Những kinh nghiệm cùng với ứng dụng thực tế trong phân tích đáp ứng tần số quét cho máy biến áp (phần 1)

08/04/2020
csm_FRANEO-800

Alexander Kraetge1*, Michael Krüger1, Juan L. Velásquez1,
Maximilian Heindl², Stefan Tenbohlen²
1OMICRON electronics, Klaus, Austria
²University Stuttgart, Institute of Power Transmission and High Voltage Technology, Stuttgart, Germany
*Email: alexander.kraetge@omicron.at

Tóm tắt:

– Phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA)(1) đã trở thành phương pháp chính xác và hiệu quả để đánh giá sự nguyên vẹn cơ khí của cấu trúc lõi từ, cuộn dây và gông từ trong các máy biến áp bằng cách đo các chức năng dịch chuyển điện của chúng với một dải tần số rộng.
– Bài báo tóm tắt những mặt khác nhau trong ứng dụng thực tế của SFRA. Sau phần giới thiệu ngắn gọn những khái niệm cơ bản về SFRA, đưa ra một cái nhìn tổng quát về phân tích đáp ứng tần số (FRA) từ các tiêu chuẩn và hướng dẫn hiện có. Các nguồn khác nhau của dữ liệu tham khảo và ý nghĩa của chúng sẽ được thảo luận thông qua các ví dụ. Đưa ra những trường hợp không đảm bảo và giới thiệu các phương pháp xử lý. Thảo luận về việc lựa chọn các dạng thí nghiệm cho những phép đo không có dữ liệu tham khảo. Đề cập đến cách xử lý dữ liệu thí nghiệm. Đưa ra một tóm lược các nguyên tắc xuất phát từ một số lượng lớn các phép đo thành công để thiết bị đo đạt được độ lặp lại tốt. Cuối cùng, ứng dụng của SFRA để đánh giá việc vận chuyển được trình bày và đưa ra một ví dụ về phát hiện thành công hỏng hóc do vận chuyển.

1. Giới thiệu

   Sự phi điều tiết của thị trường điện kéo theo tăng áp lực về kinh tế, nó đòi hỏi sự thu gọn trong dịch vụ và giảm thiểu các chi phí dành cho bảo dưỡng. Mặt khác, chúng ta đang đối mặt với các hệ máy biến áp đang lão hóa và già cỗi vận hành với phụ tải tăng cao ở mọi nơi. Bởi vậy, về tổng thể, việc phân tích tình trạng của MBA càng trở nên cần thiết, đặc biệt với các máy biến áp quan trọng chiến lược hoặc có nguy cơ đặc biệt. Trong những năm gần đây, trên thế giới đã có những bước phát triển kỹ thuật nhanh chóng về các phương diện của phép đo, thu nhận và phân tích tín hiệu. SFRA thành ra một phương pháp hiệu quả, không gây phá hủy và chính xác để đánh giá sự nguyên vẹn cơ khí của các cấu trúc lõi từ, cuộn dây và gông từ trong các máy biến áp bằng cách đo các chức năng dịch chuyển điện của chúng bằng dải tần số rộng. Phương pháp này được thực hiện bằng cách đưa một tín hiệu điện áp thấp với tần số thay đổi vào một đầu của cuộn dây máy biến áp và đo tín hiệu đáp ứng trên đầu dây khác. Điều này được tiến hành trên tất cả các cuộn dây có thể tiếp cận được theo như hướng dẫn. Sự so sánh giữa các tín hiệu đầu vào và đầu ra tạo nên một đáp ứng tần số có thể được so sánh với các dữ liệu tham khảo(2).

Kết cấu lõi từ và cuộn dây của các máy biến áp có thể được xem như là một mạng điện tổ hợp của các điện trở, độ tự cảm (self-inductances), các điện dung đối với đất (ground capacitances), các điện cảm ghép (coupling inductances) và chuỗi các điện dung (series capacitances) như ở trong hình 1. Đáp ứng tần số của một mạng lưới như vậy là duy nhất và, vì thế nó được xem như là dấu vân tay(3) vậy.

Hình 1: Nguyên lý hoạt động của SFRA (trái) và giản đồ đặc tính mạng thành phần động của một máy biến áp (phải)
Hình 1: Nguyên lý hoạt động của SFRA (trái) và giản đồ đặc tính mạng thành phần động của một máy biến áp (phải)

Các thay đổi kết cấu hình học trong và giữa các phần tử của mạng sẽ gây sự sai khác trong đáp ứng tần số. Sự khác nhau giữa một vân tay FRA và kết quả của một phép đo thực tế là sự biểu thị các thay đổi về vị trí hoặc về điện của các phần tử bên trong. Các kiểu lỗi khác nhau ảnh hưởng đến các phần khác nhau của dải tần số và thường có thể được thấy rõ từ mỗi phần khác. Những kinh nghiệm thực tế cũng như các nghiên cứu khoa học cho thấy rằng, hiện nay không có một phương pháp thí nghiệm chẩn đoán nào khác có thể đem lại một lượng thông tin đáng tin cậy như vậy về tình trạng cơ khí của các thành phần động trong máy

2. Các tiêu chuẩn và hướng dẫn

   Tiêu chuẩn bắt buộc đầu tiên trên thế giới đã được đưa ra vào ngày 01-06-2005 tại Trung Quốc. Tiêu chuẩn này, tên là DL 911/2004(4), chỉ qui định cho các phép đo SFRA, cho thấy các phép đo phân tích đáp ứng tần số xung (Impulse- FRA – IFRA) không phổ biến ở Trung Quốc. Tiêu chuẩn bao gồm các mục gồm có nguyên lý thí nghiệm, các yêu cầu cho thiết bị thí nghiệm, các phương pháp thí nghiệm và phân tích kết quả. Tiêu chuẩn chỉ đề cập đến các phép đo End to End cuộn dây hở mạch (xem hình 12) và với những trường hợp cho cuộn dây nối sao, tiêu chuẩn yêu cầu đưa tín hiệu vào đầu trung tính và đo đáp ứng ở đầu dây pha. Tiêu chuẩn đánh giá trong dải tần số từ 1 kHz đến 1 MHz và là duy nhất trong đó đưa ra quy tắc toán học về việc làm thế nào để đánh giá kết quả thí nghiệm dựa vào tính toán của các đồng biến (hoặc hiệp phương sai – co-variances).

Hai ví dụ sau sẽ trình bày ứng dụng của đánh giá này. Đầu tiên, so sánh các pha cao áp phía ngoài của một máy biến áp (40 MVA) có tuổi là 36 năm sau đại tu (hình 2 bên trái). Cả hai đường quét tần số đều cho thấy sự đồng đẳng (trùng khít) phản ánh đúng với tình trạng cuộn dây đã biết. Đánh giá theo tiêu chuẩn Trung Quốc cũng khẳng định kết quả này (màu xanh lá cây). Ví dụ thứ hai ở bên phải cho thấy các kết quả thí nghiệm cuộn dây HV (pha giữa) của hai máy biến áp cùng một kiểu có công suất 63 MVA. Một máy được phát hiện lỗi khi thí nghiệm điện môi. Lý do được đưa ra là bị ngắn mạch các vòng dây, điều này được hiển thị rõ ràng trong phép đo SFRA và được được khẳng định bằng đánh giá theo tiêu chuẩn Trung Quốc (màu đỏ – chỉ thị sự cố nghiêm trọng).

Hình 2: Công cụ đánh giá xác nhận tình trạng tốt (trái); lỗi được xác định rõ ràng bởi công cụ đánh giá (phải)
Hình 2: Công cụ đánh giá xác nhận tình trạng tốt (trái); lỗi được xác định rõ ràng bởi công cụ đánh giá (phải)

Năm 2002 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) đã thành lập 1 tổ nghiên cứu các nhiệm vụ (Task Force) liên quan đến FRA và đưa lên thành nhóm làm việc (WG) thành lập vào năm 2004. Phạm vi của WG này, gọi là PC 57.149, là tạo ra một hướng dẫn để ứng dụng và diễn giải FRA cho các máy biến áp dầu. Cũng như tiêu chuẩn của Trung Quốc, IEEE sẽ khuyến cáo một hệ thống thử nghiệm ba chỉ dẫn về “nguồn”, “tham khảo” và “phép đo”. Điều này phù hợp với các hiểu biết khoa học chung và được trợ giúp bởi tất cả các nhà sản xuất thiết bị thí nghiệm SFRA. Bản hướng dẫn sơ thảo của IEEE đề xuất các thí nghiệm bổ sung đã được khuyến nghị bởi DL 911/2004. Hướng dẫn nháp này cũng đưa ra trợ giúp bằng cách cung cấp cách đánh giá đường quét dựa vào thuật toán với những hệ số tương quan đường chéo, mặc dù vậy, lưu ý rằng nó không được trù tính để khuyến cáo các kết quả giới hạn được tìm thấy trong DL 911/2004. Hướng dẫn IEEE cho thí nghiệm FRA các máy biến áp lực(5) có thể được ban hành vào cuối năm 2010 (thực tế thì hướng dẫn này đã được ban hành vào tháng 4/2012, ND) và sẽ là một bước tiến cho người sử dụng hiện thời và trong tương lai về công nghệ này. Có thể tìm thấy nhiều thông tin hơn trên trang nhà của ủy ban máy biến áp: https://www.transformerscommittee.org/

Ủy ban nghiên cứu Cigré (SC) A2-Transformers – quyết định thành lập một WG cho ứng dụng của FRA trên máy biến áp vào năm 2003. WG A2/26 này với tiêu đề “Đánh giá tình trạng cơ khí của cuộn dây máy biến áp sử dụng FRA” bắt đầu công việc vào năm 2004 và kết thúc bằng ban hành báo cáo số 342 của Cigré vào tháng 4 năm 2008. Trong thời gian này, bên cạnh các cuộc họp thường xuyên WG còn tổ chức 02 hội thảo về thí nghiệm FRA. Trong thời gian diễn ra hội thảo, một số lượng lớn các nghiên cứu thực thế đã được trình bày, mang lại những hiểu biết hơn về sự khác nhau trong thực nghiệm FRA. Thông tin thêm về chủ đề này trong trang chủ của Cigré A2: http://www.cigre-a2.org/

Cuối cùng, ủy ban kỹ thuật điện IEC dự định thành lập một WG trong năm 2009 để phát triển một tiêu chuẩn cho thí nghiệm FRA cho đến năm 2011(5)

3. Các mặt thực nghiệm của thí nghiệm SFRA

   SFRA là một phương pháp đo so sánh. Điều này có nghĩa là các kết quả của thí nghiệm thực tế – thường là tập hợp của các đường cong (biên độ bằng dB trên dải tần thí nghiệm – mainly the amplitude in dB’s over the frequency) miêu tả riêng rẽ tất cả các cuộn dây của máy biến áp và so sánh với dữ liệu tham khảo hay dữ liệu cơ sở. Ba phương pháp(6) được sử dụng phổ biến để đánh giá các đường quét đo được là:

  • Dựa vào thời gian (các kết quả FRA hiện tại sẽ được so sánh với các kết quả đo có trước cho cùng một máy)
  • Dựa vào kiểu (FRA của một máy biến áp sẽ được so sánh với máy khác có cùng thiết kế)
  • So sánh pha (các kết quả FRA của một pha sẽ được so sánh với các kết quả của các pha khác của cùng một máy biến áp)

Theo đó, bước đầu tiên trước một phép đo là trả lời câu hỏi: Có sẵn dữ liệu tham khảo không? Nếu các phép đo FRA được thực hiện cho máy biến áp này trong quá khứ, các kết quả của phép đo nên được nạp vào phần mềm của thiết bị đo FRA hiện có và sẽ được phân tích trước cho thí nghiệm đã định làm. Theo đó, nên kiểm tra số liệu sẵn có để có sự dẫn chứng bằng tài liệu chính xác và thống nhất. Một nhân tố thiết yếu của dẫn chứng bằng tài liệu là cách nắm bắt các cách đấu nối. Từ quan điểm thực tiễn, đó là cách làm tốt nhất để lưu trữ những đặc điểm đấu nối được chụp lại cùng với dữ liệu phép đo. Đây là trợ giúp quan trọng để có thể đạt được độ lặp lại cao nhất khi thực hiện lại phép đo tương tự.

Nếu dữ liệu có chất lượng đáng tin cậy, việc phân tích cho phép người thí nghiệm có được hình dung về “các kết quả mong đợi” cần thiết để tránh các sai lỗi của phép đo. Đối với thí nghiệm đã được lên kế hoạch, các phép đo tương tự trong các điều kiện tương tự (ví dụ: vị trí của bộ điều áp) phải được dự tính trước. Theo nguyên nhân từ thí nghiệm thực tế, các phép đo bổ sung có thể đem lại giá trị vì các loại khác nhau của phép đo SFRA là phù hợp nhất cho các nghiên cứu khác nhau. Các quyết định này sẽ được làm rõ trước khi bắt đầu các phép đo vì áp lực thời gian thường là một trong những vấn đề hay gặp nhất trong quá trình thí nghiệm máy biến áp. Hình 03 cho thấy một ví dụ về so sánh dựa theo thời gian cho một máy biến áp 8 MVA (đều cho phía HV pha 3). Đặc tuyến màu đen được đo vào tháng 04/2006, màu đỏ vào tháng 5/2007 trong khi đó màu xanh da trời làm vào tháng 8/2008.

Hình 3: So sánh dựa vào thời gian: Ba thí nghiệm cho cùng một pha vào Tháng 4/2006 và tháng 11/2008
Hình 3: So sánh dựa vào thời gian: Ba thí nghiệm cho cùng một pha vào Tháng 4/2006 và tháng 11/2008

Vùng lõi từ phía dưới một kHz cho thấy các chênh lệch vì các cấp khác nhau của từ dư lõi từ là hiển nhiên. Cho các tần số từ 1kHz đến 1,5 kHz các thí nghiệm có sự đồng dạng tốt là sự biểu thị cho kết cấu hình học không thay đổi bên trong máy biến áp và do vậy cho tình trạng tốt của cuộn dây đã thí nghiệm, vì rằng thí nghiệm đầu tiên được thực hiện trên pha cũng ở trình trạng tốt. Đây là trường hợp cho máy biến áp này.

Nếu không có dữ liệu lịch sử liên quan đến máy biến áp hiện có, sử dụng dữ liệu SFRA từ các máy biến áp cùng loại (7) là phổ biến và hữu ích nhất. Cách nắm bắt dữ liệu tương tự như đã miêu tả cho so sánh dựa vào thời gian. Tuy nhiên, các chênh lệch thứ yếu giữa các đặc tuyến của các máy biến áp cùng loại thông thường không thể được loại trừ. Hình 4 giới thiệu một ví dụ cho so sánh dựa vào kiểu điển hình của 02 máy biến áp 30 MVA. Nhìn tổng quát lên dữ liệu của các cuộn dây HV, ta thấy rằng các đặc tuyến liên quan (cùng màu cho từng pha) tương ứng tốt với nhau. Cho rằng 2 máy biến áp có cùng đúng một kiểu lỗi cơ  khí là không thể xảy ra, độ đồng dạng tốt của các kết quả biểu thị tình trạng bình thường của cả 2 máy biến áp.

Hình 4: So sánh dựa theo kiểu: Các pha HV của 02 máy biến áp cùng loại phản ánh sự đồng dạng tốt (trái), hình bên phải là phóng to ở tần số 3kHz-200 kHz
Hình 4: So sánh dựa theo kiểu: Các pha HV của 02 máy biến áp cùng loại phản ánh sự đồng dạng tốt (trái), hình bên phải là phóng to ở tần số 3kHz-200 kHz

Tuy nhiên, 1 điểm quan trọng cần lưu ý là không phải trong tất cả các trường hợp, việc thí nghiệm các máy biến áp được xác định là giống nhau đều cho kết quả là các đường đáp ứng tần số (quét) giống nhau. Một ví dụ cho các kết quả SFRA khác nhau (20Hz-2MHz), trên các máy biến áp nâng áp đơn pha giống nhau có công suất 60 MVA được đưa ra trong hình 5. Mặc dù thực tế là các máy đều có hình dạng tốt nhưng các kết quả SFRA không trùng khít. Phần bên trái của hình 5 cho thấy vùng đã được phóng to của sự không đồng dạng ở dải tần từ 5 kHz đến 550 kHz. Rõ ràng là thiết kế cuộn dây đã được thay đổi trong quá trình sản xuất tại nhà máy cho loạt các máy biến áp này. Giả định này được nhà sản xuất xác nhận.

hình 5
Hình 5: So sánh dựa trên kiểu: Đáp ứng của cuộn dây HV của 10 MBA cùng loại cho thấy các kết quả không đồng dạng.

Trường hợp trên cho thấy rằng một so sánh dựa trên kiểu dẫn đến các kết quả không khớp của SFRA, tức là không nhất thiết rằng một hoặc cả hai máy biến áp đều bị hư hỏng. Nếu như không có dữ liệu tham khảo, tập hợp các thí nghiệm sẽ được lên kế hoạch theo các hướng dẫn quốc tế và so với các mục đích của phép thử (dấu vân tay, điều tra sự cố, đánh giá quá trình vận chuyển…). Phép đo phổ biến nhất là thử nghiệm các đầu dây với tất cả các đầu không thử được để hở. Những đặc tuyến này chứa đựng nhiều thông tin nhất về lõi từ và cuộn dây, và do đó là các kiểu thí nghiệm quan trọng và phổ biến nhất. Phần bên trái của hình 6 cho thấy sơ đồ nguyên lý của phép đo này. Trong trường hợp này kênh đo đáp ứng được nối với một trong các pha đấu hình sao. Cũng có thể sử dụng chiều ngược lại  (tín hiệu đưa vào pha và phép đo trên đầu trung tính) nhưng cả hai chiều không được lẫn vào nhau. Trên hình phải, cho thấy thử nghiệm các đầu dây với một đấu nối ngắn mạch của các cuộn dây tương ứng. Điều này loại trừ ảnh hưởng lõi từ (điện cảm từ hóa) và thay vào đặc điểm của nó là từ thông tản. Ở các tần số cao, thông tin tiêu biểu cho chính cấu trúc cuộn dây, cả hai kiểu thí nghiệm đầu dây cho các kết quả giống nhau. Thông thường trung tính của cuộn dây LV không được đấu với điểm ngắn mạch.

hình 6
Hình 6: Nguyên lý của các thí nghiệm đầu dây (end to end test)

Các thí nghiệm khác có thể là thí nghiệm liên cuộn dây có tính điện dung (hình 7), hoặc thí nghiệm không phổ biến là: liên cuộn dây có tính điện cảm. Các phép đo liên cuộn dây có tính điện dung có vẻ hứa hẹn bởi độ nhạy cao trong việc loại trừ các biến dạng hướng tâm. Thí nghiệm liên cuộn dây có tính điện cảm là bổ sung cho thí nghiệm tỉ số vòng dây (TTR) trong dải tần số thấp. Tuy nhiên, sự lựa chọn các kiểu thí nghiệm để thực hiện cũng là một vấn đề của thời gian thí nghiệm. Để xác định các cấu hình quét, nó được chứng minh rằng một dải tần từ 20 Hz đến 2 MHz thường được sử dụng hiệu quả. Để sử dụng hiệu quả hơn nữa dữ liệu thực tế như các tham khảo cho các phép đo tương lai, nên đề cập lại rằng dẫn chứng bằng tài liệu chính xác là cần thiết cho các phép đo SFRA.

hình 7
Hình 7: Nguyên lý của các thí nghiệm liên cuộn dây – có tính điện dung (trái) và có tính điện cảm (phải)

 

Không có dữ liệu tham khảo, là thông lệ để so sánh các pha của một máy biến áp dựa vào mỗi pha khác. Đối với máy biến áp 3 pha, phải chú ý rằng lõi ở giữa không giống các pha phía ngoài trong vùng lõi từ (đến vài kHz) cũng như ở các vùng tần số cao hơn liên quan đến cấu trúc cuộn dây được thử nghiệm. Một ví dụ ở hình 8 cho thấy các đáp ứng cuộn dây HV của một máy biến áp đơn pha dùng cho máy phát (GSU) với công suất 350 MVA. Có thể thấy rằng pha ở giữa (đặc tuyến màu xanh lá) trệch hướng không đáng kể với các pha khác (đen và đỏ). Dù rõ ràng là các cộng hưởng và chống cộng hưởng là đều nhau, điều đó chỉ thị tình trạng tốt của các cuộn dây. Theo như các tác giả tìm ra được bằng kinh nghiệm, xấp xỉ 60% các thí nghiệm SFRA có thể được đánh giá dựa theo các so sánh pha. Nhưng cũng phải chú ý rằng các cuộn dây bình thường có thể không tương quan tốt, tùy theo thiết kế của cuộn dây. Các trường hợp nghiên cứu sâu hơn được yêu cầu. Có thể ước lượng được rằng xấp xỉ 90% các phép đo SFRA có thể được đánh giá mà không có dữ liệu vân tay của đối tượng thử nghiệm. Trong hình 8 bên phải đưa ra một ví dụ cho máy 63 MVA mới. Các cuộn dây HV cho thấy các đáp ứng cuộn dây khác nhau mặc dù có thể kiểm tra được máy đang trong tình trạng không hỏng hóc. Trong hầu hết các tình huống cho các cuộn dây HV, loại hiệu ứng này là để được theo dõi trên cuộn dây LV hoặc cuộn dây thứ ba.

hình 8
Hình 8: So sánh pha của cuộn dây HV trong tình trạng bình thường với độ đồng đều tốt (trái) và các kết quả phù hợp (trái)

Xin mời quý bạn đọc theo dõi tiếp bài viết tại:

Những kinh nghiệm cùng với ứng dụng thực tế trong phân tích đáp ứng tần số quét cho máy biến áp (phần 2)

 

This entry was posted in . Bookmark the permalink.
024 6683 0230

Send us
an Email

Contact