Máy biến áp lực là một trong những mắt xích đắt tiền nhất giữa phần phát điện và phụ tải trong Hệ thống điện. Một phần tử quan trọng nhất của Máy biến áp lực là bộ điều áp dưới tải (OLTC). Như tên gọi của nó, OLTC cho phép chuyển nấc (phân áp) để điều chỉnh điện áp mà không làm ngắt dòng điện tải. Quá trình này có thể được hoàn thành bằng nhiều cách khác nhau, dẫn đến việc đa dạng hóa đáng kể các thiết kế của bộ chuyển nấc. Hai loại chuyển nấc phổ biến nhất được gọi là Bộ chuyển nấc loại điện cảm (inductive tap changers) và loại điện trở (resistive tap changers).

Nghiên cứu, như Hình 1, cho thấy rằng 30% các sự cố dẫn đến mất điện của các Máy biến áp liên quan đến các ảnh hưởng do lão hóa OLTC. Do tỉ lệ sự cố rất lớn, nên việc giám sát tình trạng  OLTC của máy biến áp lực một cách kỹ lưỡng là rất quan trọng. Không giống như các phần tử tĩnh khác trong máy biến áp, OLTC bao gồm nhiều thành phần chuyển động. Các nhà chế tạo thường khuyến cáo bảo dưỡng định kỳ dựa trên tổng số lần thao tác chuyển mạch.

1. Các loại OLTC

Để phân tích và đánh giá phép đo điện trở động (DRM) một cách chính xác, việc quan trọng là hiểu rõ cấu trúc và kiểu của OLTC. OLTC có 02 công nghệ phổ biến trên thị trường. Loại điện cảm, thường được sử dụng ở Bắc Mỹ cho phía hạ áp, và loại điện trở, thường được dùng ở các nước còn lại cho phía cao áp.

Bài báo này chú trọng vào bộ chuyển nấc kiểu điện trở. Về tổng thể thì bộ chuyển nấc kiểu điện trở có 02 loại: Kiểu Dao chuyển hướng (Diverter switch) và Dao lựa chọn (Selector switch) như trong hình 2 và 3.

Loại Dao chuyển hướng có 02 phần: một bộ lựa chọn phân nấc ở trên đỉnh để lựa chọn nấc tiếp theo trong phạm vi thùng máy chính, và một Dao chuyển hướng ở dưới đáy để chuyển dòng tải với bình dầu riêng. Đối với loại này, lựa chọn phân nấc được chuyển mạch trước Dao chuyển hướng, và hầu hết được dùng trong Máy biến áp có công suất định mức lớn. Loại Dao lựa chọn kết hợp chức năng của Dao chuyển hướng và bộ lựa chọn phân nấc, trong bình dầu riêng, cách biệt với thùng dầu chính của Máy biến áp.

2. Phương pháp phổ biến để thử nghiệm OLTC

Các bộ OLTC của Máy biến áp lực vì có tần suất sự cố cao nên cần được giám sát tình trạng chặt chẽ. Các phương pháp sau được sử dụng như là cơ sở để phân tích:

• Đo điện trở tĩnh cuộn dây cho từng phân nấc riêng biệt (offline)

Phép đo điện trở tĩnh cuộn dây là một công cụ đo đạc phân tích rất quan trọng và cũng là phương pháp thí nghiệm phổ biến nhất . Một phép đo điện trở tĩnh truyền thống có thể sử dụng để kiểm tra cuộn dây cũng như mọi đấu nối bên trong, như đấu nối từ Sứ và các tiếp điểm chuyển động của bộ điều áp đến cuộn dây, đến các tiếp điểm của bộ lựa chọn phân nấc và các tiếp điểm chính của Dao chuyển hướng. Có thể đánh giá bằng cách so sánh kết quả với báo cáo của nhà sản xuất hoặc bởi tính toán độ lệch từ giá trị trung bình của cả 3 pha. ­­­­­­­­

• Các phép đo Dao động âm thanh bằng cách sử dụng Cảm biến gia tốc (offline/online)

Phương pháp Dao động âm thanh được dùng để phát hiện các tín hiệu âm thanh gây nên bởi chuyển động cơ khí. Hồ sơ bản ghi, với dải đo đến 10 seconds trong miền thời gian và trong khoảng từ 10-100 kHz ở miền tần số, được so sánh với hồ sơ mẫu để xác định chắc chắn các dạng sự cố.

• Phép đo mô-men và vị trí trên chuyển động quay (offline/online)

Cơ cấu truyền động của OLTC, gồm có một motor, cần chuyển động và bánh răng, điều khiển Dao lựa chọn khi lên cót lò xo để dẫn động Dao lựa chọn hoặc Dao chuyển hướng tương ứng. Phép đo mô-men và vị trí sử dụng các thông số cấp cho động cơ (dòng điện và điện áp) để xác định các sự cố và lão hóa cơ khí của cơ cấu truyền động. Kết quả có thể được so sánh với hồ sơ mẫu hoặc giữa các phân nấc.

• Phân tích khí hòa tan (DGA) trong dầu của buồng chuyển nấc (offline/online)

DGA trong buồng OLTC ngày càng trở nên phổ biến. Trong quá trình chuyển mạch của một OLTC, sự phóng điện và gia nhiệt xuất hiện và nói chung làm hàm lượng các khí trong buồng chuyển nấc tăng lên so với thùng dầu chính, trong điều kiện vận hành bình thường. Vì thế việc diễn giải các mức độ khí (hòa tan) khác nhau đáng kể với việc diễn giải mức độ khí (hòa tan) thu được từ thùng dầu chính của Máy biến áp lực. [4]

Mỗi phương pháp đo đều quan trọng để phân tích tình trạng của OLTC.

Bảng 1. Các phương pháp phổ biến để thí nghiệm OLTC

Phương pháp đo	Ứng dụng/mục đích	Sự cố (tương ứng)
Điện trở tĩnh của cuộn dây	Kiểm tra cuộn dây cũng như các đấu nối bên trong	Mài mòn tiếp điểm, chệch tiếp điểm
Dao động âm thanh	Phát hiện tín hiệu âm thanh gây nên bởi chuyển động cơ khí	Liên kết        /bánh răng, Thời gian/tính liên tục, thứ tự các tiếp điểm (contacts alignment), hồ quang, quá nhiệt/cốc hóa, hao mòn tiếp điểm, sự chuyển tiếp
Mô-men và vị trí	Phát hiện sự cố và lão hóa do cơ khí của cơ cấu truyền động	Liên kết        /bánh răng, điều khiển/relays, động cơ, bộ hãm, dầu bôi trơn, thứ tự tiếp điểm
Phân tích khí hòa tan	Phát hiện nồng độ khí cao hơn trong khoang chuyển nấc	Hồ quang, phát nhiệt/cốc hóa (coking)
Điện trở động (DR)	Đo quá trình chuyển mạch nhanh của Dao chuyển hướng	Thời gian/tính liên tục, mài mòn tiếp điểm, sự chuyển tiếp

2.1. Đo điện trở động

Thời gian chuyển mạch điển hình của Dao chuyển hướng hoặc Dao lựa chọn nằm trong khoảng từ 40 đến 60 ms, dẫn đến khó khăn trong việc phát hiện bất kỳ ảnh hưởng nào của quá trình chuyển mạch khi sử dụng phép đo điện trở tĩnh cuộn dây – một hạng mục đo mất vài phút. Bởi vậy nguyên lý đo điện trở động (DRM) được phát triển như là một phương pháp chẩn đoán bổ sung cho đặc tính này.

Sử dụng cùng một cách đấu nối, phép đo điện trở động đo quá trình chuyển mạch nhanh của Dao chuyển hướng. Khi đo điện trở động các tiếp điểm hồ quang, thời gian chuyển mạch của Dao chuyển hướng và thời gian gián đoạn chuyển mạch, ví dụ như khi điện trở luân chuyển bị hỏng, hoặc các đầu dây bị hỏng, sự mài mòn hoàn toàn tiếp điểm của các tiếp điểm có thể được phát hiện. Bởi vậy, DRM đem lại cái nhìn sâu hơn về tình trạng phần động của OLTC. Bằng việc phân tích các bản ghi, có thể đưa ra được một số kết luận liên quan đến tình trạng của OLTC. Có 03 cách khác nhau để hiển thị đặc tính động của Dao chuyển hướng. Ta chỉ phân tích sâu về đặc tuyến dòng trong bài viết này.

• Đặc tuyến dòng
• Đặc tuyến áp
• Đặc tuyến điện trở

Đặc tuyến dòng

Đặc tuyến dòng như trong Hình 4b, là một cách phổ biến để giải thích các phép đo DRM, vì nó cho phép xác định sự gián đoạn dòng điện trong quá trình chuyển mạch một cách dễ dàng. Bằng cách đấu ngắn mạch phía còn lại của Máy biến áp, tín hiệu dòng trở nên nhạy hơn, vì độ giảm dòng (độ gợn) tăng lên như thể hiện trong Hình 7 và 8. Đây là kết quả ở một thời điểm tức thời thấp hơn do ngắn mạch phần điện cảm chính. Một phép so sánh trực tiếp tín hiệu dòng – khi đo bằng các thiết bị thí nghiệm khác nhau – là khó thực hiện, vì độ gợn phụ thuộc vào đặc tính động của nguồn dòng cấp vào. Nhưng nguyên lý và các giai đoạn khác nhau của quá trình chuyển mạch luôn không đổi, không phụ thuộc vào các thông số nguồn.

 

Đặc tuyến điện áp

Khác với tín hiệu dòng, đặc tính động cũng có thể được đánh giá bằng cách sử dụng đặc tuyến điện áp hoặc điện trở. Bằng cách đưa một dòng điện DC như trong hình 5, thu được bản ghi tín hiệu điện áp hiển thị trong hình 6A. Khi dùng đặc tuyến điện áp, cốt yếu là phải chắc chắn rằng tín hiệu áp không được mất bởi bộ hạn chế điện áp của nguồn, vì nếu vậy sẽ khó để phân tích tín hiệu. Ngoài ra khi mất áp, các tín hiệu quá độ như trong ví dụ ở Hình 6A giữa quá trình 1 và 2 sẽ không thấy rõ được như khi điện áp đạt được giá trị tới hạn. Tương tự như đặc tuyến dòng, so sánh trực tiếp các đặc tuyến đo được là không thể, khi sử dụng các thiết bị đo khác nhau.

Đặc tuyến điện trở

Đặc tuyến điện trở, như thấy trong Hình 6B, không thể đo một cách trực tiếp, nhưng tính toán được từ dòng và áp đo được dựa vào cách đấu nối trong Hình 5. Để giảm hằng số thời gian (trong mạch R/L ⁽¹⁾, ND) của hệ thống, nên nối ngắn mạch các đầu dây còn lại của Máy biến áp. Hơn nữa, một điện kháng rò lớn có thể gây nên một điện áp cảm ứng đáng kể, điện áp này không thể tách ra được từ thành phần điện áp thuần trở khi dùng sơ đồ trong Hình 5. Để làm cân bằng ảnh hưởng này, một phương pháp để xác định thành phần điện cảm của điện áp bằng các đo đồng thời điện áp trên phía cuộn dây còn lại đã được giới thiệu vài năm trước [6].

Đặc tuyến điện trở có ưu điểm lớn vì nó độc lập với nguồn dòng điện được sử dụng. Một ưu điểm nữa là giá trị của các điện trở luân chuyển có thể xác định được một cách trực tiếp. Vì điện áp cảm ứng ở phía cuộn thứ cấp có thể rất lớn, nên cần thiết một bộ phận bảo vệ đặc biệt cho thiết bị thử nghiệm.

Vì đặc tuyến dòng hiện nay được sử dụng phổ biến để thực hiện phép đo DRM, phần tiếp sau đây sẽ tập trung chi tiết hơn vào phương pháp này.

2.2. Phân tích kết quả đo

Dựa vào các phương pháp thí nghiệm không xâm nhập (non-invasive), các sự cố có thể được phát hiện mà không cần mở buồng OLTC. Loại và cấu trúc của OLTC phải được hiểu rõ để phân tích và đánh giá phép đo DRM một cách chính xác nhất. Để cho phép phân tích hiệu quả, nên lấy một phép đo “dấu vân tay” tham khảo sau khi chạy thử hoặc khi Dao chuyển hướng được biết là ở điều kiện tốt.

Dựa vào 02 loại thông tin có thể giải thích khi nhìn vào số liệu đặc tuyến dòng:

– Biên độ:

Điện trở chuyển tiếp gây ra dòng điện thay đổi trong quá trình chuyển mạch. Hơn nữa, điện trở tiếp điểm, sự dịch chuyển và gián đoạn tiếp điểm, điện cảm cuộn dây, hồ quang và dao động của các tiếp điểm có thể ảnh hưởng lên biên độ

– Khoảng thời gian:

Những thay đổi về khoảng thời gian có thể chỉ ra các sự cố về cơ khí, quá mài mòn tiếp điểm hoặc dao động tiếp điểm. Sự chênh lệch có thể chấp nhận được sẽ phụ thuộc phần lớn vào kiểu và thiết kế của OLTC.

2.3. Các sai lệch trong kết quả điện trở động

2.3.1. Chọn dòng điện thí nghiệm chính xác

Khi đo điện trở tĩnh, dòng điện thí nghiệm nhỏ hơn trong dải vài amperes được ưu tiên, đặc biệt cho cuộn dây HV [7]. Mặc dù thí nghiệm cho cuộn dây LV điện cảm nhỏ có thể yêu cầu dòng điện thí nghiệm trong dải từ 10-20 A, khuyến cáo là dòng điện thí nghiệm không được vượt quá 15% dòng định mức. Dòng điện lớn có thể gây nóng cuộn dây. Vì phép đo điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ nên điều này có thể gây nên sự không chính xác đối với điện trở đo được. Về tổng thể thì các chú ý này cũng được áp dụng cho các phép đo DRM, bao gồm những điều sau:

Dòng điện thí nghiệm dưới 3A hoặc 1A nhạy hơn đối với loại sự cố dao động tiếp điểm, nó có thể làm sai lệch các diễn giải về kết quả. Một ảnh hưởng phổ biến có thể được quan sát đó là lớp dầu kết tủa bám vào tiếp điểm gây nên sự gián đoạn dòng điện ở một vài thời điểm trong quá trình thí nghiệm. Dầu kết tủa thường được coi là vô hại khi OLTC hoạt động ở chế độ tải bình thường. Các dòng điện thí nghiệm trong dải này có thể có khả năng chỉ ra các ảnh hưởng của lão hóa như là hiện tượng coking (hiện tượng cốc hóa – sự phân hủy các chất cặn của dầu sang các đứt gãy thấp hơn, ND) ở các bậc thấp hơn, nhưng các ưu điểm này vẫn còn phải được nghiên cứu thêm bằng cách tập hợp các case studies (trường hợp điển hình) bổ sung.

Dòng điện thí nghiệm cao hơn ở trong dải từ 3-5 A, trong đa số trường hợp, là đủ để đạt được một phép đo ổn định trong quá trình chuyển mạch. Những gián đoạn nhỏ trong các trường hợp này, ví dụ như do lớp dầu trên tiếp điểm không ảnh hưởng đến kết quả đo. Các thí nghiệm ngoài hiện trường không đưa ra bất kỳ sự khác nhau nào khi tăng dòng thêm đến 10A hoặc 15A.

2.3.2. Nối ngắn mạch phía thứ cấp

Nối ngắn mạch phía sơ cấp của Máy biến áp có 02 ảnh hưởng tích cực. Một trong đó là nếu dòng điện trong quá trình chuyển mạch bị gián đoạn, năng lượng tích trữ trong lõi từ có thể không bị giải phóng, và sự thay đổi dòng điện quá nhanh sẽ không tạo ra điện áp cao ở phía bên kia. Ảnh hưởng tích cực còn lại, đó là độ rơi của dòng điện (độ gợn-ripple) khi chuyển mạch, trong đa số trường hợp có thể quan sát được là gấp hai lần, bởi vì điện cảm chính đã bị ngắn mạch.

Điều này làm cho DRM nhạy hơn, nhưng cũng có một ảnh hưởng lớn đến đặc tuyến, làm cho chúng được thấy rõ hơn.

2.3.3. Quá trình chuyển mạch từ nấc phân áp này đến nấc phân áp khác

Để phân tích và so sánh từng phân nấc khác nhau, nên xem xét đến sự khác biệt của đặc tuyến nếu chuyển mạch lên hoặc xuống. Bởi vì một trường hợp thì một vài cuộn dây được thêm vào mạch và trường hợp kia cuộn dây lại bị bớt đi tùy vào cuộn dây phân nấc Máy biến áp và cuộn dây OLTC, lúc đó sơ đồ đấu dây có thể khác nhau giữa các Máy biến áp. Nếu cuộn dây được thêm vào, điện cảm bổ sung sẽ cần thêm năng lượng, và nếu cuộn dây bị bớt đi thì năng lượng phụ tải được giảm xuống. Ảnh hưởng này càng nhiều hơn khi cuộn dây thứ cấp không được nối ngắn mạch, như thấy trong Hình 7.

 

Các đặc tuyến đo được cũng khác nhau nếu chuyển mạch từ vị trị nấc phân áp chẵn sang nấc phân áp lẻ vì Dao chuyển hướng quay theo hướng tiến-lui. Điều này có thể thường thấy vì thời gian chuyển mạch khác nhau của mỗi giai đoạn riêng biệt. Thêm nữa, sự dao động các tiếp điểm đôi khi có thể chỉ thấy được trên một hướng (tiến hoặc lui).

OMICRON cung cấp phần mềm PTM (Primary Test Manager), cho phép phân tích và so sánh các phép đo điện trở tĩnh và động. PTM cho thấy quá trình chuyển mạch của từng phân nấc riêng biệt trên một đồ thị đơn, bởi vậy có thể dễ dàng so sánh chúng với nhau. Vì đặc trưng dòng điện của nhiều thiết kế OLTC có thể thay đổi theo hướng chuyển mạch và pha, phần mềm PTM đưa ra tùy chọn phân lọc (filtering) độc đáo để so sánh hành trình lên hoặc xuống cho các vị trí chẵn và lẻ của tất cả 03 pha. Điều này cho phép người sử dụng phân tích kết quả đo đạc để đánh giá toàn diện sự cố.

3. Kết luận

Phép đo điện trở tĩnh truyền thống có thể được dùng để kiểm tra cuộn dây cũng như các đấu nối cố định bên trong cuộn dây. Tuy vậy trong một số trường hợp, các hỏng hóc không thể được phát hiện bằng phép đo điện trở cuộn dây tiêu chuẩn. Bởi vậy, DRM như một phép đo bổ sung được chứng thực có ích trong việc phân tích quá trình chuyển mạch, và tiếp điểm chuyển động của OLTC trong Máy biến áp. Bằng việc dùng cùng một cách thiết lập đấu nối như cho phép đo điện trở tĩnh, chức năng của DRM cho cái nhìn sâu hơn vào quá trình chuyển mạch nhanh của Dao chuyển hướng, nhằm phát hiện các hao mòn và tổn hại cơ khí của các tiếp điểm, các đầu dây và điện trở luân chuyển (commutating resistors) mà không cần phải đấu lại dây. Như một hệ quả của DRM, độ tin cậy của việc đánh giá OLTC được cải thiện, chi phí bảo trì có thể giảm xuống, và quan trọng nhất, có thể tránh được các sự cố lưới điện không mong muốn với tổn thất lớn về kinh tế.

                        Biên dịch: Nguyễn Mạnh Thắng – AT Energy

Tài liệu tham khảo

[1] Cigré Working Group A2.3, 2015, TB 642 – Transformer Reliability Survey

[2] Rudolf Klaus, 50 Jahre VDE Bezirksverein Nordbayern, Die Entwicklung von Stufen-schaltern fürHochspannungstransformatoren

[3] K. Viereck, A. Saveliev, 2015, Acoustic Tap-Changer Monitoring using Wavelet Analyses, ISH 2015,Pilsen

[4] IEEE Guide for Dissolved Gas Analysis in Transformer Load Tap Changers, IEEE C57.139-2010

[5] Jur Erbrink, Edward Gulski, Johan Smit, Rory Leich, 20th International Conference on ElectricityDistribution 2009, Experimental Model for diagnosing on-load tap changer contact aging with dynamicresistance measurements

[6] E. Woschnagg und H. Koglek, 1977, Zum Problem der Widerstandsmessung von niederohmigenTransformatorwicklungen

[7] OMICRON, Standard electrical tests for power transformers, www.omicron.at

[8] IEEE Standard Test Code for Liquid-Immersed Distribution, Power and Regulating Transformers andIEEE Guide for Short-Circuit Testing of Distribution and Power Transformers, IEEE C57.12.90 – 2006[9] Raka Levi, Budo Milovic, TechCon 2011, OLTC Dynamic testing

Tác giả
	Cornelius Plath tốt nghiệp Thạc sỹ chuyên ngành Kỹ sư điện và Quản trị Kinh doanh tại trường RWTH Aachen University, CH Liên bang Đức. Trong quá trình học tập, anh tham gia một vài dự án nghiên cứu công nghiệp về Đánh giá tình trạng của các thiết bị điện lực tại Viện Công nghệ Cao áp. Anh gia nhập OMICRON năm 2010 với vai trò Kỹ sư ứng dụng, và hiện nay giữ vị trí Quản lý sản phẩm. Anh có rất nhiều kinh nghiệm về ứng dụng tầm cỡ quốc tế, tập trung vào lĩnh vực chẩn đoán cho Máy cắt và Máy biến áp lực.
	Markus Pütter học Kỹ thuật điện tại Trường đại học Paderborn và tốt nghiệp năm 1997. Từ năm 1999 ông làm việc cho OMICRON, ban đầu ở vị trí kỹ sư chẩn đoán cho Máy biến áp tại hiện trường, và từ năm 2008 trở đi là Quản lý sản phẩm cho các giải pháp chẩn đoán và thí nghiệm các thiết bị nhất thứ. Trong vai trò Quản lý sản phẩm, ông tập trung vào phát triển các giải pháp mới cho thí nghiệm Máy biến áp. Markus Pütter là thành viên của IEC TC14 Ủy ban Máy biến áp và Cigre Working group A1.39. Ông cũng tham gia tích cực vào diễn đàn AM, nhóm làm việc tập trung vào Phép đo Điện trở động cho Điều áp dưới tải (DRM on OLTCs). Markus qua đời vào tháng 6/2015 bởi một tai nạn nghiêm trọng.

 

Các hạng mục thí nghiệm truyền thống đối với máy biến áp lực