Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Nghiên cứu mô hình máy biến áp lực dựa trên phân tích đáp ứng tần số áp dụng chẩn đoán sự cố

Nội dung thực hiện như sau: - _ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp đáp ứng tan số.- _ Nghiên cứu mô hình máy biến áp lực và phương pháp xác định thông số điện cho mô hình.. Đã có

Trong san xuất, truyền tải va phân phối điện nang, chi phi dé dau tư thiết bị vận hành hệ thong điện là rất lớn Bên cạnh đó, việc đảm bao cung cấp điện, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về công suất cũng như chất lượng điện năng đòi hỏi độ tin cậy của các thiết bi trong hệ thong điện ngày càng cao Trong quá trình vận hành, rủi ro xảy ra các sự cô trên thiết bị điện là không thể tránh khỏi Các sự có liên quan đến các thiết bị điện để lại hậu quả nặng nề cả về kinh tế, tài sản thậm chí ảnh hưởng đến tính mạng

Trong vận hành hệ thống điện, máy biến áp lực (MBA) là thiết bị cốt lõi quan trọng nhất và cũng là thiết bị đắt tiền nhất Đồng thời các sự cố xảy ra trong MBA cũng gây ra hậu quả nặng nề nhất Vì vậy việc nghiên cứ, đánh giá, chân đoán tình trạng MBA là hết sức quan trọng.

MBA được thiết kế để chịu lực cơ học xảy ra trong quá trình vận chuyển và các sự cố khi vận hành, chang hạn như sự cô quá dòng điện và xung sét Sự gián đoạn vận hành va hư hỏng của máy biến áp thường xảy ra do sự cô cách điện, biến dạng cuộn dây gây ra do ngắn mạch cuộn dây và mach từ, sự cô của các thiết bị liên quan như bộ điều áp dưới tải (On Load Tap Changer -OLTC), sứ đỡ

Một khi MBA bị hư hỏng, chi phí thay thé của một MBA rất lớn.Nếu phát hiện trước các dau hiệu sự cố trongMBA trước khi sự cố xảy ra dẫn đến các hư hỏng nghiêm trọng, MBA có thể được sửa chữa tại chỗ hoặcthay thế theo định kỳ chuẩn bị trước Dé làm được điều đó, điều kiện quan trọng là MBA cần phải được giám sát chặt chẽ và liên tục dé đảm bảo ghi nhận sớm nhất các bất thường xảy ra để khắc phục và duy trì thời gian sử dụng tối đa Kết quả là, việc bảo trì một cách chủ độngcó thể giảm nguy cơ gián đoạn bắt buộc và hư hỏng cho MBA và những thiết bị liên quan khác như máy cắt, tụ bù

Vì vậy MBA cần phải được kiểm tra từ lúc nghiệm thu xuất xưởng cho đến lúc nghiệm thu vận hành Thậm chí, các MBA trải qua quá trình vận hành lâu ngày, chịu nhiều tác động cơ nhiệt bởi phụ tải, một số còn phải chịu lực điện động lớn từ các sự cô ngăn mạch phát tuyến Đã có rất nhiều phương pháp, kỹ thuật được đưa ra để phát hiện, đánh giá các bât thường nêu trên, bao gôm:

* Các phương pháp đánh giá chất lượng cách điện như:

- Do điện trở cách điện các cuộn day và sứ đầu vào:

- Do điện dung và tôn hao điện môi các cuộn dây và sứ đầu vào:

- Thi nghiệm chịu đựng điện áp tần số công nghiệp;

- Thi nghiệm điện áp cảm ứng (cách điện vòng day);

- Thi nghiệm chịu đựng xung sét;

- Phí nghiệm phóng điện cục bộ (PD — Partial Discharge);

- Thi nghiém dau cách điện.

* Các phương pháp để đánh giá chất lượng cuộn dây như:

- Do tỉ số biến áp;

- Do điền trở một chiêu của các cuộn dây.

* Các phương pháp kiểm soát tôn hao như:

- Do ton hao không tải;

- Do ton hao ngăn mạch;

- _ Phí nghiệm độ tăng nhiệt.

Các hạng mục trên thường chỉ được thực hiện ở một tần số nguồn thử nghiệm cô định khiến cho khả năng đánh giá chất lượng MBA bị hạn chế đi một phân Do đó, việc mở rộng dải tần số nguồn thử nghiệm đã và đang được nghiên cứu và triển khai bởi các chuyên gia đầu ngành trong những năm gan đây Các phương pháp được áp dụng nhiều nhất có thể kế đến như:

- Do điện kháng rò từ 10 Hz đến 400 Hz;

- Do ton hao điện môi từ 10 Hz đến 400 Hz;

- Phan tích đáp ứng tan số (FRA — Frequency Response Analysis);

- Phan tích đáp ứng điện môi (DFR — Dielectric Frequency Response).

Trong số đó, Phương pháp phân tích đáp ứng tần số (FRA) là một công cụ hữu hiệu dé chân đoán tinh trạng cơ khí của mạch từ và các cuộn dây trong MBA hiệu quả nhất hiện nay.

Thực tế, việc đánh giá tình trạng cuộn dây và lõi thép MBA cần rất nhiễu kinh nghiệm và thường được tiễn hành một cách định tính bởi các chuyên gia hoặc kỹ sư đã hoạt động nhiều năm trong lĩnh vực chân đoán chất lượng MBA Cách thức đánh giá chủ yếu là đối chiếu dữ liệu [1]:

- Theo "thời gian" (giữa các lần đo khác nhau trên cùng một MBA);

- Theo "cấu trúc" và theo "chủng loại" (giữa các MBA có cùng thiết kế hoặc giữa các pha trên cùng một MBA với nhau)

Mặc dù có nhiều nghiên cứu về các cách đánh giá kết quả FRA, quy trình ra quyết định kết luận với kết qua FRA vẫn chưa được chuẩn hóa Việc chan đoán tình trạng thường được thực hiện một cách trực quan dựa trên dữ liệu FRA, tùy thuộc vào kinh nghiệm của chuyên gia đánh giá Thường thì chân đoán không phải là kết luận vì các chuyên gia khác nhau có thé đưa ra các chan đoán không nhất quán đối với cùng một MBA.

Phương pháp đánh giá được các hội đồng kỹ thuật khuyến nghị sử dụng là kỹ thuật so sánh chéo băng hệ số tương quan giữa đặc tuyến đo được và đặc tuyến mẫu trên các khoảng tần số khác nhau, sau đó đưa ra quyết định chan đoán Điều này gặp rất nhiều khó khăn bởi mỗi nhà sản xuất MBA đều có thiết kế riêng của mình Mỗi chủng loại, mỗi gam máy đều có đặc tuyến FRA đặc trưng khác nhau Dé hạn chế vấn đề này, một ý tưởng được đưa ra là xây dựng mô hình vật lý, mô hình toán học tương đương có thể biểu diễn đặc tuyến FRA của MBA Căn cứ vào đó, việc chan đoán tinh trạng MBA có thé được thực hiện một cách hiệu quả và chính xác hơn khi mà các dạng khiếm khuyết và những sự cố tiềm an có thé được dự đoán từ trước thông qua các mô hình tương đương.

Phương pháp phân tích tần số (FRA — Frequency Response Analysis) đã nhận được sự quan tâm rất lớn trong việc đánh giá tinh trạng cơ khí của MBA (cuộn dây, lõi từ, gong từ ) FRA cung cấp một phương pháp có độ nhạy cao đối với những biến dạng xảy ra trong cuộn dây MBA Ưu điểm của phương pháp này là có thể được thực hiện tương đối dé dàng tại chỗ mà không phải tháo dỡ và vận chuyển MBA [1].

Thử nghiệm FRA, lần đầu tiên được để xuất bởi Dick và Erven [9], là một kỹ thuật rất nhạy để phát hiện các bất thường do dịch chuyển cuộn dây do mat ap luc kep hoặc bởi lực điện động do dòng ngăn mạch gây ra Dé phân tích kết quả thử nghiệmFRA, miền tần số được chia thành tần số thấp, trung bình và cao Tần số 10-20 kHz đáp ứng tần số phụ thuộc vào cuộn dây MBA đặc trưng bởi thành phần điện cảm,trong khi ở các tần số trung bình từ 20 kHz đến 1 MHz phụ thuộc vào cả điện cảm va điện dung tạo ra nhiều điểm cộng hưởng Ở vùng tần số cao hơn, đáp ứng tần số phụ thuộc sự phân bố điện dung trong cuộn dây [9] Căn cứ vào những đặc điểm này, VIỆC phân tích và chân đoán tình trạng MBA có thé được thực hiện rất hiệu quả.

Các nghiên cứu trong lĩnh vực phân tích đáp ứng tần số MBA đã bat đầu từ thập niên 70 của thé kỷ trước Khởi đầu từ công trình nghiên cứu của Dick và Erven công bố năm 1978 [9], đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến FRA được thực hiện Một số tài liệu hướng dẫn về phương pháp này đã được ban hành, ví dụ như

Các hướng nghiên cứu chủ dao có thé kế đến trong lĩnh vực này bao gồm: xây dựng phương pháp đánh giá tình trạng thông qua các đặc tuyến thu được từ thực nghiệm, hoặc xây dựng mô hình tương đương của MBA.

Dựa trên so sánh thực nghiệm

Dựa trên hệ số tương quan

Hình 1.1 Các hướng nghiên cứu chủ đạo của phương pháp FRA Đối với hướng nghiên cứu sử dụng mô hình toán học, bài toán trường điện từ được giải băng phương pháp số như phân tử hữu han (FEM), mô hình hộp đen Đối với hướng nghiên cứu mô hình vật lý, có rất nhiều mô hình đã và đang được xây dựng, cải tiễn bao gom [15]:

- M6 hình tập trung: xây dựng mạch tương đương dựa trên nguyên tac đối ngẫu từ - điện;

- Mô hình phân bố: gồm mô hình đường dây truyền tải đơn (Single Transmission Line — STL), mô hình đường dây truyền tải đa (Multi Transmission Line — MTL), mô hình bậc thang n tang (n-stage lumped- element network) [4] Ở Việt Nam việc chan đoán bat thường hay các nguy co tiém an chưa được quan tâm đúng mức so với sự chú trọng về van dé này của các nước khác Việc thí nghiệm MBA được tiến hành định kỳ mà không có sự theo dõi đánh giá kết quả thử nghiệm Nhưng hiện nay, nhiều kỹ thuật chan đoán nói chung và phương pháp FRA nói riêng được áp dụng rộng rãi trong các công ty điện lực, nhăm đảm bảo vận hành liên tục cũng như nâng cao độ tin cậy của MBA đáp ứng yêu cầu ngày càng cao trong vieéc cung cấp điện [3].

Trong cuốn “Các kỹ thuật nâng cao chan đoán sự cô máy biến áp lực” [3], một số phương pháp thí nghiệm chan đoán trên MBA đã được giới thiệu khái quát Nội dung chính của cuốn sách dé cập đến các kỹ thuật chan đoán nâng cao áp dụng cho MBA: “phân tích đáp ứng tần số”, “phân tích đáp ứng điện môi”, “phân tích khí hòa

35 66 tan”, “phóng điện cục bộ” Chương cuối giới thiệu khái niệm “chỉ số tình trạng”, được tính toán định lượng từ kết quả thử nghiệm truyền thống để có thể áp dụng tại các công ty điện lực hiện nay.

Cũng trong tài liệu nói trên, tác giả đã phân tích các dạng khiếm khuyết cơ học trong MBA và tác động của chúng lên đặc tuyến đáp ứng tần số dựa trên kết quả thực nghiệm.

Tuy có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến FRA và phương pháp chan đoán sự cô MBA dựa trên FRA, nhưng chưa có công trình nghiên cứu trên đối tượng cụ thể là các MBA đang vận hành trên lưới điện Việt Nam nói chung và lưới điện miền Nam nói riêng Các nghiên cứu về mô hình FRA tương đương MBA hiện nay chỉ hướng đến MBA phân phối ở cấp điện áp trung thế (từ 35kV trở xuống) mà chưa có nghiên cứu nào liên quan đến các MBA truyền tải (từ cấp 110kV trở lên) Đồng thời,phương pháp chan đoán dựa trên thông số mô hình MBA cũng chưa có cơ sở dữ liệu day đủ.

Mục tiêu của để tài là xây dựng một mô hình FRA tương đương của MBA 110kV cụ thé từ các cơ sở lý thuyết và thực nghiệm đã có Căn cứ vào đó, việc dự đoán các biến dạng cơ học trong MBA có thể được thực hiện thông qua việc thay đôi các thông số trong mô hình Kết quả của dé tài này có thé được ứng dụng trong việc chan đoán tình trang cơ học của MBA, góp phan cùng các phương pháp khác — như phóng điện cục bộ, phân tích dap ứng điện moi, phân tích khí hòa tan — đánh gia tình trạng MBA một cách đầy đủ và chính xác nhất Nắm rõ các phương pháp đánh giá và các tiêu chuẩn chính thức để đánh giá kết quả FRA cũng là một mục tiêu quan trọng để tăng tính hiệu quả của việc chân đoán.

Nham thực hiện được mục tiêu trên, dé tài sẽ sử dụng nguyên lý đối ngẫu từ điện để xây dựng mô hình MBA dựa trên một vài thông số đã biết Kết quả mô phỏng sẽ được đối chiếu với dữ liệu thực nghiệm của MBA 110kV đang vận hành trên hệ thống điện miền Nam để đánh giá tính chính xác và khả năng ứng dụng của mô hình.

Ngoài ra, một công cụ hỗ trợ giúp việc xác định thông số của mô hình FRA nhanh hơn, chính xác hơn sẽ được phát triển để ứng dụng cho các MBA 110kV góp phân trong việc mô phỏng các đặc tuyến FRA mẫu.

Hiện nay, Tổng công ty Điện lực miền Nam quan lý lưới điện phân phối toàn miền nam, trải dai 21 tỉnh từ Ninh Thuận đến Cà Mau, với trên 360 MBA 110kV đang vận hành, phục vu cho nhiều khu công nghiép, khu dân cư va thành phố lớn Dé đảm bảo cung cấp điện cho lượng phụ tải lớn như trên, yêu cầu hệ thống điện phải hoạt động với độ tin cậy cao và liên tục Trong đó, MBA là thành phần quan trọng nhất Vì vậy, đặt ra yêu cầu phải có phương pháp chân đoán tình trạng MBA chính xác để phát hiện các nguy cơ trước khi trở thành các sự có, từ đó đưa ra các biến pháp xử lý tránh gián đoạn cung cấp điện Áp dụng các phương pháp thí nghiệm chan đoán ra đời đáp ứng những yêu cau trên FRA là một trong những phương pháp chan đoán hiệu qua các sự cô cơ điện trong MBA.

Việc xây dựng mô hình mẫu cho các MBA nói trên có đóng góp rất lớn trong công tác quan lý và bảo dưỡng MBA theo kết quả chan đoán hiện tại (Condition based diagnostics).

Đầu tiên, cần hiểu rõ phương pháp phân tích đáp ứng tần số trên MBA Nam rõ nguyên ly, đặc điểm cơ bản cũng như tinh chat của phương pháp đáp ứng tan số là cơ sở dé đưa ra phương pháp và tiêu chuẩn đánh giá kết quả FRA chính xác nhất Sau khi năm vững phương pháp FRA, cần tìm hiểu các phương pháp và các tiêu chuẩn chính thức được áp dụng để đánh giá sự cô trong MBA dựa trên kết quả FRA. Đề tài cũng sẽ trình bày quá trình xây dựng mô hình MBA và phương pháp xác định các thông số trong mô hình MBA dựa trên kết quả thử nghiệm FRA Nghiên cứu trong dé tài chủ yếu dựa trên dữ liệu FRA thực tế thu thập được trên các MBA của lưới điện cao thê của tông công ty Điện lực miễn Nam.

Từ mô hình MBA xây dựng được, đưa ra các mô phỏng về sự cố cơ điện trênMBA Từ đó nhận xét sự thay đối của các thông số điện trong mô hình MBA và đưa ra các kết luận đánh về hư hỏng của MBA.

Dé thực hiện các mục tiêu trên, luận văn bao gdm các chương và nội dung môi chương như sau:

Tên dé tài luận văn: “NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH MAY BIEN ÁP LỰC DỰA TREN PHAN TÍCH DAP UNG TAN SO ÁP DUNG CHAN DOAN SỰ CO”.

Chương 2: Phương pháp phân tích đáp ứng tan số.

Chương 3: Đánh giá hư hỏng máy biến áp dựa trên đáp ứng tần số.

Chương 4: Mô hình máy biến áp.

Nguyên tac của phương pháp FRA là khảo sát ty số giữa tín hiệu ngõ ra so với ngõ vào của tổng trở tương đương của MBA trên một dải tần số, pho biến nhất trong vùng tần số 10 Hz đến 2 MHz [3].

Có hai phương pháp để lay đặc tuyến FRA, phương pháp xung điện áp thấp (LVI — Low Voltage Impulse) và phương pháp đáp ứng tần số quét (SFRA — Sweep

2.1.1 Phương pháp xung điện áp thấp

Khi sử dụng phương pháp LVI, một tín hiệu xung điện áp thấp được đưa vào một đầu cuộn dây và đo tín hiệu điện áp tại đầu bên kia hoặc dòng điện đi qua cuộn dây.

Các tín hiệu được lọc và lay mẫu trong miễn thời gian, được chuyển đổi sang miễn tan số sử dụng biến đổi Fast Fourier dé biến đổi thành tín hiệu ở các tần số riêng riêng lẻ Cuối cùng, một hàm truyền biểu diễn kết quả biến đổi Fast Fourier tại mỗi tan số các tín hiệu đo được Ví dụ, đặt một xung vào đầu cực cao áp và dòng điện tại trung tính phía cao áp, đo điện áp tại đầu cực hạ áp Từ đó, ta nhận được hai dạng hàm truyền Một là giữa dòng điện và điện áp đặt phía cao áp; hai là giữa điện áp truyền qua phía hạ áp và điện áp đặt phía cao áp Ưu điểm của phương pháp LVI là có thé đo nhiêu dòng điện và điện áp cùng lúc, làm giảm thời gian của môi lân thử nghiệm

FRA Tuy nhiên, có một số nhược điểm của phương pháp này như nhiễu, suy hao trong quá trình thử, độ phân giải kém ở tần số thấp và giới hạn nguồn kích thích [1].

2.1.2 Phương pháp phân tích tần số quét

Phương pháp SFRA thực hiện bang cách đo đáp ứng tan số tại mỗi điểm tan số băng cách bơm một dạng sóng sin có cường độ không đổi (10V) Sau đó, độ lớnvà pha được lay mau tại điểm tan số đó, tiếp tục tăng dần tần số sóng sin lên SFRA là một phương pháp đo trực tiếp đáp ứng tần số mà không sử dụng biến đổi Fast Fourier Tuy nhiên, phương pháp SFRA mat nhiều thời gian hơn để thu được một kết qua đo hoàn chỉnh so với phương pháp LVI [1] Ngày nay, trong thực tế thường dùng SERA, do nhiều hãng sản xuất đã cho ra đời nhiều thiết bị hiện đại giúp việc đo SFRA nhanh hơn, chính xác hơn. Đề thử nghiệm SFRA, đòi hỏi sử dụng 3 loại dây tín hiệu: dây dẫn tín hiệu (Signal), dây tham chiếu (Reference) và day thử nghiệm (Test) Hình 2.1 thể hiện sơ đỗ kết nỗi thử nghiệm FRA dién hình Tín hiệu đưa vào cuộn dây được đo để cung cấp tín hiệu tham chiếu sau đó được so sánh với tín hiệu thu được ở cudi cuộn dây, được đo bang dây thử nghiệm Sơ đỗ này giúp làm giảm ảnh hưởng của dây cáp lên kết qua thử nghiệm Đầu dây đo được nối với đầu sứ MBA và nói đất dé tạo nối đất chung.

Hình 2.1 So đồ đấu nối thử nghiệm FRA dién hình [2]

2.1.3 So sánh giữa phương pháp LVI và phương pháp SFRA Đã có nhiễu tranh luận về ưu — nhược điểm của hai phương pháp LVI và SFRA nhưng đa số đều dẫn đến kết luận răng phương pháp SFRA ưu việt hơn phương pháp LVI Chi tiết về các so sánh ưu — nhược điểm giữa hai phương pháp được thé hiện trong bang 2.1 [16].

Bang 2.1 Bang so sánh ưu — nhược điểm của phương pháp LVI va SFRA [16]

Uu diém - Thor gian thực hiện phép do| - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu ngăn (thường dưới 1 phút) (SNR) cao.

- Độ phân giải tần số linh hoạt

Nhược điểm - Ti số tín hiệu trên nhiễu| - Thời gian thực hiện phép đo

(SNR) thấp, giảm theo tan so dài hơn (thường vài phút - _ Độ phân giải tần số cố định một phép đo)

2.1.4 Nguyên lý do SFRA Đề thực hiện phép do SFRA, một tin hiệu áp dang sin có điện áp thấp (nhỏ hơn 10V) với tan số biến đổi từ 20 Hz đến 2MHz được phát vào một đầu cực MBA, điện áp tại đầu cực nay được đo bang công tham chiếu — Vin (Reference voltage) Đồng thời, điện áp đầu ra — Vout (Measured voltage) — được đo ở một đầu cực khác (tùy theo phép đo) Hàm truyền được xác định bằng cách lẫy tỉ số Vout/Vin tại từng điểm tần số đo Nồi các điểm này với nhau sẽ được các đường đặc tuyến biểu diễn theo dạng biéu đồ Bode Đặc tuyến đáp ứng tần số bao gồm đặc tuyến biên độ và đặc tuyến góc pha theo công thức sau: e Biên độ: Mag = 20log10(IVoutl/IVinl) (dB) (1) e Gióc Pha: Phase = pha {Vout} — pha {Vin} (độ) (2)

2.1.5 Các sơ đồ đo SFRA

(c) Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm FRA cho MBA 3 pha [3].

(a) do hở mạch (b) do ngăn mach (c) đo hiệu ứng dung (d) do hiệu ứng cảm Có 4 sơ đồ đo SERA cơ bản được giới thiệu trong hình 2.2 như sau [3]:

“* End -to-end open-curcuit (EEOC): đo hở mach Điện áp đầu vào tai đầu cuộn dây cần đo, điện áp ngõ ra do ở đầu còn lại của cuộn dây Các đầu cực khác để hở mạch.

*End-to-end short-curcuit (EESC): đo ngắn mạch Tương tự phép đo hở mạch, điện áp đầu vào đặt vào một đầu cuộn dây, điện áp ngõ ra đo ở đầu còn lại của cuộn dây Tuy nhiên, các đầu dây cuộn thứ cap được nôi tat với nhau.

“* Capacitive inter-winding (CAP): đo hiệu ứng dung Điện áp đầu vào tại đầu cuộn dây can đo phía cao áp, điện áp ngõ ra được do ở đầu tương ứng phía hạ áp Các đầu cực còn lại của không được nối đất. s* Inductive inter-winding (IND): đo hiệu ứng cảm. Điện áp đầu vào tại đầu cuộn dây cần đo phía cao áp, điện áp ngõ ra được đo ở đầu tương ứng phía hạ áp Tuy nhiên, các đầu cực cuối cuộn dây phải được noi đất.

Thông thường, các phép do EEOC và EESC được sử dụng nhiều nhất dé chan đoán vi các thông số điện trong mô hình tương đương MBA đều có ảnh hưởng đến hình dang của đặc tuyến SFRA ở những vùng tan số nhất định trong khi các sơ dé khác chỉ có ảnh hưởng rõ rệt của từng thông số riêng biệt [3].

ANA Z=R Mag, dB Dién tro

Z=2r[ÍL z= 1 ơ 2nxfC Mag, dB Dien cam Mag, dB Dién dung k : 0

Hình 2.3 Dap ứng logarith của các phan tử R, L và C

Xét một mạch điện tổng quát gồm các phan tử R, L, C, đường đặc tuyến đáp ứng tan số thu được là tổng hợp từ các đặc tuyến riêng lẻ của các phan tử R, L, C trong mach Dé hiéu rõ đặc tuyên đáp ứng tân sô, ta cân hiệu rõ vê các đường đặc tuyên cua từng phân tử Như minh họa trong hình 2.3, đặc tuyến R năm ngang do tổng trở của phan tử R không phụ thuộc tan số Tổng trở tương đương của L tỉ lệ thuận với tan số

(ZL= 2nfL) nên khi tan sô tăng lên, sự sụt áp giữa dau ra so với dau vào sẽ càng tang, làm cho đô thị logarith sẽ có xu hướng đi xuống Ngược lại, tong trở tương đương của C tỉ lệ nghịch với tần số (Zc = 1/2nfC), sự sụt áp giữa đầu ra so với đầu vào giảm, khiến đô thị logarith có xu hướng đi lên khi tần số tăng lên. Đáp ứng mạch hỗn hợp Hệ thống 1

Dap ứng mạch R, L, C nôi tiêp Dap ứng mach R, L, C song song

Na Wes Vin aie ng1;

-40 -20 Diém cong huong Dung Cam

10° 10° f, HzHình 2.4 Dap ứng logarith của các mach RLC phức hop

Khi tần số thay đổi, Zc và ZLcó xu hướng thay doi ngược nhau nên tổn tại một tần số tại đó Zc= ZL Tại các điểm này xảy ra hiện tưởng công hưởng, đồ thị logarith sẽ đạt cực trỊ lân cận Nói cách khác, đây chính là những điểm nhọn trên các đường đặc tuyến đáp ứng tần số minh họa như hình 2.4

Ngoài ra, việc thay đối các giá trị L, C cũng khiến độ dốc của đáp ứng logarith thay đôi Khi L càng giảm, đáp ứng logarithm sẽ có xu hướng bị xê dịch lên phía trên.

Ngược lại, khi C giảm, đáp ứng logarith có xu hướng xê dịch xuống phía dưới.

2.3.1 Thiết bi do đáp ứng tần số

Các kết quả thử nghiệm FRA được trình bày trong luận văn đều được đo bởi thiết FRAX 101 do hãng Megger sản xuất Thiết bi này có thé phát điện áp thử nghiệm tối đa 12 Vp-p trong khoảng tan số từ 0.1 Hz đến 25 MHz, cấp chính xác + 0.1 dB trong tam +10 dB đến -50 dB va + 0.5 dB trong tầm -100 dB

FRAX 101 có các cong phát và công đo như đã dé cập trong hình 2.1 Nguồn phát là 10 Vp-p trong khoảng tan số từ 20 Hz đến 2 MHz với số điểm do là 1050 điểm đề đảm bảo độ chính xác của đặc tuyên.

2.3.2 Các đối tượng thử nghiệm

Trên hệ thong điện thuộc quan lý của công ty Lưới điện Cao thế miền Nam hiện đang có trên 360 MBA, cấp điện áp 115/23 kV Các gam máy được sử dụng có công suất là 25MVA, 40MVA và 63 MVA với tổ dau dây YNyn-0+d11, hoạt động với bộ điều áp trên tải (OLTC) có 19 nắc điều chỉnh Các dữ liệu sử dung trong luận văn được tổng hợp trong quá trình thí nghiệm hiệu chỉnh và thí nghiệm định kỳ từ năm 2015 đến nay.

Hình 2.6 MBA 110/22kV 63 MVA (63M0808261) trong quá trình lắp đặt

Nha san xuat Co điện Thủ Đức (EMC) | Công suat 63 MVA

Serial number 63M0808261 Dién ap 115/23 kV

Nam san xuat 2008 Tổ dau dây | YNyn-0

Tinh trang luc thử nghiệm Binh thuong

Tinh trang luc thử nghiệm Sau sự cô

Nam san xuat 2012 Tô dau day | YNyn-0

Tinh trang luc thử nghiệm Sự cô s* MBA 110/22kV 63 MVA (63M1109239)

Tinh trang luc thử nghiệm Sự cô s* MBA 110/22kV 25 MVA (VN 00038)

Nha san xuat ABB Công suất 25 MVA

Serial number VN 00038 Dién ap 115/23 kV

Tinh trang luc thử nghiệm Binh thuong

Hình 2.7, 2.8 giới thiệu kết quả đo SERA băng thiết bị FRAX 101 theo các cầu hình đo EEOC, EESC cho MBA 110/22kV 63 MVA (63M0808261) dang vận hành.

Dé có thể xây dựng mô hình đặc tuyến FRA khớp với những đặc tuyến đo được như hình 2.7, 2.8, việc xác định các thông số điện cảm, điện dung, điện dẫn có ý nghĩa vật lý là rất cần thiết Dựa trên tổ hợp một số phép đo khác nhau, các thông số của mô hình có thê được tính toán và ước lượng Tuy nhiên, trong mô hình van tôn tại một sô phan tử không thé đo đạc trực tiếp bằng các phép đo thực tế.

Hình 2.7 Đáp ứng tan số EEOC của MBA (63M0808261)

Type: 0 Magnitude I Log fay Ss] > ° ỗ ð ử

Hình 2.8 Đáp ứng tan số EESC của MBA (63M0808261)

Nếu như không có đủ dữ kiện dau vào thì việc xây dựng mô hình sé gặp rất nhiều khó khăn Thậm chí, việc ước lượng một vài thông số cũng rat mơ hồ bởi không có phương pháp dé đo đạc trực tiếp Bởi tính chất định tính trong việc ước lượng thông số của mô hình, ta cần một công cụ hỗ trợ, Fuzzy logic là một công cụ phù hợp trong trường hợp này.

Lôgie mờ (Fuzzy logic) được phát triển từ ly thuyết tập mờ dé thực hiện lập luận một cách xâp xi thay vi lập luận chính xác theo lôgIc vi từ cô điên.

Lôgie mờ có thể được coi là mặt ứng dụng của lý thuyết tập mờ để xử lý các giá trị trong thế giới thực cho các bài toán phức tạp Ngày nay, hầu hết máy móc thông minh đều chứa công nghệ logic mờ Logic mờ giúp nâng cao kha năng suy diễn của máy móc.

Một ứng dụng cơ bản có thể có đặc điểm là các khoảng con của một biến liên tục.

Ví dụ, một bộ điều khiển nhiệt độ có thé có một vài hàm liên tục riêng biệt xác định các khoảng nhiệt độ cụ thé dé điều khiến một cách đúng dan Mỗi ham ánh xạ cùng một số đo nhiệt độ tới một chân giá tri trong khoảng từ 0 đến 1 Sau đó các chân gia tri này có thé được dùng dé quyết định nhiệt độ nên được điều khién như thé nao.

Hình 2.9 Các ham nhiệt độ cold (lạnh), warm (4m), va hot (nóng)

Trong hình 2.9, cold (lạnh), warm (4m), và hot (nóng) là các hàm ánh xạ một thang nhiệt độ Một điểm trên thang nhiệt độ có 3 "chân giá trị" — mỗi hàm cho một giá trị Đối với nhiệt độ cụ thể trong hình, 3 chân giá trị này có thể được giải nghĩa là 3 miều tả sau về nhiệt độ này: "tương đôi lạnh”, "hơi hơi âm”, và "khong nóng”.

Tương tự với bài toán xác định các thông số điện của mô hình mô phỏng, từ các đặc tuyến đo lường và các thông số ban đầu thực hiện điều chỉnh các thông số để đặc tuyến mô phỏng trùng khớp nhất với đặc tuyến đo lường Fuzzy logic là công cụ phù hợp để xác định được các thông số điện nhanh và chính xác nhất Cụ thể về ứng dụng của Fuzzy logic trong việc xác định thông số mô hình tương đương MBA được trình bày trong chương 3.

PHAN TÍCH DAP UNG TAN SO

Máy biến áp được xem như một tập hop mang lưới R, L, C kết hợp với nhau.

Bất kỳ dạng hư hỏng về mặt vật lý đối với MBA đều dẫn đến những thay đổi của mạng lưới RLC [10] Những thay đối này là cái mà chúng ta dang tìm kiếm và sử dụng đáp ứng tần số để khảo sát, làm nối bật những thay đổi nhỏ nảy trong lưới RLC bên trong đối tượng đo.

Bat ky su bién dang vé mat hinh hoc lam thay đôi mạng lưới RLC, sự thay đôi này đến lượt nó lại làm thay đổi hàm truyền ở các tần số khác nhau và từ đó làm rõ vùng ma ta quan tâm.

Kỹ thuật FRA phát hiện được những van dé trục trac về cơ cũng như về điện tiềm ấn bên trong MBA mà các phương pháp khác không có khả năng phát hiện được Việc biết được tình trạng bên trong MBA sẽ cho phép chúng ta có thể vận hành máy ở mức tải lớn nhất có thể mà vẫn đảm bảo độ tin cậy Những tình trạng bất thường bên trong MBA mà việc sử dụng kỹ thuật FRA có thể phát hiện được trình bày trong [3] bao gồm: s* Biến dạng ngang trục (Radial Movement) Biến dạng ngang trục hay xuyên tâm là sự cố lực nén làm thay đổi cau trúc hình học theo phương của trục của cuộn dây Những dòng sự cô lớn chạy qua cuộn dây tạo ra lực điện từ nén xuyên tâm cuộn dây làm biên dạng (oăn) cuộn dây Hình 3.1 cho thay cuộn day bi oan theo phuong

Hình 3.1 Biến dạng ngang trục (xuyên tâm) cuộn dây MBA s* Biến dạng dọc trục (Axial Movement) Sự cố có thé làm cuộn dây bị nén lại hoặc bị kéo gian ra theo chiều học trục làm cho sự biễn dạng phức tạp Hình 3.2 thể hiện biến dạng của cuộn dây sau sự co.

Dich chuyén toàn bộ hay một phần cuộn dây (Overall Bulk or Localized

Trong quá trình van chuyền, do các hoạt động gây chan động mạnh như địa chân hoặc do một cú số gây ra bởi lực điện từ rất lớn do dòng điện lớn gây ra có thé làm dịch chuyền một phan hay toàn bộ cuộn dây.

Sự cố lõi thép (Core Defects) Các sự cô bao gồm ngắn mạch các lá thép, xê dịch các khớp nối ở góc của lõi thép, cháy cách điện các lá thép sẽ làm thay đổi mach từ của lõi thép.

Sự cố liên quan đến điện trở tiếp xúc (Contact Resistance) Sự cố này xuất hiện ở điện trở tiếp xúc tai mối nối giữa thanh dẫn dau sứ và các cuộn dây có giá trị điện trở lớn Nguyên nhân do mối nối bị lỏng, bị cháy hay bị ăn mòn.

Ngan mạch giữa các vòng dây (Winding Turn-to-Turn Short Circuit

Sự cô này có thê xảy ra giữa các vòng dây lân cận nhau hoặc giữa các pha với nhau ¿ ‹ z “ET "EC

Hình 3.3 Sự cố ngắn mạch vòng dây

Cuộn day hở mạch (Open Circuited Winding)

Sự cố này xảy ra khi các đầu mối nỗi bị lỏng hay các cuộn dây bi cháy do sự cố quá nhiệt

Cuộn dây bị chung (Winding Looseness)

Sự cô làm khoảng cách giữa các vòng dây tăng dan theo chiều dọc trục của cuộn dây, do kết cau cơ khí trong cuộn dây bị lỏng dan.

Từ dư trong lõi thép không phải là sự cỗ, cần phải phân biệt với sự có lõi thép dé tránh nhằm lẫn trong quá trình chân đoán sự cô MBA dựa trên

FRA Từ dư xuất hiện khi trong lõi thép bị ảnh hưởng bởi các từ trường trong lõi thép như thử nghiệm đo điện trở một chiều cuộn dây, thao tác đóng cắt hoặc do ảnh hưởng của từ trường ngoài Vì vậy cần khử từ lõi thép trước khi đo FRA. Đề đánh giá tình trạng MBA dựa trên kết quả thử nghiệm đáp ứng tần số SERA, có thé dựa trên các phương pháp sau:

3.1.1 Đánh giá dựa trên so sánh với đặc tuyến đáp ứng tần số mẫu

Sau khi thu được kết quả đo băng SFRA thì kết quả này sẽ được so sánh với một bộ kết quả về đối tượng đo đã có từ trước để rút ra nhận xét đánh giá Việc so sánh có thé được tiễn hành [1]: s* So sánh dữ liệu theo thời gian (Time-base): có thể thực hiện so sánh giữa kết quả thí nghiệm và số liệu xuất xưởng: giữa kết quả thí nghiệm và số liệu nghiệm thu; giữa kết quả thí nghiệm trên cùng một thiết bị trong quá khứ.

Cả ba phương pháp so sánh trên được thực hiện trên cùng một MBA, vì vậy kết quả đánh giá nhận được có tính chính xác cao nhất trong các phương pháp so sánh, do nó thé hiện chính xác sự thay đổi của đặc tuyến đáp ứng tân số của MBA Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi sự theo dõi liên tục cao, dữ liệu phải day đủ từ khi xuất xưởng và trong quá trình vận hành Trong thực thế, dữ liệu thử nghiệm đáp ứng tần số có thé không day đủ như mong muốn Đặc biệt như ở nước ta, việc thử nghiệm đáp ứng tần số trên MBA mới được áp dụng trong thời gian gần đây, nên các dữ liệu quá khứ là hoàn toàn không có sẵn.

+* So sánh giữa các thiết bị cùng loại (Iype-base): sử dụng dữ liệu của một MBA khác cùng loại với thiết bị cần đánh giá để làm cơ sở so sánh.

Phương pháp nay giúp linh động hơn trong việc đánh giá đặc tuyến cho các MBA mà không có hay không còn các dữ liệu trong quá khứ của nó dé làm co sở so sánh đánh giá Tuy nhiên, vân có một sai sô nhât định vì dù các MBA cùng chủng loại cũng không có đặc tuyến FRA hoàn toàn giống với MBA cần đánh giá.

+* So sánh giữa các pha trên cùng thiết bị (Construction-base): so sánh đặc tuyến FRA giữa các pha trên cùng thiết bị với nhau. Đây là phương pháp so sánh linh hoạt nhất và nhanh nhất vi dir liệu so sánh sẵn có Tuy nhiên, đặc tuyến FRA giữa các pha không hoàn toàn giống nhau phụ thuộc vào nhà sản xuất như công nghệ chế tạo, thiết kế, sai sô vật liéu,

Do luong FRA cua MBA Do lường FRA của MBA binh thuong can kiém tra

Vv Vv Đặc tuyến FRA của MBA Đặc tuyến FRA của MBA bình thường cân kiêm tra

*—+! So sánh 2 đặc tuyến với nhau |*

Phân tích sai khác giữa 2 đặc tuyên và đưa ra kêt luận

Hình 3.4 Chân đoán sự cổ MBA dựa trên đặc tuyến FRA

Hình 3.4 thể hiện các bước để đánh giá dữ liệu FRA bằng phương pháp so sánh Như vậy, việc đầu tiên trước khi thực hiện phép đo là phải xem xét cơ sở dữ liệu phục vụ cho việc so sánh đánh giá kết quả Nếu phép đo này đã thực hiện trước đó thì ta sử dụng phương pháp time-base Nếu chưa có bat cứ một kết quả FRA nào trước đó thì có thể sử dụng dữ liệu FRA từ một MBA cùng loại (type-based) Trong trường hợp này các đường con không hoàn toàn trùng khớp với nhau, tuy nhiên, các đường này có dạng tương đồng nhau thì cũng thể đánh giá tình trạng MBA tương đối tốt Cuối cùng, nếu như không có bat kỳ dữ liệu nào dé đánh giá, thì ta tiễn hành đo cả 3 pha của MBA và so sánh với nhau.

Tiêu chí đánh giá sự sai khác giữa 2 đặc tuyến được đề cập trong: e Tiêu chuẩn IEEE PC57.149, IEEE Guide for the Application and

Interpretation of | Frequency Response Analysis for Oil Immersed

3.2.1 Sơ lược về tiêu chuẩn DL/T 911 — 2004.

Nhiều trường hop, sự sai khác trong các kết quả đáp ứng tan số quét của thiết bị không thể được chi nhận chỉ băng cách quan sát Đề định lượng các thay đôi trong đáp ứng tần số nhăm đưa ra các chan đoán tình trạng MBA chuẩn xác, tính toán các hệ số tương đối giữa hai kết quả thử nghiệm đáp ứng tần số mang lại tính trực quan, chính xác và hiệu quả cao. Độ tương quan của hai đường cong có thể được mô tả định lượng thông qua các hệ số tương quan R, có thể sử dụng để phân tích các tình trạng biến dạng cuộn dây MBA, nhưng kết quả cụ thể sẽ được đánh giá toàn diện theo điều kiện hoạt động của MBA, lịch sử vận hành và các thông tin khác [5]. Đề chuẩn hóa, nâng cao độ chính xác và có cơ sở pháp lý trong việc đưa ra kết luận đánh giá kết quả phân tích đáp ứng tần số, Ủy ban Cải cách và Phát triển Nhà nước Cộng hòa Nhân Dân Trung Hoa đã đưa ra tiêu chuẩn DL/T 911 — 2004.

Tiêu chuẩn DL/T 911-2004 có tên tiếng Anh đây đủ là “Frequency ResponseAnalysis on Winding Deformation of Power Transformers”, do Ủy ban Cải cách và phát triển Nhà nước Cộng hòa Nhân Dân Trung Hoa ban hành vào ngày 14 tháng

Tiêu chuẩn hướng dẫn về yêu cau thiết bi đo, phương pháp thử nghiệm cũng như phương pháp đánh giá kết quả thử nghiệm đáp ứng tần số ứng trong xác định hư hỏng cuộn dây MBA.

Dé đảm bảo tính chính xác của kết quả thử nghiệm FRA, tiêu chuẩn đưa ra một sô yêu câu như sau:

O as input end, A as testing end O as input end, B as testing end O as input end, C as testing end

_ Aas input end, B as testing end B as input end, C as testing end } Cas input end, A as testing end a as input end, b as testing end b as input end, c as testing end c as input end, a as testing end a by X + ¢ 996 eo

X as input end, a as testing end Y as input end, b as testing end { Z as input end, c as testing end

Hình 3.7 Các phương pháp nối dây pho biến dé thử nghiệm MBA [5]

>, x.% Yêu câu về thiệt bị:

- _ Khoảng tần số thử nghiệm: IkHz ~ 1MHz Sai số tần số: dưới 0.01%

- _ Khoảng cách tan số quét: nhỏ hơn 2kHz

- Phuong pháp kết hợp trở kháng: dây đo có điện trở 50Q, chiều dai 15 ~

- Sai số phép đo: +1dB trong khoảng -80dB ~ 20dB s* Yéu câu trong kêt noi thử nghiệm:

Các phương pháp nối dây phố biến dé thử nghiệm MBA thể hiện trong hình 3.7.

* Phương pháp đánh giá: dựa trên hệ số tương quan vé biên độ của các tín hiệu để so sánh đưa ra kết quả.

Cu thé hơn về phương pháp đánh giá được trình bày ở phan kế tiếp.

3.2.2 Đánh giá theo tiêu chuẩn DL/T 911 — 2004.

Tiêu chuẩn DL/T 911 — 2004 đánh giá kết quả thử nghiệm đáp ứng tần số theo hệ số tương quan R Được tính toán như sau:

Giả sử ta có hai kết qua thu được, với N các giá tri biên độ theo N tần số tương ứng: X(k), Y(k), k= 0, 1, N-1 Hệ số tương quan R có thé được tính toán như sau:

Tính toán phương sai của từng kết quả thu được:

Dy, ==Xẹ=¿|XŒ) —~Xẹ=XŒ| + Dy = + ERA [PCO ==X=jY@O[' 4D

Tính toán hiệp phương sai của hai kết qua:

Coy = = ERE |XŒ) — DNS XŒO| x |YŒ) — Rb

Tính toán chuẩn hoá hiệp phương sai — hệ số tương quan:

Do giá trị LRxy luôn luôn nam trong khoảng [-1,1] và thường có giá trị rất nhỏ nên ta có thể quy đối về đại lượng Rxy dé dé dàng so sánh.

R = xy (44) xy nga — LRyy) TH khác

Từ đó ta tính ra được hệ số tương quan Rxy đặc trưng cho sự sai khác của hai đữ liệu.

Kết quả sau khi tính toán đánh giá theo tiêu chuẩn DT/T911-2004 như sau:

Bảng 3.2 Sự tương quan giữa hệ số tương quan và độ biến dạng cuộn dây MBA [5]

Mức độ biến dạng của cuộn dây Hệ số tương đôi R

Biến dạng nặng RiF Rrz 2 0,6 hoặc Rur Rir> 1,0 hoặc 0,6 < Rwr 1,0 và Rnr = 0,6

Lưu ý: e R¡r là hệ số tương đối khi đường cong ở tan số thap(1kHz ~ 100kHz); e Rurlà hệ số tương đối khi đường cong ở tan số trung binh(100kHz ~ 600kHz); e Rurlà hệ số tương đối khi đường cong ở tần số cao (600KHz ~ 1000kHz).

3.2.3 Một số kết qua thứ nghiệm thực tế từ thiết bị FRAX 101 (áp dụng tiêu chuẩn DL/T 911 — 2004) Một số kết quả ghi nhận được từ kết quả thử nghiệm đáp ứng tần số của thiết bị FRAX 101 như sau:

Interpretation according to DL/T 911-2004, China 2005-06-01 Frequency resp y ng defi tion of power = ro

Hình 3.8 Kết quả so sánh đặc tuyến FRA giữa các pha của phép đo EEOC của

Interpretation according to DL/T 911-2004, China 2005-06-01 Frequency response analysi inding deformation of

R-LF (1kHz - 100kHz) 1.98 RLF

Tiêu đề	Nghiên cứu mô hình máy biến áp lực dựa trên phân tích đáp ứng tần số áp dụng chẩn đoán sự cố
Tác giả	Nguyen Khac Hieu
Người hướng dẫn	PGS.TS. Pham Dinh Anh Khoi
Trường học	Đại Học Quốc Gia Tp. HCM
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Điện
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2018
Thành phố	Tp. HCM

Định dạng
Số trang	94
Dung lượng	71,17 MB