên theo thời gian, từ vài tháng đến vài năm; một tín hiệu cao hơn mức cơ sở 3 dB vào thời điểm hiện tại và cao hơn 4 dB tại lần khảo sát tiếp theo sẽ đáng lo ngại hơn so với một tín hiệu cao hơn mức cơ sở 6 dB nhưng ổn định — xu hướng mang lại nhiều thông tin hơn so với mức tuyệt đối
• Tiến hành khảo sát PD bằng phương pháp âm học ngay sau khi xảy ra hiện tượng dao động điện áp hoặc sự cố chuyển mạch: Các thao tác đóng cắt tạo ra tín hiệu âm thanh có thể tồn tại trong vài phút trong các biến áp đo dòng điện ngâm dầu; cần chờ ít nhất 30 phút sau bất kỳ thao tác đóng cắt nào trước khi bắt đầu đo hiện tượng phóng điện âm thanh

Kết luận

Phương pháp phát hiện phóng điện cục bộ bằng phát xạ âm thanh là kỹ thuật giám sát tình trạng có tính ứng dụng thực tiễn cao nhất hiện nay đối với các CT phân phối điện đã lắp đặt — phương pháp này không yêu cầu ngắt điện, không cần tiếp cận mạch thứ cấp, không đòi hỏi cơ sở hạ tầng trạm biến áp chuyên dụng và không cần sửa đổi CT hoặc các mạch điện kết nối với nó. Giá trị của kỹ thuật này không nằm ở việc phát hiện phóng điện cục bộ (PD) tại một thời điểm cụ thể — mà nằm ở việc thiết lập mức cơ sở cho từng CT trong hệ thống, theo dõi xu hướng mức tín hiệu âm thanh qua các đợt đo lường liên tiếp, và sử dụng mẫu phân giải pha cùng phổ tần số để phân biệt giữa hiện tượng phóng điện do khoảng trống bên trong (yêu cầu thay thế khẩn cấp) và hiện tượng corona bên ngoài (không yêu cầu can thiệp vào CT). Trong quản lý đội biến áp phân phối điện, công nghệ phát hiện phóng điện cục bộ thông qua phát xạ âm thanh là khoản đầu tư bảo trì giúp chuyển đổi cách ứng phó thụ động trước sự cố biến áp — tức là thay thế khẩn cấp sau khi xảy ra sự cố hỏng cách điện bất ngờ — thành mô hình quản lý tài sản có kế hoạch. Nhờ đó, các biến áp có dấu hiệu xuống cấp sẽ được phát hiện từ nhiều tháng trước khi xảy ra sự cố và được thay thế trong các đợt ngừng hoạt động theo lịch trình, từ đó loại bỏ rủi ro an toàn, thời gian ngừng hoạt động để bảo trì và chi phí mua sắm khẩn cấp thường phát sinh khi biến áp hỏng đột ngột.

Câu hỏi thường gặp về phát hiện âm thanh phóng điện cục bộ trong các biến áp phân phối điện

1. Hiểu rõ công nghệ cơ bản của cảm biến áp điện được sử dụng trong giám sát âm thanh tần số cao. ↩

2. Khám phá các đặc tính tần số siêu âm cụ thể do các hiện tượng phóng điện tạo ra. ↩

3. Truy cập tiêu chuẩn chính thức IEC 60270 về đo lường phóng điện cục bộ trong hệ thống điện thông thường. ↩

4. Tìm hiểu cách phân tích khí hòa tan xác định sự suy giảm chất lượng vật liệu cách điện thông qua các chỉ thị hóa học trong dầu. ↩

5. Hướng dẫn chi tiết về cách phân tích các mẫu phóng điện cục bộ theo pha nhằm mục đích chẩn đoán. ↩