Tầm quan trọng của Độ chính xác, Độ lặp lại và Tính dự đoán trong Phân tích Khí hòa tan (DGA)

Tác giả:

• Kate Vacca – Quản lý Sản phẩm, Thiết bị phân tích khí hòa tan (Dissolved Gas Analyzers)
• Mark Gross – Giám đốc Khu vực Bắc Mỹ (NAM), Chuyên gia DGA

Trong các chương trình giám sát máy biến áp hiện đại, giá trị của phương pháp Phân tích Khí hòa tan (DGA) phụ thuộc vào một yêu cầu cơ bản: độ chính xác của phép đo. Các phương pháp chẩn đoán và phân tích xu hướng đều dựa trên các phép đo khí có độ chính xác và độ lặp lại cao để phân biệt giữa trạng thái vận hành bình thường và các dấu hiệu tiềm ẩn của sự cố do ứng suất điện hoặc nhiệt đang phát triển bên trong máy biến áp. Khi kết quả đo thiếu độ chính xác hoặc độ lặp lại, độ tin cậy của chẩn đoán sẽ giảm đáng kể, khiến việc ra quyết định trở nên khó khăn hơn.

DGA không đơn thuần là phép đo “đa khí”. Đây là một tập hợp hoàn chỉnh các phép đo riêng lẻ đối với những loại khí đặc trưng và quan trọng, trong đó các giá trị phải có tính nhất quán và tương quan với nhau. Các dữ liệu này được sử dụng như các chỉ số độc lập cũng như để tính toán tỷ lệ giữa các khí, do đó độ tin cậy của phép đo là yếu tố then chốt.

Trong nhiều ứng dụng, DGA bao gồm việc đo tám loại khí liên quan đến các cơ chế hư hỏng đặc trưng cùng với nitơ. Các giá trị này cần được tạo ra thông qua một chuỗi đo lường thống nhất nhằm đảm bảo tính tương quan và tính toàn vẹn của dữ liệu đo. Việc kết hợp nhiều công nghệ đo khác nhau có thể làm phức tạp quá trình diễn giải kết quả.

Đó là lý do tại sao độ chính xác vẫn là tiêu chuẩn đánh giá quan trọng đối với mọi công nghệ DGA, và cũng là lý do Sắc ký khí (Gas Chromatography – GC) được công nhận rộng rãi là Phương pháp tham chiếu (Reference Method) trong đo lường khí hòa tan.

GC hoạt động dựa trên nguyên lý tách riêng từng loại khí trước khi đo, sau đó sử dụng các công nghệ cảm biến ổn định và đã được kiểm chứng. Quá trình tách khí này giúp giảm thiểu hiện tượng nhiễu chéo và cung cấp giá trị nồng độ chính xác, yếu tố thiết yếu cho các chẩn đoán đáng tin cậy. Vì vậy, GC được viện dẫn trong các hướng dẫn kỹ thuật phổ biến nhất của ngành như CIGRE, IEEE và IEC, đồng thời là phương pháp duy nhất được sử dụng trong các phòng thí nghiệm DGA.

Độ chính xác không chỉ quan trọng đối với các khí liên quan trực tiếp đến cơ chế hư hỏng mà còn đối với hydro và oxy.

Hydro là khí chỉ thị quan trọng, thường xuất hiện ngay từ những dấu hiệu đầu tiên của hoạt động điện hoặc nhiệt bất thường. Mặc dù hydro không được sử dụng trong các tỷ số khí hay biểu đồ tam giác chẩn đoán, nhưng đây là chỉ số cảnh báo sớm rất quan trọng trong giám sát sức khỏe thiết bị.

Oxy (và nitơ) cung cấp thông tin giá trị về độ kín của máy biến áp và khả năng xâm nhập của không khí. Dù không trực tiếp phản ánh chế độ hư hỏng, việc không đo lường chính xác oxy và nitơ có thể ảnh hưởng đến quá trình diễn giải kết quả chẩn đoán và làm gia tăng độ không chắc chắn.

Đây chính là điểm mà sự khác biệt về công nghệ bắt đầu trở nên quan trọng.

Các công nghệ DGA trực tuyến dựa trên hồng ngoại (IR) như PAS (Photoacoustic Spectroscopy), NDIR (Non-Dispersive Infrared) và FTIR (Fourier Transform Infrared) xác định khí thông qua hiện tượng hấp thụ quang học thay vì tách vật lý từng thành phần khí.

Trong tất cả các kiến trúc dựa trên IR, chỉ một số khí liên quan đến cơ chế hư hỏng có thể được đo trực tiếp vì các phân tử hai nguyên tử (diatomic molecules) không hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Do đó, hydro, oxy và nitơ phải được đo bằng các công nghệ cảm biến bổ sung như cảm biến trạng thái rắn hoặc cảm biến điện hóa.

Các hệ thống sử dụng bộ lọc quang học cố định hoặc các dải hấp thụ rộng cũng dễ bị ảnh hưởng bởi hiện tượng nhiễu chéo từ các khí khác hoặc các hợp chất có trong dầu cách điện, đặc biệt khi các khí nền có khả năng hấp thụ hồng ngoại xuất hiện ở nồng độ cao.

Không giống GC, các phương pháp IR đo các phổ hấp thụ chồng lấn thay vì cô lập từng loại khí riêng biệt. Do đó, các hệ thống IR phụ thuộc nhiều hơn vào các thuật toán bù, nhiều quy trình hiệu chuẩn khác nhau và các giả định về điều kiện nền. Điều này làm cho việc xác thực độ chính xác trở nên đặc biệt quan trọng khi áp dụng công nghệ IR trong các ứng dụng yêu cầu nhận diện và phân biệt chính xác các chế độ hư hỏng.

Ngược lại, GC là công nghệ DGA duy nhất mà toàn bộ các khí liên quan đến cơ chế hư hỏng, cùng với hydro và oxy, đều được xác định thông qua một hệ thống sắc ký và phát hiện thống nhất.

Nitơ được xác định riêng biệt dưới dạng giá trị tính toán dựa trên tổng thành phần khí đã đo trong cùng một hệ thống đo lường nhất quán. Việc đo toàn bộ tập hợp khí trong một nền tảng đo duy nhất giúp đảm bảo tính tương quan, tính nhất quán và độ chính xác giữa tất cả các khí được sử dụng trong chẩn đoán DGA.

Trong nhiều cuộc thảo luận về DGA trực tuyến, hiệu năng hệ thống đôi khi được mô tả dựa trên khả năng theo dõi xu hướng (trending) thay vì độ chính xác.

Điều này xuất phát từ thực tế rằng sự thay đổi tương đối theo thời gian có thể mang lại thông tin hữu ích ngay cả khi độ chính xác tuyệt đối của phép đo chưa được xác minh.

Tuy nhiên, khả năng theo dõi xu hướng không đồng nghĩa với việc giá trị nồng độ khí được báo cáo gần với giá trị thực tế. Nếu không được xác nhận về độ chính xác, những biến động nhất quán trong dữ liệu có thể phản ánh sai số cảm biến, độ lệch hệ thống hoặc hiện tượng nhiễu chéo thay vì những thay đổi thực sự bên trong máy biến áp.

Các tiêu chuẩn công nghiệp và thực hành phòng thí nghiệm phân biệt rất rõ khái niệm này.

Theo ISO 5725-1, Accuracy (Độ chính xác) là mức độ gần với giá trị thực và bao gồm hai thành phần:

• Trueness (Độ đúng)
• Precision (Độ lặp lại)

Trong đó, độ đúng chỉ có thể được xác lập thông qua việc so sánh với một Phương pháp tham chiếu được chấp nhận.

Đối với DGA, phương pháp tham chiếu đó chính là sắc ký khí (GC), được viện dẫn trong các tiêu chuẩn IEC, IEEE và CIGRE, đồng thời là nền tảng cho các thực hành chẩn đoán DGA trên toàn thế giới.

Do đó, việc xác nhận độ chính xác của hệ thống DGA trực tuyến cuối cùng phải dựa trên sự tương quan với kết quả GC trong phòng thí nghiệm.

Khả năng theo dõi xu hướng có thể cung cấp thông tin về hướng biến động, nhưng chỉ có độ chính xác đã được xác thực mới đảm bảo rằng các ngưỡng cảnh báo, việc nhận diện cơ chế hư hỏng và các quyết định bảo trì được xây dựng trên cơ sở dữ liệu đáng tin cậy.

Nếu độ lệch (offset) và độ trôi (drift) không được chấp nhận đối với các thiết bị giám sát như nhiệt độ, dòng điện hoặc hệ số công suất, thì cũng hoàn toàn hợp lý khi áp dụng cùng tiêu chuẩn này đối với các phép đo khí hòa tan.

Mục tiêu cốt lõi của DGA là phát hiện sớm các cơ chế hư hỏng, và đó chính là lý do độ chính xác đóng vai trò quyết định.

Nếu độ chính xác không đủ cao, vị trí của kết quả đo trên các công cụ chẩn đoán như Duval Triangle hoặc Duval Pentagon có thể thay đổi, dẫn đến việc phân loại sai chế độ hư hỏng.

Điều này càng trở nên quan trọng hơn với những cải tiến gần đây của Michel Duval, trong đó các vùng chẩn đoán đã được chia nhỏ thành nhiều vùng phụ. Việc thu hẹp diện tích của từng vùng làm tăng yêu cầu về độ chính xác để tránh diễn giải sai.

Ví dụ, hiện tượng carbon hóa (carbonization) hiện được chia thành ba vùng riêng biệt:

• C1
• C2
• C3

Ngoài ra, mọi hệ thống DGA đều cần được bảo trì nhằm duy trì tính toàn vẹn của phép đo, bất kể đó là khí mang (carrier gas), hệ thống hiệu chuẩn, quạt cơ khí, bộ lọc quang học hay các bộ phận cảm biến.

Điểm khác biệt không nằm ở việc có cần bảo trì hay không, mà nằm ở cách thức quản lý hoạt động bảo trì.

Khi bảo trì được thực hiện dựa trên tình trạng thiết bị và được triển khai thông qua các chương trình dịch vụ có cấu trúc, hoạt động này trở nên có thể dự đoán trước và minh bạch thay vì mang tính phản ứng sau sự cố.

Tính dự đoán cho phép các đơn vị điện lực chủ động lập kế hoạch bảo trì, tránh các can thiệp không cần thiết và đảm bảo chất lượng đo lường ổn định theo thời gian.

Giống như mọi hệ thống đo lường chính xác khác, bảo trì và hiệu chuẩn là điều tất yếu. Tuy nhiên, những hệ thống tốt nhất sẽ cung cấp khả năng giám sát và cảnh báo nâng cao để tránh các quyết định khẩn cấp hoặc các đợt huy động nguồn lực tốn kém.

Trong thực tế, độ chính xác và khả năng dự đoán trong bảo trì không phải là những yếu tố đánh đổi lẫn nhau. Chúng là những thành phần thiết yếu để xây dựng một hệ thống chẩn đoán máy biến áp đáng tin cậy và củng cố niềm tin vào tài sản trong dài hạn.

Chính vì vậy, sắc ký khí (GC) đã và vẫn tiếp tục là tiêu chuẩn tham chiếu cho việc đo lường khí hòa tan, cả trong hiện trường lẫn trong phòng thí nghiệm.