29590 ban_at_semiconductor_540x150

Phân tích đáp ứng tần số quét là một công cụ chẩn đoán để phát hiện sự nguyên vẹn về cơ của máy biến áp

Email In PDF.

Máy biến áp lực là tài sản đắt tiền, giữ vị trí quan trọng trong hệ thống điện.Vì vậy, những hư hỏng xảy ra ở MBA ngoài việc gây thiệt hại nặng nề về mặt kinh tế còn gây mất an toàn cho người vận hành và làm gián đoạn việc cung cấp điện gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các hoạt động sản xuất và đời sống sinh hoạt của các cộng đồng dân cư. Để đảm bảo được độ tin cậy cao trong vận hành, điều quan trọng là cần tiến hành công tác đánh giá tình trạng MBA lực một cách chính xác, kịp thời nhằm phát hiện sớm các khiếm khuyết cũng như các hư hỏng đã xảy ra bên trong máy. Trong số đó các khiếm khuyết và hư hỏng về cơ ở MBA thường khó phát hiện và không thể đánh giá chính xác nếu chỉ đơn thuần dựa vào một số các thử nghiệm điện thông thường hiện nay.

Bài viết này sẽ trình bày rõ hơn về việc sử dụng kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA-Sweep Frequency Response Analyse) như là một công cụ chẩn đoán để phát hiện các khiếm khuyết và hư hỏng tiềm ẩn về cơ thể hiện qua sự biến dạng của cuộn dây và sự dịch chuyển của mạch từ ở các MBA lực. Các trường hợp điển hình trên thực tế đã minh họa cho tính hiệu quả của kỹ thuật này. Đối với nhiều công ty điện lực ở các nước trên thế giới hiện nay thì SFRA được xem như là một công cụ chẩn đoán đáng giá nhất do có độ tin cậy và độ lặp lại tốt.

GIỚI THIỆU

Việc mất đi tính nguyên vẹn cơ học ở hình thức biến dạng của cuộn dây và việc dịch chuyển của lõi thép ở các MBA lực có thể được qui là do các lực điện cơ lớn do các dòng điện sự cố, việc co ngót của cuộn dây dẫn đến việc nới lỏng lực ép, các vấn đề nảy sinh khi vận chuyển và do việc lắp đặt lại gây nên. Sự biến dạng của cuộn dây và việc dịch chuyển của lõi thép này nếu không được phát hiện sớm thường sẽ chuyển thành một hư hỏng về điện môi hoặc về nhiệt. Loại hư hỏng này là không thể thay đổi được và chỉ có khắc phục bằng cách quấn lại cuộn dây của pha hoặc thay thế hoàn toàn máy biến áp. Vì vậy cần bắt buộc kiểm tra sự nguyên vẹn về cơ của các MBA đang trong tình trạng lão hóa một cách định kỳ và đặc biệt sau một biến cố ngắn mạch nhằm cung cấp một sự cảnh báo sớm về hư hỏng sắp xảy ra. Từ đó, vấn đề đặt ra là cần có một kỹ thuật phát hiện cảnh báo sớm của một hiện tượng như thế. Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số (FRA- Frequency Response Analysis) được công nhận như là công cụ chẩn đoán nhạy cảm nhất để phát hiện thậm chí ngay cả việc  dịch chuyển nhỏ của cuộn dây và mạch từ.

BỐI CẢNH CỦA VIỆC PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ

Kỹ thuật phân tích đáp ứng tần số đã được phát triển qua nhiều năm kể từ khi nó được đưa ra từ  thập niên 1960. Ban đầu nó sử dụng kỹ thuật đo xung và sử dụng phần mềm để chuyển đổi các kết quả đo từ miền thời gian sang miền tần số. Vào những năm 1970, Công ty Ontario Hydro đã đi tiên phong về kỹ thuật đáp ứng tần số bằng cách bơm một tín hiệu dạng sin và đo trực tiếp đáp ứng tần số. Vào những năm 1980, Công ty National Grid (Anh) đã cải tiến kỹ thuật bằng việc lần đầu tiên sử dụng phương pháp xung nhưng chẳng mấy chốc phương pháp tần số quét đã được sử dụng vì người ta thấy nó là thích hợp tốt hơn cho công việc tại hiện trường và cho ra các kết quả tốt hơn ở tần số cao. Vào những năm 1990, các sản phẩm thương mại đầu tiên dùng tại hiện trường đã được giới thiệu. Hiện tại có một số lượng lớn các công ty dịch vụ thí nghiệm trên thế giới đã và đang sử dụng phương pháp tần số quét và phương pháp xung trong để đánh giá tình trạng & quản lý một số lượng lớn các MBA lực đang vận hành trên lưới điện của mình.

VIỆC ĐÁNH GIÁ SỰ NGUYÊN VẸN VỀ CƠ

Các phương pháp thử nghiệm điện truyền thống được tiến hành trên các MBA như các phép đo điện dung, dòng điện từ hóa và điện kháng tản đã minh chứng là không đặc biệt nhạy cảm để phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây. Mỗi phương pháp trong số này có những hạn chế.

Các phép đo điện dung có thể phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây một cách thành  công chỉ khi nếu đã có các số liệu tham khảo hoặc nếu có thể tiến hành các phép đo trên từng pha. Ở hầu hết tất cả các MBA đã vận hành lâu năm hơn, không thể có sẵn các số liệu tham khảo và không thể tiến hành các phép đo ở từng pha ở hiện trường.

Phương pháp đo dòng điện từ hóa là một phương tiện phát hiện các hư hỏng giữa các vòng dây do sự dịch chuyển của cuộn dây một cách tuyệt vời. Tuy nhiên, nếu không có hư hỏng giữa các vòng dây, có thể vẫn không phát hiện được sự dịch chuyển của cuộn dây.

Các phép đo điện kháng tản trên một pha nói chung chỉ cho thấy một chút ít hoặc sự tương quan giữa các pha. Phép đo đẳng trị 3 pha là một thử nghiệm thuộc diện phổ quát và có thể che đậy một sự thay đổi ở một trong số các pha. Hơn thế nữa, các sai lệch so với các giá trị đã cho ở nhãn máy từ 0,5 đến 3% có thể là một lý do cần quan tâm. Điều này khiến cho những đánh giá chính xác của sự nguyên vẹn về cơ của MBA rất khó khăn.

Các công cụ giám sát tình trạng tương đối có hiệu quả khác như việc phân tích khí hòa tan trong dầu (DGA) lại không thể hỗ trợ gì thêm cho việc phát hiện sự biến dạng của cuộn dây và sự dịch chuyển của lõi thép.

CÁC CƠ SỞ CỦA VIỆC PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ

MBA được xem là một mạng lưới phức hợp bao gồm các phần tử RLC. Những sự đóng góp vào mạng lưới phức hợp RLC này là xuất phát từ điện trở của cuộn dây đồng; điện cảm của các cuộn dây và điện dung có từ các lớp cách điện giữa các bối dây, giữa các cuộn dây với nhau, giữa cuộn dây và lõi thép, giữa lõi thép và vỏ thùng, giữa thùng máy và cuộn dây, v.v. Tuy nhiên, có thể sử dụng một mạch đẳng trị đã được đơn giản hóa với các phần tử RLC đã gộp lại như đã minh họa ở hình 1 để giải thích một cách chính xác nguyên lý của kỹ thuật đáp ứng tần số.

maybienap-1

Hình 1: Mạch đẳng trị đã được đơn giản hóa với các phần tử RLC đã được gộp lại

Bất kỳ dạng hư hỏng về mặt vật lý đối với MBA đều dẫn đến những thay đổi của mạng lưới RLC. Những thay đổi này là cái mà chúng ta đang tìm kiếm và sử dụng đáp ứng tần số để làm nổi bật những thay đổi nhỏ này trong lưới RLC bên trong MBA.

Đáp ứng tần số được tiến hành bằng cách đặt một tín hiệu điện áp thấp có các tần số thay đổi vào các cuộn dây của MBA và đo cả hai tín hiệu đầu vào và đầu ra. Tỷ số của hai tín hiệu này cho ta đáp ứng đã yêu cầu. Tỷ số này được gọi là hàm truyền của MBA từ đó ta có thể thu được các giá trị về độ lớn và góc pha. Với các tần số khác nhau, mạng lưới RLC sẽ cho các mạch tổng trở khác nhau. Vì lý do đó, hàm truyền tại mỗi tần số là một đơn vị đo lường của tổng trở thực của mạng lưới RLC của MBA.

Bất kỳ sự biến dạng về mặt hình học làm thay đổi mạng lưới RLC, sự thay đổi này đến lượt nó lại làm thay đổi hàm truyền ở các tần số khác nhau và từ đó làm lộ rõ vùng mà ta quan tâm.

KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN CÁC TÌNH TRẠNG BẤT THƯỜNG BÊN TRONG MÁY BIẾN ÁP

Kỹ thuật SFRA phát hiện được những vấn đề trục trặc về cơ  cũng như về điện tiềm ẩn bên trong MBA mà các phương pháp khác không có khả năng phát hiện được. Việc biết được tình trạng bên trong MBA của mình sẽ cho phép chúng ta có thể vận hành máy ở mức tải lớn nhất mà không gây tác hại đến độ tin cậy. Những tình trạng bất thường bên trong MBA mà việc sử dụng kỹ thuật SFRA có thể phát hiện được bao gồm:

 

  • Sự biến dạng và dịch chuyển của cuộn dây
  • Việc ngắn mạch các vòng dây và hở mạch của cuộn dây
  • Các gông từ lõi thép bị lỏng
  • Các gông từ ép lõi thép bị vỡ
  • Các trục trặc ở mối ghép nối của lõi thép
  • Việc sụp đổ cục bộ của cuộn dây
  • Hư hỏng ở việc nối đất của lõi thép
  • Việc xê dịch của lõi thép
  • Một số vấn đề có liên quan đến tình trạng đấu nối của các dây nối vào sứ đầu vào, bộ điều áp dưới tải …

 

VIỆC GIẢI THÍCH CÁC ĐÁP ỨNG

Các đáp ứng đã đo sẽ được phân tích về bất kỳ một trong số những nội dung chính sau:

 

  • Các trị số dB khởi đầu (thường từ -30 đến -50dB đối với cuộn dây cao áp và từ -5 đến -15dB đối với cuộn dây hạ thế)
  • Hình dạng qui ước của một cấu hình nối sao và tam giác đi kèm với việc chú ý đến điểm cọng hưởng của lõi thép.
  • Việc so sánh với đáp ứng gốc ban đầu.
  • Việc so sánh đáp ứng với pha khác trong cùng một máy biến áp
  • Việc so sánh đáp ứng so với MBA cùng chủng loại
  • Việc tạo ra các tần số cọng hưởng mới và việc loại bỏ các tần số cọng hưởng hiện tại.

 

Trên đường đặc tính của các đáp ứng thu được dựa trên kỹ thuật tần số quét, sau khi phân tích có thể nhận thấy được những vùng có những thay đổi mà ta cần quan tâm dựa trên dãi tần từ thấp đến cao. Các dãi tần số khác nhau này có những độ nhạy khác nhau đối với các dạng hư hỏng cơ khác nhau.

Tổng trở ở các tần số khác nhau liên quan đến điện trở, điện dung và điện cảm của một MBA. Điện trở thì liên quan đến cấu trúc vật lý của cuộn dây (các vòng dây bị ngắn mạch, nối đất của lõi thép v.v) và gây ra sự xê dịch theo phương thẳng đứng (trục dB) của đáp ứng. Điện dung và điện cảm thì liên quan đến hình học của cuộn dây (sự biến dạng) và gây ra một sự xê dịch theo phương nằm ngang hoặc xê dịch về tần số.

Ở dãi tần số thấp hơn điện dung của MBA có thể được xem nhẹ và đáp ứng là thuần cảm. Ở các tần số này điện cảm của mạch từ chiếm ưu thế. Có một sự sai lệch đáng kể ở các đáp ứng giữa hai pha bên ngoài và pha giữa tại dãi tần số này. Điều này là do các đường đi của từ thông trong lõi thép. Pha giữa có hai đường đi của từ thông có từ trở bằng nhau và pha ngoài có hai đường đi của từ thông có từ trở khác nhau. Kết quả là các pha ngoài có hai điểm cọng hưởng so với pha giữa vốn chỉ có một điểm cọng hưởng. Điều này cũng giải thích về sự khác biệt về các giá trị dB lúc khởi đầu.

Ở dãi tần số cao hơn đáp ứng trông rất khó hiểu và phức tạp vì có rất nhiều điểm cọng hưởng. Ở dãi tần số này điện cảm của cuộn dây chiếm ưu thế với việc mạch từ được che chắn một cách có hiệu quả. Và do vậy, 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. Các các tần số cao nhất điện cảm có thể được xem nhẹ và đáp ứng thực tế là có tính dung.

maybienap-2

Hình 2 : Đáp ứng tần số của một MBA tốt

PHẠM VI ÁP DỤNG CỦA KỸ THUẬT PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG TẦN SỐ QUÉT (SFRA)

Do việc thiếu độ nhạy của các thử nghiệm thông lệ hiện tại nhằm phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây và phản hồi tích cực từ những công ty dịch vụ bảo trì  trên thế giới, việc sử  dụng các thiết bị đo SFRA nên được xem là một công cụ chẩn đoán hỗ trợ trong công tác thí nghiệm đánh giá hư hỏng & điều tra sự cố ở các MBA lực. Đến nay, sau gần hai mươi năm kiểm nghiệm trên thực tế, kỹ thuật SFRA đã chứng tỏ là một công cụ mạnh mẽ về phương tiện phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây và các hư hỏng khác vốn ảnh hưởng đến tổng trở của MBA một cách tin cậy và nhạy cảm.

Theo kinh nghiệm của các công ty điện lực đã áp dụng kỹ thuật SFRA vào việc đánh giá tình trạng của các MBA lực trên thế giới, trong thời gian đến chúng ta cần xem đây như là một tiêu chuẩn cần thiết để tiến hành các phép đo SFRA trong những tình huống sau đây:

 

  • Ở tất cả các MBA mới với mục đích lấy số liệu gốc ban đầu (fingerprint)
  • Là một phần của các thử nghiệm điện thông lệ trong định kỳ.
  • Sau khi lắp đặt lại MBA.
  • Sau khi MBA gặp phải các ngắn mạch dài hạn.
  • Sau khi sửa chữa các bộ chuyển nấc ở MBA.
  • Sau khi xử lý hút chân không, lọc dầu và tái sinh dầu
  • Sau bất kỳ loại sự cố nào xảy ra ở MBA.
  • Sau bất kỳ các loại hình bảo dưỡng nào đã thực hiện ở MBA, đặc biệt khi có sự kiểm tra bên trong hoặc rút ruột máy.

 

Khối lượng các phép đo SFRA cần thực hiện trên MBA hiện đã được qui định theo tiêu chuẩn IEC60076-18.

MỘT SỐ CÁC TRƯỜNG HỢP ĐIỂN ĐÌNH

Dưới đây là những trường hợp điển hình nhằm minh họa các vấn đề trục trặc có thực đã tìm thấy ở các MBA lực sau khi thực hiện thử nghiệm SFRA.

Trường hợp 1: Hư hỏng do ngắn mạch vòng dây

maybienap-3


maybienap-4

Đây là những đáp ứng của cuộn cao và cuộn hạ của cùng MBA. Rõ ràng có một sự sai lệch đáng kể ở pha màu trắng khi so với hai pha khác. Điều này là hậu quả của hư hỏng do ngắn mạch vòng.

Một vòng dây ngắn mạch có ảnh hưởng đến việc tạo ra một sự không cân bằng về từ trở ở một trong các trụ từ (trong trường hợp này là đường màu trắng), vốn tạo ra sự thay đổi ở đáp ứng tần số thấp của đặc tính này. Thử nghiệm đo dòng điện từ hóa và tỷ số biến đã hỗ trợ cho việc chẩn đoán này.

Trường hợp 2: Lõi thép bị từ dư

maybienap-5

Hình 5(A) cho thấy đáp ứng gốc của MBA và hình 5(B) cho thấy các đáp ứng do lõi thép đã bị từ hóa. MBA này đã được đưa ra khỏi vận hành do hư hỏng một bộ chuyển nấc. Bộ chuyển nấc đã được sửa chữa và thay thế. Theo tiêu chuẩn người ta đã tiến hành một thử nghiệm đo tiếp xúc bằng nguồn DC ở các tiếp điểm của bộ chuyển nấc trước khi đưa MBA vào vận hành trở lại. Thử nghiệm DC này đã sơ ý làm từ hóa lõi  thép. Đáp ứng của hình 5(B) cho thấy một sự dịch chuyển và việc loại bỏ các tần số cọng hưởng hiện có. Lõi MBA đã được khử từ và đáp ứng mới khớp với đáp ứng gốc ban đầu.

Tình trạng lõi thép bị từ hóa cũng đã được nhận biết nhờ thử nghiệm dòng điện từ hóa, vốn cho thấy một sự tăng về dòng so với thử nghiệm ban đầu. 

Trường hợp 3: Lõi thép của MBA bị chạm đất thêm ngoài điểm nối đất chính

maybienap-6

maybienap-7

Hình 6(A) và (B) cho thấy đáp ứng của pha giữa có (Đường màu trắng) và không có (Đường màu đỏ) điểm nối đất thêm ở lõi thép. Các sai lệch đã được lưu ý trên tất cả 3 pha nhưng sai lệch lớn nhất đã thấy được ở pha giữa. Hình 6(B) cho thấy một sự sai lệch về đáp ứng điện dung từ khoảng 1,5kHz đến 14kHz.

Ngoài ra, đường màu trắng có tần số cọng hưởng ở 1,6kHz mà không thấy ở đường màu đỏ. Việc tạo ra tần số cọng hưởng mới này rõ ràng là lý do để quan ngại.

KẾT LUẬN

Phân tích đáp ứng tần số quét (SFRA) qua thực tiễn áp dụng đã tự nó chứng tỏ là một công cụ chẩn đoán có đáng giá  đối với việc phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây và các hư hỏng khác vốn ảnh hưởng đến tổng trở của các MBA. Ưu điểm của phương pháp này là ở chỗ không đòi hỏi phải có các đáp ứng chuẩn để ra một quyết định chính xác vì chúng ta có thể sử dụng một cách thành công một sự so sánh đối với đáp ứng ở pha khác của cùng MBA và một sự so sánh với đáp ứng của MBA cùng loại để chẩn đoán sự nguyên vẹn về cơ của MBA.

Các kết quả thu được là tin cậy, có khả năng lặp lại và không chịu ảnh hưởng bởi vị trí của các dây thử, thời tiết và nhiễu điện từ. Thử nghiệm là dễ thực hiện và việc vận hành thiết bị thử được thực hiện gần như tự động qua phần mềm đi kèm, tuy nhiên các phép đo phải được thực hiện một cách tự tin và chu toàn để đảm bảo việc chẩn đoán được tin cậy và có ý nghĩa. Thế nhưng việc phân tích các kết quả SFRA thu được cần có sự hỗ trợ của phần mềm chuyên dụng và đôi khi phải có sự tư vấn từ các chuyên gia có kinh nghiệm lâu năm để chẩn đoán và đánh giá kỹ lưỡng tình trạng trục trặc bên trong của các MBA lực.

Bằng việc tập trung vào khả năng phát hiện sự dịch chuyển của cuộn dây của kỹ thuật này, có thể nhấn mạnh rằng các đáp ứng đã đo được luôn có khả năng cung cấp cho chúng ta một sự chỉ thị khi nào không có xảy ra sự dịch chuyển của cuộn dây. Điều này đảm bảo rằng một MBA có thể được đưa vào vận hành trở lại một cách nhanh chóng, tránh được việc kiểm tra bên trong khá tốn kém.

Khi sử dụng SFRA kết hợp cùng với các công cụ chẩn đoán khác có thể cung cấp một sự đánh giá toàn diện tình trạng của MBA và như vậy vừa đảm bảo rằng các quyết định do các nhà quản lý tài sản đưa ra trên cơ sở am hiểu một cách thấu đáo và luôn có độ chắc chắn cao, vừa tránh được những hậu quả tai hại do việc nhận định sai dẫn đến sự cố nghiêm trong hoặc gây lãng phí nguồn lực và tốn kém về các chi phí xử lý.

Tác giả: Bùi Châu Quốc Bảo

P.X Cao áp- Công ty Thí nghiệm điện miền Trung


Tin mới hơn:
Tin cũ hơn: