Tìm hiểu về áp suất, điện trở và nhiệt kế quang học

Hoạt động đáng tin cậy của một Máy biến áp ngâm dầu Hiệu suất của máy biến áp phụ thuộc phần lớn vào sự ổn định của dầu cách điện bên trong và nhiệt độ cuộn dây. Quá nhiệt là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng lão hóa cách điện nhanh, suy giảm hiệu suất và cuối cùng là hỏng hóc. Do đó, giám sát nhiệt độ là một trong những khía cạnh cơ bản và quan trọng nhất trong vận hành và bảo trì máy biến áp. Từ các mặt số cơ khí truyền thống đến các hệ thống quang học sợi quang thông minh hiện đại, lịch sử phát triển của nhiệt kế là sự tiến hóa của công nghệ giám sát máy biến áp, từ quan sát thụ động đến cảnh báo sớm chủ động.

 

Bài viết này sẽ trình bày một cách hệ thống các loại nhiệt kế thông dụng được sử dụng trên máy biến áp ngâm dầu, đồng thời cung cấp phân tích chuyên sâu về nguyên lý hoạt động và các tình huống ứng dụng của chúng.

 

Chương 1: "Cây phả hệ" của nhiệt kế – Cái nhìn chi tiết về ba loại chính

Dựa trên nguyên lý đo và vị trí lắp đặt, nhiệt kế cho máy biến áp ngâm dầu chủ yếu được chia thành ba loại sau. Chúng cùng nhau tạo thành một mạng lưới giám sát ba chiều từ nhiệt độ dầu trên cùng đến các điểm nóng của cuộn dây.

 

1. Nhiệt kế áp suất (Nhiệt kế đọc từ xa)

Nguyên lý hoạt động: Đây là một dụng cụ cơ khí cổ điển dựa trên sự giãn nở/co lại do nhiệt và sự truyền áp suất chất lỏng/khí. Hệ thống bao gồm ba phần:

 

Bóng cảm biến nhiệt độ: Được đặt vào trong lớp dầu ở phía trên cùng của thùng máy biến áp, chứa đầy chất nhạy cảm với nhiệt độ (ví dụ: chất lỏng, khí hoặc chất lỏng có điểm sôi thấp).

 

Ống mao dẫn: Một ống kim loại dài, mỏng nối bầu đo với đầu đo, bên trong chứa môi chất truyền áp suất.

 

Đầu đo (đồng hồ đo): Được gắn trên thành thùng máy biến áp hoặc tủ điều khiển, có thể cách bầu cảm biến vài mét. Lõi của nó là một ống Bourdon – một ống kim loại cong, đàn hồi. Khi bầu cảm biến nóng lên, sự thay đổi áp suất bên trong được truyền qua mao dẫn đến ống Bourdon, làm cho nó biến dạng. Sự biến dạng này làm di chuyển kim chỉ thị thông qua một cơ cấu liên kết, hiển thị nhiệt độ.

 

Đặc điểm chính:

 

Hoàn toàn cơ học, không cần nguồn điện bên ngoài, khả năng chống nhiễu điện từ tuyệt vời, độ tin cậy rất cao.

 

Đầu đo có thể được lắp đặt ở vị trí xa để thuận tiện cho việc đọc dữ liệu tại chỗ.

 

Thường được trang bị 1-2 tiếp điểm điều chỉnh được cho chức năng báo động và ngắt quá nhiệt.

 

Độ chính xác và tốc độ phản hồi tương đối chậm hơn so với các loại điện tử, và ống mao dẫn dễ bị hư hỏng do tác động cơ học.

 

Ứng dụng điển hình: Thiết bị giám sát và cảnh báo chính cho nhiệt độ dầu trên cùng, một tính năng gần như tiêu chuẩn trên tất cả các máy biến áp ngâm dầu.

 

2. Cảm biến nhiệt điện trở (RTD, ví dụ: PT100)

Nguyên lý hoạt động: Dựa trên đặc tính điện trở của vật liệu dẫn điện thay đổi theo nhiệt độ. Phần tử cảm biến phổ biến nhất là nhiệt kế điện trở bạch kim, với PT100 biểu thị điện trở 100 ôm ở 0°C. Điện trở của nó thay đổi chính xác và tuyến tính theo nhiệt độ.

 

Các thành phần hệ thống:

 

Đầu dò RTD bạch kim: Được lắp đặt trong giếng đo nhiệt độ ở phía trên máy biến áp, ngâm trong dầu.

 

Cầu đo và bộ phát tín hiệu: Thường được tích hợp vào một bộ điều khiển thông minh. Mạch điện chính xác đo điện trở của PT100 và chuyển đổi nó thành tín hiệu dòng điện tiêu chuẩn 4-20mA hoặc tín hiệu số.

 

Đặc điểm chính:

 

Độ chính xác đo cao, tín hiệu có thể truyền đi xa, khả năng chống nhiễu tốt.

 

Tín hiệu đầu ra là tín hiệu điện tiêu chuẩn, dễ dàng tích hợp với các nền tảng tự động hóa như SCADA (Hệ thống Giám sát và Thu thập Dữ liệu) và DCS (Hệ thống Điều khiển Phân tán) để giám sát tập trung từ xa.

 

Thường được lắp đặt cùng với nhiệt kế áp suất, đóng vai trò là phương tiện dự phòng hoặc có độ chính xác cao hơn để giám sát và ghi lại nhiệt độ dầu từ xa.

 

Ứng dụng điển hình: Được sử dụng để truyền dữ liệu từ xa và giám sát kỹ thuật số nhiệt độ dầu trên bề mặt, nền tảng của các trạm biến áp tự động, không người vận hành hiện đại.

 

3. Hệ thống đo nhiệt độ cuộn dây cáp quang (Phương pháp đo trực tiếp "điểm nóng" tiên tiến nhất)

Nguyên lý hoạt động: Đây hiện là công nghệ trực tiếp và tiên tiến nhất để giám sát nhiệt độ cuộn dây. Nó dựa trên vật lý của các mạng tinh thể Bragg sợi quang.

 

Cảm biến sợi quang Bragg (FBG): Một sự biến đổi tuần hoàn về chỉ số khúc xạ (một mạng tinh thể) được tạo ra trên một đoạn sợi quang đặc biệt bằng cách sử dụng tia laser. Đặc tính chính của nó: Ánh sáng có bước sóng cụ thể (bước sóng Bragg) được phản xạ, và bước sóng phản xạ này thay đổi tuyến tính theo sự thay đổi nhiệt độ (hoặc biến dạng) tại vị trí của mạng tinh thể.

 

Quy trình đo: Một cáp quang mềm dẻo tích hợp nhiều cảm biến FBG được đặt sẵn giữa các lớp cách điện của cuộn dây cao áp tại các vị trí dự đoán có nhiệt độ cao nhất trong quá trình sản xuất máy biến áp. Hệ thống phát ra ánh sáng băng thông rộng, và bằng cách phân tích bước sóng cụ thể phản xạ từ mỗi lưới, nó có thể thu được nhiệt độ tuyệt đối tại các điểm khác nhau bên trong cuộn dây một cách chính xác và theo thời gian thực.

 

Đặc điểm chính:

 

Đo trực tiếp nhiệt độ điểm nóng của cuộn dây, không phải ước tính gián tiếp. Dữ liệu thu được là chính xác và đáng tin cậy nhất.

 

An toàn tuyệt đối: Sợi quang được làm từ silica, có tính cách điện, chịu được điện áp cao và miễn nhiễm với nhiễu điện từ, hoạt động ổn định trong trường điện từ mạnh.

 

Đo lường phân tán: Một sợi quang duy nhất có thể chứa hàng chục điểm cảm biến, cho phép lập bản đồ nhiệt hoàn chỉnh của cuộn dây.

 

Yếu tố then chốt cho việc đánh giá "Xếp hạng động" và tuổi thọ của máy biến áp.

 

Ứng dụng điển hình: Máy biến áp lớn, quan trọng (ví dụ: máy biến áp siêu cao áp, máy biến áp chuyển đổi), trạm biến áp thông minh yêu cầu quản lý khả năng chịu tải.

 

Chương 2: Làm rõ các khái niệm chính – Nhiệt độ dầu trên cùng so với nhiệt độ cuộn dây

Đây là một khái niệm quan trọng và là điểm khởi đầu để lựa chọn loại nhiệt kế.

 

Nhiệt độ dầu trên cùng: Đo nhiệt độ dầu ở phần trên cùng của thùng máy biến áp. Nó phản ánh tải nhiệt tổng thể của máy biến áp nhưng có độ trễ nhiệt. Khi tải thay đổi, nhiệt độ cuộn dây thay đổi nhanh nhất, tiếp theo là nhiệt độ dầu. Nhiệt kế kiểu áp suất và nhiệt kế RTD được sử dụng để đo nhiệt độ này.

 

Nhiệt độ điểm nóng cuộn dây: Là nhiệt độ tại điểm nóng nhất trong toàn bộ máy biến áp, thường nằm ở phần trên của cuộn dây hạ áp. Đây là thông số quan trọng nhất quyết định tốc độ lão hóa cách điện và khả năng chịu tải. Các phương pháp truyền thống không thể đo trực tiếp nhiệt độ này, mà dựa vào bộ chỉ thị nhiệt độ cuộn dây (WTI) mô phỏng/ước tính bằng cách sử dụng "nhiệt độ dầu trên cùng + hiệu chỉnh dòng điện". Đo bằng sợi quang là công nghệ duy nhất có thể đo trực tiếp và chính xác nhiệt độ này.