CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐÁP ÚNG TẦN SỐ VÀ ỨNG DỤNG
2.1 Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA)
Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA - Frequency Response Analysis) là một dạng phân tích chẩn đoán sự cố điện và cơ trong máy biến áp lực (MBA) dựa trên thí nghiệm về điện và đã được tiêu chuẩn hóa theo CIGRE-2008 [1], IEC 60076-18 [2] và IEEE PC57.149/D9.1 [3],
2.1.1 Các loại sự cố áp dụng FRA
Theo IEC 60076-18 [2], FRA có thể dùng để phát hiện các thay đổi trong những phần hoạt động của đối tượng kiểm tra (như cuộn dây, kết nối và bộ phận lõi). FRA thường dùng để phát hiện việc thay đổi cấu trúc hình học và ngắn mạch trong các cuộn dây. FRA có thể ứng dụng để đánh giá mức độ các sự cố trong MBA như sau:
• Sự cố hay thí nghiệm ngắn mạch dòng lớn
• Sự cố với bộ điều áp
• Sự cố thay đổi cấu trúc cơ khí MBA do vận chuyển hay tác động ngoại lực
Tiêu chuẩn IEEE PC57.149/D9.1 [4] bổ sung thêm rằng FRA có thể ứng dụng để phát hiện các sự cố gây ra thay đổi cấu trúc hình học bên trong MBA, như sự cố dòng lớn (ngắn mạch) trong cuộn dây MBA sinh ra lực điện từ (tỷ lệ với bình phương dòng điện) làm biến dạng cuộn dây MBA (dọc hay ngang trục). FRA còn ứng dụng để phát hiện các sự cố cuộn dây hở mạch, có điện trở tiếp xúc lớn, ngắn mạch giữa có vòng dây....
Phương pháp phân tích đáp ứng tần số là một công cụ chẩn đoán để phát hiện các sự cố và hư hỏng về điện và cơ thể hiện qua sự biến dạng cuộn dây và sự dịch chuyển của mạch từ của MBA. Các nghiên cứu từ các trường hợp thực tế đã cho thấy tính hiệu quả của kỹ thuật này.
2.1.2 Các phép đo đáp ứng tần số
FRA là công cụ mạnh để phát hiện được những vấn đề sự cố về cơ cũng như về điện 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 MBA ở mức tải lớn nhất mà không gây tác hại đến độ tin cậy.
Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 5
Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA) đã được phát triển qua nhiều năm kể từ khi nó được đưa ra từ thập niên 1960. Vào những năm 1970, công ty Ontario Hydro đã đi tiên phong về kỹ thuật đáp ứng tần số bằng cách đưa một tín hiệu dạng sin và đo trực tiếp các đáp ứng tần số. Sau đó lần lượt được các công ty khác nghiên cứu và ứng dụng. Vào những năm 1990, các sản phẩm thương mại đầu tiên ứng dụng thực tế đã được giới thiệu. Hiện tại có một số lượng lớn các công ty dịch vụ thí nghiêm trên thế giới đã và đang sử dụng phương pháp phân tích tần số và phương pháp xung để đánh giá tình trạng và quản lý một số lượng lớn các MBA lực đang vận hành trên lưới điện của mình. Hình
2.1 minh họa nguyên lý của FRA.
Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 6
Một Sơ đồ ví dụ cho mạch đo phân tích đáp ứng tần số được cho bởi IEC 60076-18 [2] thể hiện như sau (hình 2.2):
reference lead c response lead
D eanti LMinectlon
Hình 2.2: Sơ đồ minh họa mạch đo đáp ứng tần số
Có 4 cấu hình đáp ứng tần số cơ bản được thống nhất giữa các tiêu chuẩn đề cập ở trên:
• End-to-end open-circuit (EEOC): đo hở mạch
• End-to-end short-circuit (EESC): đo ngắn mạch
• Capacitive inter-winding (CAP): đo hiệu ứng dung
• Inductive inter-winding (IND): đo hiệu ứng cảm
Hình 2.3 minh họa các kiểu đo như trên áp dụng cho MBA có tổ đấu dây YN-d.
Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng 7
Hình 2.3: cấu hình đo đáp ứng tần số
Mỗi cấu hình đo đều cho các dạng đáp ứng tần số khác nhau về độ lón, dạng và gốc pha.
Trong số 4 cấu hình đo này, người ta thường chỉ sử dụng cấu hình đo hở mạch (biên độ) để chẩn đoán vì các thông số điện trong sơ đồ tương đương MBA (điện cảm, điện dung, điện trở cuộn dây và lõi thép trong tỏng thề MBA) đều có ảnh hưởng đến dạng đáp ứng tần số ở những vùng tần số nhất đỉnh trong khỉ các sơ đồ đo khác chỉ cố ảnh hưởng rõ rệt của tùng thông số riêng biệt.
2.1.3 Nguyên lý phân tích đáp ứng tần số của MBA
Từ các phép đo đáp ứng tần số sẽ thu được kết quả là đường đặc tính của các đáp ứng thu được, sau khỉ phân tích cố thể nhận thấy được những vùng có những thay đổi phụ thuộc vào những dải tần số khác nhau, minh họa đối với 1 MBA tự ngẫu ờ hình 2.4.
Ở dải tần số thấp, thông thường thành phần điện dung của MBA cỏ thề được xem là không đáng kể và đáp ứng là thuần cảm (từ 10 Hz đến 2 kHz ở hình 2.4). Ở các tần số này điện cảm của mạch từ chiếm ưu thế: tong trở lõi sat (core impendance), điện cảm rò (leakage inductance). Có một sự sai lệch đảng kể ở các đáp ứng giữa hai pha bên ngoài (A, C) và pha giữa (B) tại dải tần số này. Điều này là do các đường đi của từ thông trong lõi thép. Pha giữa có hai đường đỉ của từ thông cố từ trở bằng nhau và pha ngoài cố hai đường đi của từ thông cố từ trở khác nhau. Kết quả là các pha ngoài cố hai điểm cộng hưởng so với pha giữa vốn chỉ cố một điểm cộng hưởng. Điều này cũng giải thích về sự khác biệt về biên độ (dB) lúc khởi đầu (xem hình 2.4). Ở dải tần số cao hơn (từ 2 kHz trở đỉ) đáp ứng trông phức tạp vì cỏ rất nhiều đỉểm cộng hường. Ỏ dải tần số này đỉện
a) EEOC b) EESC
c) CAP d) IND
Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng
dung của cuộn dây chiếm ưu thế do tần số (f) tăng làm cho cảm kháng (XL = 2ĩrfL) tăng và dung kháng (Xc = l/(2ạfC)) giảm dẫn đến ảnh hưởng đến dòng điện phân bố trong mạch. Do đó, các đáp ứng của cuộn dây là ít phụ thuộc vào mạch từ, khiến cho kết quả đo khá nhạy cảm với sự biến dạng của cuộn dây. Ở dải tần số cao điện cảm có thể được xem là không đáng kể và có thể bỏ qua, đáp ứng thực tế có tính dung.
Hình 2.4: Kết quả đáp ứng tần số ở các dải tần số khác nhau cho 1 MBA tự ngẫu
Như vậy, đối với MBA khảo sát1 có thể thấy đáp ứng tần số (ĐƯTS) được chia ra 4 vùng như sau:
• Vùng 1 (Core influence), ảnh hưởng của lõi từ, với dải tần số f < 2 kHz. Trong đồ thị đáp ứng này, đáp ứng pha B khác biệt rõ so với hai đáp ứng còn lại, nguyên nhân là do ảnh hưởng của hai pha kế bên trong bộ máy biến áp ba pha
• Vùng 2 (Interaction between windings), vùng tưomg tác giữa các cuộn dây: giữa tần số từ 2 đến 20 kHz, đáp ứng bị ảnh hưởng bởi sự tưomg tác giữa các cuộn dây, như là cách kết nối (Delta, Wye,...), dây trung tính...
• Vùng 3 (Winding structure influence), vùng ảnh hưởng của cấu trúc bên trong cuộn dây: Từ 20 kHz đến 1 MHz, cấu trúc bên trong cuộn dây sẽ ảnh hưởng mạnh mẽ đến đáp ứng tần số. Trong ví dụ này, đồ thị FRA ở vùng 3, quá trình cộng hưởng ít hom và phần lớn giá trị điện dung tăng lên do tần số (í) tăng làm cho cảm kháng (XL = 27ĩfL) tăng và dung kháng (Xc = ỉỉ(27ĩfC)) dẫn đến ảnh hưởng đến dòng điện phân bố trong
1 Đáp ứng tàn số đối với từng MBA khác nhau là khác nhau vì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tổ đấu dây, công suất, điện áp, kiêu dây quấn.
Chương 2: Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số và ứng dụng
mạch ở cuộn HV
• Vùng 4 (Earthing lead influence), ảnh hưởng của việc nối đất với vùng tần số từ 1 MHz trở lên là ảnh hưởng của việc kết nối thiết bị đo và cấu hình đo
Các tiêu chuẩn quốc tế hiện nay đều hướng đến cách chẩn đoán dùng phép so sánh giữa các ĐƯTS trước và sau khi nghi ngờ có sự cố. Như vậy, ĐƯTS của cùng một cuộn dây ở các thời điểm khác nhau (nếu có) hoặc của hai MBA giống nhau hoặc của hai cuộn dây pha (ngoài cùng) sẽ được so sánh với nhau nhằm phát hiện ra loại và mức độ sự cố theo hai cách sau:
• So sánh định tính: Cách so sánh này do chuyên gia thực hiện nên phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm chuyên gia; tuy nhiên, mức độ chẩn đoán thành công tức đưa ra kết luận sau cùng: a) loại sự cố gì và mức độ thế nào? b) liệu MBA có nên cho vận hành tiếp (trong thời gian bao lâu) hay phải sửa chữa liền, thì không đon giản do có quá nhiều thông số ảnh hưởng trực tiếp đến dạng và độ lớn của ĐƯTS như MBA (loại, công suất), cuộn dây (cấu tạo, số lượng), phép đo (sơ đồ, cách thức, đầu cực các cuộn dây để hở/ngắn mạch hay tiếp địa)...
• So sánh định lượng: Tiêu chuẩn DL/T-911 2005 [4] của Trung Quốc là tiêu chuẩn quốc gia duy nhất đề cập đến cách so sánh định lượng hai ĐƯTS bằng cách tính hệ số tương quan của hai ‘tín hiệu’ ĐƯTS trong 3 vùng tần số: thấp (từ 1 kHz đến 100 kHz), trung bình(100 kHz đến 600 kHz) và cao (600 kHz đến 1 MHz). Tuy dựa vào khảo sát hàng trăm MBA có sự cố cơ (thay đổi cấu trúc hình học bên trong), tiêu chuẩn này vẫn chưa được áp dụng rộng rãi mà chỉ để dùng tham khảo vì có quá nhiều thông số ảnh hưởng đến ĐƯTS như đã đề cập ở trên.