Phân tích furan trong dầu cách điện để đánh giá sự phân hủy vật liệu cách điện giấy nhằm xác định tuổi thọ máy biến áp

tài Liệu tham Khảo
[1] S. Tenbohlen, D. Uhde, J. Poittevin, H. Borsi, 
P. Werle, U. Sundermann, et al., “enhanced 
diagnosis of power transformers using on-and 
off-line methods: Results, examples and future 
trends,” CIGRe paper, pp. 12-204, 2000.
[2] P. Mariño, F. Poza, S. Otero, and 
F. Machado, “Development of condition 
monitoring instrumentation for sensing 
power transformers,” in International 
Conference On Sensing Technology, 2005.
[3] S. Tenbohlen, T. Stirl, G. Bastos, 
J. Baldauf, P. Mayer, M. Stach, et al., 
“experienced-based evaluation of 
economic benefits of on-line monitoring 
systems for power transformers, 
” CIGRe Session 2002, pp. 12-110, 2002.
[4] Y. Wang, B. eng, and M. eng, 
“Transformer vibration and its 
application to condition monitoring,” 
University of Western australia, 2015.
[5] M. Wang, “Winding movement and 
condition monitoring of power 
transformers in service,” The University of 
British Columbia, 2003.
[6] C. Bartoletti, M. Desiderio, D. Di Calo, G. 
Fazio, F. Muzi, G. Sacerdoti, et al., 
“Vibro-acoustic techniques to diagnose power 
transformers,” Power Delivery, 
Ieee Transactions on, vol. 19, pp. 
221-229, 2004.
[7] J. T. Yoon, K. M. Park, B. D. Youn, and 
W.-R. Lee, “Diagnostics of Mechanical Faults in 
Power Transformers-Vibration Sensor 
Network Design under Vibration Uncertainty.”
[8] M. Jin, J. Pan, H. Huang, and J. Zhou, 
“Transmission of vibration of a power 
transformer from the internal structures 
to the tank.”
[9] M. Nafar, a. Gheisari, and a. alesaadi, 
“Circuit Breaker and 
Transfore Monitoing,” World academy of 
Science, engineering and Technology, 
International Journal of electrical, 
Computer, energetic, electronic and 
Communication engineering, vol. 4, 
pp. 1548-1552, 2010.
[10] M. I. Comanici, and P. Kung, 
“Development of a long-gauge distriuted 
vibration sensor,” 2014 electrical Insulation 
Conference, USa, 2014, pp. 74-77.
[11] M. I. Comanici, L. R. Chen, and P. Kung, 
“Long-gauge distributed sensor for 
monitoring vibration,” in Photonics 
Conference (IPC), 2014 Ieee, 2014, 
pp. 374-375.
PHÂN TÍCH FURAN 
TRONG DẦU CÁCH ĐIỆN 
ĐỂ ĐÁNH GIÁ 
SỰ PHÂN HỦY VẬT LIỆU 
CÁCH ĐIỆN GIẤY NHẰM 
XÁC ĐỊNH TUỔI THỌ 
MÁY BIẾN ÁP
kS. PHẠm minH HOÀng
kS. ĐẶng QUỐC HOÀn
Cty Thí nghiệm điện miền Nam
tóm tắt: 
Tuổi thọ của máy biến áp (MBa) được xác định 
bởi tuổi thọ của vật liệu cách điện giấy của MBA. 
Tuổi thọ của vật liệu cách điện giấy được xác định 
bởi độ bền cơ học của giấy và được đo bởi hệ số 
polyme hóa (DP). Phương pháp truyền thống để 
xác định DP, được gọi là phương pháp trực tiếp, 
yêu cầu những mẫu giấy thực sự và vì vậy đây là 
phương pháp xâm phạm MBa và tốn kém. Ngày 
nay phương pháp gián tiếp được sử dụng để ước 
tính DP từ những hợp chất furan hòa tan trong dầu 
cách điện. 
Hợp chất furan là một trong những hợp chất hóa 
học được sinh ra khi vật liệu cách điện giấy già cỗi 
và xuống cấp. Hàm lượng các hợp chất này cho biết 
mức độ phân huỷ của vật liệu cách điện cellulose.
Bài báo này nhằm mục đích giúp cho những nhà 
quản lý và vận hành máy biến áp (MBA) hiểu biết 
thêm về một phương pháp chẩn đoán mới để đánh 
giá tình trạng hiện tại của vật liệu cách điện giấy 
cũng như tình trạng vận hành của MBA, từ đó có 
phương thức vận hành thích hợp nhằm lường trước 
những sự cố có thể diễn ra đối với MBA.
1. hiện trạng Lưới điện miền nam:
Theo Ieee Std C57.91-2011 đề cập thì tuổi thọ 
của MBA khoảng 20 năm, ngày nay tuổi thọ của 
MBA được thiết kế sử dụng 30 đến 40 năm. Hiện 
tại có nhiều MBA vẫn hoạt động dù đã quá tuổi thọ 
theo khuyến cáo của nhà sản xuất. Trên hệ thống 
điện miền Nam vẫn còn tồn tại một lượng đáng kể 
các máy biến áp già cỗi, đã được vận hành trên 20 
năm. Thử nghiệm DGA đánh giá được tình trạng 
vận hành của MBA. Tuy nhiên khi vật liệu cách điện 
giấy bị phân hủy thì vấn đề đặt ra là độ bền cơ học 
của vật liệu cách điện này sẽ bị ảnh hưởng như thế 
nào dưới tác động của nhiệt độ, độ ẩm, sự oxy hóa.
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 19 
2. Bản Chất Của vật Liệu CáCh điện giấy, 
Cơ Chế hình thành Furan:
2.1. Bản Chất Của vật Liệu CáCh điện giấy:
Vật liệu cách điện giấy sử dụng trong thiết 
bị điện là sản phẩm có nguồn gốc cellulose. 
Cellulose là chuỗi các phân tử monomer liên 
kết với nhau. Số monomer trung bình trong 
những chuỗi cellulose được gọi là hệ số polymer 
hóa (DP).
Vật liệu cách điện giấy mới đưa vào sử dụng 
có DP khoảng 1000-1300. DP đặc trưng cho độ 
bền cơ học của vật liệu cách điện giấy. Trong quá 
trình vận hành, giấy bị lão hóa, liên kết giữa các 
monomer bị bẻ gãy và DP giảm. Khi DP < 150 thì vật 
liệu cách điện giấy không còn độ bền cơ học nữa.
Máy biến áp 63MVA EMC trạm 110kV Thắng Tam bị quá nhiệt 
vật liệu cách điện cellulose được kiểm tra sửa chữa 
2.2. Cơ Chế hình thành Furan trong dầu CáCh 
điện:
Vật liệu cách điện cellulose bao gồm các phân 
tử cellulose dài ngắn khác nhau nằm cạnh nhau. 
Các phân tử này bám lấy nhau nhờ có các liên kết 
hyđro giữa các nhóm hydroxy (- OH) tồn tại trong 
cấu trúc của chúng. Phân tử cellulose là polymer 
dạng thẳng tạo nên bởi một chuỗi các mắt 
glucose gắn với nhau bởi các liên kết glycoside.
Dưới tác động của nhiệt độ, điện từ trường vật 
liệu cách điện cellulose sẽ bị phân hủy, bẻ gãy các 
mạch polymer trong phân tử cellulose tạo thành 
các hợp chất furan, khí CO, nước ngấm trong giấy 
cách điện và một phần sẽ hòa tan trong dầu.
2.3. Sự phân hủy vật liệu cách điện giấy 
tạo ra 2-furaldehyde, 5-hydroxymethyl-2- 
furaldehyde, 2-acetyl furan, 5-methyl-2- 
furaldehyde và furfuryl alcohol. Khi chúng được 
sinh ra, hỗn hợp của chúng tự phân tán giữa giấy 
và dầu cách điện. 
2.4. Năm chất dẫn xuất furan và điều kiện tạo 
thành khi vật liệu cách điện giấy xuống cấp
FURAN 
HO
H 
 HOH 
 CO
 HOH
 NƯỚC 
NƯỚC 
 CARBON 
MONOXIDE 
 H
CHO 
O 
H H 
Nhiệt độ, điện từ 
trường 
Nhiệt độ, điện từ 
trường 
5-methyl-2-furaldehyde (5M2F) ← Quá nhiệt 
mãnh liệt, cục bộ (hotspot)
2-Furaldehyde (2FAL) ← Quá nhiệt, chạm chập từ lâu
]Furfuryl alcohol (2FOL) ← Độ ẩm cao trong giấy
2-Acetylfuran (2ACF) ← Bức xạ ánh sáng 
5-hydroxymethyl-2-furaldehyde (5H2F) ← Oxi 
hóa (do lão hóa và nhiệt) của giấy
20 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018
3. mối tương quan Furan với dP, thiết Bị 
Phân tíCh Furan:
3.1. mối tương quan Furan với dP:
Chendong đã thiết lập được mối liên hệ giữa 
DP và 2-Furaldehyde (2-FAL là hợp chất quan 
trọng nhất trong 5 hợp chất furan có trong dầu 
MBA) theo công thức sau:
STT Tên
trạm
Thời 
gian
Hàm lượng các thành phần (ppm)
Hàm 
lượng 
tổng TF 
(ppm)
Hệ 
số 
DP
Kết luận 
Furan Kết luận DGA
5-
hydrox 
ymethyl
-2-
furalde 
hyde
furfuryl 
alcohol
2- 
furald 
ehyde
2- 
acetylfuran
5- 
methyl 
-2- 
furalde 
hyde
1
VŨNG LIÊM 
T2 40MVA 
110kV 
N:0804-99 
LIÊN XÔ 
SL:05/2015
28/12 
2017 0.0052 0.0044 0.3876 0.0130 0.0166 0.4267 549
TF = 0.4267 
ppm. Có sự phân 
hủy vật liệu cách 
điện giấy chủ 
yếu là do quá 
nhiệt (overheating). 
DP = 549. 
Tuổi thọ 
còn lại 
của vật liệu 
cách điện 
giấy trong 
 máy biến 
 thế được ước 
tính là 72%. 
TCG = 633 
ppm. Trong 
máy đã có 
hiện tượng 
quá nhiệt vật 
liệu cách điện 
cellulose. So 
với kết quả 
định kỳ 2017, 
khí CO có 
tăng thêm.
Ưu điểm: phương pháp đơn giản, dễ thực hiện, 
ít tốn kém nên ngày càng được sử dụng rộng rãi 
trên thế giới.
Phân tích furan trong dầu MBA và tính tốc độ 
sản sinh để có hướng xử lý thích hợp như: giảm 
tải, quấn lại cuộn dây, dây dẫn hoặc loại bỏ MBA.
Phân tích các hợp chất furan bằng hệ thống 
sắc ký lỏng HPLC sẽ xác định được tình trạng 
suy giảm độ bền cơ học của vật liệu cách điện 
cellulose, đánh giá tuổi thọ MBA.
3.2. thiết Bị Phân tíCh Furan: 
Hệ thống sắc ký lỏng HPLC phân tích các 
hợp chất furan của PTN Hóa Dầu – Công ty Thí 
nghiệm Điện miền Nam: 
- Hiệu máy: 1260 LC Infinity - agilent 
- Phương pháp thí nghiệm: aSTM D5837 
- Giới hạn phát hiện: 50 ppb
3.3. SắC Ký đồ và Kết quả Phân tíCh 
Furan đưỢC thỂ hiện như Sau:
3.4. Kết quả Phân tíCh Furan và hệ Số 
PoLymEr (dP) đưỢC đánh giá dựa trên 
Bảng Sau:
Hệ số 
Polymer (DP) 
ước tính
Phần trăm 
tuổi thọ 
còn lại ước 
tính
Giải thích
800 100
Tốc độ lão hóa 
bình thường700 90
600 79
500 66
Tốc độ lão hóa 
nhanh
400 50
380 46
360 42
340 38
Vùng lão hóa nguy 
hiểm quá mức320 33
300 29
280 24 Nguy cơ hư hỏng 
cao260 19
240 13 Giai đoạn cuối 
của tuổi thọ mong 
muốn của vật liệu 
cách điện giấy và 
của MBA
220 7
200 0
4. một Số ví dụ về mối tương quan Kết quả Phân tíCh Furan và dga trong việC đánh giá 
vật Liệu CáCh điện giấy Của CáC trạm 110Kv thuộC tổng Công ty điện LựC miền nam
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 21 
2SÓC TRĂNG 
T1 63MVA 
110kV 
N:046035T 
VINA 
TAKAOKA 
VH:07/2005
15/11 
2017 0.0279 0.0225 0.1450 0.0047 0.0123 0.2122 624
TF=0.2122 ppm. 
Có sự phân hủy 
vật liệu 
cách điện giấy 
chủ yếu là 
do quá nhiệt 
(overheating). 
DP=624. 
Tuổi thọ 
còn lại của 
vật liệu 
cách điện giấy 
trong máy biến 
thế được ước 
tính là 80%.
TCG = 543 
ppm. 
Trong máy 
có hiện tượng 
quá nhiệt vật 
liệu cách điện 
cellulose.
3
SA ĐÉC 
T40MVA 
110kV 
N:19201 
LIÊN XÔ 
SL:10/2009
13/03 
2018 0.0000 0.0019 0.2064 0.0060 0.0105 0.2248 627
TF=0.2248 
ppm. Có sự 
phân hủy vật 
liệu cách điện 
giấy chủ yếu 
là do quá nhiệt 
(overheating) 
DP=627. Tuổi 
thọ còn lại của 
vật liệu cách 
điện giấy trong 
máy biến thế 
được ước tính là 
80%.
TCG = 375 
ppm. Máy 
biến thế hoạt 
động bình 
thường.
4
ĐỨC LINH 
T2 25MVA 
110kV N:25 
M0501225 
EMCVH: 
09/2009
19/12 
2017 0.0019 0.0058 0.0808 0.0011 0.0011 0.0907 744
TF=0.0907 
ppm. Có sự 
phân hủy vật 
liệu cách điện 
giấy chủ yếu 
là do quá nhiệt 
(overheating).
DP=744. Tuổi 
thọ còn lại của 
vật liệu cách 
điện giấy trong 
máy biến thế 
được ước tính là 
94%.
TCG = 1244 
ppm. Trong 
máy đã có 
hiện tượng 
quá nhiệt vật 
liệu cách điện 
cellulose. So 
với kết quả 
định kỳ 2017, 
máy biến thế 
hoạt động ổn 
định.
5
KIÊN 
LƯƠNG 2 
T1 25MVA 
110kV 
N:981-02 
ĐÔNG ANH 
VH:2001
09/01 
2018 0.0000 0.0225 0.0764 0.0017 0.0017 0.1023 751
DP=751. Tuổi 
thọ còn lại của 
vật liệu cách 
điện giấy trong 
máy biến thế 
được ước tính là 
95%.
TCG = 542 
ppm. Trong 
máy đã có 
hiện tượng 
chớp tia lửa 
điện tạo khí 
C2H2. So với 
kết quả định 
kỳ 2017, các 
khí cháy có 
tăng thêm.
6
AN BIÊN 
T2 40MVA 
ĐÔNG ANH 
N:024934-
01 
SL:08/2015
14/03 
2018 0.0000 0.0089 0.0587 0.0000 0.0031 0.0707 783
DP=783. Tuổi 
thọ còn lại của 
vật liệu cách 
điện giấy trong 
máy biến thế 
được ước tính là 
92%.
TCG = 
311 ppm. 
Máy biến 
thế hoạt 
động bình 
thường.
22 BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018
7MINH 
PHONG 
T2 
40MVA 
VINA 
TAKAOKA 
N:0140226T 
SL:07/2015
14/03 
2018 0.0000 0.0000 0.0523 0.0000 0.0037 0.0560 798
DP=798. Tuổi 
thọ còn lại của 
vật liệu cách điện 
giấy trong máy 
biến thế được ước 
tính là 98%.
TCG = 264 
ppm. Máy biến 
thế hoạt động 
bình thường.
5. Khoảng thỜi gian Lấy mẫu thử nghiệm Furan (2-FurFuraL):
Đối với máy biến áp cấp điện áp 110kV trở lên cần lấy mẫu dầu thí nghiệm hàm lượng 2-Furfural 
lần đầu sau 12 năm vận hành và sau đó xác định thời hạn kiểm tra theo bảng bên dưới. Khi phân 
tích khí hòa tan (DGA) chẩn đoán có sự phân hủy Cellulose với tốc độ cao, cần rút ngắn thời hạn thí 
nghiệm 2-Furfural.
Hàm lượng 
2-furfural, ppm Ý nghĩa
Khoảng thời gian lấy mẫu 
thí nghiệm
0 ÷ 0,1 Máy biến áp bình thường 12 năm
0,1 ÷ 1 Phân hủy vừa phải vật liệu cách điện 3 năm
1 ÷ 10 Phân hủy mạnh vật liệu cách điện 1 năm
> 10 Phân hủy vật liệu cách điện gần như hoàn toàn -
6. đánh giá tuổi thọ Của máy Biến áP dựa 
trên hàm LưỢng Khí Co và Co2, tỷ Lệ Khí 
Co2/Co qua việC thử nghiệm dga, việC Lấy 
mẫu thử nghiệm Furan (2-FurFuraL) Sẽ 
đưỢC thựC hiện nếu Kết quả dga Có Co và 
Co2 rơi vào 02 trưỜng hỢP Sau:
- Trường hợp 1: hàm lượng khí CO cao (~1000 
ppm) và tỷ số CO2/CO < 3.
- Trường hợp 2: hàm lượng khí CO2 cao (~10000 
ppm) và tỷ số CO2/CO > 10.
7. Kết Luận:
Phân tích furan trong dầu cách điện của MBA 
là phương pháp gián tiếp hiệu quả để đánh giá sự 
phân hủy vật liệu cách điện giấy nhằm ước tính 
tuổi thọ còn lại của MBA. Đây là thử nghiệm không 
xâm phạm nên giảm chi phí trong kế hoạch bảo 
trì, không cần ngừng vận hành MBA. 
Hiện tại, Phòng Thí nghiệm Hóa Dầu – Công ty 
Thí nghiệm Điện miền Nam đã được trang bị đầy 
đủ thiết bị, nhân lực để phân tích furan nhằm tư 
vấn sớm cho khách hàng trong và ngoài ngành 
Điện để có chế độ vận hành hợp lý đối với MBA 
già cỗi như giảm tải, tách ra khỏi lưới để quấn lại 
dây hoặc sửa chữa MBA nhằm đảm bảo vận hành 
lưới điện một cách liên tục.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Ieee Std C57.91-2011 Ieee Guide for Loading 
Mineral-Oil-Immersed Transformers and Step 
-Voltage Regulators.
Furan analysis for Liquid Power Transformers_
Ieee electrical Insulation Magazine.
Cellulose Insulation in Oil-Filled Power 
Transformers: Part II – Maintaining Insulation 
Integrity and Life_Ieee electrical Insulation 
Magazine. 
evaluation of Transformer Solid Insulation by 
I.a.R. Gray_Transformer Chemistry Services.
Furanic compounds in insulating fluids_ 
engineering and Diagnostic Services, Products 
and Systems_Weidmann Representative.
accuracy of furan analysis in estimating the 
degree of polymerization in power 
transformers_Nkosenye Sidwell Mtetwa.
Transformer Diagnostics_Facilities Instructions, 
Standards, and Techniques_ Volume 3-31_ 
United States Department of the Interior_Bureau 
of Reclamation.
assessing Remnant Life of Transformer based on 
Furan Content in Transformer Oil and Degree of 
Polymerization of Solid insulation_The Tata Power 
Company Limited, Mumbai.
Degradation of Cellulose Insulation in 
Liquid-Filled Power Transformers_eHV-Weid-
mann Industries, Inc. 
Quy trình Thí nghiệm Máy biến áp lực – Phần 
III: Dầu cách điện (Bản thẩm định) – Năm 2011 – 
Tập đoàn Điện lực Việt Nam.
Quyết định số 2378/QĐ-eVN SPC ngày 
13/06/2017 quy định Công tác thí nghiệm lưới 
điện 110kV thuộc quản lý của eVN SPC.
BảN TiN HộI ĐIỆN LỰC MIềN NAM - THáNg 4 / 2018 23