Phát hiện trực tuyến biến dạng trong cuộn dây máy biến áp lực sử dụng cảm biến sợi quang

Bài viết giới thiệu các kết quả mô phỏng số tương tác lực từ và rung động bên trong một máy biến áp lực thực hiện bởi trường đại học Tây Úc (Western Australia), và các nhận xét từ các thử nghiệm hiện trường, thực hiện bởi QPS, trường đại học Manchester, Vương quốc Anh, và công ty kỹ thuật tự động hóa Xian E-Sys, Trung Quốc, để kết luận tính ứng dụng khả thi của cảm biến trong việc phát hiện các kiểu biến dạng cuộn dây như cong oằn (buckling), phình lồi (bulging), ngắn và hở mạch, chùng kết cấu cơ khí, thiếu miếng chêm bên trong cuộn dây (inter-winding seperation).

PHÁT HIỆN TRỰC TUYẾN BIẾN DẠNG TRONG CUỘN DÂY MÁY BIẾN ÁP LỰC SỬ DỤNG CẢM BIẾN SỢI QUANG Peter Kung, Robert Idsinga, Jian Bin Fu, H.-Chaska V.-Durand, Chang Shui Yang QPS Photronics, Montreal, Canada (peter@qpscom.com) PGS.TS PHẠM ĐÌNH ANH KHÔI Trường ĐH Bách Khoa – ĐH Quốc Gia TP HCM Lời tựa: T rong lần dự hội nghị quốc tế kỹ thuật điện cao áp Buenos Aires, Argentina năm 2017, tơi có nghe báo cáo chủ đề sử dụng cảm biến giám sát trực tuyến tình trạng máy biến áp lực ông Peter Kung, giám đốc công ty QPS Photronics, Canada Đây chủ đề thú vị tương lai cho nhà sản xuất máy biến áp lực (và máy phát), tình trạng máy biến áp có tích hợp hệ thống giám sát trực tuyến xác, khơng cần phép thử nghiệm trường vừa khó khăn để thực hiện, lại vừa ảnh hưởng đến chế độ làm việc thiết bị Tôi xin giới thiệu viết đây, trích dịch từ báo liên quan xuất năm gần tác giả thuộc cơng ty QPS Photronics Tóm tắt: Biến dạng khí cuộn dây máy biến áp lực hình thành q trình vận chuyển, trình co giãn dần hệ thống khí q trình vận hành, dịng điện lớn gây phóng điện sét hay cố ngắn mạch Biến dạng cuộn dây làm gia tăng lực điện từ vùng không gian cuộn dây lõi thép bên máy biến áp lực, làm “tín hiệu” rung động trở nên rõ nét hơn, ứng dụng để giám sát trực tuyến tình trạng biến dạng cuộn dây Trong thực tế, sử dụng cảm biến điện gắn lên thành vỏ máy biến áp, khó khăn để ghi nhận tín hiệu rung động phát sinh ảnh hưởng nhiều yếu tố vị trí gắn cảm biến, tạp âm nhiễu từ tiếng ồn quạt làm mát, hệ thống bơm dầu… Để khắc phục, cảm biến sợi quang mảnh dày mm, dài 50 mm, rộng 20 mm nghiên cứu công ty QPS để chèn vào khoảng cách cuộn dây bên máy biến áp lực nhằm đo lường trực tiếp rung động cuộn dây vùng tần số từ Hz đến kHz Bài báo giới thiệu kết mô số tương tác lực từ rung động bên máy biến áp lực thực trường đại học Tây Úc (Western Australia), nhận xét từ thử nghiệm trường, thực QPS, trường đại học Manchester, Vương quốc Anh, công ty kỹ thuật tự động hóa Xian E-Sys, Trung Quốc, để kết luận tính ứng dụng khả thi cảm biến việc phát kiểu biến dạng cuộn dây cong oằn (buckling), phình lồi (bulging), ngắn hở mạch, chùng kết cấu khí, thiếu miếng chêm bên cuộn dây (inter-winding seperation) Ngoài ra, cảm biến đặc biệt cịn đo nhiệt 14  tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018 độ điểm nóng cục (hot spot) Đây giải pháp giám sát – chẩn đốn chi phí hiệu để kéo dài tuổi thọ máy biến áp lực I Giới thiệu Gần đây, nguồn lượng tái tạo (gió, mặt trời) phát triển nhanh chóng phạm vi tồn giới nhằm giảm hiệu ứng nhà kính, tình trạng vận hành khơng liên tục dẫn đến nhu cầu cần phải phát triển nguồn điện để có cân lưới Ở Bắc Mỹ, khí đá phiến (shale gas) dư thừa rẻ, cho phép công ty phát điện chuyển sử dụng nguồn lượng sơ cấp từ than đá sang khí Mặt khác, số cơng ty điện lực khác sẵn sàng đầu tư nâng cao độ tin cậy hiệu lưới điện, thông qua việc xây dựng lưới điện truyền tải đại Tuy vậy, đa số chuyên gia thống nhất, điểm mấu chốt lưới điện tin cậy ổn định phụ thuộc lớn vào máy biến áp lực tăng áp (step-up power transformers) Hiện tại, đa số máy biến áp (MBA) có thời gian vận hành từ 30 đến 50 năm tiệm cận đến mốc “tuổi thọ vịng đời”; có nhiều vụ nổ MBA xảy hàng tuần Mỹ Cộng đồng nghiên cứu giới thống nhất, giám sát phóng điện cục (PD – Partial Discharge) dấu hiệu tốt để xác định tuổi thọ lại MBA.Tuy nhiên, cảm biến đo PD chế tạo dựa công nghệ áp điện (piezoelectric) ;chúng có chứa phần dẫn điện khơng thể đưa vào bên MBA nên treo thành vỏ MBA Do chúng làm việc tình trạng cộng hưởng, nên việc thu nhận tín hiệu khơng tốt, khó phán đốn xác mức độ già hóa cách điện MBA Vì vậy, việc dự đốn xác tuổi thọ lại MBA dựa giám sát PD thông qua cảm biến không đảm bảo phép so sánh đáp ứng tần số, trước sau nghi ngờ có cố Tuy nhiên, việc phân tích kết đo khó khăn, MBA khơng hồn tồn giống cách đánh giá chưa tiêu chuẩn hóa, MBA cần phải tháo khỏi lưới điện để thực phép đo, làm gián đoạn vận hành Vì vậy, người ta quan tâm đến giải pháp giám sát rung động, đặc biệt thực bên thùng dầu để có kết xác [4, 6-9] Các nghiên cứu mơ trường đại học Tây Úc [4] phân tích mơ hình rung động (vibration model) cộng hưởng cấu trúc (structural resonance) MBA sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn; theo đó, ứng suất hệ thống khí (clamping pressure) độ chặc (stiffness) làm dịch chuyển vị trí cộng hưởng (resonance peaks), ví dụ chế độ (mode) với tần số 36.7, 48.3, 82.3 115.8 Hz theo minh họa hình II Giải vấn đề Mục tiêu nghiên cứu nhằm gia tăng thời gian vận hành máy biến áp lực tránh phí tổn ngừng cung cấp điện cố tiềm ẩn [1-3] Một báo cáo CIGRE tổng hợp có 41 % cố MBA liên quan đến điều áp tải 19 % có liên quan đến cuộn dây Do đó, giám sát rung động MBA cơng cụ thích hợp, rung động theo thời gian hệ già hóa cách điện hay dấu hiệu xuống cấp hệ thống khí Sự cố ngắn mạch xảy cuộn dây bị chùng, làm tăng dần cường độ rung động Sự dịch chuyển cuộn dây khó phát hiện, cuộn dây bọc ẩn bên thùng dầu Phép thử nghiệm “Phân tích khí hịa tan” (Dissolved Gas Analysis – DGA) đưa kết luận cụ thể, khơng đánh giá quy trình xuống cấp cuộn dây theo thời gian; muốn vậy, cần đo lường trực tiếp rung động để phát biến dạng cuộn dây, gây trình vận chuyển MBA đến cơng trường và/hay xung dịng điện lớn ngắn mạch hay sét đánh [4] Phép thử nghiệm “Phân tích đáp ứng tần số” (Frequency Response Analysis – FRA) [5] ứng dụng để khảo sát chuyển dịch cấu trúc cuộn dây Hình – Các chế độ cộng hưởng khác MBA Các tần số dao động tự nhiên có xu hướng giảm ứng suất hệ thống khí giảm cuộn dây chùng dần, chuyển dịch nhỏ Nếu cảm biến rung động có khả thu thập tín hiệu dãy tần số rộng có độ phân giải tần số tốt phát thay đổi Bài báo giới thiệu công nghệ QPS sử dụng cảm biến rung động nhỏ giới “VibroFibre” để chèn vào khoảng hẹp cuộn dây bên MBA (xem hình 2) Hình – Cảm biến rung động đặc biệt thiết kế bên miếng chêm giấy bìa cứng cách điện cuộn dây tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018  15 III Công nghệ cảm biến đo “VibroFibre” dạng sợi dài Cảm biến VibroFibre nguyên cảm biến dạng khe (cavity sensor) chứa giao thoa kế kép (twin grating interferometer) dựa công nghệ “fiber Bragg grating” (FBG), bố trí cách đoạn d từ mm đến 20 mm, sợi quang đơn tia (single mode fiber), dùng để đo tín hiệu rung động từ cuộn dây máy phát điện công suất lớn, xem hình Hình giới thiệu cách đấu nối cảm biến thiết kế đặc biệt vào miếng chêm cách điện cuộn dây MBA 110 kV, vốn thiết kế tuân theo quy chuẩn sản xuất có thêm tác dụng bảo vệ cảm biến khỏi tác dụng học Việc bố trí khơng ảnh hưởng đến dịng dầu làm mát tuần hồn bên MBA Hình – Cấu trúc cảm biến VibroFiber minh họa vân giao thoa đo [10] Nghiên cứu sau cho thấy, cách nối đoạn sợi quang đơn tia với chiều dài xác định vào khe cộng hưởng quang (Fabry-Perot cavity) hình thành cảm biến rung động Điều làm giảm kích thước cảm biến VibroFibre ban đầu (có sử dụng “diving board” dày mm) sang cấu trúc cần khe cộng hưởng quang mỏng (dày mm, xem hình 4), thích hợp để bố trí vào bên miếng chêm cách điện (spacer) đĩa dây MBA Cấu trúc tạo cảm biến rung động dạng phân bố (distributed vibration sensor), chi tiết xem [10, 11] Hình – Các kích thước cảm biến rung động 16  tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018 Hình – Cách bố trí cảm biến bên miếng chêm cách điện trình sản xuất MBA Nguyên lý làm việc cảm biến sau: nguồn phát tín hiệu laser băng tần hẹp có tần số trung tâm điều hợp bước sóng (wavelength matched) với khe cộng hưởng, sinh thành phần vân giao thoa (interference fringes) Các tác nhân ảnh hưởng rung động nhiệt độ làm dịch chuyển vân giao thoa ghi lại dạng tín hiệu điện áp (xem hình 6a) Theo đó, rung động làm thay đổi (giá trị) thành phần theo chu kỳ, nhiệt độ gây chuyển dịch hay trơi tồn tín hiệu Các tác động tách rời sử dụng kỹ thuật lọc điện sau hiển thị tương ứng Trong trình làm việc, quy trình tự hiệu chuẩn (self calibration routine) dị tìm lại điểm làm việc (operating point), qua gián tiếp xác định nhiệt độ theo thay đổi Dạng tín hiệu “rung động” tuần hoàn tự động tạo dựa giá trị cận, xác định điểm làm việc (xem hình 6a 6b) ghép chồng xếp đồng tâm với lõi thép, phân cách gỗ chêm cách điện Số lượng đĩa cuộn dây sơ thứ cấp phụ thuộc vào quy cách thiết kế, chúng ép chặt ốc bu-lơng (screws) nẹp hệ thống khí gỗ (wooden clamping) Cuộn dây bên thường cuộn dây hạ áp cuộn bên cuộn cao áp Trong hình này, lực xuyên trục (radial forces), dọc trục (axial forces) dòng cố tương tác với từ thông MBA biểu diễn, với lực cố định khí (clamping forces) kết cấu Hình – Đo lường đáp ứng cảm biến: chuyển dịch chuyển vân giao thoa sang tín hiệu điện áp ngõ Hình giới thiệu kết đo thực nghiệm tỷ số tín hiệu nhiễu (signalto-noise ratio) cảm biến vùng tần số từ Hz đến kHz Kết cho thấy cảm biến làm việc tốt ổn định vùng tần số Hình – Cấu trúc khí loại lực phân bố MBA V Phương pháp đo rung động truyền thống Các cảm biến rung động truyền thống thường có phần dẫn điện gắn bên thành vỏ MBA, minh họa hình Do vậy, chúng thường bị tác động nhiễu rung động từ thiết bị ngoại vi gần bơm quạt làm mát, đặc biệt, vị trí cảm biến có ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu thu thập [2, 9] Các nghiên cứu trước cho thấy, tín hiệu rung động thu khác cảm biến gắn phần đỉnh đáy thành vỏ MBA [8] Khi đó, cần phải phân tích tăng cường tín hiệu thu thập miền thời gian, theo [7] để phân loại tình trạng MBA (mới, cũ) Hình 10 giới thiệu kết đo rung động sử dụng cảm biến áp điện gắn thành vỏ MBA; theo đó, tín hiệu ghi nhận MBA cũ (hình 10b) bị méo dạng có nhiều nhiễu, so với MBA (hình 10a) Hình – Đáp ứng tần số cảm biến vùng tần số từ Hz đến kHz IV Kết cấu phần tích cực máy biến áp lực loại lực học Hình mơ tả kết cấu phần tích cực (active part) MBA ba pha điển hình: cuộn dây bao gồm trụ đĩa Hình – Bố trí cảm biến áp điện thành vỏ MBA để đo rung động tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018  17 Hình 10 – Tín hiệu ghi nhận từ cảm biến thường chứa nhiễu bị méo dạng: a) Hình bên trái – cho MBA mới, VI Các thử nghiệm trường Các nghiên cứu liên quan trước cho thấy, rung động bên MBA cách điện dầu có tần số vùng từ 20 Hz đến kHz Để phát tốt rung động này, cảm biến đo phải có băng tần gấp đôi, tức mở rộng đến kHz Kết đo thực nghiệm hình xác nhận tầm đo cảm biến VibroFibre phù hợp Các kết đo trước phối hợp với trường đại học Manchester, Vương quốc Anh, xác nhận cảm biến VibroFibre có đặc tính ưu việt so với cảm biến áp điện truyền thống vùng tần số thấp 20 Hz; chí chúng tơi thử nghiệm xuống tần số giới hạn Hz Các thử nghiệm trường với công ty Xian E-Sys, Trung Quốc, cho phép kết luận, cảm biến lắp đặt đĩa cuộn dây bên MBA để đo rung động biến dạng dọc trục sinh VII Tóm tắt cơng nghệ Cảm biến đo cần phải mảnh để đưa vào cuộn dây bên vỏ thùng MBA Thêm vào đó, dây cáp nối (đến cảm biến) khơng chứa khơng khí, thực theo quy trình sau: sợi quang (từ cảm biến) nằm khe rãnh nối trực tiếp đến cáp nối có bọc bảo vệ (tight buffer patch cord) Cáp nối lại bao phủ ống dạng lò xo PEEK (Polyetheretherketone) để nhà sản xuất đưa “cuộn dây – cáp cảm biến” vào lị nhiệt đến 150 °C, khơng khí loại Quy trình điều chỉnh sử dụng epoxy hay vật liệu ghép khác để cố định sợi quang ống cáp, đúc PEEK để chịu nhiệt độ lên đến 300 °C Các kiểu ống cáp khác thiết kế theo quy trình tương tự để đo lường rung động hướng xuyên tâm qua trục cuộn dây dọc theo lõi thép Thật vậy, cảm biến tương lai chúng tôi, bao gồm biến đo nồng độ ẩm PD vốn cần phải vận hành 18  tin hội ĐIỆN LỰC miền nam - tháng / 2018 b) Hình bên phải – cho MBA cũ bên MBA điều chỉnh chế tạo theo cách Các giải pháp tương tự ứng dụng để giám sát MBA lưới điện phân phối không, thông qua cảm biến rung động quấn xung quanh thùng vỏ MBA Các cảm biến kết nối tới thu thập liệu treo trụ, có cổng truy xuất liệu với chức truy cập từ xa để truyền liệu đo trung tâm qua hệ thống thu thập điều khiển giám sát (Supervisory Control And Data Acquisition – SCADA) Chúng phát triển công nghệ cảm biến để đo thêm thông số quan trọng khác nhiệt độ độ ẩm (cho MBA) rung độ phóng điện máy phát làm mát khơng khí VIII Kết luận hướng phát triển Ngoài ứng dụng giám sát rung động cho MBA máY phát điện, công nghệ cảm biến VibroFibre hướng đến nhiều đối tượng khác đầu sứ, máy cắt điều áp tải Các cảm biến chế tạo từ thủy tinh không bị tác động trường điện từ Chúng có giá thành khơng cao có thời gian vận hành lâu dài Cảm biến đo lường nhiệt độ điểm nóng cục bộ, chức đo rung động cố học liên quan đến cuộn dây hệ thống khí Dựa vào thiết kế tại, chúng tơi hướng đến đến việc giám sát nồng độ ẩm dầu cách điện tuần hoàn ẩm chuyển dịch qua lại dầu, kết cấu khung gỗ giấy cách điện, vốn phụ thuộc vào nhiệt độ vận hành, nhiệt độ môi trường xung quanh chế độ tải Cuối cùng, muốn xây dựng hệ thống giám sát tích hợp tiên tiến dự báo thời gian vận hành lại MBA: vượt giới hạn phép thử nghiệm truyền thống (như phân tích mẫu dầu) lại khơng cần thêm kết đo nhiệt độ vận hành chế độ tải  ... luận, cảm biến lắp đặt đĩa cuộn dây bên MBA để đo rung động biến dạng dọc trục sinh VII Tóm tắt công nghệ Cảm biến đo cần phải mảnh để đưa vào cuộn dây bên vỏ thùng MBA Thêm vào đó, dây cáp nối... đĩa cuộn dây sơ thứ cấp phụ thuộc vào quy cách thiết kế, chúng ép chặt ốc bu-lông (screws) nẹp hệ thống khí gỗ (wooden clamping) Cuộn dây bên thường cuộn dây hạ áp cuộn bên ngồi cuộn cao áp Trong. .. Kết cấu phần tích cực máy biến áp lực loại lực học Hình mơ tả kết cấu phần tích cực (active part) MBA ba pha điển hình: cuộn dây bao gồm trụ đĩa Hình – Bố trí cảm biến áp điện ngồi thành vỏ MBA