ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 89 CHẨN ĐOÁN MẠCH TỪ VÀ CÁC CUỘN DÂY CỦA MÁY BIẾN ÁP LỰC BẰNG KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ QUÉT DIAGNOSIS OF POWER TRANSFORMER MAGNETIC CORE AND WINDINGS FAILURE BY SWEEP FREQUENCY RESPONSE ANALYSIS Đinh Thành Việt1, Lê Hoài Sơn2 Đại học Đà Nẵng; dtvietbk@gmail.com Cơng ty Thí nghiệm Điện miền Trung; lehoaison.etc3@gmail.com Tóm tắt - Bài báo trình bày phương pháp chẩn đốn tình trạng máy biến áp lực kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA) Kỹ thuật SFRA công cụ hiệu việc chẩn đốn tình trạng phần cuộn dây, mạch từ máy biến áp lực thông qua việc phát biến dạng cuộn dây dịch chuyển mạch từ Việc chẩn đốn bao gồm phân tích đánh giá hỏng hóc thực thơng qua giản đồ Bode Nghiên cứu chẩn đoán phần mạch từ cuộn dây máy biến áp thực thử nghiệm cho máy biến áp tự dùng có cơng suất 180 kVA, điện áp định mức 22/0,4 kV Kết chẩn đốn từ kỹ thuật SFRA hồn tồn phù hợp với kết kiểm tra máy biến áp thực tế, phương pháp chẩn đoán truyền thống lại phát Kỹ thuật SFRA cần nghiên cứu phát triển mạnh mẽ cho việc chẩn đoán máy biến áp Abstract - This paper presents a method of power transformer diagnosis by sweep frequency response analysis (SFRA) SFRA is an effective tool to diagnose power transformer mechanical failure in magnetic core and windings by detecting windings distortion and magnetic core displacement Diganosis includes failure analysis and assessment via Bode diagrams A case study of power transformer magnetic core and windings diagnosis has been implemented for an auxilary power transformer of 180 kVA, nominal voltage 22/0,4 kV Diagnosis result by SFRA showed the same result with the opening checking of power transformer in practice, while it was not detected with traditional diagnosis methods SFRA should be investigated and developed more strongly for power transformer diagnosis Từ khóa - chẩn đốn; máy biến áp; cuộn dây; mạch từ; phân tích đáp ứng tần số quét Key words - diagnosis; power transformer; winding; magnetic core; sweep frequency response analysis (SFRA) Đặt vấn đề Máy biến áp (MBA) cấu trúc phức tạp giữ vị trí quan trọng hệ thống điện Chúng đóng vai trị cầu nối chuyển tiếp dùng để biến đổi hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp thành hệ thống dòng điện xoay chiều điện áp khác với tần số không thay đổi Sự hoạt động ổn định, tin cậy MBA góp phần cho ổn định chung tồn hệ thống Bên cạnh MBA lực cịn tài sản đắt tiền, đòi hỏi vốn đầu tư lớn trạm biến áp (TBA), hư hỏng xảy MBA việc gây thiệt hại nặng kinh tế, làm gián đoạn việc cung cấp điện gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoạt động sản xuất đời sống sinh hoạt người dân gây an toàn cho người vận hành, ảnh hưởng đến trang thiết bị điện khác, làm giảm uy tín ngành điện Để đảm bảo độ tin cậy cao vận hành, điều quan trọng cần tiến hành đánh giá tình trạng MBA lực cách xác, kịp thời nhằm phát sớm khiếm khuyết hư hỏng xảy bên máy Trong số đó, khiếm khuyết hư hỏng MBA cụ thể cuộn dây, mạch từ thường khó phát khó đánh giá xác đơn dựa vào số thử nghiệm điện thông thường Các phương pháp thử nghiệm chẩn đoán truyền thống liên quan đến mạch từ cuộn dây phép đo điện trở cuộn dây nguồn chiều; Phép đo dịng điện từ hóa; Phép đo tỉ số biến hay phép đo ngắn mạch cho thấy ưu điểm nhược điểm riêng phương pháp Ưu điểm phương pháp dễ thực phương pháp hướng tới đối tượng cụ thể đánh giá dựa theo tiêu chuẩn riêng biệt Tuy nhiên phương pháp nêu cịn tồn chung nhược điểm có thay đổi nhỏ thay đổi xuất phát từ dịch chuyển cuộn dây biến dạng mạch từ phương pháp truyền thống tỏ không hiệu việc đánh giá chất lượng đối tượng Một MBA bị hư hỏng, chí hư hỏng nhỏ khả chịu cố ngắn mạch bị giảm nhiều, điều dẫn đến việc cần có chẩn đốn hiệu hư hỏng Việc kiểm tra trực quan tốn khơng phải lúc mang lại kết mong muốn kết luận xác Nếu kiểm tra thực tế tiến hành, dầu phải rút phép kiểm tra thực không gian hạn chế Hơn khó để quan sát hết cuộn dây mắt thường, nên hư hỏng nhỏ khó phát hư hỏng dịch chuyển khối Vì cần có phương pháp để xác định hư hỏng Phân tích đáp ứng tần số quét (Sweep Frequency Response Analysis - SFRA) công cụ mạnh giúp phát chẩn đốn tình trạng MBA lực MBA vận hành thông qua việc phát biến dạng cuộn dây dịch chuyển mạch từ Trong báo nghiên cứu trường hợp chẩn đoán phần MBA thực tế chứng minh tính hiệu kỹ thuật Phương pháp phân tích đáp ứng tần số quét SFRA Máy biến áp xem mạng lưới phức hợp bao gồm phần tử R, L, C [1] Các phần tử R, L, C điện trở cuộn dây đồng, điện cảm cuộn dây điện dung lớp cách điện bối dây, cuộn dây với nhau, cuộn dây lõi thép, lõi thép vỏ thùng, thùng máy cuộn dây, v.v Tuy nhiên, sử dụng mạch đẳng trị đơn giản hóa với phần 90 Đinh Thành Việt, Lê Hoài Sơn tử R, L, C gộp lại minh họa Hình để giải thích ngun lý kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số [47] Bất kỳ dạng hư hỏng mặt vật lý MBA dẫn đến thay đổi mạng lưới RLC Những thay đổi điều cần quan tâm sử dụng kỹ thuật đáp ứng tần số để làm bật (tương tự khuếch đại hay phóng to) thay đổi nhỏ mạng lưới RLC, từ đánh giá xác tình trạng cuộn dây mạch từ bên MBA Hình Mơ hình hóa MBA thử nghiệm SFRA Hình Mạch đẳng trị đơn giản hóa MBA với phần tử RLC 2.1 Cơ sở kỹ thuật SFRA Mục tiêu phương pháp SFRA xác định tổng trở mẫu thử nghiệm phản ứng đặt điện áp có biên độ thấp tần số thay đổi phạm vi định [4] Tổng trở mạng lưới thành phần điện trở, điện cảm điện dung Đặc tính phản ứng mẫu thử nghiệm phụ thuộc thành phần nêu nhạy cảm với thay đổi tần số Từ công thức (1) (2) thấy hàm truyền H(jω) phụ thuộc tổng trở Zm thiết bị đo lường tín hiệu đáp ứng Zt tổng trở MBA Tổng trở Zm thiết bị đo lường tín hiệu đáp ứng kỹ thuật SFRA thường chọn giá trị điện trở Rm [4-7] Với việc chọn giá trị điện trở Rm q trình phân tích trở nên đơn giản hàm truyền H(jω) phụ thuộc vào thay đổi giá trị tổng trở MBA Zt Để biểu diễn hàm truyền H(jω) cách trực quan xác nhất, giản đồ Bode sử dụng kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số quét SFRA Giản đồ Bode (Hình 4) gồm hai đồ thị: Đồ thị logarit biên độ hàm truyền góc pha theo logarit tần số (một đơn vị theo số mũ trục hoành gọi decade) Biên độ: A(dB) = 20.log10 (H(jω)) (3) Pha: A(φ) = tan-1 (H(jω)) Hình Sơ đồ phép thử SFRA Như minh họa Hình 2, phương pháp SFRA sử dụng tín hiệu điện áp thấp U hình sin với tần số thay đổi đầu cuộn dây từ điểm đo tín hiệu điện áp tham chiếu Ur(jω), đồng thời tín hiệu đáp ứng Um(jω) đầu cuộn dây đo Sự chênh lệch tín hiệu điện áp tham chiếu Ur(jω) tín hiệu điện áp đáp ứng Um(jω) góc pha biên độ hình thành nên hàm truyền H(jω) tính theo công thức: Um H(jω) = (1) Ur Sơ đồ MBA Hình mơ hình hóa Hình Từ Hình dễ dàng chứng minh được: Um Zm (2) U r Zm +Zt Hình Giản đồ Bode Biên độ - Góc pha 2.2 Phân tích đáp ứng tần số quét Đáp ứng SFRA MBA phụ thuộc nhiều vào thiết kế cuộn dây, số lượng cuộn dây MBA, cách kết nối hay tam giác, Trong báo trình bày đáp ứng SFRA MBA có hai cuộn dây có kết cấu đấu sao-tam giác (YN-∆) thực thử nghiệm cuộn cao YN trạng thái cuộn hạ ∆ hở mạch ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 Trên đường đặc tính đáp ứng thu dựa kỹ thuật qt tần số (Hình 5), sau phân tích nhận thấy vùng có thay đổi cần quan tâm dựa dải tần số từ thấp đến cao: 91 Bảng Thông số kỹ thuật MBA đánh giá theo phương pháp SFRA BAD 180-23/04 Kiểu Công suất định mức (kVA) Nhà chế tạoEEMC 180 Cuộn cao : 23 ± (2x2,5%) Cuộn hạ : 0,4 Điện áp (kV) Dòng điện định mức(A) Cuộn cao: 4,52 4,18 Ðiện áp ngắn mạch (%) Tổ đấu dây Cuộn hạ: 260 Loại MBA Dầu Y0/-11 Thực đánh giá chất lượng mạch từ cuộn dây máy biến áp nêu thông qua thử nghiệm truyền thống [2], [3] kết sau: Bảng Kết phép đo tỉ số biến Tỉ số biến Cuộn dây 23 kV/Cuộn dây 0,4 kV Nấc Kđm AB/ab BC/bc CA/ca Kumax (%) 60,377 60,404 60,398 60,410 0,05 58,939 58,967 58,967 58,978 0,07 57,502 57,527 57,527 57,542 0,07 56,064 56,099 56,094 56,117 0,09 54,627 54,661 54,659 54,677 0,09 Hình Các miền tần số đặc trưng kỹ thuật phân tích đồ thị SFRA - Dải B1 (từ 20Hz-200Hz): dải tần số điện cảm mạch từ Lm chiếm ưu thế, tần số thấp nên thành phần điện dung chưa ảnh hưởng đến đáp ứng - Dải B2 (từ 200-2kHz): dải tần số điện dung hình học song song Cg ảnh hưởng cao đến đáp ứng, điện dung Cg đặc trưng cho điện dung hình học cuộn cao so với đất cuộn hạ so với mạch từ - Dải B3 (từ 2kHz-20kHz): mơ tả đặc tính tương tác hình học cuộn dây, dải tần số điện dung hình học cuộn cao cuộn hạ C12 xác định đặc tính đáp ứng, dải tần số nhạy cảm với biến dạng khối cuộn dây với - Dải B4 (từ 20kHz-1MHz): dải tần số biểu đặc trưng đáp ứng thành phần điện dung, tham gia thành phần phần điện dung nối tiếp vòng dây cuộn dây Cs, dải đặc biệt nhạy cảm với biến dạng thân cấu trúc cuộn dây - Dải B5 (>1MHz): thành phần chủ yếu tham gia vào đáp ứng dải tần số điện trở cuộn dây, điện trở lúc phụ thuộc chủ vào hai yếu tố: điện trở tiếp xúc đầu cuộn dây ti sứ, điện trở tiếp xúc kẹp đầu dây đo ti sứ Bên cạnh có vấn đề liên quan đến nối đất mạch từ thay đổi xuất dải tần số Qua việc so sánh với số liệu xuất xưởng, với MBA loại (từ nhà sản xuất) hay pha MBA kết luận xác tình trạng mạch từ cuộn dây MBA lực thông qua thay đổi đến từ dải tần số đặc trưng từ việc phân tích sai khác đồ thị đáp ứng tần số quét SFRA Kết ứng dụng kỹ thuật SFRA đánh giá chất lượng máy biến áp lực lưới điện khu vực miền Trung Tây Nguyên Kỹ thuật SFRA ứng dụng để đánh giá chất lượng cuộn dây mạch từ máy biến áp tự dùng 22kV Công ty Thiết bị Điện Đông Anh, Hà Nội sản xuất với thông số kỹ thuật sau: Bảng Kết phép đo ngắn mạch nấc phân áp định mức Đối U đo tượng (V) C-H 250 Kết đo I (A) IAB = 1,01 IBC = 1,02 ICA = 1,02 UK (%) 4,18 Bảng Kết phép đo dòng điện không tải U đo (V) 231 ab 5,75 Iđo (A) bc 3,51 ca 5,98 Bảng Phép đo điện trở chiều Điện trở chiều a Cuộn dây 23 kV (Ω) AN BN CN R (%) 47,49 47,46 47,60 0,29 46,26 46,20 46,34 0,30 45,02 44,96 45,11 0,33 43,77 43,71 43,85 0,32 42,47 42,61 0,33 42,53 b Cuộn dây 0,4 kV (mΩ) ab bc ca R (%) 5,291 5,286 5,372 1,62 So sánh với tiêu chuẩn thử nghiệm kinh nghiệm từ thử nghiệm truyền, có nhận xét sau: - Điện áp ngắn mạch không lệch ±10% số liệu ghi nhãn máy (số liệu thí nghiệm 4,18%, số liệu ghi nhãn máy 4,18%); - Tỉ số biến pha không lệch 0,5% so với tỉ số biến định mức so sánh nấc phân áp; - Dòng điện không tải theo kinh nghiệm: IOA = IOC = (1,2÷1,5) IOB 92 Đinh Thành Việt, Lê Hồi Sơn Với tiêu chuẩn hạng mục thử nghiệm truyền thống thấy MBA hồn tồn đạt tiêu chuẩn kỹ thuật không phát khuyết tật nhỏ liên quan đến mạch từ cuộn dây Tuy nhiên qua thử nghiệm SFRA nhận thấy khuyết tật này, ví dụ MBA mạch từ có thay đổi Q trình nhận dạng khuyết tật thông qua kỹ thuật SFRA thực với kết đo lường phân tích đánh giá cụ thể sau: Hình 10 SFRA so sánh pha với Hình SFRA thực với pha AN, phía hạ áp hở mạch Hình 11 SFRA thực với mơ hình MBA có cấu trúc tương tự phịng thí nghiệm Hình SFRA thực với pha BN, phía hạ áp hở mạch Hình SFRA thực với pha CN, phía hạ áp hở mạch Hình SFRA thực với pha AN, BN, CN, phía hạ áp nối ngắn mạch Trong thử nghiệm chẩn đoán mạch từ cuộn dây MBA lực kỹ thuật phân tích SFRA có phương pháp để xác định sai lệch là: - So sánh với số liệu xuất xưởng; - So sánh với máy biến áp loại (cùng kiểu nhà sản xuất); - So sánh pha với Khó khăn chẩn đốn tình trạng mạch từ cuộn dây máy biến áp tự dùng 22kV nói khơng có số liệu xuất xưởng phương pháp so sánh pha với thực để chẩn đốn tình trạng máy biến áp Căn theo tiêu chuẩn IEC FRA 60076-18 [5] hướng dẫn thử nghiệm IEEE FRA C57-149 [6] kết luận sau: - Từ Hình (thử nghiệm SFRA thực trạng thái ngắn mạch cuộn hạ tức bỏ qua ảnh hưởng mạch từ), đáp ứng có tương đồng đáng kể, độ phủ kín lên đồ thị đáp ứng SFRA pha trùng khít lên nhau, chứng tỏ cuộn dây máy biến áp khơng bị khiếm khuyết - Từ Hình 10: dải tần số