Phân tích thông số điện máy biến áp lực từ kết quả đo điện dung và đáp ứng tần số

Thứ hai - 06/05/2019 04:50
TÓM TẮTTrong bài viết “Phân tích đáp ứng tần số - Máy biến áp lực và ứng dụng” đăng ở bản tin số 14 (01/2016), tác giả có đề cập nguyên lý phép đo đáp ứng tần số, cách thức chẩn đoán sự cố và giới thiệu mô hình mạch điện tương đương thông số tập trung của máy biến áp lực. Dựa vào đó, bài viết này đề xuất cách thức xác định các thông số điện chính trong mạch tương đương này của các máy biến áp lực 110 kV và 500 kV ứng dụng phân tích sự cố chập vòng dây và hiện tượng từ dư, qua đó hỗ trợ công tác thí nghiệm chẩn đoán tình trạng máy biến áp.
  1. GIỚI THIỆU
Hiện nay, kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (PTĐƯTS) đã được áp dụng trong quy trình thí nghiệm máy biến áp lực (MBA) tại các công ty thí nghiệm điện nhưng chủ yếu vẫn chỉ mang tính chất cảnh báo dựa trên sự sai khác đặc tuyến đáp ứng tần số của cuộn dây giữa các lần đo ở các thời điểm khác nhau, giữa các pha của cùng một MBA hay của các MBA giống nhau [1-3]. Sự sai khác này sẽ được đánh giá chẩn đoán định tính (theo kinh nghiệm chuyên gia, kết hợp với hướng dẫn, tiêu chuẩn quốc tế CIGRE và IEEE) hay đánh giá định lượng (thông qua các hệ số tương quan trong 03 phân vùng tần số theo tiêu chuẩn Trung Quốc DL/T-911 [4]).
Trong thực tế, việc đánh giá định tính phụ thuộc lớn vào kinh nghiệm chuyên gia nên có thể rất tản mạn và không có tính thuyết phục trong quy trình chẩn đoán. Đánh giá định lượng theo tiêu chuẩn Trung Quốc cũng chỉ có ý nghĩa tham khảo vì có nhiều yếu tố chưa được khảo sát trong tiêu chuẩn này như loại MBA, kiểu dây quấn, tổ đấu dây... Để cung cấp thêm thông tin đánh giá định lượng các kết quả đo đáp ứng tần số (ĐƯTS) cho các loại MBA ba pha hai cuộn dây, bài viết giới thiệu một phương pháp xác định các thông số điện trong mô hình điện thông số tập trung của MBA, góp phần nâng cao chất lượng chẩn đoán sự cố điện và cơ vốn đang dựa vào các kỹ thuật thử nghiệm truyền thống. 
 
  1. MÔ HÌNH ĐIỆN THÔNG SỐ TẬP TRUNG CỦA MÁY BIẾN ÁP LỰC BA PHA HAI CUỘN DÂY
Hình 1 giới thiệu mô hình thông số tập trung ba pha cho một MBA hai cuộn dây, nhận được dựa trên nguyên lý đối ngẫu mạch từ - mạch điện trong vùng tần số thấp. Mô hình này phản ánh vật lý các hiện tượng điện từ xảy ra trong MBA ở tần số thấp (từ 20 Hz đến tối đa vài chục kHz tùy loại MBA và cấu tạo cuộn dây) nên các thông số điện trong mô hình (bảng 1) có thể được sử dụng để phân tích các chế độ vận hành cũng như sự cố cho MBA có tổ đấu dây bất kỳ.
hinh1c

Hình 1 – Mô hình thông số tập trung cho một MBA hai cuộn dây YNyn6
Bảng 1. Giải thích các thông số MBA trong hình 1
Thông số điện  
Tổng trở lõi thép (pha) R1//L1 (trụ) và Ry//Ly (gông)
Tổng trở rò (pha) RH, RL, L3
Tổng trở thứ tự không (pha) R4//L4
Điện dung pha các cuộn dây  
  • Dọc (series)
CsH, CsL
  • Đối-với-đất (ground)
CgH, CgL
  • Liên-cuộn-dây (inter-winding)
Ciw
 
  1. XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐIỆN DỰA TRÊN CÁC PHÉP ĐO
Các thông số điện trong mô hình thông số tập trung MBA ở hình 1 có ảnh hưởng lớn đến biên độ ĐƯTS (hở mạch) gồm: điện cảm lõi thép (L1, Ly) và các điện dung các cuộn dây (Cs, Cg, Ciw). Để minh họa, hình 2 giới thiệu một kết quả đo ĐƯTS tiêu biểu của một cuộn dây trong một MBA với ba phân vùng ảnh hưởng chính ở tần số thấp: 1) vùng ảnh hưởng chủ yếu bởi các điện cảm lõi thép với điểm đặc trưng “IND” tương ứng với góc pha (tỉ số điện áp) gần -90°; 2) vùng ảnh hưởng chính bởi các điện dung các cuộn dây với điểm đặc trưng “CAP” tương ứng với góc pha (tỉ số điện áp) gần +90°; 3) vùng tương tác giữa các điện cảm và điện dung trên, với các điểm cộng hưởng đặc trưng “RES” (góc pha gần 0°). Ảnh hưởng của các thông số tổn hao (điện trở, điện dẫn) không đáng kể tại các điểm “IND” và “CAP” (do góc pha đạt cực trị), và dễ dàng xác định tại các điểm “RES” (theo giải pháp mô phỏng). Các thông số khác chỉ có ảnh hưởng lớn ở vùng tần số trung bình và cao nên sẽ không được khảo sát.
hinh2C

Hình 2 – Ba phân vùng ảnh hưởng của các thông số chính trên đặc tuyến biên độ ĐƯTS hở mạch
 
  1. Xác định thông số điện dung
Các giá trị điện dung đối với đất (CgH, CgL) và liên cuộn dây (Ciw) trong hình 1 được xác định dựa vào phép thử nghiệm truyền thống “đo điện dung và tổn hao điện môi”. Trong phép đo này, đầu cực các cuộn dây pha cần đấu nối với nhau để xác định giá trị tổng cộng ba pha (tương ứng là CHG, CLG, CHL trong hình 3); theo đó, chỉ cần ít nhất 03 phép đo phân biệt nhau trong bảng 2 là có thể xác định các điện dung tổng cộng CHG, CLG, CHL, từ đó tính được các điện dung pha CgH, CgL, Ciw.
Hinh3C
Hình 3 – Sơ đồ nguyên lý các điện dung 3 pha trong MBA hai cuộn dây
Bảng 2. Các phép đo điện dung MBA hai cuộn dây [5]
TT Chế độ Nguồn cấp Nối đất Bảo vệ UST Giá trị
1 UST HV LV CHL
2 UST LV HV CHL
3 GST HV LV CHL+ CHG
4 GST LV HV CHL+ CLG
5 GSTg HV LV CHG
6 GSTg LV HV CLG
Trong mô hình mạch thông số tập trung ở hình 1 vẫn còn thông số điện dung dọc của các cuộn dây (CsH, CsL) chưa được xác định. Do các điện dung này không đo được nên sẽ được xác định gián tiếp thông qua mô phỏng sử dụng công cụ Simulink/Matlab. Theo đó, nếu biên độ ĐƯTS mô phỏng (khi chưa xét có điện dung dọc trong mô hình) có sự sai khác so với biên độ ĐƯTS đo lường ở điểm “CAP”, tức ảnh hưởng của điện dung dọc là đáng kể so với các điện dung đo được, một giá trị hợp lý của bộ {CsH, CsL} sẽ được thêm vào để cân bằng sự sai khác này.
  1. Xác định thông số điện cảm
Trong thực tế vận hành, các công ty điện lực chỉ có kết quả các phép đo ĐƯTS tiêu chuẩn dạng tỉ số điện áp. Vì vậy, nhu cầu thực tế là cần có một phương pháp tính toán gián tiếp, dựa trên nguyên lý khảo sát sự thay đổi của đặc tuyến ĐƯTS (hở mạch) theo giá trị các điện cảm lõi thép (L1 và Ly) ở tần số thấp (từ 20 Hz đến vài trăm Hz), theo minh họa ở hình 4.
Hinh4C
Hình 4 – Mô phỏng sự thay đổi của đặc tuyến biên độ ĐƯTS theo giá trị L1 và Ly ở tần số thấp

Từ hình 4 có thể rút ra quy luật ảnh hưởng của điện cảm L1 và Ly đến biên độ ĐƯTS trong vùng tần số thấp như sau:
  • Khi điện cảm L1, Ly tăng, đặc tuyến có xu hướng giảm, dịch chuyển đi xuống (trục biên độ); đồng thời, các điểm cộng hưởng dịch sang trái (trục tần số).
  • Khi điện cảm L1, Ly giảm, đặc tuyến có xu hướng tăng (trục biên độ); đồng thời, điểm cộng hưởng bị dịch chuyển sang phải (trục tần số).
  • Tỉ lệ Ly/L1 càng lớn, khoảng cách giữa hai điểm cộng hưởng càng lớn và ngược lại.
Dựa vào quy luật này, các giá trị L1 và Ly (áp dụng cho từng pha) sẽ được xác định định lượng theo sai số ở ba vị trí, minh họa ở hình 5: điểm “IND”, ΔMag(sim-mea), và 2 điểm cộng hưởng “RES”, Δf_res1(sim-mea) và Δf_res2(sim-mea), theo lưu đồ giải thuật được giới thiệu ở hình 6, với các thông số ɛ1, ɛ2, ɛ3 là giới hạn sai số theo độ chính xác mong muốn. 
Hinh67C

            Hình 7. Sơ đồ khối của hệ thống xử lý logic mờ                                    Hình 6. Lưu đồ xác định điện cảm L1 và Ly
Hình 7 thể hiện quá trình xử lý của hệ thống logic mờ. Đầu tiên, ba biến ngõ vào sẽ được mờ hóa thành vector ngõ vào qua bước mờ hóa. Bộ xử lý chứa các hàm thành viên là tập hợp tất cả các trường hợp có thể có của ngõ vào và đáp ứng tương ứng dựa theo hệ tri thức, chính là các quy luật tác động của các điện cảm đến biên độ ĐƯTS mô phỏng trong vùng tần số thấp. Vector ngõ vào sau khi qua bộ xử lý sẽ cho ra vector ngõ ra tương ứng, và bước giải mờ chuyển tín hiệu này thành biến ngõ ra. Hệ thống xử lý logic mờ trong hình 8 được thiết kế theo hệ thống “Mandani” 3 ngõ vào (các sai số ở hình 5) và 2 ngõ ra (ΔL1 và ΔLy) với các  luật như sau: “And method” MIN, “Or method” MAX, “Implication” MIN, “Aggregation” MAX, “Defuzzification” CENTROID, minh họa trong hình 8.
Hinh8C
Hình 8. Thiết kế khâu xử lý mờ
 
  1. TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT 1 – PHÂN TÍCH SỰ CỐ CHẬP VÒNG TRONG MỘT MBA 110 kV
  1. Đối tượng khảo sát
      Do các MBA 110 kV chiếm tỷ lệ lớn trong lưới điện truyền tải và phân phối của miền Nam, hai MBA có thông số tương tự nhau 63 MVA, 115/23 kV (đặt tên là T1 và T2) với thông tin chi tiết cho ở bảng 3 được chọn thí điểm để khảo sát ứng dụng phương pháp đề xuất.
Bảng 3. Thông số các MBA thử nghiệm
Số pha 3 pha Công suất 63 MVA
Cách điện Dầu Điện áp 115/23 kV
Năm sản xuất 2008 Tổ đấu dây YNyn0
     
      Trong hai MBA này, MBA T1 ở tình trạng vận hành bình thường còn MBA T2 đã bị sự cố và cô lập vận hành. Do MBA T2 không có dữ liệu đo ĐƯTS trước đây, các dữ liệu đo ĐƯTS của MBA T1 có thể xem như là dữ liệu ở tình trạng vận hành bình thường của MBA T2 để phân tích.
  1. Các kết quả thử nghiệm truyền thống
      Trong số các hạng mục thí nghiệm chẩn đoán truyền thống đã thực hiện đối với MBA T2, phép đo tỉ số biến và thí nghiệm không tải điện áp thấp, trình bày tương ứng theo bảng 4, là bất thường và cho thấy, MBA này nhiều khả năng bị ngắn mạch chập vòng cuộn dây pha C. Cụ thể, tỉ số biến pha C lệch ít nhất 12.39% (nấc điều áp 19), trong khi độ lệch cho phép là 2% [17]; tổn hao không tải pha C là 116,023 W (~17,832%), lớn hơn rất nhiều so với giá trị cho phép đối với loại MBA này là 5% [17]. Các giá trị sai số tỉ số biến và tổn hao không tải lớn nhất đối với MBA T1 tương ứng là 0.11% và 0.31%.
 
Bảng 4.  Kết quả đo tỉ số biến và thí nghiệm không tải MBA T2
Kết quả đo tỉ số biến Kết quả thí nghiệm không tải
Nấc KA KB KC %ΔK Pha đo U0 (kV) I0 (mA) P0 (W)
1 5.8014 5.7997 6.6248 14.22 A 10 86.8 647
10 5.0043 5.0028 5.6537 13.07 B 10 86.6 642
19 4.2076 4.2063 4.7203 12.39 C 50 33.8 116,023
     
  1. Kết quả phân tích từ phép đo điện dung và đáp ứng tần số hở mạch
      Bảng 5 giới thiệu giá trị các thông số điện dung (nhận được từ phân tích các phép đo điện dung và tổn hao điện môi) và điện cảm (từ phương pháp đề xuất, với các giới hạn sai số ɛ1= 0.5 dB, ɛ2 = 10 Hz, ɛ3 = 10 Hz) cho MBA T1 và T2. Đối với MBA T2, có thể nhận thấy giá trị bất thường của điện cảm tương đương trụ lõi thép pha C (0 H), và điện cảm tương đương các gông lõi thép (6.20 H) so với các thông số tương ứng (22.00 H và 23.19 H) của MBA T1. Các thông số điện dung của MBA T2 đều không thay đổi so với MBA T1.
Bảng 5. Thông số điện dung và điện cảm trong mô hình thông số tập trung MBA T1 và T2
MBA T1 MBA T2
Điện dung (nF) Điện cảm (H) Điện dung (nF) Điện cảm (H)
Ciw 1.862 Ly 23.19 Ciw 1.862 Ly 6.20
CgH 6.561 L1 (A, B, C) 22.00 CgH 6.561 L1 (C) 0
CgL 3.775     CgL 3.775 L1 (A, B) 22.00
      Hình 9 và 10 giới thiệu so sánh kết quả các đặc tuyến biên độ ĐƯTS mô phỏng (dựa trên mô hình điện thông số tập trung ở hình 1) và đo lường (thực hiện bởi thiết bị FRAX 101) trong vùng tần số thấp của MBA T1 và T2 tương ứng, qua đó cho phép khẳng định các thông số điện dung và điện cảm (trong bảng 5) và các thông số phụ (điện trở, điện dẫn) đã được xác định một cách phù hợp. Các độ lệch nhỏ về biên độ ĐƯTS giữa mô phỏng và đo lường trong vùng tần số từ 20 Hz đến 100 Hz hoàn toàn có thể khắc phục đơn giản bằng cách sử dụng đặc tuyến phi tuyến điện trở theo tần số R1(f) và Ry(f) thay vì một giá trị hằng số đã được chọn để đơn giản hóa khâu mô phỏng.
Hinh910C
      Nếu phân tích định lượng các ĐƯTS đo lường trên pha C giữa hai MBA T1 và T2, hoặc giữa hai pha ngoài cùng (A và C) của MBA T2 dựa trên các hệ số tương quan theo tiêu chuẩn DL/T-911 của Trung Quốc [4], chỉ nhận được kết luận rằng “cuộn dây bị biến dạng trầm trọng”. Tuy nhiên, với phương pháp đề xuất, có thể phân tích dựa trên sự thay đổi các thông số điện một cách rõ ràng và thuyết phục hơn.
Các giá trị điện dung của MBA T1 và T2 ở bảng 5 không có sự thay đổi, chứng tỏ MBA T2 chưa có sự cố cơ (biến dạng ngang và dọc trục) vì không có sự thay đổi đáng kể cấu trúc hình học các cuộn dây. Điện cảm tương đương trụ lõi thép pha C giảm về giá trị không, biểu thị có sự thay đổi lớn về từ thông trong lõi thép pha này. Về nguyên lý, trong mạch phần cuộn dây bị chập vòng có điện áp cảm ứng sẽ xuất hiện dòng điện ngắn mạch, từ đó lại sinh ra thêm thành phần từ thông ngược chiều, khử từ thông chính ban đầu. Như vậy, có cơ sở để khẳng định nhận định chập vòng cuộn dây pha C trong MBA T2 dựa trên kết quả các thử nghiệm truyền thống trước đây.
 
  1. TRƯỜNG HỢP KHẢO SÁT 2 – PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG TỪ DƯ TRONG MỘT MBA 500 kV
  1. Đối tượng khảo sát
Một MBA ba pha 525/23.5 kV 730 MVA YNd11 đã được chọn để phân tích thông số trước và sau khi khử từ dư trong lõi thép. Các phép đo thử nghiệm truyền thống đều cho kết quả bình thường ngoại trừ có độ lệch biên độ ĐƯTS trong vùng tần số thấp, giới thiệu ở hình 11.
Hinh11C
Hình 11. So sánh đặc tuyến ĐƯTS trước và sau khử từ của các cuộn dây MBA T3
  1. Kết quả phân tích từ phép đo điện dung và đáp ứng tần số hở mạch
Bảng 6 giới thiệu các thông số điện dung và điện cảm trong mô hình thông số tập trung cho MBA T3 nhận được từ phương pháp đề xuất. Các thông số điện dung và điện cảm tương đương các gông lõi thép (Ly) đều không thay đổi đáng kể trước và sau khi khử từ. Tuy nhiên, có thể dễ dàng nhận thấy giá trị bất thường của điện cảm tương đương trụ lõi thép (L1) cả 3 pha A, B, C trước khi khử từ (tương ứng 15 H, 25.3 H và 22.5 H) so với sau khi khử từ (40.7 H ở cả 3 pha).
Bảng 6. Thông số điện dung và điện cảm trong mô hình thông số tập trung MBA T3 trước và sau khi khử từ
Trước khi khử từ Sau khi khử từ
Điện dung (nF) Điện cảm (H) Điện dung (nF) Điện cảm (H)
Ciw 10.455 L1 (A, B, C) 15, 25.3, 22.5 Ciw 10.455 L1 (A, B, C) 40.7
CgH 9.518 Ly 41.5 CgH 9.518 Ly 42.7
CgL 52.636     CgL 52.636    
      Hình 12 so sánh kết quả mô phỏng và đo lường ĐƯTS hở mạch của các cuộn dây pha MBA T3 trước khi khử từ (hình 12a) và sau khi khử từ (hình 12b). Kết quả cho thấy các thông số điện xác định dựa trên phương pháp đề xuất có độ tin cậy cao.
Hinh12C
Hình 12. So sánh đặc tuyến ĐƯTS mô phỏng và đo lường của các cuộn dây MBA T3 trước khử từ (a) và sau khử từ (b)
Kết quả phân tích định lượng các ĐƯTS đo lường các cuộn dây MBA T3 trước và sau khi khử từ dựa trên các hệ số tương quan theo tiêu chuẩn DL/T-911 của Trung Quốc cho thấy “cuộn dây bình thường”. Tuy nhiên, sự thay đổi không đồng bộ của các điện cảm trụ lõi thép cùng với sự không thay đổi (đáng kể) của các thông số điện dung và điện cảm gông lõi thép cho phép kết luận có hiện tượng từ dư trong lõi thép, vốn phân bố không đồng bộ giữa các trụ lõi thép phụ thuộc theo các yếu tố khác nhau như mức độ và thời điểm thao tác đóng cắt nguồn tác động.
  1. KẾT LUẬN
Bài viết đã đề xuất một phương pháp tin cậy và khả thi trong việc xác định các thông số điện dung và điện cảm trong mô hình thông số tập trung của MBA dựa trên các phép thử nghiệm truyền thống và kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số, qua đó cung cấp thêm thông tin định lượng góp phần nâng cao chất lượng chẩn đoán các sự cố chập vòng và phân tích từ dư cho các MBA tiêu biểu 110 kV và 500 kV.
Hiện tại, các phép thử nghiệm chẩn đoán (truyền thống và nâng cao) vẫn chưa được thực hiện đầy đủ đối với các MBA trên lưới điện truyền tải và phân phối miền Nam bởi các trang thiết bị thử nghiệm công suất lớn vẫn chưa được trang bị hoàn chỉnh. Vì vậy, phương pháp đề xuất có thể được ứng dụng để mở rộng cơ sở dữ liệu thử nghiệm hiện tại cho các MBA, nhằm gia tăng chất lượng chẩn đoán trong điều kiện hiện nay.
 
  1. TÀI LIỆU THAM KHẢO CHÍNH
    [1] IEC 60076-18, “Power Transformer – Part 18: Measurement  of Frequency Response,” 2012.
    [2] IEEE C57.149, “IEEE Guide for the Application and Interpretation of  Frequency Response Analysis for Oil Immersed Transformers,” 2012.
    [3] CIGRE Report 342 Working Group A2.26, “Mechanical condition assessment of transformer windings using FRA,” 2008.
    [4] DL/T 911, Chinese Standard, “Frequency Response Analysis on Winding Deformation of Power Transformer,” 2005
    [5] M. Krüger, “Application Guide: Capacitance and dissipation factor measurement with CPC 100 + CP TD1,” Omicron GmbH, Austria, 2004.
    [6] Tổng công ty Điện lực Việt Nam, “Quy trình vận hành và sửa chữa máy biến áp,” ban hành theo quyết định 623/ĐVN/KTNĐ, 1997.
ThS. NGUYỄN KHẮC HIỆU, ThS. NGUYỄN SĨ HUY CƯỜNG – CÔNG TY THÍ NGHIỆM ĐIỆN MIỀN NAM
KS. NGÔ VĂN HIỀN - CÔNG TY CP NGHIÊN CỨU & THÍ NGHIỆM ĐIỆN
PGS.TS. PHẠM ĐÌNH ANH KHÔI – ĐHBK TP.HCM

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết
banner cuoi trang
Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây